TY - JOUR A1 - Kromm, Arne A1 - Thomas, Maximilian A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Gibmeier, J. A1 - Vollert, F. T1 - Assessment of the Solidification Cracking Susceptibility of Welding Consumables in the Varestraint Test by Means of an Extended Evaluation Methodology N2 - Various test methods are available for assessing the susceptibility of materials to solidification cracking during welding. In the widely used Varestraint test, the crack length is selected as a criterion as a function of the applied bending strain. Unfortunately, the crack length does not characterize the material behavior alone but depends to varying degrees on the individual test parameters used, which makes the interpretation of the results difficult. In addition, the crack length is not comparable under different test conditions. To overcome these disadvantages, we have developed a novel evaluation methodology that decouples the machine influence from the material behavior. The measured crack length is related to the maximum possible value specified by welding speed and deformation time. This relative crack length is calculated numerically, considering the orientation of the cracks. Experiments on two high-alloy martensitic welding consumables show that, in contrast to the conventional evaluation, a comparison of different welding parameters becomes possible. Furthermore, the strain rate proved to be a suitable crack criterion in agreement with Prokhorov's hot cracking model. KW - Welding KW - Solidification cracking KW - Varestraint test PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-545780 DO - https://doi.org/10.1002/adem.202101650 SN - 1438-1656 SP - 2101650 PB - Wiley online library AN - OPUS4-54578 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Giese, Marcel A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Müller, Thomas A1 - Treutler, Kai A1 - Wesling, Volker T1 - Legierungsmodifikation und Einsatz hybrider Fräsprozesse zur Optimierung der Zerspanungssituation Ni-basierter Verschleißschutzauftragschweißungen mit definierten Oberflächen N2 - Die Bestrebungen zur Verringerung der CO2-Emissionen erfordern hochbelastbare und effiziente Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerkstechnik. Hierfür sind in zunehmendem Maße auf den Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschich-ten und definierte, zerspante Oberflächen notwendig. Die hohen Härten dieser Schichten und der Einsatz konventioneller Co-basierter Verschleißwerkstoffe führen oftmals zu unwirtschaftlichen Bauteilen, gerade aufgrund hohen Werkzeugverschleißes bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Er-kenntnisse über den Einsatz Ni-basierter Verschleißwerkstoffe und die Optimierung der Zerspanbarkeit mittels Legierungsmodifikationen und moderner hybrider Fräsprozesse ohne Verschlechterung der Ver-schleißschutzeigenschaften sind deshalb für die Anwender und Verarbeiter zur wirtschaftlichen Fertigung hochbelasteter Stahlbauteile wesentlich. Der vorliegende Beitrag stellt die Untersuchungsmethodik eines aktuell laufenden Vorhabens der TU Clausthal und BAM, Berlin, vor. Fokus liegt hierbei auf den hochin-strumentierten Fräsexperimenten, die eine reproduzierbare Analyse und Korrelation zwischen den mik-rostrukturellen Eigenschaften der auftraggeschweißten Legierungen, dem Zerspanprozess und der Zer-spanbarkeit, insbesondere der resultierenden Oberflächenintegrität, ermöglichen sollen. T2 - Tagung Werkstoffprüfung 2022 CY - Dresden, Germany DA - 27.10.2022 KW - Werkzeugverschleiß KW - Oberflächenintegrität KW - Ultraschallunterstütztes Fräsen KW - Zerspankräfte PY - 2022 SP - 368 EP - 374 AN - OPUS4-59211 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Laquai, René A1 - Schaupp, Thomas A1 - Griesche, Axel A1 - Müller, Bernd R. A1 - Kupsch, Andreas A1 - Hannemann, Andreas A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Bruno, Giovanni T1 - Quantitative analysis of hydrogen-assisted microcracking in duplex stainless steel through X-ray refraction 3D imaging N2 - While the problem of the identification of mechanisms of hydrogen assisted damage has and is being thoroughly studied, the quantitative analysis of such damage still lacks suitable tools. In fact, while, for instance, electron microscopy yields excellent characterization, the quantitative analysis of damage requires at the same time large field-of-views and high spatial resolution. Synchrotron X-ray refraction techniques do possess both features. In this work, we show how synchrotron X-ray refraction computed tomography (SXRCT) can quantify damage induced by hydrogen embrittlement in a lean duplex steel, yielding results that overperform even those achievable by synchrotron X-ray absorption computed tomography. As already reported in literature, but this time using a non-destructive technique, we show that the hydrogen charge does not penetrate to the center of tensile specimens. By the comparison between virgin and hydrogen-charged specimens, we deduce that cracks in the specimen bulk are due to the rolling process rather than hydrogen-assisted. We show that (micro)cracks propagate from the surface of tensile specimens to the interior with increasing applied strain, and we deduce that a significant crack propagation can only be observed short before rupture. KW - 2101 duplex stainless steel KW - Hydrogen embrittlement KW - Synchrotron radiation KW - X-ray refraction KW - Computed tomography KW - Microcracking PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-542811 DO - https://doi.org/10.1002/adem.202101287 SN - 1438-1656 SP - 1 EP - 10 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim AN - OPUS4-54281 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Nietzke, Jonathan A1 - Rhode, Michael A1 - Mente, Tobias A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Experimental and numerical characterization of hydrogen diffusion in thick-walled submerged arc welded joint of S420G2+M offshore steel grade N2 - Offshore wind turbines are an important goal in national energy strategies worldwide. Foundation structures are manufactured from submerged arc welded (SAW) plates with thicknesses up to 200 mm. In that connection, high-strength steels like the S420G2+M are more and more applied offering the possibility for increased stability and load-bearing capacity of the foundations. These offshore steel grades can show a susceptibility for delayed hydrogen assisted cold cracking of the weld joints. For that purpose, a minimum waiting time (MWT) of up to 48 h (dependent on applied standards) is recommended before non-destructive testing is allowed and conducted. But this concept is based on older steel grades that have been used for three or more decades. Nowadays, the metallurgical improvements (clean steels, proper rolling, and heat treatment) of base materials and well as welding consumables must be anticipated. Hence, the MWT concept should be critically discussed as it is assumed to be very conservative. For that reason, the focus of this study was to investigate the diffusion behavior in S420G2+M steel and its multi-layer SAW joint. Electrochemical permeation experiments were carried at room temperature. Boundary conditions were anticipated in terms of using different sample thicknesses. From the experimental data, hydrogen diffusion coefficients and absorbed diffusible hydrogen concentrations had been calculated. It was shown that hydrogen diffusion in the base material is increased compared to the weld metal. In addition, the sample thickness had a significant on the calculated diffusion coefficients. The minimum and maximum diffusion coefficients had been used for numerical modelling of the hydrogen diffusion in the welding joint. It became clear that a MWT must be always regarded together with a critical initial diffusible hydrogen concentration for the evaluation of a possible delayed cracking as diffusion times were mostly > 48 h due to the thick plates. T2 - 4th International Conference on Metals and Hydrogen - Steely & Hydrogen 2022 CY - Ghent, Belgium DA - 11.10.2022 KW - Hydrogen KW - Submerged arc welding KW - Diffusion KW - Minimum waiting time KW - Electrochemical permeation PY - 2022 SP - 1 EP - 11 CY - Ghent, Belgium AN - OPUS4-56075 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rhode, Michael A1 - Nietzke, Jonathan A1 - Czeskleba, Denis A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Untersuchung von Spannungsrelaxationsrissmechanismen mittels Simulation einachsiger Spannungszustände in der Grobkornzone von UP-geschweißtem CrMoV-Stahl N2 - Druckbehälter mit großen Wandstärken (250+ mm) aus hochwarmfesten, niedriglegierten Stählen werden hauptsächlich Mehrdraht-Unterpulver-(UP) geschweißt. Der damit verbundene hohe Energieeintrag führt unter anderem zu hohen lokalen Schweißeigenspannungen, welche bei unsachgemäßer Prozessführung der notwendigen Wärmenachbehandlung (PWHT) zu Spannungsrelaxationsrissen (SRR) führen. In den Bewertungskriterien zur Spannungsrelaxationsrissanfälligkeit finden weder die, mit klassischen, freischrumpfenden Schweißversuchen nicht abbildbaren, erhöhten Eigenspannungen aus der Schrumpfbehinderung der Bauteilsteifigkeit Beachtung, noch die damit einhergehenden metallurgischen Effekte wie bspw. das Ausscheidungswachstum während der PWHT und damit einhergehende Härteunterschiede an den Korngrenzen bzw. die vorzeitige Alterung durch Bildung differenter Sonderkarbide. Die Aufheizrate des PWHT als Einflussfaktor für die SRR-Bildung bleibt derzeit ebenfalls unbeachtet. Daher wurde eine Versuchsmethodik entwickelt, die eine mögliche SRR-Anfälligkeit durch die Kopplung von thermischer und mechanischer Beanspruchung untersucht. Dazu wurden Proben mit unterschiedlichen Gefügen thermisch simuliert und während des PHWT repräsentativ mit sehr hohen Lasten/Eigenspannungen mechanisch beansprucht. Dazu wurde an Kleinzugproben für das as-welded UP-Schweißgut und die thermisch simulierte GKZ eines 13CrMoV9-10 die Dehnung des Prüfbereichs bei variablen Querspannungen und Aufheizraten gemessen. Diese aufheizraten- und gefügeabhängige Längenänderung der Probe wurde durch mathematische Prozeduren analysiert. Damit war es möglich, singuläre werkstoffliche Effekte auf μm-Ebene (Ausscheidungswachstum) als summarische Längen- bzw. Volumenänderung per klassischer Kurvendiskussion zu beschreiben. Die erste und zweite Ableitung zeigten eine ausscheidungsabhängige Härtezunahme, welche von der Spannung und Aufheizrate im geringen Maß linear abhängig war. Gleichzeitig sind Volumenänderungen bei Bildung und Wachstum differenter Sonderkarbide bekannt, welche zusammen mit gefügespezifischen Untersuchungen und der neuen Versuchsmethodik zu einer verbesserten Beurteilung der SRR-Anfälligkeit von geschweißten CrMoV-Stählen beitragen sollen. Prinzipiell ist die vorgestellte Methodik jedoch werkstoff- und zustandsoffen, d.h. sowohl für Grundwerkstoff e als auch definierte Wärmebehandlungsbedingungen geeignet. Dies ermöglicht erstmals die Schaffung einer Transfergröße zwischen Labor und realen Schweißungen, unter Beibehaltung der Bauteilsteifigkeit, d.h. vereinfachte, aber realistische Eigenspannungsabbildung als Grundlage für weitergehende gefügespezifische metallurgische Effekte während des PWHT. T2 - DVS Congress 2022 CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - UP-Schweißen KW - Spannungsrelaxationsriss KW - Wärmenachbehandlung KW - Ersatzgeometrie KW - Prüfverfahren PY - 2022 SN - 978-3-96144-190-7 VL - 382 SP - 69 EP - 75 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-55946 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rhode, Michael A1 - Czeskleba, Denis A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Kurzbericht zum Projekt „Entwicklung von Wärmenachbehandlungskonzepten zur Vermeidung von Spannungsrelaxationsrissen an Bauteilen aus hochwarmfesten Stählen“ (DVS-Nr. 01.2261 / IGF-Nr. 20171 N) N2 - Komponenten aus dickwandigen, hochwarmfesten CrMoV-Stählen erfordern eine anspruchsvolle UP-Schweißverarbeitung. Dabei muss die notwendige Wärmenachbehandlung der Schweißnaht (PWHT) sicher beherrscht werden. Hier kann u.U. Bauteilversagen infolge von Spannungsrelaxationsrissbildung (SRR) auftreten. Bislang erfolgt die Beurteilung der SRR-Neigung primär über Ersatzgrößen, wie temperaturbedingte Änderung der Härte und Duktilität. Die Wirkung der konstruktiven Schrumpfbehinderung einer Schweißnaht auf die SRR ist bislang völlig unbekannt. Hier setzt das Forschungsprojekt an, hinsichtlich der Gewinnung und Optimierung der Parameter für die PWHT unter realitätsnahen Bauteilsteif igkeiten (def inierte Einspannbedingung) mit dem Ziel der SRR-Vermeidung. Am Beispiel des niedriglegierten, hochwarmfesten Stahls 13CrMoV9-10 wurden UP- Schweißungen unter industriepraktischen Bedingungen freischrumpfend bzw. unter definierter Schrumpfbehinderung durchgeführt. Diese wurden mit unterschiedlichen PWHT-Szenarien (Variation der Auf heizrate und Endtemperatur) beaufschlagt. Die Ergebnisse des Projektes DVS 01.2261 / IGF 20171 N werden in diesem Beitrag vorgestellt, wie Aussagen zur SRR-Suszeptibilität in Abhängigkeit von Mikrostruktur und vorliegender mehrachsiger mechanischer Beanspruchung der Schweißnaht vor/während des PWHT. Für einen kritischen Zustand sind hohe Kräfte / Spannungen notwendig, die in freischrumpfenden Schweißversuchen u.U. nicht abbildbar sind. Die Berücksichtigung des mikrostrukturspezifischen Ausscheidungsverhaltens (in Schweißgut und Wärmeeinflusszone) unter realitätsnahen Einspannbedingungen ist für die Bewertung einer SRR-Suszeptibilität notwendig. Instrumentierte Schweißversuche unter definierter Schrumpfbehinderung ermöglichen hier das Monitoring der entstehenden Reaktionskräfte, -momente bzw. -spannungen. Ausgehend von diesem Referenzzustand erfolgte die Applikation der PWHT-Szenarien bzw. deren praktische Überprüfung. Zusätzlich wurde eine Ersatzprüfmethodik entwickelt, die die Betrachtung der mikrostrukturspezifischen SRR-Suszeptibilität unter Beibehaltung der äußeren Schrumpfbehinderung der Schweißnaht während des PWHT ermöglicht. Hierdurch wird die Bauteilübertragbarkeit ermöglicht und eine Transfergröße geschaffen, welche die Bauteilbewertung hinsichtlich der SRR-Neigung umfasst. T2 - DVS Congress 2022 CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - UP-Schweißen KW - Spannungsrelaxationsriss KW - Forschungsprojekt KW - Dickblech KW - Wärmebehandlung PY - 2022 SN - 978-3-96144-190-7 SP - 76 EP - 82 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-55944 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröder, Nina A1 - Rhode, Michael A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Experimentelle Bestimmung und thermodynamische Modellierung des Ausscheidungsverhaltens in der WEZ eines S690QL bei unterschiedlichen Mikrolegierungsrouten N2 - Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Normstreckgrenze > 690 MPa, ist die Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti, unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle (bspw. in DIN EN 10025-6) geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Legierungselemente bzw. ihrer Karbide und/oder Nitride ist teilweise komplett konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Schweißzusatz. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Zuzüglich können moderne Schweißprozesse, wie MSG mit modifiziertem Sprühlichtbogen (mod. SLB) durch ihre hohe Wärmeeinwirkung die Phasenumwandlung in der Wärmeeinflusszone negativ beeinflussen. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung (engl.: softening) der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung (engl.: hardening). Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAGSchweißen mit mod. SLB verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Fugenöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An diesen Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf die Ausbildung einer kritischen WEZ-Gefügezone mit Erweichung und/oder exzessiver Aufhärtung untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Phasenumwandlungen und das Ausscheidungsverhalten im Gefüge der Wärmeeinflusszone gelegt. Neben umfangreichen metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden, unter Variation der chemischen Zusammensetzung, thermodynamische Phasenberechnungen mittels ThermoCalc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation und Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen. Das Ziel ist es, mittels erster Untersuchungen den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ zu zeigen. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet. T2 - DVS CONGRESS 2022 - Große Schweißtechnische Tagung CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - WEZ-Erweichung KW - Hochfester Feinkornbaustahl KW - ThermoCalc KW - Thermodynamische Simulation KW - Mikrolegierungselemente KW - Modifizierter Sprühlichtbogen PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 SN - 978-3-96144-190-7 VL - 382 SP - 131 EP - 137 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-55834 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Hensel, J. A1 - Wandtke, Karsten A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Einfluss von Wärmeführung und Bauteildesign auf die Eigenschaften und fertigungsbedingten Beanspruchungen additiv geschweißter hochfester Feinkornbaustähle N2 - Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein. T2 - DVS Congress 2022 CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - MAG-Schweißen KW - Additive Fertigung KW - Eigenspannungen KW - Hochfester Stahl KW - Kaltrisssicherheit KW - Wärmeführung KW - Windenergie PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 737 EP - 745 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-56719 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Eissel, A. A1 - Engelking, Lorenz A1 - Treutler, K. A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Wesling, V. A1 - Kannengießer, Thomas ED - da Silva, L. F. M. ED - Martins, P. A. F. ED - Reisgen, U. T1 - Nickel-Iron-Alloy Modification to Enhance Additively Welded Microstructure for Subsequent Milling N2 - The aerospace industry uses nickel–iron alloys, e.g., FeNi36, to create moulding tools for composite materials, since these alloys have a low coefficient of thermal expansion. Nickel–iron alloys are hard-to-cut materials. The moulding tools are large in size and involve complex structures, making them cost-intensive and difficult to manufacture. Thus, the focus is set on additive manufacturing, which can additionally enable the repair of components in order to eliminate local defects. However, the process usually results in a heterogeneous microstructure and anisotropic mechanical properties. As there is a high demand for a precise and exact fit of the precision moulds and the surface quality, the welded components must be subsequently machined. Additionally, inhomogeneous microstructure may lead to unstable cutting forces and conditions. Consequently, a modification of the microstructure morphology is achieved through specific alloy modifications in order to stabilise and improve the subsequent machining process. Therefore, titanium and zirconium are chosen as modification elements with a maximum 1% weight percent and are added to nickel–iron alloy powder. The elements are alloyed, and build-up welded by plasma-transferred-arcwelding. The resulting microstructure morphology of the welded wall structure and the machining properties are then determined. It can be shown that titanium has a significant effect on the structural morphology of the welded layers, as well as on the machining. KW - Alloy modification KW - Alloy 36 KW - Plasma-transferred arc welding KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Surface integrity PY - 2022 SN - 978-3-030-95463-5 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-030-95463-5_6 SP - 85 EP - 99 PB - Springer CY - Cham AN - OPUS4-55484 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Hensel, J. A1 - Wandtke, Karsten A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Heat control and design‑related effects on the properties and welding stresses in WAAM components of high‑strength structural steels N2 - Commercial high-strength fller metals for wire arc additive manufacturing (WAAM) are already available. However, widespread industrial use is currently limited due to a lack of quantitative knowledge and guidelines regarding welding stresses and component safety during manufacture and operation for WAAM structures. In a joint research project, the process- and material-related as well as design infuences associated with residual stress formation and the risk of cold cracking are being investigated. For this purpose, reference specimens are welded fully automated with defned dimensions and systematic variation of heat control using a special, high-strength WAAM fller metal (yield strength>790 MPa). Heat control is varied by means of heat input (200–650 kJ/m) and interlayer temperature (100–300 °C). The ∆t8/5 cooling times correspond with the recommendations of fller metal producers (approx. 5–20 s). For this purpose, additional thermo-physical forming simulations using a dilatometer allowed the complex heat cycles to be reproduced and the resulting ultimate tensile strength of the weld metal to be determined. Welding parameters and AM geometry are correlated with the resulting microstructure, hardness, and residual stress state. High heat input leads to a lower tensile stress in the component and may cause unfavorable microstructure and mechanical properties. However, a sufciently low interlayer temperature is likely to be suitable for obtaining adequate properties at a reduced tensile stress level when welding with high heat input. The component design afects heat dissipation conditions and the intensity of restraint during welding and has a signifcant infuence on the residual stress. These complex interactions are analyzed within this investigation. The aim is to provide easily applicable processing recommendations and standard specifcations for an economical, appropriate, and crack-safe WAAM of high-strength steels. KW - GMA welding KW - Additive manufacturing KW - Residual stresses KW - High-strength steel KW - Cold cracking safety KW - Heat control KW - Wind energy PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-567397 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-022-01450-x SN - 1878-6669 VL - 2022 SP - 1 EP - 11 PB - Springer CY - Berlin AN - OPUS4-56739 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Witte, Julien A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Hamacher, M. A1 - Michels, H. A1 - Hamm, C. A1 - Appelt, M. A1 - Börner, Andreas A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Tool development for hybrid finishing milling of iron aluminides N2 - The importance of high-temperature materials made of iron aluminides (FeAl) has been increasing in light weight applications, e.g., airplane turbines, due to the high material’s specific strength. However, the highly economic production by means of permanent mold casting involves special microstructures for Fe26Al4Mo0.5Ti1B alloy components leading to difficult machinability for subsequent finishing milling and low surface qualities. Major effects of tool and machining parameter variation incorporating ultrasonic assistance on the milling process and surface integrity are shown. Loads for tool and component surface are significantly adjustable to enable an economic process chain regarding the surface integrity of safety-relevant components. KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Iron aluminide KW - Surface integrity KW - Tool wear PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-566294 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.03.123 SN - 2212-8271 VL - 108 SP - 793 EP - 798 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-56629 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Becker, Amadeus A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Kurzdarstellung der Projektergebnisse: Beanspruchungsgerechte Reparatur von Schweißverbindungen bei der Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen N2 - Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. In einem Forschungsprojekt (FOSTA P1311) wurden Untersuchungen durchgeführt und Kenntnisse erarbeitet, um mittelfristig vor allem KMU beanspruchungsgerechte Reparaturkonzepte zur Verfügung zu stellen. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren. KW - MAG-Schweißen KW - Hochfester Stahl KW - Eigenspannungen KW - Thermisches Ausfugen KW - Reparaturschweißen KW - Gefügedegradation PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-555822 SP - 1 EP - 2 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-55582 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Eissel, A. A1 - Treutler, K. A1 - Wesling, V. A1 - Engelking, Lorenz A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Modifikation von CoCr-Legierungen für die additive lichtbogenbasierte Fertigung N2 - Für Komponenten im Turbinen- oder Anlagenbau werden aufgrund ihrer Eigenschaften häufig Kobalt-Chrom-Legierungen verwendet. Diese weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hohen Verschleißwiederstand auf. Aufgrund der komplexen Strukturen und dem Bestreben nach Ressourceneffizienz wird zur Herstellung der Komponenten die additive Fertigung verwendet. Hierbei sind hinsichtlich der Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und deren Eigenschaften weitere Kenntnisse notwendig. Bei den vorliegenden Belastungen liegt ein erhöhter Anspruch an die Oberflächenintegrität vor, welcher durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten sichergestellt wird. Dabei sind gerade Co-Cr-Legierungen wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ausgehend von dieser Problemstellung erfolgt im Zuge eines Gemeinschaftsvorhabens des ISAF in Kooperation mit der BAM eine gezielte Beeinflussung des Gefüges. Ziel des Projektes ist die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefügemorphologie und den Zerspanungseigenschaften von Co- Cr-Legierungen für die additive Fertigung mittels PTA darzustellen. Der Fokus liegt auf dem Beheben der bestehenden Nachteile bei gleichzeitigem Aufrechthalten der besonderen Eigenschaften der Legierung. Durch das Hinzulegieren von variierenden Gehalten von Zirkonium und Hafnium wird die Gefügeveränderung eingestellt. Es hat sich gezeigt, dass Hafnium als zusätzliches Legierungselement einen deutlichen Einfluss auf die Gefügemorphologie hat. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Legierungsmodifikation auf die Härte und die Zerspanbarkeit dargestellt. T2 - 42. Assistentenseminar der Wissenschaftlichen Gesellschaft Fügetechnik e.V. CY - Blankenau, Germany DA - 06.10.2021 KW - Legierungsmodifikation KW - ultraschallunterstütztes Fräsen KW - Additive Fertigung PY - 2022 SN - 978-3-96144-210-2 VL - 385 SP - 103 EP - 113 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-56658 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Engelking, Lorenz A1 - Eissel, A. A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Treutler, K. A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Wesling, V. T1 - Effect of alloy modification for additive manufactured Ni alloy components on microstructure and subsequent machining properties N2 - Ni alloys are generally classified as difficult-to-cut materials and cost intensive. Additive manufacturing (AM) offers economic advantages. However, machining of these AM components is mandatory to create the final contour or surface. The inhomogeneous and anisotropic microstructure and properties of AM components causes an unstable cutting process. Moreover, undesirable tensile residual stresses are generated due to subsequent machining. In this investigation, the initial alloy 36 is modified with Ti and Nb up to 1.6 wt.-% and build-up welded via gas metal arc welding (GMAW) and plasma-transferred-arc (PTA). Then, finish-milling tests are carried out to investigate the influence of the modification as well as the cutting parameters on the resulting cutting force and the surface integrity. In addition, the conventional milling process (CM) is compared with the ultrasonic-assisted milling process (US), which has a significant influence on the machinability as well as on the surface integrity. T2 - Additive Fertigung – Werkstoffe – Prozesse – Wärmebehandlung 2022 CY - Bremen, Germany DA - 29.06.2022 KW - Additive manufacturing KW - Alloy 36 KW - Alloy modification KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Surface integrity PY - 2022 SP - 57 EP - 67 AN - OPUS4-55430 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Rhode, Michael A1 - Nietzke, Jonathan A1 - Mente, Tobias A1 - Richter, Tim A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Characterization of Hydrogen Diffusion in Offshore Steel S420G2+M Multi-layer Submerged Arc Welded Joint N2 - As onshore installation capacity is limited, the increase in the number of offshore wind turbines (OWT) is a major goal. In that connection, the OWTs continuously increase in size and weight and demand adequate foundations concepts like monopiles or tripods. These components are typically manufactured from welded mild steel plates with thickness up to 200 mm. The predominant welding technique is submerged arc welding (SAW). In accordance with the standards, the occurrence of hydrogen-assisted cracking is anticipated by either a minimum waiting time (MWT, before non-destructive testing of the welded joint is allowed) at ambient or a hydrogen removal heat treatment (HRHT) at elevated temperatures. The effectiveness of both can be estimated by calculation of the diffusion time, i.e., diffusion coefficients. In this study, these coefficients are obtained for the first time for a thick-walled S420G2+M offshore steel grade and its multi-layer SAW joint. The electrochemical permeation technique at ambient temperature is used for the determination of diffusion coefficients for both the base material and the weld metal. The coefficients are within a range of 1025 to 1024 mm2/s (whereas the weld metal had the lowest) and are used for an analytical and numerical calculation of the hydrogen diffusion and the related MWT. The results showed that long MWT can occur, which would be necessary to significantly decrease the hydrogen concentration. Weld metal diffusion coefficients at elevated temperatures were calculated from hydrogen desorption experiments by carrier gas hot extraction. They are within a range of 1023 mm2/s and used for the characterization of a HRHT dwell-time. The analytical calculation shows the same tendency of long necessary times also at elevated temperatures. That means the necessary time is strongly influenced by the considered plate thickness and the estimation of any MWT/HRHT via diffusion coefficients should be critically discussed. T2 - European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Process - Euromat 2021 CY - Online meeting DA - 13.09.2021 KW - Thick-walled KW - Hydrogen diffusion KW - Offshore KW - Steel KW - Submerged arc welding PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-544127 DO - https://doi.org/10.1007/s11665-022-06679-7 SN - 1059-9495 SP - 1 EP - 13 PB - Springer Nature AN - OPUS4-54412 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Quackatz, Lukas A1 - Griesche, Axel A1 - Kannengießer, Thomas T1 - In situ investigation of chemical composition during TIG welding in duplex stainless steels using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) N2 - Many applications in industry require a material-to-material joining process of Duplex Stainless Steels (DSS). Therefore, it is essential to investigate the material’s properties during a welding process to control the weld quality. With the help of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), the chemical composition during the Tungsten Inert Gas (TIG) welding process of DSS could be monitored in situ. The chemical composition could be quantitatively measured using pre-established calibration curves. Although the surface temperature and the welding plasma have a high influence on the spectral intensities, reliable composition measurements were possible. The concentration of alloying elements could be mapped during the TIG welding process. T2 - 2nd International Conference on Advanced Joining Processes CY - Sintra, Portugal DA - 21.10.2021 KW - LIBS KW - In situ measurement KW - WRC 1992 diagram KW - TIG welding KW - Duplex stainless steels PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-542026 DO - https://doi.org/10.1016/j.finmec.2021.100063 SN - 2666-3597 VL - 6 SP - 1 EP - 7 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-54202 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Eissel, A. A1 - Engelking, Lorenz A1 - Treutler, K. A1 - Wesling, V. A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Modification of Co–Cr alloys to optimize additively welded microstructures and subsequent surface finishing N2 - Cobalt chromium alloys are often used in turbine and plant construction. This is based on their high thermal and mechanical stress resistance as well as their high wear resistance to corrosive and abrasive loads. However, cobalt is a cost-intensive material that is difficult to machine. Moreover, increasingly complex structures and the optimisation of resource efficiency also require additive manufacturing steps for the production or repair of components in many sectors. Concerning inhomogeneity and anisotropy of the microstructure and properties as well as manufacturing-related stresses, a lot of knowledge is still necessary for the economic use of additive welding processes in SMEs. As a result of the high stresses on the components and requirements for a high surface quality, a complementary use of additive and machining manufacturing processes is necessary. Thereby, Co–Cr alloys are extremely challenging for machining with geometrically defined cutting edges because of their low thermal conductivity combined with high strength and toughness. An approach to solve this problem is to refine and homogenise the microstructure. This is achieved by modifying the alloy with elements zirconium and hafnium, which are added up to a maximum of 1 wt.-%. A reduction of the process forces and stresses on the tool and work piece surface is also achievable via hybrid milling processes. There are already studies on the combined use of additive and machining manufacturing processes based on laser technology. However, knowledge based on powder and wire-based arc processes is important, as these processes are more widespread. Furthermore, the effects on the surface zone of additively manufactured components by hybrid finish milling have not yet been a subject of research. The results show that the structural morphology could be significantly influenced with the addition of zirconium and hafnium. KW - Alloy modification KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Plasma-transferred arc welding KW - Co-Cr-alloy PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-554182 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-022-01334-0 SN - 0043-2288 SN - 1878-6669 SP - 1 EP - 13 PB - Springer CY - Heidelberg AN - OPUS4-55418 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Hensel, J. A1 - Wandtke, Karsten A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Influence of Heat Control on Properties and Residual Stresses of Additive-Welded High-Strength Steel Components N2 - This contributed to the knowledge regarding the safe avoidance of cold cracking. In addition to a thermophysical simulation using a dilatometer of different high-strength steels with subsequent tensile testing, reference WAAM specimens (open hollow cuboids) were welded while utilizing a high-strength filler metal (ultimate tensile strength > 790 MPa). The heat control was varied by means of the heat input and interlayer temperature such that the Dt8/5 cooling times corresponded to the recommended processing range (approx. 5 s to 20 s). For the heat input, significant effects were exhibited, in particular on the local residual stresses in the component. Welding with an excessive heat input or deposition rate may lead to low cooling rates, and hence to unfavorable microstructure and component properties, but at the same time, is intended to result in lower tensile residual stress levels. Such complex interactions must ultimately be clarified to provide users with easily applicable processing recommendations and standard specifications for an economical WAAM of high-strength steels. These investigations demonstrated a major influence of the heat input on both the cooling conditions and the residual stresses of components manufactured withWAAM using high-strength filler materials. A higher heat input led to longer cooling times (Dt8/5) and approx. 200 MPa lower residual stresses in the surface of the top layer. KW - WAAM KW - Additive manufacturing KW - Heat control KW - High-strength filler metals KW - Residual stress PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-553982 UR - https://www.mdpi.com/2075-4701/12/6/951 DO - https://doi.org/10.3390/met12060951 VL - 12 IS - 6 SP - 951 PB - MDPI AN - OPUS4-55398 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Eissel, A. A1 - Engelking, Lorenz A1 - Treutler, K. A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Wesling, V. A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Investigations on influencing the microstructure of additively manufactured Co‑Cr alloys to improve subsequent machining conditions N2 - Co-Cr alloys are frequently used for highly stressed components, especially in turbine and plant construction, due to their high resistance to thermal and mechanical stress, as well as to corrosive and abrasive loads. Furthermore, they are classified as difficult-to-cut materials because of their high strength and toughness as well as their low thermal conductivity. However, for Co, an increased cost and supply risk can be observed in recent years. Therefore, additive manufacturing (AM) offers significant economic advantages due to higher material efficiency regarding repair, modification, and manufacturing of such components. Concerning inhomogeneity and anisotropy of the microstructure and properties as well as manufacturing-related stresses, a lot of knowledge is still necessary for the economic use of additive welding processes in SMEs. In addition, subsequent machining, particularly contour milling, is essential to generate the required complex contours and surfaces. Hence, additive and machining manufacturing processes need to be coordinated in a complementary way, especially due to additional challenges arising in milling of heterogeneous hard-to-cut microstructures. Recently, it has been shown that modern, hybrid cutting processes, such as ultrasonic-assisted milling (US), can improve the cutting situation. In this investigation, the Co-Cr initial alloy is additionally modified with Ti and Zr up to 1 wt% with the aim to enhance the homogeneity of the microstructure and, thus, the machinability. Hence the investigation includes finish milling tests of the AM components and the comparison of US and conventional machining. Both the modifications and the ultrasonic assistance exhibit a significant effect on the machining situation; for example US causes a higher surface integrity of the finish milled surfaces compared to conventional milling. T2 - International Congress on Welding, Additive Manufacturing and associated non-destructive testing CY - Online meeting DA - 08.06.2022 KW - Cobalt-chromium alloy KW - Additive manufacturing KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Surface integrity PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-560917 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-022-01397-z SP - 1 EP - 9 PB - Springer CY - Heidelberg AN - OPUS4-56091 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Becker, Amadeus A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Determination of residual stress evolution during repair welding of high-strength steel components N2 - During the assembly of steel structures, unacceptable weld defects may be found. An economical solution is local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to high shrinkage restraints of repair weld and sur- rounding structure, high global and local welding stresses superimpose, and may lead to cracking and component failure, especially in connection with the degraded microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. Component-related investigations of high-strength steels (FOSTA P1311/ IGF20162N) focus on welding residual stress evolution during local thermal gouging and rewelding. In this study, repair welding of S500MLO (EN 10225) is carried out using in-situ digital image correlation (DIC) and ex- situ X-ray diffraction (XRD) to analyse strains and stresses. Self-restrained slit specimen geometries were identified representing defined rigidity conditions of repair welds of real components, which were quantified using the restraint intensity concept. The specimens were rewelded with constant welding heat control and parameters. Weld specimens exhibited significantly increased transverse residual stresses with higher transverse restraint intensities, in the weld metal, and in the heat affected zone. Transverse stresses along the weld seam decrease at the weld seam ends leading to different stress state during gouging and welding. XRD analysis of the longitudinal and transverse local residual stresses after cooling to RT showed a good comparability with global DIC analyses. KW - Repair-welding KW - High-strength steels KW - X-ray diffraction KW - Digital image correlation KW - Residual stresses PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-555672 DO - https://doi.org/10.1016/j.finmec.2022.100073 SN - 2666-3597 VL - 6 SP - 1 EP - 6 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-55567 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -