TY - JOUR A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Gook, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Hybrid laser‑arc welding of laser‑ and plasma‑cut 20‑mm‑thick structural steels N2 - It is already known that the laser beam welding (LBW) or hybrid laser-arc welding (HLAW) processes are sensitive to manufacturing tolerances such as gaps and misalignment of the edges, especially at welding of thick-walled steels due to its narrow beam diameter. Therefore, the joining parts preferably have to be milled. The study deals with the influence of the edge quality, the gap and the misalignment of edges on the weld seam quality of hybrid laser-arc welded 20-mm-thick structural steel plates which were prepared by laser and plasma cutting. Single-pass welds were conducted in butt joint configuration. An AC magnet was used as a contactless backing. It was positioned under the workpiece during the welding process to prevent sagging. The profile of the edges and the gap between the workpieces were measured before welding by a profile scanner or a digital camera, respectively. With a laser beam power of just 13.7 kW, the single-pass welds could be performed. A gap bridgeability up to 1 mm at laser-cut and 2 mm at plasma-cut samples could be reached respectively. Furthermore, a misalignment of the edges up to 2 mm could be welded in a single pass. The new findings may eliminate the need for cost and time-consuming preparation of the edges. KW - Hybrid laser-arc welding KW - Thick-walled steel KW - Edge quality KW - Gap bridgeability KW - Laser cutting KW - Plasma cutting PY - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-552013 SN - 0043-2288 VL - 66 SP - 507 EP - 514 PB - Springer AN - OPUS4-55201 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Marquardt, R. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen additiv gefertigter Ni-Basis-Bauteile N2 - Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit dem Einfluss des Additive Manufacturing auf die Schweißeignung von Bauteilen aus Inconel 718. Hierfür wurden Proben mittels DED und L-PBF hergestellt und ihr Verhalten in Blindschweißversuchen anhand eines Vergleichs mit konventionellen Gussblechen untersucht. Im zweiten Schritt wurden die verschiedenen additiv hergestellten Proben mit dem Gussmaterial im I-Stoß sowie untereinander verschweißt. Als Schweißverfahren wurde für alle Proben das Elektronenstrahlschweißen angewandt. Zur Auswertung wurde anhand von Schliffen das Nahtprofil vermessen und die Proben auf Poren und Risse untersucht. Zusätzlich wurde die Dichte vermessen und eine Prüfung auf Oberflächenrisse durchgeführt. Das AM-Material zeigte dabei Unterschiede in Nahtform und Defektneigung im Vergleich zum Gusswerkstoff. Insbesondere die DED-proben neigten unter bestimmten Parameterkonstellationen verstärkt zu Porenbildung. Risse konnten nicht beobachtet werden. Trotz auftretender Nahtunregelmäßigkeiten wurde in den kombinierten AM-Schweißproben die Bewertungsgruppe C erreicht. Eine Prüfung der bestehenden Regelwerke zur Schweißnahtbewertung anhand der gewonnenen Erkenntnisse zu additiv gefertigten Proben im Elektronenstrahlschweißprozess zeigte keinen Ergänzungsbedarf. T2 - #additivefertigung: Metall in bestForm CY - Essen, Germany DA - 26.10.2022 KW - Elektronenstrahlschweißen KW - Additive Fertigung KW - Schweißnahtbewertung PY - 2022 SN - 978-3-96144-202-7 VL - 383 SP - 81 EP - 92 PB - DVS-Media GmbH AN - OPUS4-56173 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Bachmann, Marcel A1 - Artinov, Antoni A1 - Rethmeier, Michael T1 - Influence of the free surface reconstruction on the spatial laser energy distribution in high power laser beam welding modeling N2 - An accurate and efficient description of the spatial distribution of laser energy is a crucial factor for the modeling of laser material processing, e.g., laser welding, laser cutting, or laser-based additive manufacturing. In this study, a 3D heat transfer and fluid flow model coupled with the volume-of-fluid algorithm for free surface tracking is developed for the simulation of molten pool dynamics in high-power laser beam welding. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by a raytracing method. Two strategies of free surface reconstruction used in the ray-tracing method are investigated: a typical piecewise linear interface calculation (PLIC)-based method and a novel localized level-set method. The PLIC-based method is discrete, resulting in noncontinuous free surface reconstruction. In the localized level-set method, a continuous free surface is reconstructed, and, thus, the exact reflection points can be determined. The calculated spatial laser energy distribution and the corresponding molten pool dynamics from the two methods are analyzed and compared. The obtained numerical results are evaluated with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. It is found that distinct patterns of the beam multiple reflections are obtained with the different free surface reconstructions, which shows significant influence not only on the molten pool behaviors but also on the localized keyhole dynamics. KW - Laser beam welding KW - Laser energy distribution KW - Weld pool dynamics KW - Ray teacing PY - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-562429 SN - 1042-346X VL - 34 IS - 4 SP - 042023-1 EP - 042023-8 PB - Laser Institute of America CY - Orlando, Fla. AN - OPUS4-56242 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Marko, A. A1 - Bähring, S. A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Transferability of ANN-generated parameter sets from welding tracks to 3D-geometries in Directed Energy Deposition N2 - Directed energy deposition (DED) has been in industrial use as a coating process for many years. Modern applications include the repair of existing components and additive manufacturing. The main advantages of DED are high deposition rates and low energy input. However, the process is influenced by a variety of parameters affecting the component quality. Artificial neural networks (ANNs) offer the possibility of mapping complex processes such as DED. They can serve as a tool for predicting optimal process parameters and quality characteristics. Previous research only refers to weld beads: a transferability to additively manufactured three-dimensional components has not been investigated. In the context of this work, an ANN is generated based on 86 weld beads. Quality categories (poor, medium, and good) are chosen as target variables to combine several quality features. The applicability of this categorization compared to conventional characteristics is discussed in detail. The ANN predicts the quality category of weld beads with an average accuracy of 81.5%. Two randomly generated parameter sets predicted as “good” by the network are then used to build tracks, coatings,walls, and cubes. It is shown that ANN trained with weld beads are suitable for complex parameter predictions in a limited way. KW - Welding parameter KW - Quality assurance KW - DED KW - Artificial neural network KW - Additive manufacturing PY - 2022 U6 - https://doi.org/10.1515/mt-2022-0054 SN - 0025-5300 VL - 64 IS - 11 SP - 1586 EP - 1596 PB - De Gruyter AN - OPUS4-56278 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Marko, A. A1 - Bähring, S. A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Prognose von Qualitätsmerkmalen durch Anwendung von KI-Methoden beim Directed 10 Energy Deposition N2 - Dieser Beitrag enthält die Ergebnisse eines im Rahmen der DVS Forschung entwickelten Ansatzes zur Qualitätssicherung im Directed Energy Deposition. Es basiert auf der Verarbeitung verschiedener während des Prozesses gesammelter Sensordaten unter Anwendung Künstlicher Neuronale Netze (KNN). So ließen sich die Qualitätsmerkmale Härte und Dichte auf der Datenbasis von 50 additiv gefertigten Probenwürfel mit einer Abweichung < 2 % vorhersagen. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit des KNN auf eine Schaufelgeometrie untersucht. Auch hier ließen sich Härte und Dichte hervorragend prognostizieren (Abweichung < 1,5 %), sodass der Ansatz als validiert betrachtet werden kann. KW - Kl KW - Directed Energy Depositio KW - Qualitätssicherung PY - 2022 SN - 0036-7184 VL - 74 IS - 10 SP - 672 EP - 679 PB - DVS Media CY - Düsseldorf AN - OPUS4-56284 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Simón Muzás, Juan A1 - Brunner-Schwer, C. A1 - Rethmeier, Michael A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Mitigation of liquation cracking in laser welding of pairs of L-PBF processed and wrought plates of Inconel 718 N2 - Laser welding is an appropriate technique for joining Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) parts together and to conventional wrought ones. The potential consists of profiting from synergies between additive and conventional manufacturing methods and overcoming the existing limitations of both. On the one hand, L-PBF is a widely spread metal-based additive manufacturing technique suitable for generating complex parts which can present intrinsic designed cavities, conformal cooling channels, and filigree structures contributing to sustainable manufacturing and efficiency-oriented designs. On the other hand, chamber sizes for producing L-PBF parts are limited, and the process is time-consuming. Thus, its employment is not for every geometry justified. Additionally, they are in most cases individual elements of a larger assembly and need to be joined together to conventionally fabricated parts. The present research suggests laser welding parameters to adequately bond pairs of wrought and L-PBF processed plates and two L-PBF plates of Inconel 718 in butt position. L-PBF samples are printed in three different build-up orientations. Additionally, the influence of as-built L-PBF roughness qualities and usual pre-weld preparations such as edge milling are examined. The effect of normed pre-weld heat treatments is also contemplated. Identified cracks are analyzed by means of EDS in order to confirm the present phases on the areas of interest. EBSD is also employed to obtain a clear depiction of the crystallographic texture and distribution of the hot cracks. The quality of the weldment was examined according to existing standards. Substantial differences in seam geometry and microstructure across different edge’s surface qualities and build directions of stress relieved L-PBF parts have not been detected. Nevertheless, even if no other irregularities are present in the seam, variability in liquation cracking susceptibility has been confirmed. This defect is prone to happen when parts made of this nickel-based superalloy are welded together when not enough precautions are taken. It has been determined that grain size and ductility of the material before welding play a crucial role and mitigating or intensifying these imperfections. Moreover, recommendations are presented to avoid this potential welding defect. T2 - IIW 2022 International Conference on Welding and Joining CY - Tokyo, Japan DA - 17.07.2022 KW - Hybrid Part KW - Liquation Cracking KW - Build-up Orientation KW - Pre-weld Preparation KW - Heat treatment KW - Inconel 718 KW - Laser Welding KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Selective Laser Melting KW - SLM KW - L-PBF KW - PBF-LB/M KW - LW PY - 2022 UR - www.iiw2022.com SP - 372 EP - 375 PB - The International Institute of Welding (IIW) CY - Tokyo, Japan AN - OPUS4-56066 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zur Herstellung von Cu-Strukturen mittels Wire Electron Beam Additive Manufacturing N2 - Das Additive Manufacturing gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Fertigung metallischer Bauteile im industriellen Umfeld. Hierbei wird zunehmend auch auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits in der Industrie etabliert sind und sich in der Regel durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich neben den bereits im großen Umfeld untersuchten Wire-DED-Verfahren auch eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die als Wire Electron Beam Additive Manufacturing bezeichnete Technologie besondere Vorteile gegenüber anderen, zumeist Laser- oder Lichtbogen-basierten DED-Prozessen. Das Verfahren bietet vor allem Potenzial für die Verarbeitung von hochleitfähigen, reflektierenden oder oxidationsgefährdeten Werkstoffen. Insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus Kupferlegierungen zeigt sich der Elektronenstrahl als besonders geeignet. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch übergreifende Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel zweier Cu-Werkstoffe. Dabei werden ein korrosionsbeständiger Werkstoff aus dem maritimen Bereich sowie eine Bronze mit guten Verschleißeigenschaften aus dem Anlagenbau getestet. Über mehrstufige Testschweißungen wurden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. Hierfür wurden zunächst optimale Bereiche für den Energieeintrag anhand von Volumenenergie sowie mögliche Schweißgeschwindigkeiten untersucht. Anschließend wurde die Skalierbarkeit des Prozesses anhand von Strahlstrom und Drahtvorschub getestet. Als wesentliche Zielgrößen wurden dabei Spurgeometrie, Aufmischung und Härte herangezogen. Die Eignung der ermittelten Parameter wurde im letzten Schritt exemplarisch anhand einer additiven Testgeometrie in Form eines Zylinders nachgewiesen. T2 - DVS Congress 2022 Große Schweißtechnische Tagung DVS CAMPUS CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - WEBAM KW - Electron beam KW - EBAM KW - Wire electron beam additive manufacturing PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 446 EP - 454 PB - DVS Media AN - OPUS4-56058 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - El-Batahgy, A. A1 - Elkousy, M. A1 - Al-Rahman, A. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael A1 - Gook, S. T1 - Retaining Mechanical Properties of GMA-Welded Joints of 9%Ni Steel Using Experimentally Produced Matching Ferritic Filler Metal N2 - Motivated by the loss of tensile strength in 9%Ni steel arc-welded joints performed using commercially available Ni-based austenitic filler metals, the viability of retaining tensile strength using an experimentally produced matching ferritic filler metal was confirmed. Compared to the austenitic Ni-based filler metal (685 MPa), higher tensile strength in gas metal arc (GMA) welded joints was achieved using a ferritic filler metal (749 MPa) due to its microstructure being similar to the base metal (645 MPa). The microstructure of hard martensite resulted in an impact energy of 71 J (-196 °C), which was two times higher than the specified minimum value of _>34 J. The tensile and impact strength of the welded joint is affected not only by its microstructure, but also by the degree of its mechanical mismatch depending on the type of filler metal. Welds with a harder microstructure and less mechanical mismatch are important for achieving an adequate combination of tensile strength and notched impact strength. This is achievable with the cost-effective ferritic filler metal. A more desirable combination of mechanical properties is guaranteed by applying low preheating temperature (200 °C), which is a more practicable and economical solution compared to the high post-weld heat treatment (PWHT) temperature (580 °C) suggested by other research. KW - 9%Ni steel KW - Ni-based austenitic filler metal KW - Mechanical mismatching KW - Microstructure KW - Post-weld heat treatment KW - Preheating KW - Matching ferritic filler metal PY - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-564610 SN - 1996-1944 VL - 15 IS - 23 SP - 1 EP - 14 PB - MDPI AN - OPUS4-56461 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Gumenyuk, Andrey T1 - Welding of thick metal plates with laser - Where are the limits? N2 - -With modern high-power lasers (and vacuum) penetration around 100 mm is possible -Important for industrial applications: single-pass full penetration welds with tolerances -Contactless EM-backing helps to overcome many main restrictions: -Single-pass HLAW of up to 30 mm can be realized with 20 kW laser power -Increase of the gap bridgeability and misalignement of edges -Lower sensitivity to manufacturing tolerances and edge quality; samples can be prepared by a plasma-cut instead of time-consuming milling process -Gives the possibility to increase the welding parameter window and cooling rate so that the required mechanical properties can be reached -Improved filler wire mixing behaviour T2 - AKL22 - International Laser Technology Congress CY - Aachen, Germany DA - 04.05.2022 KW - Laser hybrid welding KW - Thick-walled steel KW - High-power laser KW - Electromagnetic backing PY - 2022 AN - OPUS4-56367 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Pittner, Andreas A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Einlagiges MSG-Hochleistungsschweißen von dickwandigen Baustählen mit kontaktloser elektromagnetischer Schmelzbadsicherung N2 - Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich. T2 - DVS Congress 2022 - Große Schweißtechnische Tagung CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - Elektromagnetische Schmelzbadsicherung KW - Hochleistungsschweißen KW - MSG-Schweißen PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 640 EP - 645 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-56371 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -