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Influence of process strategy on distortion and residual stresses for the powder based laser metal deposition process

Abstract

Laser metal deposition (LMD) induces a complex 3-axis residual stress state, which superimposes the external service stresses and can cause unpredicted in-service failures. To optimize the process it is important to know the mechanisms and the opportunities to influence the occurrence of residual stresses. From the mathematical point of view, laser metal deposition represents a free boundary value problem. The track geometry is part of the solution. Previously the authors developed a thermal model that is used to calculate the time- and space resolved temperature distribution and the track geometry. The thermal model encompasses the powder stream, its interaction with the laser radiation, the shadowing of the laser radiation by the particles, the heating of the particles and the melt pool computation. In this publication, the evolution of residual stresses for overlapping tracks for single and multilayer processing for different powder mass rates is described.

Translation abstract

Beim pulverbasierten Laserstrahlauftragschweißen (LA) wird ein komplexer 3-achsiger Eigenspannungszustand generiert, der sich mit den Betriebsspannungen überlagert und zu einem unvorhersehbaren Bauteilversagen im Betrieb führen kann. Für eine Prozessoptimierung ist es deshalb wichtig, die Mechanismen und deren Einflussgrößen zu verstehen, nach denen die Eigenspannungszustände generiert werden. Laserstrahlauftragschweißen ist aus mathematischer Sicht ein freies Randwertproblem, das heißt, die Spurgeometrie ist Teil der Lösung. Die Autoren haben zuvor ein thermisches Modell zum Laserstrahlauftragschweißen entwickelt, mit dem Spurbildung und Temperaturverteilung zeitaufgelöst berechnet werden. Dabei werden die Abschattung der Laserstrahlung durch die Partikel und die Erwärmung der Partikel durch die Wechselwirkung mit der Laserstrahlung berücksichtigt. In dieser Veröffentlichung wird die zeit-und ortsaufgelöste Entwicklung von Spurgeometrie, Temperatur und Spannungen für Einzelspuren und 3 Spuren im Überlapp für einzelne beziehungsweiße 2 Schichten in Mehrlagenbearbeitung beschrieben. Der Einfluss der Pulverförderrate auf die Eigenspannungen wird im Detail gezeigt.

Autoren:   N. Pirch, H. Schleifenbaum, S. Linnenbrink, A. Gasser, R. Poprawe, M. Niessen
Journal:   Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Band:   48
Ausgabe:   12
Jahrgang:   2018
Seiten:   1304
DOI:   10.1002/mawe.201700169
Erscheinungsdatum:   10.01.2018
Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Stress
  • Single
  • Prozessoptimierungen
  • Evolution
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