Charakterisierung der Wärmeführung beim wire arc additive manufacturing (WAAM) unter Einsatz des Metall-Schutzgasschweißprozesses

Das wire arc additive manufacturing (WAAM) unter Verwendung des Metall-Schutzgasschweißprozesses zeichnet sich vordergründig durch eine kostengünstige und flexible Fertigung von großvolumigen, metallischen Bauteilen aus. Dabei führt der hohe Wärme- und Materialeintrag des Lichtbogenverfahrens jedoch zu einer periodischen Wiedererwärmung und teilweisen Wiederaufschmelzung des bereits platzierten Schweißguts. Bei umwandlungsfähigen Werkstoffen resultiert die Anwendung des Verfahrens dementsprechend in einer komplexen Wechselwirkung zwischen Temperatur-Zeit-Regime, Gefüge und technisch-mechanischen Bauteileigenschaften. Die Beschreibung der zugrundeliegenden Wirkmechanismen liegt im derzeitigen Stand der Technik nur ansatzweise vor.
Im Rahmen der Arbeit erfolgt die systematische Untersuchung der Wärmeführung bei WAAM unter Einsatz von niedriglegiertem Stahl. Dabei wird die Adressierung eines breiten Anwendungsbereichs durch den Substratwerkstoff S355J2+N sowie den Schweißzusatzwerkstoff G4Si1 erreicht. Die zielgerichtete Beschreibung der Wärmeführung bei WAAM findet zunächst durch die experimentelle Untersuchung des prozessseitigen Wärmeeintrags und die Analyse der Wärmeabführung während der Bauteilabkühlung statt. Die allgemeingültige Darstellung der Ergebnisse gelingt durch die Einführung der t8/5-Zeit zur Beschreibung der Bauteilabkühlung je aufgetragener Schweißraupe im WAAM-Prozess.
Auf Grundlage der experimentellen Versuchsdurchführung findet die Umsetzung einer transienten, thermischen Simulation des WAAM-Prozesses statt. Der Fokus liegt dabei auf der örtlich und zeitlich aufgelösten Analyse von Wärmefeldern und Abkühlraten zur fundierten Beschreibung von Phasenumwandlungen während der zyklischen Wiedererwärmung des Stahls. Als auschlaggebender Mechanismus zur Gefügeausbildung kann die letztmalige Überschreitung der Ac3-Temperatur sowie die anschließende Abkühlrate identifiziert werden. Die Verifizierung der Erkenntnisse gelingt einerseits durch den Abgleich mit metallografischen Querschliffen und andererseits durch ausgewählte Analyseverfahren zur Charakterisierung der technisch-mechanischen Bauteileigenschaften wie Härtemessungen oder Zugversuche.
Zusammenfassend können die experimentell und numerisch ermittelten Erkenntnisse für die Erarbeitung eines Prozessmodells zur erstmaligen, quantitativen Beschreibung der Wärmeübertragungsmechanismen bei WAAM herangezogen werden. Zudem werden Prozessstrategien zur örtlichen Einstellung von technisch-mechanischen Bauteileigenschaften aufgezeigt.

Wire arc additive manufacturing (WAAM) using gas metal arc welding is primarily characterized by a cost-effective and flexible production of large-volume, metallic components. However, the high heat and material input of the arc process leads to periodic reheating and partial remelting of the previously placed layers. In case of transformable materials, the application of the process results in a complex interaction between temperature-time-regime, microstructure and mechanical properties of the component. The description of the underlying mechanisms of action is only rudimentary in the current state of the art.
Within the scope of this work, the systematic investigation of thermal processing during WAAM is carried out using low-alloy steel. A wide range of applications is addressed by using the substrate material S355J2+N and the filler wire G4Si1. The targeted description of heat transfer in WAAM is initially carried out by characterizing the process-based heat input and analyzing the heat dissipation during component cooling. The generally valid presentation of the results is achieved by introducing the t8/5-time to describe the component cooling for each weld bead applied during WAAM.
Based on the experimental trials a transient thermal simulation of the WAAM process is implemented. The focus of the simulation is on the spatially and temporally resolved analysis of heat flow and cooling rates for the description of phase transformations during the cyclic reheating of the steel. In this context, the final exceeding of the Ac3-temperature and concurrent cooling rate is identified as the decisive mechanism for microstructure formation. These findings can be verified on the one hand by comparison with metallographic cross-sections and on the other hand by selected analytical methods for characterizing the mechanical component properties such as hardness measurements or tensile tests.
In summary, the experimental and numerical findings can be used to develop a process model for the first quantitative description of heat transfer mechanisms during WAAM. In addition, process strategies for the local adjustment of mechanical component properties in WAAM are derived.