Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Entwicklung eines Verfahrens zur Untersuchung der Heißrissresistenz lasergeschweißter Verbindungen
(2016)
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Strahlschweißtechnik signifikant weiterentwickelt und als effizientes und wirtschaftliches Werkzeug in der Industrie etabliert. Für die Untersuchung der Heißrissresistenz verschiedener Werkstoffe existieren zahlreiche eigen- und fremdbeanspruchende Tests. Diese wurden aber speziell für andere Schweißverfahren, insbesondere das Lichtbogenschweißen, konzipiert.
Daher besteht die Notwendigkeit eines geeigneten Heißrisstests, bei dem Werkstoffe realen Strahlschweißbedingungen ausgesetzt werden können. Die Entwicklung sowie die Standardisierung einer aussagekräftigen experimentellen Methode stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Vermeidung von Heißrissen und damit für die Gewährleistung der Sicherheit von gefügten Bauteilen dar. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, einen geeigneten Test zur effektiven Untersuchung der Heißrissanfälligkeit von lasergeschweißten Verbindungen zu konzipieren und zu entwickeln.
Laser beam processes are increasingly used in the field of additive manufacturing.
Prominent methods are either powderbed-based like Laser Metal Fusion (LMF), or utilizing a powder nozzle like Laser Metal Deposition (LMD). While LMF allows the manufacturing of complex structures, build rate, part volumes and material flexibility are limited. In contrast, LMD is able to operate with high deposition rates on existing parts, and materials can be changed easily during the process. However LMD shape complexity is limited. Utilizing their respective strengths, a combination of these two additive technologies has the potential to produce complex parts with high deposition rates and increased material flexibility. In this paper, combined manufacturing with additive technologies LMF and LMD is described. Its benefit for industry with emphasis on turbomachinery is shown. As reality test for the innovation, an industrial turbine blade is manufactured.
Metal additive manufacturing is often based on laser beam processes like Laser Metal Fusion (LMF) or Laser Metal Deposition (LMD). The LMF process is in particular suitable for very complex geometries. However build rate, part volume and material flexibility are limited in LMF. In contrast, LMD achieves higher deposition rates, less restricted part sizes and the possibility to change the material composition during the build-up process. On the other hand, due to the lower spatial precision of the material deposition process, the complexity of geometries is limited. Therefore, combined manufacturing with both LMF and LMD has the potential to utilize the respective advantages of both technologies.
In this paper, combined additive manufacturing with LMF and LMD is described for Ti-6Al-4V and Inconel 718. First, lattice structures with different wall thickness and void sizes are built with LMF. The influence of LMD material deposition on these LMF-structures is examined regarding metallurgical impact and distortion. Cross-sections, x-ray computer tomography and 3D-scanning results are shown.
For the titanium alloy specimen, oxygen and Nitrogen content in the deposited material are analysed to evaluate the LMD shielding gas atmosphere. The results are used to develop guidelines for a LMD build-up strategy on LMF substrates. With these findings, a gas turbine burner is manufactured as reality test for the combined approach.
Manganese alloyed stainless steels represent a cost-effective alternative to conventional CrNi- stainless steels due to strong fl uctuations of the market prices for nickel seen during the last years. In CrMnNi steels, nickel is partially replaced by lower-cost manganese and small amounts of nitrogen for stabilization of the austenitic phase. This also brings benefi ts regarding the mechanical properties, as it results in an increased material strength. Laser beam welding of such materials was investigated for direct comparison with Standard CrNi steels. Main emphasis was laid on fi nding adequate process parameters to achieve a stable welding process and obtain a good weld quality. Two different laser sources, a 4.4 kW Nd:YAG and a 5 kW CO2 laser, were used to weld 1.5 mm stainless steel sheets in continuous wave mode. A high-Mn austenitic (1.4376) and a lean duplex (1.4162) steel, as well as the standard austenitic (1.4301) and duplex (1.4362) grades were selected as test materials. Both butt and lap joint confi gurations were studied. Experiments were carried out systematically, varying the welding speed, laser power and focal point position in order to determine adequate process windows. The infl uence of the shielding gas type and fl ow rate on the process stability and the weld quality were investigated. The effects of weld edge preparation on the weld appearance and quality levels attained were also examined. The obtained welded joints were subjected to radiographic tests for detection of internal imperfections. Also a metallurgical characterization of the samples regarding the resulting phase composition or balance and hardness depending on the welding process parameters was conducted. Furthermore, tensile and potentiodynamic tests were performed to evaluate the mechanical and corrosion properties, respectively. The results provide an insight into the advantages and limitations of the laser beam welding process for joining high-manganese alloyed stainless steels. Conditions for the production of defect-free and corrosion-resistant welds having good mechanical properties could be determined.
In dieser Studie wurde die Heißrissanfälligkeit beim Laserstrahlschweißen für die Werkstoffe 1.4376, 1.4301 und 1.4828 mit Hilfe des CTW Test quantifiziert. Bei den Versuchen konnten Erstarrungsrisse in den Proben generiert werden. Zusätzlich können mit der Bildkorrelations-Technik die lokalen Dehnungen und Dehnungsraten während des Heißrisstests gemessen wer den. In Verbindung mit einem externen Diodenlaser zum Beleuchten der zu messende Oberfläche und lnterferenzfiltern an den Kameras konnten die DIC Messungen ohne optische Störungen durchgeführt werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Heißrissbildung bei einer externen Belastung von 3 % für die Stahlsorte 1.4376 zu erwarten ist. Für die Stahls orte 1.4301 beträgt dieser Grenzwert 2 % und 1,5 % für die Stahlgüte 1.4828. Außerdem ist zu beobachten, dass die Gesamtrisslänge mit zu nehmender äußerer Zugbeanspruchung steigt
Die stetig zunehmenden Anforderungen an Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission, sowie passive Sicherheit haben die Automobilindustrie vor Herausforderungen gestellt, die nur durch einen konsequenten Einsatz moderner hochfester Stahlwerkstoffe zu bewältigen sind. Obgleich eine generelle Eignung dieser Stähle für das Widerstandspunktschweißen (WPS) gegeben ist, kann es durch verschiedene externe Einflüsse im betrieblichen Umfeld zur Rissbildung in der Schweißverbindung kommen. Der Einfluss dieser Risse auf die mechanischen Eigenschaften ist derzeit nicht hinreichend genau erfasst, so dass häufig die Vorgabe einer rissfreien Schweißverbindung besteht. Die Kenntnis der Rissanfälligkeit der verarbeiteten Materialkombinationen sowie von ungünstigen Schweißparametern ist daher für viele Unternehmen von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung. Im Rahmen des FOSTA Projekts P921 „Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Rissanfälligkeit von hochfesten Stählen beim Widerstandspunktschweißen“ wurde ein Ansatz zur Bestimmung der Rissanfälligkeit von WPS-Verbindungen hochfester Stähle entwickelt. Mittels einer hydraulischen Vorrichtung unter Zugbelastung wurden geschweißte, rissbehaftete Proben optisch ausgewertet. Das Verfahren ist geeignet, um ein Werkstoffranking bezüglich der Rissanfälligkeit beim Widerstandspunktschweißen für Werkstoffe aufzustellen.
Der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen verlangt nach einer hohen Endformnähe der zu fertigenden Bauteile, um den Aufwand und somit die Kosten für Materialeinsatz und Nachbearbeitung möglichst gering zu halten. Der additive Einsatz in Form des Laser-Pulver-Auftragschweißens bietet hierfür durch den gezielten Materialauftrag ein hohes Potential. Herausforderungen bestehen in Bereichen der Vorhersagbarkeit und der Reproduzierbarkeit des Materialauftrages, sowie der Fertigungszeit. Unterschiedliche Einflüsse bei der Schichterzeugung führen dabei zu Abweichungen von der Soll-Geometrie. Die vorliegenden Untersuchungen behandeln den Einfluss von Spurgeometrie, Spurüberlappung, Verfahrweg und Aufbaureihenfolge auf die entstehende Bauteilform. Die Teilung einer Lage in Rand- und Kernbereich ermöglicht einen konturangepassten Verfahrweg und eine Erhöhung der Endformnähe innerhalb einer Ebene. Die Verwendung unterschiedlicher Spurgrößen bei der Bauteilerzeugung verdeutlicht die Möglichkeiten einer hohen Auftragsrate bei gleichzeitig hoher Formgenauigkeit. Bereits kleine Unterschiede beim Materialauftrag zwischen Kern- und Randbereichen, Start- und Endpunkten sowie in Bereichen des Richtungswechsels führen aufgrund von Fehlerfortpflanzung nachmehreren Lagen zu Abweichungen in der Aufbaurichtung. Kompensierungen mittels angepasster Baustrategien werden aufgezeigt und diskutiert. Die Nickelbasislegierung Inconel 718, die Titanlegierung Ti-6Al-4V sowie der austenitische Stahl 316L sind Bestandteil der vorliegenden Untersuchungen. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen das Potenzial einer angepassten Aufbaustrategie zur reproduzierbaren Erzeugung von Bauteilen am Beispiel unterschiedlicher Körpergeometrien.
Heat treated 9%Ni steel is considered the most suitable and economic material for construction of large-size liquefied natural gas (LNG) storage tanks which operate at cryogenic temperatures (-196°C). Strength above 700 MPa as well as a minimum impact value of 60 J are required to ensure reliable operation of the LNG tanks at operating temperature. Conventional arc welding processes, including shielded metal arc welding, gas metal arc welding, gas tungsten arc welding and submerged arc welding, are currently used in construction of LNG tanks. Ni based filler wire is the preferred filler metal of choice in LNG tank construction. The main problem with this choice is the lower mechanical properties, particularly tensile strength of the weld metal. To compensate, the wall thickness needs to be excessively thick to ensure the strength of the welded structures. Ni based filler material is expensive and a large quantity is needed to fill the multi-pass weld grooves. These factors significantly add to the cost in the fabrication of LNG storage tanks. For these reasons, exploration of new welding technologies is a priority. A big potential can be seen in laser based welding techniques. Laser beam welding results in much smaller fusion zone with chemical composition and mechanical properties similar to that of the base material. Laser welding is a much faster process and allows for a joint geometry which requires less filler material and fewer welding passes. The advantages of laser welding can help to overcome the problems pointed out above. Trials of autogenous laser welding, laser cold-wire welding and hybrid laser-arc welding conducted on the 9%Ni steel are presented in this paper. Chemical composition of the weld metal as well as effects of welding parameters on the weld formation, microstructure and tensile strength is discussed. Filler wire penetration depth as well as character of its distribution in the narrow laser welds was examined using EPMA - electron probe microanalysis.
Impiego di un dispositivo per il vuoto locale di tipo mobile nell'applicazione del processo laser.
(2016)
Lo sviluppo del pennacchio di vapore durante la saldatura laser
di metalli con direzioni di propagazione lungo l'asse del
fascio laser comporta una riduzione della potenza del laser
assorbita nel keyhole. Questi effetti negativi possono essere
notevolmente attenuati mediante l'applicazione di una ridotta
pressione ambientale, diminuendo così l'interazione
tra il fascio laser ed i prodotti dell'evaporazione, condizione
che favorisce la stabilità del processo di saldatura e si traduce
in una maggiore profondità di penetrazione. Una tecnica
convenzionale utilizza il principio della camera a vuoto, simile
a quello utilizzato per la saldatura a fascio elettronico.
L'applicazione di questa tecnica è limitata dalle dimensioni
della camera e riduce quindi i vantaggi di questo approccio,
particolarmente per componenti di grandi dimensioni. Abbiamo
dimostrato la possibilità di applicazione del vuoto in
forma localizzata con apparecchiature mobili, che consentono
di generare una pressione ridotta solo in una piccola zona
attorno al keyhole. Utilizzando un dispositivo di chiusura
appositamente progettato per la pressione, di tipo mobile,
che può essere spostato lungo l'asse del giunto è possibile ottenere
una pressione assoluta di circa 200 mbar. Questo è
sufficiente per aumentare la profondità di penetrazione di
circa il 50%. I campioni di acciaio grado S355 sono stati
saldati con una potenza laser incrementale da 5 kW a 12
kW a pressione atmosferica e confrontati con quelli saldati
a pressione ambiente di 200 mbar. La valutazione della sezione
longitudinale ha rivelato un aumento della profondità
di penetrazione dei giunti di circa il 35%. Inoltre, sono stati
eseguiti test di saldatura in configurazione di giunti testa a
testa con lamiere di 15 mm di spessore con diverse potenze
associate al fascio laser eseguiti a pressione atmosferica ed
a pressione ambiente ridotta di circa 200 mbar. L'aumento
nella profondità di penetrazione fino al 40% è relativo alla
pressione ridotta. In particolare, basse velocità di saldatura
con pressione ridotta si sono rivelate particolarmente vantaggiose
in termini di aumento della penetrazione.