9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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Organisationseinheit der BAM
WAAM process influences on local microstructure and residual stresses in high-strength steels
(2021)
High-strength fine-grain structural steels have great potential for weight optimization of many modern engineering structures. Efficient manufacturing can be achieved here above all by Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). First commercial high-strength welding consumables for WAAM are already available. Due to a lack of knowledge and guidelines for the industry regarding welding residual stresses and component safety in manufacturing and operation, their application is still severely limited. Residual stresses play a crucial role here, as the special microstructure of high-strength steels is sensitive to cold cracking.
For this reason, process- and material-related influences, as well as the design effects on residual stress formation, are being investigated in a project funded by the AiF (FOSTA P1380/IGF 21162 BG). This study focuses on determining the interactions between heat control during WAAM process, resulting hardness, microstructure, and residual stresses, analyzed by X-ray diffraction. Welding experiments using geometrically similar AM specimens show that, with regard to the heat input, the energy per unit length in particular leads to significantly affected cooling times and microstructures and causes pronounced localized effects in terms of residual stresses in the upper weld beads.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.
Die additive Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein komplexes, aber zugleich auch effizientes Verfahren, bei dem Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißprozess gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ziel dieser Studie war es, einen Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der generierten Schichtgeometrie zu ermitteln. Dazu wurden definierte Referenzkörper mit einem robotergestützten Schweißsystem additiv gefertigt und hinsichtlich Schichthöhe, Wandstärke und Mikrostruktur analysiert. Fokus der Untersuchung waren sowohl konventionelle als auch für die WAAM-Fertigung speziell entwickelte hochfeste Schweißzusatzwerkstoffe. Die geometrischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile lassen sich insbesondere durch die Faktoren Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit gezielt einstellen. Jedoch können diese Parameter nicht beliebig variiert werden, auch aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Zusatzwerkstoffe. Zu hohe Streckenenergien führen zu lokalen Überhitzungen und Fehlstellen in der generierten Schicht. Undefinierte Fließ- und Erstarrungsvorgänge im überhitzten Bereich erschweren die maßhaltige Fertigung. Deshalb wird bei speziellen WAAM-Schweißdrähten das Fließverhalten gezielt modifiziert, sodass es über einen größeren Temperaturbereich hinweg konstant ist. Erst die Kenntnis über die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie ermöglicht die Erzeugung exakter Schichtmodelle für die additive Fertigung. Dies bildet die Grundlage für die Bearbeitung weiterer Fragestellungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung mit hochfesten Zusatzwerkstoffen und insbesondere deren Anwendung in modernen hochfesten Bauteilen.
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.
Entwicklung einer Bohrlochsonde für Ultraschalluntersuchungen an Abschlussbauwerken in Endlagern
(2021)
Für die Qualitätssicherung von Abschlusswerken für Endlager wird eine Ultraschall-Bohrlochsonde entwickelt. Mithilfe dieser Sonde, die aus einer Vielzahl von einzelnen koppelmittelfreien Ultraschall-Punktkontaktprüfköpfen besteht, soll die Rissfreiheit der Versuchsbauwerke überprüft werden.
Ein erster Prototyp der Sonde wurde mit einem kommerziellen Ultraschallgerät betrieben und bestand aus 12 Transversalwellen-Punktkontaktprüfköpfen von denen jeweils sechs als Sender und sechs als Empfänger parallelgeschaltet waren. Um den erzeugten Schalldruck der Bohrlochsonde zu steigern, wurde bei der Neuentwicklung die Prüfkopfanzahl erhöht und zusätzlich die laufzeitgesteuerte Anregung der einzelnen Prüfköpfe vorgesehen. Für die Anregung der Prüfköpfe mit programmierten Zeitverzögerungen wurde ein neuartiger mehrkanaliger Sender für bipolare Rechtecksignale entwickelt.
Durch die Entwicklung der Bohrlochsonde soll eine dynamische Anpassung der Prüfkopf-Apertur sowie eine Fokussierung des Schallfeldes in Abhängigkeit der zu untersuchenden Tiefe erfolgen. Mithilfe entsprechender Anregungsfunktionen kann das Schallfeld der Bohrlochsonde unterschiedlich geformt werden, z. B. ist auch ein Schwenken des fokussierten Schallbündels möglich. Dadurch wird das erfasste Prüfvolumen begrenzt und auf diese Weise das Signal-Störverhältnis der Empfangssignale verbessert. In Kombination mit SAFT-Rekonstruktionsrechnungen wird durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik der Sonde mit einem hohen Schalldruck unter verschiedenen Winkeln eine verbesserte Signalqualität und damit eine erhöhte Aussagesicherheit der Ergebnisse in der Objektabbildung erwartet.
Untersuchungsmethoden beim Fräsen additiv gefertigter schwer spanbarer Kobalt-Chrom-Legierungen
(2021)
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.
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.