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Short Term Metallurgy and Hot Cracking During Laser Beam Welding of Austenitic Stainless Steels
(2011)
Industrial application of high alloyed austenitic stainless steel laser welding has grown significantly in the recent time due to the continuous improvement of compact and high power density lasers systems. The application of such processes meanwhile ranges from pipeline or railway car body manufacturing to the production of household wares. The largest advantages of the laser application to welding production are much higher welding speeds, reduction or complete exclusion of welding consumables, easy design of the weld joints, decrease of thermal distortions and thus, costs saving. In contrast to arc welding, laser beam welding might particularly be associated with metallurgical defects, like the formation of hot cracks. Such phenomena are related to an order of magnitude higher temperature gradients and cooling rates in the solidification zone, providing rapid solidification kinetics which may cause significant segregation of alloying elements such as Ni and Cr and respective undercooling of the solute at the solidification front. In specific metastable austenitic stainless steels alloys in vicinity of the so called eutectic rim of the Fe-Cr-Ni constitutional diagram, such effects might entail a change of solidification mode from primary ferrite to austenite, providing an increased risk of solidification cracking. Previous studies has shown that the primary solidification mode change during laser beam welding of Cr-Ni austenitic stainless steels such alloys could be effectively influenced by nitrogen absorption as well as by the laser plasma type and also proved the occurrence of metastable primary ferritic solidification. In the present contribution, such results are compared to recent investigations of laser welding newer austenitic Fe-Cr-Mn-Ni steel grades by identification of respective hot cracking critical welding parameter intervals and strain rates in the Controlled Thermal Weldability (CTW) Test.
Schweißeigenspannungen - im Besonderen infolge von Strahlschweißprozessen - annähernd der werkstoffspezifischen Streckgrenze können durch eine mögliche Spannungsrelaxation oder verstärkte Spannungsrisskorrosion lebensdauerreduzierende Konsequenzen mit sich ziehen. Aus diesem Grund wurden viele Verfahren entwickelt, welche diese Eigenspannungen reduzieren können. Jedoch sind diese Verfahren kostenintensiv oder nur für breite Schweißnähte und einfache Bauteilgeometrien anwendbar. Die in dieser Arbeit dargestellte Methode nutzt den Schweißstrahl für den Schweißprozess sowie in defokussierter Form für eine thermische Nachbehandlung des Bauteils. Hierfür läuft der defokussierte Strahl durch hochfrequente Strahlablenkung beidseitig der Schweißnaht mit einer bestimmten zeitlichen Distanz dem Schmelzbad nach und wird zum Aufheizen dieser Materialbereiche genutzt. Mit dieser Prozedur ist es möglich die Spannungen in schmalen Schweißnähten mit großen Spannungsgradienten im Vergleich zu anderen spannungsreduzierenden Verfahren ohne Kontaktflächen oder zusätzlichem Equipment effizient zu reduzieren. Abhängig von der Bauteilgeometrie und der Strahlleistung können unterschiedliche Prozessparameter für dieses Verfahren angewandt werden. Es werden die Mechanismen der Eigenspannungsreduzierung in diesem Prozess und deren Abhängigkeit von den Prozessparametern anhand von Ergebnissen aus FEM-Simulationen diskutiert. Zudem wird in einer Reihe von experimentellen Ergebnissen die Anwendbarkeit von bereits für lineare Schweißnähte ermittelte Verfahrensparameter auf axiale und radiale Rundnähte nachgewiesen. Hierbei zeigen die besten experimentellen Ergebnisse für Elektronenstrahl- sowie für Laserstrahlschweißnähte Spannungsreduktionen größer als 90 %.
Single-pass solid-state laser welding of plates in the thickness range of 10 to 20 mm became
possible with the invention of the fibre laser. This new technique provides excellent beam
quality at powers as high as 20 kW or more, and has proved applicable in several industrial
applications. By replacing conventional methods with the fibre laser, it is possible to avoid
multiple-pass welding that requires time-consuming bevelling. The high energy density of the
fibre laser beam also reduces the heat input and consequently the distortion. However, the
rapid solidification and cooling associated with laser welding can cause imbalance of the
microstructure of duplex stainless steel weldments, where excessively high ferrite contents
may reduce the corrosion resistance and the ductility of the material. The solution is normally
to add nickel-based filler wire and to increase the heat input. By using a hybrid welding
process where the laser beam and the gas metal arc (GMA) process act in a common
process zone, filler metal can be added to the molten pool at higher heat input and at the
same time, higher welding speed and deeper penetration can be achieved. In this work,
13.5 mm thick 2205 (EN 1.4462, UNS S31803) was fibre laser-GMA hybrid welded in a
single-pass using 14 kW of laser power and 2209 (ISO 22 9 3 L N) as filler wire for the GMA
process. The resulting welds were free from defects, with smooth surfaces and full
penetration. The investigation examines the weld metal microstructure and the effect on
corrosion resistance and mechanical properties. The option to add nickel foil when hybrid
welding was also investigated as comparison and the effect on austenite formation was
evaluated.