Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
Schlagworte
- Solidification cracking (26)
- Laser beam welding (25)
- Hot cracking test (8)
- Critical strain (7)
- Numerical simulation (7)
- Laser hybrid welding (5)
- Partial penetration (5)
- Weld pool shape (5)
- High power laser beam welding (4)
- Hot cracking (4)
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.
The shape of the weld pool in laser beam welding plays a major role to understand the dynamics of the melt and its solidification behavior. The aim of the present work was its experimental and numerical investigation. To visualize the geometry of the melt pool in the longitudinal section a butt joint configuration of 15 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used. The weld pool shape was recorded by means of a high-speed video camera and two thermal imaging MWIR and VIS cameras. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The regions close to the surface form a teardrop shaped weld pool. A bulge-region and its temporal evolution were observed approximately in the middle of the depth of the weld pool. Additionally, a transient numerical simulation was performed until reaching a steady state to obtain the weld pool shape and to understand the formation mechanism of the observed bulging phenomena. A fixed keyhole with an experimentally obtained shape was used to represent the full-penetration laser beam welding process. The model considers the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature. It was found that the Marangoni convection and the movement of the laser heat source are the dominant factors for the formation of the bulging-region. Good correlation between the numerically calculated and the experimentally observed weld bead shapes and the time-temperature curves on the upper and bottom surface were found.
AbstractLaser beam welding has become widely applied in many industrial fields in recent years. Solidification cracks remain one of the most common welding faults that can prevent a safe welded joint. In civil engineering, convolutional neural networks (CNNs) have been successfully used to detect cracks in roads and buildings by analysing images of the constructed objects. These cracks are found in static objects, whereas the generation of a welding crack is a dynamic process. Detecting the formation of cracks as early as possible is greatly important to ensure high welding quality. In this study, two end-to-end models based on long short-term memory and three-dimensional convolutional networks (3D-CNN) are proposed for automatic crack formation detection. To achieve maximum accuracy with minimal computational complexity, we progressively modify the model to find the optimal structure. The controlled tensile weldability test is conducted to generate long videos used for training and testing. The performance of the proposed models is compared with the classical neural network ResNet-18, which has been proven to be a good transfer learning model for crack detection. The results show that our models can detect the start time of crack formation earlier, while ResNet-18 only detects cracks during the propagation stage.
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.
In this contribution, we present a physically motivated heat source model for the numerical modeling of laser beam welding processes. Since the calibration of existing heat source models, such as the conic or Goldak model, is difficult, the representation of the heat source using so-called Lamé curves has been established, relying on prior Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations.
Lamé curves, which describe the melting isotherm, are used in a subsequent finite-element (FE) simulation to define a moving Dirichlet boundary condition, which prescribes a constant temperature in the melt pool. As an alternative to this approach, we developed a physically motivated heat source model, which prescribes the heat input as a body load directly. The new model also relies on prior CFD simulations to identify the melting isotherm. We demonstrate numerical results of the new heat source model on boundary-value problems from the field of laser beam welding and compare it with the prior CFD simulation and the results of the Lamé curve model and experimental data.
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.
