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Organisationseinheit der BAM
Das Laser-MSG-Hybridschweißverfahren führt bei untersuchten hochfesten Pipelinestählen API X80 und X120 reproduzierbar zu Schweißverbindungen mit anforderungsgerechten Zähigkeitseigenschaften.
Eine metallurgische Beeinflussung der Schweißnahtzähigkeit ist durch eine gezielte Auswahl des Zusatzwerkstoffes möglich, wobei die maximale Eindringtiefe des Zusatzwerkstoffes in die Tiefe der Laserhybridnaht zu beachten ist.
Die maximal erzielbare Eindringtiefe des Zusatzwerkstoffes ist auf ca. 14 mm begrenzt. Die eingesetzte Art des MSG-Lichtbogens hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Aufmischung im Laseranteil der Laserhybridnaht.
Die besseren Ergebnisse der Kerbschlagzähigkeit konnten mit Metallpulverdrähten erreicht werden.
Mit den erzielten gemittelten Werten der Schlagarbeit: ca. 200 J bei -60°C für X80 und ca. 53 J bei -40°C für X120 werden Anforderungen der Norm API 5L und DIN EN 10208-2 für die beiden untersuchten Grundwerkstoffe erfüllt.
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kosten-günstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauf-tragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren ein-gesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlisse-nen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen heutzutage die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien, wie zum Beispiel Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen.
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.
Duplexstähle finden aufgrund ihrer Eigenschaften, wie der guten Korrosionsbeständigkeit, einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität häufig industrielle Anwendung. Durch die hohen Abkühlraten beim Laserstrahlschweißen weisen Schweißnähte jedoch anstelle eines ausgeglichenen Duplexgefüges einen deutlich erhöhten Ferritanteil, im Vergleich zum Basiswerkstoff, auf. Dies führt zu einer verringerten Duktilität sowie Korrosionsbeständigkeit. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Prozess entwickelt, der auf einer Kantenbeschichtung mit nickelhaltigem Zusatzmaterial der zu fügenden Bleche mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) basiert.
Die resultierenden Schweißnähte wurden zerstörend anhand von Schliffbildern, EDX-Aufnahmen, Härtemessungen und Kerbschlagbiegeversuchen geprüft.
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.
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.
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.
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.
Die Reduktion des Fahrzeuggewichts ist ein wesentlicher Ansatz zur Ver-ringerung des Energie- und Ressourcenverbrauchs und damit zur Senkung der CO2-Emissionen im Automobilbau. In der Karosserieentwicklung kann der vermehrte Einsatz von Aluminiumwerkstoffen einen bedeutenden Beitrag dazu leisten. Im preissensitiven Umfeld des Karosseriebaus etabliert sich das bei Stahlanwendungen genutzte Widerstandspunktschweißen zunehmend auch für Aluminiumverbindungen. Verfahrensbedingte Herausforderungen, wie verkürzte Elektrodenstandzeiten und mangelnde Kenntnis über den Einfluss von Imperfektionen auf die Festigkeit, begrenzen dennoch die Weiterverbreitung des Verfahrens und stellen die Prozessrobustheit insgesamt in Frage. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsvorhabens wurden das Auftreten verschiedener Brucharten experimentell untersucht und Prognosefunktionen zur Abschätzung der Tragfähigkeit von Widerstandspunktschweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsfällen erstellt. Anschließend wurde der Einfluss von Oberflächenrissen und Rissen in der Schweißlinse auf die Scherzugfestigkeit sowohl experimentell als auch simulativ analysiert.
Die Weiterentwicklung des Laser-Pulver-Auftragschweißens im Bereich der additiven Fertigung stellt dieses Verfahren vor neue Herausforderungen.
Bauteile können schnell und endformnah hergestellt werden, was diese Technik für den Prototypenbau sowie Kleinserienfertigung interessant macht.
Die Vielzahl an Varianten, um ein Volumen aus einzelnen Schichten aufzubauen, erhöhen die Möglichkeiten die Eigenschaften des entstehenden Bauteils zu beeinflussen. Hierfür müssen Strategien entwickelt werden, welche einen gleiclunäßigen Materialauftrag bei gleichzeitig optimalen Materialeigenschaften gewährleisten.
Die durchgeführten Untersuchungen behandeln den Einfluss von Pendelstrategien sowie Spiralstrategien auf die Temperaturentwicklung und stellen diese vergleichend gegenüber. Um den unterschiedlichen Bedingungen bei der Bauteilfertigung Rechnung zu tragen, wurden Versuche in Randbereichen sowie im zentralen Bereich des Testobjekts untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit angepasste Baustrategien zu entwickeln, um durch einen stabilen Fertigungsprozess Qualität und Eigenschaften eines Bauteils gewährleisten zu können.
Untersuchungen der Heißrissanfälligkeit laserstrahlgeschweißter Verbindungen austenitischer Stähle
(2017)
Die lokalen Dehnungen bzw. Dehngeschwindigkeiten im heißrisskritischen Temperaturintervall sind Funktionen des Temperaturfeldes im Nahbereich des Schmelzbades (Schweißverfahren, Werkstoff), der thermo-mechanischen Kennwerte des Versuchswerkstoffes sowie von außen aufgebrachten Verfor-mungen. Da die lokal vorherrschenden Dehnungen im Nahbereich des Schmelzbades nicht bzw. nur mit sehr aufwendigen Methoden ermittelt werden können, dienen bespielweise die im CTW-Test (Controlled Tensile Weldability) von außen aufgebrachten Dehnungen oder Dehnraten als Kriterium für die Heißriss-empfindlichkeit. In dieser Studie wurde CTW-Test zur Untersuchung der Heißrissresistenz verschiedenen austenitischen Stählen eingesetzt.
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.
Entwicklung eines Verfahrens zur Untersuchung der Heißrissresistenz lasergeschweißter Verbindungen
(2016)
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Strahlschweißtechnik signifikant weiterentwickelt und als effizientes und wirtschaftliches Werkzeug in der Industrie etabliert. Für die Untersuchung der Heißrissresistenz verschiedener Werkstoffe existieren zahlreiche eigen- und fremdbeanspruchende Tests. Diese wurden aber speziell für andere Schweißverfahren, insbesondere das Lichtbogenschweißen, konzipiert.
Daher besteht die Notwendigkeit eines geeigneten Heißrisstests, bei dem Werkstoffe realen Strahlschweißbedingungen ausgesetzt werden können. Die Entwicklung sowie die Standardisierung einer aussagekräftigen experimentellen Methode stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Vermeidung von Heißrissen und damit für die Gewährleistung der Sicherheit von gefügten Bauteilen dar. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, einen geeigneten Test zur effektiven Untersuchung der Heißrissanfälligkeit von lasergeschweißten Verbindungen zu konzipieren und zu entwickeln.
Laserhybridschweißen von dickwandigen Stählen mit elektromagnetischer Schmelzbadunterstützung
(2019)
Die steigenden Anforderungen in Hinsicht auf Sicherheitsfaktoren von gefügten Bauteilen führen zu einer Zunahme der zu schweißenden Bauteildicken. Das Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren – verbreitet im industriellen Einsatz vor allem im Schiffs- und Windkraftanlagenbau – ermöglicht das einlagige Fügen von dickwandigen Strukturen. Eine Herausforderung stellt das Schweißen von dickwandigen Bauteilen mit reduzierter Geschwindigkeit in Wannenlage (PA-Position) da. Sie ist aufgrund des erhöhten hydrostatischen Druckes und die daraus resultierenden Tropfenbildung an der Wurzelseite bedingt realisierbar. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Dabei werden unterhalb der Schweißzone mit Hilfe eines extern angelegten oszillierenden Magnetfeldes Wirbelströme im Werkstück induziert, die eine nach oben gerichtete Lorentzkraft erzeugt. Die Lorentzkraft wirkt dem hydrostatischen Druck entgegen und stellt einen sicheren Schweißprozess ohne Tropfenbildung dar. Mit dem Hybridschweißverfahren mithilfe der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung gelingt es mit einem 20-kW Faserlaser bis zu 30 mm dicke Bleche in einer Lage zu schweißen. Bei 25 mm dicken einlagig geschweißten Platten aus S355 konnte ein Spalt bis 1 mm und ein Kantenversatz bis zu 2 mm sicher überbrückt werden. Die Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung zur Folge und begünstigt außerdem die mechanisch-technologischen Eigenschaften, infolge der reduzierten Abkühlgeschwindigkeit. Durch die geringe Martensitbildung führt dies zu einer Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit.
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.
Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.