9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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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 additives 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 die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. 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.
Im Rahmen der Normungssitzung werden praktikable Verarbeitungsempfehlungen basierend auf den Erkenntnissen des Vh. mit Vertretern aus Industrie und Forschung diskutiert.
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 additives 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 die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. 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.
High-strength steels have great potential for weight optimization due to reduced wall thicknesses in many modern steel constructions. Further advances in efficiency can be achieved through the application of additive manufacturing processes, such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). These technologies enable the sustainable and resource-efficient manufacturing of high-strength steels into near-net-shape, efficient structures. During the production of steel structures, unacceptable defects may occur in the weld area or in the WAAM component, e.g., due to unstable process conditions. The economical solution for most of the cases is local gouging or machining of the affected areas and repair welding. With respect to the limited ductility of high-strength steels, it is necessary to clarify the effects of machining steps on the multiaxial stress state and the high design-induced shrinkage restraint. In this context, the component-related investigations in two research projects are concerned with the residual stress evolution during welding and slot milling of welds and WAAM structures made of high-strength steels with yield strengths ≥790 MPa. In-situ digital image correlation (DIC) and ex-situ X-ray diffraction (XRD) were used to analyse the stresses and strains induced on specimens during and after milling. The systematic analyses revealed a significant interaction of the stiffness and relaxation of the specimens with the initial residual stresses induced by welding.
Influence of the WAAM process on residual stresses in high-strength steels (IIW-Doc. II-A-408-2022)
(2022)
High-strength fine-grain structeural 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. However, 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 sensitive microstructure of high-strength steels carries a high risk of cold cracking. For this reason, process- and material-related influences, as well as the design aspects on residual stress formation and the risk of cold cracking, are being investigated in a recent project (FOSTA-P1380/IGF21162BG). This high strength of the WAAM welding consumables is adjusted via a martensitic phase transformation. The volume expansion associated with martensite formation has a significant influence on residual stress evolution. However, this has not yet been investigated in relation to the processing of high-strength steels by WAAM. The aim of this work is to establish a WAAM cold crack test and easy-to-apply processing recommendations that will allow economical, expedient, and crack-resistant fabrication of high-strength steels, especially for SME. This paper focuses on the analysis of the effects of welding heat control and design of WAAM components on cooling conditions, microstructure, mechanical-technological properties and residual stresses. For this purpose, geometrically defined specimens (hollow cuboids) are welded fully automatically with a special, high-strength WAAM solid wire (yield strength >790 MPa). The heat control and specimen dimensions are varied within a statistical experimental design. The weld heat control is adjusted in such a way that the t8/5 cooling times are ensured within the recommended processing range (approx. 5–20 s). For this purpose, additional thermo-physical forming simulations using a dilatometer allowed the complex heat cycles to be reproduced and the resulting ultimate tensile strength of the weld metal to be determined. The WAAM welding of complex geometries with varying welding heat control and geometric factors or wall thicknesses not only has an effect on the cooling conditions, cooling times and microstructure, but also has a significant influence on the structural restraint conditions during welding. Hence, the welding experiments show significant effects of specimen scaling and heat input on the welding residual stresses, which may be detrimental regarding component properties and crack-critical tensile residual stresses. These complex interactions are analyzed within this investigation.
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. However, 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 sensitive microstructure of high-strength steels carries a high risk of cold cracking. For this reason, process- and material-related influences, as well as the design aspects on residual stress formation and the risk of cold cracking, are being investigated in a recent project (FOSTA-P1380/IGF21162BG). This high strength of the WAAM welding consumables is adjusted via a martensitic phase transformation. The volume expansion associated with martensite formation has a significant influence on residual stress evolution. However, this has not yet been investigated in relation to the processing of high-strength steels by WAAM. The aim of this work is to establish a WAAM cold crack test and easy-to-apply processing recommendations that will allow economical, expedient, and crack-resistant fabrication of high-strength steels, especially for SME. This paper focuses on the analysis of the effects of welding heat control and design of WAAM components on cooling conditions, microstructure, mechanical-technological properties and residual stresses. For this purpose, geometrically defined specimens (hollow cuboids) are welded fully automatically with a special, high-strength WAAM solid wire (yield strength >790 MPa). The heat control and specimen dimensions are varied within a statistical experimental design. The weld heat control is adjusted in such a way that the t8/5 cooling times are ensured within the recommended processing range (approx. 5–20 s). For this purpose, additional thermo-physical forming simulations using a dilatometer allowed the complex heat cycles to be reproduced and the resulting ultimate tensile strength of the weld metal to be determined. The WAAM welding of complex geometries with varying welding heat control and geometric factors or wall thicknesses not only has an effect on the cooling conditions, cooling times and microstructure, but also has a significant influence on the structural restraint conditions during welding. Hence, the welding experiments show significant effects of specimen scaling and heat input on the welding residual stresses, which may be detrimental regarding component properties and crack-critical tensile residual stresses. These complex interactions are analyzed within this investigation
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich.
In einem Forschungsprojekt (FOSTA P1311) wurden Untersuchungen durchgeführt und Kenntnisse erarbeitet, um mittelfristig vor allem KMU beanspruchungsgerechte Reparaturkonzepte zur Verfügung zu stellen. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade 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.
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.
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. Darüber hinaus erfolgt die Bestimmung des Einflusses der t8/5-Abkühlzeit auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des speziellen, hochfesten WAAM-Massivdrahts mithilfe von Dilatometeranalysen. 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. Die Dilatometeranalysen zeigen für den untersuchten WAAM-Schweißzusatzwerkstoff eine großes t8/5-Zeitfenster mit einer vergleichsweise geringen Abnahme der Zugfestigkeit mit zunehmender t8/5-Abkühlzeit. 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.
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 additives 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 die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. 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.
Commercial high-strength fller metals for wire arc additive manufacturing (WAAM) are already available. However, widespread industrial use is currently limited due to a lack of quantitative knowledge and guidelines regarding welding stresses and component safety during manufacture and operation for WAAM structures. In a joint research project, the process- and material-related as well as design infuences associated with residual stress formation and the risk of cold cracking are being investigated. For this purpose, reference specimens are welded fully automated with defned dimensions and systematic variation of heat control using a special, high-strength WAAM fller metal (yield strength>790 MPa). Heat control is varied by means of heat input (200–650 kJ/m) and interlayer temperature (100–300 °C). The ∆t8/5 cooling times correspond with the recommendations of fller metal producers (approx. 5–20 s). For this purpose, additional thermo-physical forming simulations using a dilatometer allowed the complex heat cycles to be reproduced and the resulting ultimate tensile strength of the weld metal to be determined. Welding parameters and AM geometry are correlated with the resulting microstructure, hardness, and residual stress state. High heat input leads to a lower tensile stress in the component and may cause unfavorable microstructure and mechanical properties. However, a sufciently low interlayer temperature is likely to be suitable for obtaining adequate properties at a reduced tensile stress level when welding with high heat input. The component design afects heat dissipation conditions and the intensity of restraint during welding and has a signifcant infuence on the residual stress. These complex interactions are analyzed within this investigation. The aim is to provide easily applicable processing recommendations and standard specifcations for an economical, appropriate, and crack-safe WAAM of high-strength steels.