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Organisationseinheit der BAM
Auf dem Weg zum einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen – Prozesse, Potenziale, Beispiele
(2024)
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. Die von der Ausgründung WeldNova GmbH der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelte Schweißbadsicherung ermöglicht nun ein einlagiges Schweißen von bis zu 40 mm Wandstärken mit einer Laserleistung von bis zu 20 kW.
Das Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren kombiniert Laserstrahl- und Lichtbogenschweißverfahren in einem gemeinsamen Schmelzbad. Das Verfahren wurde Ende der 70er Jahre entwickelt, um die Synergieeffekte der Schweißprozesse effektiv zu nutzen. Durch die hohe Strahlungsintensität des Laserstrahls werden hohe Einschweißtiefen erreicht. Es ist möglich, die Anzahl der Schweißlagen zu reduzieren und somit die thermische Belastung des Grundwerkstoffes zu senken, da der Wärmeeintrag verringert wird. Die Überbrückung von Spalten und Kantenversatz kann durch die Zufuhr eines geschmolzenen Zusatzdrahtes durch das MSG-Verfahren erreicht werden. Der Zusatzdraht kann zudem das metallurgische Gefüge positiv beeinflussen. Daher ist das Laser-Hybridschweißverfahren ideal für das einlagige Schweißen von Dickblechen und wird bereits erfolgreich in der Schiffbauindustrie zum Schweißen von Blechen mit einer Dicke von bis zu 15 mm verwendet. Obwohl Hochleistungslaser heutzutage bereits im Multi-Kilowatt-Bereich verfügbar sind, sind sie für den industriellen Einsatz nur auf Stahlbleche mit einer Dicke von max. 15 mm geeignet. Hohe Abkühlgeschwindigkeiten, gravitationsbedingtes Austropfen beim einlagigen Schweißen von Dickblechen, Prozessinstabilitäten bei höheren Laserleistungen und Schweißnahtimperfektionen wie Rissbildung sind einige Faktoren, die den Einsatz von Laser-Hybridschweißtechnologien aktuell begrenzen. Ohne eine Badstütze ist eine Verringerung der Schweißgeschwindigkeit und somit der Abkühlgeschwindigkeit aufgrund unzulässiger Wurzelüberhöhungen oder gravitationsbedingtem Austropfen nicht möglich. Bei herkömmlichen Badstützen ist es allerdings erforderlich, dass sie mechanisch befestigt und die Wurzel entfernt oder nachbearbeitet werden muss. In dieser Arbeit wird als Alternative das innovative Konzept der elektromagnetischen Schweißbadsicherung vorgestellt und die Fähigkeiten dieses Verfahrens erläutert.
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.
The laser hybrid welding process offers many advantages such as the high penetration depth and high welding speed, and it is characterized by its low heat input compared to the arc-based welding processes, which makes the laser hybrid welding process as a suitable alternative process when welding thick-walled steels. However, there are some challenges when using laser hybrid welding process for thick steels. Due to the uneven cooling conditions and the inhomogeneous filler wire mixing, a typical laser hybrid weld can be divided into two different zones over the depth: the arc-dominated zone on the upper part and the laser-dominated zone in the root part. This leads to different mechanical properties in a laser hybrid welded joint. Due to the high cooling rates and the lack of filler wire in the laser-dominated zone, this area is more critical regarding the mechanical properties, especially the Charpy impact toughness. A low heat input can lead to undesired microstructure consisting of martensite, hardening and deteriorated impact toughness due to the high cooling rate, where higher heat inputs can lead to grain-coarsening and even loss of impact strength. This study deals with the influence of the welding speed and resulting heat input on the cooling rates, the microstructure and the mechanical properties of single-pass laser hybrid welded steels of S355J2 with thickness up to 30 mm. The experiments were performed with a 20-kW fibre laser system and a contactless electromagnetic weld backing on up to 30 mm thick steels in butt-joint configuration in 1G welding position. The cooling time was measured in three different locations near to fusion lines corresponding to different heights of the seam using a special configuration with pyrometers, collimators, and optical fibres. The test specimens for the Charpy impact testing and tensile testing were extracted in up to three 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 laser hybrid welding of 20 mm, 25 mm and 30 mm thick structural steels in regard to the minimum requirements of the mechanical properties, respectively. The optical measurement of the cooling times in different depths could be carried out reproducibly.
Laser hybrid welding presents several challenges when used to weld thick steels. A typical weld is divided into the arcdominated and laser-dominated zone. These zones lead to variations in the mechanical properties of the weld. The laserdominated zone is of particular importance regarding mechanical properties, notably Charpy impact toughness, due to the high cooling rates and the absence of filler wire. The low heat input of the laser can lead to martensitic microstructure causing hardening and deterioration of impact toughness. The high heat input of the arc can lead to grain coarsening and even loss of impact toughness. This study examines the influence of heat input on the cooling rates, microstructure and mechanical properties of single-pass laser hybrid welded steels of S355J2 and EH36 with thicknesses up to 30 mm. The experiments were performed with a 20-kW fibre laser and a contactless electromagnetic weld backing in the butt-joint configuration in 1G welding position. The cooling time was measured in three different locations near the fusion lines corresponding to different heights of the seam using a special configuration with pyrometers, collimators and optical fibres. The test specimens for the Charpy impact testing and tensile testing were extracted in three different depths. The experiments indicated that a heat input of 1.6 kJ/mm–2 kJ/mm, 2 kJ/mm–2.4 kJ/mm and 3.7 kJ/mm were recommended when single-pass laser hybrid welding of 20-, 25-, and 30-mm-thick structural steels regarding the minimum requirements of the mechanical properties, respectively.
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.
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.
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.
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.
The study deals with the influence of the heat input and the resulting cooling times on the microstructure and Charpy impact toughness of single-pass laser hybrid welded 20-mm thick high-strength steel S690QL. The main focus is on the change of the mechanical properties over the entire seam thickness. The cooling times were measured in-situ using a pyrometer and an optical fibre in three different depths of the seam where Charpy impact test specimens were also later taken. Thereby, three different heat inputs from 1.3 kJ/mm to 2 kJ/mm were investigated. 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 impact toughness of 38 J/cm2 could be reached in dependance on applied heat input, especially at the heat input of 1.6 kJ/mm.
