Welding of additively manufactured stainless steel parts: Comparative study between sheet metal and selective laser melted parts

Abstract

Additive manufacturing is a fast growing manufacturing technology capable of producing complex objects without the need for conventional manufacturing process planning. During the process the work piece is built by adding material one layer at a time according to a digital 3D CAD model. At first additive manufacturing was mainly used to make prototypes but the development of the technology has made it possible to also make final products. Welding is the most common joining method for metallic materials. As the maximum part size of additive manufacturing is often limited, it may sometimes be required to join two or more additively manufactured parts together. However there has been almost no research on the welding of additively manufactured parts so far, which means that there has been very little information available on the possible differences compared to the welding of sheet metal parts. The aim of this study was to compare the weld joint properties of additively manufactured parts to those of sheet metal parts. The welding process that was used was TIG welding and the test material was 316L austenitic stainless steel. Weld joint properties were studied by making tensile, bend and hardness tests and by studying the weld microstructures with a microscope. Results show that there are certain characteristics in the welds of additively manufactured parts. The building direction of the test pieces has some impact on the mechanical properties of the weld. Nevertheless all the welds exhibited higher yield strength than the sheet metal welds but at the same time elongation at break was lower. It was concluded that TIG welding is a feasible process for welding additively manufactured parts.

Lisäävä valmistus on nopeasti kasvava valmistusmenetelmä, jolla voidaan tehdä monimutkaisia kappaleita ilman tarvetta perinteiselle valmistusprosessien suunnittelulle. Prosessin aikana kappale valmistetaan lisäämällä materiaalia kerroksittain digitaalisen 3D CAD-mallin mukaan. Alun perin lisäävää valmistusta käytettiin lähinnä prototyyppien tekemiseen, mutta menetelmän kehittymisen myötä sitä on alettu käyttämään myös lopputuotteiden valmistamiseen. Hitsaus on metallisten materiaalien yleisin liittämismenetelmä. Valmistettavien kappaleiden koko on usein varsin rajallinen lisäävässä valmistuksessa, joten kappaleita voidaan joutua liittämään toisiinsa. Lisäävällä valmistuksella tehtyjen kappaleiden hitsausta ei kuitenkaan ole toistaiseksi juuri tutkittu, joten hitsauksen mahdollisista eroavaisuuksista tavallisen levymateriaalin hitsaukseen verrattuna ei ole ollut tietoa. Työn tavoitteena oli vertailla lisäävällä valmistuksella tehtyjen kappaleiden hitsausliitosten ominaisuuksia samankaltaisen levymateriaalin hitsausliitoksiin. Hitsausprosessina käytettiin TIG-hitsausta ja koemateriaalina 316L austeniittista ruostumatonta terästä. Hitsausliitosten ominaisuuksia tutkittiin veto-, taivutus- ja kovuuskokeiden avulla sekä tarkastelemalla hitsien mikrorakenteita mikroskoopilla. Tulokset osoittavat lisäävällä valmistuksella tehtyjen kappaleiden hitseissä tiettyjä ominaispiirteitä. Koekappaleiden valmistussuunta vaikuttaa jonkin verran liitoksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Liitosten myötöluujudet olivat korkeampia kuin levymateriaalin hitsausliitoksissa, mutta samanaikaisesti murtovenymät olivat matalampia. Yhteenvetona todettiin, että lisäävällä valmistuksella tehtyjen kappaleiden liittäminen toisiinsa on mahdollista TIG-hitsausta käyttäen.