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 -