Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Determination of residual stress evolution during repair welding of high-strength steel components
(2021)
The sustainable and resource-efficient production of wind energy plants requires the use of modern high-strength fine-grain structural steels. This applies to both foundation and erection structures. During the assembly of steel structures, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area. In most cases, the economical solution would be local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to the high shrinkage restraint of the joint groove in the overall structure, the superposition of design and welding-induced residual stress can lead to crack formation and ultimately to component failure, particularly in interaction with the degradation of the microstructure and mechanical properties high-strength steels during the repair process.
In this context, component-related investigations of S500MLO and S960QL (FOSTA-P1311/IGF-Nr. 20162 N) focusing on welding residual stress evolution during local thermal gouging and rewelding. In this study, repair welding of S500MLO is carried out using in-situ digital image correlation (DIC) and ex-situ X-ray diffraction methods (XRD) to analyse strains and stresses. Therefore, self-restrained specimens were systematically gouged and rewelded with defined welding heat control (heat input, working temperature) and parameters. By means of structural mechanics calculations, geometries of self-restrained specimens were identified, that represent defined rigidity conditions of repair welds of real components. It could be shown that with increasing restraint intensity significantly higher residual stresses occur in the weld metal and heat affected zone. Furthermore, it revealed that the 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 local residual stresses after cooling to RT longitudinal and transverse to the weld direction showed a good comparability with global DIC analyses.
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 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.
Cobalt chromium alloys are often used in turbine and plant construction. This is based on their high thermal and mechanical stress resistance as well as their high wear resistance to corrosive and abrasive loads. However, cobalt is a cost-intensive material that is difficult to machine. Moreover, increasingly complex structures and the optimisation of resource efficiency also require additive manufacturing steps for the production or repair of components in many sectors. Concerning inhomogeneity
and anisotropy of the microstructure and properties as well as manufacturing-related stresses, a lot of knowledge is still necessary for the economic use of additive welding processes in SMEs. As a result of the high stresses on the components and requirements for a high surface quality, a complementary use of additive and machining manufacturing processes is necessary. Thereby, Co–Cr alloys are extremely challenging for machining with geometrically defined cutting edges because of their low thermal conductivity combined with high strength and toughness. An approach to solve this problem is to refine and homogenise the microstructure. This is achieved by modifying the alloy with elements zirconium and hafnium, which are added up to a maximum of 1 wt.-%. A reduction of the process forces and stresses on the tool and work piece surface is also achievable via hybrid milling processes. There are already studies on the combined use of additive and machining manufacturing processes based on laser technology. However, knowledge based on powder and wire-based arc processes is
important, as these processes are more widespread. Furthermore, the effects on the surface zone of additively manufactured components by hybrid finish milling have not yet been a subject of research. The results show that the structural morphology could be significantly influenced with the addition of zirconium and hafnium.
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.
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.
Für Komponenten im Turbinen- oder Anlagenbau werden aufgrund ihrer Eigenschaften häufig Kobalt-Chrom-Legierungen verwendet. Diese weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hohen Verschleißwiederstand auf. Aufgrund der komplexen Strukturen und dem Bestreben nach Ressourceneffizienz wird zur Herstellung der Komponenten die additive Fertigung verwendet. Hierbei sind hinsichtlich der Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und deren Eigenschaften weitere Kenntnisse notwendig. Bei den vorliegenden Belastungen liegt ein erhöhter Anspruch an die Oberflächenintegrität vor, welcher durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten sichergestellt wird. Dabei sind gerade Co-Cr-Legierungen wegen der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ausgehend von dieser Problemstellung erfolgt im Zuge eines Gemeinschaftsvorhabens des ISAF in Kooperation mit der BAM eine gezielte Beeinflussung des Gefüges. Ziel des Projektes ist die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefügemorphologie und den Zerspanungseigenschaften von Co- Cr-Legierungen für die additive Fertigung mittels PTA darzustellen. Der Fokus liegt auf dem Beheben der bestehenden Nachteile bei gleichzeitigem Aufrechthalten der besonderen Eigenschaften der Legierung. Durch das Hinzulegieren von variierenden Gehalten von Zirkonium und Hafnium wird die Gefügeveränderung eingestellt. Es hat sich gezeigt, dass Hafnium als zusätzliches Legierungselement einen deutlichen Einfluss auf die Gefügemorphologie hat. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Legierungsmodifikation auf die Härte und die Zerspanbarkeit dargestellt.
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.
Experimentelle Charakterisierung der WIG-Schweißeignung einer Hoch- und Mittelentropie-Legierung
(2021)
Hoch- und Mittelentropie-Legierungen (engl. High/Medium Entropy Alloys–HEA/MEA) sind relativ neue Werkstoffklassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen bestehen HEA aus fünf bzw. MEA aus drei oder vier Legierungselementen im äquiatomaren Gleichgewicht. Um diese als reale Bauteile in die Anwendung zu überführen, muss die Verarbeitbarkeit ausführlich erforscht werden. In dieser Präsentation werden dafür erste Ergebnisse der schweißtechnischen Verarbeitung mittels WIG-Schweißen dargestellt. Dazu wurden zunächst die Schweißparameter mit einer Referenzlegierung (Ni-Basislegierung: 2.4858) bestimmt und auf eine CoCrFeMnNi-HEA sowie eine CoCrNi-MEA übertragen.
Polychromatic and wavelength-selective neutron transmission radiography were applied during bead-on-plate welding on 5 mm thick sheets on the face side of martensitic low transformation temperature (LTT) steel plates using gas tungsten arc welding (GTAW). The in situ visualization of austenitization upon welding and subsequent α’-martensite formation during cooling could be achieved with a temporal resolution of 2 s for monochromatic imaging using a single neutron wavelength and of 0.5 s for polychromatic imaging using the full spectrum of the beam (white beam).
The spatial resolution achieved in the experiments was approximately 200 µm. The transmitted monochromatic neutron beam intensity at a wavelength of λ = 0.395 nm was significantly reduced during cooling below the martensitic start temperature M s since the emerging martensitic phase has a ~10% higher attenuation coefficient than the austenitic phase. Neutron imaging was significantly influenced by coherent neutron scattering caused by the thermal motion of the crystal lattice (Debye–Waller factor), resulting in a reduction in the neutron transmission by approx. 15% for monochromatic and by approx. 4% for polychromatic imaging.
The largest percentage of component life under fatigue loading conditions is spent in the short crack regime and in the initial phase of long cracks. The use of Fracture Mechanics in the characterization of fatigue crack growth rate curves has proven to be a useful and adequate tool in the prediction of fatigue lifetimes as long as certain conditions are satisfied. All the above implies the need for a methodical and accurate procedure of assessment of the material response in order to achieve a reliable prediction of lifetime in components under safe conditions, based on the damage tolerance approach. It also highlights the need to analyse the response of increasingly reduced thicknesses, which, as time goes by, show greater differences with respect to those commonly studied and defined in standards and design guidelines, as well as to the experimental studies that can be found in the literature at present. Some examples of thin-walled components are turbine blades or certain additively manufactured parts where, additionally, variations in material properties can occur locally and should also be examined.
Sample functions, i.e., stochastic process realizations, are used to define cumulative damage phenomena which end into an observable terminal state or failure. The complexity inherent to such phenomena justifies the use of phenomenological models associated with the evolution of a physical magnitude feasible to be monitored during the test. Sample functions representing the damage evolution may be identified, once normalized to the interval [0,1], with cumulative distribution functions (cdfs), generally, of the generalized extreme value (GEV) family. Though usually only a fraction of the whole damage evolution, according to the specific problem handled, is available from the test record, the phenomenological models proposed allow the whole damage process to be recovered. In this way, down- and upwards extrapolations of the whole damage process beyond the scope of the experimental program are provided as a fundamental tool for failure prediction in the practical design. The proposed methodology is detailed and its utility and generality confirmed by its successive application to representative well-known problems in fatigue and fracture characterization. The excellent fittings, the physical interpretation of the model parameters and the good expectations to achieve a complete probabilistic analysis of these phenomena justify the interest of the proposed phenomenological approach with possible applications to other cumulative damage processes.
Se presenta una guía completa del procedimiento experimental para la determinación del valor umbral ΔKth intrínseco y caracterización de curvas FCGR sobre el acero de alta resistencia S960QL empleando probetas de pequeña escala. El análisis se realiza comparando probetas SENB de diferentes geometrías, distinguiendo entre “convencionales” y “miniatura”. Las primeras con espesor (B) de 6 mm y anchura (W) de 19, y las segundas con B = 3 y dos valores distintos de W, 4 y 6 mm. A fin de identificar el valor umbral ΔKth intrínseco, la relación de cargas (R) aplicada en todos los ensayos fue 0,8. La técnica de caída de potencial (DCPD) se utilizó para la monitorización del tamaño de grieta a lo largo de los ensayos.
La evaluación de los resultados experimentales confirma la equiparación de resultados entre las distintas geometrías y configuraciones de ensayo practicadas, así como la viabilidad de emplear probetas de pequeña escala en la determinación del valor umbral ΔKth intrínseco. Esto abre nuevas perspectivas en lo relativo al empleo de probetas de reducidas dimensiones en la caracterización de materiales a fatiga. A su vez, permite ofrecer una serie de recomendaciones para reproducir con éxito ensayos semejantes utilizando probetas de pequeñas dimensiones de acero y otros materiales metálicos.
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.
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 Zerspanungsprüftechik.
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.
Eisenaluminide eignen sich als Werkstoff für sicherheitsrelevante Komponenten welche hohen thermischen, mechanischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt sind. Mit ihrer geringen Dichte und der kostengünstigen Verfügbarkeit der Legierungsbestandteile bieten sie ein hohes Marktpotenzial und eignen sich als Substitutionswerkstoff konventioneller Hochtemperaturwerkstoffe. Durch die Verwendung von Dauerformen im Kokillenguss lassen sich FeAl-Bauteile bereits äußerst wirtschaftlich herstellen. Das dabei entstehende komplexe, mehrphasige, sehr feinkörnige Gefüge mit harten Ausscheidungen und hohen Festigkeiten erschwert jedoch eine nachfolgende spanende Bearbeitung mit hohen Belastungen auf Werkzeug und Bauteiloberfläche. Um eine gesamtheitlich wirtschaftliche Herstellungsroute zu ermöglichen, sollen im Hinblick auf die erschwerte Zerspanbarkeit geeignete Werkzeuge und Fräsprozesse entwickelt werden. Durch die Verwendung des hybriden Bearbeitungsverfahrens des ultraschallunterstützten Fräsens können diese Ziele unter Einhaltung der hohen Anforderung an die Oberflächenintegrität sicherheitsrelevanter Bauteile erreicht werden.
Laser powder bed fusion (LPBF) is an additive manufacturing process for materials which inherently tends to yield various degrees of metastable hierarchical microstructures, defects and high residual stresses in the as-built condition depending on the process parameters. The understanding of the evolution of these typical features during heat treatment and subsequent thermal and mechanical ageing is crucial for the wider acceptance for safety critical structures. A multi-disciplinary research project at BAM studying the development of the microstructure, defects, residual stresses typical of LPBF 316L and their evolution during thermal and mechanical ageing has led to insights into the stability of these inherent features. This presentation aims to give a broad overview of the project with a few specific cases of investigation. Firstly, the formation of residual stresses, the nature of the initial microstructure, the tensile properties and a modelling approach to understand the anisotropy will be presented. This will be followed by examples of studies of their evolution during heat treatment, long term thermal exposure, and room temperature and high temperature mechanical testing compared to a baseline of conventional wrought variant of the same alloy.
Additive manufacturing (AM) technologies are experiencing an exceedingly rapid growth, driven by their potential through layer wise deposition for transformational improvements of engineering design, leading to efficiency and performance improvements. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is an Additive Manufacturing (AM) method which permits the fabrication of complex structures that cannot otherwise be produced via conventional subtractive manufacturing methods. Nevertheless, the rapid cooling rates associated with this process results in the formation of significant and complex residual stress (RS) fields. A large body of both experimental and simulation research has been dedicated in recent years to the control and mitigation of RS in AM. In order to validate simulations with the end goal of being able to model the residual stress state in AM components and to devise strategies for their reduction during manufacturing, experimental methods need to be able to accurately determine 3D residual stresses fields in complex geometries. Several destructive and non-destructive methods can be used to analyze the RS state, the choice of which depends on the geometry and the information required. Diffraction-based methods using penetrating neutron and synchrotron X-rays at large scale facilities offer the possibility to non-destructively spatially resolve both surface and bulk residual stresses in complex components and track their changes following applied thermal or mechanical loads. This presentation will overview the success stories of using large scale facilities by the BAM for the characterization of residual stresses in additively manufactured metallic alloys. In particular, the study of the influence of process parameters on the residual stress state and the relaxation of these stresses through heat treatment will be presented. However there remains challenges to overcome particularly of the hypotheses underlying the experimental determination of residual stresses, which will be discussed.
Metal Additive manufacturing (AM) technologies such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) enable the fabrication of complex structures, giving rise to potential improvements in component and manufacturing efficiency. However, the processes are typically characterized by the generation of high magnitude residual stress (RS) which can have detrimental consequences for subsequent applications. Therefore, the characterization of these RS fields and the understanding of their formation and mitigation through optimized processing is crucial for the wider uptake of the technology. Due to the potential complex nature and high value of components manufactured by LPBF, it is important to have suitable characterisation methods which can determine the spatial variations of RS in a non-destructive manner. Neutron diffraction is considered to be the best suited for these requirements. However, the microstructures developed in the complex thermal cycles experience in the production can pose challenges to the ND method for RS analysis. The BAM has conducted significant research over the past years to overcome these obstacles, enabling higher confidence in the RS determined in LPBF materials by neutron diffraction. This contribution will overview some of these advancements made recently at European neutron sources including on Stress-Spec at FRM2/MLZ.
The laser powder bed fusion of 316L leads to the formation of large residual stress. In this presentation, different stress relieve treatments were employed to assess their potential to relax the residual stress. The residual stress was determined by X-ray and neutron diffraction. The results give insights on the range of relaxation one can obtain by employing low and high temperature heat treatments and relates the relaxation to changes in the microstructure.
Die Vortrag gibt einen Überblick, warum Kaltrissprüfung von geschweißten Stählen ständig weiterentwickelt werden muss. Am Beispiel des Implant- und Tekken-Tests werden die Einsatz- u. Anwendungsgrenzen bewertet. Zu berücksichtigen ist, dass beim Schweißen eine äußere mechan. Beanspruchung durch bauteilspezifische Steifigkeitsverhältnisse wirksam ist. Zusätzlich werden weiterführende Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und -diffusion in Schweißnähten vorgestellt, wie die Trägergasheißextraktion (TGHE) für die Ermittlung der Wasserstoffkonzentration (ISO 3690) oder Hochtemperaturdiffusionskoeffizienten. Diese Werte sind für die schweißtechnische Praxis von großer Bedeutung, um Haltezeiten z.B. für das Wasserstoffarmglühen abzuleiten.
Wasserstoff kann eine Rissbildung u.U. auch noch nach Tagen in der Schweißnaht bewirken. Dabei stellen höherfeste Stähle etablierte Kaltrissprüftests vor Herausforderungen. Generell nimmt die zur Rissvermeidung tolerierbare Wasserstoffkonzentration mit zunehmender Festigkeit der Werkstoffe ab. Zudem verändern weiterentwickelte Schweißverfahren die Nahtgeometrie und Wärmeeinbringung und die Ausbildung risskritischer Mikrostrukturen (z.B. Wärmeeinflusszone). Am Beispiel des Implant- und Tekken-Tests werden die Einsatz- u. Anwendungsgrenzen bewertet. Zu berücksichtigen ist, dass beim Schweißen eine äußere mechan. Beanspruchung durch bauteilspezifische Steifigkeitsverhältnisse wirksam ist. Zusätzlich werden weiterführende Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und -diffusion in Schweißnähten vorgestellt, wie die Trägergasheißextraktion (TGHE) für die Ermittlung der Wasserstoffkonzentration (ISO 3690) oder Hochtemperaturdiffusionskoeffizienten.
Diese Werte sind für die schweißtechnische Praxis von großer Bedeutung, um Haltezeiten z.B. für das Wasserstoffarmglühen abzuleiten.
Duplex steels are high-alloyed, stainless steels. They offer some physical advantages over other stainless steels due to the balanced phase ratio of austenite and ferrite. During welding processes, when welding fumes and vaporized material condensates, different chemical elements can accumulate on the surface of the solidified weld. Then, the formation of a protective chromium oxide layer is no longer guaranteed and pitting corrosion can occur at these places. Previous work has shown that the accumulation of manganese and chromium on the surface of the heat-affected zone of the welded high-grade steel 304L can be measured by LIBS.
We present the results of the optimization of LIBS parameters for precise thickness measurements of such thin films and for depth profile measurements Therefore, we used galvanically coated copper samples with known film thicknesses. The Concentration of manganese is reduced in the weld metal. This has a high impact on the metallografic structure of the material.
Erstellung von Tiefenprofilen auf Schweißnähten mittels Laserinduzierter plasmaspektroskopie (LIPS)
(2021)
Duplexstähle sind hochlegierte, nichtrostende Stähle. Sie bieten aufgrund des ausgewogenen Phasenverhältnisses von Austenit und Ferrit einige physikalische Vorteile gegenüber anderen nichtrostenden Stählen. Beim Schweißen können sich durch die Kondensation von Schweißrauch und verdampftem Material verschiedene chemische Elemente auf der Oberfläche der erstarrten Schweißnaht anreichern. Dann ist die Bildung einer schützenden Chromoxidschicht nicht mehr gewährleistet und es kann an diesen Stellen zu Lochfraß kommen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die Anreicherung von Mangan und Chrom an der Oberfläche der Wärmeeinflusszone des geschweißten Edelstahls 304L mit LIBS gemessen werden kann. Wir stellen die Ergebnisse der Optimierung der LIBS-Parameter für präzise Dickenmessungen solcher dünnen Schichten und für Tiefenprofilmessungen vor. Dazu haben wir galvanisch beschichtete Kupferproben mit bekannten Schichtdicken verwendet. Die Mangankonzentration im Schweißgut ist reduziert. Dies hat einen großen Einfluss auf die metallografische Struktur des Materials.
Laser-based additive manufacturing methods allow the production of complex metal structures within a single manufacturing step. However, the localized heat input and the layer-wise manufacturing manner give rise to large thermal gradients. Therefore, large internal stress (IS) during the process (and consequently residual stress (RS) at the end of production) is generated within the parts. This IS or RS can either lead to distortion or cracking during fabrication or in-service part failure, respectively. With this in view, the knowledge on the magnitude and spatial distribution of RS is important to develop strategies for its mitigation. Specifically, diffraction-based methods allow the spatial resolved determination of RS in a non-destructive fashion. In this review, common diffraction-based methods to determine RS in laser-based additive manufactured parts are presented. In fact, the unique microstructures and textures associated to laser-based additive manufacturing processes pose metrological challenges. Based on the literature review, it is recommended to (a) use mechanically relaxed samples measured in several orientations as appropriate strain-free lattice spacing, instead of powder, (b) consider that an appropriate grain-interaction model to calculate diffraction-elastic constants is both material- and texture-dependent and may differ from the conventionally manufactured variant. Further metrological challenges are critically reviewed and future demands in this research field are discussed.
Al-Si alloys produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) techniques allow the fabrication of lightweight free-shape components. Due to the high cooling rates occurring during the building process, L-PBF AlSi10Mg alloys exhibit an ultra-fine microstructure that leads to superior mechanical properties in the as-built condition compared to conventional cast Al-Si materials. Nevertheless, L-PBF processing induces high thermal gradients, leading to deleterious residual stress. In order to relax detrimental residual stress and to increase the ductility, post-processing stress relief treatments are performed. The objective of the contribution is to investigate, under different heat treatment condition, the evolution of microstructure and residual stresses in view of optimizing the fatigue performance of the alloy. To this purpose various heat treatments in a range of temperatures between 265°C and 300°C for a duration between 15 minutes and 2 hours are performed.
In order to find a resource efficient approach for the fatigue lifetime prediction of laser powder bed fusion (L-PBF) processed AlSi10Mg material, results of tensile and fatigue tests were compared. The specimens were manufactured with three different L-PBF machines and studied in different heat treatment conditions (as-built, annealed, T6 heat treated). The investigations showed that the high attainable tensile strength properties after the manufacturing process are not beneficial in the high cycle fatigue (HCF) regime. In contrast, the applied heat treatments, which lead typically to a decrease of ultimate tensile strength, improved dramatically the fatigue behavior. Additionally, a clear correlation between the elongation at fracture and HCF resistance has been found for individual heat treatment conditions. This empiric relationship provides an estimation of the fatigue resistance in the presence of material defects and can be implemented in part and process approvals.
Polychromatic and wavelength-selective neutron transmission radiography were applied during bead-on-plate welding on 5 mm thick sheets on the face side of martensitic low transformation temperature (LTT) steel plates using gas tungsten arc welding (GTAW). The in situ visualization of austenitization upon welding and subsequent α’-martensite formation during cooling could be achieved with a temporal resolution of 2 s for monochromatic imaging using a single neutron wavelength and of 0.5 s for polychromatic imaging using the full spectrum of the beam (white beam). The spatial resolution achieved in the experiments was approximately 200 µm. The transmitted monochromatic neutron beam intensity at a wavelength of λ = 0.395 nm was significantly reduced during cooling below the martensitic start temperature Ms since the emerging martensitic phase has a ~10% higher attenuation coefficient than the austenitic phase. Neutron imaging was significantly influenced by coherent neutron scattering caused by the thermal motion of the crystal lattice (Debye–Waller factor), resulting in a reduction in the neutron transmission by approx. 15% for monochromatic and by approx. 4% for polychromatic imaging.
The damage tolerance approach is widely used in the design and estimation of inspection intervals of safety-relevant metallic components subject to fatigue loading. The approach relies on the knowledge of the fatigue crack propagation characteristics, wherein a relevant role is played by the fatigue crack propagation threshold. Nevertheless, the use of material data determined by testing on conventional specimens is not straightforward in case of thin-walled components such as turbine-blades or additively manufactured parts, in which the local variation of material properties in highly stressed regions must be considered. In these cases, the possibility of investigating the fatigue crack propagation properties on a limited portion of material is crucial. For this purpose, a new test methodology has been developed for small-scale specimens which allows the determination of the intrinsic fatigue crack propagation threshold and the near-threshold regime. The use of small-scale specimens poses a challenge to the applicability of the method to metallic materials, especially regarding the
limitations on material strength and requirements for the application of the linear elastic fracture mechanics concepts. These aspects are discussed in this work. Furthermore, the application on the high strength steel S960QL is presented, along with a comparison with data determined by conventional testing.
Additively Manufactured (AM) parts are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-propertiesperformance relationship. This work aims at providing a characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. A set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. The L-PBF material shows a higher fatigue limit and better finite life performance compared to the wrought material, accompanied by an extensive amount of cyclic softening.
The Kitagawa-Takahashi (KT) diagram is a proven concept for describing the fatigue limit in presence of a defect or crack. It can be determined empirically with great experimental effort. It can also be estimated by means of the El Haddad relationship if the endurance limit and the long fatigue crack propagation threshold are available in reasonable accuracy. A third option is the determination using the cyclic R-curve, which describes the dependency of the fatigue crack propagation threshold on the crack growth at the short crack propagation stage. This can be experimentally determined using a closure-free initial pre-crack. It can then be applied to the determination of crack arrest for a given applied load and a given defect or crack size. Compared to the other two methods mentioned above, this option has considerable advantages: It can be applied to any component and any stress ratio. It allows the treatment of multiple cracks and provides estimations of the S-N curve in the finite life regime as well as at the endurance limit. Compared to the empirical determination of the KT diagram, the experimental effort is significantly lower and compared to the El Haddad approach it avoids problems such as the use of non-conservative long fatigue crack propagation thresholds (when the conventional load reduction method is applied to materials prone to corrosion) and the mathematical predetermination of the curve shape. The work introduces the method and provides a critical discussion as well as quantitative comparison between the different methods.
The effect of the environmental conditions on the threshold against fatigue crack propagation
(2021)
The threshold against fatigue crack propagation (ΔKth) is a crucial parameter for the damage tolerance assessment of engineering components subjected to cyclic loading and it is composed by two distinct components, one intrinsic, dependent on the elastic material properties and the lattice type, and one extrinsic, related to the occurrence of crack closure effects. An important issue is that several factors can influence ΔKth and, in general, the fatigue crack propagation behavior. In this work, the influence of the experimental procedure, air humidity and test parameters on da/dN-ΔK data has been investigated. Results are discussed with their potential causes and consequences on the calculations of the residual lifetime.
Die Ergebnisse von in-situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) werden vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und Diffraktionsspektren und radiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei in-situ die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt.
Experimentelle Charakterisierung der WIG-Schweißeignung einer Hoch- und Mediumentropie-Legierung
(2021)
Equiatomic multi-element systems with defined entropy are a relatively new mate-rial concept for alloy production. These alloys consist of at least five elements in equiatomic distribution in the case of high entropy alloys (HEA) and three to four elements in equiatomic distribution in the case of medium entropy alloys (MEA). Previous studies on these alloys have focused primarily on their production, micro-structure and the resulting material properties. Meanwhile, the focus here is on the processing of the alloys and their influence on future applications. Up to now, there has been insufficient knowledge of the materials and processes involved in weld-ing.
In this work, therefore, the weldability of a CoCrFeMnNi-HEA and a CoCrNi-MEA by means of a TIG welding process was investigated as a basic system. To this end, the welding parameters were first determined on a reference alloy (Ni-based: 2.4858) and transferred to the welding of the CoCrFeMnNi-HEA and CoCrNi-MEA. Weldability was assessed by testing the absence of defects and microstructures obtained. The weld metal exhibited the dendritic microstructure typical of TIG, with microsegregations forming as interdendritic phases. Increased hardness was de-tected in the weld metal compared to the base metal. In the heat-affected zone, there was little grain growth and, in both alloys, the formation of hot cracks after welding. The cause of the cracks was to be found in the specimen preparation, which had an influence on the subsequent processing. After elimination of this in-fluence, no welding process-related imperfections were found in the CoCrFeMnNi-HEA and CoCrNi-MEA.
In summary, both materials show good fusion weldability by TIG welding. The re-sults of this work thus contribute to the understanding of the weldability of HEA and in particular for CoCrNi-MEA, which was considered in this depth for the first time.
Experimentelle Charakterisierung der WIG-Schweißeignung einer Hoch- und Mediumentropie-Legierung
(2021)
Equiatomic multi-element systems with defined entropy are a relatively new mate-rial concept for alloy production. These alloys consist of at least five elements in equiatomic distribution in the case of high entropy alloys (HEA) and three to four elements in equiatomic distribution in the case of medium entropy alloys (MEA). Previous studies on these alloys have focused primarily on their production, micro-structure and the resulting material properties. Meanwhile, the focus here is on the processing of the alloys and their influence on future applications. Up to now, there has been insufficient knowledge of the materials and processes involved in weld-ing.
In this work, therefore, the weldability of a CoCrFeMnNi-HEA and a CoCrNi-MEA by means of a TIG welding process was investigated as a basic system. To this end, the welding parameters were first determined on a reference alloy (Ni-based: 2.4858) and transferred to the welding of the CoCrFeMnNi-HEA and CoCrNi-MEA. Weldability was assessed by testing the absence of defects and microstructures obtained. The weld metal exhibited the dendritic microstructure typical of TIG, with microsegregations forming as interdendritic phases. Increased hardness was de-tected in the weld metal compared to the base metal. In the heat-affected zone, there was little grain growth and, in both alloys, the formation of hot cracks after welding. The cause of the cracks was to be found in the specimen preparation, which had an influence on the subsequent processing. After elimination of this in-fluence, no welding process-related imperfections were found in the CoCrFeMnNi-HEA and CoCrNi-MEA.
In summary, both materials show good fusion weldability by TIG welding. The re-sults of this work thus contribute to the understanding of the weldability of HEA and in particular for CoCrNi-MEA, which was considered in this depth for the first time.
Das DVS-Vorhaben 01.3211 „Herstellung beanspruchungsgerechter Oberflächen durch Kombination innovativer additiver und abtragender Fertigungsschritte an hochbelasteten Komponenten“ ist ein Kooperationsprojekt der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der Technischen Universität Clausthal. Das Übergeordnete Projektziel ist das Erlangen von Erkenntnissen für eine sichere und wirtschaftliche, kombinierte additive und abtragende Fertigung aus kostenintensiven Werkstoffen hochbelasteter Komponenten insbesondere für KMU. Dabei stehe die beiden Werkstoffe CoCr26Ni9Mo5W (2.4681) und FeNi36 (1.3912) im Fokus. Mittels Modifikation der Schweißzusätze sind homogen und isotrop ausgeprägte Werkstoffeigenschaften und eine Erhöhung der Prozessstabilität und Fertigungsfreiheitsgrade bei der additiven Fertigung erzielbar. Darüber hinaus wird der Einfluss nachfolgender abtragender Bearbeitungsschritte des ultraschallunterstützen und des konventionellen Fräsprozesses untersucht. Im Laufe der Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses (PbA) wurde der aktuelle Bearbeitungsstand sowie der Zeitplan vorgestellt. Darüber hinaus wurde mit dem PbA über die bereits erzielten Ergebnisse diskutiert. Abschließend wurde ein kurzer Ausblick über die zeitnah beginnenden Arbeiten beider Forschungseinrichtungen sowie ein Überblick über die vorhabenbezogenen Aufwendungen der Wirtschaft und des Ergebnistransfers in die Wirtschaft gegeben.
The sustainable and resource-efficient production of wind energy plants requires the use of modern high-strength fine-grain structural steels. This applies to both foundation and erection structures. During the assembly of steel structures, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area. In most cases, the economical solution would be local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to the high shrinkage restraint of the joint groove in the overall structure, the superposition of design and welding-induced residual stress can lead to crack formation and ultimately to component failure, particularly in interaction with the degradation of the microstructure and mechanical properties high-strength steels during the repair process.
In this context, component-related investigations (FOSTA-P1311/IGF-Nr. 20162 N) focusing on welding residual stress evolution during local thermal gouging and rewelding of S500MLO and S960QL are carried out using in-situ digital image correlation (DIC) and ex-situ X-ray diffraction methods (XRD). Therefore, self-restrained specimens were systematically gouged and rewelded with defined welding heat control (heat input, working temperature) and parameters. By means of structural mechanics calculations, geometries of self-restrained specimens were identified, that represent defined rigidity conditions of repair welds of real components. It could be shown that with increasing restraint intensity significantly higher residual stresses occur in the weld metal and heat affected zone. Furthermore, it revealed that the 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 local residual stresses after cooling to RT longitudinal and transverse to the weld direction showed a good comparability with global DIC analyses.
Das DVS-Vorhaben 01.3211 „Herstellung beanspruchungsgerechter Oberflächen durch Kombination innovativer additiver und abtragender Fertigungsschritte an hochbelasteten Komponenten“ ist ein Kooperationsprojekt der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der Technischen Universität Clausthal. Das Übergeordnete Projektziel ist das Erlangen von Erkenntnissen für eine sichere und wirtschaftliche, kombinierte additive und abtragende Fertigung aus kostenintensiven Werkstoffen hochbelasteter Komponenten insbesondere für KMU. Dabei stehe die beiden Werkstoffe CoCr26Ni9Mo5W (2.4681) und FeNi36 (1.3912) im Fokus. Mittels Modifikation der Schweißzusätze sind homogen und isotrop ausgeprägte Werkstoffeigenschaften und eine Erhöhung der Prozessstabilität und Fertigungsfreiheitsgrade bei der additiven Fertigung erzielbar. Darüber hinaus wird der Einfluss nachfolgender abtragender Bearbeitungsschritte des ultraschallunterstützen und des konventionellen Fräsprozesses untersucht. Die mit dem Forschungsvorhaben verbundenen Nutzen für KMU sind die Stärkung der Innovationsfähigkeit und der Wirtschaftlichkeit sowie die Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit. In AP-1 wurden Zerspanversuche am FeNi- und CoCr-Ausgangswerkstoff durchgeführt. Ziel der Versuche war in erster Linie die Identifikation geeigneter Fräswerkzeuge und -parameter. In AP-2 wurden die Legierungsmodifikationen des CoCr-Ausgangswerkstoffes durchgeführt und die Mikrostruktur sowie die Härte analysiert. In AP-4 wurden erste Zerspanversuche in Abhängigkeit der Legierungsmodifikation der CoCr-Legierung durchgeführt.
Nickel-iron-alloy modification to enhance additively welded microstructure for subsequent milling
(2021)
The aerospace industry uses nickel-iron-alloys to create moulding tools for composite materials because of the low coefficient of thermal expansion. These tools have a large-sized and complex structure, making them cost-intensive and difficult to manufacture. Therefore, the focus is set on additive manufacturing, which can additionally enable the repair of components in order to eliminate local defects. However, the process usually results in a heterogeneous microstructure and anisotropic mechanical properties. As there is a high demand for a precise and exact fit of the precision moulds and thus the surface quality, the welded components must be subsequently machined. Nickel-iron alloys are difficult to machine and an inhomogeneous microstructure also leads to unstable cutting forces.
Consequently, a refinement and homogenisation of the microstructure morphology is achieved through specific alloy modifications in order to stabilise and improve the subsequent machining process. Studies on the refinement of FeNi 36 based on vacuum arc melting furnaces are used as a starting point. Therefore, titanium and niobium are chosen as modification elements with a maximum 1 % weight percent and are added to nickel-iron base alloy. The elements are alloyed and build-up welded by using plasma-transferred-arc welding. The resulting microstructure morphology of the welded wall structure and the machining properties are then determined. Furthermore, the influence on the coefficient of thermal expansion is investigated in connection with the modification and the welding process itself. It can be shown that even small amounts of niobium have a significant influence on the structural morphology of the welded layers during plasma-transferred-arc welding.
Rissfortschrittsdaten sind notwendig für die bruchmechanische Bewertung zyklisch beanspruchter Bauteile. Deren zuverlässige experimentelle Ermittlung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, was wiederum zur Unsicherheit bei der Restlebensdauerprognose führen kann. Der Vortrag befasst sich mit der Untersuchung der Einflussfaktoren auf die Ermittlung von Rissfortschrittsdaten. Eine Prozedur zur Berechnung der Restlebensdauer wird eingeführt, die auf rissschließfrei Rissfortschrittsdaten basiert.
Welding processes of duplex stainless steels cause an unbalanced austenite (γ)/ferrite (δ) ratio due to high cooling rates and changes in chemical composition. That causes a degradation of mechanical properties and corrosion resistance. In situ monitoring of the weld pool is to be realized with the help of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). A major advantage of this technique is the highly accurate time and spatially resolved measurement of the chemical composition during welding. Previous research has established that the LIBS method is suitable to detect chemical elements during welding and to show a distribution of selected elements. Chemical composition in the WM and HAZ can now be quantified using calibration curves generated by certified reference materials (CRM). Furthermore, a cooling rate can be plotted against the measured electron temperature.
Phase Transformation and Strain Evolution during Welding of Low Transformation Temperature Alloys
(2021)
In this work, the phase and strain formation in multipass welding of LTT gas metal arc welds were observed under realistic restraints by means of time resolved angular-dispersive synchrotron X-ray diffraction at the High Energy Materials Science beamline HEMS at PETRA III (DESY), Hamburg Germany. It was shown that the strain evolution during cooling correlates with the amount of martensite formed. Both, the strain of martensite and austenite are affected during phase transformation. Even though dilution processes limit the LTT effect in the root compared to the top layer, the strains are significantly reduced compared to the conventional weld metal. The observed effects are found for both Ni and Mn based LTT filler metals regardless of their respective Ms temperature.
Multi-element systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) are rather new material concepts that are becoming increasingly important in materials research and development. Some HEA systems show significantly improved properties or combinations of properties, e.g., the overcome of the trade-off between high strength and ductility. Thus, the synthesis, the resulting microstructures, and properties of HEA have been primarily investigated so far. In addition, processing is crucial to achieve a transfer of potential HEA/MEA materials to real applications, e.g. highly stressed components. Since fusion welding is the most important joining process for metals, it is of vital importance to investigate the weldability of these materials. However, this has rarely been the subject of research up to date. For that reason, in this work the weldability depending on the surface preparation of a CoCrFeMnNi-HEA and a CoCrNi-MEA for TIG welding is investigated. The fusion welding of longer plates is described here for the first time for the CoCrNi alloy. The welds of both materials showed distinct formation of cracks in the heat affected zone (HAZ). Optical and scanning electron microscopy analysis clearly confirmed an intergranular fracture topography. But based on the results, the crack mechanism cannot be conclusively clarified as either a liquid metal embrittlement (LME) or hot cracking like liquid film separation occurred.
This study reports on the stress relaxation potential of stress-relieving heat treatments for laser powder bed fused 316L. The residual stress is monitored non-destructively using neutron diffraction before and after the heat treatment. Moreover, the evolution of the microstructure is analysed using scanning electron microscopy. The results show, that a strong relaxation of the residual stress is obtained when applying a heat treatment temperature at 900°C. However, the loss of the cellular substructure needs to be considered when applying this heat treatment strategy.
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.
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.
This study gives an overview on the important field of joining processes for component fabrication in hydrogen technologies. For that reason, the current need and future research and developement activites are highlighted for the different technological field of hydrogen generation, storage, transport and use. In addition, the emerging field of additive manufacturing is included. Finally, some remarks are given for necessary changes in the standardization and its challenges.
Determination of fatigue crack propagation thresholds for steel in presence of environmental effects
(2021)
The experimental determination of the resistance to fatigue crack propagation in steel, particularly in the socalled near-threshold regime, is a crucial issue for safety-relevant components which are designed to operate for a large number of loading cycles before undergoing periodic inspections. This work summarizes the most relevant results of extensive experimental campaigns conducted at BAM and IPM over the last years, which have been devoted to the determination of fatigue crack propagation characteristics on medium and high strength steels. The influence of environment, oxide-induced crack closure and test methodologies in the near-threshold regime are discussed.
Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie – Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven –
(2021)
Die Studie gibt einen Überblick über die Aspekte der Fügetechnik und ihrer Bedeutung in Wasserstofftechnologien. Dazu werden die Grundlagen der Technologiefelder Wasserstofferzeugung, -speicherung, -transport und -nutzung vorgestellt und der Stand der Technik der fügetechnischen Fertigung von Komponenten in Wasserstofftechnologien zusammengefasst. Dabei werden nicht nur exklusiv Metalle betrachtet. Anhand repräsentativer Beispiele aus der Praxis, Forschung und Entwicklung wird die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien klar herausgestellt und mögliche Perspektiven für die Zukunft abgeleitet. Hier ist ersichtlich, dass Fügetechnologien wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien haben, von der Erzeugung bis zur Anwendung. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht umfassen die Schwerpunkte bzw. Trends der Fügetechnik dabei: die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie die sichere Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstoffanwendung wird die effiziente massentaugliche Produktion von Brennstoffzellen immer wichtiger. Es ist zudem klar ersichtlich, dass die additive Fertigung bereits jetzt ein hohes Potential für Komponenten von Wasserstofftechnologien besitzen und dieses wachsen wird. Aus den perspektivischen Anwendungen ergeben sich zudem Herausforderungen und Forschungsbedarfe für die notwendigen nationalen und internationalen Regelwerke und technischen Normen. Schwerpunktmäßig sind hierbei die bereits bestehenden Empfehlungen und kodifizierten Regeln vollständig zu adaptieren und in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal einzubetten.