9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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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.
Alloy 36 (1.3912), also known as “Invar,” is an alloy with 36% nickel. The alloy has a remarkably low thermal expansion coefficient in certain temperature ranges. This peculiarity is called the invar effect, which was discovered in 1896 by the Swiss physicist Charles Édouard Guillaume. Therefore, it is used in applications in which dimensional stability is critical, such as molding tools for composite materials in aerospace, automotive applications, or liquified natural gas (LNG) cargo tanks. Moreover, increasingly complex structures and the optimization of resource efficiency also require additive manufacturing steps for the production or repair of components. Additively manufactured components have a heterogeneous microstructure and anisotropic mechanical properties. In addition, the manufactured components require subsequent machining surface finishing, like finish milling, to achieve their final contour. Nickel iron alloys are difficult to machine. Additionally, inhomogeneous microstructure may lead to unstable cutting forces and conditions. In part I of this investigation, the initial alloy 36 is modified with the elements Ti, Zr, and Hf up to a maximum of 0.33 wt.-%. The influence of the modification elements on the microstructure as well as on the hardness of the AM components is examined. Furthermore, one modification is applied to metal arc welding process and investigated. Part II focuses on the effect of the alloy modifications on machinability as well as on the surface integrity of plasma-transferred-arc-welded (PTA) and finish milled invar components.
Hochfeste und -warmfeste Legierungen nehmen in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus eine immer größere Rolle ein, deren Wirtschaftlichkeit und Effizienz durch eine kostensparende und präzise fügetechnische und abtragende Fertigung bestimmt wird. Komponenten aus modernen hochfesten Werkstoffen erfordern aufgrund ihres spezifischen Legierungskonzeptes und Gefüges und der oft hohen thermo-mechanischen Belastungen speziell adaptierte Fertigungsabläufe. Der Beitrag stellt einige Themenschwerpunkte vor, bei denen fertigungsbedingte Beanspruchungen und Eigenschaftsdegradationen an hochinnovativen Werkstoffen optimiert und wirtschaftliche Fertigungsbedingungen untersucht werden.
Hochfeste und -warmfeste Legierungen nehmen in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus eine immer größere Rolle ein, deren Wirtschaftlichkeit und Effizienz durch eine kostensparende und präzise fügetechnische und abtragende Fertigung bestimmt wird. Komponenten aus modernen hochfesten Werkstoffen erfordern aufgrund ihres spezifischen Legierungskonzeptes und Gefüges und der oft hohen thermo-mechanischen Belastungen speziell adaptierte Fertigungsabläufe. Der Beitrag stellt einige Themenschwerpunkte vor, bei denen fertigungsbedingte Beanspruchungen und Eigenschaftsdegradationen an hochinnovativen Werkstoffen optimiert und wirtschaftliche Fertigungsbedingungen untersucht werden.
Eine nachhaltige und ressourceneffiziente Fertigung und Errichtung von Windenergieanlagen, sowohl auf See als auch an Land, erfordert zunehmend den Einsatz moderner hochfester Feinkornbaustähle. Werden nach dem Schweißen dieser hochfesten Konstruktionen unzulässige Defekte detektiert, sind nach geltenden Verarbeitungsrichtlinien die defekten Bereiche durch lokales Ausfugen und anschließendes Schweißen zu reparieren. Fehlende Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten in den Regelwerken bedingen oftmals eine unzureichende Berücksichtigung dabei auftretender zusätzlicher Beanspruchungen durch die erhöhte Schrumpfbehinderung der Ausfugenuten. Zusätzlich haben die ausführenden Betriebe vielfach kaum Kenntnis über die Degradation angrenzender Gefüge durch thermische Ausfugeprozesse und erneutes Schweißen, die in diesem Zusammenhang besonders bei den hochfesten Stählen als kritisch anzusehen sind. Das aktuelle Forschungsvorhaben der BAM (FOSTA P1311/IGF-Nr.20162N) fokussiert hierfür systematisch bauteilrelevante Untersuchungen zu den schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen bei der Reparatur von hochfesten Schweißverbindungen. Wesentlich sind hierbei der Einfluss der Schrumpfbehinderung, der Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie der Reparaturzyklenanzahl und die metallurgischen Aspekte bei den hochfesten Güten S500MLO für zukünftige Offshore-Anwendungen und S960QL für aktuelle Mobilkrananwendungen. Aufbauend auf einigen Studien zur schweißbedingten Beanspruchung hochfester Stähle zeigt der vorliegende Beitrag die Identifikation geeigneter Probengeometrien und Schweißdetails mittels numerischer und experimenteller Analysen. Dadurch wird die Übertragbarkeit der vorgestellten Schweißexperimente und Ergebnisse hinsichtlich der resultierenden Schweißeigenspannungen auf reale Reparaturfälle im Bereich des hochfesten Stahlbaus sichergestellt. Es zeigt sich in Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen eine signifikante Erhöhung der Beanspruchungen an den variierten schlitzförmigen Prüfnähten. Das Eigenspannungsniveau sowohl im Schweißgut als auch in der WEZ korreliert mit dem Einspanngrad. Mit dem Ziel beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte zu erarbeiten, sind zum einen geringere Wärmeinbringungen, besonders durch niedrige Zwischenlagentemperaturen und Einspannbedingungen anzustreben, um hohe Beanspruchungen und kritische Gefügedegradationen im Reparaturbereich zu vermeiden. Dies wird durch systematische Untersuchungen zum Ausfugen und Schweißen sowie letztlich dem Transfer von Verarbeitungsempfehlungen für die Anwender und Richtlinien erreicht.
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.
Beanspruchungsgerechtes ultraschallunterstütztes Fräsen Generativ gefertigter Turbinenbauteile
(2018)
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.
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.
High-strength fine-grained structural steels have great potential for modern weight optimized steel construc-tions. Efficient manufacturing and further weight savings are achievable due to Wire Arc Additive Manu-facturing (WAAM). First commercial high-strength welding consumables for WAAM are already available. However, the application is still severely limited due to a lack of knowledge and guidelines for the industry regarding welding residual stresses and component safety in manufacturing and operation. Residual stresses may be critical regarding the special microstructure of high-strength steels in context with the risk of cold cracking and component performance in service. Therefore, process- and material-related influences, as well as the design effects on residual stress formation and cold cracking, are being investi-gated in a research project (IGF 21162 BG) focusing a high-strength WAAM welding consumable with yield strength of over 800 MPa. Objectives are the establish-ment of special WAAM cold cracking tests and pro-cessing recommendations allowing economical, suita-ble, and crack-safe WAAM of high-strength steels. First studies on process-related influences showed transfor-mation residual stresses arising during cooling, which significantly influence stress evolution of the compo-nent during layer-wise build-up. This has not yet been investigated for WAAM of high-strength steels. Focus of this study is on the systematic investigation of interactions of the WAAM welding process and design with cooling time, hardness, and residual stresses.
Defined open hollow cuboids were welded and investi-gated under systematic variation (design of experi-ments, DoE) of the scale/dimensions (cf. Fig. 1a) and heat control (interlayer temperature Ti: 100–300 °C), heat input E: 200–650 kJ/m. The welding parameters were kept constant as possible to avoid any influence by the arc and the material transfer mode. The heat input adjusted primarily via the welding speed. The resulting different weald bead widths were considered by different build-up strategies (weld beads per layer) to ensure defined wall thicknesses. The hardness was determined on cross-sections taken from the manufac-tured hollow cuboids (Fig. 1c) and the analysis of the residual stress state was carried out by means of X-ray diffraction (XRD) at defined positions on the lateral wall (Fig. 1b).
The hardness is higher at the top compared to the lower weld beads, as shown in Fig. 1c exemplarily for central test parameters of the DoE = 425 kJ/mm, Ti = 200 °C). This may be attributed to the specific heat control of the top weld beads, i.e., quenching effects, which are not tempered by weld beads above as is the case for lower weld beads implying a higher hardness. It was observed that the hardness level decreases with increasing energy per unit length, while the in-terpass temperature has a rather low influence on the hardness
Residual stress analysis was performed on the lat-eral wall in the welding direction, cf. Fig. 1b, to deter-mine the influence of heat control and design. In the top area of the wall, maximum longitudinal residual stress-es of up to over 500 MPa exhibit, which corresponds to approx. 65% of the nominal yield strength of the mate-rial. The statistic evaluation of stress levels in welding direction of all test specimens show that adaption of heat input may reduce welding stresses up to 50%. In-terpass temperature has less pronounced effect on cool-ing times, microstructure, and on the residual level within parameter matrix. Overall, the results show a significant influence of heat input and component di-mensions on the residual stresses and minor effect of the interpass temperature. Hence, the properties of the specimens may be effectively adjusted via heat input. The working temperatures should be considered for global shrinkage behavior or restraints. Such investiga-tions of residual stress are necessary to further deter-mine local and global welding stresses regarding the consequences on the component safety during manu-facturing and service.
Determination of residual stress evolution during repair welding of high-strength steel components
(2022)
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.