Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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)
Because of its excellent corrosion resistance, high tensile strength and high ductility, duplex stainless steel 2205 offers many areas of application. Though laser beam welding accompanied by high cooling rates, duplex steels tend to perform higher ferrite contents in weld metal as the base metal, which leads to a reduction of ductility and corrosion resistance of the weld joint. To overcome this problem, a solution, based on buttering the plate edges by laser metal deposition (LMD) with material containing higher Ni concentrations prior to laser welding was suggested.
In this context different process parameters for LMD process were investigated. In a second step the possibility of welding those edges defect free while achieving balanced austenite-ferrite ratio was verified with metallographic analysis, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and impact testing according to Charpy.
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.
Die Präsentation gibt einen Überblick bezüglich der von der BAM im Rahmen des SimCoLas Verbundprojekts durchgeführten Arbeiten zum Thema "Photonische Prozessketten". Die numerisch abgebildete Prozesskette Tiefziehen/Laserstrahlschweißen wird darsgestellt und diskutiert. Fokus der Diskussion ist die entwickelte Methodik zur konsistenten Abbildung numerischer Prozessketten mit der Applikation Heissrisskritikalität beim Laserstrahlschweißen.
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 laser-based direct energy deposition (DED) as a technology for additive manufacturing allows the production of near net shape components. Industrial applications require a stable process to ensure reproducible quality. Instabilities in the manufacturing process can lead to faulty components which do not meet the required properties.
The DED process is adjusted by various parameters such as laser power, velocity, powder mass flow and spot diameter, which interact with each other. A frequently used comparative parameter in welding is the energy per unit length and is calculated from the laser power and the velocity in laser welding. The powder per unit length comparative parameter in the DED process has also be taken into account, because this filler material absorbs energy in addition to the base material.
This paper deals with the influence of mass energy as a comparative parameter for determining the properties of additively manufactured parts. The same energy per unit length of 60 J/mm as well as the same powder per unit length of 7.2 mg/mm can be adjusted with different parameter sets. The energy per unit length and the powder per unit length determine the mass energy. The laser power is varied within the experiments between 400 W and 900 W. Energy per unit length and powder per unit length are kept constant by adjusting velocity and powder mass flow. Using the example of Inconel 718, experiments are carried out with the determined parameter sets. In a first step, individual tracks are produced and analyzed by means of micro section. The geometry of the tracks shows differences in height and width. In addition, the increasing laser power leads to a higher dilution of the base material. To determine the suitability of the parameters for additive manufacturing use, the individual tracks are used to build up parts with a square base area of 20x20 mm². An investigation by Archimedean principle shows a higher porosity with lower laser power. By further analysis of the micro sections, it can be seen that at low laser power, connection errors occur between the tracks.
The results show that laser power, velocity and powder mass flow have to be considered in particular, because a constant mass energy can lead to different geometric as well as microscopic properties.
Schwerpunkte:
Strategie zur Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich beilaserhybridgeschweißten Rundnähten für 9.5 mm dicke Rohre.
Anpassung der Laserleistung in Kombination mit der Defokussierung des
Laserstrahls sowie einer Endkraterfüllung am Ende der Schweißnaht führte zu einer besseren Nahtausbildung.
Herausrampung der Energie des Schweißprozesses, sodass ein Übergang von Durchschweißung zu einer Einschweißung mit gewünschter kelchförmiger Nahtgeometrie stattfand.
Einstellung eines Wärmestaus durch Defokussierung und Verschiebung des
Laserstrahls führt zu einem gut ausgebildeten Überlappbereich ohne Poren, Risse.
Schweißungen an Rohrabschnitten mit einer max. Wandstärke von 15 mm, bei gegebenenfalls weiteren Parameteranpassungen.
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.
Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen.
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen
hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann.
Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.
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.