TY - CONF A1 - Artinov, Antoni A1 - Karkhin, V. A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Mathematical modeling of the geometrical differences between the weld end crater and the steady-state weld pool N2 - The geometrical characteristics of the weld end crater are commonly used for the validation of numerical results in welding simulation. A semi-analytical model calculating the cooling stage of the welding process after the moving energy source is turned off has been developed. A solution for various combinations of heat sources and workpieces has been found. The theoretical limits for the heat transfer of the absorbed energy during cooling in a thin plate and a semi-infinite body were studied. It is shown that after turning off the energy source, an additional melting of the base material in longitudinal direction may occur. The developed technique is applied to complete-penetration keyhole laser beam welding of a 2 mm thick austenitic chromium-nickel 316L steel plate at a welding speed of 20 mm/s and a laser power of 2.3 kW. The results show a theoretical increase of the weld end crater length in comparison to the length of the steady-state weld pool of up to 19 %. A shift of the centre of the end crater, in which the solidification of the liquid metal ends, towards the tail of the end crater relative to the axis of the heat source at the time of its termination, was computed. The speed and the direction of crystallization of the molten material in the weld pool and the end crater were found to be different. A good agreement between the computational results and the welding experiments was achieved. T2 - ICALEO 2019 - The International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (Proceedings) CY - Orlando, FL USA DA - 07.10.2019 KW - Keyhole mode welding KW - Weld pool shape KW - End-crater KW - Heat conduction PY - 2019 UR - http://icaleo.conferencespot.org/2019-proceedings?qr=1 SN - 978-1-940168-1-42 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-49344 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Biegler, M. A1 - Khazan, P. A1 - Gazen, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Improvement of numerical simulation model setup and calculation time in additive manufacturing-laser-metal-deposition components with an advanced modelling strategy N2 - Rapid localized heating and cooling during additive manufacturing using laser deposition method (LMD) lead to loss of dimensional accuracy as well as cracking of built parts. Finite-Element welding simulations allow prediction of geometrical deviations and accumulated residual stresses as well as their optimization before conducting experiments. Due to the great length of stacked welds, calculation times for fully transient thermomechanical simulations are currently long, the calculation stability suffers from the high number of contact bodies in the model and the modelling effort is high, as the geometries need to be sliced and positioned layer-wise. In this contribution, an integrated modelling approach is demonstrated for a thin-walled LMD component made from 30 layers of 1.4404 (316L) stainless steel: Instead of the layer-by-layer modelling strategy commonly found in the literature, the whole component mesh is kept in one piece and the fully transient, layer-by-layer material deposition is implemented via element sets. In contrast to prior simulations, nonlinear contact between the layers does not have to be considered, significantly decreasing calculation times. The calculated distortions are compared to recently published, in-situ digital image correlation (DIC) measurements as well as numerical simulations conducted with the established layer-wise modelling strategy to judge result quality. Finally, the improvement in calculation time and ease-of-use is compared between both modelling approaches and conclusions regarding future usage for industrial-scale components are drawn. T2 - 12th International Seminar ‘Numerical Analysis of Weldability' CY - Graz, Austria DA - 23.09.2018 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Metal Deposition KW - Distortion simulation KW - Calculation time KW - Directed energy deposition KW - Efficient modelling PY - 2019 SN - 978-3-85125-615-4 SN - 978-3-85125-616-1 DO - https://doi.org/10.3217/978-3-85125-615-4-52 SN - 2410-0544 VL - 2019 SP - 979 EP - 1003 PB - Verlag der Technischen Universität Graz CY - Graz AN - OPUS4-49274 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Artinov, Antoni A1 - Karkhin, V. A1 - Bakir, Nasim A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Bachmann, Marcel A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Lamé curves approximation for the assessment of the 3-D temperature distribution in keyhole mode welding processes N2 - A novel approach for the reconstruction of an equivalent volumetric heat source from a known weld pool shape is proposed. It is based on previously obtained weld pool geometries from a steady-state thermo-fluid dynamics simulation. Hereby the weld pool dimensions are obtained under consideration of the most crucial physical phenomena, such as phase transformations, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties. The algorithm provides a time and calibration efficient way for the reproduction of the weld pool shape by local Lamé curves. By adjusting their parameters, the identification of the finite elements located within the weld pool is enabled. The heat input due to the equivalent heat source is assured by replacing the detected nodes’ temperature by the melting temperature. The model offers variable parameters making it flexible and adaptable for a wide range of workpiece thicknesses and materials and allows for the investigation of transient thermal effects, e.g. the cooling stage of the workpiece. The calculation times remain acceptably short especially when compared to a fully coupled process simulation. The computational results are in good agreement with performed complete-penetration laser beam welding experiments. T2 - ICALEO 2019 - 38th International congress on applications of lasers & electro-optics CY - Orlando, FL, USA DA - 07.10.2019 KW - Weld pool shape approximation KW - Keyhole mode laser beam welding KW - Numerical simulation KW - Superelliptic Lamé curves PY - 2019 UR - http://icaleo.conferencespot.org/2019-proceedings?qr=1 SN - 978-1-940168-1-42 SP - Paper # Macro 1002 AN - OPUS4-49310 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Gekoppelte numerische Untersuchung der Bildung von Mittelrippendefekten beim Hochleistungslaserstrahlschweißen N2 - Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen. Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann. Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte. KW - Laserstrahlschweißen KW - Mittelrippendefekt KW - Simulation PY - 2019 SP - 1 EP - 14 AN - OPUS4-49516 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Häberle, Nicolas A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Abschlusspräsentation SimCoLas Verbundprojekt -- Arbeitspakete BAM N2 - Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen. T2 - Verbundprojekt SimCoLas Abschlusstreffen CY - Robert Bosch GmbH Corporate Research Centre, Renningen bei Stuttgart, Germany DA - 13.06.2019 KW - Laserstrahlschweißen KW - Heissrisse KW - Prozesskette PY - 2019 AN - OPUS4-50033 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Biegler, M. A1 - Wang, J. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Automated tool-path generation for rapid manufacturing and numerical simulation of additive manufacturing LMD geometries N2 - In additive manufacturing (AM) Laser Metal Deposition (LMD), parts are built by welding layers of powder feedstock onto a substrate. Applications for steel powders include forging tools and structural components for various industries. For large parts, the choice of tool-paths influences the build-rate, the part performance and the distortions in a highly geometry-dependent manner. With weld-path lengths in the range of hundreds of meters, a reliable, automated tool path generation is essential for the usability of LMD processes. In this contribution, automated tool-path generation approaches are shown and their results are discussed for arbitrary geometries. The investigated path strategies are the classical approaches: “Zig-zag-” and “contour-parallel-strategies”. After generation, the tool-paths are automatically formatted into g-code for experimental build-up and ASCII for a numerical simulation model. Finally, the tool paths are discussed in regards to volume-fill, microstructure and porosity for the experimental samples. This work presents a part of the IGF project 18737N “Welding distortion simulation” (FOSTA P1140) T2 - 4th European Steel Technology and Application Days CY - Dusseldorf, Germany DA - 24.06.2019 KW - Additive manufacturing KW - Directed Energy Deposition KW - Path planning KW - DED KW - Mechanical properties KW - Porosity PY - 2019 SP - 1 AN - OPUS4-50045 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerische Simulation einer AM-Prozesskette im DED Auftragschweißen N2 - Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt. In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt. Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment. Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen. T2 - 20. Roundtable Simulating Manufacturing CY - Marburg, Germany DA - 22.05.2019 KW - Numerische ISmulation KW - DED KW - AM KW - Laser-Pulver-Auftragschweißen PY - 2019 SP - 1 EP - 14 AN - OPUS4-50046 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Stankevich, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Straße, Anne A1 - Rethmeier, Michael ED - Reisgen, U. ED - Schmidt, M. ED - Zaeh, M. ED - Rethmeier, Michael T1 - Measurement of thermal cycle at multi-pass layer build-up with different travel path strategies during DLMD process N2 - The shape of the parts, created by the technology of direct laser metal deposition (DLMD), is influenced by various parameters, for example, the power and diameter of the laser source spot. The contribution of energy from the laser affects the temperature distribution in the formed layers. The changing temperature in the working area entails a Change in the geometry of the layers and affects the stability of the process. In this paper, experiments on the measurement of temperature cycles in the DLMD process with different directions of the filling track are carried out. An infrared camera was used to measure thermal cycles. The calibration of the acquired data (i.e. correspondence table between the intensity of thermal radiation of the material and the absolute temperature) was done with help of two-color pyrometer ex situ and in situ measurements. The experiments are carried out on two materials 316L and Inconel 718. The effect of the maximum temperature on the layer height is shown, and thermal cycles in the formation of layers for different filling strategies are presented. T2 - Laser in Manufacturing Conference 2019 CY - Munich, Germany DA - 24.06.2019 KW - Thermography KW - Direct Laser Metal Deposition PY - 2019 SP - 1 EP - 9 AN - OPUS4-48716 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Brunner-Schwer, C. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laser-Plasma-Hybrid-Cladding: Possibilities in the combination 2 of arc and laser for deposition welding N2 - Plasma-Transferred-Arc (PTA) welding is a process that enables high deposition rates, but also causes increased thermal load on the component. Laser based Direct Energy Deposition (DED) welding, on the other hand, achieves a high level of precision and thus comparatively low deposition rates, which can lead to high processing costs. Combining laser and arc energy aims to exploit the respective advantages of both technologies. In this study, different possibilities of this process combination are presented using a PTA system and a 2 kW disk laser. This includes the combination in a common process zone as a highspeed plasma laser cladding technology (HPLC), which achieves process speeds of 10 m/min. Besides that it is being examined whether a pre-running plasma arc can be used to coat difficult-to-weld rail steel with a carbon content of 0.8 % due to a preheating effect. Furthermore, a smoothing of the coating by a plasma arc following the laser is investigated. T2 - Lasers in Manufacturing 2019 CY - Munich, Germany DA - 24.06.2019 KW - Plasma-Transferred-Arc KW - Direct Energy Deposition KW - highspeed plasma laser cladding KW - deposition welding PY - 2019 SP - 1 EP - 9 AN - OPUS4-48724 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Karkhin, Victor A1 - Rethmeier, Michael ED - Sommertisch, C. ED - Enzinger, N. ED - Mayr, P. T1 - A novel approach for calculating the thermal cycle of a laser beam welding process using a stationary CFD model N2 - This work aims to find the thermal cycles during and after fusion welding through simulation by first calculating the resulting local temperature field in the quasi-stationary part of the process. Here complete-penetration keyhole laser beam welding with a laser power of 18 kW on a 15 mm thick slab of a low-alloyed steel at a welding speed of 2 m/min is considered. In order to physically depict the laser material interaction a multi-physics numerical model including the effects of phase transformation, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature is developed. It uses a fixed keyhole geometry with a right truncated circular cone shape to introduce the laser beam energy to the workpiece. In a subsequent study, the resulting local temperature field is then used as an equivalent heat source in order to predict the unsteady thermal cycle during and after fusion welding. The translational movement of the laser beam through the workpiece is represented by a moving mesh approach. For the simulation, stationary heat transfer and fluid dynamics are described by a system of strongly coupled partial differential equations. These are solved with the commercial finite element software COMSOL Multiphysics 5.0. The results of the numerical simulation are validated by experiments, where the weld bead shapes and the thermal cycles show good correlation. T2 - 12th International Seminar "Numerical Analysis of Weldability" CY - Graz, Austria DA - 24.09.2018 KW - Equivalent heat source KW - Process simulation KW - Laser beam welding KW - Transient heat transfer KW - Moving mesh PY - 2019 SN - 978-3-85125-616-1 VL - 12 SP - Chapt. VI, 694 EP - 710 PB - Verlag der Technischen Universität Graz AN - OPUS4-48817 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -