Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding (UVeFSW) is a recent modification of conventional friction stir welding (FSW), which transmits ultrasonic vibration directly into the localized area of the workpiece near and ahead of the rotating tool. In this study, a high strength aluminium alloy (2024-T4) was welded by this process and conventional FSW, respectively. Then tensile tests, microhardness tests and fracture surface analysis were performed successively on the welding samples. The tests results reveal that ultrasonic vibration can improve the tensile strength and the elongation of welded joints. The microhardness of the stir zone also increases.
Among the various welding technologies, resistance spot welding (RSW) and laser beam welding (LBW) play a significant role as joining methods for the automobile industry. The application of RSW and LBW for the automotive body alters the microstructure in the welded areas. It is necessary to identify the mechanical properties of the welded material to be able to make a reliable statement about the material behavior and the strength of welded components. This study develops a method by which to determine the mechanical properties for the weldment of RSW and LBW for two dual phase (DP) steels, DP600 and DP1000, which are commonly used for the automotive bodies. The mechanical properties of the resistance spot weldment were obtained by performing tensile tests on the notched tensile specimen to cause an elongation of the notched and welded area in order to investigate its properties. In order to determine the mechanical properties of the laser beam weldment, indentation tests were performed on the welded material to calculate its force-penetration depth-curve. Inverse numerical simulation was used to simulate the indentation tests to determine and verify the parameters of a nonlinear isotropic material model for the weldment of LBW. Furthermore, using this method, the parameters for the material model of RSW were verified. The material parameters and microstructure of the weldment of RSW and LBW are compared and discussed. The results show that the novel method introduced in this work is a valid approach to determine the mechanical properties of welded high-strength steel structures. In addition, it can be seen that LBW and RSW lead to a reduction in ductility and an increase in the amount of yield and tensile strength of both DP600 and DP1000.
Resistance spot welding (RSW) is widely used in the automotive industry
as the main joining method. Generally, an automotive body contains
around 2000 to 5000 spot welds. Therefore, it is of decisive importance to characterize the mechanical properties of these areas for the further optimization and improvement of an automotive body structure. The present paper aims to introduce a novel method to investigate the mechanical properties and microstructure of the resistance spot weldment of DP1000 sheet steel. In this method, the microstructure of RSW of two sheets was reproduced on one sheet and on a bigger area by changing of the welding parameters, e. g. welding current, welding time, electrode force and type. Then, tensile tests in combination with digital Image correlation (DIC) measurement were performed on the notched tensile specimens to determine the mechanical properties of the weld metal.
The notch must be made on the welded tensile specimen to force the fracture and elongation on the weld metal, enabling the characterization of its properties. Additionally, the parameters of a nonlinear isotropic material model can be obtained and verified by the simulation of the tensile specimens. The parameters obtained show that the strength of DP1000 steel and the velocity of dislocations for reaching the Maximum value of strain hardening, are significantly increased after RSW. The effect of sample geometry and microstructural inhomogeneity of the welded joint on the constitutive property of the weld metal are presented and discussed.
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.
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.
The geometrical characteristics of the weld end crater are commonly used as a means of validating numerical results in welding simulations.
In this paper, an analytical model is developed for calculating the cooling stage of the welding process after the moving energy source is turned off. Solutions for various combinations of heat sources and heated bodies are found. It is shown that after turning off the Energy source, additional melting of the base material in the longitudinal direction may occur due to the overheated liquid metal. The developed technique is applied to complete-penetration keyhole laser beam welding of 2 mm thick austenitic stainless-steel plate 316L at a Welding speed of 20 mm/s and a laser power of 2.3 kW. The results show a theoretical increase in the weld end crater length of up to 19% compared to the length of the steady-state weld pool. It is found that at the moment of switch off, the weld end crater center, where solidification of the liquid metal ends, is shifted from the heat source axis toward the weld pool tail. The solidification rate and the direction of crystallization of the molten material during the welding process and those in the weld end crater differ significantly. A good agreement between the computational results and the welding experiments is achieved.
Dissimilar metal weld overlays of nickel-base alloys on low-alloy steel components are commonly used in the oil and gas, petrochemical, and power generation industries to provide corrosion and oxidation resistance in a wide range of service Environments and temperatures. Traditionally, dissimilar weld overlays are produced using cold or hot wire gas tungsten arc welding.
This study aims to identify and evaluate potential advantages of low heat input gas metal arc welding processes over the conventional gas tungsten arc welding in the production of such overlays. Parts I and II of this publication series described characteristics of the heat-affected zone and the transition zone region of alloy 625 on grade 22 steel overlays. These results indicate a good resistance against hydrogen-assisted cracking, which is being verified within this third part of the publication series. To determine the hydrogen-assisted cracking susceptibility, welded samples are tested using the delayed hydrogen-assisted cracking test. Fractography is performed using scanning electron microscopy along with energy dispersive spectroscopy. The results confirm the suitability and efficiency of low heat input gas metal arc welding for dissimilar weld overlays. Variation of the postweld heat treatment procedure bears potential for improvement in this respect.
Low heat input gas metal arc welding for dissimilar metal weld overlays part II: the transition zone
(2018)
Dissimilar metal weld overlays (DMWOL) of nickel base alloys on low alloy steel components are commonly used in the oil and gas, petrochemical, and power generation industries to provide corrosion and oxidation resistance in a wide range of service environments and temperatures. Traditionally, dissimilar weld overlays are produced using cold or hot wire gas tungsten arc welding. This study aims to identify and evaluate potential advantages of low heat input gas metal arc welding processes over the conventional gas tungsten arc welding in the production of dissimilar weld overlays. In order to evaluate the quality of these overlays regarding resistance against hydrogen-assisted cracking, their transition zone region is investigated in this part of the publication series. Metallurgical characterization, including energy-dispersive x-ray spectroscopy, is performed on Alloy 625/grade 22 steel overlays. The transition zone is characterized by a narrow planar growth zone and steep compositional gradients from the fusion boundary towards the weld metal. Evidence of low carbon contents in the planar growth zone, as well as for carbide precipitation in the cellular growth zone was found. The microstructure in the transition zone region of the fusion zone shows characteristics known to be suitable for good resistance against hydrogen embrittlement.
Dissimilar metal weld overlays of nickel base alloys on low alloy steel components are commonly used in the oil and gas, petro-chemical, and power generation industries to provide corrosion and oxidation resistance in a wide range of service environments and temperatures. Traditionally, weld overlays are produced using cold or hot wire gas tungsten arc welding (GTAW). Potential advantages of cold metal Transfer (CMT) welding, a low heat input gas metal arc welding process, over the conventional GTAW in production of weld overlays were evaluated. Metallurgical characterization was performed on CMT overlays of Alloy 625 filler metal on Grade 11 and Grade 22 steels. Significant grain refinement was found in the high temperature HAZ compared to the traditional coarse-grained HAZ in arc welding. Evidences of incomplete carbide dissolution, limited carbon diffusion, and incomplete transformation to austenite were also found. These phenomena were related to high heating and cooling rates and short dwell times of the high-temperature HAZ in austenitic state. Tempering effects in the steel HAZ were identified, showing a potential for development of CMT temperbead procedures. Based on the results of this study, the steel HAZ regions in CMT overlays were classified as high-temperature HAZ and intercritical HAZ.
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.
The high amount of resource consumption of fusion welding processes offers the potential to reduce their environmental impact. While the driving forces are known froma qualitative perspective, the quantitative assessment of the crucial parameters is not a trivial task. Therefore, herein, a welding-specific methodology to utilize life cycle assessment as a tool for evaluating the environmental impact of fusion welding processes is presented. In this context, two welding processes, resistance spot welding and laser beam welding, are analyzed for two different use cases.
These comprise the welding of shear test specimens and a cap profile made of electrogalvanized sheets of DC 05þ ZE (1.0312) as representative of an automotive application. For both welding processes, the main influences on the resulting environmental impact categories are evaluated and compared. The requirements for ecological efficient welding processes are discussed and implemented.
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.
Licht ist grüner als Strom
(2017)
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.
Laserstrahlschweißen additiv gefertigter Bauteile: Einsetzbarkeit bestehender Bewertungsvorschriften
(2021)
Bei der additiven Fertigung im Pulverbett ist die Bauteilgröße durch den Bauraum begrenzt. Das Verbindungsschweißen additiv gefertigter Teile bietet eine Möglichkeit diese Größenbegrenzung aufzuheben. Aufgrund des spezifischen Spannungs- und Gefügezustands im additiv aufgebauten Teil ist jedoch unklar, inwiefern bestehende Bewertungsvorschriften des Verbindungsschweißens auch für Schweißnähte an additiv gefertigten Bauteilen geeignet sind. Dies wird anhand des Laserstrahlschweißens additiv gefertigter Rohrverbindungen untersucht. Die Schweißnähte werden mittels visueller Prüfung, metallografischer Untersuchungen sowie Computertomografie ausgewertet. Die festgestellten Fehlerarten sind vergleichbar zu konventionellen Bauteilen. Dies ist ein Indikator dafür, dass bestehende Bewertungsvorschriften die möglichen auftretenden Defekte auch für Schweißnähte an additiven Bauteilen abbilden.
Laserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen Ökonomische und ökologische Vorteile
(2022)
Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulverschweißen von Dickblechen in Mehrlagentechnik und bietet hier ökonomische und ökologische Vorteile. Der industrielle Einsatz des Verfahrens ist jedoch durch prozessspezifische Herausforderungen eingeschränkt. Die im Beitrag beschriebene kontaktlose elektromagnetische Badstütze dient zur Erweiterung des Verfahrenspotenzials im Dickblechbereich >15 mm.
Im Additive Manufacturing Verfahren Directed Energy Deposition (DED) wird bei der Verarbeitung von Werkzeugstahl in der Regel reines Argon als Schutzgas verwendet. Dabei kann die Verwendung von speziellen Schutzgasgemischen, auch bei geringen Anteilen zugemischter Gase, durchaus die Bauteilqualität positiv beeinflussen.
In Vorarbeiten der Messer SE & Co. KGaA zeigte ein gewisser Sauerstoffanteil im Schutzgas die Tendenz, den Flankenwinkel von Schweißspuren beim DED zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde daher detailliert untersucht in wie weit unterschiedliche Schutzgasgemische einen Einfluss auf die Qualität sowie die geometrischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen des Werkzeugstahls 1.2709 beim Laser-DED ausüben. Es erfolgten zunächst Testschweißungen in Form von Einzelspuren mit unterschiedlichen Gemischen aus dem Basisschutzgas Argon mit geringen Anteilen verschiedener Gase. Dabei wurde der Einfluss der Zusätze auf die Spurgeometrie und Aufbauqualität untersucht. Auf Basis dieser Vorversuche wurde eine Auswahl vielversprechender Gasgemische getroffen und Detailuntersuchungen in Form von Spuren, Flächen und Quadern unter Zugabe verschiedener Mengen an Zusätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Einflusses der Schutzgasbeimengungen wurden der Flankenwinkel, die Porosität und das Gefüge der Proben anhand metallografischer Schliffe untersucht. Es zeigte sich, dass eine Zugabe von geringen Anteilen an Zusätzen zunächst zu einer Vergrößerung des Flankenwinkels im Vergleich zu reinem Argon führt. Mit steigendem Anteil der Gase nimmt dieser Winkel jedoch ab. So kann je nach Menge des zugesetzten Gases eine individuelle Benetzung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche erreicht werden. Auch die Porosität ließ sich durch Schutzgasgemische beeinflussen und zeigt ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu reinem Argon.
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.
Mechanische Eigenschaften der laserhybridgeschweißten Schweißverbindungen von hochfesten niedriglegierten Stählen erfüllen die Anforderungen der geltenden Normen
Eindringtiefe des Zusatzwerkstoff bis ca. 12 mm
Halborbitales Schweißen an 36” Rohren mit einer Wandstärke von 16 mm bei einer Schweißgeschwindigkeit von bis zu 2,2 m/min und Laserleistung von 19 kW technisch möglich
Rissfreie Schweißverbindungen an Präzisionsrohren können durch eine geeignete Schweißparameterauswahl mittels Laser-Hybridverfahren hergestellt werden