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 - 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 - RPRT A1 - Rethmeier, Michael A1 - Biegler, M. T1 - Qualifizierung der Schweißstruktursimulation für die wirtschaftliche Bearbeitung additiver fertigungstechnischer Fragestellungen am Beispiel des Laserpulverauftragschweißens N2 - Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserschmelzen sowie das Laserpulverauftragsschweißen, ermöglichen eine enorme Steigerung der Flexibilität und erlauben Kleinserienteile mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten herzustellen. Für den erfolgreichen wirtschaftlichen Einsatz dieser neuartigen Fertigungsverfahren spielt die Einhaltung des First-time-right-Prinzips eine entscheidende Rolle: Bauteile sollten bereits im ersten Versuch allen Anforderungen genügen. Aufgrund der jungen Geschichte dieses Fertigungszweigs und der damit einhergehenden fehlenden Erfahrungen und Richtlinien ist diese elementare Forderung heute nur in wenigen Fällen realisierbar. Die geforderten Qualitätsstandards können aktuell nur über experimentelle Iterationsschleifen eingehalten werden, sodass das große Potential einer flexiblen und schnellen Fertigung in erheblichem Maß reduziert wird. Die Komplexität der gefertigten Bauteile und die des Prozesses an sich lassen eine erfahrungsbasierte Vorhersage der Verzüge und Eigenspannungen kaum zu. Zudem werden auch in Zukunft Richtlinien und Normen nicht das komplette Anwendungsspektrum abbilden können. Die eigenspannungsbedingten Verzüge spielen demnach eine bedeutende Rolle und stellen zusammen mit dem Erreichen der Maßhaltigkeit eine entscheidende technologische Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren dar. Die numerische Simulation ermöglicht die Vorhersage von Bauteilverzügen und –spannungen und kann durch virtuelle Abprüfung von Herstellstrategien die Anzahl von Experimente reduzieren. Bisherige numerische Betrachtungen von zusatzwerkstoffbasierten Verfahren, zu denen unter anderem das Laserpulverauftragschweißen (LPA) gehört, beschränkten sich primär auf akademische Beispiele mit geringer Komplexität. Für die Simulation von konkreten Anwendungsfällen auf Bauteilebene liegen bisher keine validierten, numerischen Methoden und Ansätze vor, die eine wirtschaftliche Anwendung der Schweißsimulation ermöglichen. Dieses Projekt wird Simulationsmodelle zur numerischen Betrachtung komplexer additiv gefertigter Bauteile entwickeln. Dafür wird der Prozess in vereinfachten Simulationen nachgebildet und anhand von Experimenten validiert. Anschließend werden Methoden zur automatisierten Pfadgenerierung für komplexe Bauteile erprobt und in der Simulation implementiert. Schließlich werden zur Reduktion der Rechenzeit verschiedene Methoden zur Vereinfachung evaluiert und verglichen. Das Ziel ist die Steigerung der Verlässlichkeit in der Simulation, um prädiktive Aussagen über die Qualität additiv gefertigter Bauteile zu ermöglichen. KW - Schweißstruktursimulation KW - LPA KW - Additive Manufacturing PY - 2019 SN - 978-3-96780-042-5 SP - 1 EP - 106 PB - Forschungsvereinigung Stahlanwendungen AN - OPUS4-57321 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schnieder, V. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Additive Fertigung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen aus den Elementpulvern mittels Laserpulverauftragschweißen N2 - Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kosten-günstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauf-tragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren ein-gesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlisse-nen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen heutzutage die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien, wie zum Beispiel Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen. T2 - 39. Assistentenseminar CY - Eupen, Germany DA - 12.09.2018 KW - Laserpulverauftragschweißen PY - 2019 SN - 978-3-96144-070-2 SP - 27 EP - 33 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-51316 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Javaheri, E. A1 - Pittner, Andreas A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Instrumented indentation technique and its application for the determination of local material properties of welded steel structures N2 - The determination of mechanical properties of welded Steel structures such as strength or ductility is a subject of high interest for the majority of Companies in the area of metal Processing. The material Parameters can be obtained by performing the tensile test on the samples made from a part of a component. In some cases, it is highly expensive to produce the tensile specimens especially from the weld metal, which contains different type of microstructure such as weld seam or heat affected zone in an extremely small area. Therefore, a method is described in this paper to determine the material Parameters of high strength Steel structures and welded joints locally and without any additional effort to perform the tensile test. In this method, instrumented indentation technique (IIT), an indenter is pushed on the flat surface of a specimen in a certain period of time and simultaneously the applied force and the corresponding indentation path are measured. The data related to the force-indentation diagram is given as input to an artificial neural network (ANN) to obtain the material Parameters. The ANN can be trained by generating the large qualitative data sets with numerical Simulation of the IIT procedure. The Simulation must be run several times with the different material model parameter sets to generate the numerous force-indentation diagrams as the inputs of ANN. Then, the trained ANN is validated by performing the IIT on the welded joints and comparing the obtained material Parameters from ANN with the tensile test. Consequently, the mechanical properties of welded joints can be determined by performing the IIT and evaluating the resulting data by the ANN. T2 - 39. Assistentenseminar CY - Eupen, Germany DA - 12.09.2018 KW - Steel PY - 2019 SN - 978-396144-070-2 SP - 146 EP - 152 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-51317 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Frei, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Resistance spot welding under external load for evaluation of LME susceptibility of zinc coated advanced high strength steel sheets N2 - Some zinc coated advanced high strength steels (AHSS), under certain manufacturing conditions, are known to be prone to liquid metal embrittlement (LME) during resistance spot welding. LME is an undesired phenomenon, which can cause both surface and internal cracks in a spot weld, potentially influencing its strength. An effort is made to understand influencing factors of LME better, and evaluate geometry-material combinations regarding their LME susceptibility. Manufacturers benefit from such knowledge because it improves the processing security of the materials. The experimental procedure of welding under external load is performed with samples of multiple AHSS classes with strengths up to 1200 MPa, including dual phase, complex phase and TRIP steels. This way, externally applied tensile load values are determined, which cause liquid metal embrittlement in the samples to occur. In the future, finite element simulation of this procedure gives access to in-situ stress and strain values present during LME formation. The visualization improves the process understanding, while a quantification of local stresses and strains allows an assessment of specific welded geometries. T2 - ESDAD 2019 CY - Dusseldorf, Germany DA - 24.06.2019 KW - RSW KW - LME KW - Advanced high strength steel KW - Testing method KW - Zinc coated steel PY - 2019 AN - OPUS4-49079 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Üstündag, Ö. A1 - Gook, S. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laserhybridschweißen von dickwandigen Stählen mit elektromagnetischer Schmelzbadunterstützung N2 - Die steigenden Anforderungen in Hinsicht auf Sicherheitsfaktoren von gefügten Bauteilen führen zu einer Zunahme der zu schweißenden Bauteildicken. Das Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren – verbreitet im industriellen Einsatz vor allem im Schiffs- und Windkraftanlagenbau – ermöglicht das einlagige Fügen von dickwandigen Strukturen. Eine Herausforderung stellt das Schweißen von dickwandigen Bauteilen mit reduzierter Geschwindigkeit in Wannenlage (PA-Position) da. Sie ist aufgrund des erhöhten hydrostatischen Druckes und die daraus resultierenden Tropfenbildung an der Wurzelseite bedingt realisierbar. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Dabei werden unterhalb der Schweißzone mit Hilfe eines extern angelegten oszillierenden Magnetfeldes Wirbelströme im Werkstück induziert, die eine nach oben gerichtete Lorentzkraft erzeugt. Die Lorentzkraft wirkt dem hydrostatischen Druck entgegen und stellt einen sicheren Schweißprozess ohne Tropfenbildung dar. Mit dem Hybridschweißverfahren mithilfe der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung gelingt es mit einem 20-kW Faserlaser bis zu 30 mm dicke Bleche in einer Lage zu schweißen. Bei 25 mm dicken einlagig geschweißten Platten aus S355 konnte ein Spalt bis 1 mm und ein Kantenversatz bis zu 2 mm sicher überbrückt werden. Die Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung zur Folge und begünstigt außerdem die mechanisch-technologischen Eigenschaften, infolge der reduzierten Abkühlgeschwindigkeit. Durch die geringe Martensitbildung führt dies zu einer Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit. T2 - 19. Tagung in Hamburg - DVS CY - Hamburg, Germany DA - 24.04.2019 KW - Laser-Hybridschweißen KW - Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung KW - Schweißen von kaltzähen Stählen PY - 2019 SP - 34 EP - 46 PB - DVS AN - OPUS4-47918 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 - Bakir, Nasim A1 - Biltgen, J. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Influence of Partial Penetration Laser Hybrid Welding Parameters on the Solidification Cracking for Thick-Walled Structures N2 - In this study, the influence of the welding speed and the arc power on the solidification crack formation for partial penetration laser hybrid welded Thick-Walled plates were investigated. Experimentally, a linear correlation between the welding velocity and the crack number was observed. That is by reducing the welding velocity the crack number was reduced. The reduced welding velocity showed a strong impact on stress, as the model demonstrated a very lower stress amount in comparison to the reference case. The reduction of the welding speed could be a helpful technique to reduce the hot cracking. The wire feed speed showed a very slight influence on the crack formation. That can be returned to the large distance between the critical region for cracking and the arc region. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2019 CY - Munich, Germany DA - 24.06.2019 KW - Hybrid laser-arc welding KW - Solidification cracking KW - Thick-walled steel KW - Numerical simulation PY - 2019 SP - 1 EP - 7 PB - WLT Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.V AN - OPUS4-48733 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Spranger, Felix A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laserimplantation von TiB2-Partikeln in X153CrMoV12 Kaltarbeitsstahl und Ihr Einfluss auf die Materialeigenschaften N2 - Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Implants) auf Stahloberflächen durch ein diskontinuierliches Dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeig-net, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden konnte, ohne dass Materialdefekte wie Risse oder Poren auftraten. Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss implantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu ermitteln. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an TiB2 implan-tierten Zonen sowie an punktuell umschmelzstrukturierten Zonen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund erhöhter Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Se-kundärphasen, durch die der Restaustenitanteil zudem deutlich reduziert wird. T2 - 39. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik CY - Eupen, Belgium DA - 12.09.2018 KW - Laserimplantation KW - TiB2 KW - AISI D2 KW - Laserdispergieren PY - 2019 SN - 978-3-96144-070-2 VL - Band 356 SP - 51 EP - 59 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-48751 LA - deu 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 - 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 - Uhlmann, E. A1 - Düchting, J. A1 - Petrat, T. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Heat treatment of SLM-LMD hybrid components N2 - Additive manufacturing is no longer just used for the production of prototypes but already found its way into the industrial production. However, the fabrication of massive metallic parts with high geometrical complexity is still too time-consuming to be economically viable. The combination of the powder bed-based selective laser melting process (SLM), known for its geometrical freedom and accuracy, and the nozzle-based laser metal deposition process (LMD), known for its high build-up rates, has great potential to reduce the process duration. For the industrial application of the SLM-LMD hybrid process chain it is necessary to investigate the interaction of the processes and its effect on the material properties to guarantee part quality and prevent component failure. Therefore, hybrid components are manufactured and examined before and after the heat treatment regarding the microstructure and the hardness in the SLM-LMD transition zone. The experiments are conducted using the nickel-based alloy Inconel 718. T2 - LiM 2019 CY - München, Germany DA - 23.06.2019 KW - Additive Manufacturing KW - Selective Laser Melting KW - Hybrid components KW - Inconel 718 KW - Laser Metal Deposition PY - 2019 SP - 1 EP - 9 AN - OPUS4-48410 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Üstündag, Ö. A1 - Gook, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Mechanical Properties of Single-pass Hybrid Laser Arc Welded 25 mm Thick-walled Structures Made of Fine-grained Structural Steel N2 - The presented study deals with the performing and mechanical testing of single pass hybrid laser-arc welds (HLAW) on 25 mm thick plates made of steel grade S355J2. One of the challenges have to be solved at full penetration HLAW of thick plates is the drop formation occurring due to the disbalances of the forces acting in the keyhole and on the melt pool surface. Such irregularities mostly limit the use of high-power laser beam welding or HLAW of thick-walled constructions. To overcome this problem, an innovative concept of melt pool support based on generating Lorentz forces in the weld pool is used in this work. This method allows to perform high quality welds without sagging even for welding of 25 mm thick plates in flat position at a welding speed of 0.9 m min-1. For the obtain of full penetrated welds a laser beam power of 19 kW was needed. A high V-impact energy of up to 160 J could be achieved at the test temperature of 0 °C. Even at the most critical part in the weld root an impact energy of 60 J in average could be reached. The tensile strength of the weld reaches that of the base material. An introduce of the HLAW process with electromagnetic support of the melt pool in the industrial practice is an efficient alternative to the time- and cost-intensive arc-based multi-layer welding techniques which are established nowadays for joining of thick-walled constructions. KW - Mechanical Properties KW - Hybrid Laser Arc Welding KW - Thick-walled Structures KW - Fine-grained Steel PY - 2019 DO - https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.08.016 SN - 2351-9789 VL - 36 SP - 112 EP - 120 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-48969 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Üstündag, Ö. A1 - Gook, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Investigation of the mechanical properties of single-pass hybrid laser-arc welded thick X120 pipeline steel plates N2 - With global increases in clean energy demand, the natural gas is gaining in importance. Pipelines are the safest and most cost-effective way of transporting natural gas. Due to high transport volume and resulting high operation pressure, the demand for ultra-high strength steel grades such as X120 is very strong. As a result of the fact that these steels are produced by thermo-mechanical controlled processing, the welding process must be selected accordingly. Based on investigations, a high heat input such as by submerged arc welding process leads to softening in the weld metal and loss of strength whereas pure laser beam welding results in high cooling rates and deteriorate toughness of the weld metal. The objective of this research is to investigate the influence of heat input to mechanical properties of hybrid laser-arc welded pipeline steels of grade X120. Test specimens with a thickness of 20 mm could be welded without preheating in a single-pass with different welding velocities to observe the largest possible parameter window of the heat input. The achieved V-notch impact energy for hybrid laser-arc welded samples was 144±37 J at a testing temperature of -40 °C. With a tensile strength of 930±4 MPa the requirements of API 5L was achieved. To prevent gravity drop-outs at the slow welding speeds, an electromagnetic weld pool support system was used, which works contactless and is based on generating Lorentz forces. It was therefore possible to control the cooling rate in order to meet the requirements of the mechanical properties. By adapting the electromagnetic weld pool support to the laser and laser hybrid welding process, the application potential of these technologies for industrial implementation can be drastically increased. T2 - 14th Pipeline Technology Conference CY - Berlin, Germany DA - 18.03.2019 KW - Mechanical properties KW - Hybrid laser arc welding KW - Pipeline steel X120 PY - 2019 UR - https://www.pipeline-conference.com/conferences/14th-pipeline-technology-conference-2019 SN - 2510-6716 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-48970 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gook, S. A1 - El-Batahgy, A. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Hybrid laser arc welding of thick plates X8Ni9 for LNG tank construction N2 - Results of experimental investigations of the relationship between laser-hybrid welding process parameters, type of the filler metal and the mechanical properties of the welds made from 9% nickel cryogenic steel X8Ni9 are discussed. The results contribute to the development and conversion in the industrial practice a new laser beam-based welding technology for the automated manufacturing of LNG tanks. The remarkable heterogeneity in the chemical composition of the weld metal as well as an insufficient impact toughness could be indicated by using austenitic filler wire. The most promising results were achieved by applying 11%Ni filler wire, which is similar to the base material. A correlation between impact toughness and wire feeding speed could be shown. The highest impact toughness was 134 J at -196°C. The laser-hybrid welds passed the tensile test. The failure stress of 720 MPa with a fracture location in the base metal was achieved for all samples tested. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2019 CY - Munich, Germany DA - 24.06.2019 KW - X8Ni9 KW - Hybrid Laser Arc Welding KW - Cryogenic Steel KW - Low Temperature Toughness PY - 2019 SP - 1 EP - 11 PB - WLT Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.V. AN - OPUS4-48972 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Üstündag, Ö. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Single-pass Hybrid Laser Arc Welding of Thick Materials Using Electromagnetic Weld Pool Support N2 - Hybrid laser-arc welding process allows single-pass welding of thick materials, provides good quality formation of joints with minimal thermal deformations and a high productivity in comparison with arc-based welding processes. Nevertheless, thick-walled steels with a thickness of 20 mm or more are still multi-pass welded using arc welding processes, due to increased process instability by increasing laser power. One limitation factor is the inadmissible formation of gravity drop-outs at the root. To prevent this, an innovative concept of electromagnetic weld pool support is used in this study. With help of such system a stable welding process can be established for 25 mm thick steel plates and beyond. Sound welds could be obtained which are tolerant to gaps and misalignment of the welded parts. The adaptation of this system to laser and hybrid laser-arc welding process can dramatically increase the potential field of application of these technologies for real industrial implementation. T2 - Lasers in Manufacturing Conference 2019 CY - Munich, Germany DA - 24.06.2019 KW - Full Penetration KW - Hybrid Laser Arc Welding KW - Electromagnetic Weld Pool Support KW - Thick Materials PY - 2019 SP - 1 EP - 8 PB - WLT Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e.V. AN - OPUS4-48971 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael T1 - Mechanical Properties of Single-pass Hybrid Laser Arc Welded 25 mm Thick-walled Structures Made of Fine-grained Structural Steel N2 - The presented study deals with the performing and mechanical testing of single pass hybrid laser-arc welds (HLAW) on 25 mm thick plates made of steel grade S355J2. One of the challenges have to be solved at full penetration HLAW of thick plates is the drop formation occurring due to the disbalances of the forces acting in the keyhole and on the melt pool surface. Such irregularities mostly limit the use of high-power laser beam welding or HLAW of thick-walled constructions. To overcome this problem, an innovative concept of melt pool support based on generating Lorentz forces in the weld pool is used in this work. This method allows to perform high quality welds without sagging even for welding of 25 mm thick plates in flat position at a welding speed of 0.9 m min-1. For the obtain of full penetrated welds a laser beam power of 19 kW was needed. A high V-impact energy of up to 160 J could be achieved at the test temperature of 0 °C. Even at the most critical part in the weld root an impact energy of 60 J in average could be reached. The tensile strength of the weld reaches that of the base material. An introduce of the HLAW process with electromagnetic support of the melt pool in the industrial practice is an efficient alternative to the time- and cost-intensive arc-based multi-layer welding techniques which are established nowadays for joining of thick-walled constructions. T2 - 17th Nordic Laser Materials Processing Conference - NOLAMP17 CY - Trondheim, Norway DA - 27.08.2019 KW - Full Penetration KW - Hybrid Laser Arc Welding KW - Electromagnetic Weld Pool Support KW - Thick Materials PY - 2019 AN - OPUS4-48977 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael T1 - Avoidance of end crater imperfections at high-power laser beam welding of closed circumferential welds N2 - The present work deals with the development of a strategy for the prevention of end crater defects in high-power laser welding of thick-walled circumferential welds. A series of experiments were performed to understand the influence of the welding parameters on the formation of end crater defects such as pores, cracks, excessive root-side drop-through and shrinkage cavities in the overlap area. An abrupt switch-off of the laser power while closing the circumferential weld leads to a formation of a hole which passes through the whole welded material thickness. A laser power ramp causes solidification cracks which are initiated on the transition from full-penetration mode to partial penetration. Strategies with a reduction of the welding speed shows a creation of inadmissible root sagging. Defocusing the laser beam led to promising results in terms of avoiding end crater defects. Cracks and pores in the overlap area could be effectively avoided by using defocusing techniques. A strategy for avoiding of end crater imperfections was tested on flat specimens of steel grade S355J2 with a wall thickness of 10 mm and then transferred on the 9.5 mm thick pipe sections made of high-strength steel X100Q. T2 - The 72nd IIW Annual Assembly and International Conference 2019 CY - Bratislava, Slovakia DA - 07.07.2019 KW - End crater KW - Laser beam welding KW - Circumferential welds PY - 2019 AN - OPUS4-48976 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -