TY - CONF A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Artinov, Antoni A1 - Bachmann, Marcel A1 - Üstündag, Ömer A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - A numerical study on the suppression of a detrimental weld pool profile in wire feed laser beam welding by magnetohydrodynamic technique N2 - The weld quality and the possible defect formation are directly determined by the weld pool shape and the thermo-fluid dynamics therein. In this paper, an untypical weld pool profile, i.e., elongated at its top and bottom but narrowed at the middle, is found experimentally and numerically in the wire feed laser beam welding. The detrimental influence of the weld pool narrowing on the element transport is analyzed and discussed. A magnetohydrodynamic technique is utilized to suppress the narrowing, aiming at a more homogenous element distribution. It is found that a low-temperature region is formed in the middle of the weld pool due to the interaction of the two dominant circulations from the top and bottom regions. The weld pool is significantly narrowed due to the untypical growth of the mushy zone in the low-temperature region, which results in a direct blocking effect on the downward flow and the premature solidification in the middle region. The Lorentz force produced by a transverse oscillating magnetic field shows the potential to change the flow pattern into a single-circulation type and the low-temperature-gradient region is mitigated. Therefore, the downward transfer channel is widened, and its premature solidification is prevented. The numerical results are well validated by experimental measurements of metal/glass observation and X-ray fluorescence element mapping. T2 - 13th International Seminar Numerical Analysis of Weldability CY - Seggau, Austria DA - 04.09.2022 KW - Thermo-fluid flow KW - Element transport KW - Laser beam welding KW - Magnetohydrodynamics KW - Multi - physical modeling PY - 2023 SN - 2410-0544 VL - 13 SP - 143 EP - 160 PB - Verlag der Technischen Universität Graz AN - OPUS4-58806 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Yang, Chunliang A1 - Yang, Fan A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Experimental and numerical study on grain refinement in electromagnetic assisted laser beam welding of 5754 al alloy N2 - Through experimental observation and auxiliary numerical simulation, this investigation studies the different types of grain refinement of 5754 aluminum alloy laser beam welding by applying a transverse oscillating magnetic field. Scanning electron microscope results have proved that the application of a magnetic field can reduce the average crystal branch width and increase its number. The interaction between the induced eddy current generated by the Seebeck effect and the applied external magnetic field produces a Lorentz force, which is important for the increase of the number of crystal branches. Based on the theory of dendrite fragmentation and the magnetic field-induced branches increment, the grain size reduction caused by the magnetic field is studied. Furthermore, the effects of the magnetic field are analyzed by combining a phase field method model and simulations of nucleation and grain growth. The grain distribution and average grain size after welding verifies the reliability of the model. In addition, the introduction of a magnetic field can increase the number of periodic three-dimensional solidification patterns. In the intersection of two periods of solidification patterns, the metal can be re-melted and then re-solidified, which prevents the grains that have been solidified and formed previously from further growth and generates some small cellular grains in the new fusion line. The magnetic field increases the building frequency of these solidification structures and thus promotes this kind of grain refinement. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - Magnetic field KW - Crystal branch development KW - Grain refinement KW - Periodic solidification pattern PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58809 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Simón Muzás, Juan A1 - Brunner-Schwer, Christian A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Mechanical properties of laser welded joints of wrought and heat treated PBF LB/M Inconel 718 parts depending on build direction N2 - Laser-based Powder Bed Fusion of Metal (PBF-LB/M) is a broadly used metal additive manufacturing (AM) method for fabricating complex metallic parts, whose sizes are however limited by the build envelope of PBF-LB/M machines. Laser welding arises as a valid joining method for effectively integrating these AM parts into larger assemblies. PBF-LB/M components must usually be stress-relieved before they can be separated from the build plate. An additional heat treatment can be beneficial for obtaining homogeneous mechanical properties across the seam or for the formation of desired precipitations in nickel-based-alloys. Therefore, the tensile performance of laser welded hybrid (AM/wrought) and AM-AM tensile samples of Inconel 718 is examined after undergoing three different heat treatments and considering three relevant build directions. It can be shown that the build orientation is an influencing factor on weld properties even after two applied heat treatments. T2 - Lasers in Manufacturing LiM 2023 CY - Munich, Germany DA - 26.09.2023 KW - Inconel 718 KW - Laser welding KW - PBF/LB-M KW - Hybrid components KW - Heat treatments KW - Build direction KW - Tensile performance PY - 2023 SP - 1 EP - 10 PB - Proceedings Lasers in Manufacturing 2023 CY - München AN - OPUS4-58394 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Marquardt, R. A1 - Bähring, S. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Künstliche Neuronale Netze zur Qualitätsprognose von Funktional Gradierten Materialien im laserbasierten Directed Energy Deposition N2 - Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt. T2 - 3. Fachtagung Additive Manufacturing CY - Halle, Germany DA - 05.10.2023 KW - Directed Enery Deposition KW - Künstliche Neuronale Netze KW - Additive Manufacturing KW - DED KW - KI KW - AM PY - 2023 SP - 1 EP - 8 PB - SLV Halle AN - OPUS4-58692 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bachmann, Marcel A1 - Artinov, Antoni A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Rethmeier, Michael T1 - Challenges in dynamic heat source modeling in high-power laser beam welding N2 - The amount of absorbed energy in the keyhole as well as its spatial and temporal distribution is essential to model the laser beam welding process. The recoil pressure, which develops because of the evaporation process induced by the absorbed laser energy at the keyhole wall, is a key determining factor for the macroscopic flow of the molten metal in the weld pool during high-power laser beam welding. Consequently, a realistic implementation of the effect of the laser radiation on the weld metal is crucial to obtain reliable and accurate simulation results. In this paper, we discuss manyfold different improvements on the laser-material interaction, namely the ray-tracing method, in the numerical simulation of the laser beam welding process. The first improvement relates to locating the exact reflection points in the ray tracing method using a so-called cosine condition in the determination algorithm for the intersection of the reflected rays and the keyhole surface. A second correction refers to the numerical treatment of the Gaussian distribution of the laser beam, whose beam width is defined by a decay of the laser intensity by a factor of 1/e2 thus ignoring around 14 % of the total laser beam energy. In a third step, the changes in the laser radiation distribution in the vertical direction were adapted by using different approximations for the converging and the diverging regions of the laser beam thus mimicking the beam caustic. Finally, a virtual mesh refinement was adopted in the ray tracing routine. The obtained numerical results were validated with experimental measurements. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - Laser energy distribution KW - Ray tracing KW - Numerical modeling PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58475 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Verbesserung der Übertragbarkeit eines künstlichen neuronalen Netzes zur Qualitätsvorhersage beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen N2 - Eine typische Automobilkarosserie kann bis zu 5000 Widerstandspunktschweißverbindungen aufweisen, welche hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen. Daher ist eine durchgehende Prozessüberwachung unerlässlich. Die Transformation zur E-Mobilität in der Automobilindustrie und die damit einhergehende Reichweitenproblematik treiben die Entwicklung und Einführung neuer hochfester Stähle an. Dies resultiert in einem gesteigerten Fertigungsaufwand hinsichtlich einer stabilen Prozess-führung in der Fügetechnik. Um diesen Anstieg an Komplexität zu bewältigen, sind die Methoden der künstlichen Intelligenz ein geeignetes Mittel. Mit ihnen kann, durch Auswertung der Prozessparameter und -signale, die individuelle Schweißpunktqualität sichergesellt werden. Die Vorhersagegenauigkeit von neuen Daten, also das extrapolieren, stellt für die meisten Algorithmen eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein künstliches neuronales Netz zur Vorhersage des Punktdurchmessers von Widerstandspunktschweißungen anhand von Prozessparametern implementiert. Die Vorhersagegenauigkeit und Extrapolationsfähigkeit des Modells wird durch die Auswertung des dynamischen Widerstandssignals verbessert. Um die Extrapolationsfähigkeit zu untersuchen, wird die Vorhersagegenauigkeit des Modells mit Daten getestet, die sich in Bezug auf den Werkstoff und der Beschichtungszusammensetzung deutlich von den Trainingsdaten unterscheiden. Dazu wurden mehrere Schweißexperimente mit Werkstoffen verschiedener Hersteller durchgeführt und nur ein Teil der Daten in das Training einbezogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den positiven Einfluss der Prozesssignale auf die Robustheit des Modells und die Skalierbarkeit der Algorithmen künstlicher neuronaler Netze auf Daten außerhalb des Trainingsraums. T2 - DVS Congress 2023 Große Schweißtechnische Tagung CY - Essen, Germany DA - 11.09.2023 KW - Widerstandspunktschweißen KW - Hochfester Stahl KW - Künstliche Intelligenz KW - Neuronales Netz KW - Fügequalität PY - 2023 SN - 978-3-96144-230-0 SP - 772 EP - 779 AN - OPUS4-58693 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Der Einfluss verschiedener räumlicher Diskretisierungsansätze des Ray-Tracing-Verfahrens bei der Simulation des Laserstrahltiefschweißen N2 - Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis be-rechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses rich-tig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassischen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapil-lardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer ge-naueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Verbesserung der simulierten Schmelzkontur führt. T2 - 43. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik CY - Schwarzenberg/Erzgebirge, Germany DA - 27.09.2022 KW - Laser beam welding KW - Ray tracing method KW - Weld pool dynamics KW - Numerical modeling PY - 2023 UR - https://www.dvs-media.eu/de/neuerscheinungen/4584/43.-assistentenseminar-fuegetechnik SN - 978-3-96144-212-6 VL - 386 SP - 91 EP - 102 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-59119 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Strobl, Dominic A1 - Unger, Jörg F. A1 - Chady, G. A1 - Klawoon, Alexander A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael A1 - Robens-Radermacher, Annika T1 - Efficient bead-on-plate weld model for parameter estimation towards effective wire arc additive manufacturing simulation N2 - Despite the advances in hardware and software techniques, standard numerical methods fail in providing real-time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications. A real-time simulation enables process control through the combination of process monitoring and automated feedback, which increases the flexibil- ity and quality of a process. Typically, before producing a whole additive manufacturing structure, a simplified experiment in form of a bead-on- plate experiment is performed to get a first insight into the process and to set parameters suitably. In this work, a reduced order model for the transient thermal problem of the bead-on-plate weld simulation is devel- oped, allowing an efficient model calibration and control of the process. The proposed approach applies the proper generalized decomposition (PGD) method, a popular model order reduction technique, to decrease the computational effort of each model evaluation required multiple times in parameter estimation, control and optimization. The welding torch is modeled by a moving heat source, which leads to difficulties separating space and time, a key ingredient in PGD simulations. A novel approach for separating space and time is applied and extended to 3D problems allowing the derivation of an efficient separated representation of the tem- perature. The results are verified against a standard finite element model showing excellent agreement. The reduced order model is also leveraged in a Bayesian model parameter estimation setup, speeding up calibrations and ultimately leading to an optimized real-time simulation approach for welding experiment using synthetic as well as real measurement data. KW - Ermüdung PY - 2023 DO - https://doi.org/10.5281/zenodo.7456813 PB - Zenodo CY - Geneva AN - OPUS4-59651 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Yang, Fan A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmeier, Michael T1 - Assessment of keyhole stability in laser beam welding with external magnetic field using numerical simulation N2 - The challenge of understanding the physical mechanisms behind porosity reduction by a magnetic field during laser beam welding (LBW) is partly due to the difficulty in quantitatively evaluating keyhole stability. The commonly used index, such as keyhole depth, is typically one-dimensional, which is insufficient to capture the dynamic and three-dimensional fluctuations of the keyhole. In this paper, by utilizing a 3D multiphysical model of LBW with magnetic field, a novel keyhole geometry reconstruction algorithm has been developed to describe the keyhole profile and its fluctuation in a statistical manner to evaluate keyhole stability quantitatively. An equivalent diameter is proposed in this algorithm to reduce the irregularity of the keyhole geometry. The calculation results indicate that the time-averaged keyhole shape over 300 ms in the LBW of steel is conical, regardless of the application of an external magnetic field, which provides a more representative shape. Meanwhile, it is observed from the statistical aspect that the keyhole diameter becomes smaller, except the top part, under the influence of the magnetic field. The standard deviation of the equivalent diameter can be used as a physical variable to assess the keyhole stability quantitatively. The application of an external magnetic field can produce a noticeable reduction of the standard deviation of the equivalent diameter, namely, stabilizing the keyhole during LBW of steel. However, the different contribution from the keyhole stability affected by a magnetic field in suppressing porosity is different with materials. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2024 CY - Hollywood, Los Angeles, USA DA - 04.11.2024 KW - Deep penetration laser beam welding KW - Numerical simulation KW - Keyhole shape KW - Keyhole stability KW - Magnetic field PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-616024 DO - https://doi.org/10.2351/7.0001528 VL - 36 IS - 4 SP - 1 EP - 7 PB - AIP Publishing AN - OPUS4-61602 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Lemke, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Fließfähigkeitsanalyse zweier Pulverfraktionen aus AISI 316L und resultierende Bauteildichte DED-LB aufgebauter Quader N2 - Die Fließfähigkeit von Metallpulvern gilt als wichtige Pulvereigenschaft für den additiven Aufbau mittels Laser, wobei bisher wenige Arbeiten die Auswirkungen im Laserpulverauftragschweißen (Engl.: Directed Energy Deposition DED-LB) untersuchen. Arbeiten, die sich mit den Pulvereigenschaften für Pulverbettverfahren beschäftigen, zeigen Korrelationen zwischen Partikelgrößenverteilung und Fließeigenschaften mit der Bauteildichte und den mechanischen Eigenschaften. Sie bewerten insbesondere Pulverbettdichte und -stabilität. In der vorliegenden Arbeit werden daher die Eigenschaften zweier Pulverfraktionen (20 µm – 63 µm und 63 µm – 150 µm) des austenitischen Stahls AISI 316L und deren freien Ausfluss im Vergleich zur Pulverdichte untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die feinere Pulverfraktion eine um 14,5 % höhere Durchflussrate erzielt als die gröbere Fraktion. korreliert die Ergebnisse zur inneren Porosität und Partikelgrößenverteilung. Die Analyse der Bauteilqualität zeigt einen geringen Einfluss der Korngrößenverteilung auf die Porosiät der DED-LB aufgebauten Quader. T2 - 44. Assistentenseminar Fügetechnik der WGF CY - Päwesin, Germany DA - 20.09.2023 KW - 316L KW - Fließfähigkeit KW - DED-LB KW - Hall-Flow KW - Metallpulver PY - 2024 SP - 131 EP - 140 AN - OPUS4-60723 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -