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
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    Müller, Vinzenz
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    Biegler, Max
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    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
    Effects on crack formation of additive manufactured Inconel 939 sheets during electron beam welding
    ( 2022)
    Raute, Julius
    ;
    Jokisch, Torsten
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    The potential of additive manufacturing for processing precipitation hardened nickel-base superalloys, such as Inconel 939 is considerable, but in order to fully exploit this potential, fusion welding capabilities for additive parts need to be explored. Currently, it is uncertain how the different properties from the additive manufacturing process will affect the weldability of materials susceptible to hot cracking. Therefore, this work investigates the possibility of joining additively manufactured nickel-based superalloys using electron beam welding. In particular, the influence of process parameters on crack formation is investigated. In addition, hardness measurements are performed on cross-sections of the welds. It is shown that cracks at the seam head are enhanced by welding speed and energy per unit length and correlate with the hardness of the weld metal. Cracking parallel to the weld area shows no clear dependence on the process variables that have been investigated, but is related to the hardness of the heat-affected zone.
  • Publication
    Elektronenstrahl schweißt additiv gefertigte Nickel-Superlegierungen
    ( 2021)
    Raute, Julius
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    Die Additive Fertigung ist ideal zur Herstellung und Reparatur komplexer Bauteile aus hochfesten Werkstoffen. Doch es fehlen Fügeverfahren, die Heißrisse vermeiden. Die Lösung heißt Elektronenstrahl.
  • Publication
    Influence of electron beam welding parameters on the weld seam geometry of Inconel 718 at low feed rates
    ( 2020)
    Raute, Julius
    ;
    Jokisch, Torsten
    ;
    Marko, Angelina
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    Ni-based superalloys are well established in various industrial applications, because of their excellent mechanical properties and corrosion resistance at high temperatures. Despite the high development stage and a common industrial use of these alloys, hot cracking remains a major challenge limiting the weldability of the materials. As commonly known, the hot cracking susceptibility during welding increases with the amount of precipitation phases. Hence, a large amount of highstrength Ni-Alloys is rated as non-weldable. A new approach based on electron beam welding at low feed rates shows great potential for reducing the hot cracking tendency of precipitation-hardened alloys. However, geometry and properties of the weld seam differ significantly in comparison to the common process range for practical uses. The aim of this study is to investigate the influence of welding parameters on the seam geometry at low feed rates between 1 mm/s and 10 mm/s. For this purpose, 25 bead on plate welds on a 12 mm thick sheet made of Inconel 718 are carried out. First, the relevant parameters are identified by performing a screening. Then the effects discovered are further studied by using a central composite design. The results show a significant difference between the analyzed weld seam geometry in comparison to the well-known appearance of electron beam welded seams.
  • 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.
  • Publication
    Porosity of LMD manufactured parts analyzed by Archmimedes method and CT
    ( 2018)
    Marko, Angelina
    ;
    Raute, Julius
    ;
    Linaschke, Dorit
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    Pores in additive manufactured metal parts occur due to different reasons and affect the part quality negatively. Few investigations on the origins of porosity are available, especially for Ni-based super alloys. This paper presents a new study to examine the influence of common processing parameters on the formation of pores in parts built by laser metal deposition using Inconel 718 powder. Further, a comparison between the computed tomography (CT) and the Archimedes method was made. The investigation shows that CT is able to identify different kinds of pores and to give further information about their distribution. The identification of some pores as well as their shape can be dependent on the parameter setting of the analysis tool. Due to limited measurement resolution, CT is not able to identify correctly pores with diameters smaller than 0.1 mm, which leads to a false decrease in overall porosity. The applied Archimedes method is unable to differentiate between gas porosity and other kinds of holes like internal cracks or lack of fusion, but it delivered a proper value for overall porosity. The method was able to provide suitable data for the statistical evaluation with design of experiments, which revealed significant parameters on the formation of pores in LMD.