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- EM-Schmelzbadunterstützung auch auf ferromagnetische Werkstoffe übertragbar
- Erfolgreiche Kompensation des hydrostatischen Drucks von bis zu 20 mm dicken Werkstücken aus Duplex- und Baustahl
- Anwendung von EM-Schmelzbadstütze auf Laserhybridschweißen
Einfluss von oszillierendem Magnetfeld auf Lichtbogen vernachlässigbar
- Erfolgreiche Kompensation beim Schweißen von bis zu 20 mm dicken Baustählen mit Y-Nahtvorbereitung
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.
The present paper investigates the electromagnetic porosity reduction in partial penetration laser beam welding of 6 mm aluminum die casting AlSi9MnMg. Applying an electromagnetic field, a significant reduction of the porosity as well as smoothing of the surface of aluminum die casting can be observed. Starting from the reference case without an electromagnetic support, the porosity was reduced by 76 %. Especially big pores can be removed from the weld pool effectively due to their beneficial volume-to-area ratio whereas very small metallurgical pores tend to remain within the weld pool even when higher magnetic flux densities are applied.
The present paper investigates the electromagnetic porosity reduction in partial penetration laser beam welding of 6 mm aluminum die casting AlSi9MnMg. Applying an electromagnetic field, a significant reduction of the porosity as well as smoothing of the surface of aluminum die casting can be observed. Starting from the reference case without an electromagnetic support, the porosity was reduced by 76 %. Especially big pores can be removed from the weld pool effectively due to their beneficial volume-to-area ratio whereas very small metallurgical pores tend to remain within the weld pool even when higher magnetic flux densities are applied.
Elektromagnetische Porenreduktion beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckgusslegierungen
(2017)
- Erfolgreiche Porenreduktion beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckguss unter EM-Einfluss von bis zu 75 % Flächenanteil
- Entfernung von großvolumiger Poren aus dem Schmelzbad
- Einige kleine metallurgische Poren verbleiben im Schmelzbad aufgrund des Volumen-Flächenverhältnisses
- Restporosität ist abhängig vom Ausgangsgasgehalt im Grundmaterial
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.
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
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 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.