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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Hybrid Laser-Arc Welding of Thick-Walled, Closed, Circumferential Pipe Welds

2022 , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Gook, Sergej , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

The application of hybrid laser-arc welding (HLAW) for joining closed circumferential welds is a challenge due to the high risk of forming a defective overlap area with a shrinkage void or solidification cracks in the material thickness. A series of HLAW experiments were performed to understand the development of a faulty overlap area when closing the circumferential weld. Welding trials on flat specimens and pipe segments were supported by numerical analyses in which the thermomechanical behavior of the welds in the overlap area was investigated. Different process control strategies were tested, including variations in defocusing levels and the overlap length. The newly developed HLAW head, including laser optics with a motor-driven collimation system, made it possible to defocus the laser beam during welding without disturbing the stability of the welding process. High-level defocusing of the laser beam of more than 40 mm relative to the specimen surface with a resulting beam diameter of > 2.9 mm, and in combination with a short overlap length of 15 mm, was promising with respect to the formation of a desired cup-shaped weld profile that is resistant to solidification cracks.

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Verfahren zum fehlerfreien Laserstrahl-Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten

2021 , 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.

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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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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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Hybrid laser-arc welding of laser- and plasma-cut 20-mm-thick structural steels

2022 , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Gook, Sergej , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

It is already known that the laser beam welding (LBW) or hybrid laser-arc welding (HLAW) processes are sensitive to manufacturing tolerances such as gaps and misalignment of the edges, especially at welding of thick-walled steels due to its narrow beam diameter. Therefore, the joining parts preferably have to be milled. The study deals with the influence of the edge quality, the gap and the misalignment of edges on the weld seam quality of hybrid laser-arc welded 20-mm-thick structural steel plates which were prepared by laser and plasma cutting. Single-pass welds were conducted in butt joint configuration. An AC magnet was used as a contactless backing. It was positioned under the workpiece during the welding process to prevent sagging. The profile of the edges and the gap between the workpieces were measured before welding by a profile scanner or a digital camera, respectively. With a laser beam power of just 13.7 kW, the single-pass welds could be performed. A gap bridgeability up to 1 mm at laser-cut and 2 mm at plasma-cut samples could be reached respectively. Furthermore, a misalignment of the edges up to 2 mm could be welded in a single pass. The new findings may eliminate the need for cost and time-consuming preparation of the edges.

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Method for defect-free hybrid laser-arc welding of closed circumferential welds

2021 , Gook, Sergej , Üstündag, Ömer , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

This paper presents investigation results of a process for defect-free hybrid laser arc welding (HLAW) of closed circumferential welds. The process aims to avoid weld imperfections in the overlap area of a HLAW circumferential weld. A process control strategy for closing the circumferential weld was developed to achieve a defect-free overlap region by controlling the solidification conditions at the end of the weld. The controlled heat flow is achieved by adjusting the parameters of both welding processes involved, the laser beam as well as gas metal arc welding (GMAW) process. Experimental investigations were carried out on 12 mm to 15 mm thick tube sections. The influence of process parameters such as the laser power ramp, the change in magnification scale and the defocusing of the laser beam on the solidification conditions at the end of the circumferential weld was investigated to find an optimum strategy for ramping out the process energy. Within the framework of the experimental studies, it was demonstrated that defocusing the laser beam in the range between 60 mm and 100 mm over a short run-out area of the weld of approximately 15 mm led to a significantly better weld formation in the overlap area. A favorable cup-shaped weld shape could be achieved without a tendency to crack. The laser optics with a motor-driven lens system made it possible to increase the laser beam diameter without changing the position of the GMAW arc relative to the component surface.

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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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Laserstrahlschweißen von additiv gefertigten Bauteilen: Einsetzbarkeit bestehender Bewertungsvorschriften

2021 , Jokisch, Torsten , Gook, Sergej , Üstündag, Ömer , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

Bei der additiven Fertigung im Pulverbett ist die Bauteilgröße durch den Bauraum begrenzt. Das Verbindungsschweißen additiv gefertigter Teile bietet eine Möglichkeit diese Größenbegrenzung aufzuheben. Aufgrund des spezifischen Spannungs- und Gefügezustandes im additiv aufgebauten Material ist jedoch unklar, inwiefern bestehende Bewertungsvorschriften des Verbindungsschweißens auch für Schweißnähte an additiven Bauteilen geeignet sind. Dies wird anhand des Laserstrahlschweißens von additiv gefertigten Rohrverbindungen untersucht. Die Schweißnähte werden mittels visueller Prüfung, metallographischer Untersuchungen sowie Computertomographie ausgewertet. Die festgestellten Fehlerarten sind vergleichbar zu konventionellen Bauteilen. Dies ist ein Indikator dafür, dass bestehende Bewertungsvorschriften die möglichen auftretenden Defekte auch für Schweißnähte an additiven Bauteilen abbilden.

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Neueste Entwicklungen im Bereich des Hochleistungslaserstrahl- und Hybridschweißens von hohen Blechdicken

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

Bislang kommt das Laserstrahlschweißen bzw. Laserhybridschweißen hauptsächlich bei Dickblechen mit einer Wandstärke von bis zu 15 mm zum Einsatz. Für Anwendungen über 20 mm war dieses Verfahren aufgrund einiger Herausforderung bisher nur bedingt realisierbar. Ein von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung ermöglicht nun ein einlagiges Schweißen von bis zu 30 mm Wandstärke.

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