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Full penetration high power bead-on-plate laser beam welding tests of up to 20 mm thick 2205 duplex steel plates were performed in PA position. A contactless inductive electromagnetic (EM) weld pool support system was used to prevent gravity drop-out of the melt. Welding experiments with 15 mm thick plates were carried out using IPG fiber laser YLR 20000 and Yb:YAG thin disk laser TruDisk 16002. The laser power needed to achieve a full penetration was found to be 10.9 and 8.56 kW for welding velocity of 1.0 and 0.5 m min−1, respectively. Reference welds without weld pool support demonstrate excessive root sag. The optimal value of the alternating current(AC) power needed to completely compensate the sagging on the root side was found to be ≈1.6 kW for both values of the welding velocity. The same EM weld pool support system was used in welding tests with 20 mm thick plates. The laser beam power (TRUMPF Yb:YAG thin disk laser TruDisk 16002) needed to reach a full penetration for 0.5 m min−1 was found to be 13.9 kW. Full penetration welding without EM weld pool support is not possible—the surface tension cannot stop the gravity drop-out of the melt. The AC power needed to completely compensate the gravity was found to be 2 kW.
Full penetration high power bead-on-plate laser beam welding tests of up to 20 mm thick 2205 duplex steel plates were performed in PA position. A contactless inductive electromagnetic (EM) weld pool support system was used to prevent gravity drop-out of the melt. Welding experiments with 15 mm thick plates were carried out using IPG fiber laser YLR 20000 and Yb:YAG thin disk laser TruDisk 16002. The laser power needed to achieve a full penetration was found to be 10.9 and 8.56kW for welding velocity of 1.0 and 0.5 m min(-1), respectively. Reference welds without weld pool support demonstrate excessive root sag. The optimal value of the alternating current (AC) power needed to completely compensate the sagging on the root side was found to be approximate to 1.6 kW for both values of the welding velocity. The same EM weld pool support system was used in welding tests with 20 mm thick plates. The laser beam power (TRUMPF Yb:YAG thin disk laser TruDisk 16002) needed to reach a full penetration for 0.5 m min(-1) was found to be 13.9 kW. Full penetration welding without EM weld pool support is not possible-the surface tension cannot stop the gravity drop-out of the melt. The AC power needed to completely compensate the gravity was found to be 2 kW. (C) 2016 Laser Institute of America
Das bislang zur Vermeidung unzulässiger Wurzelüberhöhungen beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen bzw. austenitischem Stahl eingesetzte Verfahren der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnte innerhalb der vorliegenden Untersuchung erfolgreich zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von ferromagnetischen Stählen übertragen werden. Es wurden dabei Laserstrahlschweißversuche in PA-Position an bis zu 20 mm dickem Duplexstahl 1.4462 sowie Baustahl S235JR durchgeführt. Unter konstanten Schweißparametern wurden Durchschweißungen generiert. Dem hydrostatischen Druck wurde unter Verwendung der Technologie zur elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung durch Variation der Oszillationsfrequenz und der AC-Leistung des Magnetsystems entgegengewirkt.
Zunächst konzentrierten sich die Versuche auf den Duplexstahl 1.4462, welcher jeweils aus 50 % Ferrit und Austenit besteht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass zur idealen Kompensation von 15 mm bei einer Frequenz von 1,7 kHz eine AC-Leistung von 1,6 kW erforderlich ist, die Schweißnähte aber bereits bei einer AC-Leistung von ca. 0,8 kW in die Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 13919-1:1996-09 eingeordent werden können. Zur idealen Kompensation des hydrostatischen Druckes bei 20 mm dickem Duplexstahl war eine um 20 % höhere AC-Leistung notwendig. Im Anschluss an die Versuche mit dem Duplexstahl wurden die Untersuchungen auf bis zu 20 mm dicke Proben aus Baustahl S235JR erweitert. Für 15 mm konnten die Schweißnähte bei einer Frequenz von 1,7 kHz ab einer AC-Leistung von 1,3 kW in die Bewertungsgruppe B eingeordnet werden. Zur idealen Kompensation von 20 mm dickem Baustahl war eine AC-Leistung von 1,6 kW bei einer Frequenz von 636 Hz nötig. Mit steigender AC-Leistung konnte in allen Versuchsreihen eine sukzessive Verringerung
der Wurzelüberhöhung demonstriert werden.
The paper describes an experimental investigation of high power laser beam welding with an electromagnetic weld pool support for up to 20 mm thick plates made of duplex steel (AISI 2205) and mild steel (S235JR). The results of the welding tests show a successful application of this technology at ferromagnetic metals. Irregular sagging was suppressed successfully. An ac-power of less than 2 kW at oscillation frequencies between 800 Hz and 1.7 kHz is necessary for a full compasation of the hydrostatic pressure. Thus, it was demonstrated that the electromagnetic weld pool support is not only limited to non-ferromagnetic metals like austenitic steels. For future studies with duplex steel, the use of filler material has to take into account with regard to the balance of the mixed austenitic and ferritic phases.
Die experimentellen Untersuchungen innerhalb dieses Berichtes zeigen die erfolgreiche Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laser-strahl(hybrid)schweißen von ferromagnetischen Stäh-len mit einer Werkstückdicke von bis zu 20 mm. Bis-lang wurde dieses System zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von Aluminiumlegierungen und austenitischen Stählen eingesetzt. Zunächst wur-den die Versuche an Duplexstählen vorgenommen, die jeweils zur Hälfte aus Austenit und Ferrit bestehen. Im Anschluss daran wurden die Versuche auf bis zu 20 mm dicke Werkstücke aus Baustahl erweitert. In-nerhalb der Versuchsreihen wurden die AC-Leistung sowie die Oszillationsfrequenz variiert. Für Werk-stückdicken von 15 mm war eine AC-Leistung von ca. 1 kW notwendig, um die Wurzelüberhöhung in die Bewertungsgruppe B der für laserstrahlgeschweißten Stähle gültigen DIN EN ISO 13919-1:1996-09 einord-nen zu können. Mit zunehmender AC-Leistung wird die Wurzelüberhöhung sukzessive reduziert. Nach erfolg-reicher Erweiterung auf ferromagnetische Werkstoffe wurde die Anwendung der Technologie für das Laser-strahlhybridschweißen demonstriert, indem praxisrele-vante Y-Nähte an 20 mm dicken Baustählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätz-lich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt.
Die Erweiterung des Anwendungsspektrums der elekt-romagnetischen Schmelzbadstütze auf ferromagneti-sche Werkstoffe sowie auf das Laserstrahlhybrid-schweißen eröffnet für zukünftige industrielle Anwen-dungen ein großes Potenzial. Das einlagige Schwei-ßen dickwandiger Bauteile mittels Hochleistungslasern wird in Kombination mit der elektromagnetischen Schmelzbadstütze attraktiver. In nachfolgenden Un-tersuchungen wird der Einsatz der elektromagneti-schen Schmelzbadstütze beim Laserstrahlhybrid-schweißen von Pipelinestählen angestrebt, v. a. im Hinblick auf die Spaltüberbrückbarkeit und der me-chanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Zudem ist beim Schweißen von Duplexstählen der Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu berücksichtigen, um das Gleichgewicht zwischen austenitischer und ferritischer Phasen zu stabilisieren.
Electromagnetic weld pool support system is illustrated successfully for hybrid laser arc welding of 20 -30 mm ferromagnetic Steels Welding of thick-walled steels in flat position and reduced welding velocities is possible Gap and misalignment between welded plates can be tolerated by use of this Technology Opportunity to reduce the laser beam power because of reduced welding velocity respectively increase of weldable material thickness with a 20 kW- fibre laser Mechanical properties of welds are in correspondence with requirements of Standards.
The hybrid laser arc welding (HLAW) process provides many advantages such as improved gap bridgeability, deep penetration and misalignment of edges, that is why the process is used increasingly in industrial applications e.g. shipbuilding, power plant industry and line-pipe manufacturing. The obvious encountered problem for single pass welding in flat position is the gravity drop-out at low welding velocities. With the usage of an electromagnetic weld pool support system, which is based on generating Lorentz forces within the weld pool, wide seams followed by reduced welding velocities could be achieved in this study leading to the realization of a gap bridgeability up to 1 mm, misalignment of edges up to 2 mm and a single pass weld up to 28 mm thickness with a 20-kW fibre laser. These developments expand the boundaries of the HLAW process for different industrial applications. As a result, less accurate preparation of the edges would be sufficient, which saves time for manufacturing.
Hybrid laser-arc welding of thick-walled ferromagnetic steels with electromagnetic weld pool support
(2018)
The hybrid laser-arc welding (HLAW) process provides many advantages over laser welding and arc welding alone, such as high welding speed, gap bridgeability, and deep penetration. The developments in hybrid laser-arc welding technology using modern high-power lasers allow single-pass welding of thick materials. This technology can be used for the heavy metal industries such as shipbuilding, power plant fabrication, and line-pipe manufacturing. The obvious problem for single-pass welding is the growth of the hydrostatic pressure with increasing thickness of materials leading to drop-out of molten metal. This phenomenon is aggravated at slow welding velocities because of increasing weld seam width followed by a decrease of Laplace pressure compensating the hydrostatic pressure. Therefore, weld pool support is necessary by welding of thick materials with slow welding velocities. The innovative electromagnetic weld pool support system is contactless and has been used successfully for laser beam welding of aluminum alloys and austenitic and ferromagnetic steels. The support system is based on generating Lorentz forces within the weld pool. These are produced by an oscillating magnetic field orientated perpendicular to the welding direction. The electromagnetic weld pool support facilitates a decrease in the welding speed without a sagging and drop-out of the melt thus eliminating the limitations of weldable material thickness.