Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The laser-based direct energy deposition (DED) as a technology for additive manufacturing allows the production of near net shape components. Industrial applications require a stable process to ensure reproducible quality. Instabilities in the manufacturing process can lead to faulty components which do not meet the required properties.
The DED process is adjusted by various parameters such as laser power, velocity, powder mass flow and spot diameter, which interact with each other. A frequently used comparative parameter in welding is the energy per unit length and is calculated from the laser power and the velocity in laser welding. The powder per unit length comparative parameter in the DED process has also be taken into account, because this filler material absorbs energy in addition to the base material.
This paper deals with the influence of mass energy as a comparative parameter for determining the properties of additively manufactured parts. The same energy per unit length of 60 J/mm as well as the same powder per unit length of 7.2 mg/mm can be adjusted with different parameter sets. The energy per unit length and the powder per unit length determine the mass energy. The laser power is varied within the experiments between 400 W and 900 W. Energy per unit length and powder per unit length are kept constant by adjusting velocity and powder mass flow. Using the example of Inconel 718, experiments are carried out with the determined parameter sets. In a first step, individual tracks are produced and analyzed by means of micro section. The geometry of the tracks shows differences in height and width. In addition, the increasing laser power leads to a higher dilution of the base material. To determine the suitability of the parameters for additive manufacturing use, the individual tracks are used to build up parts with a square base area of 20x20 mm². An investigation by Archimedean principle shows a higher porosity with lower laser power. By further analysis of the micro sections, it can be seen that at low laser power, connection errors occur between the tracks.
The results show that laser power, velocity and powder mass flow have to be considered in particular, because a constant mass energy can lead to different geometric as well as microscopic properties.
Im Vortrag werden Ergebnisse eines Forschungsvorhabens des DVS vorgestellt, in dem ein Verfahren zur Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht entwickelt wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass 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. Es konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls von bis zu 40 mm über den Weg von max. 15 mm während der Bewegung des Schweißkopfes zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führt. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden.
Localized laser surface treatments are able to produce tailor-made surface properties to fulfill requirements of a variety of technical applications. Especially micrometric surface topologies can be beneficial for optimizing tribological contact situations. Structures with lowered surface features are already utilized for bearings or cylinders of combustion engines. There are also other fields of application, where the potential of protruding surface features is known, e. g. for metal forming tools.
A promising approach for a tailored surface treatment working in the microsecond range is the localized dispersing of hard ceramic particles by pulsed laser radiation, the so-called laser implantation. This technique is able to produce micrometric surface structures and to improve simultaneously the wear resistance by creating metal matrix composites.
In this talk, the laser implantation technique is described and compared to the state of the art. The potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of laser implanted surfaces is demonstrated by means of microstructural and topographical investigations of different ceramic materials and steel substrates. Finally, results of research projects are presented aiming on the application of such structured surfaces. Their capability to change and optimize friction and wear are demonstrated for fully lubricated contacts, tools for hot sheet metal forming and tools for cold rolling of sheets for automotive applications.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
The geometry of the melt pool in laser beam welding plays a major role to understand the dynamics of the melt and its solidification behavior. In this study, a butt configuration of 20 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used to observe the weld pool geometry in the partial penetration mode by means of a high-speed camera. The observations show that the dimensions of the weld pool vary depending on the depth. The areas close to the weld pool surface take a teardrop-shape. A bulge-region and its temporal evolution were observed approximately in the weld pool root. Additionally, a 3D transient thermal-fluid numerical simulation was performed to obtain the weld pool shape and to understand the formation mechanism of the observed bulging effect. The model considers the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties. The numerical results showed good accordance and were furthermore used to improve the understanding of the experimentally observed bulging effect.
High heat input leads to grain coarsening and softening in WM and HAZ; the tensile strength is reduced. Low heat input leads to inadmissible hardening in the WM; the impact strength is reduced.
The proposed t8/5-time of 3 s to 15 s could be achieved through the reduced welding velocity.
The concept of electromagnetic weld pool support system allowed single-pass welds in flat position without gravity drop-outs even for reduced welding speeds; in this way the heat input can be controlled.
The adaptation of the electromagnetic weld pool support system to laser and laser hybrid welding process can dramatically increase the potential field of application of these technologies for real industrial implementation.
Schwerpunkte:
Strategie zur Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich beilaserhybridgeschweißten Rundnähten für 9.5 mm dicke Rohre.
Anpassung der Laserleistung in Kombination mit der Defokussierung des
Laserstrahls sowie einer Endkraterfüllung am Ende der Schweißnaht führte zu einer besseren Nahtausbildung.
Herausrampung der Energie des Schweißprozesses, sodass ein Übergang von Durchschweißung zu einer Einschweißung mit gewünschter kelchförmiger Nahtgeometrie stattfand.
Einstellung eines Wärmestaus durch Defokussierung und Verschiebung des
Laserstrahls führt zu einem gut ausgebildeten Überlappbereich ohne Poren, Risse.
Schweißungen an Rohrabschnitten mit einer max. Wandstärke von 15 mm, bei gegebenenfalls weiteren Parameteranpassungen.
An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured (AM) parts and important factors for residual stress formation which have implications on structural integrity. This study examined the influence of heat input on the distribution of residual stresses in two prisms produced by laser powder bed fusion (L-PBF) of austenitic stainless steel 316L.
The layers of the prisms were exposed using two distinct helix scanning strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. Residual stresses were characterised at one plane perpendicular to the building direction at half of its build height using neutron diffraction. In addition, the defect distribution was analysed via micro X-ray computed tomography (µCT) in a twin specimen.
Both scanning strategies reveal residual stress distributions typical for AM: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, temperature gradients and maximum stress levels differ due to the different heat input. Regarding the X-ray µCT results, they show an accumulation of defects at the corners where the laser direction turned through 90°.
The results demonstrate that neutron diffraction and X-ray µCT can be successfully used as non-destructive methods to analyse through-thickness residual stress and defect distribution in AM parts, and in the presented case, illustrate the influence of scanning strategies. This approach contributes to deeper assessment of structural integrity of AM materials and components.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
The WelDX research project aims to foster the exchange of scientific data inside the welding community by developing and establishing a new open source file format suitable for documentation of experimental welding data and upholding associated quality standards. In addition to fostering scientific collaboration inside the national and international welding community an associated advisory committee will be established to oversee the future development of the file format. The proposed file format will be developed with regards to current needs of the community regarding interoperability, data quality and performance and will be published under an appropriate open source license.
By using the file format objectivity, comparability and reproducibility across different institutes and experimental setups can be improved.
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.
Das Presshärteverfahren hat sich zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen im Karosserieleichtbau weltweit etabliert. Die fehlerfreie Bauteilproduktion wird jedoch durch Reibungs- und Verschleißerscheinungen aufgrund hoher thermo-mechanischer Werkzeugbelastungen und fehlender Schmierstoffsysteme limitiert. Als Lösungsansatz wird eine Modifikation der Werkzeugoberfläche mittels Laserimplantation angestrebt, um folglich deren Verschleißbeständigkeit nachhaltig zu erhöhen. Das Verfahren basiert auf einem lokalen Dispergieren keramischer Hartstoffpartikel in die Werkzeugoberfläche, infolgedessen hochfeste und erhabene Strukturen im Mikrometerbereich entstehen. Aufgrund der signifikanten Reduzierung der Kontaktfläche sowie der hohen Verschleißbeständigkeit der eingesetzten TiB2-Hartstoffe wird ein verbessertes tribologisches Einsatzverhalten unter presshärtetypischen Prozessbedingungen erwartet. Zur Verifizierung dieser Annahmen wurden im Rahmen dieser Arbeit modifizierte Pin-on-Disk Tests durchgeführt, um das Reib- und Verschleißverhalten der laserimplantierten Werkzeugoberflächen unter Presshärtebedingungen zu untersuchen. Zur weiteren Vertiefung des Prozess-verständnisses wurden die verschlissenen Platinen via Tastschnittmessungen und Querschliffaufnahmen analysiert. Durch den Ergebnisvergleich mit konventionellen Werkzeugoberflächen erfolgte eine abschließende Bewertung des tribologischen Einsatzverhaltens der laserimplantierten Strukturen.
Das Presshärteverfahren hat sich zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen im Karosserieleichtbau weltweit etabliert. Die fehlerfreie Bauteilproduktion wird jedoch durch Reibungs- und Verschleißerscheinungen aufgrund hoher thermo-mechanischer Werkzeugbelastungen und fehlender Schmierstoffsysteme limitiert. Als Lösungsansatz wird eine Modifikation der Werkzeugoberfläche mittels Laserimplantation angestrebt, um folglich deren Verschleißbeständigkeit nachhaltig zu erhöhen. Das Verfahren basiert auf einem lokalen Dispergieren keramischer Hartstoffpartikel in die Werkzeugoberfläche, infolgedessen hochfeste und erhabene Strukturen im Mikrometerbereich entstehen. Aufgrund der signifikanten Reduzierung der Kontaktfläche sowie der hohen Verschleißbeständigkeit der eingesetzten TiB2-Hartstoffe wird ein verbessertes tribologisches Einsatzverhalten unter presshärtetypischen Prozessbedingungen erwartet. Zur Verifizierung dieser Annahmen wurden im Rahmen dieser Arbeit modifizierte Pin-on-Disk Tests durchgeführt, um das Reib- und Verschleißverhalten der laserimplantierten Werkzeugoberflächen unter Presshärtebedingungen zu untersuchen. Zur weiteren Vertiefung des Prozess-verständnisses wurden die verschlissenen Platinen via Tastschnittmessungen und Querschliffaufnahmen analysiert. Durch den Ergebnisvergleich mit konventionellen Werkzeugoberflächen erfolgte eine abschließende Bewertung des tribologischen Einsatzverhaltens der laserimplantierten Strukturen.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
During the last years Additive Manufacturing (AM) became increasingly important. That becomes clear, while looking at the advantages like a high degree of freedom concerning the geometry of the parts, low waste rates and a reduction of postprocessing, to name just three. Laser Metal Deposition (LMD) is one of those AM- methods. It can be used for different kinds of applications, e.g. repair weldings of used parts, coatings to increase the corrosion resistance or to build up new components. But for all applications, the production of defect free parts is crucial. Therefore, different kinds of non-destructive monitoring techniques were tested for the LMD-process to identify their potential to detect imperfections in-situ.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
Der Vortrag thematisiert die Behandlung von Schweißeigenspannungen bei der Auslegung geschweißter Bauteile. Ausgehend von Fragen der Klassifizierung unterschiedlicher Typen von Eigenspannungen wird auf Fragen der Behandlung von Primär- und Sekundärspannungen, der Ermittlung und Aussagefähigkeit von Eigenspannungs-Tiefen-Profilen und der Stabilität der Eigenspannungen bei zyklischer Beanspruchung eingegangen. Neben der Auslegung auf Bruch wird die Beschreibung der Ermüdungsrissausbreitung bei Vorhandensein von Eigenspannungen diskutiert, wobei neben der klassischen Langrissbruchmechanik auch Besonderheiten der Kurzrissbruchmechanik angesprochen werden.