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 - TY - CONF 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 AN - OPUS4-48975 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - A theoretical study of influence o f electromagnetic stirring on transport phenomena in wire feed laser beam welding N2 - The additional element from the filler wire in the laser beam welding is usually distributed inhomogeneously in the final weld due to the high solidification rate of weld pool. It has been found that the electromagnetic stirring produced by an external oscillating magnetic field can enhance the material mixing in the weld pool to achieve a more uniform element distribution. However, the magnetic field has a highly non-linear and multi-coupled interaction with the weld pool behavior, which makes the quantitative explanation of the physical mechanism difficult. In this study, the effect of electromagnetic stirring on the transport phenomena in the wire feed laser beam welding is investigated by a numerical modelling. A 3D transient multi-physical model considering the magnetohydrodynamics, heat transfer, fluid flow, keyhole dynamics and element transport is developed. The multiple reflections and the Fresnel absorption of the laser on the keyhole wall are calculated using the ray tracing method. The numerical results show that a Lorentz force produced by the oscillating magnetic field and its induced eddy current gives significant influence on the transport phenomena in the molten pool. The forward and downward flow is enhanced by the electromagnetic stirring, which homogenizes the distribution of the additional elements from a nickel-based filler wire in a steel weld pool. The numerical results show a good agreement with the high-speed images of the molten pool, the fusion line from the optical micrograph and the element distribution from the energy dispersive X-ray spectroscopy. This work provides a physical base for the electromagnetic-controlled laser beam welding and some guidance for the selection of electromagnetic parameters. T2 - ICALEO 2019 - 38th International congress on applications of lasers & electro-optics CY - Orlando, FL, USA DA - 07.10.2019 KW - Magnetohydrodynamics KW - Molten pool dynamics KW - Element transport KW - Laser beam welding PY - 2019 SN - 978-1-940168-1-42 SP - Paper # Macro 403 AN - OPUS4-49664 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael T1 - Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich bei laserstrahlhybrid-geschweißten Rundnähten N2 - Schwerpunkte: Strategie zur Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich beilaserhybridgeschweißten Rundnähten für 9.5 mm dicke Rohre. Anpassung der Laserleistung in Kombination mit der Defokussierung des Laserstrahls sowie einer Endkraterfüllung am Ende der Schweißnaht führte zu einer besseren Nahtausbildung. Herausrampung der Energie des Schweißprozesses, sodass ein Übergang von Durchschweißung zu einer Einschweißung mit gewünschter kelchförmiger Nahtgeometrie stattfand. Einstellung eines Wärmestaus durch Defokussierung und Verschiebung des Laserstrahls führt zu einem gut ausgebildeten Überlappbereich ohne Poren, Risse. Schweißungen an Rohrabschnitten mit einer max. Wandstärke von 15 mm, bei gegebenenfalls weiteren Parameteranpassungen. T2 - DVS Congress 2019 CY - Rostock, Germany DA - 16.09.2019 KW - Rundnähte KW - Laserhybridschweißen KW - Endkrater PY - 2019 AN - OPUS4-49895 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fritzsche, André A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Influence of welding parameters on electromagnetic supported degassing of die-casted and wrought aluminum N2 - The paper describes a systematic investigation of the EM influenced laser beam welding of the aluminum die casting alloy AlSi12(Fe) in comparison to a reference material, a wrought aluminum alloy AlMg3. By using of a face centred CCD test plan, the influencing variables laser power, welding velocity and magnetic flux density are varied with regard to their influence on the remaining porosity. The global pore fraction of the weld seams was analyzed by X-ray images with ImageJ. This enabled a qualitatively very good regression model to be derived for the respective material, which identifies the dominant influencing variables. The results prove, statistically verified, for the investigated parameter range, that - the magnetic flux density is the main cause for the porosity reduction, - the porosity rises with increasing laser power the porosity in the weld seams rises, - the influence of the welding velocity is negligible, - the pore quantity in wrought alloy is more strongly minimized by the magnetic flux density than in die casting, - the porosity decreases due to the EM influence by approx. 70 % compared to the unaffected welds. This effect is emphasized by the contour line charts, which illustrate the relationship between laser power and magnetic flux density. With the exception of the quadratic influence of B at the wrought alloy, the statistical correlation shows a linear development of the respective influence variables for both aluminum alloys. In order to investigate these deviations, further simulations with a focus on weld pool geometry and weld pool flow are to be performed. In addition, the welding results can be classified in accordance with DIN EN ISO 13919-2 in the highest evaluation group B for AlMg3 and in evaluation group C for AlSi12(Fe) by applying a magnetic flux density of 350 mT. The analysis of the CT images at constant laser power and welding velocity allows a direct comparison both between the two alloys and also as a function of the magnetic flux density with regard to the number and size of pores. An increase in the magnetic flux density leads to a significant decrease in the number and volume of pores, which can be seen more clearly in wrought alloy than in die casting. Very acceptable results can be achieved for both materials and different welding parameters. This successfully demonstrates the desired process robustness and functionality of the EM system for practical applications. For subsequent investigations of overlap joints, the lowest possible laser power and a high magnetic flux density are recommended. T2 - 38th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics CY - Orlando, FL, USA DA - 07.10.2019 KW - AISI D2 KW - Laser implantation KW - Surface texturing KW - TiB2 PY - 2019 SN - 978-1-940168-1-42 SP - Paper Macro 1202 AN - OPUS4-50009 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Petrat, T. A1 - Brunner-Schwer, C. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Microstructure of Inconel 718 parts with constant mass energy input manufactured with direct energy deposition N2 - The laser-based direct energy deposition (DED) as a technology for additive manufacturing allows the production of near net shape components. Industrial applications require a stable process to ensure reproducible quality. Instabilities in the manufacturing process can lead to faulty components which do not meet the required properties. The DED process is adjusted by various parameters such as laser power, velocity, powder mass flow and spot diameter, which interact with each other. A frequently used comparative parameter in welding is the energy per unit length and is calculated from the laser power and the velocity in laser welding. The powder per unit length comparative parameter in the DED process has also be taken into account, because this filler material absorbs energy in addition to the base material. This paper deals with the influence of mass energy as a comparative parameter for determining the properties of additively manufactured parts. The same energy per unit length of 60 J/mm as well as the same powder per unit length of 7.2 mg/mm can be adjusted with different parameter sets. The energy per unit length and the powder per unit length determine the mass energy. The laser power is varied within the experiments between 400 W and 900 W. Energy per unit length and powder per unit length are kept constant by adjusting velocity and powder mass flow. Using the example of Inconel 718, experiments are carried out with the determined parameter sets. In a first step, individual tracks are produced and analyzed by means of micro section. The geometry of the tracks shows differences in height and width. In addition, the increasing laser power leads to a higher dilution of the base material. To determine the suitability of the parameters for additive manufacturing use, the individual tracks are used to build up parts with a square base area of 20x20 mm². An investigation by Archimedean principle shows a higher porosity with lower laser power. By further analysis of the micro sections, it can be seen that at low laser power, connection errors occur between the tracks. The results show that laser power, velocity and powder mass flow have to be considered in particular, because a constant mass energy can lead to different geometric as well as microscopic properties. KW - Direct energy deposition KW - Porosity KW - Inconel 718 KW - Additive manufacturing KW - Laser metal deposition PY - 2019 SN - 2351-9789 SP - 1 EP - 12 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-50007 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schaumann, P. A1 - Schürmann, K. A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Automatically Welded Tubular X-Joints for Jacket Substructures N2 - To increase the competitiveness of jacket substructures compared to monopiles a changeover from an individual towards a serial jacket production based on automated manufactured tubular joints combined with standardized pipes has to be achieved. Therefore, this paper addresses fatigue tests of automatically welded tubular X-joints focusing on the location of the technical fatigue crack. The detected location of the technical crack is compared to numerical investigations predicting the most fatigue prone notch considering the structural stress approach as well as the notch stress approach. Besides, the welding process of the automated manufactured tubular X-joints is presented. KW - Tubular X-joints KW - Fatigue tests KW - Technical crack detection KW - Local fatigue spproaches PY - 2019 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-513228 DO - https://doi.org/10.1002/cepa.1140 VL - 3 IS - 3-4 SP - 823 EP - 828 PB - Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG CY - Berlin AN - OPUS4-51322 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael A1 - Gook, Sergej T1 - Verfahren zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten N2 - In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Untersuchungen eines Verfahrens zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten vorgestellt. Das Verfahren zielt auf die Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht. Eine Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht wurde entwickelt, mit der ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an 12 mm bis 15 mm dicken Rohrabschnitten durchgeführt. Der Einfluss von Prozessparametern wie der Laserleistungsrampe und Rampenzeit, der Veränderung des Abbildungsmaßstabes und der Defokussierung des Laserstrahls auf die Erstarrungsbedingungen am Ende der Rundnaht wurde untersucht, um eine optimale Strategie zum Herausführen der Prozessenergie zu finden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls im Bereich zwischen 60 mm und 100 mm über einen kurzen Auslaufbereich der Naht von ca. 15 mm zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führte. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden. Die Laseroptik mit motorisch angesteuertem Linsensystem ermöglichte dabei eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers ohne eine Veränderung der Position des MSG-Lichtbogens relativ zur Bauteiloberfläche. T2 - DVS CONGRESS 2020 CY - Online meeting DA - 14.09.2020 KW - Endkrater KW - Rundnaht KW - Laserhybridschweißen PY - 2020 AN - OPUS4-51749 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Gook, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Neueste Entwicklungen im Bereich des Hochleistungslaserstrahl- und Hybridschweißens von hohen Blechdicken N2 - Bislang kommt das Laserstrahlschweißen bzw. Laserhybridschweißen hauptsächlich bei Dickblechen mit einer Wandstärke von bis zu 15 mm zum Einsatz. Für Anwendungen über 20 mm war dieses Verfahren aufgrund einiger Herausforderungen bisher nur bedingt realisierbar. Eine von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung ermöglicht nun ein einlagiges Schweißen von bis zu 30 mm Wandstärke. KW - Laserstrahlschweißen KW - Laserhybridschweißen KW - Modellierung KW - Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung KW - Kaltzähe Stähle PY - 2020 VL - 2 SP - 26 EP - 30 PB - DVV Media Group GmbH CY - Hamburg AN - OPUS4-51632 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerische Simulation im 3D-Druck N2 - Die numerische Simulation hilft, Probleme bei additiven Bauprozessen früh zu erkennen und Optimierungspotentiale auszuschöpfen. Ziel ist, im additiven Auftragschweißen (DED) die Zahl der nötigen Versuche durch Vorhersagen zu verringern und Prozessgrößen zu visualisieren. Eine besondere Anwendung der Simulation ist die Generierung verzugskompensierter Geometrien: Durch die Berechnung des Bauteilverzugs kann die Geometrie vor dem Bauen so verändert werden, dass sie mit Verzug die gewünschte Toleranz erreicht. So kann Zerspanvolumen und Aufmaß reduziert werden. KW - Schweißsimulation KW - FEM KW - Auftragschweißen KW - Additive Fertigung KW - Verzug PY - 2020 IS - 4 SP - 45 EP - 48 AN - OPUS4-51097 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Gook, S. A1 - Krieger, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - El-Batahgy, A. M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Notch impact toughness of laser beam welded thick sheets of cryogenic nickel alloyed steel X8Ni9 N2 - The paper deals with the investigations of the impact toughness of laser beam welded 14.5 mm thick sheets made of cryogenic steel X8Ni9 as a function of preheating. This 9% nickel alloyed steel is widely used in the liquefied natural gas (LNG) industry. An application of highly efficient welding processes such as high-power laser beam welding (LBW) in LNG sector requires an understanding of the interactions between the LBW process parameters and weld properties, in particular the impact toughness. The results show that the original fine-grained martensitic microstructure of the base metal (BM) is significantly changed by melting and crystallization during the LBW, what can lead to a decrease in the impact toughness of the weld metal (WM) below the required level. An optimal preheating temperature range leads to the favorable thermal welding cycle and is of remarkable importance for maintaining the notch impact toughness of laser beam welded joints of these thick steel sheets. A parameter window was identified in which V-notch impact toughness comparable to that of the BM at -196 °C was achieved. KW - Cryogenic steel KW - Laser beam welding KW - Preheating KW - Welding thermal cycle KW - Microstructure KW - Hardness KW - V-notch impact toughness PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-513250 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.095 VL - 94 SP - 627 EP - 631 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-51325 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Straße, Anne A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael ED - Schmidt, M. ED - Vollertsen, F. ED - Govekar, E. T1 - LMD coatings as filler material for laser beam welded 30 mm thick plates N2 - The development of high energy laser sources enables single-pass welds of thick plates up to 30 mm, but often additional materials are needed to influence the properties of the weld seams. However, the homogenous distribution of filler materials in form of e.g. electrodes is only possible up to 7 mm while the elements are only traceable up to a depth of 14 mm. To overcome this problem a two-step process is used where first the edges of the weld partners are coated with the filler material by laser metal deposition (LMD) and afterwards are welded by laser beam. Single-pass welds with electromagnetic weld pool support of 30 mm thick S355 J2+N-plates with austenitic AISI 316L-coatings were investigated as well as the influence of the coatings to the penetration depth of the laser beam without electromagnetic weld pool support in double-sided joints. The weld seams were tested by X-ray inspection and cross sections. T2 - 11th CIRP Conference on Photonic Technologies [LANE 2020] CY - Online meeting DA - 07.09.2020 KW - Penetration depth KW - Laser metal deposition (LMD) KW - Laser beam welding KW - Filler material distribution PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-512790 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.055 SN - 2212-8271 VL - 94 SP - 293 EP - 297 PB - Elsevier B.V. CY - Amsterdam AN - OPUS4-51279 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Bakir, Nasim A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Pavlov, V. A1 - Volvenko, S. A1 - Rethmeier, Michael T1 - In situ determination of the critical straining condition for solidification cracking during laser beam welding N2 - A self-restraint hot cracking test (free edge test) was used in combination with a novel optical measurement technique to determine the critical straining conditions for solidification cracking for the stainless steel grade 1.4828 (AISI 309). The Lucas-Kanade algorithm for the optical flow (OF) calculation was implemented to obtain the full-field displacement and then the full-field strain. The use of external laser illumination with appropriate filters allows to obtain good image quality with good contrast. The critical straining conditions required for solidification cracking can be obtained by means the proposed technique in the immediate vicinity of the solidification front. A very good repeatability was demonstrated for the used measurement technique. The critical straining conditions for solidification cracking for the tested steel und under this welding conditions has been detected KW - Laser beam welding KW - Solidification cracking KW - Critical strain KW - Critical strain rate KW - Optical flow PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-513070 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.104 SN - 2212-8271 VL - 94 SP - 666 EP - 670 PB - Elsevier AN - OPUS4-51307 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Distortion-based validation of the heat treatment simulation of Directed Energy Deposition additive manufactured parts N2 - Directed energy deposition additive manufactured parts have steep stress gradients and an anisotropic microstructure caused by the rapid thermo-cycles and the layer-upon-layer manufacturing, hence heat treatment can be used to reduce the residual stresses and to restore the microstructure. The numerical simulation is a suitable tool to determine the parameters of the heat treatment process and to reduce the necessary application efforts. The heat treatment simulation calculates the distortion and residual stresses during the process. Validation experiments are necessary to verify the simulation results. This paper presents a 3D coupled thermo-mechanical model of the heat treatment of additive components. A distortion-based validation is conducted to verify the simulation results, using a C-ring shaped specimen geometry. Therefore, the C-ring samples were 3D scanned using a structured light 3D scanner to compare the distortion of the samples with different post-processing histories. KW - Directed Energy Deposition KW - Additive Manufacturing KW - Heat Treatment KW - Numerical Simulation KW - Finite Element Method PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-513153 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.146 VL - 94 SP - 362 EP - 366 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-51315 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gook, S. A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Hybrid laser-arc welding of thick-walled pipe segments with optimization of the end crater N2 - The study deals with the application of the high-power hybrid-laser arc welding process on up to 15 mm thick pipe segments with the intention to avoid end crater imperfections during closing of the circumferential welds, where the pipes were turned during welding in 1G- and 2Gpositions. Different techniques such as laser power ramp-down, abrupt switch-off of the laser power and change of the magnification of the laser spot diameter and defocusing of the laser beam relative to the workpiece were tested to remove the laser energy from the process. It could be shown that a high defocusing of the optic system above 40 mm with a resulting beam diameter > 2.9 mm in a short overlap length of approx. 20 mm leads to the formation of a cup-shaped weld seam, which is preferred for avoidance of cracks and pores in the end crater. A laser optics with motor-driven lens system was used for the welding experiments to defocuse the laser beam without changing the position of the arc. KW - Hybrid laser-arc welding KW - Circumferential weld KW - Thick-walled steel KW - Single-pass welding KW - End crater PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-513260 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.106 VL - 94 SP - 676 EP - 679 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-51326 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Numerical study of additional element transport in wire feed laser beam welding N2 - The transport phenomena in the wire feed laser beam welding are investigated numerically. A three-dimensional transient heat transfer and fluid flow model coupled with free surface tracing and element transport is developed. A ray-tracing method with local grid refinement algorithm is used to calculate the multiple reflections and Fresnel absorption on the keyhole wall. The filler material flows backward along the lateral side of the weld pool, and subsequently flows forward along the longitudinal plane. The occurrence of the bulging phenomenon may further prevent the downward transfer of the additional elements to the root of the weld pool. KW - Laser beam welding KW - Element transport KW - Filler wire KW - Numerical modelling PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-513271 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.129 VL - 94 SP - 722 EP - 725 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-51327 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Karkhin, V. A1 - Rethmeier, Michael T1 - On the relationship between the bulge effect and the hot cracking formation during deep penetration laser beam welding N2 - Recent studies have confirmed the widening of the weld pool interface, known as a bulge effect, during deep penetration high power laser beam welding. The link between such geometric particularities of the weld pool shape and the hot cracking phenomena is significant. The present work seeks to extend the level of understanding by investigating their relationship. A coupled multiphysics, multiscale numerical framework is developed, comprising a series of subsequent analyses. The study examines the influences of the bulge on the three most dominant effects causing hot cracking, namely the thermal cycles, the mechanical loading, and the local microstructure. The bulge in the weld pool shape forms approximately in the middle of the plate, thus correlating with the location of hot cracking. It increases the hot cracking susceptibility by enhancing the three dominant effects. The numerical results are backed up by experimental data. T2 - 11th CIRP Conference on Photonic Technologies [LANE 2020] KW - Hot cracking KW - Bulge effect KW - Numerical modelling KW - Laser beam welding KW - Deep penetration PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-512783 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.002 SN - 2212-8271 VL - 94 SP - 5 EP - 10 PB - Elsevier B.V. CY - Amsterdam [u.a.] AN - OPUS4-51278 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Straße, Anne A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Nahteigenschaftsverbesserung von dickwandigen laserstrahlgeschweißten Duplexblechen mittels pulveraufgetragenen Pufferschichten N2 - Duplexstähle finden aufgrund ihrer Eigenschaften, wie der guten Korrosionsbeständigkeit, einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität häufig industrielle Anwendung. Durch die hohen Abkühlraten beim Laserstrahlschweißen weisen Schweißnähte jedoch anstelle eines ausgeglichenen Duplexgefüges einen deutlich erhöhten Ferritanteil, im Vergleich zum Basiswerkstoff, auf. Dies führt zu einer verringerten Duktilität sowie Korrosionsbeständigkeit. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Prozess entwickelt, der auf einer Kantenbeschichtung mit nickelhaltigem Zusatzmaterial der zu fügenden Bleche mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) basiert. Die resultierenden Schweißnähte wurden zerstörend anhand von Schliffbildern, EDX-Aufnahmen, Härtemessungen und Kerbschlagbiegeversuchen geprüft. T2 - 40. Assistentenseminar der Füge- und Schweißtechnik CY - Braunlage, Germany DA - 25.09.2019 KW - Laser-Pulver-Auftragschweißen; Laserstrahlschweißen, Duplex, Pufferschichten PY - 2020 VL - 357 SP - 131 EP - 140 PB - DVS Media CY - Düsseldorf AN - OPUS4-50144 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Straße, Anne A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Quality improvement of laser welds on thick duplex plates by laser cladded buttering N2 - Because of its excellent corrosion resistance, high tensile strength and high ductility, duplex stainless steel 2205 offers many areas of application. Though laser beam welding accompanied by high cooling rates, duplex steels tend to perform higher ferrite contents in weld metal as the base metal, which leads to a reduction of ductility and corrosion resistance of the weld joint. To overcome this problem, a solution, based on buttering the plate edges by laser metal deposition (LMD) with material containing higher Ni concentrations prior to laser welding was suggested. In this context different process parameters for LMD process were investigated. In a second step the possibility of welding those edges defect free while achieving balanced austenite-ferrite ratio was verified with metallographic analysis, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and impact testing according to Charpy. T2 - Lasers in Manufacturing (LiM) 2019 CY - Munich, Germany DA - 24.06.2019 KW - Laser Metal Deposition; Laser Beam Welding; Duplex; Stainless Steel PY - 2020 SP - We_A31_4_4-1 EP - We_A31_4_4-6 PB - WLT (Wissenschaftliche Gesellschaft für Lasertechnik) AN - OPUS4-50143 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Straße, Anne A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Kantenbeschichtung für das Laserstrahlschweißen dickwandiger Duplexstahl-Bleche N2 - Duplexstähle finden in vielen industriellen Bereichen Anwendung, dies ist nicht zuletzt ihren hervorragenden Eigenschaften, wie einer guten Korrosionsbeständigkeit, einer guten Duktilität bei trotzdem hoher Festigkeit, zuzuschreiben. Diese Eigenschaften werden jedoch durch das Schweißen, vor allem das Laserstrahlschweißen, beeinträchtigt, da die hohen Abkühlraten zu erhöhten Ferritanteilen im Schweißgut führen. Mit Hilfe eines zweistufigen Prozesses, bei dem die Kanten der Fügepartner vor dem Schweißen mit nickelhaltigem Pulver beschichtet werden, soll dieses Problem für dickwandige Bleche gelöst werden. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Prozessparameter für den Laser-Pulver-Auftragschweiß-Prozess untersucht sowie die defektfreie Schweißung dieser beschichteten Kanten mit unterschiedlichen Prozessgasen. KW - Pufferschichten KW - Laser-Pulver-Auftragschweißen KW - Laserstrahlschweißen KW - Duplex PY - 2020 VL - 72 IS - 7 SP - 382 EP - 387 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-50145 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Artinov, Antoni A1 - Karkhin, Victor A1 - Bachmann, Marcel A1 - Khomich, Pavel A1 - Rethmeier, Michael T1 - МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ СО СКВОЗНЫМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ N2 - Разработана модель физических процессов при сварке плавлением на основе концепции эквивалентных источников теплоты. Модель включает в себя две части: термогидродинамику сварочной ванны и теплопроводность свариваемого тела вне ванны. В задаче термогидродинамики учитываются температурные зависимости свойств материала, форма парогазового канала, термокапиллярная и естественная конвекция, фазовые превращения и другие физические явления.Приведено решение задачи термогидродинамики методом конечных элементов на примере сварки стальной пластины толщиной 15 мм со сквозным проплавлением лазерным лучом (по технологии "замочная скважина"). Показано, что термокапиллярная конвекция жидкого металла является основной причиной сложной выпукло-вогнутой формы границы ванны с увеличенными размерами в приповерхностных областях. Получено удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных размеров сварочной ванны. KW - ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА KW - СВАРОЧНАЯ ВАННА KW - ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ KW - ГИДРОДИНАМИКА KW - КОНВЕКЦИЯ KW - ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ KW - ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ KW - МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ PY - 2020 SN - 0491-6441 SP - 58 EP - 69 AN - OPUS4-50290 LA - rus AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Heßmann, Jennifer A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Entwicklung einer neuartigen Fügetechnologie N2 - Vorstellung einer neuartigen Fügetechnologie für artungleiche Werkstoffe (Aluminium und Stahl) mit Hilfe von Laserstrahlschweißen und elektromagnetischer Schmelzbadbeeinflussung. T2 - Assistentenseminar CY - Braunlage, Germany DA - 25.09.2019 KW - Laserstrahlschweißen KW - Artungleiche Werkstoffe KW - Elektromagnetische Schmelzbadbeeinflussung KW - Fügetechnologie KW - Stahl und Aluminium PY - 2020 SN - 978-3-96144-071-9 VL - 357 SP - 34 EP - 43 PB - DVS Media GmbH CY - Deutschland, Düsseldorf AN - OPUS4-51052 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Investigation of the Application of a C-ring Geometry to validate the Stress Relief Heat Treatment Simulation of Additive Manufactured Austenitic Stainless Steel Parts via Displacement N2 - Directed energy deposition is a metal additive manufacturing process that builds parts by joining material in a layer-by-layer fashion on a substrate. Those parts are exposed to rapid thermo-cycles which cause steep stress gradients and the layer-upon-layer manufacturing fosters an anisotropic microstructure, therefore stress relief heat treatment is necessary. The numerical simulation can be used to find suitable parameters for the heat treatment and to reduce the necessary efforts to perform an effective stress relieving. Suitable validation Experiments are necessary to verify the results of the numerical simulation. In this paper, a 3D coupled thermo-mechanical model is used to simulate the heat treatment of an additive manufactured component to investigate the application of a C-ring geometry for the distortion-based validation of the numerical simulation. Therefore, the C-ring samples were 3D scanned using a structured light 3D scanner to quantify the distortion after each process step. KW - Additive manufacturing KW - Directed energy deposition KW - Laser KW - Heat treatment KW - Numerical simulation PY - 2020 DO - https://doi.org/10.3139/105.110417 VL - 75 IS - 4 SP - 248 EP - 259 PB - Carl Hanser Verlag AN - OPUS4-51318 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Gook, S. A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Verfahren zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von gechlossenen Rundnähten N2 - In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Untersuchungen eines Verfahrens zum fehlerfreien Laserstrahl Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten vorgestellt. Das Verfahren zielt auf die Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht. Eine Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht wurde entwickelt, mit der ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG­ Schweißprozess realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an 12 mm bis 15 mm dicken Rohrabschnitten durchgeführt. Der Einfluss von Prozessparametern wie der Laserleistungsrampe und Rampenzeit, der Veränderung des Abbildungsmaßstabes und der Defokussierung des Laserstrahls auf die Erstarrungsbedingungen am Ende der Rundnaht wurde untersucht, um eine optimale Strategie zum Herausführen der Prozessenergie zu finden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls im Bereich zwischen 60 mm und 100 mm über einen kurzen Auslaufbereich der Naht von ca. 15 mm zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führte. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden. Die Laseroptik mit motorisch angesteuertem Linsensystem ermöglichte dabei eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers ohne eine Veränderung der Position des MSG-Lichtbogens relativ zur Bauteiloberfläche. T2 - DVS Congress 2020 CY - Online meeting DA - 14.09.2020 KW - Defokussierung KW - Endkrater KW - Laser-Hybridschweißen KW - Rundnaht KW - Überlappbereich PY - 2020 SN - 978-3-96144-098-6 VL - 365 SP - 855 EP - 860 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-51324 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Jokisch, T. A1 - Marko, A. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen heißrissgefährdeter Nickelbasis-Superlegierungen mittels statistischer Versuchsplanung N2 - Nickelbasis-Superlegierungen sind seit vielen Jahren in unterschiedlichen Industrieanwendungen im Einsatz. Aufgrund der großen Heißrissneigung ist das Schweißen dieser Werkstoffe jedoch bei einer Vielzahl von Legierungen problematisch. Neue Arbeiten auf dem Gebiet zeigen, dass entgegen den gängigen Theorien auch reduzierte Schweißgeschwindigkeiten eine Tendenz zur Verringerung der Rissneigung aufweisen. Bisher existieren jedoch kaum Erkenntnisse zum Prozessverhalten in diesem Parameterbereich. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der relevanten Prozessparameter beim Elektronenstrahlschweißen (EBW) auf die Nahtgestalt im Bereich geringer Vorschubgeschwindigkeiten untersucht. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Ansatz zum rissfreien Fügen von komplexen Nickelbasis-Superlegierung gebildet werden. Die praktische Umsetzbarkeit wird abschließend anhand einiger Probeschweißungen an einem besonders heißrissgefährdeten Werkstoff demonstriert. Um fehlerfreie Verbindungen zu ermöglichen, wurden zunächst die relevanten Parameter für die Einstellung von Nahtbreite, Einschweißtiefe, Aspektverhältnis und Nahtfläche anhand einer Versuchsreihe mit 17 Blindschweißungen auf einer 12 mm dicken Platte aus Inconel 718 bestimmt. Die genaue Beschreibung des Einflusses der als signifikant identifizierten Faktoren erfolgte über die Anwendung einer Regressions- und Varianzanalyse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einschweißtiefe, die Nahtbreite, das Aspektverhältnis sowie die Nahtfläche vorrangig über den Strahlstrom, die Fokuslage sowie den Vorschub beeinflusst werden können. Auf Basis der gebildeten statistischen Modelle erfolgte die Vorhersage geeigneter Parameter für eine finale Versuchsreihe. Die abschließenden Demonstratorschweißungen wurden exemplarisch an einer Nickelbasis-Gusslegierung mit besonders hohem Ausscheidungsphasenanteil durchgeführt. Hierfür wurden Schweißungen im I- Stoß an 6,5 mm und 10 mm dicken Blechen ausgeführt. Trotz der mangelnden Schweißeignung und dem hohen Anteil an Ausscheidungsphase des Werkstoffes, zeigten sich nach Optimierung der Prozessparameter keine Heißrisse mehr. T2 - DVS Congress 2020 CY - Online meeting DA - 14.09.2020 KW - Heißrisse KW - Nickelbasis-Superlegierungen KW - Elektonenstrahlschweißen KW - Alloy 247 PY - 2020 SN - 978-3-96144-098-6 VL - 365 SP - 17 EP - 22 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-51320 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Brunner-Schwer, C. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Entwicklung des hybriden Auftragschweißens als leistungsfähigen Bechichtungsprozess für Korrosions- und Verschleißschutzschichten N2 - Dieser Beitrag stellt Ergebnisse der Untersuchungen zum Auftragschweißen als Plasma-Laserstrahl-Hybrid-Prozess dar. Es hat sich gezeigt, dass ein Laserstrahl, der in einer gemeinsamen Prozesszone mit einem Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess vorlaufend angeordnet ist, diesem Prozess eine erhebliche Geschwindigkeitssteigerung sowie eine Verbesserung der Stabilität ermöglicht. Der Hybrid-Prozess konnte mit Verschleißschutzwerkstoffen sowie dem Korrosionsschutzwerkstoff Inconel 625 bei Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/min erfolgreich validiert werden. Im Hinblick auf die aktuellen Entwicklungen zu Hochgeschwindiglceits-Laserstrahlauftragschweißen kann der Plasma-Laserstrahl-Hybrid-Prozess zwischen diesen und den konventionellen Verfahren eingeordnet werden. KW - Auftragschweißen KW - Hybridschweißen KW - Laserstrahlschweißen KW - Schutzgasschweißen PY - 2020 SN - 0036-7184 VL - 72 IS - 8 SP - 474 EP - 475 AN - OPUS4-51321 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Fabry, Çağtay A1 - Hirthammer, Volker A1 - Rethmeier, Michael T1 - Open Science in der Schweißtechnik N2 - Darstellung der aktuellen Situation sowie des Potenzials von Forschungsdatenmanagement und OpenScience in der Schweißtechnik. T2 - WelDX - Open Science Seminar CY - BAM Berlin, Germany DA - 04.03.2020 KW - Digitalisierung KW - Schweißtechnik KW - OpenScience KW - Forschungsdatenmanagement PY - 2020 UR - https://www.bam.de/Content/DE/Veranstaltungen/2020/2020-03-09-weldx-open-science-seminar.html AN - OPUS4-51857 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael A1 - Gook, Sergej T1 - Notch impact toughness of laser beam welded thick sheets of cryogenic nickel alloyed steel X8Ni9 N2 - This research work deals with the investigations of the impact toughness of laser beam welded 14.5 mm thick sheets made of cryogenic steel X8Ni9 as a function of preheating. This 9% nickel alloyed steel is widely used in the liquefied natural gas (LNG) industry. An application of highly efficient welding processes such as high-power laser beam welding (LBW) in LNG sector requires an understanding of the interactions between the LBW process parameters and weld properties, in particular the impact toughness. The results show that the original fine-grained martensitic microstructure of the base metal (BM) is significantly changed by melting and crystallization during the LBW, what can lead to a decrease in the impact toughness of the weld metal (WM) below the required level. An optimal preheating temperature range leads to the favorable thermal welding cycle and is of remarkable importance for maintaining the notch impact toughness of laser beam welded joints of these thick steel sheets. A parameter window was identified in which V-notch impact toughness comparable to that of the BM at -196 °C was achieved. T2 - 11th CIRP Conference on Photonic Technologies LANE 2020 CY - Online meeting DA - 06.09.2020 KW - Cryogenic steel KW - Laser beam welding KW - Welding thermal cycle PY - 2020 AN - OPUS4-51750 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Rethmeier, Michael A1 - Biegler, M. A1 - Javaheri, E. T1 - Qualifizierung der instrumentierten Eindringprüfung zur Kennwertermittlung für hochfeste Stähle mit Schweißungen N2 - Der Einsatz von hochfesten Stählen im Karosseriebereich des Automobilbaus hat während der letzten Jahre stark zugenommen. Hierzu zählen Dual- und Komplexphasenstähle, welche durch Kombination unterschiedlicher Gefügebestandteile auch deren Vorteile kombinieren, sowie TRIP (TRansformation Induced Plasticity) und Mangan-Bor Stähle, welche sehr gute Umformeigenschaften mit hohen Festigkeiten durch Martensitbildung bei der Umformung kombinieren. TWIP (Twinning Induced Plasticity) Stähle erreichen ähnliche Effekte durch forcierte Zwillingsbildung. Die Ursachen für den Einsatz dieser Stähle liegen in dem Potential dieser Materialien zur Gewichts- und Kostenreduzierung, bei gleichzeitiger Erhöhung der Fahrgastsicherheit. Auf Grund der prinzipiell gegebenen Schweißeignung dieser Stähle, werden die klassischen Fügeverfahren im Karosseriebau wie das kostengünstige und effektive Widerstandspunktschweißen, das Metall-Schutzgas (MSG)-Schweißen oder das Laserschweißen angewendet. Allerdings treten teilweise Herausforderungen, beispielsweise durch Gefügeveränderungen in den Fügestellen auf, die zu ungewollten Aufhärtungen oder Erweichungen führen. In diesem Projekt wird ein Verfahren entwickelt, mit welchem die lokalen Werkstoffeigenschaften von im Automobilbau typischen Werkstoffen und deren Fügestellen bestimmt werden können. Relevante Kennwerte sind in erster Linie das SpannungsDehnungs-Verhalten der verschiedenen Zonen einer Schweißverbindung; relevante Zonen wiederum sind neben dem Grundwerkstoff die Wärmeeinflusszone und das Schweißgut. Zu diesem Zweck wird das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung für den Einsatz bei hochfesten Stählen weiterentwickelt. Zunächst werden hierzu Zugversuche an einfachen Grundwerkstoffgeometrien durchgeführt. Im Anschluss wird die optische Dehnungsfeldmessung an stark taillierten, geschweißten Zugversuchsproben durchgeführt. Die Taillierung dient dem Zweck, die WEZ auch mittels WPS über den gesamten Querschnitt der Probe erzeugen zu können, bzw. im Versuch auch Dehnungen in den relevanten Bereichen herbeizuführen. Das im Projekt angewendete Auswerteverfahren, welches auf nichtlinearen Regressionsmodellen in Form von künstlichen, neuronalen Netzwerken beruht, ermöglicht die Vorhersage des Festigkeitsverhaltens des Werkstoffes anhand der gemessenen Krafteindringwegdaten. KW - Eindringprüfung KW - Hochfester Stahl KW - Prüfverfahren PY - 2020 SN - 978-3-946885-98-6 SP - 1 EP - 164 PB - Forschungsvereinigung Stahlanwendungen AN - OPUS4-57322 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - SmartWeld - Innovatives Design und Fertigungskonzept zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau N2 - Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie z.B. die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sog. Jackets-Fundamenten, bietet ein großes Potential zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge. In diesem Vortrag zeigen wir die Potenziale einer vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette auf, um eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten als Schlüsselelement von Jackets-Fundamenten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Nahtform und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass Hohlprofilknoten vollautomatisch unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen geschweißt werden können. Darüber hinaus konnte die Nahtform gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend werden die Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch eine Lebenszyklusanalyse bewertet. T2 - Bundesverband der Windparkbetreiber Offshore: Tagung der Arbeitsgruppe Engineering CY - Online meeting DA - 26.11.2021 KW - Offshore Windenergieanlagen KW - Gründungsstrukturen KW - Automatisierte Fertigung KW - Aufgelöste Tragstrukturen PY - 2021 AN - OPUS4-56652 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Uhlmann, E. A1 - Düchting, J. A1 - Petrat, T. A1 - Krohmer, E. A1 - Graf, B. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Effects on the distortion of Inconel 718 components along a hybrid laser‑based additive manufacturing process chain using laser powder bed fusion and laser metal deposition N2 - The combination of laser powder bed fusion (LPBF), 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 additive manufacturing times for large metallic parts. For the industrial application of the LPBF-LMD hybrid process chain, it is necessary to investigate the infuence of the LMD process on the LPBF substrate. In addition, the build plate material also has a signifcant impact on the occurrence of distortion along the additive manufacturing process chain. In the literature, steel build plates are often used in laser-based additive manufacturing processes of Inconel 718, since a good metallurgical Bonding can be assured whilst reducing costs in the production and restoration of the build plates. This paper examines the distortion caused by LMD material deposition and the infuence of the build plate material along the hybrid additive manufacturing process chain. Twin cantilevers are manufactured by LPBF and an additional layer is subsequently deposited with LMD. The distortion is measured in the as-built condition as well as after heat treatment. The efect of diferent LMD hatch strategies on the distortion is determined. The experiments are conducted using the nickel-base alloy Inconel 718. The results show a signifcant infuence of LMD path strategies on distortion, with shorter tool paths leading to less distortion. The remaining distortion after heat treatment is considerably dependent on the material of the build plate. KW - Laser powder bed fusion KW - Directed energy deposition KW - Laser metal deposition KW - Distortion KW - Heat treatment PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-521439 DO - https://doi.org/10.1007/s40964-021-00171-9 SP - 1 EP - 10 PB - Springer-Verlag GmbH CY - Heidelberg AN - OPUS4-52143 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Investigation of the gap bridgeability at high-power laser hybrid welding of plasma-cut thick mild steels with AC magnetic support N2 - One of the challenges of the high-power hybrid laser welding of thick steels is the sensitivity of the process of the process to manufacturing tolerances. This usually leads to a time-consuming preparation of the welding edges, such as milling. The study deals with the influence of the edge quality of milled and plasma-cut steel made of S355J2 with a wall thickness of 20 mm on the laser hybrid welded seam quality. Furthermore, the gap bridgeability and the tolerances towards edge misalignment was investigated. An AC magnet was used as backing support to prevent sagging and positioned under the workpiece, to generate an upwards directed electromagnetic pressure. The profiles of the edges and the gap on the top and root side were measured using a digital camera. Single-pass laser hybrid welds of plasma-cut edges could be welded using a laser beam power of just 13.7 kW. A gap bridgeability up to 2 mm and misalignment of edges up to 2 mm could be achieved successful. Additionally, the independence of the cutting side and the welding side was shown, so that samples were welded to the opposite side to their cutting. For evaluation of internal defects or irregularities, X-ray images were carried out. Charpy impact strength tests were performed to determine the toughness of the welds. T2 - X International Conference «Beam Technologies & Laser Application» KW - Laser hybrid welding KW - Magnetic bath support KW - Plasma-cut samples KW - Thick plate welding PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-539248 DO - https://doi.org/10.1088/1742-6596/2077/1/012007 VL - 2077 IS - 012007 SP - 1 EP - 8 PB - IOP Publishing AN - OPUS4-53924 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Gook, Sergej A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Method for defect-free hybrid laser-arc welding of closed circumferential welds N2 - This paper presents investigation results of a process for defect-free hybrid laser arc welding (HLAW) of closed circumferential welds. The process aims to avoid weld imperfections in the overlap area of a HLAW circumferential weld. A process control strategy for closing the circumferential weld was developed to achieve a defect-free overlap region by controlling the solidification conditions at the end of the weld. The controlled heat flow is achieved by adjusting the parameters of both welding processes involved, the laser beam as well as gas metal arc welding (GMAW) process. Experimental investigations were carried out on 12 mm to 15 mm thick tube sections. The influence of process parameters such as the laser ramp time, the change in magnification scale and the defocusing of the laser beam on the solidifi-cation conditions at the end of the circumferential weld was investigated to find an optimum strategy for ramping out the process energy. Within the framework of the experimental studies, it was demonstrated that defocusing the laser beam in the range between 60 mm and 100 mm over a short run-out area of the weld of approximately 15 mm led to a significantly better weld formation in the overlap area. A favourable cup-shaped weld shape could be achieved without a tendency to crack. The laser optics with a motor-driven lens system made it possible to increase the laser beam diameter without changing the position of the GMAW arc relative to the component surface. KW - Weld defects KW - Hybrid welding KW - Laser beam welding KW - Pipe manufacturing KW - Gas shielded arc welding PY - 2021 VL - 20 IS - 4 SP - 334 EP - 339 PB - DVS Media AN - OPUS4-54665 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -