Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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
In the article considered the problem of hot cracks occurrence during laser welding process. The main reason of their appearance is strain. The optical method for measuring full field strain locally near the solidification front during laser welding process is proposed. The proposed method of optical measurement allows to determine the real values of the critical strain for various materials characterizing the occurrence of hot cracks in laser welding process.
Laser Metal Deposition (LMD) as a technology for additive manufacturing allows the production of large components outside of closed working chambers. Industrial applications require a stable process as well as a constant deposition of the filler material in order to ensure uniform volume growth and reproducible mechanical properties. This paper deals with the influence of travel path strategies on temperature profile and material deposition. Meandering and spiral hatching strategies are used in the center as well as in the edge of a specimen. The temperature is measured with thermocouples attatched to the backside of the specimen. The tests are carried out on the materials S235JR and 316L. The results show a strong dependence of the maximum temperatures on the travel path strategy and the welding position on the component.
▪ Laserstrahl-Hybridschweißen wird bisher erfolgreich für das Schweißen von geraden Nähten eingesetzt (Start/Stop-Bereich kann außerhalb des Bauteilkörpers rausgeführt werden, z.B. durch Anlauf/Auslauf-Bleche);
▪ Interesse am Schweißen von Rundnähten besteht. Das Orbitalschweißverfahren von Rohrleitungen wird erforscht. Die Technologie wurde bisher nicht eingeführt, da die Endkraterproblematik nicht gelöst ist;
▪ Die Ausbildung des Endkraters beim Laserstrahlschweißen kann durch die Anpassung von Schweißparametern wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit sowie Defokussierung des Laserstrahls deutlich minimiert werden;
▪ Mit einer Rückwärtsbewegung des Schweißkopfes am Ende der Laserschweißnaht können Erstarrungsrisse im oberen Drittel der Wanddicke vermieden werden;
▪ Ein komplexes Lösungskonzept wird für die Ausführung eines defektfreien Überlappbereiches beim Laserhybridschweißen umgesetzt
Das bislang zur Vermeidung unzulässiger Wurzelüberhöhungen beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen bzw. austenitischem Stahl eingesetzte Verfahren der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnte innerhalb der vorliegenden Untersuchung erfolgreich zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von ferromagnetischen Stählen übertragen werden. Es wurden dabei Laserstrahlschweißversuche in PA-Position an bis zu 20 mm dickem Duplexstahl 1.4462 sowie Baustahl S235JR durchgeführt. Unter konstanten Schweißparametern wurden Durchschweißungen generiert. Dem hydrostatischen Druck wurde unter Verwendung der Technologie zur elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung durch Variation der Oszillationsfrequenz und der AC-Leistung des Magnetsystems entgegengewirkt.
Zunächst konzentrierten sich die Versuche auf den Duplexstahl 1.4462, welcher jeweils aus 50 % Ferrit und Austenit besteht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass zur idealen Kompensation von 15 mm bei einer Frequenz von 1,7 kHz eine AC-Leistung von 1,6 kW erforderlich ist, die Schweißnähte aber bereits bei einer AC-Leistung von ca. 0,8 kW in die Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 13919-1:1996-09 eingeordent werden können. Zur idealen Kompensation des hydrostatischen Druckes bei 20 mm dickem Duplexstahl war eine um 20 % höhere AC-Leistung notwendig. Im Anschluss an die Versuche mit dem Duplexstahl wurden die Untersuchungen auf bis zu 20 mm dicke Proben aus Baustahl S235JR erweitert. Für 15 mm konnten die Schweißnähte bei einer Frequenz von 1,7 kHz ab einer AC-Leistung von 1,3 kW in die Bewertungsgruppe B eingeordnet werden. Zur idealen Kompensation von 20 mm dickem Baustahl war eine AC-Leistung von 1,6 kW bei einer Frequenz von 636 Hz nötig. Mit steigender AC-Leistung konnte in allen Versuchsreihen eine sukzessive Verringerung
der Wurzelüberhöhung demonstriert werden.
Automatisierungs- und Regelkonzepte für das MSG-Engspaltschweißen - Pendel- und Füllgradregelung
(2018)
Das MSG-Engspaltschweißen eignet sich auf Grund der I-Nahtvorbereitung besonders für das wirtschaftliche Fügen bei hohen Blechdicken über 100 mm und bietet darüber hinaus zusätzliche technologische Vorteile. Für die automatisierte Anwendung des Verfahrens unter Produktionsbedingungen muss dabei die Prozesssicherheit auch für mitunter große Variationen der Spaltbreite entlang der Schweißnaht gesichert bleiben. In erster Linie betrifft dies bei mechanischer Auslenkung der Drahtelektrode die Adaption der Pendelbewegung auf die jeweilige Spaltbreite um eine ausreichende Flankenanbindung zu garantieren. Für die Online-Regelung der Pendelbewegung mittels Lichtbogensensorik wurde eine Methode implementiert die die notwendigen Pendelwinkel an jeder Nahtflanke unabhängig ermittelt und darüber hinaus Fehlstellungen des Brenners sowie Veränderungen des Kontaktrohrabstandes und der Prozessparameter eigenständig kompensiert. Eine Füllgradregelung auf Grundlage optischer Erfassung und Auswertung der Schweißnahtgeometrie wurde zusätzlich eingesetzt um bei veränderlichen Nahtquerschnittsflächen einen vorgegebenen, gleichbleibenden Lagenaufbau zu erzielen.
Elektromagnetische Schmelzbadkontrolle wurde erfolgreich für Laser-MSG-Hybridprozess an einem (ferromagnetischen) 20 mm Baustahl und einem Pipelinestahl eingesetzt.
Einlagiges Laserstrahlschweißen von dickwandigen(>20 mm) in PA-Position bei geringeren Schweißgeschwindigkeiten prinzipiell möglich.
Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit beim Laserstrahlschweißen hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung und eine Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Schweißverbindungen zur Folge.