9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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Die additive Fertigung mittels Schweißverfahren bietet große ökonomische Vorteile für eine ressourceneffiziente Bauteilherstellung. Offene Fragen bezüglich Homogenität, Anisotropie der Schweißgefüge und den damit verbundenen Bauteileigenschaften stehen einer wirtschaftlichen Verarbeitung oftmals im Wege. Finale Bauteilgeometrie und Oberflächengüte erfordern meist komplementäre subtraktive Fertigungsschritte. Werkstoffe für hochbelastbare Komponenten sind oftmals schwer spanbar. In einem Vorhaben der BAM und des ISAF wurde untersucht, wie die Modifikation der AM-Schweißzusätze und das ultraschallunterstützte Fräsen (US) die Zerspanungssituation verbessern. Der vorliegende Artikel stellt wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierung, Gefüge und Zerspanung zweier schwer spanbarer Hochleistungslegierungen (FeNi und CoCr) dar. Großes Potenzial zeigte neben dem US die Modifikation mit Zr und Hf bei Zulegierung in das Schweißgut mittels Beschichtung von Massivdrähten bzw. Herstellung von Fülldrähten.
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.
Intermetallische Werkstoffe werden für Hochtemperaturanwendungen immer wichtiger. Insbesondere Aluminide mit hohen spezifischen Festigkeiten haben ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, z. B. werden Titanaluminide bereits in Flugzeugturbinen eingesetzt. Ökonomische und ökologische Aspekte sind die treibende Kraft zur Substitution konventioneller Legierungen, z. B. Nickelbasislegierungen, die eine wesentlich höhere Kostenintensität und ein höheres Gewichts-Festigkeits-Verhältnis aufweisen. Insbesondere Eisenaluminide (FeAl) sind aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und der guten Verfügbarkeit der wichtigsten Hauptlegierungselemente attraktiv. Speziell entwickelte FeAl-Legierungskonzepte ermöglichen eine wirtschaftliche Produktion im Kokillenguss, bei der die Erstarrung der Schmelze spezielle komplexe Gefüge ermöglicht, um die hohen thermischen und mechanischen Eigenschaften durch eine hohe Anzahl von harten Ausscheidungen entlang der Korngrenzen zu erreichen. Zu diesen Eigenschaften gehört aber auch, dass notwendige Bearbeitungsschritte, wie das Schlichtfräsen, zur Erzielung komplexer Endkonturen, zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß und geringen Oberflächengüten führen. Für das finale FeAl-Bauteil ist eine hohe Oberflächenintegrität insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luftfahrt oder im Energiebereich erforderlich. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Untersuchung auf die Mechanismen und die Minimierung des Werkzeugverschleißes und die Auswirkungen auf die Oberfläche eines in Kokille vergossenen FeAl-Bauteils. Neben den Optimierungen des Fräsprozesses und der Werkzeugparameter (Geometrie, Material) wird ein modernes hybrides Bearbeitungsverfahren, das ultra-schallunterstützte Fräsen (USAM), eingesetzt, bei dem eine Überlagerung mit einer hochfrequenten Schwingung des rotierenden Werkzeugs erzeugt wird. Analysen der Kräfte und Temperaturen im Fräsprozess, der Verschleißerscheinungen am Werkzeug und der Oberflächenintegrität zeigen positive Auswirkungen durch USAM. Darüber hinaus wird eine valide Grundlage für die Optimierung des Werkzeugs und des Fräsprozesses geschaffen, um eine hohe Oberflächenintegrität (z. B. Verringerung von Zugeigenspannungen und Defekten) und eine längere Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten, die zukünftig eine wirtschaftliche Herstellung von FeAl-Bauteilen ermöglicht.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf Nahtgeometrie, Materialausnutzung und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplans so variiert, dass die Dt8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) liegen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Die Bestrebungen zur Verringerung der CO2-Emissionen erfordern hochbelastbare und effiziente Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerkstechnik. Hierfür sind in zunehmendem Maße auf den Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschich-ten und definierte, zerspante Oberflächen notwendig. Die hohen Härten dieser Schichten und der Einsatz konventioneller Co-basierter Verschleißwerkstoffe führen oftmals zu unwirtschaftlichen Bauteilen, gerade aufgrund hohen Werkzeugverschleißes bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Er-kenntnisse über den Einsatz Ni-basierter Verschleißwerkstoffe und die Optimierung der Zerspanbarkeit mittels Legierungsmodifikationen und moderner hybrider Fräsprozesse ohne Verschlechterung der Ver-schleißschutzeigenschaften sind deshalb für die Anwender und Verarbeiter zur wirtschaftlichen Fertigung hochbelasteter Stahlbauteile wesentlich. Der vorliegende Beitrag stellt die Untersuchungsmethodik eines aktuell laufenden Vorhabens der TU Clausthal und BAM, Berlin, vor. Fokus liegt hierbei auf den hochin-strumentierten Fräsexperimenten, die eine reproduzierbare Analyse und Korrelation zwischen den mik-rostrukturellen Eigenschaften der auftraggeschweißten Legierungen, dem Zerspanprozess und der Zer-spanbarkeit, insbesondere der resultierenden Oberflächenintegrität, ermöglichen sollen.
Die Verringerung der CO2-Emissionen ist eng mit der Entwicklung hocheffizienter und wirtschaftlicher Komponenten aus Stahl in der Anlagen- und Verfahrenstechnik verknüpft. Um den hohen kombinier-ten korrosiven, tribologischen, thermischen und mechanischen Beanspruchungen stand zu halten, werden auf Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschichten eingesetzt. Neben der zunehmenden Forderung konventionelle Kobalt- durch Nickellegierungen zu ersetzen, wächst auch der Bedarf nach definierten Ober- bzw. Funktionsflächen hoher Güte. Aufgrund hohen Werkzeugverschleißes ist die erforderliche Fräsbearbeitung zu Herstellung der komplexen Geomet-rien der Bauteile für KMU oftmals wirtschaftlich nicht möglich. Mittels Legierungsmodifikation der Schweißzusätze für nickelbasierte plasmaauftraggeschweißte Verschleißschutzschichten und durch den Einsatz innovativer ultraschallunterstützter Fräsprozesse soll eine günstigere Zerspanbarkeit er-reicht werden, ohne das Verschleißschutzpotential zu mindern. Im vorliegenden Beitrag wird der Ein-fluss der mittels Legierungsmodifikation eingestellten Gefüge- und Ausscheidungsmorphologie auf die Zerspanbarkeit untersucht. Dies erfolgt anhand einer typischerweise für Schneckenmaschinen einge-setzten Verschleißschutzlegierung NiCrMoSiFeB-Legierung („Colmonoy 56 PTA“), die konventionelle CoCr-Legierungen (Stellite) substituiert. Metallurgische Untersuchungen und In-situ-Messungen auf-tretender Prozesskräfte an der Werkzeugschneide beim Fräsen sowie anschließende Untersuchungen von Werkzeugverschleiß und Oberflächenintegrität ermöglichen eine detaillierte Analyse und Korrela-tion zwischen mikrostrukturellen Eigenschaften und Zerspanbarkeit.
Die additive Fertigung (AM) durch schweißtechnische Verfahren eröffnet vielfach ökonomische Vorteile für eine ressour-ceneffiziente Bauteilherstellung. Gerade hinsichtlich der Homogenität und Anisotropie der resultierenden Schweißgefüge und den damit verbundenen Eigenschaften gibt es noch offene Fragestellungen. Die Einstellung der finalen Bauteilgeo-metrie und Oberflächengüte erfordert den komplementären Einsatz abtragender Fertigungsschritte. Hochleistungslegie-rungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit schwer spanbar. Eine gezielte Gefügebeeinflussung mittels Modifikation der AM-Schweißzusatz-werkstoffe und der Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US) bietet das Potential insgesamt die Zerspanungssi-tuation zu verbessern. Dieser Lösungsansatz unter Gewährleistung des Erhalts der geforderten Werkstoff- bzw. Bauteileigenschaften ist Untersuchungsgegenstand eines Gemeinschaftsvorhabens (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF. Der vorliegende Beitrag stellt Ergebnisse für die beiden untersuchten FeNi- und CoCr-Legierungen sowie wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierungsmodifikation, entstehender Gefügemorphologie und Zerspanungseigenschaften der mittels MAG additiv gefertigter Proben vor. Das größte Potential für die Modifikation zeigten Zr und Hf. Die Zulegierung in das Schweißgut erfolgte durch Beschichtung von Massivdrähten sowie durch Her-stellung von Fülldrähten.
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.