Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Laserstrahlauftragschweißen - Einfluss von Schutzgasgemischen auf die Bauteilqualität
    ( 2023-09)
    Kampffmeyer, Dirk
    ;
    Wolters, Michael
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    Raute, Julius
    ;
    Müller, Vinzenz
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    Im Additive Manufacturing Verfahren Directed Energy Deposition (DED) wird bei der Verarbeitung von Werkzeugstahl in der Regel reines Argon als Schutzgas verwendet. Dabei kann die Verwendung von speziellen Schutzgasgemischen, auch bei geringen Anteilen zugemischter Gase, durchaus die Bauteilqualität positiv beeinflussen. In Vorarbeiten der Messer SE & Co. KGaA zeigte ein gewisser Sauerstoffanteil im Schutzgas die Tendenz, den Flankenwinkel von Schweißspuren beim DED zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde daher detailliert untersucht in wie weit unterschiedliche Schutzgasgemische einen Einfluss auf die Qualität sowie die geometrischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen des Werkzeugstahls 1.2709 beim Laser-DED ausüben. Es erfolgten zunächst Testschweißungen in Form von Einzelspuren mit unterschiedlichen Gemischen aus dem Basisschutzgas Argon mit geringen Anteilen verschiedener Gase. Dabei wurde der Einfluss der Zusätze auf die Spurgeometrie und Aufbauqualität untersucht. Auf Basis dieser Vorversuche wurde eine Auswahl vielversprechender Gasgemische getroffen und Detailuntersuchungen in Form von Spuren, Flächen und Quadern unter Zugabe verschiedener Mengen an Zusätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Einflusses der Schutzgasbeimengungen wurden der Flankenwinkel, die Porosität und das Gefüge der Proben anhand metallografischer Schliffe untersucht. Es zeigte sich, dass eine Zugabe von geringen Anteilen an Zusätzen zunächst zu einer Vergrößerung des Flankenwinkels im Vergleich zu reinem Argon führt. Mit steigendem Anteil der Gase nimmt dieser Winkel jedoch ab. So kann je nach Menge des zugesetzten Gases eine individuelle Benetzung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche erreicht werden. Auch die Porosität ließ sich durch Schutzgasgemische beeinflussen und zeigt ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu reinem Argon.
  • Publication
    Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen heißrissgefährdeter Nickelbasis-Superlegierungen mittels statistischer Versuchsplanung
    ( 2020)
    Raute, Julius
    ;
    Jokisch, Torsten
    ;
    Marko, Angelina
    ;
    Rethmeier, Michael
    Nickelbasis-Superlegierungen sind seit vielen Jahren in unterschiedlichen Industrieanwendungen im Einsatz. Aufgrund der großen Heißrissneigung ist das Schweißen dieser Werkstoffe jedoch bei einer Vielzahl von Legierungen problematisch. Neue Arbeiten auf dem Gebiet zeigen, dass entgegen den gängigen Theorien auch reduzierte Schweißgeschwindigkeiten eine Tendenz zur Verringerung der Rissneigung aufweisen. Bisher existieren jedoch kaum Erkenntnisse zum Prozessverhalten in diesem Parameterbereich. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der relevanten Prozessparameter beim Elektronenstrahlschweißen (EBW) auf die Nahtgestalt im Bereich geringer Vorschubgeschwindigkeiten untersucht. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Ansatz zum rissfreien Fügen von komplexen Nickelbasis-Superlegierung gebildet werden. Die praktische Umsetzbarkeit wird abschließend anhand einiger Probeschweißungen an einem besonders heißrissgefährdeten Werkstoff demonstriert. Um fehlerfreie Verbindungen zu ermöglichen, wurden zunächst die relevanten Parameter für die Einstellung von Nahtbreite, Einschweißtiefe, Aspektverhältnis und Nahtfläche anhand einer Versuchsreihe mit 17 Blindschweißungen auf einer 12 mm dicken Platte aus Inconel 718 bestimmt. Die genaue Beschreibung des Einflusses der als signifikant identifizierten Faktoren erfolgte über die Anwendung einer Regressions- und Varianzanalyse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einschweißtiefe, die Nahtbreite, das Aspektverhältnis sowie die Nahtfläche vorrangig über den Strahlstrom, die Fokuslage sowie den Vorschub beeinflusst werden können. Auf Basis der gebildeten statistischen Modelle erfolgte die Vorhersage geeigneter Parameter für eine finale Versuchsreihe. Die abschließenden Demonstratorschweißungen wurden exemplarisch an einer Nickelbasis-Gusslegierung mit besonders hohem Ausscheidungsphasenanteil durchgeführt. Hierfür wurden Schweißungen im I- Stoß an 6,5 mm und 10 mm dicken Blechen ausgeführt. Trotz der mangelnden Schweißeignung und dem hohen Anteil an Ausscheidungsphase des Werkstoffes, zeigten sich nach Optimierung der Prozessparameter keine Heißrisse mehr.