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PublicationAI-based welding process monitoring for quality control in large-diameter pipe manufacturing( 2024-04-25)The paper presents the experimental results into the development of a multi-channel system for monitoring and quality assurance of the multi-wire submerged arc welding (SAW) process for the manufacture of large diameter pipes. Process signals such as welding current, arc voltage and the acoustic signal emitted from the weld zone are recorded and processed to provide information on the stability of the welding process. It was shown by the experiments that the acoustic pattern of the SAW process in a frequency range between 30 Hz and 2.5 kHz contains the most diagnostic information. In the spectrogram of the acoustic signal, which represents the time course of the frequency spectrum of the welding process, the formation of weld irregularities such as undercuts could be reliably identified. The on-line quality assessment of the weld seam produced is carried out in combination with methods of artificial intelligence (AI). From the results obtained, it can be concluded that the use of the latest concepts in welding and automation technology, combined with the high potential of AI, can achieve a new level of quality assurance in pipe manufacturing.
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PublicationNumerical and experimental assessment of liquid metal embrittlement in externally loaded spot welds( 2024-01-30)Zinc-based surface coatings are widely applied with high-strength steels in automotive industry. Some of these base materials show an increased brittle cracking risk during loading. It is necessary to examine electrogalvanized and uncoated samples of a high strength steel susceptible to liquid metal embrittlement during spot welding with applied external load. Therefore, a newly developed tensile test method with a simultaneously applied spot weld is conducted. A fully coupled 3D electrical, thermal, metallurgical and mechanical finite element model depicting the resistant spot welding process combined with the tensile test conducted is mandatory to correct geometric influences of the sample geometry and provides insights into the sample’s time dependent local loading. With increasing external loads, the morphology of the brittle cracks formed is affected more than the crack depth. The validated finite element model applies newly developed damage indicators to predict and explain the liquid metal embrittlement cracking onset and development as well as even ductile failure.
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PublicationKI zur Prozessüberwachung im Unterpulverschweißen( 2024-01-15)Beim Unterpulverschweißen sind die Prozessgeräusche ein Indikator für eine gute Fügequalität. Diese Beurteilung kann i.d.R. nur von einer erfahrenen Fachkraft durchgeführt werden. Eine kürzlich entwickelte künstliche Intelligenz kann automatisch das akustische Prozesssignal anhand vortrainierter Merkmale klassifizieren und die Fügequalität anhand des Geräuschs beurteilen. Der Algorithmus, einmal richtig trainiert, kann den Prüfaufwand beim Unterpulverschweißen deutlich reduzieren.
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PublicationKombination des Laserhybridschweißens und UP-Engspaltschweißens für dickwandige Bauteile zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit( 2024)Dieser Beitrag befasst sich mit der Entwicklung eines wirtschaftlichen und robusten Verfahrens zum Schweißen dicker Stahlbleche. Es werden Ergebnisse für das Fügen von Blechen im Dickenbereich von 25 mm bis 80 mm vorgestellt. Die 30 mm dicken Schweißnähte konnten im Stumpfstoß in zwei Durchgängen unter Verwendung des Laserhybridschweißens und des Unterpulverschweißens (UP) geschweißt werden. Das Laserhybridschweißen wird als Einschweißung mit einer Tiefe von ca. 25 mm ausgeführt. Die UP-Lagen werden auf der gegenüberliegenden Seite des Blechs aufgebracht. Bei richtiger Wahl der Schweißparameter wird der Nahtquerschnitt durch eine sichere Überlappung beider Lagen geschlossen. Bei Blechdicken über 30 mm ist eine Kantenvorbereitung erforderlich, die eine Ausführung der UP-Fülllagen in Engspalttechnik ermöglicht. Die Vorteile der vorgeschlagenen Prozesskombination liegen darin, dass die Nahtwurzel der Laserhybridnaht nicht geformt werden muss. Defekte in der Wurzel der Laserhybrideinschweißung können durch die UP-Lagen effektiv beseitigt werden. Das Verfahren bietet eine hohe Stabilität des Schweißprozes-ses in Bezug auf die Qualität der Blechkanten. Plasmageschnittene Kanten konnten ohne Bindefehler geschweißt werden. Die erreichte Nahtqualität wurde durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen bestätigt.
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PublicationProcess advantages of laser hybrid welding compared to conventional arc-based welding processes for joining thick steel structures of wind tower( 2023-12-22)The most common welding processes when joining thick-walled steels in the industry are arc-based welding processes such as GMAW or SAW. For this purpose, the sheets are joined in multi-layer technique, which can lead to productivity losses due to high welding times. The process-specific challenges in welding thick steels using multi-layer technique relate to the high heat input from the process. Therefore, alternative welding processes are being actively sought. A suitable alternative is provided by beam-based welding processes such as the laser hybrid welding processes, which are characterized by deep penetration welds and lower heat input. With implementation of the laser hybrid welding process in the heavy industry, such as the wind tower industry, economic benefits can be reached such as the increase in productivity by reducing the layer number, and the lower consumption of filler material and energy. When comparing SAW welded 25 mm thick steels in five to six layers and single-pass laser hybrid welding, the welding time can be reduced more than 80 % and the costs of filler material, flux and energy can be saved up to 90 %. However, the industrial use of the laser hybrid welding process is still limited to applications, where the material thickness does not exceed 15 mm due to some process-specific challenges such as the sagging, sensitivity to manufacturing tolerances such as gaps and misalignment, limited filler wire mixing, and deteriorated mechanical properties resulting from high cooling rates. To overcome these challenges, a contactless electromagnetic backing based on an externally applied AC magnetic field was used. Eddy currents are induced due to the oscillating magnetic field, and an upward-oriented Lorentz force is generated to counteract the droplets formed due to gravitational forces. It allows to weld up to 30 mm thick structural steels in a single-pass with a 20-kW fiber laser system. Additionally, the gap bridgeability and the misalignment of edges were increased to 2 mm when welding 20 mm thick steels. With the aid of the AC magnetic field, a vortex was formed in the weld root, which had a positive effect on the filler wire mixing.
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PublicationLaserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen - Ökonomische und ökologische Vorteile( 2023-12-19)Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulver schweißen 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.
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PublicationWire Electron Beam Additive Manufacturing von niedriglegierten Zinnbronzen – Erreichbare Bauteileigenschaften und Prozessmerkmale( 2023-12-05)Die Additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Verarbeitung von Kupferwerkstoffen im industriellen Umfeld. Hierbei wird verstärkt auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits aus der Schweißtechnik bekannt sind und sich zumeist durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich unter den drahtbasierten Verfahren der Directed-Energy-Deposition (DED) eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die Technologie Wire Electron Beam Additive Manufacturing (DED-EB) besondere Vorteile gegenüber anderen DED-Prozessen für die Anwendung an Kupfer. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel der Legierung CuSn1MnSi. Über mehrstufige Testschweißungen werden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. An verschiedenen additiv gefertigten Probekörpern werden anschließend Kennwerte für Aufbaurate, Härte, Mikrostruktur, Oberflächenqualität sowie mechanische Festigkeitswerte ermittelt. Es zeigt sich, dass das die durch DED-EB hergestellten Proben, trotz des groben Gefüges sowie der thermischen Belastung im Aufbauprozess, in ihren Eigenschaften gut mit den Spezifikationen des Ausgangsmaterials übereinstimmen.
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PublicationLaser-Pulver-Auftragschweißen von funktional gradierten Materialien auf Cobalt-Chrom Basis( 2023-11)
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PublicationApplication of Hybrid Laser Arc Welding for Construction of LNG Tanks Made of Thick Cryogenic 9% Ni Steel Plates( 2023-10-18)Hybrid laser-arc welding (HLAW) was applied for butt welding of 14.5 mm thick plates of ferritic cryogenic steel X8Ni9 containing 9% Ni, which is used for manufacturing storage and transport facilities of liquefied natural gas (LNG). The weld seam formation and the achievable metallurgical and mechanical properties of the hybrid welds were investigated experimentally for two types of filler wire, an austenitic wire dissimilar to the base metal (BM) and an experimentally produced matching ferritic wire. Safe penetration and uniform distribution of the austenitic filler metal in the narrow hybrid weld could only be achieved in the upper, arc-dominated part of the weld. The pronounced heterogeneous distribution of the austenitic filler metal in the middle part and in the root area of the weld could not ensure sufficient notched impact toughness of the weld metal (WM). As a result, a decrease in the impact energy down to 17 ± 3 J was observed, which is below the acceptance level of ≥ 34 J for cryogenic applications. In contrast, the use of a matching ferritic filler wire resulted in satisfactory impact energy of the hybrid welds of up to 134 ± 52 J at the concerned cryogenic temperature of-196 °C. The obtained results contribute to an important and remarkable conversion in automated manufacturing of LNG facilities. In other words, the results will help to develop a new laser-based welding technology, where both quality and productivity are considered. The efficiency of the developed welding process has been demonstrated by manufacturing a prototype where a segment of the inner wall of large size LNG storage tank was constructed. In this concern, hybrid laser arc welding was conducted in both horizontal (2G) and vertical (3G) positions as a simulation to the actual onsite manufacturing. The prototype was fabricated twice where its quality was confirmed based on non-destructive and destructive examinations.
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PublicationThe Identification of a New Liquid Metal Embrittlement (LME) Type in Resistance Spot Welding of Advanced High-Strength Steels on Reduced Flange Widths( 2023-10-16)Liquid metal embrittlement (LME) cracking is a phenomenon observed during resistance spot welding (RSW) of zinc-coated advanced high-strength steels (AHSS) in automotive manufacturing. In this study, severe cracks are observed at the edge of the sheet under reduced flange widths. These cracks, traversing the AHSS sheet, culminate at the edge with a width of approximately 1.2 mm. Through combined numerical and experimental investigations, and material testing, these cracks are identified and validated as a new type of LME crack. The mechanism behind this crack formation is attributed to unique geometric conditions that, when compared to center welding, amplify radial material flow by ninefold to 0.87 mm. The resultant tangential tensile stresses approximate 760 MPa, which exceed the yield strength of the examined advanced high-strength steel (AHSS) under heightened temperature conditions, and when combined with liquid zinc, promote the formation of this new type of LME crack.
