The effects of laser welding parameters on the weldability of AM IN718 to wrought 316L steel

Abstract

The aim of this thesis was to study the laser weldability of laser-based powder bed fusion (L-PBF) manufactured IN718 and wrought 316L steel. This was studied through a literature review of previous studies and experimental testing.

There is a demand in the industrial applications of laser welding of IN718 manufactured by L-PBF to wrought 316L. However, the studies in the literature are limited and there is a knowledge gap to be addressed. It has been however demonstrated that welding of L-PBF parts is possible and a successful weld seam can be produced. Literature review was focused on the characteristics of L-PBF and how it effects the microstructure, mechanical behavior, and weldability of produced parts. The building direction and heat treatment are the important factors that have considerable impact on the characteristics of L-PBF parts, thus, their weldability.

The L-PBF IN718 was manufactured in both vertical and horizontal building directions to further investigate their effect after specimens being welded. Furthermore, half of the AM specimens were heat treated before welding to investigate the effect of heat treatment on the weld quality. Fiber laser welding was carried out with different parameters with the laser processing and additive manufacturing research group at LUT University and weld quality under each parameter was examined.

Welds were analyzed through visual inspection and microscopic images of the weld cross-section. After analyzing all the welds for different qualities and assessing imperfections, the results showed that with the right parameters a good quality weld can be achieved. More studies are however needed to further analyze the strength of the welds with the different welding parameters.

Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia jauhepetisulatuksella valmistetun IN718 nikkeliseoksen ja 316L-teräksen laserhitsattavuutta. Tutkimuksessa hyödynnettiin kirjallisuuskatsausta aikaisemmista tutkimuksista sekä kokeellisia testejä.

Teollisuudessa on tarve IN718 ja 316L teräksen hitsaukseen. Tutkimukset jauhepetisulatuksella valmistetun IN718-seoksen ja 316L teräksen hitsattavuudesta ovat kuitenkin harvassa. Aikaisemmista tutkimuksista voitiin kuitenkin todeta, että hitsattavuus on verrattain hyvä ja hitsi saadaan aikaiseksi. Kirjallisuuskatsaus tarkasteli myös jauhepetisulatusta, sillä tuotettujen kappaleiden ominaisuuksia ja kuinka ne vaikuttavat lopputuotteeseen ja sen hitsattavuuteen. Valmistussuunta jauhepetisulatuksessa vaikuttaa valmistettavien kappeleiden kestävyyteen ja sitä kautta myös hitsin kestävyyteen.

Kokeellisen osan tarkoituksena oli tutkia IN718:n ja 316L-teräksen välistä hitsiä. IN718 koekappaleet valmistettiin jauhepetisulatuksella niin pysty- kuin vaakasuunnassa. Puolet testikappaleista lämpökäsiteltiin valmistuksen jälkeen. Tällä tavoin valmistussuunnan ja lämpökäsittelyn vaikutusta hitsiin voitiin tutkia tarkemmin. Valmistuksen jälkeen laserhitsaus testit tehtiin LUT-yliopiston Lasertyöstön ja 3D-tulostuksen tutkimusryhmässä.

Hitsien laadun analysointi tehtiin visuaalisella tarkastelulla sekä hitsin poikkileikkauksesta otettujen mikroskooppikuvien avulla. Tuloksista voitiin nähdä, että hitsaus onnistuu ja hyvälaatuinen hitsisauma voidaan saada aikaiseksi. Hitsaus- ja valmistusparametrit vaikuttivat hitsin ulkoiseen laatuun mikä tarkoittaa, että optimaaliset parametrit löydettäessä hyvälaatuinen hitsi on mahdollinen. Jatkotutkimuksissa valmistussuunnan vaikutusta hitsin laatuun kannattaa tutkia tarkemmin sekä hitsien kestävyyttä kokeellisin menetelmin.