Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
This paper represents the results for proposed optical flow method based on the Lucas-Kanade (LK) algorithm applied to two different problems. The following observations can be made:
- The estimated strain and displacement for conducted tensile test are generally very close to those measured with conventional DIC-technique.
- The LK technique allows measurement of strain or displacement without special selection of a region of interest.
Using a novel optical measurement technique together with the optical flow algorithm, a twodimensional deformation analysis during welding was conducted. This technique is the first to provide a measurement of the full strain field locally in the immediate vicinity of the solidification front. Additionally, the described procedure of the optical measurement allows the real material-dependent values of critical strain characterizing the transition to hot cracking during laser welding processes to be determined.
A simplified model for numerical simulation of laser metal deposition process with beam oscillation
(2018)
A model of laser metal deposition with beam oscillation has been developed. The proposed model consists of two coupled sub-models calculating the heat transfer in the deposited part and the free surface of the molten pool, respectively. The heat transfer simulation of the deposited part solves a three-dimensional quasi-stationary heat conduction problem. The free surface of the molten pool are determined by solving the Laplace-Young equation. The developed model enables the layer-by-layer prediction of the shape of the deposited part and the resulting temperature field. It is shown that for an oscillation amplitude equal to the beam radius the peak value of the heat flux decreases by about 53% and 73% in the case of lateral oscillation and circular oscillation, respectively. Lateral oscillating laser beam results in a higher penetration depth due to the higher thermal efficiency. The amplitude of the laser beam oscillation effects the shape of the deposited wall and the deposition rate. A good correlation between the numerically calculated and experimentally observed results is obtained.
The development within the offshore wind energy sector towards
more powerful turbines combined with increasing water depth
for new wind parks is challenging both, the designer as well as
the manufacturer of support structures. Besides XL-monopiles
the jacket support structure is a reasonable alternative due to the
high rigidity combined with low material consumption. However,
the effort for manufacturing of the hollow section joints reduces
the economic potential of jacket structures significantly. Therefore,
a changeover from an individual towards a serial production
based on automated manufactured tubular joints combined with
standardized pipes has to be achieved. Hence, this paper addresses
the welding process chain of automated manufactured
tubular joints including digitization of the relevant manufacturing parameters such as laser scanning of the weld seam geometry.
In diesem Vortrag werden die Möglichkeiten vernetzter Sensorik zur Digitalisierung der schweißtechnischen Prozesskette aufgezeigt. Besonderer Fokus liegt auf der Fusion von Messdaten aus unterschiedlichen physikalischen Domänen. Dies ermöglicht die Korrelation relevanter den Schweißprozess charakterisierenden elektrischen Kenngrößen mit optisch gemessenen geometrischen Qualitätsmerkmalen der Schweißnaht. Die dynamische Prozessführung ermöglicht hierbei das Generieren großer inhomogener Datenmengen, was ein entsprechendes Schweißdatenmanagement erfordert. Durch Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens konnten Regressionsmodelle abgeleitet werden, welche Grundlage für eine adaptive Prozessführung sind.
In diesem Vortrag werden aktuellen Forschungsarbeiten bezüglich der Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette dargestellt. Anwendungsbeispiel ist das automatisierte Schweißen von Hohlprofilknoten, welche für die Fertigung von Jacket-Gründungsstrukturen für Offshore Windenergieanlagen eingesetzt werden. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Datenübergabe an nachgelagerter Prozessschritte bzw. externe Forschungspartner. Die Rückverfolgbarkeit des Fertigungsprozesses ermöglicht die zeitliche und räumliche Zuordnung von Prozessparametern (elektrische Signale) zu geometrischen Eigenschaften der Schweißnaht (Kerbgeometrie) bis hin zur numerisch berechneten Lebensdauer.
In diesem Vortrag werden die aktuellen Forschungsergebnisse im Bereich der ökologischen Bilanzierung von Schweißprozessen dargestellt. Der Fokus liegt hierbei in der automatisierten Berechnung der Umweltwirkungen der Schweißprozesse unter Berücksichtigung vor- und nachgelagerter Prozessschritte. Die Ermittlung der Ökobilanz eines Schweißprozesses erfordert lediglich die Sachbilanzierung relevanter In- und Outputströme. Letztere werden auf Basis entsprechender Sensormessdaten (Leistungsaufnahme Schweißanlagen, Medienverbrauch, etc.) automatisiert nachverfolgbar für jede Schweißung ermittelt.
In diesem Vortrag werden die aktuellen Forschungsergebnisse im Bereich der ökologischen Bilanzierung von Schweißprozessen dargestellt. Der Fokus liegt hierbei in der Ermittlung relevanter Wirkkategorien zur Charakterisierung der Umweltwirkungen von Schweißprozessen. Exemplarisch für verschiedene Verfahrenskombinationen werden die ökologischen Umweltwirkungen auf Basis eines Life Cycle Assessments ermittelt und verfahrensspezifische Einflussgrößen analysiert.
A numerical model for simulation of the steady-state thermal behaviour in keyhole mode welding has been developed. It is based on the equivalent heat source concept and consists of two parts: computational thermo-hydrodynamics and heat conduction. The solution of the thermo-hydrodynamics problem by the finite element method for a bounded domain results in a weld pool interface geometry being the input data for a subsequent heat conduction problem solved for a workpiece by a proposed boundary element method. The main physical phenomena, such as keyhole shape, thermo-capillary and natural convection and temperature-dependent material properties are taken into consideration.
The developed technique is applied to complete-penetration keyhole laser beam welding of a 15 mm thick low-alloyed steel plate at a welding speed of 33 mm/s and a laser power of 18 kW. The fluid flow of the molten metal has a strong influence on the weld pool geometry. The thermo-capillary convection is responsible for an increase of the weld pool size near the plate surfaces and a bulge formation near the plate middle plane. The evaluated and experimental molten pool, cross-sectional weld dimensions and thermal cycles of the heat affected zone are in close agreement.
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.
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.
EM-Schmelzbadunterstützung auch auf ferromagnetische Werkstoffe übertragbar
Erfolgreiche Kompensation des hydrostatischen Drucks von bis zu 20 mm dicken Werkstücken aus Duplex- und Baustahl
Erfolgreiche Porenreduktion beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckguss unter EM-Einfluss von bis zu 75 % Flächenanteil
Entfernung von großvolumigen Poren aus dem Schmelzbad
Einige kleine metallurgische Poren verbleiben im Schmelzbad aufgrund des Volumen-Flächenverhältnisses
Restporosität ist abhängig vom Ausgangsgasgehalt im Grundmaterial
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 weldability of materials is still for many years a highly contentious issue, particularly regarding the causes of the hot crack formation. Because of the process-related temperature and emissions, direct measurement for the arising strain in the close vicinity of the welding process is challenged. therefore, the externally loaded hot cracking testes remain for decades the only way to determine the critical straining conditions for solidification cracking. In this study, a novel optical two-dimensional in situ observation technique has been developed to analyse the strain evaluation during the welding process in the moment of crack formation. Additionally, the Controlled Tensile Weldability test (CTW test) was used to generate the hot crack under different global straining conditions. To record the welding process and the moment of the solidification crack initiation a CMOS camera was used which inserted coaxially into the optical path of the welding laser. As illumination source a diode laser with wave length 808 nm was employed to illuminate the welding region. An interference filter was placed on the camera lens, allowing only the illumination wavelength to pass through and reflecting all other wavelengths, so that the melt pool and the re-solidifying metal could be visualized in a single image. in order to obtain good temporal resolution, the frame rate of the camera was set to 1100 frame per second in. The contrast in images obtained using this unique setup allows to apply the optical flow technique based on Lucas-Kanade (LK) algorithm to follow the pixels in each image sequence and then to calculate the displacement field. The strain was calculated based on the estimated displacement. Using this technique, the local strains and strain rates under different global straining condition has been determined and analysed. The results shown Dependency between the external strain rate and the critical local strain and strain rate has been observed. That is to say, the critical local strain and strain rate are increased with an increase of the strain rate. Moreover, the described procedure of the optical measurement allows to determine the real martial dependent values of critical strain and strain rate characterizing transition to the hot cracking during laser welding processes.The experiments as well as the measurement has been performed on the stainless steel 316L (1.4404)
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kostengünstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauftragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren eingesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlissenen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien.
Im Rahmen dieses Beitrages wurde das Verfahren des Laserpulverauftragschweißens zur additiven Fertigung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen angewandt. Diese Legierungsgruppe ist aufgrund der Eigenschaft der Gestalterinnerung ein äußerst interessantes Legierungssystem mit unterschiedlichen Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Medizintechnik. Zur Erzeugung einer äquiatomaren NiTi-Legierung wurden die Elementpulver in einem Verhältnis von 55,9 wt.% Nickel und 44,1 wt.% Titan miteinander vermischt. Das Auftragen von Einzelspuren, Schichten und dreidimensionalen Körpern erfolgte auf unterschiedlichen Substratplatten aus Titan-, Nickel- und Nickeltitanlegierungen. Die metallographischen Untersuchungen zeigten, dass sich in Abhängigkeit des Substratmaterials unterschiedliche Phasen ausbilden und Risse vom Substrat durch den additiven Aufbau auftreten. Bei mehrlagigem Aufbau kam es sogar zur Ablösung des additiven Aufbaus von der Substratplatte. Der artgleiche additive Aufbau, sprich NiTi-Legierung auf einem NiTi-Substrat (Ni50,8Ti49,2 in at.%), führte zur keiner Materialablösung. Das Gefüge sowie die Phasenzusammensetzungen bieten in diesem Bereich noch viel Forschungsbedarf.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Im-plants) 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 geeignet, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden kann, ohne dass Materialdefekte, wie Risse oder Poren auftreten. Zudem weisen die Implants auf Kaltarbeitsstahlwerkzeugen Härtewerte von bis zu 1800 HV1 auf. Hierdurch lassen laserimplantierte Oberflächen eine deutlich höhere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu umschmelzstrukturierten Wirkflächen erwarten. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere zur Strukturierung hochbelasteter Wirkflächen, wie sie an Umform- oder Schneidwerkzeugen zu finden sind.
Ziel der Untersuchungen ist es, den Einfluss laserimplantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu erkennen und geeignete Parameterbereiche zur Oberflächenstrukturierung zu identifizieren. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an punktuell wiederaufgeschmolzenen Zonen sowie an TiB2 implantierten Zonen durchgeführt. High-Speed-Kameraaufnahmen ermöglichten die Beschreibung der Partikeleinbringung aus Vorbeschichtungen. Des Weiteren wurden an Schliffen (Mikro-) Härtemessungen durchgeführt, um die die Materialeigenschaften zu charakterisieren und den Einfluss der eingebrachten Hartstoffpartikel feststellen zu können. Die Materialmikrostruktur wurde abschließend an lichtmikroskopischen- sowie elektronenmikroskopischen Aufnahmen erfasst. Mithilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) sowie der Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden die implantierten Bereiche hinsichtlich gebildeter Phasen analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund hoher 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 Sekundärphasen, durch die der Restaustenitanteil deutlich reduziert wird.
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.
A simplified model for numerical simulation of laser metal deposition process with beam oscillation
(2018)
A simplified model for the numerical simulation of the laser metal deposition process with beam oscillation is proposed. The model studies circular and lateral oscillations in order to reduce the porosity of the deposited part, to increase the process efficiency and the gap bridging ability as well. The deposition rate is increased by modifying the shape and the width of the molten pool through an optimized laser beam power distribution and oscillation amplitude. The relationship between the process conditions and the shape of the fabricated part are determined. It is found that an increase of the amplitude by a lateral oscillation of the beam reduces the heat flux and hence the shape of the deposited wall. A good correlation between the numerically calculated results and the experimental measurements is obtained.
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 15 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used to observe the weld pool geometry by means of high-speed camera and an infrared camera recording. 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 middle of the depth of the weld pool. 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 takes into account the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature. The numerical results showed good accordance and were furthermore used to improve the understanding of the experimentally observed bulging effect.
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 15 mm thick structural steel and transparent quartz glass was used to observe the weld pool geometry by means of high-speed camera and an infrared camera recording. 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 middle of the depth of the weld pool. 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 takes into account the local temperature field, the effects of phase transition, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties up to evaporation temperature. The numerical results showed good accordance and were furthermore used to improve the understanding of the experimentally observed bulging effect.
A transient simulation including the impact of the laser energy, the melting of the metal and the development of the weld pool was conducted to observe the evolution of the vapor capillary and the solidification of the melt in pulsed laser beam welding of AISI 304 steel. The phase field method was implemented to investigate the evolution and behavior of the liquid-gas interface during welding and to describe the condensed and vapor phases. The effects of phase transition, recoil pressure, thermo-capillary and natural convection, vaporization and temperature dependent material properties were taken into account. A Gaussian-like heat source under consideration of the Fresnel absorption model was used to model the energy input of the laser beam. The heat source model was extended by a newly developed empirical approach of describing multiple beam reflections in the keyhole. To validate this new model, the numerical results were compared to experimental data and good agreement regarding the size and shape of the weld pool was observed.
A transient simulation including the impact of the laser energy, the melting of the metal and the development of the weld pool was conducted to observe the evolution of the vapor capillary and the solidification of the melt in pulsed laser beam welding of AISI 304 steel. The phase field method was implemented to investigate the evolution and behavior of the liquid-gas interface during welding and to describe the condensed and vapor phases. The effects of phase transition, recoil pressure, thermo-capillary and natural convection, vaporization and temperature dependent material properties were taken into account. A Gaussian-like heat source under consideration of the Fresnel absorption model was used to model the energy input of the laser beam. The heat source model was extended by a newly developed empirical approach of describing multiple beam reflections in the keyhole. To validate this new model, the numerical results were compared to experimental data and good agreement regarding the size and shape of the weld pool was observed.
The presentation describes a novel approach to dynamically adjusting the weaving motion of the electrode in narrow gap GMAW.
An event driven arc sensor is used to dynamically adjust the weaving angle to variations in gap width by detecting each groove sidewall independently and in real-time. The approach presented requires only minimal user configuration for spray-arc or pulsed-arc transfer modes and can effectively be used in double- and single-sided weaving applications. Furthermore displacements of the welding torch with regards to the groove center line or contact-tip to workpiece distance are compensated.
Additive manufacturing (AM) offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of defect-free parts with a high reliability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal AM processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of first measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition (LMD) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.
Additive manufacturing (AM) opens the route to a range of novel applications.However, the complexity of the manufacturing process poses a challenge for the production of defect-free parts with a high reliability. Since process dynamics and resulting microstructures of AM parts are strongly influenced by the involved temperature fields, thermography is a valuable tool for process surveillance. The high process temperatures in metal AM processes allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range to detect the thermally emitted radiation from the process. In our work, we compare the results of first measurements during the manufacturing processes of a commercial laser metal deposition (LMD) setup and a laser beam melting (LBM) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.
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.
Electromagnetic weld pool support system is illustrated successfully for hybrid laser arc welding of 20 -30 mm ferromagnetic Steels Welding of thick-walled steels in flat position and reduced welding velocities is possible Gap and misalignment between welded plates can be tolerated by use of this Technology Opportunity to reduce the laser beam power because of reduced welding velocity respectively increase of weldable material thickness with a 20 kW- fibre laser Mechanical properties of welds are in correspondence with requirements of Standards.
Recently developed fibre lasers provide multi-kilowatt beam power with high quality at impressive energy efficiency. Combined with gas metal arc welding (GMAW) equipment these lasers can be used in a hybrid process to weld thick-walled constructions single-pass, that are currently welded using multi-pass techniques. The main benefits are a reduction of heat induced distortions, due to the low heat input, as well as savings in filler material and process time. Probable applications can be found in power generation, ship building and pipeline constructions. An orbital (girth) laser-hybrid process using a 20 kW fibre laser and a GMAW torch is currently examined at the BAM, Berlin. The aim of this research is to obtain a stable and crack free girth welding process and to demonstrate its application in pipeline construction. The experiments are carried out on 16 mm thick plates as well pipe rings with 36" (914 mm) pipe diameter of X65. Particular welding parameters, such as welding speed, GMAW power, arc length are varied and their influence on the appearance of the weld in the different welding positions is analyzed. Even though issues remain that demand further research it could already be shown that the rings can be welded using a girth hybrid process that is divided into two half girth processes in downward direction.
Cracking mechanism is proven to be liquid metal embrittlement. Method is suitale for Determination of LME susceptibility. Formation of LME is highly dependent on temperature fields, influenced by wlding curren (high influence) and electrode wear (low influence). Hot-dip galvanized material causes highest electrode wear - potentially beneficial in combination with low welding currents (lower current density) regarding LME. Other methods to reduce current density like Change of electrode cap shape may be beneficial. Critical loadcases are between 50% and 60% of the material's yield strength (valid only for tested materials, coatings and the Parameter choices). -> Only externally applied tensile stress is known