Laser Multi-Pass Narrow-Gap Welding – A Promising Technology for Joining Thick-Walled Components of Future Power Plants

Today, the average worldwide efficiency of coal-fired power plants stands at about 33 percent. The consistent use of state of the art technologies would enable an increase of the average efficiency of up to 47 percent and thus a sharp reduction of greenhouse gas emissions. The importance of improvements in this field becomes apparent when reviewing e.g. plans in Europe in 2017 for new power plants to be built across the continent. About 44 percent of the envisaged 153 gigawatts are still to be generated by fossil-fuel power plants [1]. One technical solution is to increase the steam turbine inlet temperature to 700°C. This, however, requires the use of nickel-based superalloys. Only these alloys satisfy all the requirements with regard to high-temperature, corrosion and oxidation resistance and creep behavior [2], [3]. Due to their relatively poor machinability, forgeability and high material costs compared to the steel-based alloys they are to replace, a more effective welding technology is needed to overcome the disadvantages of conventional welding technologies, i.e. large quantities of filler metal required and high energy input per unit length resulting in distortion and the potential reduction of high-temperature properties

Neuartiges Verfahren zum druckdichten Laserstrahlschweißen von Aluminium aus Atmosphären-Druckguss

Moderne Leichtmetall-Gusskomponenten tragen in entscheidendem Maß zum konstruktiven Leichtbau, bei gleichzeitig hoher Funktionsintegration der Bauteile, bei. Für Leichtmetall-Legierungen auf Al- bzw. Mg-Basis wird dabei überwiegend das Atmosphären-Druckguss-Verfahren eingesetzt. Insbesondere dünnwandige Querschnitte bieten die Möglichkeit filigrane Rippen zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit auszubilden oder stellen die Schnittstelle für Anschlusskomponenten dar. Diese Entwicklung steht im Einklang mit den Erfolgen, die bei der Gewichtsreduzierung von modernen Fahrzeugen aktuell erzielt werden. Andererseits gelten Druckgussbauteile bedingt durch den Herstellungsprozess als schwer bis nicht schmelzschweißbar. Gründe dafür sind u.a. verfahrensbedingt eingeschlossene Gase, die als Lunker oder Poren auftreten und unter hohem Druck stehen. Während des Schweißprozesses kommt es verstärkt zu Porenbildung im Schweißgut und stochastisch zu Auswürfen, die einem bestimmungsgemäßen Einsatz des Bauteils entgegenstehen. Um die genannten Probleme zu überwinden, wurde am Fraunhofer IWS ein Lösungsansatz entwickelt, mit dem der Schweißprozess aktiv durch hochfrequente Strahloszillation beeinflusst wird. Mit dieser Technologie besteht erstmals die Möglichkeit, qualitativ hochwertige Laserstrahlschweißverbindungen reproduzierbar zu erzeugen, die durch herkömmliches Laserstrahlschweißen nicht realisierbar waren. Die drastische Reduzierung von Poren im Schweißgut sowie die sichere Vermeidung von Schmelzbadauswürfen standen im Mittelpunkt der Untersuchungen, um die Erzeugung qualitätsgerechter Schweißverbindungen zu ermöglichen. Darüber hinaus ist durch die lasertypische, konzentrierte, lokal begrenzte Wärmeeinbringung ein Bauteilverzug kaum noch messbar. Geringe geometrische Bauteiltoleranzen und ein reproduzierbares Fügeverfahren mit hoher Bauteilqualität in der Serie sind somit gewährleistet. Am Beispiel einer Serienanwendung im Automobilbau wird das Potenzial des Verfahrens aufgezeigt

Laser beam welding of atmosphere aluminum die cast material using high frequency beam oscillation and brilliant beam sources

In the serial production of components for automotive applications such as cooling and air-conditioning systems, aluminum die-cast materials are frequently used due to their excellent castability. The aim of providing light weight components can be approached with thin walled cross sections even for complex structural parts. However, cast components are usually connected to semifinished products such as profiles or tubes. The connections have to be mostly pressure tight. The joining technique for these applications has to be highly productive to obtain high component outcome and cost-efficient. Laser beam welding techniques are especially suitable for these tasks. Die-cast components have limited or no weldability due to their manufacturing process. This is due to entrapped gases within pores or cavities under high pressure conditions. Furthermore, the mold release agents for the die-cast process are inappropriate for obtaining homogeneous and sound weld seams. Consequently, this results in a larger number of pores in the weld seam and stochastic melt pool blow-outs, which prohibit mostly the use of the component. To solve these issues, a new welding technique, remoweld®T, has been developed at Fraunhofer IWS. This unique method has been extensively tested and used for serial-production. The decisive step was to use laser sources with brilliant beam quality in combination with a high frequency beam oscillation within the melt pool. In this paper, the technological approach will be presented. With the remoweld®T method, it was possible to obtain homogeneous weld seams with low porosity and a strongly reduced distortion for the first time. Minor component tolerances and a reproducible joining technique with a high output for serial production can be achieved

Neueste Entwicklungen zum Laserstrahlschweißen von zyklisch belasteten Mischverbindungen im PKW-Antriebsstrang

Laserstrahlschweißen zyklisch hochbelasteter Antriebskomponenten aus hochfesten Stahl- und Gusseisenwerkstoffen sowie deren Mischverbindungen stellt aus schweißmetallurgischer, prozesstechnischer und konstruktiver Sicht eine große Herausforderung dar. Verbesserte Strahlquellen erweitern das Einsatzspektrum bis hin zum Fügen von Gusseisen ohne Zusatzwerkstoff. Dabei können neben der Sicherstellung einer ausreichenden Schweißeignung auch Vorteile hinsichtlich Bauteilqualität und Wirtschaftlichkeit genutzt werden. Ein ganzheitlicher Ansatz zur belastungs- und verfahrensgerechten Bauteilgestaltung ermöglicht eine effektive Optimierung der Schweißkonstruktion. Dabei wird die Realteilbeanspruchung auf einen vereinfachten Prüfkörper übertragen und die Schwingfestigkeit der Schweißnaht unter kombinierter Torsions-Axial-Belastung ermittelt

Laser-Mehrlagen-Engstspaltschweißen zum verzugsarmen und heißrissfreien Fügen von Aluminium-Legierungen im Dickblechbereich

Aluminium und seinen Legierungen kommt als dem wirtschaftlich wichtigsten metallischen Konstruktionswerkstoff geringer Dichte für einen nachhaltigen, ressourceneffizienten und gleichzeitig betriebswirtschaftlich günstigen Leichtbau eine Schlüsselrolle zu, die in absehbarer Zukunft noch zunehmen wird. Damit steigt auch der Bedarf an effizienten Fügeverfahren. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit, relativ großer Wärmekapazität, der großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Verschlechterung der mechanisch-technologischen Eigenschaften bei den hochfesten Legierungen kommen die verfahrenstypischen Vorteile der Strahlverfahren beim Schweißen von Al-Legierungen besonders zum Tragen. Der Schlüssel liegt dabei in einem konzentrierten Energieeintrag durch den fokussierten Strahl, welcher ein tiefes Aufschmelzen des Werkstoffes bei hohen Schweißgeschwindigkeiten, geringer Wärmedisposition in das Bauteil und geringem Bauteilverzug ermöglicht. Obwohl die Strahlschweißverfahren wie Laserstrahlschweißen und insbesondere Elektronenstrahlschweißen verfahrenstechnisch für das Schweißen großer Blechdicken prädestiniert sind, stoßen sie jedoch beim Tiefschweißen von hochfesten Al-Legierungen auf bisher unüberwindliche Anwendungsgrenzen, die einerseits durch die Schweißmetallurgie und andererseits durch die hohen Investitionskosten für Laser bzw. Elektronenstrahlkanonen bedingt sind. Letztlich bedeutet dies, dass viele industrielle Anwendungen insbesondere in den KMU dem Strahlschweißen nicht zugänglich sind. Mit einem neuen verfahrenstechnischen Ansatz, der die überragende Strahlqualität und Energieeffizienz neuester Typen von Festkörperlasern nutzt, ergeben sich Chancen, beide Anwendungsgrenzen gleichzeitig zu überwinden. Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand darin, den neuartigen Ansatz des Mehrlagen-Engstspaltschweißens (MES) mittels brillanter Laserstrahlquellen geringer Leistung für das Dickblechschweißen in Al-Werkstoffen und insbesondere heißrissgefährdeten Legierungen zu entwickeln. Damit sollen drei wesentliche Anwendungsgrenzen für das Dickblechschweißen von Al-Legierungen in KMU - fehlende technische Lösungsmöglichkeit, nicht ausreichende Prozesssicherheit und hohe Investitionskosten - überwunden werden

Numerical simulation of creep forming processes of large-scale and friction stir welded AlMgSc sheets of aeronautical applications

The creep forming process of large-scale and friction stir welded aluminum sheets show a high potential for aeronautical applications, e.g. to replace the conventionally used cold stretch forming technology to produce thin-walled and doubled curved fuselage structures. Especially the novel aluminum alloy AlMgSc (AA5028) provides ideal conditions for the creep forming process due to its thermal stability (i.e. high recrystallization temperature). Furthermore, AlMgSc has excellent characteristics for the use in airframe structures and shows a good weldability. Hence, numerical and experimental investigations are conducted on the forming behavior of welded and spherically curved AlMgSc panels. The numerical analyses are performed as thermomechanical coupled FE simulations in order to determine the forming behavior and to optimize the forming results as function of geometrical dimensions and process parameters. The paper will show the numerical simulation using the finite element analysis and its results in comparison to the experimental verfication

Formability of spherical and large aluminum sheets

The novel aluminum alloy AlMgSc (AA5028) shows a high potential for aeronautical applications, especially to replace the currently used material for structural components within metallic aircraft fuselages [1]. As AlMgSc sheets cannot be stretch formed at room temperature due to cracking in the clamping zones, an alternative technology called “creep-forming” was investigated by Jambu [2]. Nevertheless, creep-forming is only applicable for panels to be formed in moulds with small curvatures, because shaping double-curved geometries with small radii of curvature tends to buckling [3]. Hence, the formability of large spherical aluminum sheets as double-curved geometries is investigated

Verzugs- und energiearmes Fügen mit modernen Diodenlasern für großformatige Stahlbaustrukturen

Im Stahl-, Schwermaschinen- und Behälterbau überwiegen konventionelle Fügeverfahren, und es gibt nur einen geringen Automatisierungsgrad. Außerdem entsteht oft ein erheblicher Bauteilverzug, der intensive Nacharbeit erforderlich macht. Ein Entwicklungsprojekt hatte das Ziel der Entwicklung wirtschaftlicher Laser-Fügeverfahren für den Stahlbau, die Verkürzung der Fertigungskette und Fertigungszeit, die Überbrückung laseruntypischer Fügespalte von 1 bis 2 mm und die Schaffung einer erhöhten Bauteilbelastbarkeit durch konstruktiven Vollanschluss und Einsatz von höchstfesten Stahlgüten bei gleichzeitigen Einsparungen von Werkstoff und Energie. Derzeit sind Laser für das Schweißen von Blechen mit Dicken > 10 mm und Bauteiltoleranzen <= 2 mm nicht nutzbar, denn hohe Abschmelzraten sind mit Lasern nicht leistbar, es bestehen hohe Anforderungen an die Fugenvorbereitung, die Investitionskosten für Hochleistungs-Laser (30 bis 50 kW) sind im Stahlbau nicht realisierbar und es gibt Defizite in der Prozesskette (Anlagentechnik, Schweißkopf). Innerhalb des Projekts wurde die Möglichkeit des Einsatzes eines Diodenlasers (Leistung 10 kW) zum Laser-Mehrlagen-Engspaltschweißen geprüft. Der Diodenlaser gewährleistet eine ausreichend hohe Abschmelzleistung und ist ideal anwendbar auf gut schweißbare Legierungen (Baustähle). Im Beitrag wird über entsprechende Schweißversuche mit verschiedenen Nutengeometrien und Spaltbreiten berichtet. Dabei wurde insbesondere der Verzug bei steigender Raupenanzahl untersucht. Mit den Versuchen wurde eine MES-Technologie mit Diodenlaser bis zu 90 mm Blechdicke entwickelt. Erzielt wurden riss- und bindefehlerfreie Schweißnähte und ein stark reduzierter Verzug der Bauteile. Die Porenhäufigkeit im Schweißgut entspricht der Bewertungsklasse B (DIN 13919-2). Die Ergebnisse wurden am Beispiel Kranbau praktisch angewandt. Es erwies sich, dass das Diodenlaser-Mehrlagen-Engspalt-Schweißen perspektivisch ein breites Anwendungsspektrum im Stahlbau ermöglicht. Mit einer möglichen Sensorerkennung der Fügespaltgeometrie ist eine Automatisierbarkeit der Nahtverfolgung zu erwarten