Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Beschichtung hochfester Stahlfeinbleche beeinflusst das Auftreten von flüssigmetallinduzierter Rissbildung (LME). Daher wurden in dieser Arbeit industrieübliche Beschichtungen bei gleichem Grundwerkstoff hinsichtlich ihres Aufbaus und chemischer Zusammensetzung charakterisiert und bezüglich ihrer LME Anfälligkeit untersucht. Aus dieser vergleichenden Untersuchung heraus wurden Potentiale für die Widerstandsfähigkeit gegen LME identifiziert. Diese Potentiale werden experimentell durch den Einsatz einer von der Forschungsstelle entwickelten Methode überprüft. Gegenstand der Untersuchungen waren neben unbeschichteten Proben industrieübliche Zinküberzüge wie Elektrolytisch verzinkt, Feuerverzinkt, Galvannealed und Zink-Magnesium Beschichtungen.
Die LME Anfälligkeit dieser unterschiedlichen Überzüge wird mit einem Schweißen unter Zugbelastung Versuchsaufbau untersucht. Dabei ergibt sich die resultierende Anfälligkeit aus den auftretenden Risslängen und der Auftrittswahrscheinlichkeit von LME bei den einzelnen Versuchen. Es konnte eine LME Anfälligkeits-Rangfolge für die Zinküberzüge festgestellt werden. Zink-Magnesium Beschichtungen galten als besonders LME Anfällig, gefolgt von Feuerverzinkt und Galvannealed. Die größte LME Resistenz wurde bei elektrolytisch verzinkten Proben festgestellt.
Aus den Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen zur Erhöhung der Verarbeitungssicherheit bzw. Schweißpunktqualität abgeleitet.
The application of anti-corrosion coated, high-strength steels in the automotive industry has increased in recent years. In combination with various zinc-based surface coatings, liquid metal embrittlement cracking can be observed in some of these materials. A high-quality, crack-free spot-welded joint is essential to realize the lightweight potential of the materials. In this work, the LME susceptibility of different coatings, which will be determined by the crack length and the occurrence rate, will be investigated using a welding under external load setup. The uncoated specimens did not show any LME. EG, GI and GA showed significantly less LME than ZM coatings. The latter coatings showed much larger crack lengths than the EG, GI and GA coatings. Furthermore, two mechanisms regarding the LME occurrence rate were observed: the occurrence of LME in zinc–magnesium coatings was theorized to be driven by the material properties of the coatings, whereas the occurrence of LME at EG, GI and GA samples was forced mainly by the application of the external tensile load.
In the experimental setup of this work, the materials were exposed to unusually high mechanical loads (up to 80% of their yield strength) to evoke LME cracks.
A technique for calculating the main solidification parameters for a two-dimensional columnar crystal growth during complete penetration laser beam welding of thin steel sheets was developed. Given that the weld pool interface is described by Lamé curves (superellipses) within the horizontal plane of growth, general analytical solutions were derived for the geometry of the crystal axis and the corresponding growth rate and cross-sectional area of the crystal. A dimensionless analysis was performed to provide insights on the dependence of the solidification parameters on the shape and dimensions of the rear part of the weld pool boundary. The derived solutions were applied for the case of complete penetration laser beam keyhole welding of 2 mm thick 316L austenitic chromium-nickel steel sheets. It was shown that the reconstruction of the weld pool boundary with Lamé curves provides higher accuracy and flexibility compared to results obtained with elliptical functions. The validity of the proposed technique and the derived analytical solutions was backed up by a comparison of the obtained solutions to known analytical solutions and experimentally determined shapes and sizes of the crystals on the top surface of the sheet. The dimensions of the calculated crystal axis correlated well with the experimentally obtained results.
Der Einsatz von hochfesten Stählen im Karosseriebereich des Automobilbaus hat während der letzten Jahre stark zugenommen. Hierzu zählen Dual- und Komplexphasenstähle, welche durch Kombination unterschiedlicher Gefügebestandteile auch deren Vorteile kombinieren, sowie TRIP (TRansformation Induced Plasticity) und Mangan-Bor Stähle, welche sehr gute Umformeigenschaften mit hohen Festigkeiten durch Martensitbildung bei der Umformung kombinieren. TWIP (Twinning Induced Plasticity) Stähle erreichen ähnliche Effekte durch forcierte Zwillingsbildung.
Die Ursachen für den Einsatz dieser Stähle liegen in dem Potential dieser Materialien zur Gewichts- und Kostenreduzierung, bei gleichzeitiger Erhöhung der Fahrgastsicherheit. Auf Grund der prinzipiell gegebenen Schweißeignung dieser Stähle, werden die klassischen Fügeverfahren im Karosseriebau wie das kostengünstige und effektive Widerstandspunktschweißen, das Metall-Schutzgas (MSG)-Schweißen oder das Laserschweißen angewendet. Allerdings treten teilweise Herausforderungen, beispielsweise durch Gefügeveränderungen in den Fügestellen auf, die zu ungewollten Aufhärtungen oder Erweichungen führen.
In diesem Projekt wird ein Verfahren entwickelt, mit welchem die lokalen Werkstoffeigenschaften von im Automobilbau typischen Werkstoffen und deren Fügestellen bestimmt werden können. Relevante Kennwerte sind in erster Linie das SpannungsDehnungs-Verhalten der verschiedenen Zonen einer Schweißverbindung; relevante Zonen wiederum sind neben dem Grundwerkstoff die Wärmeeinflusszone und das Schweißgut. Zu diesem Zweck wird das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung für den Einsatz bei hochfesten Stählen weiterentwickelt. Zunächst werden hierzu Zugversuche an einfachen Grundwerkstoffgeometrien durchgeführt. Im Anschluss wird die optische Dehnungsfeldmessung an stark taillierten, geschweißten Zugversuchsproben durchgeführt.
Die Taillierung dient dem Zweck, die WEZ auch mittels WPS über den gesamten Querschnitt der Probe erzeugen zu können, bzw. im Versuch auch Dehnungen in den relevanten Bereichen herbeizuführen.
Das im Projekt angewendete Auswerteverfahren, welches auf nichtlinearen Regressionsmodellen in Form von künstlichen, neuronalen Netzwerken beruht, ermöglicht die Vorhersage des Festigkeitsverhaltens des Werkstoffes anhand der gemessenen Krafteindringwegdaten.
Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserschmelzen sowie das Laserpulverauftragsschweißen, ermöglichen eine enorme Steigerung der Flexibilität und erlauben Kleinserienteile mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten herzustellen.
Für den erfolgreichen wirtschaftlichen Einsatz dieser neuartigen Fertigungsverfahren spielt die Einhaltung des First-time-right-Prinzips eine entscheidende Rolle: Bauteile sollten bereits im ersten Versuch allen Anforderungen genügen. Aufgrund der jungen Geschichte dieses Fertigungszweigs und der damit einhergehenden fehlenden Erfahrungen und Richtlinien ist diese elementare Forderung heute nur in wenigen Fällen realisierbar. Die geforderten Qualitätsstandards können aktuell nur über experimentelle Iterationsschleifen eingehalten werden, sodass das große Potential einer flexiblen und schnellen Fertigung in erheblichem Maß reduziert wird. Die Komplexität der gefertigten Bauteile und die des Prozesses an sich lassen eine erfahrungsbasierte Vorhersage der Verzüge und Eigenspannungen kaum zu. Zudem werden auch in Zukunft Richtlinien und Normen nicht das komplette Anwendungsspektrum abbilden können. Die eigenspannungsbedingten Verzüge spielen demnach eine bedeutende Rolle und stellen zusammen mit dem Erreichen der Maßhaltigkeit eine entscheidende technologische Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren dar. Die numerische Simulation ermöglicht die Vorhersage von Bauteilverzügen und –spannungen und kann durch virtuelle Abprüfung von Herstellstrategien die Anzahl von Experimente reduzieren. Bisherige numerische Betrachtungen von zusatzwerkstoffbasierten Verfahren, zu denen unter anderem das Laserpulverauftragschweißen (LPA) gehört, beschränkten sich primär auf akademische Beispiele mit geringer Komplexität. Für die Simulation von konkreten Anwendungsfällen auf Bauteilebene liegen bisher keine validierten, numerischen Methoden und Ansätze vor, die eine wirtschaftliche Anwendung der Schweißsimulation ermöglichen.
Dieses Projekt wird Simulationsmodelle zur numerischen Betrachtung komplexer additiv gefertigter Bauteile entwickeln. Dafür wird der Prozess in vereinfachten Simulationen nachgebildet und anhand von Experimenten validiert. Anschließend werden Methoden zur automatisierten Pfadgenerierung für komplexe Bauteile erprobt und in der Simulation implementiert. Schließlich werden zur Reduktion der Rechenzeit verschiedene Methoden zur Vereinfachung evaluiert und verglichen. Das Ziel ist die Steigerung der Verlässlichkeit in der Simulation, um prädiktive Aussagen über die Qualität additiv gefertigter Bauteile zu ermöglichen.
Hochfeste Nickelbasislegierungen wie Inconel 939 spielen eine wesentliche Rolle im modernen Turbinenbau. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hierbei neue Möglichkeiten für die Verarbeitung, jedoch fehlen verlässliche Fügeprozesse für die Absicherung der additiven Prozesskette im Bereich Neuteilfertigung und Instandsetzung. Insbesondere Heißrisse stellen eine große Herausforderung an die Fügetechnik. Die vorliegende Untersuchung befasst sich daher mit dem Verhalten von additiv gefertigten Blechen aus Inconel 939 beim Elektronenstrahlschweißen. Es werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Härte und Rissneigung betrachtet und Ansätze für eine Optimierung auf Basis statistischer Versuchsplanung aufgezeigt. Hierbei erfolgt eine Einteilung der Risse nach bestimmten Nahtbereichen. Risse am Nahtkopf können durch die Faktoren Vorschub und Streckenenergie sowie die Härte des Schweißgutes beeinflusst werden. Risse im Bereich der parallelen Nahtflanken stehen hingegen im Zusammenhang mit der Härte der Wärmeinflusszone. Ein abschließender Vergleich der angepassten Parameter mit der Ausgangssituation zeigt, dass durch Anwendung der statistischen Optimierung eine deutliche Reduzierung der Rissneigung erreicht werden kann.
Friction stir welding (FSW) has the capacity to join the Al/Ti dissimilar structures with superior mechanical properties. The microstructures and mechanical characteristics of Al/Ti dissimilar FSW joints are determined by the heat and mass transfer during the welding process. However, a quantitative study of the Al/Ti dissimilar FSW process is lacking. Therefore, using the computational fluid dynamics (CFD) and volume of fluid (VOF) approach, a multi-phase model was constructed for quantitatively analyzing the heat and mass transfer behaviour in dissimilar FSW of TC4 titanium alloy and AA2024-T4 aluminium alloy. The mixed material was treated as a functionally graded material (FGM) to compute the thermophysical characteristics at the weld nugget zone (WNZ). Due to the vast disparity in the thermophysical characteristics of aluminum and titanium alloy, the temperature field in Al/Ti dissimilar FSW was severely asymmetric. The temperature of titanium alloy on the advancing side (AS) was higher than that of aluminium alloy on the retreating side (RS) at the same distance from the tool centre line near the tool shoulder, but it was lower than that of aluminium alloy on the RS without the influence of the shoulder. Due to the high flow stress of titanium alloy, plastic material flow mostly occurred on the RS of aluminium alloy in the Al/Ti dissimilar FSW, with its percentage exceeding 80%. This model was validated by experiment results.
The strain field can reflect the initiation time of solidification cracks during the welding process. The traditional strain measurement is to first obtain the displacement field through digital image correlation (DIC) or optical flow and then calculate the strain field. The main disadvantage is that the calculation takes a long time, limiting its suitability to real-time applications. Recently, convolutional neural networks (CNNs) have made impressive achievements in computer vision.
To build a good prediction model, the network structure and dataset are two key factors. In this paper, we first create the training and test sets containing welding cracks using the controlled tensile weldability (CTW) test and obtain the real strain fields through the Lucas–Kanade algorithm. Then, two new networks using ResNet and DenseNet as encoders are developed for strain prediction, called StrainNetR and StrainNetD. The results show that the average endpoint error (AEE) of the two networks on our test set is about 0.04, close to the real strain value. The computation time could be reduced to the millisecond level, which would greatly improve efficiency.
Laser beam welding is a widely used joining technique in many industrial applications. This is mainly due to its many unique advantages, especially compared to conventional arc welding processes. These advantages include, among others, highly concentrated energy deposition, low total heat input and a capacity to penetrate deep into the material while causing only small welding distortions.
However, at the same time, the small dimension of the laser spot, high solidification rates, and small dimensions of the weld pool itself can provoke issues regarding the assembly tolerances of the workpiece, the hot-cracking phenomena, as well as keyhole-induced bubbles escaping from the melt.
Weld pool shapes in laser beam welding are elongated at the external, free surfaces under the action of the main driving forces in the melt – such as recoil pressure and surface tension forces – while being shorter in the internal areas of the weld pool. This leads to a regular solidification sequence from the internal zones toward the free surfaces, e.g. from the bottom to the top in partial penetration welding. However, in recent studies reported in the literature and seen in the experimental and numerical investigations of BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin, it was found that an internal narrowing phenomenon can occur that is often accompanied by a distinct bulging of the weld bead in deeper zones.
As the internal behaviour of the melt during the process is hardly optically accessible, several numerical models and experimental techniques were established to visualise the mechanisms of the formation of the bulging and the narrowing phenomenon and to reveal the consequences on the solidification sequence, pore formation, and filler metal dilution.
Understanding the void defect formation mechanism and simultaneous predicting the tool service life in friction stir welding are critical for optimizing the welding parameters. However, the void defect formation mechanism in friction stir welding is not yet elucidated. In this study, a novel integrated thermal-fluid-structure coupling model of the friction stir welding process was proposed for simultaneous prediction of the weld formation and tool service life. A new non-uniform distribution model of the tool-workpiece contact pressure was proposed to describe the interaction between the tool and the workpiece. The void defect formation mechanism was quantitatively studied using the proposed integrated thermal-fluid-structure coupling model. The results show that the plastic material flows in the horizontal direction and can completely fill the cavity behind the tool for the welding condition of forming a sound weld. While the tool-workpiece contact interfacial frictional shear stress in the rear of the tool is decreased significantly which leads to a severe decrease in the plastic material flow velocity. Therefore, after bypassing the tool from the retreating side, the plastic material at the bottom of the weld stagnates, and void defect forms in the middle and lower part of the weld at the advancing side. The difference between the maximum and the minimum tool-workpiece contact pressure could serve as a numerical criterion to predict void defects. A sound joint is formed when the difference is lower than the critical value of 15 MPa, while a void defect is formed in the weld if it is higher than this critical value. The maximum equivalent stress acting on the tool is located at the pin root with severe stress concentration at a high welding speed. The front of the tool is subjected to tensile stress while its rear is subjected to compressive stress, therefore the tool is apt to fracture at its root under an inappropriate welding condition. The average normal stress of the tool varies periodically with its period consistent with the rotation period of the tool. The service life of the tool is decreased with the increase in welding speed and the decrease in rotation speed. The model is validated by experimental results.
Das Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist dank hoher erreichbarer Aufbauraten prädestiniert für die Fertigung großvolumiger Bauteile. Dabei ist auf die Wirkmechanismen zwischen Prozessparametern und den daraus resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften zu achten. Dies gilt insbesondere für die Fertigung dickwandiger Bauteile aus Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen, die eine hohe Anfälligkeit gegenüber Erstarrungsrissen und wasserstoffinduzierter Porosität aufweisen. Der Einfluss der Prozessparameter und des resultierenden Temperaturregimes auf die Bauteilqualität wurde durch die Analyse der Größe und Verteilung von Poren sowie der resultierenden Festigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer Wärmenachbehandlungsstrategien auf das Festigkeitsverhalten analysiert.
Die lichtbogenbasierte, additive Fertigung ist dank hoher erreichbarer Aufbauraten und nahezu uneingeschränktem Bauraum zur Fertigung großvolumiger Bauteile prädestiniert. Die Kombination etablierter Maschinenkomponenten aus Robotertechnik, Schweißtechnik und Sensorik ermöglicht den präzisen schichtweisen Materialauftrag. Die Wirkmechanismen zwischen Prozessparametern und den daraus resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile stellen eine Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere auch für dickwandige Bauteile. Bei der Fertigung von Bauteilen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen ist aufgrund der hohen Anfälligkeit für Erstarrungsrisse und der Neigung zu wasserstoffinduzierter Porosität im besonderen Maße auf das Temperaturregime und die gewählte Aufbaustrategie zu achten.
Der Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteilqualität wurde durch die Analyse der Größe und Verteilung von Poren sowie der resultierenden Festigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer Wärmenachbehandlungsstrategien auf das Festigkeitsverhalten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass dickwandige Strukturen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen mit mechanischen Kennwerten im Bereich des Referenzmaterials mittels MSGLichtbogenverfahren additiv gefertigt werden können.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Ziel des Verbundvorhabens „SmartWeld“ ist es, für die schweißtechnische Fertigung von Stahlbaustrukturen exemplarisch am Beispiel von Hohlprofilknoten, welche als designrelevante Elemente von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) einsetzbar sind, die Möglichkeiten des Leichtbaus unter konsequenter Digitalisierung der Fertigungskette aufzuzeigen, um einerseits die Ressourceneffizienz zu forcieren und gleichzeitig wettbewerbsfähige Fertigungsstrategien aufzuzeigen.
Innerhalb von „SmartWeld“ werden daher die Möglichkeiten einer wirtschaftlichen Fertigung von Leichtbau-Gründungsstrukturen am Beispiel aufgelöster Tragstrukturen (Jackets) aufgezeigt. Eine lastgerechte Auslegung der Schweißverbindungen nach bionischen Prinzipien ermöglicht, weitere Einsparpotenziale an Ressourcen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu erschließen.
Die Ausnutzung konstruktiver Prinzipien des Leichtbaus zur Erzeugung innovativer und ressourcenschonender Produkte erfordert den Einsatz digitaler Werkzeuge in der Designphase, der virtuellen Absicherung, der Fertigung und Qualitätsüberwachung sowie nachgelagerten Bauteilprüfung zur Abbildung der Nutzungsphase. Im Rahmen der Arbeiten wird daher der gesamte Produktentstehungs- und Prüfprozess betrachtet. Dies beinhaltet das Design im Kontext des konstruktiven Leichtbaus, den schweißtechnischen Fertigungsprozess, die Bauteilprüfung sowie den Transfer der Ergebnisse in die Industrie durch serientaugliche Demonstratoren. Der Fokus der Arbeiten ist, die Fertigung auch im Umfeld eines für großskalige Stahlstrukturen üblichen hohen Individualisierungsgrades schweißtechnisch zu automatisieren und das Leichtbaupotenzial gezielt umzusetzen. Die Vorgaben aus der Designphase hinsichtlich einer lastgerechten Gestaltung bzw. Implementierung bionischer Ansätze können so gezielt durch einen adaptiven, automatisierten Schweißprozess eingestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Ermüdungs¬festigkeit und damit Produktlebensdauer, wodurch die Strukturen dünnwandiger ausgeführt und Ressourcen sowie CO2 eingespart werden können.
Ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik besteht darin, Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wertschöpfungsketten ermöglichen und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig sichern. In diesem Beitrag werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweißtechnischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produkts oder Prozesses ist die Ökobilanzierung. Hierbei stellen die Sachbilanzierung, das heißt die Ermittlung sämtlicher relevanter Energie- und Ressourcenverbräuche während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentationsaufwands, sowie die Ableitung assoziierter Wirkkategorien das größte Hindernis für eine Etablierung und Akzeptanz der Ökobilanzierung in der Praxis dar. Gleichwohl wird seitens Unternehmen, welche als Zulieferer von OEM’s (engl.: original equipment manufacturer) agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert. Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in die relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) relevantes Spektrum. Durch die softwareseitige Bereitstellung der aufgestellten Umweltprofile ist der Anwender in der Lage, Schweißprozesse unter ökologischen Aspekten zu bewerten und die effizienteste Variante zu identifizieren.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks.
The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel.
In this context this presentation focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment.
The high amount of resource consumption of fusion welding processes offers the potential to reduce their environmental impact. While the driving forces are known froma qualitative perspective, the quantitative assessment of the crucial parameters is not a trivial task. Therefore, herein, a welding-specific methodology to utilize life cycle assessment as a tool for evaluating the environmental impact of fusion welding processes is presented. In this context, two welding processes, resistance spot welding and laser beam welding, are analyzed for two different use cases.
These comprise the welding of shear test specimens and a cap profile made of electrogalvanized sheets of DC 05þ ZE (1.0312) as representative of an automotive application. For both welding processes, the main influences on the resulting environmental impact categories are evaluated and compared. The requirements for ecological efficient welding processes are discussed and implemented.
Ein wesentliches Ziel der deutschen Industriepolitik besteht darin, Rahmenbedingungen zu schaffen, welche die Positionierung nachhaltiger Produkte und Prozesse innerhalb globaler Wertschöpfungsketten ermöglichen und ökoeffiziente Fertigungsprozesse langfristig sichern. In diesem Beitrag werden aktuelle Forschungsarbeiten zur Bewertung der Umweltwirkungen der schweißtechnischen Fertigungskette anhand ausgewählter Schmelzschweißverfahren unter Berücksichtigung vor- sowie nachgelagerter Fertigungsschritte dargestellt. Eine weit verbreitete und standardisierte Methode zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Produkts oder Prozesses ist die Ökobilanzierung. Hierbei stellen die Sachbilanzierung, das heißt die Ermittlung sämtlicher relevanter Energie- und Ressourcenverbräuche während der schweißtechnischen Fertigung, aufgrund des hohen Dokumentationsaufwands, sowie die Ableitung assoziierter Wirkkategorien das größte Hindernis für eine Etablierung und Akzeptanz der Ökobilanzierung in der Praxis dar. Gleichwohl wird seitens Unternehmen, welche als Zulieferer von OEM’s (engl.: original equipment manufacturer) agieren, die Dokumentation des fertigungsspezifischen CO2-Verbrauches gefordert. Ein weiterer Aspekt der Arbeiten beinhaltet Methoden zur automatisierten Erfassung von schweißtechnischen Produktionsdaten sowie deren Nachverfolgbarkeit. Anhand unterschiedlicher Schweißverfahren werden die aus den Produktionsdaten abgeleiteten Energie- und Ressourcenverbräuche automatisiert in die relevanten Umweltwirkungen überführt. Die analysierten Schweißprozesse umfassen dabei ein breites für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) relevantes Spektrum. Durch die softwareseitige Bereitstellung der aufgestellten Umweltprofile ist der Anwender in der Lage, Schweißprozesse unter ökologischen Aspekten zu bewerten und die effizienteste Variante zu identifizieren.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Ziel des Verbundvorhabens „SmartWeld“ ist es, für die schweißtechnische Fertigung von Stahlbaustrukturen exemplarisch am Beispiel von Hohlprofilknoten, welche als designrelevante Elemente von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) einsetzbar sind, die Möglichkeiten des Leichtbaus unter konsequenter Digitalisierung der Fertigungskette aufzuzeigen, um einerseits die Ressourceneffizienz zu forcieren und gleichzeitig wettbewerbsfähige Fertigungsstrategien aufzuzeigen.
Innerhalb von „SmartWeld“ werden daher die Möglichkeiten einer wirtschaftlichen Fertigung von Leichtbau-Gründungsstrukturen am Beispiel aufgelöster Tragstrukturen (Jackets) aufgezeigt. Eine lastgerechte Auslegung der Schweißverbindungen nach bionischen Prinzipien ermöglicht, weitere Einsparpotenziale an Ressourcen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu erschließen.
Die Ausnutzung konstruktiver Prinzipien des Leichtbaus zur Erzeugung innovativer und ressourcenschonender Produkte erfordert den Einsatz digitaler Werkzeuge in der Designphase, der virtuellen Absicherung, der Fertigung und Qualitätsüberwachung sowie nachgelagerten Bauteilprüfung zur Abbildung der Nutzungsphase. Im Rahmen der Arbeiten wird daher der gesamte Produktentstehungs- und Prüfprozess betrachtet. Dies beinhaltet das Design im Kontext des konstruktiven Leichtbaus, den schweißtechnischen Fertigungsprozess, die Bauteilprüfung sowie den Transfer der Ergebnisse in die Industrie durch serientaugliche Demonstratoren. Der Fokus der Arbeiten ist, die Fertigung auch im Umfeld eines für großskalige Stahlstrukturen üblichen hohen Individualisierungsgrades schweißtechnisch zu automatisieren und das Leichtbaupotenzial gezielt umzusetzen. Die Vorgaben aus der Designphase hinsichtlich einer lastgerechten Gestaltung bzw. Implementierung bionischer Ansätze können so gezielt durch einen adaptiven, automatisierten Schweißprozess eingestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Ermüdungs¬festigkeit und damit Produktlebensdauer, wodurch die Strukturen dünnwandiger ausgeführt und Ressourcen sowie CO2 eingespart werden können.
Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie z.B. die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sog. Jackets-Fundamenten, bietet ein großes Potential zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge.
In diesem Vortrag zeigen wir die Potenziale einer vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette auf, um eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten als Schlüsselelement von Jackets-Fundamenten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Nahtform und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass Hohlprofilknoten vollautomatisch unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen geschweißt werden können. Darüber hinaus konnte die Nahtform gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend werden die Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch eine Lebenszyklusanalyse bewertet.
Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie z.B. die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sog. Jackets-Fundamenten, bietet ein großes Potential zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge.
In diesem Vortrag zeigen wir die Potenziale einer vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette auf, um eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten als Schlüsselelement von Jackets-Fundamenten zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Nahtform und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass Hohlprofilknoten vollautomatisch unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen geschweißt werden können. Darüber hinaus konnte die Nahtform gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend werden die Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen durch eine Lebenszyklusanalyse bewertet.
Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks.
The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel.
In this context this paper focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment.
An accurate and efficient description of the spatial distribution of laser energy is a crucial factor for the modeling of laser material processing, e.g., laser welding, laser cutting, or laser-based additive manufacturing. In this study, a 3D heat transfer and fluid flow model coupled with the volume-of-fluid algorithm for free surface tracking is developed for the simulation of molten pool dynamics in high-power laser beam welding. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by a ray-tracing method. Two strategies of free surface reconstruction used in the ray-tracing method are investigated: a typical piecewise linear interface calculation (PLIC)-based method and a novel localized Level-Set method. The PLIC-based method is discrete, resulting in non-continuous free surface reconstruction. In the localized Level-Set method, a continuous free surface is reconstructed, and thus the exact reflection points can be determined. The calculated spatial laser energy distribution and the corresponding molten pool dynamics from the two methods are analyzed and compared. The obtained numerical results are evaluated with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. It is found that distinct patterns of the beam multiple reflections are obtained with the different free surface reconstructions, which shows significant influence not only on the molten pool behaviors but also on the localized keyhole dynamics.
This study presents mechanisms of the evolution of a narrowed region in the weld pool center during deep penetration laser beam welding. In numerous numerical studies presented in this study, it was also found that the local reduction of the weld pool size can cause detrimental effects on the melt flow behavior and the resulting properties of the welds. A particularly large influence of this effect was identified in three aspects. Firstly, the local variation of the solidification sequence of the weld pool causes an increase in the hot-cracking susceptibility due to a locally delayed solidification. Secondly, it was proven that a change in the local length and width of the weld pool is associated with an adverse impact on the potential flow routes of the molten material that induces stronger local variations of its solidification. Thus, the element mixing, e.g. during the welding with filler materials, is blocked. This leads to a non-homogeneous chemical composition of the final weld and can cause undesired effects on the final material properties. Finally, another observed effect is related to the reduced ability of process pores to reach the top surface. As this type of porosity is usually produced around the keyhole tip, the change of the fluid flow regime above this area plays a significant role in determining the final path of the pores until the premature solidification in the middle of the weld pool captures them. This study summarizes mainly numerical results which were supported by selected experimental validation results.
Motivated by the loss of tensile strength in 9%Ni steel arc-welded joints performed using commercially available Ni-based austenitic filler metals, the viability of retaining tensile strength using an experimentally produced matching ferritic filler metal was confirmed. Compared to the austenitic Ni-based filler metal (685 MPa), higher tensile strength in gas metal arc (GMA) welded joints was achieved using a ferritic filler metal (749 MPa) due to its microstructure being similar to the base metal (645 MPa). The microstructure of hard martensite resulted in an impact energy of 71 J (-196 °C), which was two times higher than the specified minimum value of _>34 J. The
tensile and impact strength of the welded joint is affected not only by its microstructure, but also by the degree of its mechanical mismatch depending on the type of filler metal. Welds with a harder microstructure and less mechanical mismatch are important for achieving an adequate combination of tensile strength and notched impact strength. This is achievable with the cost-effective ferritic filler metal. A more desirable combination of mechanical properties is guaranteed by applying low preheating temperature (200 °C), which is a more practicable and economical solution compared to the high post-weld heat treatment (PWHT) temperature (580 °C) suggested by other research.
Solidification cracking is still a serious problem in laser beam welding, especially in the welding of thick-walled plates. The influence of weld pool geometry on solidification cracking in partial penetration welding of thick plates is investigated within scope of this study. Therefore, a specific experimental setup of steel and quartz glass in butt configuration and on the side with high-speed camera were used to record the weld pool shape. In addition, the influence of laser inclination angle on the weld pool geometry and on solidification crack formation was investigated. The results show a bulge in the weld pool root, which is separated from an upper region by a necking region. This leads to a case where there are three different longitudinal region lengths with different solidification zones. This temporal sequence of solidification strongly promotes the formation of solidification cracks in the weld root.
Solidification cracking is still a serious problem in laser beam welding, especially in the welding of thick-walled plates. The influence of weld pool geometry on solidification cracking in partial penetration welding of thick plates is investigated within scope of this study. Therefore, a specific experimental setup of steel and quartz glass in butt configuration and on the side with high-speed camera were used to record the weld pool shape. In addition, the influence of laser inclination angle on the weld pool geometry and on solidification crack formation was investigated. The results show a bulge in the weld pool root, which is separated from an upper region by a necking region. This leads to a case where there are three different longitudinal region lengths with different solidification zones. This temporal sequence of solidification strongly promotes the formation of solidification cracks in the weld root.
The study deals with the influence of the heat input and the resulting cooling times on the microstructure and Charpy impact toughness of single-pass laser hybrid welded 20-mm thick high-strength steel S690QL. The main focus is on the change of the mechanical properties over the entire seam thickness. The cooling times were measured in-situ using a pyrometer and an optical fibre in three different depths of the seam where Charpy impact test specimens were also later taken. Thereby, three different heat inputs from 1.3 kJ/mm to 2 kJ/mm were investigated. Despite the observed decreased values of both t8/5-cooling time and the Charpy impact toughness in the root part of the seam, the required impact toughness of 38 J/cm2 could be reached in dependance on applied heat input, especially at the heat input of 1.6 kJ/mm.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badstützen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadstütze wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badstützen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badstütze konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von 8 mm bis 12 mm die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeit deutlich.
-With modern high-power lasers (and vacuum) penetration around 100 mm is possible
-Important for industrial applications: single-pass full penetration welds with tolerances
-Contactless EM-backing helps to overcome many main restrictions:
-Single-pass HLAW of up to 30 mm can be realized with 20 kW laser power
-Increase of the gap bridgeability and misalignement of edges
-Lower sensitivity to manufacturing tolerances and edge quality; samples can be prepared by a plasma-cut instead of time-consuming milling process
-Gives the possibility to increase the welding parameter window and cooling rate so that the required mechanical properties can be reached
-Improved filler wire mixing behaviour
Laserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen Ökonomische und ökologische Vorteile
(2022)
Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulverschweißen von Dickblechen in Mehrlagentechnik und bietet hier ökonomische und ökologische Vorteile. Der industrielle Einsatz des Verfahrens ist jedoch durch prozessspezifische Herausforderungen eingeschränkt. Die im Beitrag beschriebene kontaktlose elektromagnetische Badstütze dient zur Erweiterung des Verfahrenspotenzials im Dickblechbereich >15 mm.
With additive manufacturing in the powder bed, the component size is limited by the installation space. Joint welding of additively manufactured parts offers a possibility to remove this size limitation. However, due to the specific stress and microstructure state in the additively built material, it is unclear to what extent existing evaluation rules of joint welding are also suitable for welds on additive components. This is investigated using laser beam welding of additively manufactured pipe joints. The welds are evaluated by means of visual inspection, metallographic examinations as well as computed tomography. The types of defects found are comparable to conventional components. This is an indicator that existing evaluation regulations also map the possible defects occurring for weld seams on additive components.
Die technischen Entwicklungen in der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten haben eine neue Generation von Hochleistungslasersystemen im Leistungsbereich bis zu 100 kW auf den Markt gebracht. Dennoch ist die industrielle Anwendung des Hochleistungslaserstrahlschweißens auf bis zu 15 mm dicke Bleche beschränkt. Mögliche Ursachen der Einschränkungen des Verfahrens sind z.B. die Sensibilität des Verfahrens auf Fertigungstoleranzen wie Spalt und Kantenversatz, die erhöhte Tropfenbildung bei höheren Blechdicken und eine inhomogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes beim Laserhybridschweißen. In dieser Studie wird ein auf extern angelegte Magnetfelder basierte elektromagnetische Schmelzbadstütze eingesetzt, um die Grenzen des Verfahrens zu erweitern und die Herausforderungen zu minimieren. Der wesentliche Vorteil der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ist, dass sie berührungslos arbeitet. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnten bei 20 mm dicken Proben aus S355J2 die Tropfenbildung an der Wurzel vermieden werden. Zudem wurde der Einfluss der Kantenqualität auf die Schweißnahtqualität untersucht, wobei verschiedene Schneidverfahren zur Kantenvorbereitung eingesetzt wurden, wie z.B. Plasma-, Brenn- oder Laserschneiden. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei schlechteren Kantenvorbereitung im Gegensatz zu gefrästen Bauteilen die Werkstoffe einlagig mittels Laserhybridschweißen bei einer hohen Schweißnahtqualität gefügt werden konnten. Bei plasmageschnittenen Proben wurden zudem eine Spaltüberbrückbarkeit bzw. Kantenversatz von bis zu 2 mm sicher überbrückt. Des Weiteren war es mit Hilfe der externen Magnetfelder möglich, die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes über die gesamte Schweißnahttiefe deutlich zu homogenisieren.
The study deals with the influence of the heat input and the resulting cooling times on the microstructure and Charpy impact toughness of single-pass laser hybrid welded 20-mm thick high-strength steel S690QL. The main focus is on the change of the mechanical properties over the entire seam thickness. The cooling times were measured in-situ using a pyrometer and an optical fibre in three different depths of the seam where Charpy impact test specimens were also later taken. Thereby, three different heat inputs from 1.3 kJ/mm to 2 kJ/mm were investigated. Despite the observed decreased values of both t8/5-cooling time and the Charpy impact toughness in the root part of the seam, the required impact toughness of 38 J/cm2 could be reached in dependance on applied heat input, especially at the heat input of 1.6 kJ/mm.
This study presents mechanisms of the evolution of a narrowed region in the weld pool center during deep penetration laser beam welding. In numerous numerical studies presented in this study, it was also found that the local reduction of the weld pool size can cause detrimental effects on the melt flow behavior and the resulting properties of the welds. A particularly large influence of this effect was identified in three aspects. First, the local variation of the solidification sequence of the weld pool causes an increase in the hotcracking susceptibility due to a locally delayed solidification. Second, it was proven that a change in the local length and width of the weld pool is associated with an adverse impact on the potential flow routes of the molten material that induces stronger local variations of its solidification. Thus, the element mixing, e.g., during the welding with filler materials, is blocked. This leads to a nonhomogeneous chemical composition of the final weld and can cause undesired effects on the final material properties. Finally, another observed effect is related to the reduced ability of process pores to reach the top surface. As this type of porosity is usually produced around the keyhole tip, the change of the fluid flow regime above this area plays a significant role in determining the final path of the pores until the premature solidification in the middle of the weld pool captures them. This study summarizes mainly numerical results that were supported by selected experimental validation results.
The contactless magnetohydrodynamic technology has been considered as a potential and promising method to improve the weld qualities of deep penetration laser beam welding. In this paper, numerical investigations are conducted to study the influence of the auxiliary oscillating magnetic field on the porosity suppression in laser beam welding of 5754 aluminum alloy. To obtain a deeper insight into the suppression mechanism, a three-dimensional transient multi-physical model is developed to calculate the heat transfer, fluid flow, keyhole dynamic, and magnetohydrodynamics. A ray tracing algorithm is employed to calculate the laser energy distribution on the keyhole wall. A time-averaged downward Lorentz force is produced by an oscillating magnetic field. This force acts in the molten pool, leading to a dominant downward flow motion in the longitudinal section, which blocks the bubble migration from the keyhole tip to the rear part of the molten pool. Therefore, the possibility for the bubbles to be captured by the solidification front is reduced. The electromagnetic expulsive force provides an additional upward escaping speed for the bubbles of 1 m/s ~ 5 m/s in the lower and middle region of the molten pool. The simulation results are in a good agreement with experimental measurements. Based on the results obtained in this study, a better understanding of the underlying physics in laser beam welding enhanced by an auxiliary oscillating magnetic field can be provided and thus the welding process can be further optimized reducing the porosity formation.
Numerical analysis of ultrasonic vibration enhanced friction stir welding of dissimilar Al/Mg alloys
(2022)
The ultrasonic vibration enhanced friction stir welding (UVeFSW) process has unique advantages in joining dissimilar Al/Mg alloys. While there are complex coupling mechanisms of multi-fields in the process, it is of great significance to model this process, to reveal the influence mechanism of ultrasonic vibration on the formation of Al/Mg joints.
In this study, the acoustic-plastic constitutive equation was established by considering the influence of both ultrasonic softening and residual hardening on the flow stress at different temperatures and strain rates. And the ultrasonic induced friction reduction (UiFR) effect on friction coefficient in different relative directions at the FSW tool-workpiece interface was quantitatively calculated and analyzed.
The Al/Mg UVeFSW process model was developed through introducing the above acoustic effects into the model of Al/Mg friction stir welding (FSW). The ultrasonic energy is stronger on the aluminum alloy side. In the stirred zone, there is the pattern distribution of ultrasonic sound pressure and energy. The heat generation at the tool-workpiece contact interface and viscous dissipation were reduced after applying ultrasonic vi-bration. Due to the UiFR effect, the projection of friction coefficient and heat flux distributions at the tool-workpiece interface present a "deformed" butterfly shape. The calculated results show that ultrasonic vibration enhanced the material flow and promoted the mixing of dissimilar materials.
An accurate and efficient description of the spatial distribution of laser energy is a crucial factor for the modeling of laser material processing, e.g., laser welding, laser cutting, or laser-based additive manufacturing. In this study, a 3D heat transfer and fluid flow model coupled with the volume-of-fluid algorithm for free surface tracking is developed for the simulation of molten pool dynamics in high-power laser beam welding. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by a ray-tracing method. Two strategies of free surface reconstruction used in the ray-tracing method are investigated: a typical piecewise linear interface calculation (PLIC)-based method and a novel localized Level-Set method. The PLIC-based method is discrete, resulting in non-continuous free surface reconstruction. In the localized Level-Set method, a continuous free surface is reconstructed, and thus the exact reflection points can be determined. The calculated spatial laser energy distribution and the corresponding molten pool dynamics from the two methods are analyzed and compared. The obtained numerical results are evaluated with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. It is found that distinct patterns of the beam multiple reflections are obtained with the different free surface reconstructions, which shows significant influence not only on the molten pool behaviors but also on the localized keyhole dynamics.
Directed energy deposition (DED) has been in industrial use as a coating process for many years. Modern applications include the repair of existing components and additive manufacturing. The main advantages of DED are high deposition rates and low energy input. However, the process is influenced by a variety of parameters affecting the component quality. Artificial neural networks (ANNs) offer the possibility of mapping complex processes such as DED. They can serve as a tool for predicting optimal process parameters and quality characteristics. Previous research only refers to weld beads: a transferability to additively manufactured three-dimensional components has not been investigated. In the context of this work, an ANN is generated based on 86 weld beads. Quality categories (poor, medium, and good) are chosen as target variables to combine several quality features. The applicability of this categorization compared to conventional characteristics is discussed in detail. The ANN predicts the quality category of weld beads with an average accuracy of 81.5%. Two randomly generated parameter sets predicted as “good” by the network are then used to build tracks, coatings,walls, and cubes. It is shown that ANN trained with weld beads are suitable for complex parameter predictions in a limited way.
Prognose von Qualitätsmerkmalen durch Anwendung von KI-Methoden beim Directed 10 Energy Deposition
(2022)
Dieser Beitrag enthält die Ergebnisse eines im Rahmen der DVS Forschung entwickelten Ansatzes zur Qualitätssicherung im Directed Energy Deposition. Es basiert auf der Verarbeitung verschiedener während des Prozesses gesammelter Sensordaten unter Anwendung Künstlicher Neuronale Netze (KNN). So ließen sich die Qualitätsmerkmale Härte und Dichte auf der Datenbasis von 50 additiv gefertigten Probenwürfel mit einer Abweichung < 2 % vorhersagen. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit des KNN auf eine Schaufelgeometrie untersucht. Auch hier ließen sich Härte und Dichte hervorragend prognostizieren (Abweichung < 1,5 %), sodass der Ansatz als validiert betrachtet werden kann.
An accurate and efficient description of the spatial distribution of laser energy is a crucial factor for the modeling of laser material processing, e.g., laser welding, laser cutting, or laser-based additive manufacturing. In this study, a 3D heat transfer and fluid flow model coupled with the volume-of-fluid algorithm for free surface tracking is developed for the simulation of molten pool dynamics in high-power laser beam welding. The underlying laser-material interactions, i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by a raytracing method. Two strategies of free surface reconstruction used in the ray-tracing method are investigated: a typical piecewise linear interface calculation (PLIC)-based method and a novel localized level-set method. The PLIC-based method is discrete, resulting in noncontinuous free surface reconstruction. In the localized level-set method, a continuous free surface is reconstructed, and, thus, the exact reflection points can be determined. The calculated spatial laser energy distribution and the corresponding molten pool dynamics from the two methods are analyzed and compared. The obtained numerical results are evaluated with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. It is found that distinct patterns of the beam multiple reflections are obtained with the different free surface reconstructions, which shows significant influence not only on the molten pool behaviors but also on the localized keyhole dynamics.
Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit dem Einfluss des Additive Manufacturing auf die Schweißeignung von Bauteilen aus Inconel 718. Hierfür wurden Proben mittels DED und L-PBF hergestellt und ihr Verhalten in Blindschweißversuchen anhand eines Vergleichs mit konventionellen Gussblechen untersucht. Im zweiten Schritt wurden die verschiedenen additiv hergestellten Proben mit dem Gussmaterial im I-Stoß sowie untereinander verschweißt.
Als Schweißverfahren wurde für alle Proben das Elektronenstrahlschweißen angewandt. Zur Auswertung wurde anhand von Schliffen das Nahtprofil vermessen und die Proben auf Poren und Risse untersucht. Zusätzlich wurde die Dichte vermessen und eine Prüfung auf Oberflächenrisse durchgeführt. Das AM-Material zeigte dabei Unterschiede in Nahtform und Defektneigung im Vergleich zum Gusswerkstoff. Insbesondere die DED-proben neigten unter bestimmten Parameterkonstellationen verstärkt zu Porenbildung. Risse konnten nicht beobachtet werden. Trotz auftretender Nahtunregelmäßigkeiten wurde in den kombinierten AM-Schweißproben die Bewertungsgruppe C erreicht. Eine Prüfung der bestehenden Regelwerke zur Schweißnahtbewertung anhand der gewonnenen Erkenntnisse zu additiv gefertigten Proben im Elektronenstrahlschweißprozess zeigte keinen Ergänzungsbedarf.
Untersuchung zur Herstellung von Cu-Strukturen mittels Wire Electron Beam Additive Manufacturing
(2022)
Das Additive Manufacturing gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Fertigung metallischer Bauteile im industriellen Umfeld. Hierbei wird zunehmend auch auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits in der Industrie etabliert sind und sich in der Regel durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich neben den bereits im großen Umfeld untersuchten Wire-DED-Verfahren auch eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die als Wire Electron Beam Additive Manufacturing bezeichnete Technologie besondere Vorteile gegenüber anderen, zumeist Laser- oder Lichtbogen-basierten DED-Prozessen. Das Verfahren bietet vor allem Potenzial für die Verarbeitung von hochleitfähigen, reflektierenden oder oxidationsgefährdeten Werkstoffen. Insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus Kupferlegierungen zeigt sich der Elektronenstrahl als besonders geeignet. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch übergreifende Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel zweier Cu-Werkstoffe. Dabei werden ein korrosionsbeständiger Werkstoff aus dem maritimen Bereich sowie eine Bronze mit guten Verschleißeigenschaften aus dem Anlagenbau getestet.
Über mehrstufige Testschweißungen wurden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. Hierfür wurden zunächst optimale Bereiche für den Energieeintrag anhand von Volumenenergie sowie mögliche Schweißgeschwindigkeiten untersucht.
Anschließend wurde die Skalierbarkeit des Prozesses anhand von Strahlstrom und Drahtvorschub getestet.
Als wesentliche Zielgrößen wurden dabei Spurgeometrie, Aufmischung und Härte herangezogen. Die Eignung der ermittelten Parameter wurde im letzten Schritt exemplarisch anhand einer additiven Testgeometrie in Form eines Zylinders nachgewiesen.
The macro and micro benefits from a magnetic field have been well recognized in the laser beam welding, but the influence mechanism, especially on the local keyhole dynamics, is yet not fully understood. A combination of experimental approach and numerical modeling was conducted to study the highly transient keyhole dynamics under the magnetic field. It was found that the magnetic field gave a direct impact on the laser energy absorption at the keyhole front wall. The keyhole-induced porosity was suppressed under the influence of the magnetic field, which was confirmed by the micro-X-ray computed tomography. The porosity mitigation comes from multiple physical aspects, including keyhole stabilization, widening of the bubble floating channel, and the electromagnetic expulsive force. The predicted penetration depth and weld pool profiles with/without magnetic field show a good agreement with the experimental measurements, including optical micrographs and in-situ metal/glass observation.
This study presents mechanisms of the evolution of a narrowed region in the weld pool center during deep penetration laser beam welding. In numerous numerical studies presented in this study, it was also found that the local reduction of the weld pool size can cause detrimental effects on the melt flow behavior and the resulting properties of the welds. A particularly large influence of this effect was identified in three aspects. First, the local variation of the solidification sequence of the weld pool causes an increase in the hot-cracking susceptibility due to a locally delayed solidification. Second, it was proven that a change in the local length and width of the weld pool is associated with an adverse impact on the potential flow routes of the molten material that induces stronger local variations of its solidification. Thus, the element mixing, e.g., during the welding with filler materials, is blocked. This leads to a non-homogeneous chemical composition of the final weld and can cause undesired effects on the final material properties. Finally, another observed effect is related to the reduced ability of process pores to reach the top surface. As this type of porosity is usually produced around the keyhole tip, the change of the fluid flow regime above this area plays a significant role in determining the final path of the pores until the premature solidification in the middle of the weld pool captures them. This study summarizes mainly numerical results that were supported by selected experimental validation results.
The weld quality and the possible defect formation are directly determined by the weld pool shape and the thermo-fluid dynamics therein. In this paper, an untypical weld pool profile, i.e., elongated at its top and bottom but narrowed at the middle, is found experimentally and numerically in the wire feed laser beam welding. The detrimental influence of the weld pool narrowing on the element transport is analyzed and discussed. A magnetohydrodynamic technique is utilized to suppress the narrowing, aiming at a more homogenous element distribution. It is found that a low-temperature region is formed in the middle of the weld pool due to the interaction of the two dominant circulations from the top and bottom regions. The weld pool is significantly narrowed due to the untypical growth of the mushy zone in the low-temperature region, which results in a direct blocking effect on the downward flow and the premature solidification in the middle region. The Lorentz force produced by a transverse oscillating magnetic field shows the potential to change the flow pattern into a single-circulation type and the low-temperature-gradient region is mitigated. Therefore, the downward transfer channel is widened, and its premature solidification is prevented. The numerical results are well validated by experimental measurements of metal/glass observation and X-ray fluorescence element mapping.
Numerical study on the formation of a bulging region in partial penetration laser beam welding
(2022)
A transient three-dimensional thermo-fluid dynamics numerical model was developed to study the formation of a bulging region in partial penetration laser beam welding. The model accounts for the coupling between the fluid flow, the heat transfer, and the keyhole dynamics by considering the effects of multiple reflections and Fresnel absorption of the laser beam in the keyhole, the phase transitions during melting and evaporating, the thermo-capillary convection, the natural convection, and the phase-specific and temperature-dependent material properties up to the evaporation temperature. The validity of the model was backed up by experimentally obtained data, including the drilling time, the weld pool length, the local temperature history outside the weld pool, the process efficiency, and a range of metallographic cross-sections. The model was applied for the cases of partial penetration laser beam welding of 8 mm and 12 mm thick unalloyed steel sheets. The obtained experimental and numerical results reveal that the bulging region forms transiently depending on the penetration depth of the weld, showing a tendency to transition from a slight bulging to a fully developed bulging region between penetration depths of 6 mm and 9 mm, respectively.
A three-dimensional numerical model was developed to accurately predict the steady-state weld pool shape in full penetration laser beam welding. The model accounts for the coupling between the heat transfer and the fluid dynamics by considering the effects of solid/liquid phase transition, thermo-capillary convection, natural convection, and phase-specific and temperature-dependent material properties up to the evaporation temperature. A fixed right circular cone was utilized as a keyhole geometry to consider the heat absorbed from the laser beam. The model was used to analyze the influence of the thermodynamic activity of solutes and turbulence on the weld pool shape. A mesh sensitivity analysis was performed on a hybrid mesh combining hexahedral and tetrahedral elements. For the case of full penetration laser beam welding of 8 mm thick unalloyed steel sheets, the dependence of the weld pool shape on the surface-active element sulfur was found to be negligible. The analysis of the results showed that a laminar formulation is sufficient for accurately predicting the weld pool shape since the turbulence has a minor impact on the flow dynamics in the weld pool. The validity of the numerical results was backed up by experimental measurements and observations, including weld pool length, local temperature history, and a range of metallographic cross-sections.
Laser metal deposition (LMD) as an additive manufacturing technique became increasingly important in recent years and thus the demand for component safety. This is the reason, for the need for reliable in-situ defect detection techniques. For laser beam weld seams an optical measurement technique based on an optical flow algorithm was successfully used to define the critical straining conditions that lead to hot cracking. This algorithm was adapted for bead-on-plate weld seams on LMD deposited layers of IN718 alloy while performing external strain on the specimen in an externally loaded hot cacking test facility. The resulting transversal hot cracks along the weld seam were localized via X-Ray inspection and the type of cracking confirmed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The strain distribution was measured in the vicinity of the solidification front and correlated to the detected hot cracks. Based on the results this technique could be adopted for LMD experiments.
Laser metal deposition (LMD) as an additive manufacturing technique became increasingly important in recent years and thus the demand for component safety. This is the reason, for the need for reliable in-situ defect detection techniques. For laser beam weld seams an optical measurement technique based on an optical flow algorithm was successfully used to define the critical straining conditions that lead to hot cracking. This algorithm was adapted for bead-on-plate weld seams on LMD deposited layers of IN718 alloy while performing external strain on the specimen in an externally loaded hot cacking test facility. The resulting transversal hot cracks along the weld seam were localized via X-Ray inspection and the type of cracking confirmed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The strain distribution was measured in the vicinity of the solidification front and correlated to the detected hot cracks. Based on the results this technique could be adopted for LMD experiments.