Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (69)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (2)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (1)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (1)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (1)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
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.
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.
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 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.
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.
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.
Die lichtbogenbasierte, additive Fertigung ist dank hoher erreichbarer Aufbauraten und nahezu uneingeschränktem Bauraum zur Fertigung großvolumiger Bauteile prädestiniert. Die Kombination etablierter Maschinenkomponenten aus Robotertechnik, Schweißtechnik und Sensorik ermöglicht den präzisen schichtweisen Materialauftrag. Die Wirkmechanismen zwischen Prozessparametern und den daraus resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile stellen eine Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere auch für dickwandige Bauteile. Bei der Fertigung von Bauteilen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen ist aufgrund der hohen Anfälligkeit für Erstarrungsrisse und der Neigung zu wasserstoffinduzierter Porosität im besonderen Maße auf das Temperaturregime und die gewählte Aufbaustrategie zu achten.
Der Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteilqualität wurde durch die Analyse der Größe und Verteilung von Poren sowie der resultierenden Festigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer Wärmenachbehandlungsstrategien auf das Festigkeitsverhalten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass dickwandige Strukturen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen mit mechanischen Kennwerten im Bereich des Referenzmaterials mittels MSGLichtbogenverfahren additiv gefertigt werden können.
An accurate and efficient description of the spatial distribution of laser energy is a crucial factor for the modeling of laser material processing, e.g., laser welding, laser cutting, or laser-based additive manufacturing. In this study, a 3D heat transfer and fluid flow model coupled with the volume-of-fluid algorithm for free surface tracking is developed for the simulation of molten pool dynamics in high-power laser beam welding. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by a ray-tracing method. Two strategies of free surface reconstruction used in the ray-tracing method are investigated: a typical piecewise linear interface calculation (PLIC)-based method and a novel localized Level-Set method. The PLIC-based method is discrete, resulting in non-continuous free surface reconstruction. In the localized Level-Set method, a continuous free surface is reconstructed, and thus the exact reflection points can be determined. The calculated spatial laser energy distribution and the corresponding molten pool dynamics from the two methods are analyzed and compared. The obtained numerical results are evaluated with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. It is found that distinct patterns of the beam multiple reflections are obtained with the different free surface reconstructions, which shows significant influence not only on the molten pool behaviors but also on the localized keyhole dynamics.
This study presents mechanisms of the evolution of a narrowed region in the weld pool center during deep penetration laser beam welding. In numerous numerical studies presented in this study, it was also found that the local reduction of the weld pool size can cause detrimental effects on the melt flow behavior and the resulting properties of the welds. A particularly large influence of this effect was identified in three aspects. Firstly, the local variation of the solidification sequence of the weld pool causes an increase in the hot-cracking susceptibility due to a locally delayed solidification. Secondly, it was proven that a change in the local length and width of the weld pool is associated with an adverse impact on the potential flow routes of the molten material that induces stronger local variations of its solidification. Thus, the element mixing, e.g. during the welding with filler materials, is blocked. This leads to a non-homogeneous chemical composition of the final weld and can cause undesired effects on the final material properties. Finally, another observed effect is related to the reduced ability of process pores to reach the top surface. As this type of porosity is usually produced around the keyhole tip, the change of the fluid flow regime above this area plays a significant role in determining the final path of the pores until the premature solidification in the middle of the weld pool captures them. This study summarizes mainly numerical results which were supported by selected experimental validation results.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich.
Die technischen Entwicklungen in der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten haben eine neue Generation von Hochleistungslasersystemen im Leistungsbereich bis zu 100 kW auf den Markt gebracht. Dennoch ist die industrielle Anwendung des Hochleistungslaserstrahlschweißens auf bis zu 15 mm dicke Bleche beschränkt. Mögliche Ursachen der Einschränkungen des Verfahrens sind z.B. die Sensibilität des Verfahrens auf Fertigungstoleranzen wie Spalt und Kantenversatz, die erhöhte Tropfenbildung bei höheren Blechdicken und eine inhomogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes beim Laserhybridschweißen. In dieser Studie wird ein auf extern angelegte Magnetfelder basierte elektromagnetische Schmelzbadstütze eingesetzt, um die Grenzen des Verfahrens zu erweitern und die Herausforderungen zu minimieren. Der wesentliche Vorteil der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ist, dass sie berührungslos arbeitet. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnten bei 20 mm dicken Proben aus S355J2 die Tropfenbildung an der Wurzel vermieden werden. Zudem wurde der Einfluss der Kantenqualität auf die Schweißnahtqualität untersucht, wobei verschiedene Schneidverfahren zur Kantenvorbereitung eingesetzt wurden, wie z.B. Plasma-, Brenn- oder Laserschneiden. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei schlechteren Kantenvorbereitung im Gegensatz zu gefrästen Bauteilen die Werkstoffe einlagig mittels Laserhybridschweißen bei einer hohen Schweißnahtqualität gefügt werden konnten. Bei plasmageschnittenen Proben wurden zudem eine Spaltüberbrückbarkeit bzw. Kantenversatz von bis zu 2 mm sicher überbrückt. Des Weiteren war es mit Hilfe der externen Magnetfelder möglich, die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes über die gesamte Schweißnahttiefe deutlich zu homogenisieren.
Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit dem Einfluss des Additive Manufacturing auf die Schweißeignung von Bauteilen aus Inconel 718. Hierfür wurden Proben mittels DED und L-PBF hergestellt und ihr Verhalten in Blindschweißversuchen anhand eines Vergleichs mit konventionellen Gussblechen untersucht. Im zweiten Schritt wurden die verschiedenen additiv hergestellten Proben mit dem Gussmaterial im I-Stoß sowie untereinander verschweißt.
Als Schweißverfahren wurde für alle Proben das Elektronenstrahlschweißen angewandt. Zur Auswertung wurde anhand von Schliffen das Nahtprofil vermessen und die Proben auf Poren und Risse untersucht. Zusätzlich wurde die Dichte vermessen und eine Prüfung auf Oberflächenrisse durchgeführt. Das AM-Material zeigte dabei Unterschiede in Nahtform und Defektneigung im Vergleich zum Gusswerkstoff. Insbesondere die DED-proben neigten unter bestimmten Parameterkonstellationen verstärkt zu Porenbildung. Risse konnten nicht beobachtet werden. Trotz auftretender Nahtunregelmäßigkeiten wurde in den kombinierten AM-Schweißproben die Bewertungsgruppe C erreicht. Eine Prüfung der bestehenden Regelwerke zur Schweißnahtbewertung anhand der gewonnenen Erkenntnisse zu additiv gefertigten Proben im Elektronenstrahlschweißprozess zeigte keinen Ergänzungsbedarf.
Laser welding is an appropriate technique for joining Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) parts together and to conventional wrought ones. The potential consists of profiting from synergies between additive and conventional manufacturing methods and overcoming the existing limitations of both. On the one hand, L-PBF is a widely spread metal-based additive manufacturing technique suitable for generating complex parts which can present intrinsic designed cavities, conformal cooling channels, and filigree structures contributing to sustainable manufacturing and efficiency-oriented designs. On the other hand, chamber sizes for producing L-PBF parts are limited, and the process is time-consuming. Thus, its employment is not for every geometry justified. Additionally, they are in most cases individual elements of a larger assembly and need to be joined together to conventionally fabricated parts.
The present research suggests laser welding parameters to adequately bond pairs of wrought and L-PBF processed plates and two L-PBF plates of Inconel 718 in butt position. L-PBF samples are printed in three different build-up orientations. Additionally, the influence of as-built L-PBF roughness qualities and usual pre-weld preparations such as edge milling are examined. The effect of normed pre-weld heat treatments is also contemplated. Identified cracks are analyzed by means of EDS in order to confirm the present phases on the areas of interest. EBSD is also employed to obtain a clear depiction of the crystallographic texture and distribution of the hot cracks.
The quality of the weldment was examined according to existing standards. Substantial differences in seam geometry and microstructure across different edge’s surface qualities and build directions of stress relieved L-PBF parts have not been detected. Nevertheless, even if no other irregularities are present in the seam, variability in liquation cracking susceptibility has been confirmed. This defect is prone to happen when parts made of this nickel-based superalloy are welded together when not enough precautions are taken. It has been determined that grain size and ductility of the material before welding play a crucial role and mitigating or intensifying these imperfections. Moreover, recommendations are presented to avoid this potential welding defect.
Untersuchung zur Herstellung von Cu-Strukturen mittels Wire Electron Beam Additive Manufacturing
(2022)
Das Additive Manufacturing gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Fertigung metallischer Bauteile im industriellen Umfeld. Hierbei wird zunehmend auch auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits in der Industrie etabliert sind und sich in der Regel durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich neben den bereits im großen Umfeld untersuchten Wire-DED-Verfahren auch eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die als Wire Electron Beam Additive Manufacturing bezeichnete Technologie besondere Vorteile gegenüber anderen, zumeist Laser- oder Lichtbogen-basierten DED-Prozessen. Das Verfahren bietet vor allem Potenzial für die Verarbeitung von hochleitfähigen, reflektierenden oder oxidationsgefährdeten Werkstoffen. Insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus Kupferlegierungen zeigt sich der Elektronenstrahl als besonders geeignet. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch übergreifende Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel zweier Cu-Werkstoffe. Dabei werden ein korrosionsbeständiger Werkstoff aus dem maritimen Bereich sowie eine Bronze mit guten Verschleißeigenschaften aus dem Anlagenbau getestet.
Über mehrstufige Testschweißungen wurden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. Hierfür wurden zunächst optimale Bereiche für den Energieeintrag anhand von Volumenenergie sowie mögliche Schweißgeschwindigkeiten untersucht.
Anschließend wurde die Skalierbarkeit des Prozesses anhand von Strahlstrom und Drahtvorschub getestet.
Als wesentliche Zielgrößen wurden dabei Spurgeometrie, Aufmischung und Härte herangezogen. Die Eignung der ermittelten Parameter wurde im letzten Schritt exemplarisch anhand einer additiven Testgeometrie in Form eines Zylinders nachgewiesen.
Funktional gradierte Materialien auf Basis von Stellite und Stahl im Laserpulver-Auftragschweißen
(2022)
Das Hinzufügen von Stellite auf Stahl ist eine typische Vorgehensweise um Bauteile gegen Verschleiß und Korrosion zu schützen. Der Sprung in den Materialeigenschaften kann jedoch zu Rissen und somit zum Versagen der Beschichtung führen. Um die Lebensdauer von Beschichtungen zu erhöhen wird daher ein gradierter Übergang mit verschiedenen Materialpaarungen untersucht.
Additive manufacturing promises a high potential for the maritime sector. Directed Energy Deposition (DED) in particular offers the opportunity to produce large-volume maritime components like propeller hubs or blades without the need of a costly casting process. The post processing of such components usually generates a large amount of aluminum bronze grinding waste. The aim of the presented project is to develop a sustainable circular AM process chain for maritime components by recycling aluminum bronze grinding waste to be used as raw material to manufacture ship Propellers with a laser-powder DED process. In the present paper, grinding waste is investigated using a dynamic image Analysis system and compared to commercial DED powder. To be able to compare the material quality and to verify DED process parameters, semi-academic sample geometries are manufactured.
Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.
The study deals with the influence of the heat input on the thermal cycles and Charpy impact toughness for hybrid laser-arc welding of 25 mm thick structural steel S355J2 using a 20-kW high-power laser in combination with an electromagnetic weld pool support. The main focus is on the change of the mechanical properties over the entire seam thickness. The cooling times were measured using a pyrometer in combination with an optical fibre in three different locations near to fusion lines corresponding to different heights of the seam. Also, Charpy impact specimens were taken from different parts of the weld joint corresponding to the different heights. The influence of the heat input was investigated for 1.8 kJ mm-1 and 3.2 kJ mm-1. Despite the observed decreased values of both t8/5-cooling time and the Charpy impact toughness in the root part of the seam, the required values could be reached in dependance on applied heat input.
In this study, steel-glass experiments were conducted to observe the melt pool geometry using a high-speed camera. The high-speed recordings and optical flow analysis show that two main flows take place in form of vortices. The lower vortex drives the melt backwards from the front keyhole wall and thus causes an extension of the melt pool, which is called bulging. This bulging promotes solidification cracking by forming a closed area filled with melt and the accumulation of impurities in the final solidification phase, resulting in low-melting phases which are under tensile stress at the end of solidification.
Der Einsatz von Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Insbesondere höherfeste Aluminiumlegierungen, wie die Vertreter der 6000’er Aluminiumgruppe, rücken Aufgrund ihres hervorragenden Festigkeits- / Gewichtsverhältnisses immer mehr in den Fokus.
Vertreter dieser Aluminiumklasse, die als Hauptlegierungselemente Magnesium und Silizium beinhalten, weisen neben der bei allen Aluminiumlegierungen präsenten Affinität zur Porenbildung zusätzlich eine ausgeprägte Heißrissanfälligkeit auf. Die additive Verarbeitung von Al-Mg-Si-Legierungen mittels MSG Verfahren gestaltet sich daher herausfordernd.
Neben der Schweißeignung ist die geometrische Gestalt der Schweißraupe für die additive Fertigung von entscheidender Bedeutung. Spurbreite und Spurhöhe sind maßgebliche Größen, die bei der Pfadgenerierung im Hinblick auf Endkonturnähe und der Vermeidung von Ungänzen, Poren und Bildefehlern zu beachten sind.
Dieser Beitrag zeigt am Beispiel des Wire Arc Additive Manufacturing von Al-Mg-Si-Legierungen einen Ansatz, mit dem es möglich ist, zeit- und kostenintensive vollfaktorielle Parameterstudien zum Erhalt von Spurgeometrie und Schweißqualität durch dynamische Parameterstudien zu ersetzen.
This article is devoted to the study of the bulging effect in deep penetration laser beam welding. The numerical results of the investigations are based upon experimental results from previous studies to reveal the relationship between the bulging effect and the hot cracking formation, as well as the mixing of alloying elements in the weld pool. The widening of the molten pool in its center area can be observed in full penetration as well as in partial penetration welds on 8 mm and 12 mm thick structural steel plates, respectively. The weld pool shape is extracted from the simulations to evaluate the extent of the necking of the solidification line as well as the bulging phenomena and its influence on the hot cracking phenomena. Relying on an earlier numerical study utilizing a fixed keyhole, simulation models considering a dynamic keyhole are developed thereto. Additionally, the mixing behavior of alloying elements during partial penetration is investigated. The link between the bulge and the studied phenomena is found to be significant.
In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Untersuchungen eines Verfahrens zum fehlerfreien Laserstrahl Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten vorgestellt. Das Verfahren zielt auf die Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht. Eine Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht wurde entwickelt, mit der ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG Schweißprozess realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an 12 mm bis 15 mm dicken Rohrabschnitten durchgeführt. Der Einfluss von Prozessparametern wie der Laserleistungsrampe und Rampenzeit, der Veränderung des Abbildungsmaßstabes und der Defokussierung des Laserstrahls auf die Erstarrungsbedingungen am Ende der Rundnaht wurde untersucht, um eine optimale Strategie zum Herausführen der Prozessenergie zu finden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls im Bereich zwischen 60 mm und 100 mm über einen kurzen Auslaufbereich der Naht von ca. 15 mm zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führte. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden. Die Laseroptik mit motorisch angesteuertem Linsensystem ermöglichte dabei eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers ohne eine Veränderung der Position des MSG-Lichtbogens relativ zur Bauteiloberfläche.
Nickelbasis-Superlegierungen sind seit vielen Jahren in unterschiedlichen Industrieanwendungen im Einsatz. Aufgrund der großen Heißrissneigung ist das Schweißen dieser Werkstoffe jedoch bei einer Vielzahl von Legierungen problematisch. Neue Arbeiten auf dem Gebiet zeigen, dass entgegen den gängigen Theorien auch reduzierte Schweißgeschwindigkeiten eine Tendenz zur Verringerung der Rissneigung aufweisen. Bisher existieren jedoch kaum Erkenntnisse zum Prozessverhalten in diesem Parameterbereich. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der relevanten Prozessparameter beim Elektronenstrahlschweißen (EBW) auf die Nahtgestalt im Bereich geringer Vorschubgeschwindigkeiten untersucht. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Ansatz zum rissfreien Fügen von komplexen Nickelbasis-Superlegierung gebildet werden. Die praktische Umsetzbarkeit wird abschließend anhand einiger Probeschweißungen an einem besonders heißrissgefährdeten Werkstoff demonstriert. Um fehlerfreie Verbindungen zu ermöglichen, wurden zunächst die relevanten Parameter für die Einstellung von Nahtbreite, Einschweißtiefe, Aspektverhältnis und Nahtfläche anhand einer Versuchsreihe mit 17 Blindschweißungen auf einer 12 mm dicken Platte aus Inconel 718 bestimmt. Die genaue Beschreibung des Einflusses der als signifikant identifizierten Faktoren erfolgte über die Anwendung einer Regressions- und Varianzanalyse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einschweißtiefe, die Nahtbreite, das Aspektverhältnis sowie die Nahtfläche vorrangig über den Strahlstrom, die Fokuslage sowie den Vorschub beeinflusst werden können. Auf Basis der gebildeten statistischen Modelle erfolgte die Vorhersage geeigneter Parameter für eine finale Versuchsreihe. Die abschließenden Demonstratorschweißungen wurden exemplarisch an einer Nickelbasis-Gusslegierung mit besonders hohem Ausscheidungsphasenanteil durchgeführt. Hierfür wurden Schweißungen im I- Stoß an 6,5 mm und 10 mm dicken Blechen ausgeführt. Trotz der mangelnden Schweißeignung und dem hohen Anteil an Ausscheidungsphase des Werkstoffes, zeigten sich nach Optimierung der Prozessparameter keine Heißrisse mehr.
The determination of mechanical properties of welded Steel structures such as strength or ductility is a subject of high interest for the majority of Companies in the area of metal Processing. The material Parameters can be obtained by performing the tensile test on the samples made from a part of a component. In some cases, it is highly expensive to produce the tensile specimens especially from the weld metal, which contains different type of microstructure such as weld seam or heat affected zone in an extremely small area. Therefore, a method is described in this paper to determine the material Parameters of high strength Steel structures and welded joints locally and without any additional effort to perform the tensile test. In this method, instrumented indentation technique (IIT), an indenter is pushed on the flat surface of a specimen in a certain period of time and simultaneously the applied force and the corresponding indentation path are measured. The data related to the force-indentation diagram is given as input to an artificial neural network (ANN) to obtain the material Parameters. The ANN can be trained by generating the large qualitative data sets with numerical Simulation of the IIT procedure. The Simulation must be run several times with the different material model parameter sets to generate the numerous
force-indentation diagrams as the inputs of ANN. Then, the trained ANN is validated by performing the IIT on the welded joints and comparing the obtained material Parameters from ANN with the tensile test.
Consequently, the mechanical properties of welded joints can be determined by performing the IIT and evaluating the resulting data by the ANN.
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kosten-günstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauf-tragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren ein-gesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlisse-nen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen heutzutage die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien, wie zum Beispiel Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen.
The development of high energy laser sources enables single-pass welds of thick plates up to 30 mm, but often additional materials are needed to influence the properties of the weld seams. However, the homogenous distribution of filler materials in form of e.g. electrodes is only possible up to 7 mm while the elements are only traceable up to a depth of 14 mm. To overcome this problem a two-step process is used where first the edges of the weld partners are coated with the filler material by laser metal deposition (LMD) and afterwards are welded by laser beam. Single-pass welds with electromagnetic weld pool support of 30 mm thick S355 J2+N-plates with austenitic AISI 316L-coatings were investigated as well as the influence of the coatings to the penetration depth of the laser beam without electromagnetic weld pool support in double-sided joints. The weld seams were tested by X-ray inspection and cross sections.
Duplexstähle finden aufgrund ihrer Eigenschaften, wie der guten Korrosionsbeständigkeit, einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität häufig industrielle Anwendung. Durch die hohen Abkühlraten beim Laserstrahlschweißen weisen Schweißnähte jedoch anstelle eines ausgeglichenen Duplexgefüges einen deutlich erhöhten Ferritanteil, im Vergleich zum Basiswerkstoff, auf. Dies führt zu einer verringerten Duktilität sowie Korrosionsbeständigkeit. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Prozess entwickelt, der auf einer Kantenbeschichtung mit nickelhaltigem Zusatzmaterial der zu fügenden Bleche mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) basiert.
Die resultierenden Schweißnähte wurden zerstörend anhand von Schliffbildern, EDX-Aufnahmen, Härtemessungen und Kerbschlagbiegeversuchen geprüft.
In additive manufacturing (AM) Laser Metal Deposition (LMD), parts are built by welding layers of powder feedstock onto a substrate. Applications for steel powders include forging tools and structural components for various industries. For large parts, the choice of tool-paths influences the build-rate, the part performance and the distortions in a highly geometry-dependent manner. With weld-path lengths in the range of hundreds of meters, a reliable, automated tool path generation is essential for the usability of LMD processes.
In this contribution, automated tool-path generation approaches are shown and their results are discussed for arbitrary geometries. The investigated path strategies are the classical approaches: “Zig-zag-” and “contour-parallel-strategies”. After generation, the tool-paths are automatically formatted into g-code for experimental build-up and ASCII for a numerical simulation model. Finally, the tool paths are discussed in regards to volume-fill, microstructure and porosity for the experimental samples.
This work presents a part of the IGF project 18737N “Welding distortion simulation” (FOSTA P1140)
Because of its excellent corrosion resistance, high tensile strength and high ductility, duplex stainless steel 2205 offers many areas of application. Though laser beam welding accompanied by high cooling rates, duplex steels tend to perform higher ferrite contents in weld metal as the base metal, which leads to a reduction of ductility and corrosion resistance of the weld joint. To overcome this problem, a solution, based on buttering the plate edges by laser metal deposition (LMD) with material containing higher Ni concentrations prior to laser welding was suggested.
In this context different process parameters for LMD process were investigated. In a second step the possibility of welding those edges defect free while achieving balanced austenite-ferrite ratio was verified with metallographic analysis, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and impact testing according to Charpy.
Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt.
In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt.
Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment.
Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen.
The paper describes a systematic investigation of the EM influenced laser beam welding of the aluminum die casting alloy AlSi12(Fe) in comparison to a reference material, a wrought aluminum alloy AlMg3. By using of a face centred CCD test plan, the influencing variables laser power, welding velocity and magnetic flux density are varied with regard to their influence on the remaining porosity. The global pore fraction of the weld seams was analyzed by X-ray images with ImageJ. This enabled a qualitatively very good regression model to be derived for the respective material, which identifies the dominant influencing variables. The results prove, statistically verified, for the investigated parameter range, that
- the magnetic flux density is the main cause for the porosity reduction,
- the porosity rises with increasing laser power the porosity in the weld seams rises,
- the influence of the welding velocity is negligible,
- the pore quantity in wrought alloy is more strongly minimized by the magnetic flux density than in die casting,
- the porosity decreases due to the EM influence by approx. 70 % compared to the unaffected welds. This effect is emphasized by the contour line charts, which illustrate the relationship between laser power and magnetic flux density.
With the exception of the quadratic influence of B at the wrought alloy, the statistical correlation shows a linear development of the respective influence variables for both aluminum alloys. In order to investigate these deviations, further simulations with a focus on weld pool geometry and weld pool flow are to be performed. In addition, the welding results can be classified in accordance with DIN EN ISO 13919-2 in the highest evaluation group B for AlMg3 and in evaluation group C for AlSi12(Fe) by applying a magnetic flux density of 350 mT. The analysis of the CT images at constant laser power and welding velocity allows a direct comparison both between the two alloys and also as a function of the magnetic flux density with regard to the number and size of pores. An increase in the magnetic flux density leads to a significant decrease in the number and volume of pores, which can be seen more clearly in wrought alloy than in die casting. Very acceptable results can be achieved for both materials and different welding parameters. This successfully demonstrates the desired process robustness and functionality of the EM system for practical applications. For subsequent investigations of overlap joints, the lowest possible laser power and a high magnetic flux density are recommended.
The additional element from the filler wire in the laser beam welding is usually distributed inhomogeneously in the final weld due to the high solidification rate of weld pool. It has been found that the electromagnetic stirring produced by an external oscillating magnetic field can enhance the material mixing in the weld pool to achieve a more uniform element distribution. However, the magnetic field has a highly non-linear and multi-coupled interaction with the weld pool behavior, which makes the quantitative explanation of the physical mechanism difficult. In this study, the effect of electromagnetic stirring on the transport phenomena in the wire feed laser beam welding is investigated by a numerical modelling. A 3D transient multi-physical model considering the magnetohydrodynamics, heat transfer, fluid flow, keyhole dynamics and element transport is developed. The multiple reflections and the Fresnel absorption of the laser on the keyhole wall are calculated using the ray tracing method. The numerical results show that a Lorentz force produced by the oscillating magnetic field and its induced eddy current gives significant influence on the transport phenomena in the molten pool. The forward and downward flow is enhanced by the electromagnetic stirring, which homogenizes the distribution of the additional elements from a nickel-based filler wire in a steel weld pool. The numerical results show a good agreement with the high-speed images of the molten pool, the fusion line from the optical micrograph and the element distribution from the energy dispersive X-ray spectroscopy. This work provides a physical base for the electromagnetic-controlled laser beam welding and some guidance for the selection of electromagnetic parameters.
A novel approach for the reconstruction of an equivalent volumetric heat source from a known weld pool shape is proposed. It is based on previously obtained weld pool geometries from a steady-state thermo-fluid dynamics simulation. Hereby the weld pool dimensions are obtained under consideration of the most crucial physical phenomena, such as phase transformations, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties. The algorithm provides a time and calibration efficient way for the reproduction of the weld pool shape by local Lamé curves. By adjusting their parameters, the identification of the finite elements located within the weld pool is enabled. The heat input due to the equivalent heat source is assured by replacing the detected nodes’ temperature by the melting temperature.
The model offers variable parameters making it flexible and adaptable for a wide range of workpiece thicknesses and materials and allows for the investigation of transient thermal effects, e.g. the cooling stage of the workpiece. The calculation times remain acceptably short especially when compared to a fully coupled process simulation. The computational results are in good agreement with performed complete-penetration laser beam welding experiments.
The geometrical characteristics of the weld end crater are commonly used for the validation of numerical results in welding simulation. A semi-analytical model calculating the cooling stage of the welding process after the moving energy source is turned off has been developed. A solution for various combinations of heat sources and workpieces has been found. The theoretical limits for the heat transfer of the absorbed energy during cooling in a thin plate and a semi-infinite body were studied. It is shown that after turning off the energy source, an additional melting of the base material in longitudinal direction may occur. The developed technique is applied to complete-penetration keyhole laser beam welding of a 2 mm thick austenitic chromium-nickel 316L steel plate at a welding speed of 20 mm/s and a laser power of 2.3 kW. The results show a theoretical increase of the weld end crater length in comparison to the length of the steady-state weld pool of up to 19 %. A shift of the centre of the end crater, in which the solidification of the liquid metal ends, towards the tail of the end crater relative to the axis of the heat source at the time of its termination, was computed. The speed and the direction of crystallization of the molten material in the weld pool and the end crater were found to be different. A good agreement between the computational results and the welding experiments was achieved.
Rapid localized heating and cooling during additive manufacturing using laser deposition method (LMD) lead to loss of dimensional accuracy as well as cracking of built parts. Finite-Element welding simulations allow prediction of geometrical deviations and accumulated residual stresses as well as their optimization before conducting experiments. Due to the great length of stacked welds, calculation times for fully transient thermomechanical simulations are currently long, the calculation stability suffers from the high number of contact bodies in the model and the modelling effort is high, as the geometries need to be sliced and positioned layer-wise.
In this contribution, an integrated modelling approach is demonstrated for a thin-walled LMD component made from 30 layers of 1.4404 (316L) stainless steel: Instead of the layer-by-layer modelling strategy commonly found in the literature, the whole component mesh is kept in one piece and the fully transient, layer-by-layer material deposition is implemented via element sets. In contrast to prior simulations, nonlinear contact between the layers does not have to be considered, significantly decreasing calculation times. The calculated distortions are compared to recently published, in-situ digital image correlation (DIC) measurements as well as numerical simulations conducted with the established layer-wise modelling strategy to judge result quality. Finally, the improvement in calculation time and ease-of-use is compared between both modelling approaches and conclusions regarding future usage for industrial-scale components are drawn.
With global increases in clean energy demand, the natural gas is gaining in importance. Pipelines are the safest and most cost-effective way of transporting natural gas. Due to high transport volume and resulting high operation pressure, the demand for ultra-high strength steel grades such as X120 is very strong. As a result of the fact that these steels are produced by thermo-mechanical controlled processing, the welding process must be selected accordingly. Based on investigations, a high heat input such as by submerged arc welding process leads to softening in the weld metal and loss of strength whereas pure laser beam welding results in high cooling rates and deteriorate toughness of the weld metal. The objective of this research is to investigate the influence of heat input to mechanical properties of hybrid laser-arc welded pipeline steels of grade X120. Test specimens with a thickness of 20 mm could be welded without preheating in a single-pass with different welding velocities to observe the largest possible parameter window of the heat input. The achieved V-notch impact energy for hybrid laser-arc welded samples was 144±37 J at a testing temperature of -40 °C. With a tensile strength of 930±4 MPa the requirements of API 5L was achieved. To prevent gravity drop-outs at the slow welding speeds, an electromagnetic weld pool support system was used, which works contactless and is based on generating Lorentz forces. It was therefore possible to control the cooling rate in order to meet the requirements of the mechanical properties. By adapting the electromagnetic weld pool support to the laser and laser hybrid welding process, the application potential of these technologies for industrial implementation can be drastically increased.
Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich bei laserstrahlhybridgeschweißten Rundnähten
(2019)
Die Laserstrahl-Hybrid-Schweißtechnologie erweist sich in der schweißtechnischen Fertigung immer mehr als innovative Alternative gegenüber anderen Schweißverfahren. Obwohl das Laserstrahl-Hybridschweißverfahren viele wirtschaftliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren aufweist, wie z.B. große Einschweißtiefe und dadurch eine reduzierte Anzahl von Schweißlagen, geringe thermische Belastung des Grundwerkstoffes aufgrund reduziertem Wärmeeintrag, konnte das Schweißverfahren überwiegend für das Schweißen von Längsnähten demonstriert werden. Eine Vielzahl von Schweißaufgaben, z.B. beim Schweißen von Segmenten von Windkraftanlagen oder dem Orbitalschweißen beim Verlegen von Großrohrleitungen sieht vor, dass die zu schweißenden Bauteile mit einer Rundnaht zusammengefügt werden. Die schweißtechnische Herausforderung ist hier, dass beim Schließen einer Rundnaht mit der Entstehung eines fehlerbehafteten Überlappbereiches zu rechnen ist. Ein zentrales Problem im Überlappbereich einer laserstrahl- sowie laserhybridgeschweißten Rundnaht ist die Bildung von Imperfektionen wie Poren, Rissen sowie die Bildung eines Endkraters, welcher als geometrische Kerbe wirkt. Bisher liegen keine universellen Lösungen zur fehlerfreien Ausführung von geschlossenen Rundnähten beim Laserstrahl-Hybridschweißen vor. Diese Studie befasst sich mit der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Entstehung von o.g. Schweißimperfektionen vermieden wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht werden kann. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von Schweißversuchen an 9,5 mm dicken Rohabschnitten aus hochfestem Pipelinestahl X100Q mit Variation der Prozessparameter wie der Laserleistung, der Defokussierung des Laserstrahls sowie der Endkraterfüllzeit im Überlappbereich der Rundnaht durchgeführt. Nachfolgend werden die erzielten Ergebnisse dargestellt und diskutiert.
Results of experimental investigations of the relationship between laser-hybrid welding process parameters, type of the filler metal and the mechanical properties of the welds made from 9% nickel cryogenic steel X8Ni9 are discussed. The results contribute to the development and conversion in the industrial practice a new laser beam-based welding technology for the automated manufacturing of LNG tanks. The remarkable heterogeneity in the chemical composition of the weld metal as well as an insufficient impact toughness could be indicated by using austenitic filler wire. The most promising results were achieved by applying 11%Ni filler wire, which is similar to the base material. A correlation between impact toughness and wire feeding speed could be shown. The highest impact toughness was 134 J at -196°C. The laser-hybrid welds passed the tensile test. The failure stress of 720 MPa with a fracture location in the base metal was achieved for all samples tested.
Single-pass Hybrid Laser Arc Welding of Thick Materials Using Electromagnetic Weld Pool Support
(2019)
Hybrid laser-arc welding process allows single-pass welding of thick materials, provides good quality formation of joints with minimal thermal deformations and a high productivity in comparison with arc-based welding processes. Nevertheless, thick-walled steels with a thickness of 20 mm or more are still multi-pass welded using arc welding processes, due to increased process instability by increasing laser power. One limitation factor is the inadmissible formation of gravity drop-outs at the root. To prevent this, an innovative concept of electromagnetic weld pool support is used in this study. With help of such system a stable welding process can be established for 25 mm thick steel plates and beyond. Sound welds could be obtained which are tolerant to gaps and misalignment of the welded parts. The adaptation of this system to laser and hybrid laser-arc welding process can dramatically increase the potential field of application of these technologies for real industrial implementation.
This work aims to find the thermal cycles during and after fusion welding through simulation by first calculating the resulting local temperature field in the quasi-stationary part of the process. Here complete-penetration keyhole laser beam welding with a laser power of 18 kW on a 15 mm thick slab of a low-alloyed steel at a welding speed of 2 m/min is considered. In order to physically depict the laser material interaction a multi-physics numerical model including the effects of phase transformation, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature is developed. It uses a fixed keyhole geometry with a right truncated circular cone shape to introduce the laser beam energy to the workpiece. In a subsequent study, the resulting local temperature field is then used as an equivalent heat source in order to predict the unsteady thermal cycle during and after fusion welding. The translational movement of the laser beam through the workpiece is represented by a moving mesh approach. For the simulation, stationary heat transfer and fluid dynamics are described by a system of strongly coupled partial differential equations. These are solved with the commercial finite element software COMSOL Multiphysics 5.0. The results of the numerical simulation are validated by experiments, where the weld bead shapes and the thermal cycles show good correlation.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Implants) auf Stahloberflächen durch ein diskontinuierliches Dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeig-net, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden konnte, ohne dass Materialdefekte wie Risse oder Poren auftraten.
Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss implantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu ermitteln. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an TiB2 implan-tierten Zonen sowie an punktuell umschmelzstrukturierten Zonen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund erhöhter Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Se-kundärphasen, durch die der Restaustenitanteil zudem deutlich reduziert wird.
In this study, the influence of the welding speed and the arc power on the solidification crack formation for partial penetration laser hybrid welded Thick-Walled plates were investigated. Experimentally, a linear correlation between the welding velocity and the crack number was observed. That is by reducing the welding velocity the crack number was reduced.
The reduced welding velocity showed a strong impact on stress, as the model demonstrated a very lower stress amount in comparison to the reference case. The reduction of the welding speed could be a helpful technique to reduce the hot cracking. The wire feed speed showed a very slight influence on the crack formation. That can be returned to the large distance between the critical region for cracking and the arc region.
Plasma-Transferred-Arc (PTA) welding is a process that enables high deposition rates, but also causes increased thermal load on the component. Laser based Direct Energy Deposition (DED) welding, on the other hand, achieves a high level of precision and thus comparatively low deposition rates, which can lead to high processing costs. Combining laser and arc energy aims to exploit the respective advantages of both technologies.
In this study, different possibilities of this process combination are presented using a PTA system and a 2 kW disk laser. This includes the combination in a common process zone as a highspeed plasma laser cladding technology (HPLC), which achieves process speeds of 10 m/min. Besides that it is being examined whether a pre-running plasma arc can be used to coat difficult-to-weld rail steel with a carbon content of 0.8 % due to a preheating effect. Furthermore, a smoothing of the coating by a plasma arc following the laser is investigated.
The shape of the parts, created by the technology of direct laser metal deposition (DLMD), is influenced by various parameters, for example, the power and diameter of the laser source spot. The contribution of energy from the laser affects the temperature distribution in the formed layers. The changing temperature in the working area entails a Change in the geometry of the layers and affects the stability of the process. In this paper, experiments on the measurement of temperature cycles in the DLMD process with different directions of the filling track are carried out. An infrared camera was used to measure thermal cycles. The calibration of the acquired data (i.e. correspondence table between the intensity of thermal radiation of the material and the absolute temperature) was done with help of two-color pyrometer ex situ and in situ measurements. The experiments are carried out on two materials 316L and Inconel 718. The effect of the maximum temperature on the layer height is shown, and thermal cycles in the formation of layers for different filling strategies are presented.
Additive manufacturing is no longer just used for the production of prototypes but already found its way into the industrial production. However, the fabrication of massive metallic parts with high geometrical complexity is still too time-consuming to be economically viable. The combination of the powder bed-based selective laser melting process (SLM), known for its geometrical freedom and accuracy, and the nozzle-based laser metal deposition process (LMD), known for its high build-up rates, has great potential to reduce the process duration. For the industrial application of the SLM-LMD hybrid process chain it is necessary to investigate the interaction of the processes and its effect on the material properties to guarantee part quality and prevent component failure. Therefore, hybrid components are manufactured and examined before and after the heat treatment regarding the microstructure and the hardness in the SLM-LMD transition zone. The experiments are conducted using the nickel-based alloy Inconel 718.
In the last decade, high-strength fine grained steels and welding consumables have gained a strong raise of application ranging from mobile cranes to bridge constructions. However, the cracking susceptibility of these steels increases significantly in correspondence with the achieved improvements in yield strength and the loss in plastic deformation reserves.
In order to determine this behavior a series of different standardized cold cracking tests has been developed. One remaining major problem of these tests is the uncertainty about the quantitative intensity of the restraint conditions as well as the corresponding welding residual stresses.
Consequently, the comparison of different tests and welding conditions as well as the transferability of the results onto real parts is difficult at best. The main topic of this paper is the analysis of the restraint conditions and their link with the welding induced residual stresses. The importance of the given standardized selfrestrained tests and first results about the transferability of
results onto real parts are discussed. The influence of the test specimen geometry on the restraint conditions of the test is investigated for a selected test with numerical Simulation using commercial FEA software. Additionally, the residual stresses caused by the welding process are measured and linked with the restraint conditions which are defined mainly by the geometry parameters.
Finally the transferability of the selected cold cracking test results is validated experimentally. The test results of a multilayer weld on high-strength fine grained steel of real size weldments are investigated. For these experiments a 16 MN large scale testing facility is used which is capable of applying the high reaction forces and clamping conditions found at large scale demonstrator parts.
The results show the importance of the quantitative knowledge of the restraint conditions and the welding residual stresses on the cold cracking resistance.
Laserhybridschweißen von dickwandigen Stählen mit elektromagnetischer Schmelzbadunterstützung
(2019)
Die steigenden Anforderungen in Hinsicht auf Sicherheitsfaktoren von gefügten Bauteilen führen zu einer Zunahme der zu schweißenden Bauteildicken. Das Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren – verbreitet im industriellen Einsatz vor allem im Schiffs- und Windkraftanlagenbau – ermöglicht das einlagige Fügen von dickwandigen Strukturen. Eine Herausforderung stellt das Schweißen von dickwandigen Bauteilen mit reduzierter Geschwindigkeit in Wannenlage (PA-Position) da. Sie ist aufgrund des erhöhten hydrostatischen Druckes und die daraus resultierenden Tropfenbildung an der Wurzelseite bedingt realisierbar. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Dabei werden unterhalb der Schweißzone mit Hilfe eines extern angelegten oszillierenden Magnetfeldes Wirbelströme im Werkstück induziert, die eine nach oben gerichtete Lorentzkraft erzeugt. Die Lorentzkraft wirkt dem hydrostatischen Druck entgegen und stellt einen sicheren Schweißprozess ohne Tropfenbildung dar. Mit dem Hybridschweißverfahren mithilfe der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung gelingt es mit einem 20-kW Faserlaser bis zu 30 mm dicke Bleche in einer Lage zu schweißen. Bei 25 mm dicken einlagig geschweißten Platten aus S355 konnte ein Spalt bis 1 mm und ein Kantenversatz bis zu 2 mm sicher überbrückt werden. Die Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung zur Folge und begünstigt außerdem die mechanisch-technologischen Eigenschaften, infolge der reduzierten Abkühlgeschwindigkeit. Durch die geringe Martensitbildung führt dies zu einer Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit.
Der vorgestellte Modellierungsprozess dient zur Abschätzung einer geeigneten äquivalenten Wärmequelle und Berechnung des thermischen Verhaltens beim Laserstrahlschweißen. Die Methode Kombiniert die Vorteile von gägngigen Simulationsverfahren und reduziert die berücksichtigte Anzahl an physikalischen Aspekten und Kalibrierungsparameter. Durch die modellierten physikalischen Phänomene konnten die Informationen über die Strömung im Schmelzbad und dessen Einfluss auf die resultierende lokale Temperaturverteilung und folglich auf das transiente Temperaturfeld gewonnen werden. Dadurch wurde die Simulatioszeit(inkl. Kalibrierungsaufwand) auf weniger als einen Tag Rechenzeit verringert.
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine ent-scheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierun-gen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik er-habener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Be-schichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und sepa-rierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandibo-rid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Puls-leistung und Pulsdauer zu steuern.
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine entscheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierungen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik erhabener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Beschichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und separierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandiborid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Pulsleistung und Pulsdauer zu steuern.
Elektromagnetische Porenreduktion beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckgusslegierungen
(2019)
Innerhalb der vorliegenden Untersuchung wurde ein elektromagnetisches Schmelzbadbeeinflussungssys-tem zur Reduktion des Porenanteils beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckguss verwendet. Hierbei wird der Unterschied der elektrischen Leitfähigkeiten zwischen Gas- bzw. Lufteinschlüssen und geschmolzenem Aluminium gezielt genutzt, um die im Schmelzbad eingeschlossenen Poren während des Laserstrahlprozesses zur Oberfläche zu verdrängen. Die dafür erforderlichen Lorentzkräfte werden durch ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt. Bei den Laserstrahlschweißversuchen handelt es sich um Ein-schweißungen in Wannenlage (PA-Position) von 6 mm dickem Aluminium-Druckguss AC-AlSi9MnMg. Über einen zuvor optimierten Laserschweißprozess wurde durch zusätzlichen Einsatz eines elektromag-netischen Feldes dessen Wirkung hinsichtlich des Porengehaltes und der Oberflächenrauheit untersucht. Die Auswertung der Schweißnähte erfolgte anhand von Querschliffaufnahmen, Röntgenbildern sowie Computer-Tomographie (CT) Aufnahmen. In Abhängigkeit von der verwendeten magnetischen Fluss-dichte konnte eine Reduktion des Porenanteils von bis zu 75 % erzielt werden, wobei vor allem großvolu-mige Poren erfolgreich aus dem Schmelzbad entfernt werden konnten. Zudem konnte eine Reduktion der Oberflächenrauigkeit von ebenfalls bis zu 75 % erreicht werden.
The shape of the weld pool in laser beam welding plays a major role to understand the dynamics of the melt and its solidification behavior. The aim of the present work was its experimental and numerical investigation. To visualize the geometry of the melt pool in the longitudinal section a butt joint configuration of 15 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used. The weld pool shape was recorded by means of a high-speed video camera and two thermal imaging MWIR and VIS cameras. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The regions close to the surface form a teardrop shaped weld pool. A bulge-region and its temporal evolution were observed approximately in the middle of the depth of the weld pool. Additionally, a transient numerical simulation was performed until reaching a steady state to obtain the weld pool shape and to understand the formation mechanism of the observed bulging phenomena. A fixed keyhole with an experimentally obtained shape was used to represent the full-penetration laser beam welding process. The model considers the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature. It was found that the Marangoni convection and the movement of the laser heat source are the dominant factors for the formation of the bulging-region. Good correlation between the numerically calculated and the experimentally observed weld bead shapes and the time-temperature curves on the upper and bottom surface were found.
Laser-Metal-Deposition (LMD) and Plasma-Transferred-Arc (PTA) are well known Technologies which can be used for cladding purposes. The prime objective in combining LMD and PTA as a Hybrid Metal Deposition-Technology (HMD) is to achieve high Deposition rates at low thermal Impact. Possible applications are coatings for wear protection or repair welding for components made of steel. The two energy sources (laser and Plasma arc) build a Joint process Zone and are configurated to constitute a stable process at laser powers between 0.4-1 kW (defocused) and Plasma currents between 75-200 A. Stainless steel 316L serves as filler material. For this HMD process, a Plasma Cu-nozzle is designed and produced by powder bed based Selective Laser Melting. The potential of the HMD Technology is investigated and discussed considering existing process. This paper demonstrates how the interaction of the two energy sources effects the following application-relevant properties: Deposition rate, powder Efficiency and energy Input.
The present research work encloses results of experimental investigations of the interaction between welding process parameters for laser-beam and hybrid-laser-arc as well as type of the filler metal and the achievable mechanical properties of the weld joints on steel grade X8Ni9+QT640 for cryogenic service containing 9% nickel. The results obtained contribute to the development and conversion in the industrial practice a new laser beam-based welding technology for the automated manufacturing of facilities for the liquefaction, storage and the transport of natural gases (LNG facilities). The results show, that the martensitic microstructure of the laser weld metal including low amount of retained austenite not exceeding 3.5% leads to the relatively low V-notch impact energy. The remarkable heterogeneity in the chemical composition of the weld metal through the weld thickness could be recognized in the case of hybrid-laser-arc welding with ERNiCrMo-3 austenitic filler metal, what also led to insufficient impact toughness of the weld metall. The most promising results could be achieved by using 11%Ni filler wire, which is similar to the base metal and provides a homogeneous microstructure with uniform distribution of Ni through the weld seam. It is remarkable, that a correlation between Charpy impact toughness and wire feeding speed and respectively process heat input exists. The highest toughness values were 134±58 J at -196C. The both laser as well as laser-hybrid welds passed the tensile test. The failure stress of 720±3 MPa with a fracture location in the base material was achieved for all samples tested.
The present research work aims at clarification of the effect of the welding electrode type on the mechanical properties of SMA welded joints of 9%Ni steel plates. Properties of produced SMA welded joints were evaluated using different non-destructive and destructive investigation methods. In comparison with the conventionally used Ni-based welding electrode ENiCrMo-3 (AWS A5.11), an experimentally produced non-conventional ferritic welding electrode with 11%Ni (ENi11-Company specification) has resulted in a better combination of the mechanical properties of SMA welded joints of this steel type for critical cryogenic applications. Besides, a positive economic impact for the experimentally produced non-conventional ferritic welding electrode, due to its lower cost, could be another attractive aspect.
In this study, a three-dimensional CFD-simulation model was developed to simulate the fluid flow in the weld pool. The CFD-model showed a bulging region in the middle of the depth, which is separated from the top surface and bottom surface by two narrowing regions. It can be concluded that the interaction of the movement of the laser source with the Marangoni vortex leads to a teardrop shape at the upper and bottom surface of the workpiece. Additionally, it shows that the bulging in the weld is a result of the backflows on the upper and lower sides due to the thermo-capillary-driven flows. The weld pool shape was used as a heat source in a two-dimensional thermomechanical model, which allows a highly accurate transformation of the weld pool dimensions obtained from the CFD model. This developed technique allows the consideration of physical aspects, which cannot be considered when using traditional heat sources. The mechanical model has shown that the chronological order of the solidification of the weld has a significant influence on the nature and distribution of the stresses in the weld. High tensile stress has been observed in the bulging region, i.e. in the susceptible region for solidification cracking, when compared to the other narrowing regions, which show compressive stress.
Hybrides Auftragschweißen: Potentiale des laserunterstützten Plasma-Pulver-Auftragschweißens (PTA)
(2018)
In diesem Beitrag wurden Untersuchungen zu einem neuartigen hybriden Laser-Plasma-Beschichtungsverfahren vorgestellt. Mit dem Ziel, die Produktivität und Wirtschaftlichkeit von Korrosions- und Verschleißschutzschichten zu steigern, wurde das kostengünstige PTA-Verfahren durch einen Laser als zweite Energiequelle ergänzt. Die vorlaufende Laserstrahlung stabilisiert den Plasmalichtbogen und ermöglicht erst eine Auftragsschweißung bei hohen Geschwindigkeiten. Die hohen Auftragraten von 4,2-5,7 kg/h bei gleichzeitig Streckenenergien von 630-720 J/cm zeigen das mögliche Potential des vorgestellten hybriden Ansatzes. In weiteren Untersuchungen muss der Prozess z.B. in Bezug auf die Oberflächenwelligkeit der Beschichtungen über eine Parameteroptimierung weiter verbessert werden. Nach den bisherigen gesammelten Erfahrungen mit dem Hybridprozess ist davon auszugehen, dass durch eine Anpassung der Energiedichteverteilung das Lasers, die Prozessgeschwindigkeiten noch einmal gesteigert werden können.
In the article considered the problem of hot cracks occurrence during laser welding process. The main reason of their appearance is strain. The optical method for measuring full field strain locally near the solidification front during laser welding process is proposed. The proposed method of optical measurement allows to determine the real values of the critical strain for various materials characterizing the occurrence of hot cracks in laser welding process.
Laser Metal Deposition (LMD) as a technology for additive manufacturing allows the production of large components outside of closed working chambers. Industrial applications require a stable process as well as a constant deposition of the filler material in order to ensure uniform volume growth and reproducible mechanical properties. This paper deals with the influence of travel path strategies on temperature profile and material deposition. Meandering and spiral hatching strategies are used in the center as well as in the edge of a specimen. The temperature is measured with thermocouples attatched to the backside of the specimen. The tests are carried out on the materials S235JR and 316L. The results show a strong dependence of the maximum temperatures on the travel path strategy and the welding position on the component.
Zur Effizienzsteigerung beim Einsatz von Lichtbogenverfahren für Fügeaufgaben im Dickblechbereich werden häufig angepasste Verfahren mit möglichst geringer Nahtquerschnittsfläche angewendet, beispielsweise das MSG-Engspaltschweißen für I-Nähte. Die Herausforderung für die Automatisierung des Verfahrens besteht neben der komplexen Prozessführung auch in der oftmals schlechten Zugänglichkeit der Prozesszone für optische Sensorik, weswegen verstärkt auf prozessorientierte Sensorik zurückgegriffen wird. Zur Steigerung des Prozessverständnisses und Entwicklung neuer Regelungskonzepte wurde ein Versuchsaufbau umgesetzt, der sowohl optische Messsysteme als auch prozessorientierte Sensorik in einer gemeinsamen Steuerungsumgebung vereint. Die umfassende prozessbegleitende Sensorik ermöglicht die sukzessive Erweiterung des Prozesswissens, welches direkt zur Umsetzung neuer Steuer- und Regelalgorithmen basierend auf Regressionsmodellen genutzt werden kann. Der gemeinsame Einsatz optischer und prozessorientierter Sensorik wurde zur Auslegung eines Lichtbogensensors zur Höhenführung genutzt. Die Versuchsdurchführung mit dem Ziel der Ableitung nichtlinearer Regressionsmodelle erfolgt automatisiert mit Hilfe eines optischen Sensors. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt dabei neben der schnellen Umsetzbarkeit in der direkten Korrelation der Messwerte zu realen physikalischen Systemgrößen und der schnellen Adaption auf unterschiedliche Schweißparameter und -prozesse.
Das Laser-MSG-Hybridschweißverfahren führt bei untersuchten hochfesten Pipelinestählen API X80 und X120 reproduzierbar zu Schweißverbindungen mit anforderungsgerechten Zähigkeitseigenschaften.
Eine metallurgische Beeinflussung der Schweißnahtzähigkeit ist durch eine gezielte Auswahl des Zusatzwerkstoffes möglich, wobei die maximale Eindringtiefe des Zusatzwerkstoffes in die Tiefe der Laserhybridnaht zu beachten ist.
Die maximal erzielbare Eindringtiefe des Zusatzwerkstoffes ist auf ca. 14 mm begrenzt. Die eingesetzte Art des MSG-Lichtbogens hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Aufmischung im Laseranteil der Laserhybridnaht.
Die besseren Ergebnisse der Kerbschlagzähigkeit konnten mit Metallpulverdrähten erreicht werden.
Mit den erzielten gemittelten Werten der Schlagarbeit: ca. 200 J bei -60°C für X80 und ca. 53 J bei -40°C für X120 werden Anforderungen der Norm API 5L und DIN EN 10208-2 für die beiden untersuchten Grundwerkstoffe erfüllt.
Das bislang zur Vermeidung unzulässiger Wurzelüberhöhungen beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen bzw. austenitischem Stahl eingesetzte Verfahren der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnte innerhalb der vorliegenden Untersuchung erfolgreich zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von ferromagnetischen Stählen übertragen werden. Es wurden dabei Laserstrahlschweißversuche in PA-Position an bis zu 20 mm dickem Duplexstahl 1.4462 sowie Baustahl S235JR durchgeführt. Unter konstanten Schweißparametern wurden Durchschweißungen generiert. Dem hydrostatischen Druck wurde unter Verwendung der Technologie zur elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung durch Variation der Oszillationsfrequenz und der AC-Leistung des Magnetsystems entgegengewirkt.
Zunächst konzentrierten sich die Versuche auf den Duplexstahl 1.4462, welcher jeweils aus 50 % Ferrit und Austenit besteht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass zur idealen Kompensation von 15 mm bei einer Frequenz von 1,7 kHz eine AC-Leistung von 1,6 kW erforderlich ist, die Schweißnähte aber bereits bei einer AC-Leistung von ca. 0,8 kW in die Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 13919-1:1996-09 eingeordent werden können. Zur idealen Kompensation des hydrostatischen Druckes bei 20 mm dickem Duplexstahl war eine um 20 % höhere AC-Leistung notwendig. Im Anschluss an die Versuche mit dem Duplexstahl wurden die Untersuchungen auf bis zu 20 mm dicke Proben aus Baustahl S235JR erweitert. Für 15 mm konnten die Schweißnähte bei einer Frequenz von 1,7 kHz ab einer AC-Leistung von 1,3 kW in die Bewertungsgruppe B eingeordnet werden. Zur idealen Kompensation von 20 mm dickem Baustahl war eine AC-Leistung von 1,6 kW bei einer Frequenz von 636 Hz nötig. Mit steigender AC-Leistung konnte in allen Versuchsreihen eine sukzessive Verringerung
der Wurzelüberhöhung demonstriert werden.
Automatisierungs- und Regelkonzepte für das MSG-Engspaltschweißen - Pendel- und Füllgradregelung
(2018)
Das MSG-Engspaltschweißen eignet sich auf Grund der I-Nahtvorbereitung besonders für das wirtschaftliche Fügen bei hohen Blechdicken über 100 mm und bietet darüber hinaus zusätzliche technologische Vorteile. Für die automatisierte Anwendung des Verfahrens unter Produktionsbedingungen muss dabei die Prozesssicherheit auch für mitunter große Variationen der Spaltbreite entlang der Schweißnaht gesichert bleiben. In erster Linie betrifft dies bei mechanischer Auslenkung der Drahtelektrode die Adaption der Pendelbewegung auf die jeweilige Spaltbreite um eine ausreichende Flankenanbindung zu garantieren. Für die Online-Regelung der Pendelbewegung mittels Lichtbogensensorik wurde eine Methode implementiert die die notwendigen Pendelwinkel an jeder Nahtflanke unabhängig ermittelt und darüber hinaus Fehlstellungen des Brenners sowie Veränderungen des Kontaktrohrabstandes und der Prozessparameter eigenständig kompensiert. Eine Füllgradregelung auf Grundlage optischer Erfassung und Auswertung der Schweißnahtgeometrie wurde zusätzlich eingesetzt um bei veränderlichen Nahtquerschnittsflächen einen vorgegebenen, gleichbleibenden Lagenaufbau zu erzielen.
An approach to develop an arc sensor for gap-width estimation during automated NG-GMAW with a weaving electrode motion is introduced by combining arc sensor readings with optical measurement of the groove shape to allow precise analyses of the process. The two test specimen welded for this study were designed to feature a variable groove geometry in order to maximize efficiency of the conducted experimental efforts, resulting in 1696 individual weaving cycle records with associated arc sensor measurements, process parameters and groove shape information. Gap width was varied from 18 to 25 mm and wire feed rates in the range of 9 to 13 m/min were used in the course of this study. Artificial neural networks were used as a modelling tool to derive an arc sensor for estimation of gap width suitable for online process control that can adapt to changes in process parameters as well as changes in the weaving motion of the electrode. Wire feed rate, weaving current, sidewall dwell currents and angles were used as inputs to calculate the gap width. Evaluation the proposed arc sensor model show very good estimation capabilities for parameters sufficiently covered during experiments.
Die transiente nichtlineare 3D-Wärmeleitungsgleichung wurde zur numerischen Lösung mittels der Finite-Elemente-Methode im Ort und mittels explizitem Eulerschema in der Zeit diskretisiert. Der resultierende Algorithmus wurde in ein Computerprogramm überführt wobei besonderer Wert auf paralleles Rechnen gelegt wurde. Das Programm wurde auf die numerische Berechnung eines schweißtypischen transienten Temperaturfelds angewandt. Die Rechenzeit und Skalierbarkeit des Computerprogramms bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne wurde untersucht und mit dem kommerziellen FEM Programm Abaqus 6.14 verglichen. Die Anwendung der expliziten Zeitintegration resultiert in verbesserter Skalierbarkeit bezüglich der Anzahl verwendeter CPU Kerne und Rechenzeitersparnis gegenüber der in Abaqus implementierten impliziten Zeitintegrationsmethode.
Laser metal deposition is described with its applications for additive manufacturing. The necessary process chain is discussed, with regard to weld bead dimensions and 3D build-up strategy. Metallurgical cross sections, x-ray and tensile tests are conducted. As demonstrative components, a gas turbine burner and a turbine blade are shown.
Magnesium (Mg) alloys have attracted much attention due to their merits of meeting requirements of lightweight, energy-efficient and environmental friendly engineering. In this study, a modified refill friction stir spot welding (refill-FSSW) method is proposed to weid AMSO Mg alloy, in which pin and sleeve rotate at different states. Effects of process parameters on the microstructure, material flow, and mechanical properties of welds were studied. Results showed that, the modified refill-FSSW technology could enhance the intennixing of material by changing the flow state. Lap shear strength of welds could be significantly improved with changed failure modes. The modified refill FSSW technology is a competitive welding method for Mg alloy.
The safe joining of new, freshly developed steel types keeps challenging the industry–and is assumed to go on in doing so. In the body-in-white production, these materials are mainly joined using resistance spot welding. During the past ten years, various investigations on resistance spot welding of advanced high strength steels have been carried out at Fraunhofer IPK and the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM). This paper aims to give an overview about both the top former and recent studies and results. The investigated topics are the influences of manufacturing conditions as initial gaps and restraints on spot welds, their impact on the fatigue strength of a joint and the cracking-wise safe weldability of AHSS.
Caused by non-ideal manufacturing conditions, cracks in spot welds (e.g. caused by liquid metal embrittlement) are still regarded as a potential risk in industrial practice. Therefore, a method to evaluate the safe weldability regarding the cracking susceptibility was developed for AHSS. The method is easy to perform, even without expensive laboratory equipment. It allows the end user to establish a material ranking regarding the cracking susceptibility of the handled steels. Recently, coupled thermo-mechanical finite element modelling has been used to describe critical stress-strain conditions responsible for the occurrence of liquid metal embrittlement, and to improve the understanding of the process.
Vorhersage zur Bauteilmaßhaltigkeit bei der additiven Fertigung mittels Schweißstruktursimulation
(2017)
Ziel bei der Anwendung von Schweißstruktursimulation in der additiven Fertigung ist die Anzahl an notwendigen Experimenten bis zur Erreichung von Maßhaltigkeit und gewünschter Bauteilqualität zu reduzieren. Für die Laser-Metal-Deposition besteht durch die im Vergleich zu pulverbettbasierten Verfahren größeren Auftragsraten und Spurgrößen - die Möglichkeit, schon heute volltransiente thermomechanische Simulationen für kleine Bauteile durchzuführen. Da das Bauteil nicht von Pulver umschlossen ist, kann im Prozess die Wärmeverteilung und der Bauteilverzug gemessen werden.
In diesem Vortrag wird der Arbeitsablauf beim additiven Aufbau einer kleinen Struktur aus Inconel 718 demonstriert. Im Experiment werden die Temperaturverteilungen mittels Thermoelementen sowie der Verzug der Bodenplatte durch einen Laserabstandssensor gemessen. Die phänomenologische Wärmequelle in der Simulation wird anhand von Temperaturmessungen und Querschliffen kalibriert und der mechanische Verzug der Basisplatte wird mit in-situ Messwerten abgeglichen.
Abschließend wird die Rechenzeit des Modells bewertet und gezeigt wie die Simulation die Bauteilqualität vorhersagen kann.
Die Weiterentwicklung des Laser-Pulver-Auftragschweißens im Bereich der additiven Fertigung stellt dieses Verfahren vor neue Herausforderungen.
Bauteile können schnell und endformnah hergestellt werden, was diese Technik für den Prototypenbau sowie Kleinserienfertigung interessant macht.
Die Vielzahl an Varianten, um ein Volumen aus einzelnen Schichten aufzubauen, erhöhen die Möglichkeiten die Eigenschaften des entstehenden Bauteils zu beeinflussen. Hierfür müssen Strategien entwickelt werden, welche einen gleiclunäßigen Materialauftrag bei gleichzeitig optimalen Materialeigenschaften gewährleisten.
Die durchgeführten Untersuchungen behandeln den Einfluss von Pendelstrategien sowie Spiralstrategien auf die Temperaturentwicklung und stellen diese vergleichend gegenüber. Um den unterschiedlichen Bedingungen bei der Bauteilfertigung Rechnung zu tragen, wurden Versuche in Randbereichen sowie im zentralen Bereich des Testobjekts untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit angepasste Baustrategien zu entwickeln, um durch einen stabilen Fertigungsprozess Qualität und Eigenschaften eines Bauteils gewährleisten zu können.
Laser metal deposition (LMD) has been applied as coating technology for many years. Today, the technologies capacity to produce 3D depositions leads to a new field of application as additive manufacturing method. In this paper, 3D laser metal deposition of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied with special regard to the demands of additive manufacturing. Therefore, only the powder nozzle is used to create the shielding gas atmosphere, which ensures high geometric flexibility. Furthermore, specimen with high aspect ratio and hundreds of layers are manufactured, which represent typical features in additive manufacturing.
Laser Metal Deposition offers the chance to build near net shape parts. The temperature evolution within the process has an influence on track and layer geometries. There are special travel path strategies required to produce near net shape components and reduce shape deviation resulting of error propagation.
This paper deals with the temperature progression of individual layers and the maximum heating of deeper substrate regions. Spiral and zig-zag strategies are examined. The investigations are carried out using S235JR as substrate and 316L as powder material. The influence of different strategies on temperature evolution is discussed.
The results from the experiments show that various production strategies are associated with different temperature fields. Furthermore, the extent of the temperature variations of layer strategies and layer position are strongly dependent on the production direction. These results demonstrate the importance of developing suitable build-up strategies for parts of complex shape to ensure a stable process with constant temperature as well as even layers.
Transient Process Simulation of Heat Transfer in Laser Beam Welding with an Equivalent Heat Source
(2017)
This paper presents a multiphysics modelling framework developed for the prediction of the three-dimensional transient temperature field of the laser welding process. The numerical model consists of two studies. In the first study, a steady-state CFD process simulation of full-penetration keyhole laser beam welding was performed. Considering the effects of, thermo-capillary and natural convection, latent heat of fusion and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature the local weld pool geometry and temperature field were obtained. These results were used in the second subsequent study as an equivalent volumetric heat source by the prediction of the transient thermal cycle during and after fusion welding. Here the energy input and the movement of the heat source were realized by a novel technique, making use of pointwise constraints and a moving mesh provided with helper lines and additional remeshing condition. The numerically calculated results were compared to experimentally observed weld pool shapes and time-temperature curves showing a very good agreement.
Die experimentellen Untersuchungen innerhalb dieses Berichtes zeigen die erfolgreiche Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laser-strahl(hybrid)schweißen von ferromagnetischen Stäh-len mit einer Werkstückdicke von bis zu 20 mm. Bis-lang wurde dieses System zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von Aluminiumlegierungen und austenitischen Stählen eingesetzt. Zunächst wur-den die Versuche an Duplexstählen vorgenommen, die jeweils zur Hälfte aus Austenit und Ferrit bestehen. Im Anschluss daran wurden die Versuche auf bis zu 20 mm dicke Werkstücke aus Baustahl erweitert. In-nerhalb der Versuchsreihen wurden die AC-Leistung sowie die Oszillationsfrequenz variiert. Für Werk-stückdicken von 15 mm war eine AC-Leistung von ca. 1 kW notwendig, um die Wurzelüberhöhung in die Bewertungsgruppe B der für laserstrahlgeschweißten Stähle gültigen DIN EN ISO 13919-1:1996-09 einord-nen zu können. Mit zunehmender AC-Leistung wird die Wurzelüberhöhung sukzessive reduziert. Nach erfolg-reicher Erweiterung auf ferromagnetische Werkstoffe wurde die Anwendung der Technologie für das Laser-strahlhybridschweißen demonstriert, indem praxisrele-vante Y-Nähte an 20 mm dicken Baustählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätz-lich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt.
Die Erweiterung des Anwendungsspektrums der elekt-romagnetischen Schmelzbadstütze auf ferromagneti-sche Werkstoffe sowie auf das Laserstrahlhybrid-schweißen eröffnet für zukünftige industrielle Anwen-dungen ein großes Potenzial. Das einlagige Schwei-ßen dickwandiger Bauteile mittels Hochleistungslasern wird in Kombination mit der elektromagnetischen Schmelzbadstütze attraktiver. In nachfolgenden Un-tersuchungen wird der Einsatz der elektromagneti-schen Schmelzbadstütze beim Laserstrahlhybrid-schweißen von Pipelinestählen angestrebt, v. a. im Hinblick auf die Spaltüberbrückbarkeit und der me-chanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Zudem ist beim Schweißen von Duplexstählen der Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu berücksichtigen, um das Gleichgewicht zwischen austenitischer und ferritischer Phasen zu stabilisieren.
Untersuchungen der Heißrissanfälligkeit laserstrahlgeschweißter Verbindungen austenitischer Stähle
(2017)
Die lokalen Dehnungen bzw. Dehngeschwindigkeiten im heißrisskritischen Temperaturintervall sind Funktionen des Temperaturfeldes im Nahbereich des Schmelzbades (Schweißverfahren, Werkstoff), der thermo-mechanischen Kennwerte des Versuchswerkstoffes sowie von außen aufgebrachten Verfor-mungen. Da die lokal vorherrschenden Dehnungen im Nahbereich des Schmelzbades nicht bzw. nur mit sehr aufwendigen Methoden ermittelt werden können, dienen bespielweise die im CTW-Test (Controlled Tensile Weldability) von außen aufgebrachten Dehnungen oder Dehnraten als Kriterium für die Heißriss-empfindlichkeit. In dieser Studie wurde CTW-Test zur Untersuchung der Heißrissresistenz verschiedenen austenitischen Stählen eingesetzt.
The present paper investigates the electromagnetic porosity reduction in partial penetration laser beam welding of 6 mm aluminum die casting AlSi9MnMg. Applying an electromagnetic field, a significant reduction of the porosity as well as smoothing of the surface of aluminum die casting can be observed. Starting from the reference case without an electromagnetic support, the porosity was reduced by 76 %. Especially big pores can be removed from the weld pool effectively due to their beneficial volume-to-area ratio whereas very small metallurgical pores tend to remain within the weld pool even when higher magnetic flux densities are applied.
Over the past decade, laser beam welding has significantly evolved and established itself as an efficient tool in the industry. Solidification cracking and the weldability of materials have been highly contentious issues for many years. Today, there are many self and externally loaded tests to investigate the hot cracking resistance of steels. The purpose of this paper is to compare the susceptibility of three stainless steel grades to hot cracking by using an externally loaded hot cracking test (CTW) and a self-restraint test in accordance with SEP-220-3. The repeatability and effectiveness of the results are discussed. The experimental results are widely dispersed, implying a low predictive value for the self-restraint test. On the other hand, the results from the externally loaded test exhibit excellent repeatability and provide a quantitative characterization of the susceptibility of steels to hot cracking.
Laser welding is a widely established manufacturing process in many industry sectors. Solidification cracking as well as the weldability of materials is still since many years a highly contentious issue, particularly regarding the causes of the hot crack formation. Many of studies have been conducted to determine the critical conditions of occurrence of the solidification cracking. In this study a 2D in-situ observation technique in conjunction with laser diodes as the illuminating source has been employed to measure the arising strain field during the laser beam welding process. For the first time the employed technique enabled the in-situ measurement of the transient strain field at the surface of the workpiece directed to the laser beam in the critical range, where the solidification cracking normally occurs. Thus the critical threshold strain values at high temperatures characterizing transition from crack free to crack concomitant welding process could be deduced.
Micrometric surface topologies are required for a wide range of technical applications.
While lowered surface features have been used for many years to improve the tribological behavior of contacting surfaces, there are also other fields of application, where the potential of elevated surface features is known, e. g. for metal forming tools. However, the demand for a high wear resistance of these structures often inhibits an industrial application. A solution is offered by structuring techniques that use additional material. A promising approach is the localized dispersing of hard ceramic particles by pulsed laser radiation, the so-called laser implantation. This paper describes the potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of laser implanted surfaces by means of microstructural and topological investigations. Afterwards, results of a wear test are given and different applications for this structuring technique are discussed. It can be shown that dome-shaped or ring-shaped structures on a micrometric scale can be produced with high hardness and wear resistance.
Numerical Sensitivity Analysis of TRIP-Parameter K on Weld Residual Stresses and Weld Distortion
(2016)
A combined experimental numerical approach is applied for a sensitivity analysis of the transformation induced plasticity (TRIP)-parameter K on welding residual stresses and welding distortion for the welding of the low-alloyed high-strength S960QOL with the high-alloyed hig-strength filler material CN13-4-IG. A thermo-mechanical FE model of a real GMA welding process was experimentally validated against termperature field, X-Ray stress measurments and optical distortion measurement. Within the sensititvity analysis K was varied and the influence on the calculated welding residual stresses and welding distortion is evaluated by performing corresponding FEA. The correct order of K magnitude is necessary in order to reproduce the residual stresses qualitatively and quantitatively. For the sufficient reproducing of the welding distortion the transformation induced plasticity can be neglected.
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.
The complex microstructure and the advanced mechanical properties of AHSS steel types lead to an increased susceptibility to weld cracking, especially during resistance spot welding under ‘rough’ manufacturing conditions.
Various activities have been conducted in recent years at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and the Fraunhofer IPK on this matter. Understandings about the safe spot weldability and the process of crack-forming itself were gained, and solutions for handling this issue given.
The performed work includes investigations on the influence of initial gaps as well as restraint intensity. An experimental method for the determination of the general cracking susceptibility, i.e. a material ranking of AHSS in respective to current restraints was developed. Coupled mechanical and thermal simulations of the welding process show the present internal stress-strain-conditions and values responsible for the formation of cracks, deepening the understanding of the process.
By using this easy to perform and material-independent method for the determination of the cracking susceptibility in resistance spot welded joints, small and medium sized companies can profit by rapidly evaluating the joinability of their handled material combinations as well as OEMs.
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 in dieser Studie vorgestellte einfache Probengeometrie zeigt sich in Verbindung mit der
angewandten Versuchs- und Auswertemethodik geeignet, um den umwandlungsplastischen (TRIP)-Parameter K unter Verwendung des thermomechanischen Simulators Gleeble® 3500 experimentell zu bestimmen.
Der TRIP-Parameter K wurde für die Grundwerkstoffe S355J2+N und S960QL, sowie für den hochlegierten Zusatzwerkstoff CN13-4 -IG bestimmt.
Die numerische Einflussanalyse zeigt, dass bei der Berechnung von (Oberflächen-)Schweißeigen-spannungen die Vernachlässigung des TRIP-Effektes kaum einen Einfluss auf die Längseigenspannungen hat. Im Gegensatz da zu resultieren gegenüber dem Referenzfall signifikante Abweichungen der
Quereigenspannungen im und um den Schweißnahtbereich.
Die Verdopplung des TRIP-Parameters K gegenüber dem Referenzfall hat nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Längs- sowie Quereigenspannungen auf der Oberfläche.
Für eine qualitative und quantitative numerische Nachbildung der experimentell bestimmten Längs- und Quereigenspannungen ist die Berücksichtigung der Größenordnung des material-abhängigen TRIP-Parameters K notwendig.
Build-up strategies for generating components of cylindrical shape with laser metal deposition
(2015)
Laser Metal Deposition LMD) as additive manufacturing process offers the potential to produce near net shape components. This reduces the amount of material and post-processing. The components are composed of individual layers. Already mall irregularities within a layer can add up over multiple layers and lead to error propagation. This paper deals with the issue of build-up strategies to minimize irregularities and prevent error propagation. Different travel paths and the influence of a changing starting point regarding to error propagation are discussed. Different deposition rates between core and peripheral area are detected and successfully compensated by adjusting the build-up sequence. Stainless steel and titanium alloy Ti-6Al-4V are used in the experiments. The results are intended to illustrate the potential of an adjusted build-up strategy and provide basic information on the way to an automated deposition process. This paper is of interest for engineers in industry or science using LMD as additive manufacturing process.
High-power laser beam welding became new stimuli within the last 10 years due to the availability of a new generation of high brightness multi kilowatt solid state lasers. In the welding research new approaches have been developed to establish reliable and praxis oriented welding processes meeting the demands of modern industrial applications during this time. The paper focuses on some of the current scientific and technological aspects in this research field like hybrid laser arc welding, simulation techniques, utilization of electromagnetic fields or reduced pressure environment for laser beam welding processes, which contributed to the further development of this technology or will play a crucial role in its further industrial implementation.
Maintenance, repair and overhaul of components are of increasing interest for parts of high complexity and expensive manufacturing costs. In this paper a production process for laser metal deposition is presented, and used to repair a gas turbine burner of Inconel 718. Different parameters for defined track geometries were determined to attain a near net shape deposition with consistent build-up rate for changing wall thicknesses over the manufacturing process. Spot diameter, powder feed rate, welding velocity and laser power were changed as main parameters for a different track size. An optimal overlap rate for a constant layer height was used to calculate the best track size for a fitting layer width similar to the part dimension. Deviations in width and height over the whole build-up process were detected and customized build-up strategies for the 3D sequences were designed. The results show the possibility of a near net shape repair by using different track geometries with laser metal deposition.
The numerical simulations of high power laser keyhole welding at different welding positions are performed by using Volume-Of-Fluid (VOF) method. The main material is SS400. The multi-physics phenomenon is considered using several models, such as the heat flux of Gaussian heat source, the recoil pressure with Clausisus-Clapeyron equation, the Marangoni flow considering temperature gradient, the buoyancy force with Boussinesq approximation, the additional shear stress and heat source due to metallic vapor ejected through keyhole entrance, the bubble formation assumed as adiabatic bubble, and the multiple-reflection by solving proper discriminant, are used. To analyze the fluid flow pattern, the concept of streamline formed by reconstructing the value of the velocity vector is applied.
Partial and full penetration cases at different welding positions are considered. The welding position seems to have only a minor influence on bead formation characteristics in both cases. This is probably due to the fact that the recoil pressure has a major influence when compared to other driving forces. The flow characteristics and fluid velocity in weld pool are analyzed to compare the gravity direction effect at different welding positions. It is observed that the clockwise flow pattern is mainly formed by the recoil pressure on the keyhole surface in the case of partial penetration. The laser energy can't maintain the whole weld pool when the weld pool size becomes too large. And then the solidification starts from the middle part of weld pool and a necked weld pool shape is formed. In the full penetration welding, the weld pool flow patterns are affected by the leakage of laser power through the full penetration keyhole and also by surface tension. Furthermore, the numerical simulation of full penetration welding with AISI316L is also performed to analyze the effect of material properties. The weld bead shapes obtained by simulations were compared with the corresponding experimental results to confirm the validity of the process models adopted and the CFD simulation tool.
Experimental study and numerical simulation of hot crack formation for novel laser weldability test.
(2015)
Laser beam welding is a widely established manufacturing process in several industries. The solidification cracking seriously effecting the safety of welded joints could arise during the beam welding of stainless steels caused by high solidification rates. In this study the controlled tensile weldability test (CTW) was used to investigate the solidification cracking susceptibility the fully austenitic stainless steels CrMnNi (1.4376), CrNi (1.4301), CrNiMo (1.4404) and CrNiSi (1.4828) during laser beam welding. The test facility allows welding of specimens with simultaneous application of tensile load along or cross to the welding direction while the speed of tensile force application is either constant or increases linearly. The tensile force increment and/or the displacement are set by means of a CNC controller. Trials were conducted by varying the ultimate tensile strain and cross-head speed while keeping the welding parameters constant. By observing the crack-no crack behaviour and estimating the generated crack length for each trail using a new optimized experimental procedure the influence of the two important conditions (the strain and the strain rate) for the formation of solidification cracks can be investigated, the critical values of strain and strain rate that are responsible for solidification cracking formation have been determined. In the present study a three-dimensional FEM using the contact element technique was developed to simulate the solidification cracking during laser full penetration welding under external load conditions for the steel 1.4376 in order to get a better understanding of the mechanisms of hot crack initiation and the theoretical results were compared to the experimental ones. By comparing the resulting solidification crack with simulated crack, it is possible to determine the critical condition of solidification crack formation in the region where the strains and the strain rates cannot be measured due to the high temperature. The results show a good agreement between numerical calculation and experiment. It is proposed that the solidification cracking susceptibility may be predicted by FEM analysis by using the correct mechanical and thermo-physical constants of the materials.