Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
The additional element from the filler wire in the laser beam welding is usually distributed inhomogeneously in the final weld due to the high solidification rate of weld pool. It has been found that the electromagnetic stirring produced by an external oscillating magnetic field can enhance the material mixing in the weld pool to achieve a more uniform element distribution. However, the magnetic field has a highly non-linear and multi-coupled interaction with the weld pool behavior, which makes the quantitative explanation of the physical mechanism difficult. In this study, the effect of electromagnetic stirring on the transport phenomena in the wire feed laser beam welding is investigated by a numerical modelling. A 3D transient multi-physical model considering the magnetohydrodynamics, heat transfer, fluid flow, keyhole dynamics and element transport is developed. The multiple reflections and the Fresnel absorption of the laser on the keyhole wall are calculated using the ray tracing method. The numerical results show that a Lorentz force produced by the oscillating magnetic field and its induced eddy current gives significant influence on the transport phenomena in the molten pool. The forward and downward flow is enhanced by the electromagnetic stirring, which homogenizes the distribution of the additional elements from a nickel-based filler wire in a steel weld pool. The numerical results show a good agreement with the high-speed images of the molten pool, the fusion line from the optical micrograph and the element distribution from the energy dispersive X-ray spectroscopy. This work provides a physical base for the electromagnetic-controlled laser beam welding and some guidance for the selection of electromagnetic parameters.
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kosten-günstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauf-tragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren ein-gesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlisse-nen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen heutzutage die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien, wie zum Beispiel Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen.
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 additive manufacturing (AM) Laser Metal Deposition (LMD), parts are built by welding layers of powder feedstock onto a substrate. Applications for steel powders include forging tools and structural components for various industries. For large parts, the choice of tool-paths influences the build-rate, the part performance and the distortions in a highly geometry-dependent manner. With weld-path lengths in the range of hundreds of meters, a reliable, automated tool path generation is essential for the usability of LMD processes.
In this contribution, automated tool-path generation approaches are shown and their results are discussed for arbitrary geometries. The investigated path strategies are the classical approaches: “Zig-zag-” and “contour-parallel-strategies”. After generation, the tool-paths are automatically formatted into g-code for experimental build-up and ASCII for a numerical simulation model. Finally, the tool paths are discussed in regards to volume-fill, microstructure and porosity for the experimental samples.
This work presents a part of the IGF project 18737N “Welding distortion simulation” (FOSTA P1140)
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.
Additive manufacturing is no longer just used for the production of prototypes but already found its way into the industrial production. However, the fabrication of massive metallic parts with high geometrical complexity is still too time-consuming to be economically viable. The combination of the powder bed-based selective laser melting process (SLM), known for its geometrical freedom and accuracy, and the nozzle-based laser metal deposition process (LMD), known for its high build-up rates, has great potential to reduce the process duration. For the industrial application of the SLM-LMD hybrid process chain it is necessary to investigate the interaction of the processes and its effect on the material properties to guarantee part quality and prevent component failure. Therefore, hybrid components are manufactured and examined before and after the heat treatment regarding the microstructure and the hardness in the SLM-LMD transition zone. The experiments are conducted using the nickel-based alloy Inconel 718.
Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist ein Verfahren, dass hohe Auftragraten ermöglicht, jedoch auch eine erhöhte thermische Belastung des Bauteiles verursacht. Laser-Pulver- Auftragschweißen hingegen erreicht eine hohe Präzision und eine geringe Aufmischung, erfordert jedoch ein kostspieliges Hochleistungslasersystem und erreicht im Vergleich nur geringe Auftragraten, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Eine Kopplung von Laser- und Lichtbogenenergie in einer gemeinsamen Prozesszone zielt darauf ab, die jeweiligen Vorteile beider Technologien zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Wärmeausnutzung und der Nutzung des Zusatzwerkstoffs.
Es wird ein Plasma-Laser-Hybrid-Prozess als Highspeed-Plasma-Laser-Cladding-Technologie (HPLC) für Beschichtungs- sowie Instandsetzungszwecke vorgestellt. Gezeigt werden Ergebnisse mit Prozessgeschwindigkeiten von 10 m/min bei Laserleistungen von 2 kW, dabei können Flächenraten von mehr als 1 m2/h erreicht werden. Effiziente Beschichtungen von großen Flächen, beispielsweise auf rotationssymmetrischen Bauteilen stellen ein relevantes Anwendungsfeld für diesen Technologieansatz dar. Die Nickelbasislegierung Inconel 625 wird als Korrosionsschutzwerkstoff eingesetzt. Im Rahmen der Verfahrensprüfung werden die hergestellten Beschichtungen einer EDX Messung unterzogen.
Prozesscharakteristische Kenngrößen wie z.B. die Auftragrate werden vorgestellt und vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Kennzahlen diskutiert. Zusätzlich werden die Aufmischung, Spurgeometrie und Wärmeeinflusszone der Spuren und Schichten ausgewertet. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragschweißen werden Spuren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten mit einer hohen Auftragrate erzeugt.
Results of experimental investigations of the relationship between laser-hybrid welding process parameters, type of the filler metal and the mechanical properties of the welds made from 9% nickel cryogenic steel X8Ni9 are discussed. The results contribute to the development and conversion in the industrial practice a new laser beam-based welding technology for the automated manufacturing of LNG tanks. The remarkable heterogeneity in the chemical composition of the weld metal as well as an insufficient impact toughness could be indicated by using austenitic filler wire. The most promising results were achieved by applying 11%Ni filler wire, which is similar to the base material. A correlation between impact toughness and wire feeding speed could be shown. The highest impact toughness was 134 J at -196°C. The laser-hybrid welds passed the tensile test. The failure stress of 720 MPa with a fracture location in the base metal was achieved for all samples tested.
Rapid localized heating and cooling during additive manufacturing using laser deposition method (LMD) lead to loss of dimensional accuracy as well as cracking of built parts. Finite-Element welding simulations allow prediction of geometrical deviations and accumulated residual stresses as well as their optimization before conducting experiments. Due to the great length of stacked welds, calculation times for fully transient thermomechanical simulations are currently long, the calculation stability suffers from the high number of contact bodies in the model and the modelling effort is high, as the geometries need to be sliced and positioned layer-wise.
In this contribution, an integrated modelling approach is demonstrated for a thin-walled LMD component made from 30 layers of 1.4404 (316L) stainless steel: Instead of the layer-by-layer modelling strategy commonly found in the literature, the whole component mesh is kept in one piece and the fully transient, layer-by-layer material deposition is implemented via element sets. In contrast to prior simulations, nonlinear contact between the layers does not have to be considered, significantly decreasing calculation times. The calculated distortions are compared to recently published, in-situ digital image correlation (DIC) measurements as well as numerical simulations conducted with the established layer-wise modelling strategy to judge result quality. Finally, the improvement in calculation time and ease-of-use is compared between both modelling approaches and conclusions regarding future usage for industrial-scale components are drawn.
In this paper shortwave infrared (SWIR) thermographic measurements of the manufacturing of thin single-line walls via laser metal deposition (LMD) are presented. As the thermographic camera is mounted fixed to the welding arm, an acceleration sensor was used to assist in reconstructing the spatial position from the predefined welding path. Hereby we could obtain data sets containing the size of the molten pool and the oxide covered areas as functions of the position in the workpiece. Furthermore, the influence of the acquisition wavelength onto the thermograms was investigated in a spectral range from 1250 nm to 1550 nm. All wavelengths turned out to be usable for the in-situ process monitoring of the LMD process. The longer wavelengths are shown to be beneficial for the lower temperature range, while shorter wavelengths show more details within the molten pool.
In this study, the influence of the welding speed and the arc power on the solidification crack formation for partial penetration laser hybrid welded Thick-Walled plates were investigated. Experimentally, a linear correlation between the welding velocity and the crack number was observed. That is by reducing the welding velocity the crack number was reduced.
The reduced welding velocity showed a strong impact on stress, as the model demonstrated a very lower stress amount in comparison to the reference case. The reduction of the welding speed could be a helpful technique to reduce the hot cracking. The wire feed speed showed a very slight influence on the crack formation. That can be returned to the large distance between the critical region for cracking and the arc region.
The paper describes a systematic investigation of the EM influenced laser beam welding of the aluminum die casting alloy AlSi12(Fe) in comparison to a reference material, a wrought aluminum alloy AlMg3. By using of a face centred CCD test plan, the influencing variables laser power, welding velocity and magnetic flux density are varied with regard to their influence on the remaining porosity. The global pore fraction of the weld seams was analyzed by X-ray images with ImageJ. This enabled a qualitatively very good regression model to be derived for the respective material, which identifies the dominant influencing variables. The results prove, statistically verified, for the investigated parameter range, that
- the magnetic flux density is the main cause for the porosity reduction,
- the porosity rises with increasing laser power the porosity in the weld seams rises,
- the influence of the welding velocity is negligible,
- the pore quantity in wrought alloy is more strongly minimized by the magnetic flux density than in die casting,
- the porosity decreases due to the EM influence by approx. 70 % compared to the unaffected welds. This effect is emphasized by the contour line charts, which illustrate the relationship between laser power and magnetic flux density.
With the exception of the quadratic influence of B at the wrought alloy, the statistical correlation shows a linear development of the respective influence variables for both aluminum alloys. In order to investigate these deviations, further simulations with a focus on weld pool geometry and weld pool flow are to be performed. In addition, the welding results can be classified in accordance with DIN EN ISO 13919-2 in the highest evaluation group B for AlMg3 and in evaluation group C for AlSi12(Fe) by applying a magnetic flux density of 350 mT. The analysis of the CT images at constant laser power and welding velocity allows a direct comparison both between the two alloys and also as a function of the magnetic flux density with regard to the number and size of pores. An increase in the magnetic flux density leads to a significant decrease in the number and volume of pores, which can be seen more clearly in wrought alloy than in die casting. Very acceptable results can be achieved for both materials and different welding parameters. This successfully demonstrates the desired process robustness and functionality of the EM system for practical applications. For subsequent investigations of overlap joints, the lowest possible laser power and a high magnetic flux density are recommended.
The determination of mechanical properties of welded Steel structures such as strength or ductility is a subject of high interest for the majority of Companies in the area of metal Processing. The material Parameters can be obtained by performing the tensile test on the samples made from a part of a component. In some cases, it is highly expensive to produce the tensile specimens especially from the weld metal, which contains different type of microstructure such as weld seam or heat affected zone in an extremely small area. Therefore, a method is described in this paper to determine the material Parameters of high strength Steel structures and welded joints locally and without any additional effort to perform the tensile test. In this method, instrumented indentation technique (IIT), an indenter is pushed on the flat surface of a specimen in a certain period of time and simultaneously the applied force and the corresponding indentation path are measured. The data related to the force-indentation diagram is given as input to an artificial neural network (ANN) to obtain the material Parameters. The ANN can be trained by generating the large qualitative data sets with numerical Simulation of the IIT procedure. The Simulation must be run several times with the different material model parameter sets to generate the numerous
force-indentation diagrams as the inputs of ANN. Then, the trained ANN is validated by performing the IIT on the welded joints and comparing the obtained material Parameters from ANN with the tensile test.
Consequently, the mechanical properties of welded joints can be determined by performing the IIT and evaluating the resulting data by the ANN.
With global increases in clean energy demand, the natural gas is gaining in importance. Pipelines are the safest and most cost-effective way of transporting natural gas. Due to high transport volume and resulting high operation pressure, the demand for ultra-high strength steel grades such as X120 is very strong. As a result of the fact that these steels are produced by thermo-mechanical controlled processing, the welding process must be selected accordingly. Based on investigations, a high heat input such as by submerged arc welding process leads to softening in the weld metal and loss of strength whereas pure laser beam welding results in high cooling rates and deteriorate toughness of the weld metal. The objective of this research is to investigate the influence of heat input to mechanical properties of hybrid laser-arc welded pipeline steels of grade X120. Test specimens with a thickness of 20 mm could be welded without preheating in a single-pass with different welding velocities to observe the largest possible parameter window of the heat input. The achieved V-notch impact energy for hybrid laser-arc welded samples was 144±37 J at a testing temperature of -40 °C. With a tensile strength of 930±4 MPa the requirements of API 5L was achieved. To prevent gravity drop-outs at the slow welding speeds, an electromagnetic weld pool support system was used, which works contactless and is based on generating Lorentz forces. It was therefore possible to control the cooling rate in order to meet the requirements of the mechanical properties. By adapting the electromagnetic weld pool support to the laser and laser hybrid welding process, the application potential of these technologies for industrial implementation can be drastically increased.
A novel approach for the reconstruction of an equivalent volumetric heat source from a known weld pool shape is proposed. It is based on previously obtained weld pool geometries from a steady-state thermo-fluid dynamics simulation. Hereby the weld pool dimensions are obtained under consideration of the most crucial physical phenomena, such as phase transformations, thermo-capillary convection, natural convection and temperature-dependent material properties. The algorithm provides a time and calibration efficient way for the reproduction of the weld pool shape by local Lamé curves. By adjusting their parameters, the identification of the finite elements located within the weld pool is enabled. The heat input due to the equivalent heat source is assured by replacing the detected nodes’ temperature by the melting temperature.
The model offers variable parameters making it flexible and adaptable for a wide range of workpiece thicknesses and materials and allows for the investigation of transient thermal effects, e.g. the cooling stage of the workpiece. The calculation times remain acceptably short especially when compared to a fully coupled process simulation. The computational results are in good agreement with performed complete-penetration laser beam welding experiments.
Plasma-Transferred-Arc (PTA) welding is a process that enables high deposition rates, but also causes increased thermal load on the component. Laser based Direct Energy Deposition (DED) welding, on the other hand, achieves a high level of precision and thus comparatively low deposition rates, which can lead to high processing costs. Combining laser and arc energy aims to exploit the respective advantages of both technologies.
In this study, different possibilities of this process combination are presented using a PTA system and a 2 kW disk laser. This includes the combination in a common process zone as a highspeed plasma laser cladding technology (HPLC), which achieves process speeds of 10 m/min. Besides that it is being examined whether a pre-running plasma arc can be used to coat difficult-to-weld rail steel with a carbon content of 0.8 % due to a preheating effect. Furthermore, a smoothing of the coating by a plasma arc following the laser is investigated.
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.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Implants) 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 geeig-net, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden konnte, ohne dass Materialdefekte wie Risse oder Poren auftraten.
Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss implantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu ermitteln. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an TiB2 implan-tierten Zonen sowie an punktuell umschmelzstrukturierten Zonen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund erhöhter 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 Se-kundärphasen, durch die der Restaustenitanteil zudem deutlich reduziert wird.
The geometrical characteristics of the weld end crater are commonly used for the validation of numerical results in welding simulation. A semi-analytical model calculating the cooling stage of the welding process after the moving energy source is turned off has been developed. A solution for various combinations of heat sources and workpieces has been found. The theoretical limits for the heat transfer of the absorbed energy during cooling in a thin plate and a semi-infinite body were studied. It is shown that after turning off the energy source, an additional melting of the base material in longitudinal direction may occur. The developed technique is applied to complete-penetration keyhole laser beam welding of a 2 mm thick austenitic chromium-nickel 316L steel plate at a welding speed of 20 mm/s and a laser power of 2.3 kW. The results show a theoretical increase of the weld end crater length in comparison to the length of the steady-state weld pool of up to 19 %. A shift of the centre of the end crater, in which the solidification of the liquid metal ends, towards the tail of the end crater relative to the axis of the heat source at the time of its termination, was computed. The speed and the direction of crystallization of the molten material in the weld pool and the end crater were found to be different. A good agreement between the computational results and the welding experiments was achieved.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a promising additive manufacturing (AM) technology for metal part production especially for complex and lightweight structures or functional designs. In L PBF processes several by-products including welding plume and its condensates, spatter and ejected powder are generated during laser exposure. Investigations of micro- and nano-sized by-products have received little attention in literature. This study focuses on the analysis of particle emissions in L PBF of 316L stainless steel using a scattered light aerosol spectrometer and a fast mobility particle sizer spectrometer during the process which allows for in-situ analysis of particle sizes in the range of 6 nm to 100 µm. A distinct correlation of emission signals to part position can be revealed. In addition, a significant influence of laser scanning vector directions on emission signals is presented. Furthermore, differing powder layer thicknesses can be recognised by deviations in emission signals.
The shape of the parts, created by the technology of direct laser metal deposition (DLMD), is influenced by various parameters, for example, the power and diameter of the laser source spot. The contribution of energy from the laser affects the temperature distribution in the formed layers. The changing temperature in the working area entails a Change in the geometry of the layers and affects the stability of the process. In this paper, experiments on the measurement of temperature cycles in the DLMD process with different directions of the filling track are carried out. An infrared camera was used to measure thermal cycles. The calibration of the acquired data (i.e. correspondence table between the intensity of thermal radiation of the material and the absolute temperature) was done with help of two-color pyrometer ex situ and in situ measurements. The experiments are carried out on two materials 316L and Inconel 718. The effect of the maximum temperature on the layer height is shown, and thermal cycles in the formation of layers for different filling strategies are presented.
Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt.
In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt.
Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment.
Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen.
The control of friction and wear is a major concern in many industrial applications. A promising method for a tailored surface modification is the so-called laser implantation technique. This method combines surface texturing and material optimization in one processing step by a localized dispersing of hard ceramic particles using pulsed laser radiation. Wear resistant, protruding micrometric features (implants) with defined geometry can be created in deterministic pattern where needed on highly stressed surfaces, i.e. on forming or cutting tools. However, in order to maintain the implants over the tool’s lifetime, a suitable selection of hard ceramic particles is a prerequisite. They must provide a defect-free Metal Matrix Composite with a high share of homogeneously distributed particles and especially a high implant hardness.
In this study TiN, TiC and TiB2 hard particles were compared as implant materials for the first time. By a systematic variation of the pulse power and pulse duration, their dispersing behavior and influence on the material properties of AISI D2 tool steel was investigated. Although all powder materials had grain sizes smaller than 10 µm, it was possible to disperse them by pulsed laser radiation and to obtain defect-free protruding implants. The highest share of dispersed particles (~64 %) was observed for TiB2. By scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, it was also shown that a significant share of the pre-placed particles was dissolved by the laser beam and precipitated as nanometer sized particles within the matrix during solidification. These in-situ formed particles have a decisive influence on the material properties. While the TiN and TiC implants have shown maximum hardness values of 750 HV1 and 850 HV1, the TiB2 implants have shown the highest hardness values with more than 1600 HV1. By X-ray diffraction, it was possible to ascribe the lower hardness values of TiC and TiN implants to high amounts of retained austenite in the metal matrix. By implanting TiB2, the formation of retained austenite was successfully suppressed due to the in-situ formation of TiC particles, which was proven by electron backscatter diffraction. In conclusion, all the implant materials are basically suitable for laser implantation on AISI D2 tool steel. However, TiB2 has shown the most promising results.
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.
Single-pass Hybrid Laser Arc Welding of Thick Materials Using Electromagnetic Weld Pool Support
(2019)
Hybrid laser-arc welding process allows single-pass welding of thick materials, provides good quality formation of joints with minimal thermal deformations and a high productivity in comparison with arc-based welding processes. Nevertheless, thick-walled steels with a thickness of 20 mm or more are still multi-pass welded using arc welding processes, due to increased process instability by increasing laser power. One limitation factor is the inadmissible formation of gravity drop-outs at the root. To prevent this, an innovative concept of electromagnetic weld pool support is used in this study. With help of such system a stable welding process can be established for 25 mm thick steel plates and beyond. Sound welds could be obtained which are tolerant to gaps and misalignment of the welded parts. The adaptation of this system to laser and hybrid laser-arc welding process can dramatically increase the potential field of application of these technologies for real industrial implementation.
Over the last years, the weight of modern car bodies has risen significantly due to the increasing customers’ demand for comfort and safety equipment. However, this ongoing trend leads to an increasing fuel consumption and thus to higher carbon dioxide emissions. In order to counteract these problems, hot stamping has been established in the automotive industry as a key technolo-gy for lightweight construction, regarding the manufacturing of safety-relevant car body compo-nents. Hot stamped parts are commonly made out of boron-manganese steel 22MnB5, which is initially austenized and subsequently formed and quenched in one process step. As a result, geo-metrical complex structures with an ultimate tensile strength of 1500 MPa are generated. The surfaces of the workpieces are coated with an Al-Si layer to avoid oxide scale formation and to ensure corrosion protection. However, the coating system leads to an increased adhesive wear on the tool surface due to the high thermo-mechanical tool stresses. Therefore, a time and cost con-suming rework of the hot stamping tools is required. The aim of this study is to increase the tribological performance of hot stamping tools by using a laser implantation process. This tech-nique allows the ma-nufacturing of separated, elevated and dome-shaped microstructures on the tool surface in consequence of a localized dispersing of hard ceramic particles by pulsed laser radiation. The generated surface features offer great potential for reducing the tribological load, due to their high hardness and wear resistance. For this purpose, the friction coefficient of un-modified and laser implanted tool surfaces were examined and compared by using a modified pin-on-disk test. In addition, the surfaces were analyzed by optical measurements in order to quantify the amount of wear.
Das Presshärteverfahren hat sich zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen im Karosserieleichtbau weltweit etabliert. Die fehlerfreie Bauteilproduktion wird jedoch durch Reibungs- und Verschleißerscheinungen aufgrund hoher thermo-mechanischer Werkzeugbelastungen und fehlender Schmierstoffsysteme limitiert. Als Lösungsansatz wird eine Modifikation der Werkzeugoberfläche mittels Laserimplantation angestrebt, um folglich deren Verschleißbeständigkeit nachhaltig zu erhöhen. Das Verfahren basiert auf einem lokalen Dispergieren keramischer Hartstoffpartikel in die Werkzeugoberfläche, infolgedessen hochfeste und erhabene Strukturen im Mikrometerbereich entstehen. Aufgrund der signifikanten Reduzierung der Kontaktfläche sowie der hohen Verschleißbeständigkeit der eingesetzten TiB2-Hartstoffe wird ein verbessertes tribologisches Einsatzverhalten unter presshärtetypischen Prozessbedingungen erwartet. Zur Verifizierung dieser Annahmen wurden im Rahmen dieser Arbeit modifizierte Pin-on-Disk Tests durchgeführt, um das Reib- und Verschleißverhalten der laserimplantierten Werkzeugoberflächen unter Presshärtebedingungen zu untersuchen. Zur weiteren Vertiefung des Prozess-verständnisses wurden die verschlissenen Platinen via Tastschnittmessungen und Querschliffaufnahmen analysiert. Durch den Ergebnisvergleich mit konventionellen Werkzeugoberflächen erfolgte eine abschließende Bewertung des tribologischen Einsatzverhaltens der laserimplantierten Strukturen.
Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich bei laserstrahlhybridgeschweißten Rundnähten
(2019)
Die Laserstrahl-Hybrid-Schweißtechnologie erweist sich in der schweißtechnischen Fertigung immer mehr als innovative Alternative gegenüber anderen Schweißverfahren. Obwohl das Laserstrahl-Hybridschweißverfahren viele wirtschaftliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren aufweist, wie z.B. große Einschweißtiefe und dadurch eine reduzierte Anzahl von Schweißlagen, geringe thermische Belastung des Grundwerkstoffes aufgrund reduziertem Wärmeeintrag, konnte das Schweißverfahren überwiegend für das Schweißen von Längsnähten demonstriert werden. Eine Vielzahl von Schweißaufgaben, z.B. beim Schweißen von Segmenten von Windkraftanlagen oder dem Orbitalschweißen beim Verlegen von Großrohrleitungen sieht vor, dass die zu schweißenden Bauteile mit einer Rundnaht zusammengefügt werden. Die schweißtechnische Herausforderung ist hier, dass beim Schließen einer Rundnaht mit der Entstehung eines fehlerbehafteten Überlappbereiches zu rechnen ist. Ein zentrales Problem im Überlappbereich einer laserstrahl- sowie laserhybridgeschweißten Rundnaht ist die Bildung von Imperfektionen wie Poren, Rissen sowie die Bildung eines Endkraters, welcher als geometrische Kerbe wirkt. Bisher liegen keine universellen Lösungen zur fehlerfreien Ausführung von geschlossenen Rundnähten beim Laserstrahl-Hybridschweißen vor. Diese Studie befasst sich mit der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Entstehung von o.g. Schweißimperfektionen vermieden wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht werden kann. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von Schweißversuchen an 9,5 mm dicken Rohabschnitten aus hochfestem Pipelinestahl X100Q mit Variation der Prozessparameter wie der Laserleistung, der Defokussierung des Laserstrahls sowie der Endkraterfüllzeit im Überlappbereich der Rundnaht durchgeführt. Nachfolgend werden die erzielten Ergebnisse dargestellt und diskutiert.
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.