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Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich bei laserstrahlhybridgeschweißten Rundnähten
(2019)
Die Laserstrahl-Hybrid-Schweißtechnologie erweist sich in der schweißtechnischen Fertigung immer mehr als innovative Alternative gegenüber anderen Schweißverfahren. Obwohl das Laserstrahl-Hybridschweißverfahren viele wirtschaftliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren aufweist, wie z.B. große Einschweißtiefe und dadurch eine reduzierte Anzahl von Schweißlagen, geringe thermische Belastung des Grundwerkstoffes aufgrund reduziertem Wärmeeintrag, konnte das Schweißverfahren überwiegend für das Schweißen von Längsnähten demonstriert werden. Eine Vielzahl von Schweißaufgaben, z.B. beim Schweißen von Segmenten von Windkraftanlagen oder dem Orbitalschweißen beim Verlegen von Großrohrleitungen sieht vor, dass die zu schweißenden Bauteile mit einer Rundnaht zusammengefügt werden. Die schweißtechnische Herausforderung ist hier, dass beim Schließen einer Rundnaht mit der Entstehung eines fehlerbehafteten Überlappbereiches zu rechnen ist. Ein zentrales Problem im Überlappbereich einer laserstrahl- sowie laserhybridgeschweißten Rundnaht ist die Bildung von Imperfektionen wie Poren, Rissen sowie die Bildung eines Endkraters, welcher als geometrische Kerbe wirkt. Bisher liegen keine universellen Lösungen zur fehlerfreien Ausführung von geschlossenen Rundnähten beim Laserstrahl-Hybridschweißen vor. Diese Studie befasst sich mit der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Entstehung von o.g. Schweißimperfektionen vermieden wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht werden kann. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von Schweißversuchen an 9,5 mm dicken Rohabschnitten aus hochfestem Pipelinestahl X100Q mit Variation der Prozessparameter wie der Laserleistung, der Defokussierung des Laserstrahls sowie der Endkraterfüllzeit im Überlappbereich der Rundnaht durchgeführt. Nachfolgend werden die erzielten Ergebnisse dargestellt und diskutiert.
In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Untersuchungen eines Verfahrens zum fehlerfreien Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten vorgestellt. Das Verfahren zielt auf die Vermeidung von Schweißnahtunregelmäßigkeiten im Überlappbereich einer hybridgeschweißten 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 dem Metallschutzgas (MSG)-Schweißprozess, realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an 12 bis 15 mm dicken Rohrabschnitten durchgeführt. Der Einfluss von Prozessparametern wie der Veränderung des Abbildungsmaßstabs 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 etwa 15 mm zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führt. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnaht 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.
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.
The study deals with the influence of the heat input on the thermal cycles and Charpy impact toughness for hybrid laser-arc welding of 25 mm thick structural steel S355J2 using a 20-kW high-power laser in combination with an electromagnetic weld pool support. The main focus is on the change of the mechanical properties over the entire seam thickness. The cooling times were measured using a pyrometer in combination with an optical fibre in three different locations near to fusion lines corresponding to different heights of the seam. Also, Charpy impact specimens were taken from different parts of the weld joint corresponding to the different heights. The influence of the heat input was investigated for 1.8 kJ mm-1 and 3.2 kJ mm-1. Despite the observed decreased values of both t8/5-cooling time and the Charpy impact toughness in the root part of the seam, the required values could be reached in dependance on applied heat input.
Element transport in the wire feed laser beam welding (WFLBW) is directly determined by the molten pool shape and thermo-fluid flow therein. In this paper, an untypical molten pool profile, i.e., elongated at its top and bottom but narrowed at the middle, is found experimentally by real-time metal/glass observa- tion and numerically by multi-physical modeling. Ex-situ X-ray fluorescence element mapping is used to characterize the element dilution status in the fusion zone. For the first time, the detrimental influence of the molten pool narrowing on the element transport is identified and discussed, combining the exper- imental and numerical results. A magnetohydrodynamic technique is utilized to suppress the narrowing, aiming at a more homogenous element distribution. It is found that due to the interaction of the two dominant circulations from the top and bottom regions of the molten pool, a low-temperature region is formed. It leads to an untypical growth of the mushy zone, narrowing the molten pool in the middle re- gion. Its detrimental effect on material mixing is non-negligible considering the direct blocking effect on the downward flow and the premature solidification at the middle region. The Lorentz force from a trans- verse oscillating magnetic field can change the flow pattern into a single-circulation type. The downward transfer channel is widened, and its premature solidification is prevented because the low-temperature- gradient region is mitigated. This paper provides a supplementary reason regarding the common issue of insufficient material mixing during LBW, and a promising technique to optimize the process.
The present work deals with the recently confirmed widening of the weld pool interface, known as a bulging effect, and its relevance in high power laser beam welding. A combined experimental and numerical approach is utilized to study the influence of the bulge on the hot cracking formation and the transport of alloying elements in the molten pool. A technique using a quartz glass, a direct-diode laser illumination, a high-speed camera, and an infrared camera is applied to visualize the weld pool geometry in the longitudinal section. The study examines the relevance of the bulging effect on both, partial and complete penetration, as well as for different sheet thicknesses ranging from 8 mm to 25 mm. The numerical analysis shows that the formation of a bulge region is highly dependent on the penetration depth and occurs more frequently during partial penetration above 6 mm and complete penetration above 8 mm penetration depth, respectively. The location of the bulge correlates strongly with the cracking location. The obtained experimental and numerical results reveal that the bulging effect increases the hot cracking susceptibility and limits the transfer of alloying elements from the top of the weld pool to the weld root.
The present work deals with the recently confirmed widening of the weld pool interface, known as a bulging effect, and its relevance in high power laser beam welding. A combined experimental and numerical approach is utilized to study the influence of the bulge on the hot cracking formation and the transport of alloying elements in the molten pool. A technique using a quartz glass, a direct-diode laser illumination, a high-speed camera, and two thermal imaging cameras is applied to visualize the weld pool geometry in the longitudinal section. The study examines the relevance of the bulging effect on both, partial and complete penetration, as well as for different sheet thicknesses ranging from 8 mm to 25 mm. The numerical analysis shows that the formation of a bulge region is highly dependent on the penetration depth and occurs above 10 mm penetration depth. The location of the bulge correlates strongly with the cracking location. The obtained experimental and numerical results reveal that the bulging effect increases the hot cracking susceptibility and limits the transfer of alloying elements from the top of the weld pool to the weld root.
In this study, steel-glass experiments were conducted to observe the melt pool geometry using a high-speed camera. The high-speed recordings and optical flow analysis show that two main flows take place in form of vortices. The lower vortex drives the melt backwards from the front keyhole wall and thus causes an extension of the melt pool, which is called bulging. This bulging promotes solidification cracking by forming a closed area filled with melt and the accumulation of impurities in the final solidification phase, resulting in low-melting phases which are under tensile stress at the end of solidification.
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.
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.
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.
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.
Laserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen Ökonomische und ökologische Vorteile
(2022)
Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulverschweißen von Dickblechen in Mehrlagentechnik und bietet hier ökonomische und ökologische Vorteile. Der industrielle Einsatz des Verfahrens ist jedoch durch prozessspezifische Herausforderungen eingeschränkt. Die im Beitrag beschriebene kontaktlose elektromagnetische Badstütze dient zur Erweiterung des Verfahrenspotenzials im Dickblechbereich >15 mm.
With additive manufacturing in the powder bed, the component size is limited by the installation space. Joint welding of additively manufactured parts offers a possibility to remove this size limitation. However, due to the specific stress and microstructure state in the additively built material, it is unclear to what extent existing evaluation rules of joint welding are also suitable for welds on additive components. This is investigated using laser beam welding of additively manufactured pipe joints. The welds are evaluated by means of visual inspection, metallographic examinations as well as computed tomography. The types of defects found are comparable to conventional components. This is an indicator that existing evaluation regulations also map the possible defects occurring for weld seams on additive components.
Dieser Beitrag befasst sich mit der Entwicklung eines wirtschaftlichen und robusten Verfahrens zum Schweißen dicker Stahlbleche. Es werden Ergebnisse für das Fügen von Blechen im Dickenbereich von 25 mm bis 80 mm vorgestellt. Die 30 mm dicken Schweißnähte konnten im Stumpfstoß in zwei Durchgängen unter Verwendung des Laserhybridschweißens und des Unterpulverschweißens (UP) geschweißt werden. Das Laserhybridschweißen wird als Einschweißung mit einer Tiefe von ca. 25 mm ausgeführt. Die UP-Lagen werden auf der gegenüberliegenden Seite des Blechs aufgebracht. Bei richtiger Wahl der Schweißparameter wird der
Nahtquerschnitt durch eine sichere Überlappung beider Lagen geschlossen. Bei Blechdicken über 30 mm ist eine Kantenvorbereitung erforderlich, die eine Ausführung der UP-Fülllagen in Engspalttechnik ermöglicht. Die Vorteile der vorgeschlagenen Prozesskombination liegen darin, dass die Nahtwurzel der Laserhybridnaht nicht geformt werden muss. Defekte in der Wurzel der Laserhybrideinschweißung können durch die UP-Lagen effektiv beseitigt werden. Das Verfahren bietet eine hohe Stabilität des Schweißprozesses in Bezug auf die
Qualität der Blechkanten. Plasmageschnittene Kanten konnten ohne Bindefehler geschweißt werden. Die erreichte Nahtqualität wurde durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen bestätigt.
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.
Solidification cracking is still a serious problem in laser beam welding, especially in the welding of thick-walled plates. The influence of weld pool geometry on solidification cracking in partial penetration welding of thick plates is investigated within scope of this study. Therefore, a specific experimental setup of steel and quartz glass in butt configuration and on the side with high-speed camera were used to record the weld pool shape. In addition, the influence of laser inclination angle on the weld pool geometry and on solidification crack formation was investigated. The results show a bulge in the weld pool root, which is separated from an upper region by a necking region. This leads to a case where there are three different longitudinal region lengths with different solidification zones. This temporal sequence of solidification strongly promotes the formation of solidification cracks in the weld root.
The stability of the keyhole decreases for deep penetrated high-power laser beam welding. The keyhole tends to collapse with increasing laser power and e.g. keyhole induced porosity can occur. This study deals with the observation of the keyhole during high-power laser beam welding in partial penetration mode by means of a high-speed camera. A butt configuration of 25 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used for the experiments. An oscillating magnetic field was applied perpendicular to the welding direction on the root side of the steel plate. The keyhole was highlighted with a coaxial diode laser. It was ascertained that the stability of the keyhole and the weld penetration depth were increased by applying an oscillating magnetic field with an oscillating frequency of 1.2 kHz and a magnetic flux density of 50 mT.
The study deals with the determination of the influence of an externally applied oscillating magnetic field on the melt pool dynamics in high power laser beam and hybrid laser arc welding processes. An AC magnet was positioned under the workpiece which is generating an upward directed electromagnetic force to counteract the formation of the droplets. To visualise the melt flow characteristics, several experiments were carried out using a special technique with mild steel from S355J2 with a plate thickness of up to 20 mm and a quartz glass in butt configuration. The profile of the keyhole and the melt flow were recorded with a highspeed camera from the glass side. Additionally, the influence of the magnetic field orientation to the welding direction on the filler material dilution on laser hybrid welding was studied with variating oscillation frequency. The element distribution over the whole seam thickness was measured with X-ray fluorescence (XRF). The oscillation frequency demonstrated a great influence on the melt pool dynamics and the mixing of the elements of the filler wire. The highspeed recordings showed, under the influence of the magnetic field, that the melt is affected under strong vortex at the weld root, which also avoids the formation of droplets.
the joints throughout the structure. The flat units are constituted by butt welded flat plates, on which longitudinal T-welded reinforcements are placed to rigidize the structure. Among the different welding technologies, Hybrid Laser Arc Welding (HLAW) is becoming a mature process, profitable and highly productive. In addition, more innovative welding equipment are being developed nowadays, offering greater work flexibility, and raising expectations of achieving better quality, and economic viability. Another key point of HLAW to keep in mind is that structural distortions are reduced, resulting in decreasing the cost and time of straightening work.
In the present contribution, the influence of HLAW parameters on the quality of fillet joints of naval steel has been analysed. Experimental HLAW tests were performed with a high power disk laser to join EH36 naval steel plates, with a T configuration. The influence of different processing parameters has been analysed, as the laser power, welding speed, wire feed rate and the configuration of the HLAW processes (including head angle and laser/arc leading process). In addition, FEM simulations were carried out in order to estimate residual stresses and distortion of welded part. The distortion values provided by FEM presented excellent agreement with the measured experimental results. To evaluate the welds, non destructive tests including X-ray tests, metallographic analysis of cross sections, and microhardness mapping tests were performed.
Full penetration 8 mm T welds were obtained for the first time at an industrially applicable 2F position with a reasonable HLAW head angle, in one single step without sealing root, and using zero gap square groove Edge preparation. The present contribution presents welding rates up to 2.2 m/min for 2F T-joints of this steel thickness, a much higher processing velocity than previously reported for industrial applications.