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- Laserstrahlschweißen (16) (entfernen)
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Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen.
Im Rahmen eines AiF-Forschungsvorhabens wurde die Beeinflussung des Schweißprozesses mittels generierter Wechselstrom-Magnetfelder (ACMagnetfelder) beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen untersucht. Das vorrangige Augenmerk galt hierbei der Entfernung von Poren sowie der Stabilisierung der Schweißnahtoberfläche zur Vermeidung von rauen Schweißnähten. Das Schweißen mit Einsatz des AC-Magneten erzeugte im Vergleich zu den Referenznähten deutlich flachere Schweißnähte mit reduzierter Porenanzahl, die typische Schuppenstruktur wurde unterdrückt. Das Magnetfeld bewirkte bei entsprechenden Parametern der magnetischen Flussdichte und der Frequenz eine Halbierung der Rauigkeit der Schweißnahtoberfläche. Neben der Oberflächenberuhigung wurde auch die Verteilung von Poren in der Schmelze beeinflusst. Es konnte nachgewiesen werden, dass bei einer geeigneten Auswahl der Parameter von AC-Magnetfeldern die Porositätsanteile in der Schweißnaht auf ein Zehntel gegenüber den Referenzschweißnähten reduziert werden können.-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Within the framework of an AiF research project, investigations were conducted into the influences exerted on the welding process using generated alternating current (AC) magnetic fields during the laser beam welding of aluminium alloys. In this respect, attention was principally paid to removing pores and to stabilising the weld surface in order to avoid rough welds. In comparison with the reference welds, welding utilising the AC magnet produced considerably flatter welds with a reduced number of pores and the typical ripple structure was suppressed. With corresponding parameters for the magnetic flux density and the frequency, the roughness of the weld surface was halved using the magnetic field. In addition to the surface stabilisation, influences were also exerted on the distribution of pores in the molten metal. It was possible to prove that, by selecting suitable parameters for AC magnetic fields, the porosity proportions in the weld can be reduced to one tenth of those in the reference welds.
Elektromagnetische Porenreduktion beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckgusslegierungen
(2019)
Innerhalb der vorliegenden Untersuchung wurde ein elektromagnetisches Schmelzbadbeeinflussungssys-tem zur Reduktion des Porenanteils beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckguss verwendet. Hierbei wird der Unterschied der elektrischen Leitfähigkeiten zwischen Gas- bzw. Lufteinschlüssen und geschmolzenem Aluminium gezielt genutzt, um die im Schmelzbad eingeschlossenen Poren während des Laserstrahlprozesses zur Oberfläche zu verdrängen. Die dafür erforderlichen Lorentzkräfte werden durch ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt. Bei den Laserstrahlschweißversuchen handelt es sich um Ein-schweißungen in Wannenlage (PA-Position) von 6 mm dickem Aluminium-Druckguss AC-AlSi9MnMg. Über einen zuvor optimierten Laserschweißprozess wurde durch zusätzlichen Einsatz eines elektromag-netischen Feldes dessen Wirkung hinsichtlich des Porengehaltes und der Oberflächenrauheit untersucht. Die Auswertung der Schweißnähte erfolgte anhand von Querschliffaufnahmen, Röntgenbildern sowie Computer-Tomographie (CT) Aufnahmen. In Abhängigkeit von der verwendeten magnetischen Fluss-dichte konnte eine Reduktion des Porenanteils von bis zu 75 % erzielt werden, wobei vor allem großvolu-mige Poren erfolgreich aus dem Schmelzbad entfernt werden konnten. Zudem konnte eine Reduktion der Oberflächenrauigkeit von ebenfalls bis zu 75 % erreicht werden.
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.
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.
Impiego di un dispositivo per il vuoto locale di tipo mobile nell'applicazione del processo laser.
(2016)
Lo sviluppo del pennacchio di vapore durante la saldatura laser
di metalli con direzioni di propagazione lungo l'asse del
fascio laser comporta una riduzione della potenza del laser
assorbita nel keyhole. Questi effetti negativi possono essere
notevolmente attenuati mediante l'applicazione di una ridotta
pressione ambientale, diminuendo così l'interazione
tra il fascio laser ed i prodotti dell'evaporazione, condizione
che favorisce la stabilità del processo di saldatura e si traduce
in una maggiore profondità di penetrazione. Una tecnica
convenzionale utilizza il principio della camera a vuoto, simile
a quello utilizzato per la saldatura a fascio elettronico.
L'applicazione di questa tecnica è limitata dalle dimensioni
della camera e riduce quindi i vantaggi di questo approccio,
particolarmente per componenti di grandi dimensioni. Abbiamo
dimostrato la possibilità di applicazione del vuoto in
forma localizzata con apparecchiature mobili, che consentono
di generare una pressione ridotta solo in una piccola zona
attorno al keyhole. Utilizzando un dispositivo di chiusura
appositamente progettato per la pressione, di tipo mobile,
che può essere spostato lungo l'asse del giunto è possibile ottenere
una pressione assoluta di circa 200 mbar. Questo è
sufficiente per aumentare la profondità di penetrazione di
circa il 50%. I campioni di acciaio grado S355 sono stati
saldati con una potenza laser incrementale da 5 kW a 12
kW a pressione atmosferica e confrontati con quelli saldati
a pressione ambiente di 200 mbar. La valutazione della sezione
longitudinale ha rivelato un aumento della profondità
di penetrazione dei giunti di circa il 35%. Inoltre, sono stati
eseguiti test di saldatura in configurazione di giunti testa a
testa con lamiere di 15 mm di spessore con diverse potenze
associate al fascio laser eseguiti a pressione atmosferica ed
a pressione ambiente ridotta di circa 200 mbar. L'aumento
nella profondità di penetrazione fino al 40% è relativo alla
pressione ridotta. In particolare, basse velocità di saldatura
con pressione ridotta si sono rivelate particolarmente vantaggiose
in termini di aumento della penetrazione.
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.
Dickwandige Rohre aus Stahl sind die Basis einer Vielzahl von Komponenten im Maschinen- und Anlagenbau, zum Beispiel bei Hydraulikkomponenten, in der Kraftwerkstechnik oder der Petroindustrie. Insbesondere, wenn hohe Lage- und Formtoleranzen gefordert werden, ist das klassische Herstellungsverfahren ein Zerspanen aus dem Vollmaterial. Dies ist jedoch zeit- und materialintensiv. Als Alternative bieten sich die Laserstrahl-MSGHybridverfahren mit modernen Hochleistungslasern an. Mit diesen Verfahren ist es derzeit möglich, Bauteile bis zu etwa 15 mm Wanddicke verzugsarm und einlagig zu verschweißen. In ersten Experimenten wurden bei Schweißungen an Rohren jedoch in Bezug auf die Schweißrichtung längs und vertikal orientierte Erstarrungsrisse, so genannte Mittelrippendefekte, festgestellt. Im Rahmen eines Forschungsprojekts konnte die Ursache der Rissentstehung ermittelt und Maßnahmen zur Vermeidung gefunden werden. Dabei ließen sich die technischen Randbedingungen einhalten. Der Artikel gibt einen Überblick über das Forschungsprojekt und die wesentlichen Ergebnisse. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thick-walled pipes made of steel are the basis of a large number of components in mechanical and installation engineering, e.g. for hydraulic components, in power station technology or in the petroleum industry. Particularly when strict positional and shape tolerances are demanded, the classical manufacturing process is chip-producing machining from the solid material. However, this is time-intensive and material- intensive. The laser/GMA hybrid processes with modern high-power lasers are a suitable alternative. With these processes, it is currently possible to weld components with a wall thickness up to approx. 15 mm with little distortion in one pass. However, in initial experiments, solidification cracks with longitudinal and vertical orientations in relation to the welding direction, so-called central rib defects, were established in welds on pipes. Within the framework of a research project, it was possible to determine the cause of the cracking and to find measures in order to avoid it. The technical boundary conditions could be complied with in this respect. The article gives an overview of the research project and the essential results.
Laserstrahlschweißen additiv gefertigter Bauteile: Einsetzbarkeit bestehender Bewertungsvorschriften
(2021)
Bei der additiven Fertigung im Pulverbett ist die Bauteilgröße durch den Bauraum begrenzt. Das Verbindungsschweißen additiv gefertigter Teile bietet eine Möglichkeit diese Größenbegrenzung aufzuheben. Aufgrund des spezifischen Spannungs- und Gefügezustands im additiv aufgebauten Teil ist jedoch unklar, inwiefern bestehende Bewertungsvorschriften des Verbindungsschweißens auch für Schweißnähte an additiv gefertigten Bauteilen geeignet sind. Dies wird anhand des Laserstrahlschweißens additiv gefertigter Rohrverbindungen untersucht. Die Schweißnähte werden mittels visueller Prüfung, metallografischer Untersuchungen sowie Computertomografie ausgewertet. Die festgestellten Fehlerarten sind vergleichbar zu konventionellen Bauteilen. Dies ist ein Indikator dafür, dass bestehende Bewertungsvorschriften die möglichen auftretenden Defekte auch für Schweißnähte an additiven Bauteilen abbilden.