Weldability of powder bed fusion fabricated stainless steel 316L sheets to cold rolled sheet metal
Laitinen, Ville (2015)
Diplomityö
Laitinen, Ville
2015
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2015082611017
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2015082611017
Tiivistelmä
Weldability of powder bed fusion (PBF) fabricated components has come to discussion in past two years due to resent developments in the PBF technology and limited size of the machines used in the fabrication process. This study concentrated on effects of energy input of welding on mechanical properties and microstructural features of welds between PBF fabricated stainless steel 316L sheets and cold rolled sheet metal of same composition by the means of destructive testing and microscopic analysis. Optical fiber diameter, laser power and welding speed were varied during the experiments that were executed following one variable at a time (OVAT) method.
One of the problems of welded PBF fabricated components has been lower elongations at break comparing to conventionally manufactured components. Decreasing energy input of the laser keyhole welding decreased elongations at break of the welded specimens. Ultimate tensile strengths were not affected significantly by the energy input of the welding, but fracturing of the specimens welded using high energy input occurred from the weld metal. Fracturing of the lower energy input welds occurred from the PBF fabricated base metal. Energy input was found to be critical factor for mechanical properties of the welds. Multioriented grain growth and formation of neck at fusion zone boundary on the cold rolled side of the weld was detected and suspected to be result from weld pool flows caused by differences in molten weld pool behaviour between the PBF fabricated and cold rolled sides of the welds. Powder bed fusion (PBF) -tekniikalla lisäävästi valmistettujen komponenttien hitsattavuus on noussut kahden viime vuoden aikana keskustelun kohteeksi PBF-tekniikassa tapahtuneen edistymisen ja kyseisessä tekniikkaa hyödyntävien koneiden kokorajoitteiden takia. Tässä tutkimuksessa keskityttiin laserhitsauksen energiantuonnin vaikutuksiin PBF-tekniikalla valmistettujen levyjen ja kylmävalssattujen levyjen välisten hitsien mekaanisissa ominaisuuksissa ja mikrorakenteissa. Sekä PBF-tekniikalla valmistetut että kylmävalssatut levyt olivat kaikki tyypin 316L ruostumatonta terästä. Hitsien ominaisuuksia tutkittiin rikkovan aineenkoetuksen ja mikrorakenneanalyysin keinoin. Optisen kuidun halkaisijaa, lasertehoa ja hitsausnopeutta varioitiin kokeiden aikana. Kokeet toteutettiin varioimalla yhtä parametria kerrallaan OVAT-metodin mukaisesti.
Yksi aiemmissa tutkimuksista todetuista ongelmista on ollut hitsattujen PBF-tekniikalla valmistettujen komponenttien murtovenymä, jonka on havaittu olevan merkittävästi perinteisillä menetelmillä valmistettujen komponenttien murtovenymiä alhaisempi. Hitsauksen lämmöntuonnin pienentämisen havaittiin nostavan murtovenymää. Murtolujuuksissa ei havaittu merkittäviä eroja lämmöntuontia muuttaessa, mutta suurilla energiantuonnin hitsit murtuivat hitsiaineesta. Pienen energiantuonnin hitsit murtuivat PBF-tekniikalla valmistetusta perusaineesta. Hitsauksen energiantuonnin todettiin olevan kriittinen tekijä hitsien mekaanisten ominaisuuksien kannalta. Hitsien multiorientoituneiden mikrorakenteiden ja kylmävalssatun perusaineen sularajalla havaitun kaulamaisen rakenteen muodostumisen arvioitiin johtuvan hitsisulassa esiintyvistä virtauksista, jotka olivat seurausta hitsisulan käyttäytymisen eroista PBF-tekniikalla valmistetun ja kylmävalssatun perusaineen välillä.
One of the problems of welded PBF fabricated components has been lower elongations at break comparing to conventionally manufactured components. Decreasing energy input of the laser keyhole welding decreased elongations at break of the welded specimens. Ultimate tensile strengths were not affected significantly by the energy input of the welding, but fracturing of the specimens welded using high energy input occurred from the weld metal. Fracturing of the lower energy input welds occurred from the PBF fabricated base metal. Energy input was found to be critical factor for mechanical properties of the welds. Multioriented grain growth and formation of neck at fusion zone boundary on the cold rolled side of the weld was detected and suspected to be result from weld pool flows caused by differences in molten weld pool behaviour between the PBF fabricated and cold rolled sides of the welds.
Yksi aiemmissa tutkimuksista todetuista ongelmista on ollut hitsattujen PBF-tekniikalla valmistettujen komponenttien murtovenymä, jonka on havaittu olevan merkittävästi perinteisillä menetelmillä valmistettujen komponenttien murtovenymiä alhaisempi. Hitsauksen lämmöntuonnin pienentämisen havaittiin nostavan murtovenymää. Murtolujuuksissa ei havaittu merkittäviä eroja lämmöntuontia muuttaessa, mutta suurilla energiantuonnin hitsit murtuivat hitsiaineesta. Pienen energiantuonnin hitsit murtuivat PBF-tekniikalla valmistetusta perusaineesta. Hitsauksen energiantuonnin todettiin olevan kriittinen tekijä hitsien mekaanisten ominaisuuksien kannalta. Hitsien multiorientoituneiden mikrorakenteiden ja kylmävalssatun perusaineen sularajalla havaitun kaulamaisen rakenteen muodostumisen arvioitiin johtuvan hitsisulassa esiintyvistä virtauksista, jotka olivat seurausta hitsisulan käyttäytymisen eroista PBF-tekniikalla valmistetun ja kylmävalssatun perusaineen välillä.