Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The paper deals with the integration of a light emitting diode (LED) into an additive manufactured metal component. Selective laser melting (SLM) and laser metal deposition (LMD) are used. The material used is the chrome-nickel steel 316L. The basic component is manufactured by means of SLM and consists of a solid body and an area with grid structure. The solid body includes a duct in the shape of a groove with a recess for the positioning of the power cable. The LED is embedded in the grid structure via an inlet from the solid body. In further processing, the groove is filled with LMD. Two strategies with different parameter combinations were investigated. It shows that a high energy input near the power cable leads to its destruction. By using multiple parameter combinations during the manufacturing process, this destruction can be prevented. There was a comparison of both strategies with regard to the necessary number of tracks and duration of welding time.
The paper deals with the integration of a light emitting diode (LED) into an additive manufactured metal component. Selective laser melting (SLM) and laser metal deposition (LMD) are used. The material used is the chrome-nickel steel 316L. The basic component is manufactured by means of SLM and consists of a solid body and an area with grid structure. The solid body includes a duct in the shape of a groove with a recess for the positioning of the power cable. The LED is embedded in the grid structure via an inlet from the solid body. In further processing, the groove is filled with LMD. Two strategies with different parameter combinations were investigated. It shows that a high energy input near the power cable leads to its destruction. By using multiple parameter combinations during the manufacturing process, this destruction can be prevented. There was a comparison of both strategies with regard to the necessary number of tracks and duration of welding time.
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.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
Additive manufacturing (AM) opens the route to a range of novel applications. However, the complexity of the manufacturing process poses a challenge to produce defect-free parts with a high reliability. Since process dynamics and resulting microstructures of AM parts are strongly influenced by the involved temperature fields and cooling rates, thermography is a valuable tool for process monitoring. Another approach to monitor the energy input into the part during process is the use of optical tomography.
Common visual camera systems reach much higher spatial resolution than infrared thermography cameras, whereas infrared thermography provides a much higher temperature dynamic. Therefore, the combined application increases the depth of information. Here, we present first measurement results using a laser beam melting setup that allows simultaneous acquisition of thermography and optical tomography from the same point of view using a beam splitter. A high-resolution CMOS camera operating in the visible spectral range is equipped with a near infrared bandpass filter and images of the build plate are recorded with long-term exposure during the whole layer exposing time. Thus, areas that reach higher maximum temperature or are at elevated temperature for an extended period of time appear brighter in the images. The used thermography camera is sensitive to the mid wavelength infrared range and records thermal videos of each layer exposure at an acquisition rate close to 1 kHz.
As a next step, we will use computer tomographic data of the built part as a reference for defect detection.
This research was funded by BAM within the focus area Materials.
The laser implantation technique bases on a localized dispersing of ceramic particles in metallic surface layers for changing their micro geometry as well as their material properties. Using TiB2 and NbC hard particles, tailored microtextures consisting of elevated dome-, ring-, or line-shaped Features can be manufactured. Especially TiB2 implants feature high hardness values up to 1800 HV1 and ceramic particle contents up to 55 %, indicating superior wear resistant properties.
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.
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.
In den letzten Jahren hat vor allem die Nachfrage nach additiven Fertigungstechnologien und Reparaturverfahren für Hochfeste Werkstoffe einen starken Aufschwung erlebt. Ein Verfahren, welches sich neben der Herstellung von Beschichtungen besonders für diese Anwendungen eignet, ist das Laser-Pulver-Auftragschweißen. Es wird besonders für Reparaturen bzw. zur Herstellung von teuren Bauteilen, wie Werkzeuge oder Turbinenteilen, eingesetzt. Da diese Teile oft großen mechanischen sowie thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es besonders wichtig, dass die erzeugte Struktur eine hohe Qualität aufweist. In dieser Arbeit wird die statistische Versuchsplanung genutzt, um Modelle für die Oberflächenbeschaffenheiten von Inconel 718 zu generieren. Als Grundlage dient hierbei ein zentral zusammengesetzter Versuchsplan mit großem Parameterfenster. So wird die Leistung zwischen 550 Watt und 1950 Watt, der Vorschub von 530 mm/min bis 920 mm/min, der Pulvermassenstrom von 3 g/min bis 12 g/min sowie der Spotdurchmesser von 1 mm bis 2 mm variiert. Auf diese Weise wird die Spurgeometrie beeinflusst. Darüber hinaus wird das Überlappungsverhältnis zwischen 20% bis 50% verändert. Die Auswertung der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt mit dem auf der Fokusvariation basierendem Oberflächenmessgerät Alicona Infinite-Focus. Dieses Verfahren der 3D Mikrokoordinatenmesstechnik gewährleistet eine zuverlässige Auswertung der Spurgeometrie, der Welligkeit sowie die Messung der mittleren arithmetischen Höhe Sa zur Bestimmung der Oberflächenrauheit. Anschließend werden die generierten Modelle verifiziert. Ziel dabei ist, kostenintensive Vorversuche in Zukunft einzusparen. Darüber hinaus wird das Prozessverständnis erweitert und signifikante Einflussfaktoren identifiziert.
The laser hybrid welding process offers many advantages regarding deep penetration, increased welding velocity and with the help of the supplied filler wire an improved bridgeability to gap and misalignment tolerances. High power laser systems with a power of approx. 30 kW are already available on the market. Nevertheless, multi-layer technology with an arc process is still used for welding of plates from a thickness from 20 mm. A potential cause is the process instability with increasing laser power. It is inevitable that gravity drop-out due to the high hydrostatic pressure at increasing wall thickness especially at welding in flat position and with a low welding speed. The surface tension decreases with increasing root width resulting from low welding velocities. To prevent such inadmissible defects of the seam a use of weld pool support is required. Usual weld pool support systems such as ceramic or powder supports require a mechanical detachment which is time-consuming. The electromagnetic weld pool support system described in this work shows an alternative weld pool support which works contactless. It is based on generating Lorentz forces in the weld pool due to oscillating magnetic field and induced eddy currents. This innovative technology offers single pass welds up to 28 mm in flat position and reduced welding velocity with a laser power of just 19 kW. It also leads to improved mechanical-technological properties of the seams because of the slow cooling rate. With usage of an electromagnetic weld pool support the limitation of the hybrid laser arc welding process in the thick sheet metal will be extend.
The hybrid laser arc welding (HLAW) process provides many advantages such as improved gap bridgeability, deep penetration and misalignment of edges, that is why the process is used increasingly in industrial applications e.g. shipbuilding, power plant industry and line-pipe manufacturing. The obvious encountered problem for single pass welding in flat position is the gravity drop-out at low welding velocities. With the usage of an electromagnetic weld pool support system, which is based on generating Lorentz forces within the weld pool, wide seams followed by reduced welding velocities could be achieved in this study leading to the realization of a gap bridgeability up to 1 mm, misalignment of edges up to 2 mm and a single pass weld up to 28 mm thickness with a 20-kW fibre laser. These developments expand the boundaries of the HLAW process for different industrial applications. As a result, less accurate preparation of the edges would be sufficient, which saves time for manufacturing.
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.
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.