9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren
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The paper presents the experimental results into the development of a multi-channel system for monitoring and quality assurance of the multi-wire submerged arc welding (SAW) process for the manufacture of large diameter pipes. Process signals such as welding current, arc voltage and the acoustic signal emitted from the weld zone are recorded and processed to provide information on the stability of the welding process. It was shown by the experiments that the acoustic pattern of the SAW process in a frequency range between 30 Hz and 2.5 kHz contains the most diagnostic information. The on-line quality assessment of the weld seam produced is carried out in combination with methods of artificial intelligence (AI). From the results obtained, it can be concluded that the use of the latest concepts in welding and automation technology, combined with the high potential of AI, can achieve a new level of quality assurance in pipe manufacturing.
The magnetohydrodynamic (MHD) technology is recognized as a promising approach for improving the quality of deep penetration laser beam welding. This study employs experimental and numerical methods to investigate the effects of an auxiliary oscillating magnetic field on reducing porosity in the laser beam welding of 5754
aluminum alloy. The experimental results clearly demonstrate a significant reduction of 97% in the porosity ratio of the welded joints applied with an oscillating magnetic field compared to those without magnetic field, thereby validating the efficiency of applying MHD technology in mitigating porosity during the laser beam welding process. In addition, a transient 3D multi-physical model has been developed, integrating the MHD model and metal vapor plume, to gain a more comprehensive understanding of the porosity suppression mechanism. The weld pool shape is significantly widened and enlarged because of the Lorentz force, which facilitates the escape of gas bubbles. Meanwhile, the introduction of an oscillating magnetic field generates a time-averaged downward Lorentz force. This averaged downward Lorentz force, in turn, enhances and stables the downward fluid flow, which hinders the bubble backward movement. Meanwhile, this averaged downward Lorentz force induces an upward electromagnetic expulsive force on the bubble, which effectively increases the upward escape velocity of bubbles in the weld pool. The simulation results agree well with the experimental results.
Der Absorptionsgrad metallischer Werkstoffe spielt bei Fügeprozessen mit einer Strahlungsquelle wie dem Hochleistungslaserstrahltiefschweißen eine bedeutende Rolle. Dieser beeinflusst die Menge der absorbierten Laserenergie, welche zum Aufschmelzen sowie zur lokalen Verdampfung des zu verbindenden Materials führt. Die Laserstrahlabsorption wird von vielen physikalischen Faktoren, z.B. Laserprofil, Laserwellenlänge, Materialeigenschaft sowie Temperatur, entschieden. Dennoch wird die Temperaturabhängigkeit in vielen Simulationsarbeiten häufig ignoriert und stattdessen ein empirisch angepasster Parameter zur Kalibrierung der Ergebnisse implementiert. Diese Vorgehensweise wirkt sich negativ auf die Zuverlässigkeit des numerischen Modells sowie auf die Vorhersagbarkeit der Simulationsergebnisse aus. In der vorliegenden Arbeit wird die Temperaturabhängigkeit des Laserabsorptionsgrades in ein selbstkonsistentes zweiphasiges Modell unter Berücksichtigung der gekoppelten 3D-Fluidströmung und Wärmeübertragung einbezogen. Die berechnete Laserstrahlabsorption wird durch die temperaturabhängigen Materialeigenschaften, die Lasercharakteristik und den Einfallswinkel des Laserstrahls bestimmt. Die freie Oberfläche jeder Phase wird mithilfe der Volume-of-Fluid Methode (VOF), berechnet und die Laser-Material-Wechselwirkung wird durch ein implementiertes Ray-Tracing-Verfahren modelliert, welches auf einem lokalisierten Level-Set-Algorithmus basiert. Anschließend wird die transiente Wärmeeinbringung und die Geometrie der Schweißnaht analysiert und mit dem temperaturunabhängigen Absorptionsmodell verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit der Laserabsorption entscheidend für die genaue Bestimmung der Wärmeeinbringung und der Schmelzbadgeometrie ist. Das entwickelte Modell wurde anhand der experimentellen Untersuchungen validiert und die Bedeutung der Temperaturabhängigkeit bei der Laserstrahlabsorption wurde für die Simulation des Laserstrahltiefschweißens quantifiziert.
Die Fließfähigkeit von Metallpulvern gilt als wichtige Pulvereigenschaft für den additiven Aufbau mittels Laser, wobei bisher wenige Arbeiten die Auswirkungen im Laserpulverauftragschweißen (Engl.: Directed Energy Deposition DED-LB) untersuchen. Arbeiten, die sich mit den Pulvereigenschaften für Pulverbettverfahren beschäftigen, zeigen Korrelationen zwischen Partikelgrößenverteilung und Fließeigenschaften mit der Bauteildichte und den mechanischen Eigenschaften. Sie bewerten insbesondere Pulverbettdichte und -stabilität. In der vorliegenden Arbeit werden daher die Eigenschaften zweier Pulverfraktionen (20 µm – 63 µm und 63 µm – 150 µm) des austenitischen Stahls AISI 316L und deren freien Ausfluss im Vergleich zur Pulverdichte untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die feinere Pulverfraktion eine um 14,5 % höhere Durchflussrate erzielt als die gröbere Fraktion. korreliert die Ergebnisse zur inneren Porosität und Partikelgrößenverteilung.
Die Analyse der Bauteilqualität zeigt einen geringen Einfluss der Korngrößenverteilung auf die Porosiät der DED-LB aufgebauten Quader.
Hochbelastete Stahlbauteile lassen sich durch Auftragen von Kobalt-Chrom Legierungen vor Verschleiß schützen. Die plötzliche Änderung der Materialeigenschaften führt jedoch zu Spannungen und Rissen im Anbindungsbereich. Daraus resultierende Abplatzungen stellen eine Gefahr für die Funktionsfähigkeit der Maschine und damit für Mensch und Umwelt dar. Um die Belastbarkeit der Schutzschicht zu verbessern, kann die Anbindung durch einen gradierten Materialübergang optimiert werden. Diese funktional gradierten Materialien können mittels pulverbasiertem Directed Energy Deposition aufgetragen werden. Die Methodik zum Aufbau und zur Qualitätssicherung solcher Materialien wurde in vorangegangenen Arbeiten für dickwandige Geometrien gezeigt. Für dünnwandige Geometrien ist die Anwendbarkeit bisher unzureichend untersucht worden. Diese Arbeit zeigt am Beispiel einer dünnwandigen gradierten Schneckengeometrie die Einsatzfähigkeit der Methodik. Dafür wird die Gefügestruktur der Gradierung auf Fehler untersucht und der Härteverlauf gemessen. Außerdem wird die relative Dichte anhand eines bereits trainierten neuronalen Netzes vorhergesagt und mit einer Porositätsuntersuchung verglichen.
The application of an external magnetic field has been found to significantly mitigate the porosity ratio in laser beam welded joints of AlMg3 aluminum alloy. To investigate the suppression mechanism, a 3D transient multi-physics coupled numerical model of laser beam welding (LBW), including laser propagation, laser-material interaction, and magnetohydrodynamic effects, has been developed to calculate the keyhole dynamics and weld pool behaviors during the welding process. The induced time-averaged Lorenz force is directed downward. Under the effects of the external magnetic field, the fluid flow pattern and the weld pool profile are both affected. The keyhole geometry reconstruction algorithm is proposed to calculate the keyhole diameter and its fluctuation, which is used to evaluate the keyhole stability. The results indicate that the oscillating magnetic field does not affect keyhole stability obviously in the LBW of aluminum alloy. Moreover, an electromagnetic expulsive force is induced on the bubble because of the time-averaged downward Lorentz force. This electromagnetic expulsive force can accelerate the bubble escape speed considerably. An analytical model is developed for investigating the bubble escape window, which shows that the bubble escape window is expanded by 45% under the effect of the external magnetic field. The calculated results based on the developed model agree well with the experimental results.
The amount of absorbed energy in the keyhole as well as its distribution is essential to model the laser beam welding process. The recoil pressure is a key determining factor for the macroscopic flow of the molten metal in the weld pool during high-power laser beam welding. Consequently, a realistic implementation of the laser radiation on the weld metal is crucial to obtain accurate simulation results.
The following developments on the laser-material interaction are discussed for the numerical simulation of the laser beam welding process. The first implemented improvements relate to locating the exact reflection points in the ray tracing method in the determination algorithm for the intersection of the reflected rays and the keyhole surface. A second correction refers to the numerical treatment of the Gaussian distribution of the laser beam, whose beam width is defined by a decay of the laser intensity by a factor of 1/e2 thus ignoring around 14 % of the total laser beam energy. In a third step, the laser radiation distribution in vertical direction was approximated according to the beam caustics. Finally, a virtual mesh refinement was adopted in the ray tracing routine. The obtained numerical results were validated with experimental measurements.
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.
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.