Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Process advantages of laser hybrid welding compared to conventional arc-based welding processes for joining thick steel structures of wind tower

2023-12-22 , Brunner-Schwer, Christian , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

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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Laserstrahlhybridschweißen von Türmen für Windkraftanlagen

2022-08-29 , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Brunner-Schwer, Christian , Knöfel, Frieder , Gook, Sergej , Rethmeier, Michael , Gumenyuk, Andrey

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.

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Sensor integration in hybrid additive manufactured parts for real-time monitoring in turbine operations

2021 , Uhlmann, Eckart , Polte, Julian , Kersting, Robert , Brunner-Schwer, Christian , Neuwald, Tobias

Real-time monitoring of operation conditions such as tempeatures and vibrations enables efficiency enhancement for maintenance tasks. In energy industry monitoring of critical components such as turbine blades is essential for the operation safety. But the effective recording of critical process data is a challenging task due to the extreme operating conditions. With a hybrid processing approach combining two additive manufacturing technologies new classes of self-monitoring components become possible allowing data acquisition directly inside the component. Using the example of a turbine blade, the hybrid process chain is described. The turbine blade blank is produced via Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) with channels for the integration of high temperature sensors. After integration cavities were closed by Laser Directed Energy Deposition (L-DED) followed by classical milling operations for part finishing. The data acquisition is integrated in state-of-the-art product l ifecycle monitoring (PLM) software to create a digital twin. Evaluation shows that temperature could be successfully monitored at conditions of Π= 550°C.

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Entwicklung des hybriden Auftragschweißens als leistungsfähigen Beschichtungsprozess für Korrosions und Verschleißschutzschichten

2020 , Brunner-Schwer, Christian , Graf, Benjamin , Rethmeier, Michael

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Laserstrahlhybridschweissen von Türmen für Windkraftanlagen - Ökonomische und ökologische Vorteile

2023-12-19 , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Brunner-Schwer, Christian , Knöfel, Frieder , Gook, Sergej , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

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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Laser Welding of L-PBF AM components out of inconel 718

2022 , Brunner-Schwer, Christian , Simón-Muzás, Juan , Biegler, Max , Hilgenberg, Kai , Rethmeier, Michael

With regard to efficient production, it is desirable to combine the respective advantages of additively and conventionally manufactured components. Particularly in the case of large-volume components that also include filigree or complex structures, it makes sense to divide the overall part into individual elements, which afterwards have to be joined by welding. The following research represents a first step in fundamentally investigating and characterizing the joint welding of Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) components made of Inconel 718. For this purpose, bead-on-plate welds were performed on plates manufactured using the L-PBF process and compared with the conventionally manufactured material. Conventional laser beam welding was used as welding process. The weld geometry was investigated as a function of the L-PBF build-up orientation. It was found that the welding depth and weld geometry differ depending on this orientation and in comparison to the conventional material.

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Investigation on laser cladding of rail steel without preheating

2021 , Brunner-Schwer, Christian , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

The contact between train wheels and rail tracks is known to induce material degradation in the form of wear, and rolling contact fatigue in the railhead. Rails with a pearlitic microstructure have proven to provide the best wear resistance under severe wheel-rail interaction in heavy haul applications. High speed laser cladding, a state-of-the-art surface engineering technique, is a promising solution to repair damaged railheads. However, without appropriate preheating or processing strategies, the utilized steel grades lead to martensite formation and cracking during deposition welding. In this study, laser cladding of low-alloy steel at very high speeds was investigated, without preheating the railheads. Process speeds of up to 27 m/min and laser power of 2 kW are used. The clad, heat affected zone and base material are examined for cracks and martensite formation by hardness tests and metallographic inspections. A methodology for process optimization is presented and the specimens are characterized for suitability. Within the resulting narrow HAZ, the hardness could be significantly reduced.

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Plasma-Laser-Auftragschweißen als hybrides Beschichtungsverfahren

2023 , Brunner-Schwer, Christian

Bauteile sind in einer Vielzahl von Industriezweigen korrosiven, abrasiven oder thermischen Belastungen ausgesetzt. Um mit diesen Belastungen umzugehen, sind kostenintensive Werkstoffe notwendig. Alternativ besteht durch Beschichtungen die Möglichkeit, Bauteiloberflächen an ausgewählten Stellen vor den Belastungen zu schützen. Zur Exploration möglicher Effizienzsteigerungen und Verbesserung der Umwelteinwirkungen werden kontinuierlich Auftragschweißprozesse für das Panzern, Plattieren oder Puffern von Bauteilen weiterentwickelt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine neuartige Kombination aus Plasmalichtbogen und Laserstrahlung zu einem hybriden Auftragschweißprozess untersucht. Neben der Analyse der technischen Leistungsfähigkeit des hybriden Auftragschweißprozesses erfolgt eine ökologische Betrachtung anhand einer vergleichenden Ökobilanzierung sowie einer Wirtschaftlichkeitsanalyse anhand einer Kostenvergleichsrechnung.

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Additives Fertigungs-Duo erleichtert Sensorintegration

2021 , Uhlmann, Eckart , Polte, Julian , Neuwald, Tobias , Kersting, Robert , Brunner-Schwer, Christian

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Laser-Plasma-Auftragschweißen als hybrides Beschichtungsverfahren für hohe Auftragsraten mit geringer thermischer Belastung. Abschlussbericht

2020 , Brunner-Schwer, Christian

Moderne Bauteile sind stetig steigenden korrosiven, abrasiven oder thermischen Belastungen ausgesetzt. Kostenintensive Werkstoffe sind notwendig, um mit diesen Belastungen umzugehen. Alternativ besteht durch Beschichtungen die Möglichkeit, Bauteiloberflächen an ausgewählten Stellen vor den Belastungen zu schützen. Das Aufbringen von Beschichtungen ist insbesondere für klein- und mittelständische Unternehmen im Werkzeugbau sowie für Lohnfertiger ein wichtiges Anwendungsfeld. Das Beschichtungsverfahren soll dabei eine hohe Auftragsrate, gute Oberflächenqualität und einen geringen Wärmeeintrag ins Werkstück erreichen. Mit den derzeit verfügbaren Beschichtungstechnologien kann dieses komplexe Anforderungsprofil nur eingeschränkt erfüllt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, der Industrie ein hybrides Laser-Plasma-Beschichtungs-verfahren zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist hohe Auftragsraten mit einer möglichst geringen thermischen Belastung des Bauteiles zu erreichen. Dadurch eignet sich das Verfahren zum verzugsarmen Beschichten präziser Bauteile und zum Erhalt der Eigenschaften wärmeempfindlicher Werkstoffe. Das hybride Verfahren soll für Beschichtungen zum Verschleiß- und Korrosionsschutz eingesetzt werden. Im Vergleich zu den Einzelprozessen sollen eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit durch größeren Karbidgehalt, sowie verbesserte Korrosionseigenschaften aufgrund besserer Oberflächenqualität erreicht werden. Im Laufe des Projektes wird untersucht, welche Anordnung von Laser- und Plasmaprozess am besten zum Erreichen dieser Ziele geeignet ist. Dabei wird das Verständnis der Laser-Plasma-Interaktion verbessert. Der hybride Beschichtungsprozess soll aufbauend auf den bei KMU bereits vorhandenen Schweißeinrichtungen in die industrielle Anwendung überführt werden können. Es wird eine wirtschaftliche Bewertung des entwickelten Verfahrens erstellt, die KMU eine Investitionsentscheidung ermöglicht.

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