Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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In vielen Anwendungen werden aufgrund zunehmender Anforderungen an den Widerstand gegenüber hohen, kombinierten mechanischen, tribologischen, thermischen und korrosiven Beanspruchungen Hochleistungslegierungen eingesetzt. Den vielfach komplexen Bauteilstrukturen, herausfordernden Fertigungseigenschaften und der Erhöhung der Ressourceneffizienz lässt sich heute mit der additiven Fertigung (AM) begegnen, dem oftmals noch unzureichende Kenntnisse über die resultierende Homogenität und Anisotropie der speziellen Gefüge und den damit verbundenen Eigenschaften entgegensteht. Viele Anwendungen benötigen zudem definierte Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenintegrität, dem durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten Rechnung getragen wird. Hochleistungslegierungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind infolge der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ein Vorhaben (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF befasst sich mit der Lösung dieser Problemstellung durch gezielte Beeinflussung des Gefüges mittels Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe und den Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US), bei gleichzeitiger Sicherstellung der geforderten Eigenschaften der untersuchten Werkstoffe. Im vorliegenden Beitrag werden für die beiden untersuchten FeNi- und CoCr-Legierungen wesentliche Zusammenhänge zwischen verschiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefügemorphologie und den Zerspanungseigenschaften von mittels PTA additiv gefertigter Proben dargestellt. Hierbei ließen sich Ti, Zr und Hf pulvermetallurgisch zu den jeweiligen Ausgangsschweißzusätzen hinzulegieren.
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.
Komponenten aus dickwandigen, hochwarmfesten CrMoV-Stählen erfordern eine anspruchsvolle UP-Schweißverarbeitung. Dabei muss die notwendige Wärmenachbehandlung der Schweißnaht (PWHT) sicher beherrscht werden.
Hier kann u.U. Bauteilversagen infolge von Spannungsrelaxationsrissbildung (SRR) auftreten. Bislang erfolgt die Beurteilung der SRR-Neigung primär über Ersatzgrößen, wie temperaturbedingte Änderung der Härte und Duktilität.
Die Wirkung der konstruktiven Schrumpfbehinderung einer Schweißnaht auf die SRR ist bislang völlig unbekannt.
Hier setzt das Forschungsprojekt an, hinsichtlich der Gewinnung und Optimierung der Parameter für die PWHT unter realitätsnahen Bauteilsteif igkeiten (def inierte Einspannbedingung) mit dem Ziel der SRR-Vermeidung. Am Beispiel des niedriglegierten, hochwarmfesten Stahls 13CrMoV9-10 wurden UP- Schweißungen unter industriepraktischen Bedingungen freischrumpfend bzw. unter definierter Schrumpfbehinderung durchgeführt. Diese wurden mit unterschiedlichen PWHT-Szenarien (Variation der Auf heizrate und Endtemperatur) beaufschlagt. Die Ergebnisse des Projektes DVS 01.2261 / IGF 20171 N werden in diesem Beitrag vorgestellt, wie Aussagen zur SRR-Suszeptibilität in Abhängigkeit von Mikrostruktur und vorliegender mehrachsiger mechanischer Beanspruchung der Schweißnaht vor/während des PWHT. Für einen kritischen Zustand sind hohe Kräfte / Spannungen notwendig, die in freischrumpfenden Schweißversuchen u.U. nicht abbildbar sind. Die Berücksichtigung des mikrostrukturspezifischen Ausscheidungsverhaltens (in Schweißgut und Wärmeeinflusszone) unter realitätsnahen Einspannbedingungen ist für die Bewertung einer SRR-Suszeptibilität notwendig. Instrumentierte Schweißversuche unter definierter Schrumpfbehinderung ermöglichen hier das Monitoring der entstehenden Reaktionskräfte, -momente bzw. -spannungen. Ausgehend von diesem Referenzzustand erfolgte die Applikation der PWHT-Szenarien bzw. deren praktische Überprüfung. Zusätzlich wurde eine Ersatzprüfmethodik entwickelt, die die Betrachtung der mikrostrukturspezifischen SRR-Suszeptibilität unter Beibehaltung der äußeren Schrumpfbehinderung der Schweißnaht während des PWHT ermöglicht. Hierdurch wird die Bauteilübertragbarkeit ermöglicht und eine Transfergröße geschaffen, welche die Bauteilbewertung hinsichtlich der SRR-Neigung umfasst.
Druckbehälter mit großen Wandstärken (250+ mm) aus hochwarmfesten, niedriglegierten Stählen werden hauptsächlich Mehrdraht-Unterpulver-(UP) geschweißt. Der damit verbundene hohe Energieeintrag führt unter anderem zu hohen lokalen Schweißeigenspannungen, welche bei unsachgemäßer Prozessführung der notwendigen Wärmenachbehandlung (PWHT) zu Spannungsrelaxationsrissen (SRR) führen. In den Bewertungskriterien zur Spannungsrelaxationsrissanfälligkeit finden weder die, mit klassischen, freischrumpfenden Schweißversuchen nicht abbildbaren, erhöhten Eigenspannungen aus der Schrumpfbehinderung der Bauteilsteifigkeit Beachtung, noch die damit einhergehenden metallurgischen Effekte wie bspw. das Ausscheidungswachstum während der PWHT und damit einhergehende Härteunterschiede an den Korngrenzen bzw. die vorzeitige Alterung durch Bildung differenter Sonderkarbide. Die Aufheizrate des PWHT als Einflussfaktor für die SRR-Bildung bleibt derzeit ebenfalls unbeachtet.
Daher wurde eine Versuchsmethodik entwickelt, die eine mögliche SRR-Anfälligkeit durch die Kopplung von thermischer und mechanischer Beanspruchung untersucht. Dazu wurden Proben mit unterschiedlichen Gefügen thermisch simuliert und während des PHWT repräsentativ mit sehr hohen Lasten/Eigenspannungen mechanisch beansprucht.
Dazu wurde an Kleinzugproben für das as-welded UP-Schweißgut und die thermisch simulierte GKZ eines 13CrMoV9-10 die Dehnung des Prüfbereichs bei variablen Querspannungen und Aufheizraten gemessen. Diese aufheizraten- und gefügeabhängige Längenänderung der Probe wurde durch mathematische Prozeduren analysiert. Damit war es möglich, singuläre werkstoffliche Effekte auf μm-Ebene (Ausscheidungswachstum) als summarische Längen- bzw. Volumenänderung per klassischer Kurvendiskussion zu beschreiben. Die erste und zweite Ableitung zeigten eine ausscheidungsabhängige Härtezunahme, welche von der Spannung und Aufheizrate im geringen Maß linear abhängig war. Gleichzeitig sind Volumenänderungen bei Bildung und Wachstum differenter Sonderkarbide bekannt, welche zusammen mit gefügespezifischen Untersuchungen und der neuen Versuchsmethodik zu einer verbesserten Beurteilung der SRR-Anfälligkeit von geschweißten CrMoV-Stählen beitragen sollen. Prinzipiell ist die vorgestellte Methodik jedoch werkstoff- und zustandsoffen, d.h. sowohl für Grundwerkstoff e als auch definierte Wärmebehandlungsbedingungen geeignet. Dies ermöglicht erstmals die Schaffung einer Transfergröße zwischen Labor und realen Schweißungen, unter Beibehaltung der Bauteilsteifigkeit, d.h. vereinfachte, aber realistische Eigenspannungsabbildung als Grundlage für weitergehende gefügespezifische metallurgische Effekte während des PWHT.
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.
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.