TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Welding stress control in high-strength steel components using adapted heat control concepts N2 - High-strength steels are increasingly applied in modern steel constructions to meet today’s lightweight requirements. Welding of these steels demands a profound knowledge of the interactions between the welding process, cooling conditions, heat input and the resulting metallurgical occurrences in the weld and its vicinity. Additionally, welding stresses may be detrimental for the safety and performance of high-strength steel component welds during fabrication and service, especially due to the high yield ratio. For a development of strategies to adjust welding heat control, all these effects should be considered, to reach a complete exploitation of the high-strength steel potential. In recent researches at BAM, multilayer GMAW experiments were performed with high-strength steels, in which cooling conditions and resulting microstructure were analysed for varied heat control parameters. The application of a unique 3d-operating testing facility and X-ray diffraction measurements allowed the analysis of local stresses in the weld while welding and cooling under component relevant shrinkage restraints. As a result, correlations between material behaviour, welding and cooling condition and the arising multi-axial stresses and forces were found. Based on this study, statements for the development of adapted heat control concepts were derived, which are presented by means of specific analysis examples. T2 - IIW Intermediate Meeting C-II/CIX CY - Genua, Italy DA - 05.03.2018 KW - Process parameters KW - Residual stresses KW - GMA Welding KW - Restraint KW - High-strength steels PY - 2018 AN - OPUS4-45500 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rhode, Michael A1 - Erxleben, Kjell A1 - Richter, Tim A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Charakterisierung der WIG und FSW-Mischverbindungen neuartiger Multielement-Legierungen mit einem austenitischen Stahl N2 - Multielement-Legierungen (MPEA - Multiple Principal Element Alloys), gemeinhin und partiell fälschlicherweise auch als Hochentropielegierungen bezeichnet) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei Legierungselementen mit jeweils 5 bis 35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich dieses Legierungskonzept fundamental von konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Nickellegierungen. Hierzu werden die Legierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Das Ziel ist dabei, hochinnovative MPEA mit individuell einstellbaren Eigenschaften für die industrielle Anwendung zu identifizieren. Dabei werden insbesondere Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität bei konventionellen Stählen, überwunden. Insbesondere die hohe mechanische Festigkeit bei höchster Korrosionsbeständigkeit sind bei bestimmten Legierungssystemen von hohem Interesse. Hier kann u.a. die Substitution klassischer hochlegierter Stähle oder Ni-Basislegierungen perspektivisch erfolgen. In den letzten 20 Jahren lag der Fokus jedoch auf der reinen Materialsynthese. Mit der Zunahme verfügbarer Werkstoffquantitäten, stehen Verarbeitungsfragen, wie werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren jetzt im Mittelpunkt. Der Schweißeignung von MPEA wurde bisher nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Erfahrungen zu Mischverbindungen (DMWs - Dissimilar Metal Welds) fehlen dabei vollständig, sind jedoch essenziell für die Anwendung dieser Werkstoffe in Verbindung mit konventionellen Werkstoffen. Die vorliegende Studie präsentiert erstmals im deutschen Sprachraum, die umfassenden experimentellen Ergebnisse zur Schweißeignung von MPEA-Mischverbindungen und der resultierenden Mikrostruktur. Dazu wurden zwei äquiatomare MPEAs in Form einer Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 (Hochentropie-) und Co33.3Cr33.3Ni33.3 (Mediumentropielegierung) mittels WIG und Rührreibschweißen mit einem konventionellen, korrosionsbeständigem Cr-Ni-Stahl AISI 304 (1.4301 bzw. X5CrNi18-10) gefügt. Die erstmals untersuchten DMWs resultierten dabei in sehr interessanten Mikrostrukturen, mechanisch-technologische Eigenschaften wurden durch instrumentierte Zugversuche gewonnen, die gleichzeitig der Ermittlung der lokalen Verformung im Schweißnahtbereich dienten (durch Verwendung der berührungslosen DIC-Digital Image Correlation-Technik). Dabei zeigt sich für beide Schweißverfahren eine Erweichung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der MPEAs sowie eine geringfügig verminderte Zugfestigkeit, bei einer deutlichen Abnahme der Bruchdehnung. Durch die Experimente konnte der prinzipielle Nachweis der Schweißeignung der MPEAs für DMWs mit konventionellen Werkstoffen erbracht werden, die auch eine dementsprechende mechanische Beanspruchbarkeit ermöglichen. Dies ermöglicht weitere Betrachtungen zur Anwendung dieser innovativen Werkstoffe. T2 - DVS Congress 2023 CY - Essen, Germany DA - 11.09.2023 KW - Schweißeignung KW - Mischverbindung KW - Hochentropielegierung KW - Multielement-Legierung KW - FSW KW - WIG PY - 2023 SN - 978-3-96144-230-0 VL - 389 SP - 615 EP - 623 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-58352 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Wear behavior of innovative niobium carbide cutting tools in ultrasonic-assisted finishing milling N2 - The resources of niobium exceed the ones of tungsten by an order of magnitude. With 92%, Brazil is today the main global producer of niobium. Hence, niobium carbides (NbC) are a sustainable and economic alternative to conventionally used cutting materials, especially tungsten carbides (WC). Moreover, NbC can be used in Ni alloy matrix and thus offer significant advantages by substituting WC in Co matrix as cutting materials in terms of health risks and raw material price and supply risk. Based on recent studies which found an increased performance of NbC compared to WC cutting tools in machining higher strength steels, the composition NbC12Ni4Mo4VC was chosen for finish machining of a high-strength steel S960QL in this study. The experiments were carried out on an ultrasonic-assisted 5-axis milling machine using NbC tools specially made to benchmark them with commercially available coated WC cutting inserts. In addition, the influence of a coating system for the NbC inserts is tested and evaluated for its performance in the cutting process. Tool wear and cutting force analyses are implied to identify optimal parameter combinations as well as tool properties for the novel NbC tool. Together with the oscillation of ultrasonic-assisted milling, the loads on the component surface and the tool can be reduced and the wear behavior of the novel NbC tool can be refined. These milling tests are accompanied by standardized wear tests, i.e., pin-on-disc, between the aforementioned material combinations, and the results are correlated with each other. Finally, the behavior when using hard-to-cut materials such as Ni alloys, or innovative materials such as iron aluminide is also being tested, as these are constantly in the focus of machining optimization. With this strategy, comprehensive knowledge is achievable for future efficient application of NbC for milling tools, which have already been researched for decades using WC. T2 - 24th International Conference on Wear of Materials CY - Banff, Canada DA - 16.04.2023 KW - Cutting tool KW - Niobium carbide KW - Tool wear KW - Ultrasonic-assisted milling PY - 2023 AN - OPUS4-59258 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Mente, Tobias A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Kaltrissbildung in Baustählen im Lichte der Regelwerke N2 - Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung. T2 - 17. Tagung Schweißen in der maritimen Technik und im Ingenieurbau CY - Hamburg, Germany DA - 19.04.2017 KW - Kaltrisse KW - hochfeste Feinkornbaustähle KW - Eigenspannungen KW - Wasserstoffbedingte Eigenschaftsdegradation KW - Regelwerke KW - Schweißen KW - Wärmeführung PY - 2017 VL - 2017 SP - 54 EP - 67 AN - OPUS4-41068 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Stress build-up in HSLA steel welds due to material behaviour N2 - For the performance of high-strength steel welds by means of load bearing capacity and safety, the information about stress level and distribution due to welding is needed. The interaction between the filler material grade (strength) and heat input on the reaction stresses in high-strength steels, welded under defined restraint conditions were analysed. Butt welds were joined by a multilayer GMAW process in the Instrumented Restraint Cracking test facility (IRC-test). This test facility allowed a defined restraint and, simultaneously, an in-situ analysis of the reaction stresses while welding and cooling. The reaction force build-up of the weld tests showed a significant influence of the used filler materials according to the heat input. Higher strength filler material grades cause a decrease of the welding stresses compared to lower strength grades, if a low heat input is used. The different stress build-up is described in detail for the root welds, filler layers and subsequent cooling to ambient temperature. Residual stresses in the weld, HAZ and base material were measured in loaded and unloaded condition using the incremental hole drilling method. KW - Welding stresses KW - GMAW KW - Restraint KW - High-strength steels KW - Filler material PY - 2016 DO - https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.08.003 SN - 0924-0136 SN - 1873-4774 VL - 227 SP - 49 EP - 58 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-34989 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Schweißbedingte Beanspruchungen beim Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse in hochfesten Feinkornbaustählen T2 - DVS Congress 2015 CY - Nürnberg, Germany DA - 2015-09-13 PY - 2015 AN - OPUS4-34836 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Becker, Amadeus A1 - Kannengießer, Thomas T1 - 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. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte. Deshalb wurden für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auf, welche Faktoren sich für eine Beanspruchungsreduzierung auch bei hohen Einspannbedingungen eignen und wie eine Degradation des Gefüges und der Eigenschaften der Schweißnaht sowie wiederholte Schweißnahtdefekte in der Reparaturnaht vermieden werden können. Insbesondere können mittels adaptiver Wärmeführung geringere schweißbedingte Beanspruchungen in den Reparaturschweißnähten bewirkt werden. Bauteilversuche sichern zudem die Übertragbarkeit der Schweißexperimente in die Praxis ab. Aufgrund der Erkenntnisse konnten Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abgeleitet und ausgesprochen werden. Die Analysen wurden an den hochfesten Stahlgüten S500MLO für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau realisiert. Damit wird insbesondere der wirtschaftlichen Fertigung hocheffizienter Konstruktionen für Windenergieanlagen und hochfester Strukturen, die für deren Errichtung notwendig sind, Rechnung getragen. So bieten die Forschungsergebnisse eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch 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 - Reparatur KW - Kaltrisssicherheit KW - Reparaturschweißen KW - Wärmeführung KW - Windenergie PY - 2023 UR - https://matplus.shop/produkt/p-1311-beanspruchungsgerechte-reparatur-von-schweissverbindungen-bei-der-fertigung-von-bauteilen-aus-hochfesten-feinkornbaustaehlen SN - 978-3-96780-146-0 N1 - Schlussbericht vom 18.07.2022 zu dem über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderten Vorhaben Nr. 20162 N (Berichtszeitraum 01.07.2019 - 28.02.2022) VL - P 1311 SP - 1 EP - 156 PB - Verlag und Vertriebsgesellschaft CY - Düsseldorf AN - OPUS4-59260 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 - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Load analyses of welded high-strength steel structures using image correlation and diffraction techniques N2 - In an increasing number of modern steel applications high-strength steel grades are demanded to meet specifications regarding a high load bearing capacity and a low operating weight. Lightweight design rules enhance the safety requirements, especially for welded joints. Besides a higher cracking risk for HSLA steel welds, the formation of tensile residual stresses might lead to fracture due to overloading or premature failure if not adequately considered. In codes and standards, therefore, residual stress on the amount of the yield strength are expected, disregarding the circumstance that generally the residual stresses are much lower in HSLA steel welds. Oftentimes this leads to an underestimation of the proof strength in high-strength welded components and economical disadvantages using HSLA steels. In this study, a stress-strain analysis was conducted at component related structures from S960QL using digital image correlation while preheating welding and cooling adjacent to the weld seam. X-ray diffraction analysis of the local residual stresses in the weld seam showed a good comparability with the global analyses. The comparison of two different seam geometries revealed significantly lower multi-axial stresses if a narrower weld groove is used. T2 - IIW Intermediate Meeting, C-II-A CY - Trollhättan, Sweden DA - 06.03.2017 KW - Residual stresses KW - GMA Welding KW - Restraint KW - High-strength steels KW - Process parameters PY - 2017 AN - OPUS4-41065 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Kaltrissbildung in Baustählen im Lichte der Regelwerke N2 - Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung. T2 - 17. Tagung Schweißen in der maritimen Technik und im Ingenieurbau CY - Hamburg, Germany DA - 19.04.2017 KW - Kaltrisse KW - Schweißen KW - Wärmeführung KW - Eigenspannungen KW - Wasserstoffbedingte Eigenschaftsdegradation KW - Regelwerke KW - hochfester Feinkornbaustahl PY - 2017 AN - OPUS4-41069 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Mehraxiale Beanspruchungen und Werkstoffverhalten bei Bauteilschweißungen höherfester Feinkornbaustähle N2 - Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen. Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen. Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar. T2 - Frühjahrssitzung 2018 des AWT Fachausschusses Eigenspannung CY - Bremen, Germany DA - 18.04.2018 KW - Bauteilprüfung KW - Eigenspannungen KW - MAG-Schweißen KW - Hochfeste Feinkornbaustähle PY - 2018 AN - OPUS4-45502 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - 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 - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Flohr, Kerstin A1 - Kromm, Arne A1 - Kannengießer, Thomas ED - Holden, T.M. ED - Muránsky, O. ED - Edwards, L. T1 - Multi-axial Analyses of Welding Stresses in High-Strength Steel Welds N2 - Today’s efforts for lightweight design result in a growing application of high-strength structural steels from 960 MPa. In welded structures of these steels increased demands regarding component safety and a high elastic ratio should be considered. Hence, the prevention of an evolution of high weld-induced tensile residual stresses is required. Recent studies showed that component related restraint conditions of welds are able to elevate welding induced stresses to critical values, depending on material characteristics, the welding process and parameters. This work involves multi-axial welding loads as a consequence of the superposition of local residual stresses, global reaction stresses and moments, varying the welding parameters under different restraint conditions. The global welding loads are measured via GMA-weld tests in a special testing facility and via a DIC(Digital Image Correlation)-system in a slot weld. Local transverse residual stresses were analysed by means of X-ray diffraction. The application of a less amount of weld runs due to a modified welding parameters and welds seam configurations revealed as a beneficial approach to reduce welding loads in high-strength steels. T2 - 10th International Conference on Residual Stresses CY - Sydney, Australia DA - 04.07.2016 KW - High-Strength Steel KW - Welding KW - Reaction Stress KW - X-Ray Diffraction PY - 2016 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-390453 SN - 978-1-9452-9116-6 DO - https://doi.org/10.21741/9781945291173-35 SN - 2474-395X VL - 2 SP - 205 EP - 210 PB - Materials Research Forum LLC. CY - Millersville PA, USA AN - OPUS4-39045 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kromm, Arne A1 - Hannemann, Andreas A1 - Kannengießer, Thomas ED - Seefeldt, Marc T1 - In-situ determination of critical welding stresses during assembly of thick-walled components made of high-strength steel N2 - The performance and safety of welded high-strength low-alloyed steel (HSLA) components are substantially affected by the stresses occurring during and after welding fabrication, especially if welding shrinkage and distortion are severely restrained. The surrounding structure of the whole component affects loads in the far-field superimposing with welding stresses in the near-field of the weld. In this study a unique testing facility was used to restrain shrinkage and bending while analyse multiaxial far-field loads (max. 2 MN) during assembly of thick-walled component. A novel approach for the assessment of the in-situ-measured far-field data in combination with the actual weld geometry was elaborated. For the first time, analyses of the global bending moments of restrained welds based on the neutral axis of the actual weld load bearing section were achieved. Hence, far-field measurements offered the possibility to determine critical near-field stresses of the weld crosssections for the entire joining process. This work presents the approach for far-to-near field in-situ determination of stresses in detail for the 2-MN-testing system based on an extensive experimental work on HSLA steel welds, which demonstrates sources and consequences of these high local welding stresses. Thus, it was clarified, why the first weld beads are crucial regarding welding stresses and cold cracking, which is well known, but has never been measured so far. Accompanying analyses using X-ray diffraction (XRD) after welding show effects on local residual stress distributions. These analyses indicated viable prospects for stress reduction during assembly of thick-walled HSLA steel components. T2 - European Conference on Residual Stresses 2018 - ECRS-10 CY - Leuven, Belgium DA - 11.09.2018 KW - Residual stress KW - Welding KW - Large-scale test KW - X-ray diffraction KW - HSLA steel PY - 2018 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-466053 SN - 978-1-9452-9188-3 SN - 978-1-9452-9189-0 DO - https://doi.org/10.21741/9781945291890-30 SN - 2474-395X SN - 2474-3941 VL - 6 SP - 191 EP - 196 PB - Materials Research Forum LLC CY - Millersville, PA, USA AN - OPUS4-46605 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rhode, Michael A1 - Kromm, Arne A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Steger, J. A1 - Kannengießer, Thomas ED - Seefeldt, M. T1 - Residual stress formation in component related stress relief cracking tests of a welded creep-resistant steel N2 - Submerged arc welded (SAW) components of creep-resistant low-alloyed Cr-Mo-V steels are used for thick-walled heavy petrochemical reactors (wall-thickness up to 475 mm) as well as employed in construction of modern high-efficient fossil fired power plants. These large components are accompanied by significant restraints during welding fabrication, especially at positions of different thicknesses like welding of nozzles. As a result, residual stresses occur, playing a domi-nant role concerning so-called stress relief cracking (SRC) typically during post weld heat treat-ment (PWHT). Besides specific metallurgical factors (like secondary hardening due to re-precipitation), high tensile residual stresses are a considerable influence factor on SRC. For the assessment of SRC susceptibility of certain materials mostly mechanical tests are applied which are isolated from the welding process. Conclusions regarding the influence of mechanical factors are rare so far. The present research follows an approach to reproduce loads, which occur during welding of real thick-walled components scaled to laboratory conditions by using tests designed on different measures. A large-scale slit specimen giving a high restraint in 3 dimensions by high stiffness was compared to a medium-scale multi-pass welding U-profile specimen showing a high degree of restraint in longitudinal direction and a small-scale TIG-re-melted specimen. The small-scale specimens were additionally subjected to mechanical bending to induce loads that are found during fabrication on the real-scale in heavy components. Results show for all three cases compa-rable high tensile residual stresses up to yield strength with high gradients in the weld metal and the heat affected zone. Those high tensile stresses can be significant for cracking during further PWHT. T2 - European Conference on Residual Stresses 2018 - ECRS-10 CY - Leuven, Belgium DA - 11.09.2018 KW - Welding KW - Residual stresses KW - Stress Relief Cracking (SRC) KW - Creep-resistant steel KW - Post Weld Heat Treatment (PWHT) PY - 2018 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-459683 SN - 978-1-9452-9188-3 SN - 978-1-9452-9189-0 DO - https://doi.org/10.21741/9781945291890-29 SN - 2474-395X SN - 2474-3941 VL - 6 SP - 185 EP - 190 PB - Materials Research Forum LLC CY - Millersville, PA, USA AN - OPUS4-45968 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kromm, Arne A1 - Lausch, Thomas A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep-resistant 13CrMoV steel: Part II - Mechanisms of stress relief cracking during post weld heat treatment N2 - Welding of 13CrMoV9-10 vanadium steel requires care due to an increased susceptibility to stress relief cracking during post weld heat treatment. Previous research into the crack formation in creep-resistant steels has focused on thermal and metallurgical factors; however, little knowledge has been gathered regarding the crack formation during post weld heat treatment considering real-life restraint conditions. This work is subdivided in two parts. Part I showed that an increasing heat input during submerged arc welding under restraint led to an increasing stress level in the joint prior to the post weld heat treatment. The magnitude of stress relief cracking observed in the heat-affected zone after the post weld heat treatment is affected by the heat input. In Part II of this work, the cracks and the associated microstructure which occurred under restraint were studied. The application of a Special acoustic emission analysis indicated that the cracks formed in a temperature range between 300 and 500 °C during the post weld heat treatment. The toughness in the heat-affected zone of the restrained welds was affected by the welding heat input. Microstructural analyses of all specimens revealed accelerated aging due to precipitation of carbides during post weld heat treatment under restraint. KW - Welding KW - Creep-resistant steel KW - Post weld heat treatment KW - Stress relief cracking PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-506283 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-020-00881-8 SN - 1878-6669 VL - 64 SP - 819 EP - 829 PB - Springer CY - Berlin AN - OPUS4-50628 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kromm, Arne A1 - Lausch, Thomas A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep-resistant 13CrMoV steel: Part I - Effect of heat control on welding stresses and stress relief cracking N2 - The avoidance of failures during the fabrication or operation of petrochemical reactors made of creep-resistant, low-alloy steels as 13CrMoV9-10 requires still research despite over 60 years of international investigations in the field of stress relief cracking. The quality of modern base materials and filler metals leads to the fact that previously known crack causes, such as impurities of S or P, recede into the background. Rather, the causes are increasingly to be found in the fabrication process. Investigations on the influence of heat control on the stresses in welded components and thus on the stress relief cracking sensitivity under realistic manufacturing conditions are not yet available. This work is subdivided in two parts. Part 1 of this study focused on the effect of heat control during submerged arc welding on the stresses. For this purpose, a testing facility was applied, which allows to observe the forces and moments accumulating during welding or heat treatment in a component-like specimen under shrinkage restraint. The stress acting in the specimen increases with higher preheat/interpass temperatures and higher heat input. During the heat treatment, the stresses are relieved. Nevertheless, cracks are formed already during heating. The total crack length correlates with the heat input. KW - Welding KW - Creep-resistant steel KW - Post weld heat treatment KW - Stress relief cracking PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-506271 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-020-00875-6 SN - 1878-6669 VL - 64 IS - 5 SP - 807 EP - 817 PB - Springer CY - Berlin AN - OPUS4-50627 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Richter, Tim A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael A1 - Börner, Andreas T1 - Rührreibschweißen von Hoch- und Mittelentropie-Legierungen N2 - Hoch- und Mittelentropie-Legierungen (engl. High/Medium Entropy Alloys–HEA/MEA) sind relativ neue Werkstoffklassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Le-gierungen bestehen HEA aus fünf bzw. MEA aus drei oder vier Legierungselementen im äquiatomaren Gleichgewicht. Viele HEA weisen aufgrund hervorragender struktu-reller Eigenschaftskombinationen von sehr tiefen bis zu hohen Temperaturen enor-mes Anwendungspotential auf. Die Anwendung für reale Bauteile stellt jedoch die zentrale Frage der Eignung für die fügetechnische Verarbeitung. Dieser Aspekt findet in der weltweiten Materialforschung bisher kaum Beachtung. Anforderungen an die zuverlässige und sichere fügetechnische Verarbeitung dieser Werkstoffe sind von wesentlicher Bedeutung hinsichtlich wirtschaftlicher Bauteilfertigung für spätere po-tenzielle Anwendungsbereiche, bspw. in der Energietechnik. Das Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding–FSW) stellt hierbei einen vielversprechenden Fügepro-zess dar, dessen Hauptvorteil in der Schweißprozesstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der zu fügenden Werkstoffe liegt. Dies bedingt die Vermeidung der Ausbildung von harten, versprödenden intermetallischen Phasen, wie sie z. B. beim konventionellen Schmelzschweißen von Eisen-Aluminium-Verbindungen auf-treten. Die vorliegende Arbeit stellt grundlegende Untersuchungen zur Schweißbar-keit einer CoCrFeMnNi-Legierung (HEA) und einer CoCrNi-Legierung (MEA) mit dem FSW-Prozess vor. Die Versuchsschweißungen werden mittels mikroskopischer Analysen hinsichtlich des Schweißnahtaufbaus sowie Schweißnahtfehlern charakte-risiert. FSW zeigt sich als grundlegend geeignet zur Verbindungsschweißung der HEA bzw. MEA. Anhand dieser Ergebnisse kann eine weitere Bewertung der Schweißbar-keit erfolgen. T2 - 4 Niedersächsisches Symposium Materialtechnik Clausthal CY - Online meeting DA - 25.02.2021 KW - Hochentropie Legierung KW - Rührreibschweißen KW - Mediumentropie Legierung PY - 2021 SP - 502 EP - 511 AN - OPUS4-52255 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. ED - Brockmann, S. ED - Krupp, U. T1 - Untersuchungsmethoden beim Fräsen additiv gefertigter schwer spanbarer Kobalt-Chrom-Legierungen N2 - Für den Anlagenbau werden hochbelastete Komponenten aus Co-Cr-Legierungen hergestellt. Dabei ist die Zerspanung so herausfordernd, dass additive Fertigungsschritte oft wirtschaftlicher sind. Diese bedingen aber vorwiegende heterogene, anisotrope Gefüge und Eigenschaften und bei nachfolgender Fräsbearbeitung unstetige Zerspankräfte und instabile Spanvorgänge. Hierbei können hybride Zerspanprozesse helfen, hohe Belastungen für Werkzeug und Werkstückoberfläche zu minimieren. Diesbezügliche Charakterisierungen erfordern speziell adaptierte Zerspanungsanalysen. Anhand eines Anwendungsbeispiels, bei dem eine Modifikation der Ausgangslegierung mit 1 % Hf erfolgte, wird die Wechselwirkung zwischen Gefügemorphologie und Fräsprozess dargestellt, der konventionelle mit einem hybriden ultraschallunterstützten Fräsprozess verglichen und die Charakterisierung des Werkzeugverschleißes anhand zweier verschiedener Fräser betrachtet. Analysen auftretender Prozesskräfte mittels Piezo-Mehrkomponenten-Dynamometer, der Werkzeugoszillation mittels Laser-Vibrometer und zusätzliche In-situ-Temperaturmessungen der Werkzeugschneiden mittels Highspeed-Pyrometer bilden den Kern der neuen Zerspanungsprüftechnik. Die vorgestellten Untersuchungsmethoden bilden die Vorgänge bei der Zerspanung additiv gefertigter Werkstoffe detailliert und reproduzierbar ab. Sowohl Legierungsmodifikation als auch hybride Prozessbedingungen lassen gezielte Einflüsse zur deutlichen Verbesserung der Zerspanungssituation zu. T2 - Tagung Werkstoffprüfung 2021 CY - Online meeting DA - 02.12.2021 KW - Ultraschallunterstütztes Fräsen KW - Legierungsmodifikation KW - Additive Fertigung KW - Plasma-Pulver-Auftragschweißen KW - Werkzeugverschleiß PY - 2021 SN - 978-3-941269-98-9 SP - 93 EP - 98 PB - Stahlinstitut VDEh CY - Düsseldorf AN - OPUS4-54921 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Richter, Tim A1 - Rhode, Michael A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Innovative Multielement-Legierungen: Aktuelle Ergebnisse zur Schweißbarkeit und Anwendungseigenschaften N2 - Multielement-Legierungen (MPEA – multiple pricipal element alloys) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei äquiatomaren Legierungselementen mit jeweils einem Gehalt von 5–35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich das Legierungskonzept fundamental von konventionellen bspw. Stahl- oder Al-basierten Legierungen. In jüngster Zeit lag der Schwerpunkt auf dem Legierungs-Design der MPEA und der Überprüfung bzw. Erreichung der gewünschten Eigenschaften bzw. -kombinationen. Hierzu werden die egierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Ziel sind hochinnovative MPEA mit angepassten Eigenschaften für die industrielle Anwendung. Dabei sollen insbesondere die bei konventionellen Legierungen wesentlichen Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität, überwunden werden. Darüber hinaus sind mechanische Eigenschaften bei sehr hohen sowie kryogenen Temperaturen bei gleichzeitig höchster Korrosionsbeständigkeit von hohem Interesse. Die Herstellung von Bauteilen erfordert dazu werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren. Der Schweißeignung von MPEA wurde bis Ende 2021 nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Die Auswirkungen durch Schweißprozesse auf die Metallurgie und die gewünschten Eigenschaften sind bisher kaum bekannt und limitieren die potenzielle Anwendbarkeit als Funktions- oder Konstruktionswerkstoffe. In einem interdisziplinären BAM-Forschungsprojekt werden aktuell grundlegende Untersuchungen zur Schweißverarbeitung und resultierender Mikrostruktur-Anwendungseigenschafts-Beziehung verschiedener MPEA durchgeführt. Insbesondere Wärmeeinflusszone und Schweißgut sind geprägt durch eine Mikrostruktur, die aus Ungleichgewichtszuständen resultiert. Im Falle von MPEA wurde dies bisher nicht systematisch untersucht. Dazu erfolgte im Rahmen des Projektes eine umfassende Literaturauswertung zum Schweißen von MPEA und Zusammenfassung in einer umfassenden, systematischen Datenbasis. Aus diesem Grund sollen in der vorliegenden Studie die bisher bedeutsamsten Erkenntnisse zur Schweißbarkeit von MPEA systematisch nach MPEA-Typ und Schweißverfahren geordnet und mit eigenen aktuellen Forschungsergebnissen verglichen werden. Durch WIG- und Rührreibschweißversuche an den MPEA-Systemen CoCrNiFeMn bzw. CoCrNi konnten im Projektverlauf bereits wesentliche Fragestellungen beantwortet werden. Dazu zählen Auftreten bzw. Verhinderung intermetallischer Phasen/Seigerungen oder deren Auswirkung auf die Eigenschaften der Schweißverbindung (bspw. Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit). T2 - DVS Congress 2022 CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - High Entropy Alloy KW - Schweißen KW - Multielementlegierungen PY - 2022 SP - 62 EP - 67 AN - OPUS4-56706 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Richter, Tim A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael T1 - Friction stir welding of a CoCrFeMnNi high entropy alloy compared to AISI 304 austenitic stainless steel: evolution of microstructure and mechanical properties N2 - High entropy alloys (HEA) are a new class of materials. In contrast to conventional alloys, HEA are single-phase alloys with at least five alloying elements. HEAs have enormous application potential due to (postulated) excellent structural property combinations from low to high temperatures. For HEA-application as structural materials in real components, a key issue is the suitability for joining processing. Requirements for the reliable and safe joining of these materials are crucial regarding economical component manufacture for future applications. In this context, friction stir welding (FSW) is a promising joining process due to the welding process temperature below the material melting point avoiding major issues, e. g. formation of (hard and brittle) intermetallic phases, which may have detrimental influences on the weld joint properties. This study presents elementary research about the FSW process influences on a CoCrFeMnNi-HEA with focus on the microstructure and mechanical properties. For that purpose, the FSW joint of the HEA is compared to that of an austenitic stainless steel AISI 304. The microstructures of the welds were investigated and characterized by means of light microscopy, SEM, EBSD and XRD. Hardness and tensile testing were applied to determine influences on the mechanical properties. Generally, a comparable weldability of HEA and AISI 304 in terms of metallurgical characteristics and resulting mechanical properties exhibited. For the weld joints of both materials typical characteristics regarding FSW were observed within the weld metal and thermo-mechanically influenced zone: fine-grained stirred zone with increased hardness and reduced fracture elongation compared with the respective base material. T2 - Bachelor-, Master-, Doktoranden-Kolloquium CY - Magdeburg, Germany DA - 20.10.2021 KW - High Entropy Alloy KW - Friction stir welding KW - Austenitic stainless steel PY - 2021 AN - OPUS4-53608 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Optimierung schweißbedingter Beanspruchungen an Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen durch Wärmeführung N2 - Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen. Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen. Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar. T2 - Anwenderseminar, voestalpine, Linz CY - Linz, Austria DA - 11.05.2017 KW - Bauteilprüfung KW - Eigenspannungen KW - Hochfeste Feinkornbaustähle KW - MAG-Schweißen PY - 2017 AN - OPUS4-47717 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Herstellung und beanspruchungsgerechte Reparatur von Funktionsoberflächen an hochbelasteten Komponenten durch generative Fertigung und ultraschallunterstützte Zerspanung 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 generative Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind generative 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 geplant. Mit typischen kostenintensiven Ni- und Co-Cr-Legierungen werden generativ 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 sichert einen breiten industriellen Einsatz für hohe Auftragraten ab. Die wirtschaftliche spanende Bearbeitbarkeit wird 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 ermöglichen umfassende Erkenntnisse zur kombinierten generativen und abtragenden Fertigung. Durch Bauteilversuche und -prüfungen, Übertragbarkeitsstudien weiterer innovativer Werkstoffe verbunden mit Handlungsempfehlungen und der Zusammenarbeit mit den jeweiligen Normungsgremien profitieren KMU von einer hochwirtschaftlichen Herstellung und Reparatur kostenintensiver Komponenten. T2 - Sitzung des Fachausschusses „FA 1 Schweißmetallurgie und Werkstoffverhalten“ des DVS e.V. CY - Düsseldorf, Germany DA - 26.09.2018 KW - Eigenspannungen KW - Auftragschweißen KW - Zerspanung KW - Ultraschallunterstütztes Fräsen KW - Generative Fertigung PY - 2018 AN - OPUS4-47722 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Preuß, Bianca A1 - Lindner, Thomas A1 - Hanisch, Niclas A1 - Giese, Marcel A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Richter, Tim A1 - Rhode, Michael A1 - Lampke, Thomas T1 - Surface Functionalization of Novel Work‐Hardening Multi‐Principal‐Element Alloys by Ultrasonic Assisted Milling N2 - The development of multi‐principal‐element alloys (MPEAs) with unique characteristics such as high work hardening capacity similar to well‐known alloy systems like Hadfield steel X120Mn12 (ASTM A128) is a promising approach. Hence, by exploiting the core effects of MPEAs, the application range of conventional alloy systems can be extended. In the present study, work‐hardening MPEAs based on the equimolar composition CoFeNi are developed. Mn and C are alloyed in the same ratio as for X120Mn12. The production route consists of cast manufacturing by an electric arc furnace and surface functionalization via mechanical finishing using ultrasonic‐assisted milling (USAM) to initiate work hardening. The microstructure evolution, the hardness as well as the resulting oscillating wear resistance are detected. A pronounced lattice strain and grain refinement due to the plastic deformation during the USAM is recorded for the MPEA CoFeNi‐Mn12C1.2. Consequently, hardness increases by ≈380 HV0.025 in combination with a higher oscillating wear resistance compared to the X120Mn12. This shows the promising approach for developing work‐hardening alloys based on novel alloy concepts such as MPEAs. KW - Electric arc furnace KW - Finish milling KW - High manganese steels KW - Multi-principal element alloy KW - Ultrasonic-assisted milling KW - Work hardening PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-608008 DO - https://doi.org/10.1002/adem.202400339 SN - 1438-1656 SP - 1 EP - 12 PB - Wiley VHC-Verlag AN - OPUS4-60800 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael T1 - Local mechanical properties of TIG dissimilar metal welded CoCrFeMnNi high-entropy alloy to austenitic steel AISI 304 N2 - Multiple principal element alloys (MPEA) encompass the well-known high entropy alloys (HEAs). MPEA/HEA represent a new class of materials consisting of at least three alloying elements, each containing 5 to 35 at.-%. This alloying concept thus differs fundamentally from conventional materials such as steel or nickel alloys. For this purpose, the alloying elements are specifically selected, and the microstructures are adjusted in a single-phase and, in some cases, multi-phase manner. In particular, conflicting goals, such as the trade-off between strength and ductility in conventional steels, are overcome. In the last 20 years, however, the focus has been on material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is now on pro-cessing issues such as joining and welding processes. The weldability of MPEA has received very little atten-tion so far. Experience with dissimilar metal welds (DMWs) is completely lacking but is essential for the appli-cation of these materials in combination with conventional materials. The present study presents, comprehen-sive experimental results on the weldability of MPEA-DMWs. For that purpose, a Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 HEA in cold-rolled and heat-treated condition was joined by means of tungsten inert gas welding (TIG) with the austenitic Cr-Ni steel AISI 304. The DMWs resulted in interesting mechanical properties. They were obtained by instrumented tensile tests as well as the local deformation in the weld area by using digital image correlation (DIC) technique. A significant softening in the heat-affected zone (HAZ) of the MPEAs as well as a slightly reduced tensile strength with a significant decrease of the elongation at fracture were found. The experiments provided proof in principle of the weldability of the MPEAs for DMWs with conventional materials that ensure a corresponding capability for mechanical loading. This allows further considerations on the application of these innovative materials. T2 - IIW Annual Assembly, Meeting of Commission C-II CY - Singapore DA - 18.07.2023 KW - High-entropy alloy KW - Welding KW - Microstructure KW - Mechanical properties KW - Dissimilar metal weld PY - 2023 AN - OPUS4-57978 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rhode, Michael A1 - Wetzel, Annica A1 - Oczan, Ozlem A1 - Nietzke, Jonathan A1 - Richter, Tim A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Hydrogen diffusion and local Volta potential in high- and medium-entropy alloys N2 - High-entropy alloys (HEAs) are characterized by a solid solution of minimum five and medium-entropy alloys (MEAs) of minimum three principal alloying elements in equiatomic proportions. They show exceptional application properties, such as high-strength and ductility or corrosion resistance. Future HEA/MEA-components could be exposed to hydrogen containing environments like vessels for cryogenic or high-pressure storage where the hydrogen absorption and diffusion in these materials is of interest. In our study, we investigated the HEA Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 and the MEA Co33.3Cr33.3Ni33.3. For hydrogen ingress, cathodic charging was applied and diffusion kinetic was measured by high-resolution thermal desorption spectros-copy using different heating rates up to 0.250 K/s. Peak deconvolution resulted in high-temperature desorption peaks and hydrogen trapping above 280 °C. A total hydrogen concentration > 40 ppm was identified for the MEA and > 100 ppm for HEA. This indicates two important effects: (1) delayed hydrogen diffusion and (2) considerable amount of trapped hydrogen that must be anticipated for hydrogen assisted cracking phenomenon. Local electrochemical Volta potential maps had been measured for the hydrogen free condition by means of high-resolution Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM). T2 - Symposium on Materials and Joining Technology CY - Online meeting DA - 07.09.2020 KW - Hydrogen KW - High-entropy alloy KW - Diffusion KW - Scanning kelvin probe force microscopy KW - Corrosion PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-511684 DO - https://doi.org/10.1088/1757-899X/882/1/012015 VL - 882 SP - 1 EP - 15 PB - IOP Publishing CY - Bristol AN - OPUS4-51168 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Richter, Tim A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael A1 - Börner, Andreas T1 - Influence of modern machining processes on the surface integrity of high-entropy alloys N2 - High Entropy Alloys (HEAs) are a recent class of materials. In contrast to conventional alloys, HEAs consist of five alloying elements in equiatomic equilibrium. The high entropy effect is due, among other things, to the increased configuration entropy, which promotes solid solution formation. Many HEAs have enormous application potential due to excellent structural property combinations from very low to high temperatures. For the introduction of HEAs in real components, however, the question of the applicability of machining production technologies for component manufacture is of central importance. This has so far received Little attention in global materials research. Reliable and safe processing is essential for the demand of economical component production for potential areas of application, e.g. in power plant technology. For metals, milling is the standard machining process. This article presents the results of machining analyses. It focuses on the surface integrity resulting from the milling process on a Co20Cr20Fe20Mn20Ni20-HEA. For this purpose, investigations were carried out using ball nose end milling tools for conventional milling process in comparison to an innovative hybrid process available at BAM Berlin, Ultrasonic-Assisted Milling (USAM). USAM promises a lower Degradation of the surface properties due to lower loads on the workpiece surface during machining. For this purpose, basic milling parameters (cutting speed and tooth feed) were systematically varied and cutting forces were measured during the milling experiments. The subsequent Analysis of these forces allows an understanding of the mechanical loads acting on the tool and component surface. These loads cause topographical, mechanical and microstructural influences on the surface and consequently on the surface integrity. For their characterization, light and scanning electron microscopy were used, and the roughness and residual stresses via X-ray diffraction were measured. The results indicate significant advantages using USAM, especially due to reduced cutting forces compared to the conventional milling process. This causes lower mechanical loads on the tool and surface, combined with lower tensile residual stresses on and below the surface, and ultimately results in a significantly enhanced surface integrity. T2 - Symposium on Materials and Joining Magdeburg 2020 CY - Online meeting DA - 07.09.2020 KW - High entropy alloy KW - Machining KW - Ultrasonic machining PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-512958 DO - https://doi.org/10.1088/1757-899X/882/1/012016 VL - 882 IS - 012016 SP - 1 EP - 11 PB - Institute of Physics CY - London AN - OPUS4-51295 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Buzolin, R. H. A1 - Richter, Tim A1 - Pixner, F. A1 - Rhode, Michael A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Enzinger, N. T1 - Microstructure characterisation of multi-principal element alloys welds produced by electron beam welding N2 - This work explores the feasibility of producing bead-on-plate welds of a CrCoNi medium entropy alloy and a CrMnFeCoNi high entropy alloy using electron beam welding. The alloys were welded in two states: one in an as-cold-rolled condition and the other in an annealed condition. In addition, the materials are welded with two different parameters. The FCC microstructure of the welds is investigated using scanning electron microscopy assisted by energy-dispersive X-ray spectroscopy and electron-backscattered diffraction. The impact of the weld on the microstructure is discussed. The heat-affected zone is negligible for the annealed condition of both medium and high entropy alloys since there is no driving force for recrystallisation and the exposure time to high temperature is insufficient for grain coarsening. The texture formed in the fusion zone is also discussed and compared to the texture in the base metal and the heat-affected zone. Although the grain growth along the (100) crystallographic direction is preferential in all cases, the crystallographic texture type differs from each weld. Higher hardness values are measured in the medium entropy alloy’s base metal and fusion zone than in the high entropy alloy. KW - Multi-principal element alloy KW - Electron backscattered diffraction KW - Electron beam welding KW - High-entropy alloy KW - Microstructure characterization PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-568129 DO - https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111609 SN - 1873-4197 VL - 225 SP - 1 EP - 14 PB - Elsevier Science CY - Amsterdam [u.a.] AN - OPUS4-56812 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Richter, Tim A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael T1 - Residual stresses in a high- and a medium-entropy alloy due to TIG and friction stir welding N2 - The new alloying concept of multi-element systems with defined entropy (HEA—high-entropy alloy; MEA—medium-entropy alloy) is gaining increasing importance in materials research. Significantly improved properties or combinations of properties are shown by some HEA/MEA systems. Thus, primarily the production and resulting microstructures of HEA, as well as its properties, have been investigated so far. Furthermore, processing is a main issue in transferring HEA systems from the laboratory to real components. Since welding is the most important joining process for metals, it is crucial to investigate the influence of welding to guarantee component integrity. Welding leads to residual stresses, which significantly affect the component integrity. Hence, the focus of this study is the residual stress formation and distribution in a CoCrFeMnNi HEA and ternary CoCrNi MEA using two different welding processes: tungsten inert gas (TIG) welding and solid-state friction stir welding (FSW). As a pathway for the application of HEA in this investigation, for the first time, residual stress analyses in realistic near-component specimens were performed. The residual stresses were determined by X-ray diffraction (XRD) on the surfaces of top and root weld side. The results were correlated with the local welding microstructures. The results show that both FSW and TIG generate significant tensile residual stresses on the weld surfaces in, and transverse to, the welding direction. In the case of FSW of the CoCrFeMnNi HEA, the longitudinal residual stresses are in the range of the yield strength of approx. 260 MPa in the weld zone. KW - High entropy alloy KW - Welding KW - Residual stresses KW - Microstructure PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-567039 DO - https://doi.org/10.3390/jmmp6060147 SN - 2504-4494 VL - 6 IS - 6 SP - 1 EP - 11 PB - MDPI CY - Basel AN - OPUS4-56703 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Correlating welding reaction stresses and weld process conditons for high-strength steel S960QL N2 - As a result of current trends towards lightweight design, a growing amount of high-strength steels with yield strengths above 690 MPa is applied. In comparison to the weld process of lower-strength steels, small working ranges have to be achieved with respect to a special microstructure and high yield ratio. However, the sustainable and economic application of these steels depends on the loading capacity and the safety of welds when designing weld constructions. For these demands, a precise knowledge of welding stress level and distribution is essential. Therefore, the present study is concerned with the interaction between heat control (interpass temperature and heat input) and local as well as global stresses in high-strength steel welds. Specimens were multirun welded under defined restraint conditions in a special test facility (controlled tensile weldability (CTW) test) to consider global restraint. For the comparison concerning local residual stresses, free shrinkage test welds were performed as well. The evaluation shows a significant influence of the interpass temperature on the global reaction forces. Furthermore, increased heat input and high interpass temperatures cause higher tensile residual stresses. This occurred in the weld area of both free shrinkage test specimen and CTW test specimen. KW - Residual stresses KW - MAG welding KW - Restraint KW - High-strength steels KW - Process parameters PY - 2014 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-014-0127-x SN - 0043-2288 SN - 1878-6669 VL - 58 IS - 3 SP - 423 EP - 432 PB - Springer CY - Oxford AN - OPUS4-30651 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Effects of Welding Conditions on the Welding Stresses of High-strength Steel Components T2 - IWOTE ´14 CY - Bremen, Germany DA - 2014-04-09 PY - 2014 AN - OPUS4-30640 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Dissimilar metal joints of multiple principal element alloys friction stir welded to conventional austenitic steel 304 N2 - Multiple principal element alloys (MPEA) represent a class of materials consisting of at least three alloying elements, each with 5 to 35 atomic %. The MPEAs encompass the so-called high-entropy (HEA) and medium-entropy alloys (MEAs) and are fundamentally different from conventional materials like the Fe-based steel. Within the last 20 years, highly innovative MPEA with individually adjustable properties for industrial applications were identified. However, the focus has been on pure material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is now on processing issues such as joining and welding. In that connection, the weldability of MPEAs has received very little attention so far and experience in dissimilar metal welds (DMWs) is lacking so far but. The present study summarizes comprehensive experimental results on the weldability of MPEA-DMWs and their resulting microstructure. For this purpose, two equiatomic MPEAs, CoCrFeMnNi (HEA) and CoCrNi (MEA) in cold-rolled and annealed conditions were joined by solid-state friction stir welding (FSW) to an austenitic stainless steel 316L. The DMWs showed very interesting microstructure features. In addition, the mechanical-technological properties were obtained by instrumented tensile tests, and the local straining was determined in-situ by digital image correlation (DIC). A significant influence of the FSW processing on the mechanical performance was identified,in terms of the formation of FSW-specific defects like whitebands or tunnel defects. The experiments proofed the general (but currently limited) FS weldability of the MPEAs to conventional austenitic steel grade AISI 304. This enables targeted further considerations of these highly innovative MPEAs. T2 - AJP 2023: 3rd International Conference on Advanced Joining Processes 2023 CY - Braga, Portugal DA - 19.10.2023 KW - Multi-principal element alloys KW - Friction stir welding KW - Dissimilar metal weld (DMW) joint KW - Mechanical properties KW - Digital image correlation (DIC) PY - 2023 AN - OPUS4-58678 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Reichel, Levin A1 - Kromm, Arne A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Moderne Schweißverfahren zur Optimierung der Reparatur von hochfesten Offshore-Stählen N2 - Der Ausbau der Offshore-Windenergie mit Anlagenleistungen von über 10 MW er-fordert zunehmend den Einsatz hochfester Stähle mit Streckgrenzen ab 460 MPa bei Wanddicken von bis zu 150 mm. Inakzeptable Defekte, die während bzw. nach der schweißtechnischen Montage solcher dickwandigen Verbindungen im Nahtbereich detektiert werden, können wirtschaftlich durch lokales Ausfugen und anschließendes Schweißen noch in der Fertigung repariert werden. Insbesondere bei hochfesten Baustählen stellt dies hohe Anforderungen an die schweißtechnische Fertigung, da bislang keine standardisierten Reparaturkonzepte oder normativen Vorgaben existie-ren. Praxisnahe Empfehlungen sind hier vor allem für kleine und mittlere Unterneh-men (KMU) notwendig, damit diese Reparaturschweißungen sicher und wirtschaft-lich durchführen können. Die laufende Untersuchung (FOSTA P1629/IGF 01IF22746N) legt daher den Schwerpunkt auf die Optimierung der Reparaturverfahren mit dem Ziel, schweißbe-dingte Beanspruchungen zu reduzieren, weil diese häufig zu erneuten Bildung Fehl-stellen führen. Hierfür werden hochfeste, dickwandige Verbindungen aus Offshore-Stahlgüten im Streckgrenzenbereich von 355 MPa bis 460 MPa untersucht. Die ex-perimentellen Analysen berücksichtigen dabei die komplexen Wechselwirkungen zwischen werkstoff- und prozess- sowie konstruktionsbedingten Einflüssen auf den Beanspruchungszustand nach dem Schweißzyklus (Verbindungsschweißen, Ausfu-gen, Reparaturschweißen). Diese Faktoren, wie z. B. die Steifigkeitsverhältnisse der Schweißnaht, sind von entscheidender Bedeutung für die resultierenden Eigenspan-nungen, die sich infolge der schweißtechnischen Reparatur ausbildet. Um die Bau-teilsicherheit und Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, sind insbesondere risskriti-sche, mehrachsige Eigenspannungszustände zu vermeiden. So lassen sich moderne Hochleistungs-MAG-Schweißprozesse mit hierfür optimierten, schmaleren Fugen-geometrien in bauteilbezogenen Schweißversuchen auf Großprüfanlagen untersu-chen, um hierfür angepasste Prozess- und Wärmeführungsparameter zu identifizie-ren und angepasste Reparaturkonzepte abzuleiten. Ziel ist es, Handlungsempfehlun-gen für Richtlinien und Normen zu erarbeiten, die das Potenzial hochfester Stähle voll ausschöpfen und die Anwendbarkeit im Offshore-Stahlbau, insbesondere für KMU, substanziell stärken. Auf diese Weise leistet das Projekt einen entscheiden-den Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende in Deutschland. T2 - NA 092-00-05 GA "Gemeinschaftsarbeitsausschuss NAS/NMP, Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen (DVS AG Q 4/Q 4.1)" CY - Online meeting DA - 20.03.2025 KW - Reparaturschweißen KW - Thermisches Ausfugen KW - Offshore KW - Moderne Schweißprozesse PY - 2025 AN - OPUS4-62749 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schaupp, Thomas A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Schröder, Nina A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Einfluss von Konstruktion und Wasserstoff auf die Kaltrissbildung hochfester Feinkornbaustähle N2 - Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 690 MPa. Neben den durch die Wandstärkenreduzierung erreichbaren Einsparungen an Ressourcen und Fertigungszeit lässt sich eine weitere Minimierung der Schweißzeit und -kosten mittels abgesenkter Schweißnahtvolumina erreichen. Hierzu wurden moderne Lichtbogenprozesse, wie bspw. der modifizierte Sprühlichtbogen (Mod.SLB), mit erhöhter Abschmelzleistung entwickelt, mit denen auch enge Nahtspalte bzw. Nahtöffnungswinkel geschweißt werden können. Hochfeste Verbindungen unterliegen zunehmend erhöhten Anforderungen in Bezug auf die schweißtechnische Verarbeitung und der resultierenden Bauteilperformance und sicherheit. Dies gilt insbesondere beim Bauteilschweißen mittels solcher Hochleistungsverfahren in Verbindung mit engen Nahtspalten. In der vorliegenden Arbeit soll dieser Herausforderung durch Klärung der Einflüsse auf die Kaltrissbildung bei einem hochfesten Feinkornbau-stahl S960QL Rechnung getragen werden. Für die Kaltrissprüfung werden entsprechende adaptierte Proben analog dem selbstbeanspruchenden TEKKEN-Test verwendet und hinsichtlich Rissbildung, Gefüge, Gehalt an diffusiblem Wasserstoff und Eigenspannungen analysiert. Die Variation der Nahtöffnungswinkel der Prüfnähte erfolgt zwischen 30° und 60°. Zur Vermeidung wasserstoffunterstützter Kaltrissbildung wird die Wirksamkeit einer Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus untersucht. Als Ergebnis zeigen die Schweißgüter, die an reduziertem Nahtöffnungswinkel erzeugt wurden, im Mittel etwas höhere Wasserstoffkonzentrationen. Zudem ist an diesen Schweißgütern eine vermehrte Mikro- als auch Makrorissbildung festzustellen. An allen Proben, die nicht nachgewärmt wurden, treten Kerbrisse aufgrund von Kaltrissbildung auf, deren Vermeidung sich durch ein Nachwärmen unmittelbar nach dem Schweißen als besonders effektiv darstellte. T2 - DVS Congress 2020 - Große Schweißtechnische Tagung CY - Online meeting DA - 14.09.2020 KW - Hochfester Feinkornbaustahl KW - MAG-Schweißen KW - Kaltriss KW - Wasserstoff KW - TEKKEN PY - 2020 SN - 978-3-96144-098-6 VL - 365 SP - 564 EP - 570 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-51259 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Influence of welding stresses on relaxation cracking during heat treatment of a creep-resistant 13CrMoV steel, Part III N2 - Efficiency and flexibility are currently a major concern in the design of modern power plants and chemical processing facilities. The high requirements for economic profitability and in particular climate change neutrality are driving this development. Consequently, plant equipment and chemical reactor components are designed for higher operating pressure and temperature. Creep-resistant CrMo steels had been used as constructional materials for decades but came to operational limitations, for example the resistance against so-called high-temperature hydrogen attack in petrochemical reactors. For that purpose, 20 years ago V-modified CrMo steels had been developed for use in the petrochemical industry due to their very good creep-strength and hydrogen pressure resistance at elevated temperatures enabling long service life of the respective components. For example, the 13CrMoV9-10 steel is applicable for process temperatures of up to 482 °C and hydrogen pressures of up to 34.5 MPa. Due to the large dimensions and wall thickness of the reactors (wall thickness up to 475 mm) and the special alloy concept, reliable weld manufacturing of the components is extremely challenging. First, low toughness and high strength of the weld joint in the as-welded condition are critical regarding weld cracking. High welding residual stresses are the result of the highly restrained shrinkage of the component welds. For this purpose, the entire component must be subjected to Post-Weld Heat Treatment (PWHT) after completion of the welding operation. The aim is to increase the toughness of the weld joints as well as to reduce the welding induced residual stresses. Before and during PWHT, extreme caution is required to prevent cracking. Unfortunately, V-modified CrMo steels possess an increased susceptibility to cracking during stress relaxation the so-called stress relief cracking (SRC). Available literature studies have largely focused on thermal and metallurgical factors. However, little attention has been paid on the influence of the welding procedure on crack formation during PWHT considering actual manufacturing conditions. For that reason, we investigated in our previous studies (part I and II), the influence of heat control on the mechanical properties by simulating actual manufacturing conditions prevailing during the construction of petrochemical reactors using a special 3D- acting testing facility. The focus of part I was put on the influence of the welding heat control on mechanical stresses and the effect on cracking during PWHT. Part II was mainly dedicated to the metallurgical causes of SRC during PWHT and the interaction with the occurring mechanical stresses. It could be shown that not only high welding-induced stresses due to increased weld heat input cause higher susceptibility for SRC formation. It was further intensified by an altered precipitation behaviour in presence of mechanical stresses that are caused by the component related restraint. The present part III shows how residual stresses, which are present in such welded components and significantly influence the crack formation, can be transferred to the laboratory scale. As a result, the effect on the residual stresses on the SRC behaviour can be evaluated on simplified small-scale specimens instead of expensive mock-ups. For this purpose, experiments with test set-ups at different scales and under different rigidity conditions were designed and carried out. T2 - IIW Annual Assembly, Meeting of Commission II-A CY - Online meeting DA - 20.07.2020 KW - Welding KW - Creep-resistant steel KW - Residual stresses KW - Post weld heat treatment KW - Stress relief cracking PY - 2020 AN - OPUS4-51587 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Kromm, Arne A1 - Lausch, Thomas A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Correction to: Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep‑resistant 13CrMoV steel: Part I - Effect of heat control on welding stresses and stress relief cracking N2 - The article "Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep-resistant 13CrMoV steel: Part I - Effect of heat control on welding stresses and stress relief cracking" was originally published in the journal "Welding in the world" Online First without Open Access. After publication in volume 64, issue 5, page 807-817 the authors decided to opt for Open Choice and to make the article an Open Access publication. Therefore, the copyright of the article has been changed to The Author(s) 2020 and the article is forthwith distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Attribution 4. 0 International License. PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-021-01166-4 SN - 1878-6669 SP - 1 PB - Springer CY - Berlin AN - OPUS4-53421 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Kromm, Arne A1 - Lausch, Thomas A1 - Schröpfer, Dirk A1 - Rhode, Michael A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Correction to: Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep‑resistant 13CrMoV steel: Part II - Mechanisms of stress relief cracking during post weld heat treatment N2 - The article "Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep-resistant 13CrMoV steel: Part II - Mechanisms of stress relief cracking during post weld heat treatment" was originally published in the journal "Welding in the world" Online First without Open Access. After publication in volume 64, issue 5, page 819-829 the authors decided to opt for Open Choice and to make the article an Open Access publication. Therefore, the copyright of the article has been changed to The Author(s) 2020 and the article is forthwith distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Attribution 4. 0 International License. PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1007/s40194-021-01164-6 SN - 1878-6669 SP - 1 PB - Springer CY - Berlin AN - OPUS4-53423 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröpfer, Dirk T1 - Einfluss der Wärmeführung auf den Eigenspannungszustand in Schweißkonstrukionen aus hochfesten Feinkornbaustählen T2 - MDDK Wintersemester 2012/13 CY - Magdeburg, Germany DA - 2013-01-24 PY - 2013 AN - OPUS4-28920 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -