TY - JOUR A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kromm, Arne A1 - Lausch, Thomas A1 - Rhode, Michael A1 - Wimpory, R. C. A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep-resistant 13CrMoV steel: Part III - Assessment of residual stresses from small-scale to real component welds N2 - For higher operational temperatures and pressures required in petrochemical plants, the modified 13CrMoV9-10 steel was developed providing high resistance against creep and compressed hydrogen. Extreme care during the welding procedure is necessary for this steel, attributed to low toughness, high strength in as-welded state, and increased susceptibility to stress relief cracking (SRC) during post-weld heat treatment (PWHT). Previous research of SRC in creep-resistant steels discussed mainly thermal and metallurgical factors. Few previous findings addressed the influences of welding procedure on crack formation during PWHT considering real-life manufacturing conditions. These investigations focus on effects of welding heat control on stresses during welding and subsequent PWHT operations close to realistic restraint and heat dissipation conditions using a special 3D testing facility, which was presented in parts I and II of this contribution. Part III addresses investigations on residual stress evolution affecting crack formation and discusses the transferability of results from large-scale testing to laboratory-scale. Experiments with test set-ups at different scales under diverse rigidity conditions and an assessment of the residual stresses of the weld-specimens using X-ray (surface near) and neutron diffraction analysis (bulk) were performed. This study aims to provide a way of investigating the SRC behaviour considering component-specific residual stresses via small-scale testing concepts instead of expensive weld mock-ups. KW - Welding KW - Creep-resistant steel KW - Residual stresses KW - Post-weld heat treatment KW - Stress relief cracking PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-524403 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-021-01101-7 SN - 1878-6669 VL - 65 SP - 1671 EP - 1685 PB - Springer CY - Berlin AN - OPUS4-52440 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Treutler, K. A1 - Börner, Andreas A1 - Gustus, R. A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Wesling, V. A1 - Maus-Friedrichs, W. T1 - Surface finishing of hard-to-machine cladding alloys for highly stressed components N2 - The supply and processing of materials for highly stressed components are usually cost-intensive. Efforts to achieve cost and resource efficiency lead to more complex structures and contours. Additive manufacturing steps for component repair and production offer significant economic advantages. Machining needs to be coordinated with additive manufacturing steps in a complementary way to produce functional surfaces suitable for the demands. Regarding inhomogeneity and anisotropy of the microstructure and properties as well as production-related stresses, a great deal of knowledge is still required for efficient use by small- and medium-size enterprises, especially for the interactions of subsequent machining of these difficult-to-machine materials. Therefore, investigations on these influences and interactions were carried out using a highly innovative cost-intensive NiCrMo alloy (IN725). These alloys are applied for claddings as well as for additive component manufacturing and repair welding using gas metal arc welding processes. For the welded specimens, the adequate solidification morphology, microstructure and property profile were investigated. The machinability in terms of finishing milling of the welded surfaces and comparative analyses for ultrasonic-assisted milling processes was examined focussing on surface integrity. It was shown that appropriate cutting parameters and superimposed oscillating of the milling tool in the direction of the tool rotation significantly reduce the mechanical loads for tool and workpiece surface. This contributes to ensure a high surface integrity, especially when cutting has to be carried out without cooling lubricants. KW - WAAM KW - IN725 KW - Machining KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Residual stresses KW - Cutting forces KW - Surface integrity KW - Microstructure PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-524872 DO - https://doi.org/10.1007/s00170-021-06815-y VL - 114 IS - 5-6 SP - 1427 EP - 1442 PB - Springer AN - OPUS4-52487 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Hälsig, A. A1 - Wandtke, Karsten A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Process-related influences and correlations in wire arc additive manufacturing of high-strength steels N2 - High-strength fine-grained structural steels have great potential for weight-optimized, efficient structures in many modern steel applications. Further advances in efficiency can be achieved through additive manufacturing and bionic design. Commercial high-strength filler materials for wire arc additive manufacturing (WAAM) are already provided by the consumable producers. Today, application would be strictly limited due to absence of quantitative findings or any guidelines for the industry regarding welding-related stresses and component safety during manufacturing and service. Hence, process- and material-related influences and design-related restraint conditions associated with formation of residual stresses and cold cracking risk are investigated. The aim is the accessibility of special WAAM self-restraining cold cracking tests and easy applicable processing recommendations, enabling an economical, fit-for-purpose and crack-safe WAAM of high-strength steels. This first study focuses on determination of interactions between WAAM process parameters, resulting layer geometry, microstructure and residual stresses, analyzed via X-ray diffraction. Defined reference specimens are automated welded using a special WAAM solid wire (yield strength >820 MPa). Geometric properties can be specifically adjusted by wire feed and welding speed, but cannot be varied arbitrarily, since a high heat input causes local overheating, inadmissible changes of microstructure and mechanical properties, defects and comparable high tensile residual stresses. T2 - 22. Werkstofftechnischen Kolloquium der TU Chemnitz CY - Online meeting DA - 24.03.2021 KW - Residual stresses KW - Additive Manufacturing KW - High-strength steel PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-533300 DO - https://doi.org/10.1088/1757-899X/1147/1/012002 VL - 1147 SP - 012002 PB - IOP Publishing Ltd AN - OPUS4-53330 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Engelking, Lorenz A1 - Scharf-Wildenhain, R. A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Hälsig, A. A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Hensel, J. T1 - Influence of heat input on properties and residual stresses in hybrid addi-tive manufacturing of high strength steels using MSG processes N2 - The application of steels with a higher yield strength allows reductions in wall thickness, component weight and production costs. Hybrid additive manufacturing based on Gas Metal Arc Welding (GMAW) processes (DED-Arc) can be used to realise highly effi-cient component modifications and repairs on semi-finished products and additively manufactured structures. There are still a number of key issues preventing widespread implementation, particularly for SMEs. In addition to the manufacturing design, detailed information about assembly strategy and geometric adaptation of the component for modifications or repairs are missing. These include the welding-related stresses associ-ated with the microstructural influences caused by the additive manufacturing steps, particularly in the transition area of the substrate and filler material interface. The pre-sent research focuses the effect of welding heat control during DED-Arc process on the residual stresses, especially in the transition area. Defined specimens were welded fully automatically with a high-strength solid wire (yield strength > 790 MPa) especially adapted for DED-Arc on S690QL substrate. The working temperature and heat input were systematically varied for a statistical effect analysis on the residual stress state of the hybrid manufactured components. Regarding heat control, t8/5 cooling times within the recommended processing range (approx. 5 s to 20 s) were complied. The investiga-tion revealed a significant influence of the working temperature Ti on the compressive residual stresses in the transition area and the tensile residual stresses at the base of the substrate. High working temperatures result in lower compressive residual stresses, heat input E does not significantly affect the tensile stresses. T2 - 6. Symposium Materialtechnik CY - Clausthal-Zellerfeld, Germany DA - 20.02.2025 KW - DED-Arc KW - Residual stress KW - Heat control PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-632188 DO - https://doi.org/10.21268/20250506-3 SP - 110 EP - 122 AN - OPUS4-63218 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Stresses in repair welding of high-strength steels Part 1: Restraint and Cold cracking risk N2 - The sustainable and resource-efficient production of wind energy plants requires the use of modern high-strength fine-grain structural steels. This applies to both foundation and erection structures, like mobile or ship cranes. During the assembly of steel structures, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area. In most cases, the economical solution would be local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to the high shrinkage restraint of the joint groove in the overall structure, the superposition of global and local welding-induced stresses may lead to crack formation and component failure, particularly in interaction with the degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. However, manufacturers hardly have any information about these issues and there is a lack of recommendations and guidelines to take these safety-relevant aspects into account in adequate repair concepts. The aim of this research is to derive recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved providing a basis for standards and guidelines to avoid cold cracking, damage and expensive reworking especially for high-strength steels. Part 1 of this study involves systematic investigations of influences of shrinkage restraint during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures. The quantification of the shrinkage restraint of repair weld joints was achieved by means of experimental and numerical restraint intensity analysis. In welding experiments with self-restrained slot specimens, restraint intensity and introduction of hydrogen via the welding arc using anti spatter spray were varied systematically to analyse the effect on welding result, residual stresses, and cold cracking. It could be shown that increasing restraint intensities result in significantly higher transverse residual stress levels. In the case of hydrogen introduction S500MLO showed no cold cracking independent of the restraint conditions. However, S960QL was found to be considerably cold cracking sensitive if hydrogen is introduced. With increasing restraint intensity length and number of cold cracks increases significantly. Part 2 [1] of this study is focussed on microstructure and residual stresses due to gouging and stress optimization via adequate heat control parameters in repair welding. T2 - IIW Annual Assembly 2023 CY - Singapore DA - 16.07.2023 KW - Repair-welding KW - MAG welding KW - High-strength steels KW - Cold cracking KW - Residual stresses PY - 2023 AN - OPUS4-59253 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Adaptierte Wärmeführung zur Optimierung schweißbedingter Beanspruchungen und Eigenschaften höherfester Verbindungen N2 - Der derzeitige Trend, Konstruktionen immer leichter zu gestalten, führt im modernen Stahlbau zu einer zunehmenden Relevanz höherfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ab 690 MPa. Daher bieten Hersteller Grund- und Schweißzusatzwerkstoffe dieser Güten mit guter Schweißeignung an. Bei der Fertigung von Baumaschinen wie Mobilkranen werden diese Werkstoffe bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Jüngst weitet sich die Verwendung auch auf andere Bereiche des Stahlbaus wie dem Brücken- oder Windenergieanlagenbau aus. Jedoch lässt sich nach aktuellem Stand der Normen das Festigkeitspotential dieser höherfesten Stähle oft noch nicht wirtschaftlich effizient und vollständig ausnutzen. Denn mit zunehmender Festigkeit geschweißter Verbindungen sind engere Verfahrensgrenzen sowie angehobene Tragfähigkeits- und Sicherheitsanforderungen verbunden. Eigenspannungen in geschweißten Bauteilen sind dabei maßgeblich, weil diese die Beanspruchbarkeit und Bauteilperformance insbesondere infolge der geringen plastischen Dehnungsreserven höherfester Feinkornbaustähle beeinflussen. Die Eigenspannungsausbildung ist wesentlich vom Werkstoff, dem Schweißprozess und der Konstruktion sowie deren Interaktion abhängig. Bei normgemäßer schweißtechnischer Fertigung und Konstruktionsauslegung wird in der Regel pauschal von Eigenspannungen in Höhe der Streckgrenze ausgegangen. Die Regelwerke und Richtlinien beruhen jedoch auf Annahmen, die vorwiegend für niedrigfeste Stähle zutreffend sind. Zwar zeigen frühere Arbeiten, dass Eigenspannungen in höherfesten Verbindungen meist deutlich unterhalb der Streckgrenze liegen. Die Untersuchungen konzentrierten sich jedoch vornehmlich auf Einzeleinflüssen und freischrumpfende Laborproben. Bisher fehlen systematische Untersuchungen an höherfesten Verbindungen, die die Steifigkeits- und Wärmeableitungsbedingungen realer Bauteile berücksichtigen. Für eine adäquate Bewertung schweißbedingter Beanspruchungen und Optimierung mithilfe adaptierter Wärmeführung ist dies aber erforderlich. Denn globale Reaktionsspannungen infolge einer äußeren Schrumpfbehinderung können zur deutlichen Anhebung der Gesamtbeanspruchung führen. Im Fokus dieser Arbeit stand deshalb die Erarbeitung einer statistischen Versuchsmatrix zur Durchführung freischrumpfender und definiert schrumpfbehinderter Schweißexperimente. Dazu erfolgten systematische mehraxiale Analysen globaler Kräfte, Momente und Spannungen während des Schweißens und Abkühlens sowie lokaler Eigenspannungen in der Schweißnaht in Abhängigkeit von Wärmeführung und eingesetztem Werkstoff. Hierfür wurden Experimente an speziellen dreidimensional wirkenden Prüfanlagen zur Abbildung wirklichkeitsnaher Einspannbedingungen durchgeführt. Die lokale Eigenspannungsanalyse erfolgte mittels Röntgendiffraktometrie. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Bauteile gewährleisteten numerische und experimentelle Analysen zur Steifigkeit von Bauteilstrukturen und Prüfanlagen gegenüber Quer- und Winkelschrumpfung. Ziel war die Quantifizierung der Einzeleffekte unter Berücksichtigung gegenseitiger Wechselwirkungen nach Wirkungsart bzw. -ort und auf den resultierenden Beanspruchungszustand. Nur mit diesen Kenntnissen lassen sich schweißbedingte Beanspruchungen bei der Fertigung und Konstruktion höherfester Bauteile angemessen berücksichtigen. Für die Beanspruchungsanalysen konnten durch Einsatz anwendungsnaher Schweißverfahren und -parameter höherfeste Schweißverbindungen an zwei Blechdicken der vorwiegend eingesetzten wasservergüteten Feinkornbaustähle S690QL und S960QL realisiert werden. Die Abkühlbedingungen sowie die daraus resultierenden Gefüge und Eigenschaften wurden analysiert. Schweiß-Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder ließen sich mithilfe der Einsensor-Differenz-Thermoanalyse erarbeiten. Dies ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Legierungszusammensetzung und des Umwandlungsverhaltens der Werkstoffe auf die Eigenschaften und Eigenspannungsausbildung im Zusammenhang mit der Ermittlung einer adäquaten Wärmeführung. So zeigte sich im Gegensatz zu den Regelwerken bei den für höherfeste Güten empfohlenen hohen Abkühlraten eine günstigere Beeinflussung durch die Streckenenergie als durch die Arbeitstemperatur. Umfangreiche Analysen der auf die neutrale Faser der Schweißnaht bezogenen Kräfte und Spannungen belegten erstmals quantitativ die hohe Abhängigkeit des Reaktionsmomentes und damit der Biegespannungen von der Wärmeführung. Angehobene Arbeitstemperaturen führen zwar zu erhöhten Beanspruchungen während der Fertigung. Dem kann aber mit Schweißgütern niedrigerer Festigkeit oder angepasster Nahtkonfiguration Rechnung getragen werden. Für erhöhte Einspannbedingungen riefen abgesenkte Arbeitstemperaturen deutlich niedrigere Reaktionsmomente und -spannungen nach der Abkühlung hervor. Im Widerspruch dazu empfehlen die Regelwerke für risssicheres Schweißen von Feinkornbaustählen basierend auf Kohlenstoffäquivalentkonzepten die Einstellung einer Wärmeführung über das Anheben von Mindestarbeitstemperaturen. Diese Konzepte besitzen daher nur eingeschränkte Gültigkeit, um bei angehobenen Einspannbedingungen in höherfesten Verbindungen gezielt schweißbedingte Beanspruchungen zu reduzieren und ein erhöhtes Rissrisiko zu vermeiden. Höhere Streckenenergien führten infolge gesteigerter Abschmelzraten und einer geringeren Anzahl an Schweißlagen sowie außermittig eingebrachter Schweißraupen zur wesentlichen Absenkung der Reaktionsmomente und -spannungen. Dies unterstreicht die Bedeutung der Streckenenergie zur Einstellung adäquater Abkühlbedingungen bei höherfesten Stählen. Eine weitere deutliche Reduzierung des Gesamtbeanspruchungsniveaus war bei hohen Einspann- und Biegeeinspanngraden durch eine Verringerung des Nahtspaltes unter Verwendung einer modifizierten Sprühlichtbogenvariante möglich. Des Weiteren ergaben sich beim Einsatz von Zusatzwerkstoffen mit höherer Festigkeit in den Fülllagen aufgrund des Umwandlungsverhaltens positive Effekte auf den Kräfte- und Spannungshaushalt. Diese Erkenntnisse konnten durch die lokalen Eigenspannungsanalysen bestätigt werden. Erhöhte Biegespannungen wirken sich weniger auf das Eigenspannungsniveau im Schweißgut als vielmehr auf die benachbarten Bereiche bzw. die Wärmeeinflusszone (WEZ) aus. Annähernd unabhängig vom eingesetzten Werkstoff war ein linearer Zusammenhang zwischen Biegeeinspanngrad, Biegespannung und Höhe der Zugeigenspannungen in der WEZ zu beobachten. Vor diesem Hintergrund kann davon ausgegangen werden, dass eine Umlagerung dieser Zugeigenspannungen, bspw. durch Lasten im Betrieb, im Zusammenhang mit den geringen plastischen Dehnungsreserven der höherfesten Werkstoffe nicht stattfinden kann. Zudem bedingen die Gefüge der WEZ herabgesetzte mechanische Eigenschaften und in Kombination mit komplexen, mehrachsigen Spannungszuständen eine Minderung der Bauteilperformance und mit höherer Wahrscheinlichkeit ein frühzeitiges Bauteilversagen. Eine zusammenfassende Effekt- und Wechselwirkungsanalyse der verschiedenen Nahtbereiche mit Regressionsmodellen war Grundlage für die Abschätzung schweißbedingter Beanspruchungen. Damit zeigt die Arbeit, dass sich unter Gewährleistung der mechanisch-technologischen Nahteigenschaften eine adaptierte Wärmeführung ermitteln lässt, um möglichst geringe Zugeigenspannungen in lastkritischen Bereichen zu erzielen. Darauf basierend erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Bewertung und Optimierung schweißbedingter Beanspruchungen in höherfesten Verbindungen. In Anlehnung an die Bemessungskonzepte der Betriebsfestigkeit wurden somit Berechnungsansätze zu einer nach Wirkungsart und -ort differenzierten Berücksichtigung schweißbedingter Beanspruchungen in höherfesten Konstruktionen beispielhaft für den Mobilkranbau erarbeitet. In Fallbeispielen ließ sich mit einem neuen Berechnungsansatz zeigen, dass die zur Optimierung schweißbedingter Beanspruchungen abgeschätzten Wärmeführungs- und Schweißparameter eine gesteigerte Ausnutzung der Streckgrenzen höherfester Feinkornbaustähle gegenüber dem konventionellen Tragfähigkeitsnachweis ermöglichen. KW - Einspanngrad KW - Höherfester Feinkornbaustahl KW - Schweißen KW - MAG-Schweißen KW - Wärmeführung KW - Schweißprozessparameter KW - Eigenspannungen KW - Beanspruchungen KW - Bauteilversuch PY - 2017 SN - 978-3-8440-5406-4 SN - 0945-1056 SP - 1 EP - 239 PB - Shaker CY - Aachen AN - OPUS4-44264 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Schweißbedingte Beanspruchungen an hochfesten Bauteilen - Eine Frage der Wärmeführung N2 - Bei Schweißkonstruktionen aus modernen Feinkornbaustählen, wie sie beispielsweise im Hochbau, im Anlagenbau und im Kranbau vorkommen, sind aus folgenden Gründen enge Verfahrensgrenzen für die Wärmeführung zu beachten: das spezielle Gefüge und das vergleichsweise hohe Streckgrenzenverhältnis bzw. die geringen plastischen Verformungsreserven. Zum Einstellen der Gefügeeigenschaften sind mit Hilfe von Vorwärm- bzw. Zwischenlagentemperaturen und Streckenenergien die Abkühlzeiten Δt8/5 möglichst exakt einzuhalten Wie beispielsweise in DIN 1011-2 und SEW 088 nachzulesen ist, basieren Prüfverfahren und empirische Ansätze zum Abschätzen von Schweißwärmezyklen auf dem Kohlenstoffäquivalent. Über die bisherigen Laboruntersuchungen zur Entstehung von Eigenspannungen im unmittelbaren Schweißbereich hinaus muss der Einfluss der Wärmeführung im Zusammenhang mit den Steifigkeitsverhältnissen umgebender Montageteile analysiert werden. Numerische und experimentelle Untersuchungen haben z.B. ergeben, dass eine äußere Schrumpfbehinderung in Nahtquerrichtung durch den Einspanngrad RFy bemessen werden kann. Im Rahmen des Fosta-Forschungsprojekts P 922 wurden Versuchsschweißungen im Stumpfstoß mit V-Naht an den Werkstoffen S690QL, S960QL, S700MC und S960MC mit 8 mm und 20 mm Blechdicke und typischen Schweißparametern aus dem Kranbau durchgeführt. Für S690QL mit 20 mm Blechdicke sind die Ergebnisse wie folgt dargestellt: a) Abkühlzeit in Abhängigkeit von Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie, b) mikroskopische Aufnahme des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone und c) des Schweißgutgefüges (Abkühlzeit Δt8/5=13 s). Mit einer hydraulischen 2-MN-Prüfanlage wurden Schrumpfbehinderung und gleichzeitig Reaktionskräfte gemessen, während des Vorwärmens, des Schweißens und des Abkühlens. Das Ergebnis zeigt, dass die resultierenden mechanischen Beanspruchungen der gesamten Schweißverbindung erheblich von der Höhe der Schrumpfbehinderung und der Wärmeabführung während des Schweißens abhängig sind. KW - Eigenspannungen KW - Wärmeführung KW - Schweißen KW - Hochfester Feinkornbaustahl PY - 2015 SN - 0554-9965 VL - 67 IS - 10 SP - 470 EP - 475 PB - Verlag für Schweißen und Verwandte Verfahren, DVS-Verlag CY - Düsseldorf AN - OPUS4-34978 LA - deu 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 - TY - RPRT A1 - Engelking, Lorenz A1 - Eissel, A. A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Treutler, K. A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Wesling, V. T1 - Abschlussbericht Herstellung beanspruchungsgerechter Oberflächen durch Kombination innovativer additiver und abtragender Fertigungsschritte an hochbelasteten Komponenten N2 - Die Beschaffung und Verarbeitung von Werkstoffen für hochbelastete Komponenten sind meist kostenintensiv. Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz führen zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen, sodass additive Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind additive und abtragende Fertigungsschritte komplementär und gezielt aufeinander abzustimmen, um beanspruchungsgerechte Funktionsflächen herzustellen. Hinsichtlich Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und Eigenschaften sowie fertigungsbedingter Beanspruchungen sind für den wirtschaftlichen Einsatz bei KMU, gerade für drahtbasierte Fertigungsverfahren und Wechselwirkungen nachfolgender Zerspanung dieser schwer spanbaren Werkstoffe noch viele Kenntnisse notwendig. Deshalb sind Untersuchungen zu diesen Einflüssen und Wechselwirkungen unter Nutzung innovativer Ansätze durchgeführt worden. Mit typischen kostenintensiven Ni- und Co-Cr-Legierungen wurden additive Bauteile, Auftrag- und Reparaturschweißungen hergestellt und Schweißzusätze für das PTA-Verfahren modifiziert, um die Erstarrungsmorphologie und das Eigenschaftsprofil zu optimieren. Die Übertragung auf MSG-Verfahren sicherte einen breiten industriellen Einsatz für hohe Auftragraten ab. Dies geschah mithilfe von modifizierten Fülldrähten sowie beschichteten Massivdrähten. Die wirtschaftliche spanende Bearbeitbarkeit wurde mit Zerspanbarkeitsanalysen für Schlichtfräsen und vergleichend für ultraschallunterstütze Fräsprozesse sichergestellt. Instrumentierte Experimente und Werkstoffanalytik hinsichtlich der Einflüsse auf Schmelzbad, Gefüge und Ausscheidungen sowie auf Randzoneneigenschaften und Eigenspannungen ermöglichten umfassende Erkenntnisse zur kombinierten additiven und abtragenden Fertigung. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe eine Homogenisierung der Mikrostruktur bedingt, welche wiederum den Zerspanprozess stabilisiert und letztendlich zu reduzierten Zerspankräften führt. Ferner wurde festgestellt, dass der ultraschallunterstützte Fräsprozess im Vergleich zum konventionellen Fräsprozess eine signifikante Reduzierung der Zerspankraft sowie eine höhere Oberflächenintegrität bedingt. Insbesondere die Induzierung oberflächennaher Druckeigenspannungen ist dabei hervorzuheben. Durch Bauteilversuche und -prüfungen, erfolgreiche Übertragbarkeitsstudien weiterer innovativer Werkstoffe verbunden mit Handlungsempfehlungen und der Zusammenarbeit mit den jeweiligen Normungsgremien, profitieren KMU von einer hochwirtschaftlichen Herstellung und Reparatur kostenintensiver Komponenten. KW - Legierungsmodifikation KW - Ultraschallunterstütztes Fräsen KW - Additive Fertigung KW - Oberflächenintegrität KW - Metallschutzgasschweißen PY - 2023 SN - 978-3-96870-578-1 VL - 578 SP - 1 EP - 142 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-60796 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Engelking, Lorenz A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas A1 - Eissel, A. A1 - Treutler, K. A1 - Wesling, V. T1 - Alloy modification for additive manufactured Ni alloy components Part II: Effect on subsequent machining properties N2 - Alloy 36 (1.3912) is an alloy with 36% nickel and 64% iron and is generally classified as a difficult-to-cut material. Increasingly complex structures and the optimization of resource efficiency are making additive manufacturing (AM) more and more attractive for the manufacture or repair of components. Subsequent machining of AM components is unavoidable for its final contour. By using modern, hybrid machining processes, e.g., ultrasonic-assisted milling (US), it is possible to improve the cutting situation regarding the resulting surface integrity as well as the cutting force. Part I deals with the influence of the alloying elements Ti, Zr, and Hf on the microstructure and the hardness of the initial alloy 36. Part II focusses on the effect of the alloy modifications and the ultrasonic assistance on machinability as well as on the surface integrity after finish-milling. The results show a highly significant influence of the ultrasonic assistance. The cutting force during the US is reduced by over 50% and the roughness of approx. 50% compared to conventional milling (CM) for all materials investigated. Moreover, the US causes a defect-free surface and induces near-surface compressive residual stresses. CM leads to a near-surface stress state of approx. 0 MPa. T2 - 75th IIW Annual Assembly CY - Tokyo, Japan DA - 17.07.2022 KW - Alloy 36 KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Surface integrity KW - Modification of structural morphology PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-566609 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-022-01438-7 SP - 1 EP - 8 PB - Springer CY - Heidelberg AN - OPUS4-56660 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröder, Nina A1 - Kromm, Arne A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Innovatives Instandsetzungsschweißen von Altstahl: Materialverhalten und Herausforderungen N2 - Aus Gründen der Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit gibt es in der stahlverarbeiten-den Industrie einen Trend zum Bauen im Bestand, um kostenintensive Sperrungen oder Rückbau zu vermeiden. Schweißen wird dabei als wirtschaftliches Fügeverfahren im Zusammenhang mit Altstählen kaum genutzt, obwohl Nieten- und Schraubenverbindungen oft unwirtschaftlich sind. Für die Instandsetzung ist häufig beschädigtes Bestands-material durch neue Stähle zu ersetzen bzw. Alt-Neu-Stahl-Mischverbindungen herzu-stellen. Aufgrund der verschiedenen Herstellungsprozesse von Altstählen ist nicht jeder Stahl aus dem 20. Jahrhundert schweißgeeignet. Daher ist zunächst eine Schweißeignungsprüfung erforderlich. In den vorliegenden Untersuchungen wurden verschiedene Altstähle hinsichtlich ihres Schweißverhaltens mittels Dilatometrie analysiert. Ziel war es, eine Datenbasis aus Schweiß-Zustands-Zeit-Diagrammen und Simulationen der Wärmeeinflusszone zu erstellen, um praxisrelevante Schweißuntersuchungen ableiten zu können. Diese geben wesentlichen Aufschluss hinsichtlich ihres schweißmetallurgischen Verhaltens und ihrer Schweißeignung. Solche Grundlagen sind zur Entwicklung innovativer schweißtechnischer Konzepte zur beanspruchungsgerechten Instandsetzung bestehender Altstahl-Infrastruktur in Deutschland notwendig. T2 - 6. Symposium Materialtechnik, 20. bis 21. Februar 2025 CY - Clausthal-Zellerfeld, Germany DA - 20.02.2025 KW - Altstahl KW - Schweiß-ZTU Diagramme KW - Instandsetzungsschweißen KW - Schweißeignungsprüfung KW - Dilatometrie PY - 2025 SN - 978-3-8440-9961-4 DO - https://doi.org/10.21268/20250505-1 VL - 15 SP - 370 EP - 380 PB - Shaker Verlag GmbH CY - Düren AN - OPUS4-63377 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -