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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.
The study deals with the influence of the heat input on the thermal cycles, the microstructure and the mechanical properties for laser-hybrid welded steels of S355J2 with thicknesses up to 30 mm using a 20-kW high-power laser with contactless electromagnetic backing. The focus is on the change of the mechanical properties over the seam thickness. Therefore, the impact toughness and tensile strength were tested in different depths. Based on the experiments, a heat input of 1.3 kJ/mm - 1.6 kJ/mm, 2 kJ/mm - 2.4 kJ/mm and 3.7 kJ/mm were recommended when single-pass welding of 20 mm, 25 mm and 30 mm with a 20-kW laser in regard to the minimum requirements of the mechanical properties, respectively. Lower heat inputs led to undesired microstructure consisting of martensite, hardening and deteriorated impact toughness, where higher heat inputs led to grain-coarsening and even loss of impact strength due to the formation of retained-austenite on the grain boundaries.
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, root excess weld metal 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-down causes solidification cracks which are initiated on the transition from full-penetration mode to partial penetration. 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 between 8 mm and 10 mm and then transferred on the 10 mm thick pipe sections made of high-strength pipeline steel API5L-X100Q.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badstützen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadstütze wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badstützen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badstütze konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von 8 mm bis 12 mm die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeit deutlich.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich.
Die technischen Entwicklungen in der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten haben eine neue Generation von Hochleistungslasersystemen im Leistungsbereich bis zu 100 kW auf den Markt gebracht. Dennoch ist die industrielle Anwendung des Hochleistungslaserstrahlschweißens auf bis zu 15 mm dicke Bleche beschränkt. Mögliche Ursachen der Einschränkungen des Verfahrens sind z.B. die Sensibilität des Verfahrens auf Fertigungstoleranzen wie Spalt und Kantenversatz, die erhöhte Tropfenbildung bei höheren Blechdicken und eine inhomogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes beim Laserhybridschweißen. In dieser Studie wird ein auf extern angelegte Magnetfelder basierte elektromagnetische Schmelzbadstütze eingesetzt, um die Grenzen des Verfahrens zu erweitern und die Herausforderungen zu minimieren. Der wesentliche Vorteil der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ist, dass sie berührungslos arbeitet. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnten bei 20 mm dicken Proben aus S355J2 die Tropfenbildung an der Wurzel vermieden werden. Zudem wurde der Einfluss der Kantenqualität auf die Schweißnahtqualität untersucht, wobei verschiedene Schneidverfahren zur Kantenvorbereitung eingesetzt wurden, wie z.B. Plasma-, Brenn- oder Laserschneiden. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei schlechteren Kantenvorbereitung im Gegensatz zu gefrästen Bauteilen die Werkstoffe einlagig mittels Laserhybridschweißen bei einer hohen Schweißnahtqualität gefügt werden konnten. Bei plasmageschnittenen Proben wurden zudem eine Spaltüberbrückbarkeit bzw. Kantenversatz von bis zu 2 mm sicher überbrückt. Des Weiteren war es mit Hilfe der externen Magnetfelder möglich, die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes über die gesamte Schweißnahttiefe deutlich zu homogenisieren.
-Elektromagnetische Schmelzbadstütze wurde beim
Laserhybridschweißen von Dickblechen erfolgreich zur
Unterdrückung der Tropfenbildung eingesetzt
-Auch bei „schlechteren“ Kantenqualitäten konnten einlagige
Schweißnähte mit hoher Qualität erzielt werden
-Spaltüberbrückbarkeit bis zu 2 mm (bei plasmageschnittenen
Proben) konnte gewährleistet werden
-Homogenere Verteilung des Zusatzwerkstoffes wurde erzielt
In this study, the influence of the welding speed, the arc power, and the laser focal position on the solidification crack formation for partial penetration laser hybrid–welded thick-walled plates was investigated.
The solidification cracking in the weld root is a result of interaction between metallurgical and geometrical and thermomechanical factors.
Experimentally, a direct correlation between the welding speed and the crack number was observed. That is by reducing the welding velocity, the crack number was decreased. The focal position shows also a significant influence on the crack number. By focusing the laser on the specimen surface, the crack number has been significantly diminished.
The wire feed speed showed a very slight influence on the crack formation. That is due to the large distance between the critical region for cracking and the arc region.
The numerical model shows a high stress concentration in the weld root for both components (vertical and transversal).
Numerically, the reduced welding speed showed a strong impact on stress, as the model demonstrated a lower stress amount by decreasing the welding speed.
The metallurgical factors, such as the assumed accumulation of the low-melting eutectics in the weld root, should be a contribution for solidification cracking, where the tensile stress is acting.
High-power hybrid laser arc welding of thick materials with electromagnetic weld pool support
(2023)
In addition to the many advantages of deep penetration, increased welding speed and a low sensitivity to manufacturing tolerances such as gap and edge offset, the hybrid laser arc welding (HLAW) process is used increasingly in industrial applications such as shipbuilding or pipeline manufacturing. Nonetheless, thick-walled sheets with a wall thickness of 20 mm or more are still multi-pass welded using the arc welding process, due to increased process instability by increasing laser power. Welding at reduced speed, especially in a flat position, leads to an irregular formation of the root part such as dropping. The hydrostatic pressure exceeds the surface tension, which decreases with increasing seam width. In order to prevent gravity drop-outs, the use of a melt pool support is necessary. Usual weld pool supports such as ceramic or powder supports require time-consuming mechanical detachment. The electromagnetic weld pool support system, which is described in this study, operates without contact and based on generating Lorentz forces in the weld pool. An externally applied oscillating magnetic field induces eddy currents and generates an upward directed Lorentz force, which counteracts the hydrostatic pressure. This allows single-pass welds up to 30 mm by hybrid laser arc welding process with a 20-kW fibre laser. Moreover, it is favoured by the diminished welding speed the cooling rate which leads to an improvement of the mechanical-technological properties of the seams – the lower formation of martensite in the microstructure enables better Charpy impact toughness. The electromagnetic weld pool support extends the limitation of the laser hybrid welding process in the thick sheet area. 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.
It is already known that the laser beam welding (LBW) or hybrid laser-arc welding (HLAW) processes are sensitive to manufacturing tolerances such as gaps and misalignment of the edges, especially at welding of thick-walled steels due to its narrow beam diameter. Therefore, the joining parts preferably have to be milled. The study deals with the influence of the edge quality, the gap and the misalignment of edges on the weld seam quality of hybrid laser-arc welded 20 mm thick structural steel plates which were prepared by laser and plasma-cutting. Single-pass welds were conducted in butt-joint configuration. An AC magnet was used as a contactless backing. It was positioned under the workpiece during the welding process to prevent sagging. The profile of the edges and the gap between the workpieces were measured before welding by a profile scanner or a digital camera, respectively. With a laser beam power of just 13.7 kW, the single-pass welds could be performed. A gap bridgeability up to 1 mm at laser-cut and 2 mm at plasma-cut samples could be reached respectively. Furthermore, a misalignment of the edges up to 2 mm could be welded in a single-pass. The new findings may eliminate the need for cost and time-consuming preparation of the edges.