Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Verfahren zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten

2020 , Gook, Sergej , Üstündag, Ömer , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Untersuchungen eines Verfahrens zum fehlerfreien Laserstrahl- Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten vorgestellt. Das Verfahren zielt auf die Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht. Eine Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht wurde entwickelt, mit der ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG Schweißprozess realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an 12 mm bis 15 mm dicken Rohrabschnitten durchgeführt. Der Einfluss von Prozessparametern wie der Laserleistungsrampe und Rampenzeit, der Veränderung des Abbildungsmaßstabes und der Defokussierung des Laserstrahls auf die Erstarrungsbedingungen am Ende der Rundnaht wurde untersucht, um eine optimale Strategie zum Herausführen der Prozessenergie zu finden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls im Bereich zwischen 60 mm und 100 mm über einen kurzen Auslaufbereich der Naht von ca. 15 mm zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führte. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden. Die Laseroptik mit motorisch angesteuertem Linsensystem ermöglichte dabei eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers ohne eine Veränderung der Position des MSG-Lichtbogens relativ zur Bauteiloberfläche.

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Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich bei laserstrahlhybrid-geschweißten Rundnähten

2019 , Gook, Sergej , Üstündag, Ömer , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Entstehung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht vermieden wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls von bis zu 40 mm über den Weg von max. 15 mm während der Bewegung des Schweißkopfes zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führt. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden.

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Investigation of the mechanical properties of single-pass hybrid laser-arc welded thick X120 pipeline steel plates

2019 , Üstündag, Ömer , Gook, Sergej , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

With global increases in clean energy demand, the natural gas is gaining in importance. Pipelines are the safest and most cost-effective way of transporting natural gas. Due to high transport volume and resulting high operation pressure, the demand for ultra-high strength steel grades such as X120 is very strong. As a result of the fact that these steels are produced by thermo-mechanical controlled processing, the welding process must be selected accordingly. Based on investigations, a high heat input such as by submerged arc welding process leads to softening in the weld metal and loss of strength whereas pure laser beam welding results in high cooling rates and deteriorate toughness of the weld metal. The objective of this research is to investigate the influence of heat input to mechanical properties of hybrid laser-arc welded pipeline steels of grade X120. Test specimens with a thickness of 20 mm could be welded without preheating in a single-pass with different welding velocities to observe the largest possible parameter window of the heat input. The achieved V-notch impact energy for hybrid laser-arc welded samples was 144±37 J at a testing temperature of -40 °C. With a tensile strength of 930±4 MPa the requirements of API 5L was achieved. To prevent gravity drop-outs at the slow welding speeds, an electromagnetic weld pool support system was used, which works contactless and is based on generating Lorentz forces. It was therefore possible to control the cooling rate in order to meet the requirements of the mechanical properties. By adapting the electromagnetic weld pool support to the laser and laser hybrid welding process, the application potential of these technologies for industrial implementation can be drastically increased.

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Laserhybridschweißen von dickwandigen Stählen mit elektromagnetischer Schmelzbadunterstützung

2019 , Gumenyuk, Andrey , Üstündag, Ömer , Gook, Sergej , Rethmeier, Michael

Die steigenden Anforderungen in Hinsicht auf Sicherheitsfaktoren von gefügten Bauteilen führen zu einer Zunahme der zu schweißenden Bauteildicken. Das Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren - verbreitet im industriellen Einsatz vor allem im Schiffs- und Windkraftanlagenbau - ermöglicht das einlagige Fügen von dickwandigen Strukturen. Eine Herausforderung stellt das Schweißen von dickwandigen Bauteilen mit reduzierter Geschwindigkeit in Wannenlage (PA-Position) da. Sie ist aufgrund des erhöhten hydrostatischen Druckes und die daraus resultierenden Tropfenbildung an der Wurzelseite bedingt realisierbar. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Dabei werden unterhalb der Schweißzone mit Hilfe eines extern angelegten oszillierenden Magnetfeldes Wirbelströme im Werkstück induziert, die eine nach oben gerichtete Lorentzkraft erzeugt. Die Lorentzkraft wirkt dem hydrostatischen Druck entgegen und stellt einen sicheren Schweißprozess ohne Tropfenbildung dar. Mit dem Hybridschweißverfahren mithilfe der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung gelingt es mit einem 20-kW Faserlaser bis zu 30 mm dicke Bleche in einer Lage zu schweißen. Bei 25 mm dicken einlagig geschweißten Platten aus S355 konnte ein Spalt bis 1 mm und ein Kantenversatz bis zu 2 mm sicher überbrückt werden. Die Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung zur Folge und begünstigt außerdem die mechanisch-technologischen Eigenschaften, infolge der reduzierten Abkühlgeschwindigkeit. Durch die geringe Martensitbildung führt dies zu einer Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit.

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Hybrid laser arc welding of thick plates X8Ni9 for LNG tank construction

2019 , Gook, Sergej , El-Batahgy, A-M. , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

Results of experimental investigations of the relationship between laser-hybrid welding process parameters, type of the filler metal and the mechanical properties of the welds made from 9% nickel cryogenic steel X8Ni9 are discussed. The results contribute to the development and conversion in the industrial practice a new laser beam-based welding technology for the automated manufacturing of LNG tanks. The remarkable heterogeneity in the chemical composition of the weld metal as well as an insufficient impact toughness could be indicated by using austenitic filler wire. The most promising results were achieved by applying 11%Ni filler wire, which is similar to the base material. A correlation between impact toughness and wire feeding speed could be shown. The highest impact toughness was 134 J at -196C. The laser-hybrid welds passed the tensile test. The failure stress of 720 MPa with a fracture location in the base metal was achieved for all samples tested.

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