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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.
Hybrid additive manufacturing is becoming increasingly important in the field of additive manufacturing. Hybrid approaches combine at least two different manufacturing processes. The focus of this work is the build-up of geometries onto conventionally manufactured parts using Powder Bed Fusion with Laser Beam of Metals (PBF-LB/M). The hybrid build-up requires a precise position detection system inside the PBF-LB/M machines to determine the exact position of the existing component. For this purpose, high-resolution camera systems can be utilized. However, the use of a camera system is associated with several challenges. The captured images are subject to various distortions of the optical path. Due to these distortions, it is not possible to use the images for measurements and, therefore, it is not possible to calculate the positions of objects. In this study a homography matrix is calculated to correct keystone distortion in the images. Different calibration patterns have been tested for the calculation of the homography matrix. The influence of the number of calibration points on the precision of position detection of objects is determined. Furthermore, the influence of an additional camera calibration by using ChArUco boards is evaluated. The result is a camera calibration workflow with associated calibration pattern for a precise position detection of parts inside PBF-LB/M machines allowing a hybrid build-up with minimum physical offset between base component and build-up.
Based on the state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a joint research project between MPA Stuttgart and BAM Berlin. This paper outlines the research approach, the planned investigations and first results of the experimental program.
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.
Im laufenden Verbundprojekt MCGUSS untersuchen dieProjektpartner MPA Stuttgart und BAM Berlin das probabilistische Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 hinsichtlich seiner Übertragbarkeit auf ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (DCI).
Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung und Bewertung der dynamischen Bruchzähigkeit von DCI im Übergangsbereich. In diesem Beitrag werden die Eigenschaften des verwendeten Werkstoffs der Festigkeitsklasse GJS-400 vorgestellt und die sich daraus ergebenden Probenentnahmestellen näher erläutert.
Weiterhin werden erste Ergebnisse der C(T)25-Versuchsserien vorgestellt, die bei Belastungsraten von ca. 5∙103 MPa√ms-1, 5∙104 MPa√ms-1 und 5∙105 MPa√ms-1 und einer Temperatur von -40 °C durchgeführt wurden.
In einem laufenden Kooperationsprojekt zwischen der BAM Berlin und der MPA Stuttgart wird das probabilistische Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 hinsichtlich seiner Übertragbarkeit auf ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (DCI) untersucht.
Zielsetzung ist die Bereitstellung einer Vorgehensweise zur Bestimmung und Bewertung der dynamischen Bruchzähigkeit von DCI im Übergangsbereich. In diesem Beitrag wird der Versuchswerkstoff der Festigkeitsklasse GJS-400 näher vorgestellt.
Ferner werden erste Ergebnisse von zwei bruchmechanischen Versuchsserien an SE(B)140-Großproben bei Belastungsraten von ca. 6∙104 MPa√ms-1 bei -40 °C und -60 °C präsentiert.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abweichungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikrogefüge erschwert bis unmöglich. Unerwünschte Nebeneffekte sind die mögliche Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) als auch der gegenteilige Effekt der Aufhärtung. Vor diesem Hintergrund werden erstmals systematisch die unterschiedlichen Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti und Nb-Gehalten an Versuchsschmelzen untersucht. Die Stahlgüte S690QL bildet dabei die Grundlage der chemischen Zusammensetzung sowie der entsprechenden Wärmebehandlung. Zur Untersuchung der jeweiligen Schweißeignung wurden Dreilagen-Schweißungen mittels moderner MAG-Hochleistungsschweißprozesse durchgeführt und kritische Gefügebereiche mit hoher Erweichung/Aufhärtung identifiziert. Der Fokus der analytischen Betrachtungen lag hier auf der Identifikation der Phasenumwandlungen beim Abkühlen und auf dem metallurgischen Ausscheidungsverhalten. Zusätzlich wurden isotherme und nicht-isotherme Phasenberechnungen mit der Software Thermo-Calc durchgeführt. Mechanisch-technologische Untersuchungen zur Kerbschlagzähigkeit mittels Kerbschlagbiegeversuchen durchgeführt wurden, bestätigen dabei die Ergebnisse der thermodynamischen Simulation bezüglich des Ausscheidungsverhaltens während der Temperatur-Zeit Schweißzyklen. Daraus lässt sich der Einfluss der Wärmeeinwirkung beim Schweißen auf die Gefügeausbildung in der WEZ und der korrespondierenden mechanischen Eigenschaften qualitativ beschreiben.
Der Modifizierte Varestraint-Transvarestraint-Test wird an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung als Variante des Varestraint-Tests verwendet. Die Auswertung dieser Tests findet klassisch durch Abmessungen der entstandenen Risse unter dem Lichtmikroskop statt. Eine solche Auswertung ist aufwendig und fehleranfällig. Convolutional Neural Networks können trainiert werden, um die Risse auf digitalen Bildern zu segmentieren, wodurch der menschliche Fehler in der Auswertung eliminiert werden kann. Die Ergebnisse können durch Overlay mit den Originalbildern verglichen werden.
Within fracture mechanics safety assessment for steels in nuclear technology, the probabilistic master curve (MC) concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. However, for ductile cast iron (DCI), a systematic review of potential modifications to the assumptions and the procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. For this reason, the application of the fracture mechanics MC concept to ferritic ductile cast iron is being investigated in a joint research project between MPA Stuttgart and BAM Berlin. According to Hojo et al. (2008) the MC concept is already in use for the brittle fracture safety assessment of ferritic forged steel containers, which would suggest an extension to ductile cast iron containers. In compliance with IAEA SSG-26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general exclusion of crack initiation. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods. Therefore, a methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using only a low number of small fracture mechanics test specimens extracted from a component. For the experimental program, a DCI material of grade GJS-400 (GGG-40) has been produced as it is generally used for transport and storage containers for nuclear material. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy, and Pellini tests has been planned and a comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens at various loading rates and temperatures. The specimen testing is divided between the project partners based on specimen geometry. MPA Stuttgart has been tasked with the testing of the C(T), DC(T) and Pellini specimens, while BAM Berlin was assigned the SE(B), Charpy and tensile tests. These tests allow for the determination of the loading rate relevant for brittle fracture via C(T)25 specimens and an assessment of size effects by transferring the relevant loading rate to other specimen geometries and sizes. Numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influence of stress triaxiality and loading rate. Furthermore, the time-dependent course of the Weibull stress is assessed via these numerical analyses. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will also be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses like scanning electron microscope images and metallographic sections. With the acquired experimental database fundamental assumptions of the MC concept, like the weakest link model and the Weibull distribution, will be assessed for the application to DCI. In the end, the applicability of the MC concept will be evaluated and if necessary, modifications to the MC concept for DCI will be proposed. This paper will present the preliminary results of the GJS400 material characterization and the related selection of test specimen extraction points. First results of the C(T)25 and SE(B)140 specimen testing will also be discussed supported by first metallographic analyses.
Intermetallische Werkstoffe werden für Hochtemperaturanwendungen immer wichtiger. Insbesondere Aluminide mit hohen spezifischen Festigkeiten haben ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, z. B. werden Titanaluminide bereits in Flugzeugturbinen eingesetzt. Ökonomische und ökologische Aspekte sind die treibende Kraft zur Substitution konventioneller Legierungen, z. B. Nickelbasislegierungen, die eine wesentlich höhere Kostenintensität und ein höheres Gewichts-Festigkeits-Verhältnis aufweisen. Insbesondere Eisenaluminide (FeAl) sind aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und der guten Verfügbarkeit der wichtigsten Hauptlegierungselemente attraktiv. Speziell entwickelte FeAl-Legierungskonzepte ermöglichen eine wirtschaftliche Produktion im Kokillenguss, bei der die Erstarrung der Schmelze spezielle komplexe Gefüge ermöglicht, um die hohen thermischen und mechanischen Eigenschaften durch eine hohe Anzahl von harten Ausscheidungen entlang der Korngrenzen zu erreichen. Zu diesen Eigenschaften gehört aber auch, dass notwendige Bearbeitungsschritte, wie das Schlichtfräsen, zur Erzielung komplexer Endkonturen, zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß und geringen Oberflächengüten führen. Für das finale FeAl-Bauteil ist eine hohe Oberflächenintegrität insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luftfahrt oder im Energiebereich erforderlich. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Untersuchung auf die Mechanismen und die Minimierung des Werkzeugverschleißes und die Auswirkungen auf die Oberfläche eines in Kokille vergossenen FeAl-Bauteils. Neben den Optimierungen des Fräsprozesses und der Werkzeugparameter (Geometrie, Material) wird ein modernes hybrides Bearbeitungsverfahren, das ultra-schallunterstützte Fräsen (USAM), eingesetzt, bei dem eine Überlagerung mit einer hochfrequenten Schwingung des rotierenden Werkzeugs erzeugt wird. Analysen der Kräfte und Temperaturen im Fräsprozess, der Verschleißerscheinungen am Werkzeug und der Oberflächenintegrität zeigen positive Auswirkungen durch USAM. Darüber hinaus wird eine valide Grundlage für die Optimierung des Werkzeugs und des Fräsprozesses geschaffen, um eine hohe Oberflächenintegrität (z. B. Verringerung von Zugeigenspannungen und Defekten) und eine längere Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten, die zukünftig eine wirtschaftliche Herstellung von FeAl-Bauteilen ermöglicht.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf Nahtgeometrie, Materialausnutzung und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplans so variiert, dass die Dt8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) liegen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Die Bestrebungen zur Verringerung der CO2-Emissionen erfordern hochbelastbare und effiziente Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerkstechnik. Hierfür sind in zunehmendem Maße auf den Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschich-ten und definierte, zerspante Oberflächen notwendig. Die hohen Härten dieser Schichten und der Einsatz konventioneller Co-basierter Verschleißwerkstoffe führen oftmals zu unwirtschaftlichen Bauteilen, gerade aufgrund hohen Werkzeugverschleißes bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Er-kenntnisse über den Einsatz Ni-basierter Verschleißwerkstoffe und die Optimierung der Zerspanbarkeit mittels Legierungsmodifikationen und moderner hybrider Fräsprozesse ohne Verschlechterung der Ver-schleißschutzeigenschaften sind deshalb für die Anwender und Verarbeiter zur wirtschaftlichen Fertigung hochbelasteter Stahlbauteile wesentlich. Der vorliegende Beitrag stellt die Untersuchungsmethodik eines aktuell laufenden Vorhabens der TU Clausthal und BAM, Berlin, vor. Fokus liegt hierbei auf den hochin-strumentierten Fräsexperimenten, die eine reproduzierbare Analyse und Korrelation zwischen den mik-rostrukturellen Eigenschaften der auftraggeschweißten Legierungen, dem Zerspanprozess und der Zer-spanbarkeit, insbesondere der resultierenden Oberflächenintegrität, ermöglichen sollen.
Die Verringerung der CO2-Emissionen ist eng mit der Entwicklung hocheffizienter und wirtschaftlicher Komponenten aus Stahl in der Anlagen- und Verfahrenstechnik verknüpft. Um den hohen kombinier-ten korrosiven, tribologischen, thermischen und mechanischen Beanspruchungen stand zu halten, werden auf Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschichten eingesetzt. Neben der zunehmenden Forderung konventionelle Kobalt- durch Nickellegierungen zu ersetzen, wächst auch der Bedarf nach definierten Ober- bzw. Funktionsflächen hoher Güte. Aufgrund hohen Werkzeugverschleißes ist die erforderliche Fräsbearbeitung zu Herstellung der komplexen Geomet-rien der Bauteile für KMU oftmals wirtschaftlich nicht möglich. Mittels Legierungsmodifikation der Schweißzusätze für nickelbasierte plasmaauftraggeschweißte Verschleißschutzschichten und durch den Einsatz innovativer ultraschallunterstützter Fräsprozesse soll eine günstigere Zerspanbarkeit er-reicht werden, ohne das Verschleißschutzpotential zu mindern. Im vorliegenden Beitrag wird der Ein-fluss der mittels Legierungsmodifikation eingestellten Gefüge- und Ausscheidungsmorphologie auf die Zerspanbarkeit untersucht. Dies erfolgt anhand einer typischerweise für Schneckenmaschinen einge-setzten Verschleißschutzlegierung NiCrMoSiFeB-Legierung („Colmonoy 56 PTA“), die konventionelle CoCr-Legierungen (Stellite) substituiert. Metallurgische Untersuchungen und In-situ-Messungen auf-tretender Prozesskräfte an der Werkzeugschneide beim Fräsen sowie anschließende Untersuchungen von Werkzeugverschleiß und Oberflächenintegrität ermöglichen eine detaillierte Analyse und Korrela-tion zwischen mikrostrukturellen Eigenschaften und Zerspanbarkeit.
Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis be-rechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses rich-tig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassischen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapil-lardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer ge-naueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Verbesserung der simulierten Schmelzkontur führt.
Die Additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Verarbeitung von Kupferwerkstoffen im industriellen Umfeld. Hierbei wird verstärkt auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits aus der Schweißtechnik bekannt sind und sich zumeist durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich unter den drahtbasierten Verfahren der Directed-Energy-Deposition (DED) eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die Technologie Wire Electron Beam Additive Manufacturing (DED-EB) besondere Vorteile gegenüber anderen DED-Prozessen für die Anwendung an Kupfer. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeit- en. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel der Legierung CuSn1MnSi. Über mehrstufige Testschweißungen werden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. An verschiedenen additiv gefertigten Probekörpern werden anschließend Kennwerte für Aufbaurate, Härte, Mikrostruktur, Oberflächenqualität sowie mechanische Festigkeitswerte ermittelt. Es zeigt sich, dass das die durch DED-EB hergestellten Proben, trotz des groben Gefüges sowie der thermischen Belastung im Aufbauprozess, in ihren Eigenschaften gut mit den Spezifikationen des Ausgangsmaterials übereinstimmen.
Um Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen werden Beschichtungen aus resistenteren Materialien aufgetragen. Hierzu zählen unter anderen die Legierungen auf Cobalt-Chrom Basis. Der diskrete Materialsprung ist jedoch unter thermischen und mechanischen Belastungen häufig Ursache für das Versagen der Beschichtung. In dieser Arbeit werden daher Materialgradierungen von verschiedenen Stahllegierungen zu einer Cobalt-Chrom Basislegierung untersucht. Die Ergebnissen werden dafür auch mit Resultaten zu vorangegangenen Untersuchungen verglichen. Kern der Arbeit bilden geätzte Schliffbilder der Materialpaarungen und Auswertungen mittels Farbeindringprüfung sowie die metallografische Bestimmung der Porosität. Ziel der Arbeit ist ein defektfreier Aufbau der funktional gradierten Materialpaarungen.
Within fracture mechanics safety assessment for steels in nuclear technology, the probabilistic master curve (MC) concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. However, for ductile cast iron (DCI), a systematic review of potential modifications to the assumptions and the procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. For this reason, the application of the fracture mechanics MC concept to ferritic ductile cast iron is being investigated in a recently started joint research project between MPA Stuttgart and BAM Berlin. According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods. Therefore, a methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component. For the experimental program, a DCI material will be produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy and Pellini tests is planned and a comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered and modifications will be made if necessary.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
The effect of the oscillating metal vapor plume on the keyhole and molten pool behavior during the laser beam welding of AlMg3 aluminum alloys is investigated by the experimental and numerical method. The real-time height of the metal vapor plume is measured by high-speed camera observation. The obtained experimental results are used to evaluate the additional heating source and laser beam attenuation caused by the scattering and absorption based on the Beer-Lambert theory. Furthermore, the dynamic behavior of the metal vapor plume is incorporated into a 3D transient heat transfer and fluid flow model, coupled with the ray tracing method, for the laser beam welding of the AlMg3 alloy. It is found that the additional heating resulting from the scattered and absorbed laser beam energy by the metal vapor plume significantly expands the shape of the molten pool on the top region. Moreover, the oscillating metal vapor plume caused the fluctuation of the molten pool shape. The probability of keyhole collapse at the bottom increases significantly to 72% due to the oscillating laser power induced by the laser beam attenuation. The internal interplay between the metal vapor plume, molten pool shape, and the keyhole collapse are obtained. The developed model has been validated by the experiments, which shows a good agreement.
Through experimental observation and auxiliary numerical simulation, this investigation studies the different types of grain refinement of 5754 aluminum alloy laser beam welding by applying a transverse oscillating magnetic field. Scanning electron microscope results have proved that the application of a magnetic field can reduce the average crystal branch width and increase its number. The interaction between the induced eddy current generated by the Seebeck effect and the applied external magnetic field produces a Lorentz force, which is important for the increase of the number of crystal branches. Based on the theory of dendrite fragmentation and the magnetic field-induced branches increment, the grain size reduction caused by the magnetic field is studied. Furthermore, the effects of the magnetic field are analyzed by combining a phase field method model and simulations of nucleation and grain growth. The grain distribution and average grain size after welding verifies the reliability of the model. In addition, the introduction of a magnetic field can increase the number of periodic three-dimensional solidification patterns. In the intersection of two periods of solidification patterns, the metal can be re-melted and then re-solidified, which prevents the grains that have been solidified and formed previously from further growth and generates some small cellular grains in the new fusion line. The magnetic field increases the building frequency of these solidification structures and thus promotes this kind of grain refinement.
The weld quality and the possible defect formation are directly determined by the weld pool shape and the thermo-fluid dynamics therein. In this paper, an untypical weld pool profile, i.e., elongated at its top and bottom but narrowed at the middle, is found experimentally and numerically in the wire feed laser beam welding. The detrimental influence of the weld pool narrowing on the element transport is analyzed and discussed. A magnetohydrodynamic technique is utilized to suppress the narrowing, aiming at a more homogenous element distribution. It is found that a low-temperature region is formed in the middle of the weld pool due to the interaction of the two dominant circulations from the top and bottom regions. The weld pool is significantly narrowed due to the untypical growth of the mushy zone in the low-temperature region, which results in a direct blocking effect on the downward flow and the premature solidification in the middle region. The Lorentz force produced by a transverse oscillating magnetic field shows the potential to change the flow pattern into a single-circulation type and the low-temperature-gradient region is mitigated.
Therefore, the downward transfer channel is widened, and its premature solidification is prevented. The numerical results are well validated by experimental measurements of metal/glass observation and X-ray fluorescence element mapping.
Numerical analysis of ultrasonic vibration enhanced friction stir welding of dissimilar Al/Mg alloys
(2023)
The ultrasonic vibration enhanced friction stir welding (UVeFSW) process has unique advantages in joining dissimilar Al/Mg alloys. While there are complex coupling mechanisms of multi-fields in the process, it is of great significance to model this process, to reveal the influence mechanism of ultrasonic vibration on the formation of Al/Mg joints.
In this study, the acoustic-plastic constitutive equation was established by considering the influence of both ultrasonic softening and residual hardening on the flow stress at different temperatures and strain rates. And the ultrasonic induced friction reduction (UiFR) effect on friction coefficient in different relative directions at the FSW tool-workpiece interface was quantitatively calculated and analyzed.
The Al/Mg UVeFSW process model was developed through introducing the above acoustic effects into the model of Al/Mg friction stir welding (FSW). The ultrasonic energy is stronger on the aluminum alloy side. In the stirred zone, there is the pattern distribution of ultrasonic sound pressure and energy. The heat generation at the tool-workpiece contact interface and viscous dissipation were reduced after applying ultrasonic vibra-tion. Due to the UiFR effect, the projection of friction coefficient and heat flux distributions at the tool-workpiece interface present a "deformed" butterfly shape. The calculated results show that ultrasonic vibra-tion enhanced the material flow and promoted the mixing of dissimilar materials.
The contactless magnetohydrodynamic technology has been considered as a potential and promising method to improve the weld qualities of deep penetration laser beam welding. In this paper, numerical investigations are conducted to study the influence of the auxiliary oscillating magnetic field on the porosity suppression in laser beam welding of 5754 aluminum alloy. To obtain a deeper insight into the suppression mechanism, a three-dimensional transient multi-physical model is developed to calculate the heat transfer, fluid flow, keyhole dynamic, and magnetohydrodynamics. A ray tracing algorithm is employed to calculate the laser energy distribution on the keyhole wall. A time-averaged downward Lorentz force is produced by an oscillating magnetic field. This force acts in the molten pool, leading to a dominant downward flow motion in the longitudinal section, which blocks the bubble migration from the keyhole tip to the rear part of the molten pool. Therefore, the possibility for the bubbles to be captured by the solidification front is reduced. The electromagnetic expulsive force provides an additional upward escaping speed for the bubbles of 1 m/s ~ 5 m/s in the lower and middle region of the molten pool. The simulation results are in a good agreement with experimental measurements. Based on the results obtained in this study, a better understanding of the underlying physics in laser beam welding enhanced by an auxiliary oscillating magnetic field can be provided and thus the welding process can be further optimized reducing the porosity formation.
A three-dimensional numerical model was developed to accurately predict the steady-state weld pool shape in full penetration laser beam welding. The model accounts for the coupling between the heat transfer and the fluid dynamics by considering the effects of solid/liquid phase transition, thermo-capillary convection, natural convection, and phase-specific and temperature-dependent material properties up to the evaporation temperature. A fixed right circular cone was utilized as a keyhole geometry to consider the heat absorbed from the laser beam. The model was used to analyze the influence of the thermodynamic activity of solutes and turbulence on the weld pool shape. A mesh sensitivity analysis was performed on a hybrid mesh combining hexahedral and tetrahedral elements. For the case of full penetration laser beam welding of 8 mm thick unalloyed steel sheets, the dependence of the weld pool shape on the surface-active element sulfur was found to be negligible. The analysis of the results showed that a laminar formulation is sufficient for accurately predicting the weld pool shape since the turbulence has a minor impact on the flow dynamics in the weld pool. The validity of the numerical results was backed up by experimental measurements and observations, including weld pool length, local temperature history, and a range of metallographic crosssections.
Numerical study on the formation of a bulging region in partial penetration laser beam welding
(2023)
A transient three-dimensional thermo-fluid dynamics numerical model was developed to study the formation of a bulging region in partial penetration laser beam welding. The model accounts for the coupling between the fluid flow, the heat transfer, and the keyhole dynamics by considering the effects of multiple reflections and Fresnel absorption of the laser beam in the keyhole, the phase transitions during melting and evaporating, the thermo-capillary convection, the natural convection, and the phase-specific and temperature-dependent material properties up to the evaporation temperature. The validity of the model was backed up by experimentally obtained data, including the drilling time, the weld pool length, the local temperature history outside the weld pool, the process efficiency, and a range of metallographic crosssections.
The model was applied for the cases of partial penetration laser beam welding of 8 mm and 12 mm thick unalloyed steel sheets. The obtained experimental and numerical results reveal that the bulging region forms transiently depending on the penetration depth of the weld, showing a tendency to transition from a slight bulging to a fully developed bulging region between penetration depths of 6 mm and 9 mm, respectively.
The spatial laser energy absorption inside the keyhole is decisive for the dynamic molten pool behaviors and the resultant weld properties in high-power laser beam welding (LBW). In this paper, a numerical simulation of the LBW process, considering the 3D transient heat transfer, fluid flow, and keyhole dynamics, is implemented, in which the free surface is tracked by the volume-of-fluid algorithm. The underlying laser-material interactions i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by an advanced ray-tracing method based on a localized Level-Set strategy and a temperature-dependent absorption coefficient. The laser energy absorption is analyzed from a time-averaged point of view for a better statistical representation. It is found for the first time that a noticeable drop of the time-averaged laser energy absorption occurs at the focus position of the laser beam, and the rest region of the keyhole has relatively homogenous absorbed energy. This unique absorption pattern may lead to a certain keyhole instability and have a strong correlation with the detrimental bulging and narrowing phenomena in the molten pool. The influence of the different focus positions of the laser beam on the keyhole dynamics and molten pool profile is also analyzed and compared. The obtained numerical results are compared with experimental measurements to assure the validity of the proposed model.
Eine typische Automobilkarosserie kann bis zu 5000 Widerstandspunktschweißverbindungen aufweisen, welche hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen. Daher ist eine durchgehende Prozessüberwachung unerlässlich. Die Transformation zur E-Mobilität in der Automobilindustrie und die damit einhergehende Reichweitenproblematik treiben die Entwicklung und Einführung neuer hochfester Stähle an. Dies resultiert in einem gesteigerten Fertigungsaufwand hinsichtlich einer stabilen Prozess-führung in der Fügetechnik. Um diesen Anstieg an Komplexität zu bewältigen, sind die Methoden der künstlichen Intelligenz ein geeignetes Mittel. Mit ihnen kann, durch Auswertung der Prozessparameter und -signale, die individuelle Schweißpunktqualität sichergesellt werden. Die Vorhersagegenauigkeit von neuen Daten, also das extrapolieren, stellt für die meisten Algorithmen eine große Herausforderung dar.
In dieser Arbeit wird ein künstliches neuronales Netz zur Vorhersage des Punktdurchmessers von Widerstandspunktschweißungen anhand von Prozessparametern implementiert. Die Vorhersagegenauigkeit und Extrapolationsfähigkeit des Modells wird durch die Auswertung des dynamischen Widerstandssignals verbessert.
Um die Extrapolationsfähigkeit zu untersuchen, wird die Vorhersagegenauigkeit des Modells mit Daten getestet, die sich in Bezug auf den Werkstoff und der Beschichtungszusammensetzung deutlich von den Trainingsdaten unterscheiden. Dazu wurden mehrere Schweißexperimente mit Werkstoffen verschiedener Hersteller durchgeführt und nur ein Teil der Daten in das Training einbezogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den positiven Einfluss der Prozesssignale auf die Robustheit des Modells und die Skalierbarkeit der Algorithmen
künstlicher neuronaler Netze auf Daten außerhalb des Trainingsraums.
Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt.
The performance of titanium alloy (Ti6Al4V) surfaces was investigated in lubricated reciprocating sliding tribological tests (RSTT). Special emphasis was laid on the effect of surface nanostructures in area of contact on the respective friction and wear behaviour. These so-called laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples) were produced on the titanium alloy surface upon scan processing in air by an ultrashort pulsed femtosecond (fs) laser. As lubricant served two types of base oils, a pure polyalcylene-glycol, and an SAE 0W30 oil containing only antioxidants and temperature stabilizers. Tribological tests were carried out on polished as well as LIPSS covered areas using both types of base oil. A test metrics was established, combining the additive 2-ethylhexyl-zincdithiophosphate (ZDDP) or the ionic liquid [P6,6,6,14] [DEHP] (98% purity) with the respective base oils. The test metrics also considered the orientation of motion with respect to the orientation of the structures formed on the surface. Results are presented which show that the interplay between LIPSS and the local chemistry formed by the respective additives is beneficial for the tribological behaviour of the titanium alloy. Certain combinations of base oil, additive and LIPSS reduced friction and wear significantly in the tribological contact.
Rapidly advancing technologies and progressive digitisation are posing challenges to the established quality infrastructure (QI). In response, the key stakeholders of the German QI established the initiative QI-Digital aimed at developing new solutions for modern quality assurance. One of the central use cases herein is quality assurance for additive manufacturing, in which a fully interlinked additive manufacturing process chain is established. The intention is to collect and process data from each production step, allowing for a comprehensive digital view of the physical material flow. Within this process chain, prototypes of digital QI tools like machine readable standards and digital quality certificates are being demonstrated, tested, and evolved. This is complemented by research on the process level, comprising the evaluation and refinement of methods for in-situ and ex-situ quality assurance, as well as algorithms for registration, reduction, and analysis of process data. This paper presents the status, goals, and vision for the QI-Digital use case additive manufacturing.
The amount of absorbed energy in the keyhole as well as its spatial and temporal distribution is essential to model the laser beam welding process. The recoil pressure, which develops because of the evaporation process induced by the absorbed laser energy at the keyhole wall, 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 effect of the laser radiation on the weld metal is crucial to obtain reliable and accurate simulation results.
In this paper, we discuss manyfold different improvements on the laser-material interaction, namely the ray-tracing method, in the numerical simulation of the laser beam welding process. The first improvement relates to locating the exact reflection points in the ray tracing method using a so-called cosine condition 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 changes in the laser radiation distribution in the vertical direction were adapted by using different approximations for the converging and the diverging regions of the laser beam thus mimicking the beam caustic. Finally, a virtual mesh refinement was adopted in the ray tracing routine. The obtained numerical results were validated with experimental measurements.
New developments in nickel-based superalloys and production methods, such as the use of additive manufacturing (AM), can result in innovative designs for turbines. It is crucial to understand how the material behaves during the AM process to advance industrial use of these techniques. An analytical model based on reaction-diffusion formalism is developed to better explain the solidification behavior of the material during laser metal deposition (LMD). The well-known Scheil-Gulliver theory has some drawbacks, such as the assumption of equilibrium at the solid-liquid interface, which is addressed by this method. The solidified fractions under the Scheil model and the pure equilibrium model are calculated using CALPHAD simulations. Differential scanning calorimeter is used to measure the heat flow during the solid-liquid phase transformation, the result of which is further converted to solidified fractions. The analytical model is compared with all the other models for validation.
For the wide acceptance of the use of additive manufacturing (AM), it is required to provide reliable testing methods to ensure the safety of the additively manufactured parts. A possible solution could be the deployment of in-situ monitoring during the build process. However, for laser powder bed fusion using metal powders (PBF-LB/M) only a few in-situ monitoring techniques are commercially available (optical tomography, melt pool monitoring), which have not been researched to an extent that allows to guarantee the adherence to strict quality and safety standards.
In this contribution, we present results of a study of PBF-LB/M printed parts made of the nickel-based superalloy Haynes 282. The formation of defects was provoked by local variations of the process parameters and monitored by thermography, optical tomography and melt pool monitoring. Afterwards, the defects were characterized by computed tomography (CT) to identify the detection limits of the used in-situ techniques.
Laser-based Powder Bed Fusion of Metal (PBF-LB/M) is a broadly used metal additive manufacturing (AM) method for fabricating complex metallic parts, whose sizes are however limited by the build envelope of PBF-LB/M machines. Laser welding arises as a valid joining method for effectively integrating these AM parts into larger assemblies.
PBF-LB/M components must usually be stress-relieved before they can be separated from the build plate. An additional heat treatment can be beneficial for obtaining homogeneous mechanical properties across the seam or for the formation of desired precipitations in nickel-based-alloys.
Therefore, the tensile performance of laser welded hybrid (AM/wrought) and AM-AM tensile samples of Inconel 718 is examined after undergoing three different heat treatments and considering three relevant build directions. It can be shown that the build orientation is an influencing factor on weld properties even after two applied heat treatments.
Die additive Fertigung (AM) durch schweißtechnische Verfahren eröffnet vielfach ökonomische Vorteile für eine ressour-ceneffiziente Bauteilherstellung. Gerade hinsichtlich der Homogenität und Anisotropie der resultierenden Schweißgefüge und den damit verbundenen Eigenschaften gibt es noch offene Fragestellungen. Die Einstellung der finalen Bauteilgeo-metrie und Oberflächengüte erfordert den komplementären Einsatz abtragender Fertigungsschritte. Hochleistungslegie-rungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit schwer spanbar. Eine gezielte Gefügebeeinflussung mittels Modifikation der AM-Schweißzusatz-werkstoffe und der Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US) bietet das Potential insgesamt die Zerspanungssi-tuation zu verbessern. Dieser Lösungsansatz unter Gewährleistung des Erhalts der geforderten Werkstoff- bzw. Bauteileigenschaften ist Untersuchungsgegenstand eines Gemeinschaftsvorhabens (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF. Der vorliegende Beitrag stellt Ergebnisse für die beiden untersuchten FeNi- und CoCr-Legierungen sowie wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierungsmodifikation, entstehender Gefügemorphologie und Zerspanungseigenschaften der mittels MAG additiv gefertigter Proben vor. Das größte Potential für die Modifikation zeigten Zr und Hf. Die Zulegierung in das Schweißgut erfolgte durch Beschichtung von Massivdrähten sowie durch Her-stellung von Fülldrähten.
The industrialization of AM is only possible by creating synergy with the tools of Industry 4.0. The system technology of Powder Bed Fusion with Laser beam of Metals (PBF-LB/M) reached a level of high performance in terms of process stability and material spectrum in the past years. However, the digital process chain, starting from CAD via CAM and plant-specific compila-tion of the manufacturing file exhibits media disruptions. The consequence is a loss of metadata. A uniform data scheme of simulation for Design for Additive Manufacturing (DfAM), the PBF-LB/M process itself and quality assurance is currently not realized within industry. There is no entity in the common data flows of the process chains, that enables the integration of these functionalities. As part of the creation of a digital quality infrastructure in the QI-Digital pro-ject, an integration of the CAD/CAM chain is being established. The outcome is a file in an advanced commercially available format which includes all simula-tions and manufacturing instructions. The information depth of this file extends to the level of the scan vectors and allows the automatic optimization and holis-tic documentation. In addition, the KPI for the economic analysis are generated by compressing information into a unique file combined with the application of a digital twin. The implementation and advantages of this solution are demon-strated in a case study on a multi-laser PBF-LB/M system. A build job contain-ing a challenging geometry is thermally simulated, optimized, and manufac-tured. To verify its suitability for an Additive Manufacturing Service Platform (AMSP), the identical production file is transferred to a PBF-LB/M system of another manufacturer. Finally, the achieved quality level of the build job is evaluated via 3D scanning. This evaluation is carried out in the identical entity of the production file to highlight the versatility of this format and to integrate quality assurance data.
Multielement-Legierungen (MPEA - Multiple Principal Element Alloys), gemeinhin und partiell fälschlicherweise auch als Hochentropielegierungen bezeichnet) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei Legierungselementen mit jeweils 5 bis 35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich dieses Legierungskonzept fundamental von konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Nickellegierungen. Hierzu werden die Legierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Das Ziel ist dabei, hochinnovative MPEA mit individuell einstellbaren Eigenschaften für die industrielle Anwendung zu identifizieren. Dabei werden insbesondere Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität bei konventionellen Stählen, überwunden. Insbesondere die hohe mechanische Festigkeit bei höchster Korrosionsbeständigkeit sind bei bestimmten Legierungssystemen von hohem Interesse. Hier kann u.a. die Substitution klassischer hochlegierter Stähle oder Ni-Basislegierungen perspektivisch erfolgen. In den letzten 20 Jahren lag der Fokus jedoch auf der reinen Materialsynthese. Mit der Zunahme verfügbarer Werkstoffquantitäten, stehen Verarbeitungsfragen, wie werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren jetzt im Mittelpunkt. Der Schweißeignung von MPEA wurde bisher nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Erfahrungen zu Mischverbindungen
(DMWs - Dissimilar Metal Welds) fehlen dabei vollständig, sind jedoch essenziell für die Anwendung dieser Werkstoffe in Verbindung mit konventionellen Werkstoffen. Die vorliegende Studie präsentiert erstmals im deutschen Sprachraum, die umfassenden experimentellen Ergebnisse zur Schweißeignung von MPEA-Mischverbindungen und der resultierenden Mikrostruktur. Dazu wurden zwei äquiatomare MPEAs in Form einer Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 (Hochentropie-) und Co33.3Cr33.3Ni33.3 (Mediumentropielegierung) mittels WIG und Rührreibschweißen mit einem konventionellen, korrosionsbeständigem Cr-Ni-Stahl AISI 304 (1.4301 bzw. X5CrNi18-10) gefügt. Die erstmals untersuchten DMWs resultierten dabei in sehr interessanten Mikrostrukturen, mechanisch-technologische Eigenschaften wurden durch instrumentierte Zugversuche gewonnen, die gleichzeitig der Ermittlung der lokalen Verformung im Schweißnahtbereich dienten (durch Verwendung der berührungslosen DIC-Digital Image Correlation-Technik). Dabei zeigt sich für beide Schweißverfahren eine Erweichung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der MPEAs sowie eine geringfügig verminderte Zugfestigkeit, bei einer deutlichen Abnahme der Bruchdehnung. Durch die Experimente konnte der prinzipielle Nachweis der Schweißeignung der MPEAs für DMWs mit konventionellen Werkstoffen erbracht werden, die auch eine dementsprechende mechanische Beanspruchbarkeit ermöglichen. Dies ermöglicht weitere Betrachtungen zur Anwendung dieser innovativen Werkstoffe.
Im Zuge der wasserstoffbasierten Energiewirtschaft von morgen, kommt der Errichtung der dementsprechenden Infrastruktur die zentrale Rolle zu. Der überwiegende Teil bisher eingesetzter und meist geschweißter Werkstoffe, wie Stähle, kann unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung neigen. Dies umfasst die klassische verzögerte Kaltrissbildung während der Schweißverarbeitung als auch Versprödungsphänomene während des Betriebs. Für die Bewertung eines jeden Wasserstoffeffektes auf bspw. die mechanischen Eigenschaften eines geschweißten metallischen Werkstoffes, muss der Wasserstoffgehalt präzise bestimmt werden, Im Fall von Schweißnähten ist die beispielsweise nach der ISO 3690, die klassische isotherme Trägergas-Heißextraktion (TGHE). Die TGHE basiert dabei auf der beschleunigten Wasserstoffentgasung aufgrund der thermischen Aktivierung des Wasserstoffs bei erhöhten Temperaturen. Neben der reinen Quantifizierung des Wasserstoffs, kann über die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit variierten Heizraten, der Bindungszustand an mikrostrukturellen Defekten im Material festgestellt und bewertet werden. Für beide Techniken sind experimentelle und messtechnische Einflüsse zu beachten, die großen Effekt auf das Ergebnis haben. Für die TGHE schlägt die ISO 3690 schlägt beispielswiese verschiedene Probengeometrien sowie Mindestextraktionszeiten vor. Die vorliegende Studie fasst Ergebnisse und Erfahrungen zahlreicher Untersuchungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit unterschiedlichen Probentemperaturen und Geometrien (ISO 3690 Typ B und zylindrische TDA-Proben) zusammen hinsichtlich: Einfluss der Probenoberfläche (poliert/geschweißt), Messgenauigkeiten in Abhängigkeit des Probenvolumens sowie die unzureichende Überwachung des Effektes des PI-Reglers auf die Extraktionstemperatur. Insbesondere eine abweichende Extraktionstemperatur zur eingestellten Temperatur, kann die Messergebnisse wesentlich verfälschen. Basierend auf den Ergebnissen werden Methoden aufgezeigt, um schnell die gewünschte Extraktionstemperatur zu erreichen, ohne physisch in das Messequipment eingreifen zu müssen. Dies dient der wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wasserstoffmessung durch erhöhte Signalstabilität und beschleunigte Wasserstoffdesorption. Im Allgemeinen ist eine unabhängige Temperaturmessung mit Dummy-Proben für die gewählte Heizprozedur angeraten, um mögliche unerwünschte Temperatureinflüsse bereits vor der Messung auszuschließen. Die beschriebenen Methoden können ohne großen Aufwand direkt in die industrielle Anwendung überführt werden.
Safety-critical applications of products manufactured by laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are still limited to date. This is mainly due to a lack of knowledge regarding the complex relationship between process, structure, and resulting properties. The assurance of homogeneity of the microstructure and homogeneity of the occurrence and distribution of defects within complexly shaped geometries is still challenging. Unexpected and unpredicted local inhomogeneities may cause catastrophic failures. The identification of material specific and machine specific process parameter windows for production of fully dense simple laboratory specimens is state of the art. However, the incorporation of changing thermal conditions that a complexly shaped component can be faced with during the manufacturing process is often neglected at the stage of a process window determination. This study demonstrates the tremendous effect of changing part temperatures on the defect occurrence for the broadly used stainless steel alloy AISI 316L. Process intrinsic variations of the surface temperature are caused by heat accumulation which was measured by use of a temperature adjusted mid-wavelength infrared (MWIR) camera. Heat accumulation was triggered by simple yet effective temporal and geometrical restrictions of heat dissipation. This was realized by a variation of inter layer times and reduced cross section areas of the specimens. Differences in surface temperature of up to 800 K were measured. A severe development of keyhole porosity resulted from these distinct intrinsic preheating temperatures, revealing a shift of the process window towards unstable melting conditions. The presented results may serve as a warning to not solely rely on process parameter optimization without considering the actual process conditions a real component is faced with during the manufacturing process. Additionally, it motivates the development of representative test specimens.
Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti sind für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Mikrolegierungselemente bzw. ihrer Karbide und/oder Nitride ist teilweise komplett konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Schweißzusatz. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung.
Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungs-routen mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAG-Schweißen mit modifizierten Sprühlichtbogen verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Nahtöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An Dreilagen-Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf die Ausbildung einer kritischen WEZ-Gefügezone mit Erweichung und/oder exzessiver Aufhärtung untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Phasenumwandlungen und das Ausscheidungsverhalten im Gefüge der Wärmeeinflusszone gelegt. Neben umfangreichen metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden, unter Variation der chemischen Zusammensetzung,
thermodynamische Phasenberechnungen mittels Thermo-Calc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation und Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen. Das Ziel ist es, den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ und dessen mechanischer Eigenschaften zu analysieren. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet.
Einfluss der Schweiß- und Prüfparameter bei der Heißrissbewertung hochfester Schweißzusatzwerkstoffe
(2023)
Die Heißrissneigung beim Schweißen kann mittels einer ganzen Reihe von Prüfverfahren ermittelt werden. Eine etablierte Methode ist die sogenannte Varestraint-Prüfung, welche auch an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als modifizierter Varestraint/Transvarestraint-Test (MVT) zum Einsatz kommt. Die Ergebnisse von Varestraint-Prüfungen hängen jedoch stets in unter-schiedlichem Maße von der individuellen Prüfmaschinenauslegung und den verwendeten Prüfparametern ab. Dies kann zu einer uneinheitlichen Bewertung des Rissverhaltens führen, wenn die Risslänge konventionell als Kriterium für die Rissneigung herangezogen wird. Scheinbare Abhängigkeiten von Prozessparametern erschweren dann die Interpretation der Ergebnisse. Eine neuartige Bewertungsmethodik entkoppelt den Maschineneinfluss vom Materialverhalten und verwendet die Dehnrate als Risskriterium.
Duplexstähle besitzen ein zweiphasiges Gefüge und werden aufgrund ihrer verbesserten Schweißeignung gegenüber den Vollausteniten häufig im Anlagen- bzw. Apparatebau eingesetzt. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit und dem Abbrand von Legierungselementen kommt es zu einer Ferritisierung des Schweißguts und damit zu einer Degradation der mechanischen Eigenschaften. Zur Vorhersage des Phasenverhältnisses im Schweißgut wird das WRC1992-Diagramm genutzt. Dieses Diagramm zeigt einige Ungenauigkeiten und benötigt zur genaueren Vorhersage der Phasenverhältnisse eine Überarbeitung. Um den Einfluss einzelner Elemente auf das Schweißnahtmikrogefüge besser zu verstehen, wurden drahtförmige Schweißzusatzwerkstoffe mit dem Ferrit-Bildner Nb und dem Austenit-Bildner Cu beschichtet und für Schweißungen verwendet. Die Messmethode der Laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) bietet hier eine gute Möglichkeit der in situ Überwachung der chemischen Konzentrationen, während des WIG-Schweißens von Duplexstählen. Die LIBS-Messergebnisse, konnten mit der Ferritnummer und der Schweißnahtmikrostruktur korreliert werden.
Additive manufacturing (AM) processes such as laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are rapidly gaining popularity in repair applications. Gas turbine components benefit from the hybrid repair process as only damaged areas are removed using conventional machining and rebuilt using an AM process. However, hybrid repair is associated with several challenges such as component fixation and precise geometry detection. This article introduces a novel fixturing system, including a sealing concept to prevent powder sag during the repair process. Furthermore, a high-resolution camera within an industrial PBF-LB/M machine is installed and used for object detection and laser recognition. Herein, process related inaccuracies such as PBF-LB/M laser drift is considered by detection of reference objects. This development is demonstrated by the repair of a representative gas turbine blade. The final offset between AM build-up and component is analysed. An approximate accuracy of 160 μm is achieved with the current setup.
Based on state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a recently started German joint research project between BAM Berlin and MPA Stuttgart. This paper outlines the research approach and the planned investigations and provides first results.
According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as interim and final storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods under dynamic loading conditions. Within fracture mechanics safety assessments for steels in nuclear technology, the probabilistic MC concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. The MC concept allows for an effective statistical consideration of the scatter of the material toughness in the transition regime. Furthermore, the MC can also be used for elevated loading rates as they occur in accident or crash scenarios. However, for DCI, a systematic review of potential modifications to the MC assumptions and procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. Therefore, a corresponding methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component.
For the experimental program, a DCI material was produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy, and Pellini tests is planned. A comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Moreover, numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered, and modifications will be made if necessary.
Overview of ongoing research and future prospects on polyethylene neutron shielding materials at bam
(2023)
The extension of the interim storage period of radioactive waste before disposal will cause additional challenges for the nuclear waste management in Germany, so that an extensive knowledge of the long-term performance of casks, including their components and inventories, will be required for future extended storage licenses.
Ultra-high and high molecular weight polyethylenes ((U)HMW-PE) are used for neutron shielding purposes in casks for storage and transport of spent fuel and high-level waste due to their extremely high hydrogen content. During their service life of several decades as cask components, the PE materials are exposed to neutron and gamma radiation from the radioactive inventory of the casks, mechanical assembling stresses and temperature. All these combined effects affect the material properties of such components which in turn may be crucial for some possible accident scenarios.
At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), the effects of high temperature exposure in combination with subsequent or previous irradiation were investigated with a comprehensive aging program including thermal aging at 125 °C for different aging periods up to 5 years and irradiation with doses ranging from 50 to 600 kGy.
This contribution provides an overview of the ongoing research related to the structural changes of (U)HMW-PE induced by gamma irradiation and high temperature exposure and focuses on current research perspectives at BAM with regard to the prediction of the dynamic behavior of the material during extended interim storage in case of an accident scenario. First results of the coupled effect of temperature, radiation and mechanical loading will be presented. The effect of microstructural changes induced by gamma irradiation and high temperature on the mechanical behavior of (U)HMW-PE will be assessed.
Friction coefficients for wood-wood and wood-steel interfaces in impact limiters for transport casks
(2023)
Wood is widely used in impact limiters of transport casks for radioactive material. Encapsulated by an outer and inner steel structure, spruce wood is often applied in layers of alternating direction. The friction at the interfaces between these layers is of crucial importance for the impact and energy absorption e.g., at an accidental impact of a cask against a hard target. In order to get detailed information for corresponding numerical calculations, in this study the friction coefficient for the combinations wood-wood and wood-steel was measured in the temperature range between -40°C and 90°C according to the relevant stress conditions for such casks. Results show decreasing friction with increasing temperature, ranging from 0.43 at -40°C to 0.22 for 90°C for wood-steel combinations and from 0.3 at -40°C to 0.24 at 90°C to for a wood-wood combination.
Hochfeste Nickelbasislegierungen wie Inconel 939 spielen eine wesentliche Rolle im modernen Turbinenbau. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hierbei neue Möglichkeiten für die Verarbeitung, jedoch fehlen verlässliche Fügeprozesse für die Absicherung der additiven Prozesskette im Bereich Neuteilfertigung und Instandsetzung. Insbesondere Heißrisse stellen eine große Herausforderung an die Fügetechnik. Die vorliegende Untersuchung befasst sich daher mit dem Verhalten von additiv gefertigten Blechen aus Inconel 939 beim Elektronenstrahlschweißen. Es werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Härte und Rissneigung betrachtet und Ansätze für eine Optimierung auf Basis statistischer Versuchsplanung aufgezeigt. Hierbei erfolgt eine Einteilung der Risse nach bestimmten Nahtbereichen. Risse am Nahtkopf können durch die Faktoren Vorschub und Streckenenergie sowie die Härte des Schweißgutes beeinflusst werden. Risse im Bereich der parallelen Nahtflanken stehen hingegen im Zusammenhang mit der Härte der Wärmeinflusszone. Ein abschließender Vergleich der angepassten Parameter mit der Ausgangssituation zeigt, dass durch Anwendung der statistischen Optimierung eine deutliche Reduzierung der Rissneigung erreicht werden kann.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of 𝐽-integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest 𝐽 -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. In addition, probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Since there is a continuously growing demand for complex, frequently heavy-sectioned spheroidal graphite cast iron (SGI) castings it is worth paying attention to the chunky graphite (CHG) degeneration which may occur under certain technological circumstances. Although a reference line for preventive actions in terms of general metallurgical and process measures could be drawn to avoid CHG in heavy-sectioned ferritic SGI castings, a broad majority of experts claim the avoidance of CHG in heavy sections cannot yet be rated a hundred percent process safe. A major reason may be seen in the fact that a universal, generally accepted explanation of CHG formation and growth has not yet been established, although several theories have been proposed. Nevertheless, metallurgical aspects are not in the focus of this paper.
This paper is about the current state of methods to detect CHG in SGI on the laboratory and component scales. Capabilities and limits of different metallographic, fractographic and non-destructive computer tomographic methods to recognize and quantify CHG are discussed. With respect to the characteristic fili-gree three-dimensional string-like, multi-branched CHG structure, which is non-isometric and non-dispersed, serious implications on the possibility to quantitatively characterize the amount of CHG must be considered.
In contrary to the metallurgical aspects, the knowledge about the impact of CHG on the materials and com-ponents properties is still surprisingly limited. Therefore, special emphasis of this paper is on the impact of CHG degeneration on the properties of ferritic SGI. Experimental results are reviewed to illustrate the effect of CHG on mechanical strength and ductility properties as well as fracture mechanics properties in terms of crack resistance and fracture toughness.
The present situation is characterized by discussions and uncertainty about the acceptance or rejection of SGI components containing CHG. Addressing this, conclusions from the materials engineering point of view are drawn for quality control, a safe operational strategy in the foundry and component safety.