Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion wartungsbedingter Verkehrsbeeinflussungen in Tunnelbauwerken ist es von Bedeutung, die intensiven und aufwendigen Reinigungs- und Pflegearbeiten für Ein- und Anbauteile aus nichtrostendem Stahl in Straßentunneln zu reduzieren. Unter diesem Aspekt besteht großes Interesse die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle, zu den bislang gebräuchlichen nichtrostenden austenitischen Stählen 1.4404 und 1.4571, zu eruieren. In dem Forschungsprojekt geht es um die Qualifizierung nichtrostender ferritisch austenitischer Stähle (Duplexstahl) in Straßentunneln. Diese verfügen im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Korrosionsbeständigkeit. In dieser Präsentation werden die Auslagerungsergebnisse nach 3 Jahren vorgestellt.
Aufgrund der stark korrosiven Atmosphäre in Tunnelbauwerken kommt es aufgrund von Reinigungs- und Sanierungsmaßnahmen an Ein- und Anbauteilen aus nichtrostendem Stahl häufig zu wartungsbedingten Verkehrsbeeinflussungen und Tunnelsperrungen. Bislang ist nur eine kleine Gruppe rostfreier Edelstähle für die Verwendung in Tunnelbauwerken zugelassen. Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion von Wartungsarbeiten besteht jedoch großes Interesse, die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu erhöhen. Ziel ist die Qualifizierung ferritischer-austenitischer Stähle.
Erste Untersuchungen nach 2 Jahren Auslagerung zeigten bisher vielversprechende Ergebnisse.
Duplexstähle finden in vielen industriellen Bereichen Anwendung, dies ist nicht zuletzt ihren hervorragenden Eigenschaften, wie einer guten Korrosionsbeständigkeit, einer guten Duktilität bei trotzdem hoher Festigkeit, zuzuschreiben. Diese Eigenschaften werden jedoch durch das Schweißen, vor allem das Laserstrahlschweißen, beeinträchtigt, da die hohen Abkühlraten zu erhöhten Ferritanteilen im Schweißgut führen. Mit Hilfe eines zweistufigen Prozesses, bei dem die Kanten der Fügepartner vor dem Schweißen mit nickelhaltigem Pulver beschichtet werden, soll dieses Problem für dickwandige Bleche gelöst werden.
In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Prozessparameter für den Laser-Pulver-Auftragschweiß-Prozess untersucht sowie die defektfreie Schweißung dieser beschichteten Kanten mit unterschiedlichen Prozessgasen.
Aufgrund der stark korrosiven Atmosphäre in Tunnelbauwerken kommt es aufgrund von Reinigungs- und Sanierungsmaßnahmen an Ein- und Anbauteilen aus nichtrostendem Stahl häufig zu wartungsbedingten Verkehrsbeeinflussungen und Tunnelsperrungen. Bislang ist nur eine kleine Gruppe rostfreier Edelstähle für die Verwendung in Tunnelbauwerken zugelassen. Im Sinne einer mittel- bis langfristigen Reduktion von Wartungsarbeiten besteht jedoch großes Interesse, die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu erhöhen.
Um dies zu ermöglichen, entwickelten die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), gemeinsam mit dem Landesbetrieb Straßenbau NRW, in Zusammenarbeit mit der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (ISER), mit Unterstützung des Edelstahlherstellers Outokumpu und der Wilhelm Modersohn GmbH & Co. KG ein Forschungsprojekt zur Auslagerung von nichtrostenden Duplexstählen in Straßentunnel. Im Oktober 2019 beteiligte sich der Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer in Hamburg und ermöglichte die Auslagerung im Elbtunnel auszuweiten.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
Der Duplexstahl 2205 bietet aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit und der hohen erreichbaren Festigkeitswerte bei guter Duktilität, zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Jedoch wurde beim Schweißen von Duplexstählen eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Austenit- und Ferritanteil hin zu höheren Ferritgehalten und damit negativen mechanischen und Korrosionseigenschaften beobachtet. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, werden häufig spezielle Schweißzusätze mit höheren Nickelanteilen genutzt, welche bei dickwandigen Strukturen jedoch nicht über die gesamte Schweißnahttiefe nachgewiesen werden können. Dies führt zu unterschiedlichen Eigenschaften und einer höheren Korrosionsanfälligkeit im Wurzelbereich.
Eine Möglichkeit die gleichmäßige Verteilung von Legierungselementen innerhalb der Naht zu gewährleisten, bietet die Erzeugung von Pufferschichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). In diesem Zusammenhang wurden Duplexpulver mit unterschiedlichen Nickelgehalten und verschiedene LPA-Prozessparameter untersucht, die eine ebene Schichtbildung mit verringerten Ferritgehalten ermöglichen. In einem zweiten Schritt konnte nachgewiesen werden, dass das Laserstrahlschweißen der beschichteten Kanten bei üblichen Prozessparametern möglich ist und zu fehlerfreien Schweißnähten mit ausgeglichenem austenitisch- ferritischem Gefüge führt. Der Einfluss unterschiedlicher Schutzgase und verschiedener Nickelgehalte auf die Gefügestruktur wurde für die Beschichtungen und Laserstrahlschweißungen mit Hilfe von Schliffbildern und Electron Backscatter Diffraction (EBSD) ausgewertet, wobei gezeigt werden konnte, dass bei ausreichend hohem Nickelgehalt ein feinkörniges Gefüge sowohl in der Pufferschicht als auch der Schweißnaht vorliegt. Die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte wurde durch Korrosionsuntersuchungen überprüft.
Because of its excellent corrosion resistance, a high tensile strength together with a high ductility, duplex stainless steel 2205 offers many areas of application in the chemical and the offshore industry, to name just two. Though welding, especially laser beam welding accompanied by high cooling rates, duplex steels tend to perform higher ferrite contents in weld metal upon cooling down from melting temperature as the base metal. This trend leads to a reduction of the ductility as well as the corrosion resistance of the weld joint. To overcome this problem a solution, based on buffering the plate edges by laser metal deposition with material containing higher Ni concentrations prior to the laser welding was suggested. This method offers more benefits in comparison to conventional usage of higher Ni-alloyed filler wire due to the better control over Ni-distribution in the weld seam, resulting in balanced austenite- ferrite ratio everywhere in the weld metal.
In this context different mixtures of duplex and nickel powder were investigated as well as different process parameters, that enable a smooth surface structure with slightly reduced ferrite contents. In a second step the possibility of welding those edges defect free with standard parameters while achieving balanced austenite- ferrite ratio was verified with metallographic analysis of the microstructure, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and impact testing according to Charpy. The improved corrosion resistance of the welds in comparison to unbuffered ones was observed with the ASTM G48 standard test method.
Because of its excellent corrosion resistance, high tensile strength and high ductility, duplex stainless steel 2205 offers many areas of application. Though laser beam welding accompanied by high cooling rates, duplex steels tend to perform higher ferrite contents in weld metal as the base metal, which leads to a reduction of ductility and corrosion resistance of the weld joint. To overcome this problem, a solution, based on buttering the plate edges by laser metal deposition (LMD) with material containing higher Ni concentrations prior to laser welding was suggested.
In this context different process parameters for LMD and different mixtures of duplex and nickel powder, were investigated. In a second step the possibility of welding those edges defect free while achieving balanced austenite-ferrite ratio was verified with metallographic analysis, Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and impact testing according to Charpy. The improved corrosion resistance was observed with ASTM G48 standard test method.
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber
The interaction of hydrogen with various tungsten-inert-gas-welded austenitic stainless steels’ (AUSS) microstructure is studied by means of desorption/absorption analysis and microstructure observations. One of the limitations of welding is created by the presence of hydrogen in the weld, which can shorten the steel’s service life. The local hydrogen concentration, trapping, and its distribution along the welded samples were studied by thermal desorption spectrometry and were supported by X-ray diffraction (XRD) and electronic microstructural observations. Hydrogen content demonstrated a dependence on the welding zone. It was found that hydrogen distribution, and accepted microstructure during welding, played a significant role in the trapping mechanism of 316L AUSS. XRD analysis revealed residual stresses which were caused due to the presence of hydrogen in c-phase. It was shown that the austenite microconstituents inside 316L can have a crucial effect in preventing hydrogen-assisted cracking phenomenon. The effects of AUSS microstructure on hydrogen absorption and desorption behavior are discussed in detail.