Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Welded joints show large variation of the weld toe geometry along the weld seam, which is one important reason for the comparably large scatter in fatigue life. Therefore, it is crucial to take the local geometry at the weld toe into account, to reduce the conservatism in fatigue assessment of welded joints. This study is based on the IBESS procedure for the calculation of the fatigue strength, whereby the evaluation of local geometrical parameters is carried out by means of 3D surface scans. The approach is validated against 26 fatigue test series. The fatigue life is in general overpredicted, whereas good agreement is achieved for high stress ratio (R = 0.5). A sensitivity analysis conducted with IBESS shows that weld toe radii ρ < 2 mm and flank angle α < 30° have a significant influence on the calculated fatigue strength. In contrast to this, no strong correlation between ρ and the fatigue strength was determined experimentally in this study.
Die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur schadenstoleranten Bauteilauslegung ist für zyklische Lasten im Bereich der Paris-Geraden Stand der Technik. Technisch relevant sind jedoch häufig geringere Lasten im Schwellenwertbereich der d𝑎/d𝑁-Δ𝐾-Kurve. Aufgrund des großen Einflusses von Rissschließeffekten ist dessen Bestimmung jedoch nicht nur aufwändig, sondern auch potenziell fehlerbehaftet. Die Bauteilauslegung erfolgt zweckmäßigerweise auf der Basis effektiver, d. h. rissschließkorrigierter Rissfortschrittsdaten. Von großer Bedeutung ist auch der intrinsische Schwellenwert, unterhalb dessen keine Risserweiterung mehr eintritt. In diesem Forschungsprojekt erfolgte eine Untersuchung des Einflusses verschiedener Prüfverfahren und Umgebungsbedingungen auf die Ermittlung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung Δ𝐾th. Es wurden statistisch abgesicherte Empfehlungen zur experimentellen Ermittlung des intrinsischen Schwellenwerts Δ𝐾th,eff abgeleitet. Dieser dient auch als Eingangsparameter einer weiterentwickelten Prozedur zur Bauteilauslegung auf der Basis bei einem Lastverhältnis von 𝑅 ≈ 0,8 ermittelter, effektiver, Rissfortschrittsdaten. Es zeigte sich, dass die bei einem Lastverhältnis von 𝑅 ≈ 0,8 in Laborluft bei höherer Prüffrequenzen (≥90 Hz) ermittelten Schwellenwerte eine konservative Abschätzung des intrinsischen Schwellenwerts erlaubten. Bei Lastverhältnissen 𝑅 ≪ 0,8 wurde ein teilweise stark ausgeprägter Einfluss extrinsischer Effekte auf das Rissfortschrittsverhalten festgestellt. Eine Untersuchung der Bruchflächen ergab Oxidschichtdicken in der Größenordnung mehrerer hundert Nanometer. Bei Reduktion der Prüffrequenz auf ≈55 Hz und Prüfung in feuchter Luft (60 % r.F. und 80 % r.F.) konnte auch bei 𝑅 = 0,8 Rissschließen beobachtet werden. Die weiterentwickelte Prozedur zur Bauteilauslegung auf Basis effektiver Rissfortschrittsdaten lieferte aber stets konservative Ergebnisse in einem tolerierbaren Fehlerbereich und ist deshalb zur Anwendung geeignet. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einer robusten Bauteilauslegung auf bruchmechanischer Basis bei. Der stark reduzierte Versuchsumfang bei Nutzung effektiver Rissfortschrittsdaten gegenüber der Ermittlung von spannungsverhältnisabhängigen Rissfortschrittskurven beschleunigt und vereinfacht die Bauteilauslegung auf Basis bruchmechanischer Methoden.
Die additive Fertigung (AM) durch schweißtechnische Verfahren eröffnet vielfach ökonomische Vorteile für eine ressourceneffiziente Bauteilherstellung. Gerade hinsichtlich der Homogenität und Anisotropie der resultierenden Schweißgefüge und den damit verbundenen Eigenschaften gibt es noch offene Fragestellungen. Die Einstellung der finalen Bauteilgeometrie und Oberflächengüte erfordert den komplementären Einsatz abtragender Fertigungsschritte. Hochleistungslegierungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit schwer spanbar. Eine gezielte Gefügebeeinflussung mittels Modifikation der AM-Schweißzusatzwerkstoffe und der Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US) bietet das Potential insgesamt die Zerspanungssituation zu verbessern. Dieser Lösungsansatz unter Gewährleistung des Erhalts der geforderten Werkstoff- bzw. Bauteileigenschaften ist Untersuchungsgegenstand eines Gemeinschaftsvorhabens (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF. Der vorliegende Beitrag stellt Ergebnisse für die beiden untersuchten FeNi- und CoCr-Legierungen sowie wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierungsmodifikation, entstehender Gefügemorphologie und Zerspanungseigenschaften der mittels MAG additiv gefertigter Proben vor. Das größte Potential für die Modifikation zeigten Zr und Hf. Die Zulegierung in das Schweißgut erfolgte durch Beschichtung von Massivdrähten sowie durch Herstellung von Fülldrähten.
Die additive Fertigung (AM) durch schweißtechnische Verfahren eröffnet vielfach ökonomische Vorteile für eine ressour-ceneffiziente Bauteilherstellung. Gerade hinsichtlich der Homogenität und Anisotropie der resultierenden Schweißgefüge und den damit verbundenen Eigenschaften gibt es noch offene Fragestellungen. Die Einstellung der finalen Bauteilgeo-metrie und Oberflächengüte erfordert den komplementären Einsatz abtragender Fertigungsschritte. Hochleistungslegie-rungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit schwer spanbar. Eine gezielte Gefügebeeinflussung mittels Modifikation der AM-Schweißzusatz-werkstoffe und der Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US) bietet das Potential insgesamt die Zerspanungssi-tuation zu verbessern. Dieser Lösungsansatz unter Gewährleistung des Erhalts der geforderten Werkstoff- bzw. Bauteileigenschaften ist Untersuchungsgegenstand eines Gemeinschaftsvorhabens (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF. Der vorliegende Beitrag stellt Ergebnisse für die beiden untersuchten FeNi- und CoCr-Legierungen sowie wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierungsmodifikation, entstehender Gefügemorphologie und Zerspanungseigenschaften der mittels MAG additiv gefertigter Proben vor. Das größte Potential für die Modifikation zeigten Zr und Hf. Die Zulegierung in das Schweißgut erfolgte durch Beschichtung von Massivdrähten sowie durch Her-stellung von Fülldrähten.
Fatigue tests were performed on the forged aluminum alloy EN AW-2618A in the T61 state. Different stress ratios (R = -1, R = 0.1) were selected to study the influence of mean stress on fatigue life. Two overaged states (10 h/230 ◦C, 1000 h/230 ◦C) were also tested to investigate the influence of overaging on fatigue life. Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize the precipitates (S-phase), which are mainly responsible for the strength of the alloy. A fractographic analysis was also performed to determine the failure mode. Overaging reduces the fatigue life compared to the T61 state. The longer the aging time, the lower the fatigue resistance. The reason is the decrease in (yield) strength, which correlates with the radius of the S-phase: the precipitate radius increases by a factor of approximately two for the overaged states compared to the initial state. The analysis of the fracture surfaces showed crack initiation occurs predominantly on the outer surface and is
associated with the primary phases.
Multielement-Legierungen (MPEA - Multiple Principal Element Alloys), gemeinhin und partiell fälschlicherweise auch als Hochentropielegierungen bezeichnet) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei Legierungselementen mit jeweils 5 bis 35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich dieses Legierungskonzept fundamental von konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Nickellegierungen. Hierzu werden die Legierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Das Ziel ist dabei, hochinnovative MPEA mit individuell einstellbaren Eigenschaften für die industrielle Anwendung zu identifizieren. Dabei werden insbesondere Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität bei konventionellen Stählen, überwunden. Insbesondere die hohe mechanische Festigkeit bei höchster Korrosionsbeständigkeit sind bei bestimmten Legierungssystemen von hohem Interesse. Hier kann u.a. die Substitution klassischer hochlegierter Stähle oder Ni-Basislegierungen perspektivisch erfolgen. In den letzten 20 Jahren lag der Fokus jedoch auf der reinen Materialsynthese. Mit der Zunahme verfügbarer Werkstoffquantitäten, stehen Verarbeitungsfragen, wie werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren jetzt im Mittelpunkt. Der Schweißeignung von MPEA wurde bisher nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Erfahrungen zu Mischverbindungen
(DMWs - Dissimilar Metal Welds) fehlen dabei vollständig, sind jedoch essenziell für die Anwendung dieser Werkstoffe in Verbindung mit konventionellen Werkstoffen. Die vorliegende Studie präsentiert erstmals im deutschen Sprachraum, die umfassenden experimentellen Ergebnisse zur Schweißeignung von MPEA-Mischverbindungen und der resultierenden Mikrostruktur. Dazu wurden zwei äquiatomare MPEAs in Form einer Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 (Hochentropie-) und Co33.3Cr33.3Ni33.3 (Mediumentropielegierung) mittels WIG und Rührreibschweißen mit einem konventionellen, korrosionsbeständigem Cr-Ni-Stahl AISI 304 (1.4301 bzw. X5CrNi18-10) gefügt. Die erstmals untersuchten DMWs resultierten dabei in sehr interessanten Mikrostrukturen, mechanisch-technologische Eigenschaften wurden durch instrumentierte Zugversuche gewonnen, die gleichzeitig der Ermittlung der lokalen Verformung im Schweißnahtbereich dienten (durch Verwendung der berührungslosen DIC-Digital Image Correlation-Technik). Dabei zeigt sich für beide Schweißverfahren eine Erweichung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der MPEAs sowie eine geringfügig verminderte Zugfestigkeit, bei einer deutlichen Abnahme der Bruchdehnung. Durch die Experimente konnte der prinzipielle Nachweis der Schweißeignung der MPEAs für DMWs mit konventionellen Werkstoffen erbracht werden, die auch eine dementsprechende mechanische Beanspruchbarkeit ermöglichen. Dies ermöglicht weitere Betrachtungen zur Anwendung dieser innovativen Werkstoffe.
In the course of tomorrow's hydrogen-based energy transition, the construction of the corresponding infrastructure will play a central role. In that context, large diameter long-distance transmission pipelines for hydrogen will be the backbone in the European Union with service pressures from 70 to 90 bar (e.g., depending on national regulations). It is a major goal to rededicate the existing LNG infrastructure despite the necessity of new pipelines. From that point of view repairing of such transmissions pipelines via welding can be necessary. For the LNG infrastructure, it is state of the art that repair welding is conducted at pipelines under service, i.e., the LNG is still flowing as pressurized gas in the steel pipes. The reason is that a shut-down of large diameter pipelines is not so easy or sometimes impossible. In fact, as long no oxygen enters the pipeline, there would be any combustion or (in the worst case) explosion. At the moment, it is entirely open if current repair welding procedures for LNG pipelines can be transferred to pure hydrogen pipelines. In opposite to LNG, hydrogen can be way easier absorbed to the pipeline steels and diffuses through the material. If it accumulates in susceptible regions, i.e., in the welded joint, hydrogen assisted embrittlement could occur. The planned welding procedure requires a so-called preheating and maintenance of the weld joint of up to 300°C for several hours. This temperature is way higher compared to the typical service temperature of max. 40 to 50°C at operational pressures of 100 bar. In accordance to API 941, these low-alloyed pipeline steels are subjected to short-term service loads, which they are not designed for. For that reason, a collaborative project between BAM and DVGW (German Association for Gas and Water professions) was initiated in 2022 to answer the following questions by experiments and numerical simulation of: (1) How many hydrogen is additionally absorbed during the heating of the material to max. 300°C under remaining operational pressures? (2) Is the hydrogen concentration sufficient to reach a critical condition? (3) Which material and weld microstructure is the most susceptible? (4) Is there a significant difference in the repair welding behavior of LNG pipelines that had been already in use for long-term? (5) Which welding parameters and joint dimensions must be ensured for safe repair welding repair of typical pipelines? For that reason, the present study gives an overview on the current practice in repair welding of in-service pipelines, the industrial importance of this topic for the hydrogen-based energy transition and summarizes first results.
The high corrosion resistance and good mechanical properties of duplex stainless steel (DSS) are due to its special chemical composition, which is a balanced phase ratio of ferrite (α) and austenite (γ). Many industrial applications require the integration of DSS components. For this, tungsten inert gas welding (TIG) is an excellent choice, as it allows an automated operation with high reproducibility. However, when the weld pool solidifies, critical ratios of α- and γ- phases can occur, which leads to solidification cracking, increased susceptibility to corrosion, and a decrease in ductility and critical strength. Previous studies have shown that these defects can be caused by the accumulation of manganese and chromium in the heat affected zone (HAZ), and this accumulation can be detected using LIBS.
Unlike conventional LIBS analyses, which requires reference samples to generate a calibration curve, calibration-free LIBS (CF-LIBS) can determine the chemical composition solely from the emission spectrum of the plasma. Numerous publications show that CF-LIBS is a fast and efficient analytical method for quantitative analysis of metal samples.
We present the results of in situ CF-LIBS analysis during TIG DSS welding. Using a new approach, it is possible to quantitatively determine the chemical composition of the weld metal directly in the welding process. The results of the CF-LIBS analysis are compared with the results of the calibration-based PLS analysis and reasonable agreement is found. Thus, the CF-LIBS method offers the significant advantage of quickly measuring in situ the concentrations of the main alloying elements that prevent the formation of welding defects, without the tedious calibration procedure.
Im Zuge der wasserstoffbasierten Energiewirtschaft von morgen, kommt der Errichtung der dementsprechenden Infrastruktur die zentrale Rolle zu. Der überwiegende Teil bisher eingesetzter und meist geschweißter Werkstoffe, wie Stähle, kann unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung neigen. Dies umfasst die klassische verzögerte Kaltrissbildung während der Schweißverarbeitung als auch Versprödungsphänomene während des Betriebs. Für die Bewertung eines jeden Wasserstoffeffektes auf bspw. die mechanischen Eigenschaften eines geschweißten metallischen Werkstoffes, muss der Wasserstoffgehalt präzise bestimmt werden, Im Fall von Schweißnähten ist die beispielsweise nach der ISO 3690, die klassische isotherme Trägergas-Heißextraktion (TGHE). Die TGHE basiert dabei auf der beschleunigten Wasserstoffentgasung aufgrund der thermischen Aktivierung des Wasserstoffs bei erhöhten Temperaturen. Neben der reinen Quantifizierung des Wasserstoffs, kann über die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit variierten Heizraten, der Bindungszustand an mikrostrukturellen Defekten im Material festgestellt und bewertet werden. Für beide Techniken sind experimentelle und messtechnische Einflüsse zu beachten, die großen Effekt auf das Ergebnis haben. Für die TGHE schlägt die ISO 3690 schlägt beispielswiese verschiedene Probengeometrien sowie Mindestextraktionszeiten vor. Die vorliegende Studie fasst Ergebnisse und Erfahrungen zahlreicher Untersuchungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit unterschiedlichen Probentemperaturen und Geometrien (ISO 3690 Typ B und zylindrische TDA-Proben) zusammen hinsichtlich: Einfluss der Probenoberfläche (poliert/geschweißt), Messgenauigkeiten in Abhängigkeit des Probenvolumens sowie die unzureichende Überwachung des Effektes des PI-Reglers auf die Extraktionstemperatur. Insbesondere eine abweichende Extraktionstemperatur zur eingestellten Temperatur, kann die Messergebnisse wesentlich verfälschen. Basierend auf den Ergebnissen werden Methoden aufgezeigt, um schnell die gewünschte Extraktionstemperatur zu erreichen, ohne physisch in das Messequipment eingreifen zu müssen. Dies dient der wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wasserstoffmessung durch erhöhte Signalstabilität und beschleunigte Wasserstoffdesorption. Im Allgemeinen ist eine unabhängige Temperaturmessung mit Dummy-Proben für die gewählte Heizprozedur angeraten, um mögliche unerwünschte Temperatureinflüsse bereits vor der Messung auszuschließen. Die beschriebenen Methoden können ohne großen Aufwand direkt in die industrielle Anwendung überführt werden.
In the course of tomorrow's hydrogen-based energy transition, the construction of the corresponding infrastructure will play a central role. The majority of materials used to date are typically welded for component fabrication. In that context, steels are widely applied and can be prone to hydrogen embrittlement. For the evaluation of any hydrogen effect on, for example, the mechanical properties of a welded metallic material, the hydrogen content must be precisely determined. According to ISO 3690, carrier gas hot extraction (CGHE) can be used. In addition to the pure quantification of hydrogen, thermal desorption analysis (TDA) with varied heating rates can be used to determine and evaluate the bonding state at microstructural defects in the material. For both techniques, experimental and measurement influences have to be considered, which have a great effect on the result. For CGHE, for example, ISO 3690 suggests different sample geometries as well as minimum extraction times. The present study summarizes results and experiences of numerous investigations with different sample temperatures and geometries (ISO 3690 type B and cylindrical TDA samples) regarding: the influence of the sample surface (polished/welded), measurement accuracies depending on the sample volume. In particular, a deviating extraction temperature to the set temperature, can significantly falsify the measurement results. Based on the results, methods are shown to quickly reach the desired extraction temperature without having to physically interfere with the measurement equipment. This serves to substantially improve the reliability of hydrogen measurement through increased signal stability and accelerated hydrogen desorption. In general, an independent temperature measurement with dummy samples for the selected heating procedure is advisable to exclude possible unwanted temperature influences already before the measurement. In addition (and way more important), the methods described can be transferred directly to industrial applications.
Im Zuge der wasserstoffbasierten Energiewirtschaft von morgen, kommt der Errichtung der dementsprechenden Infrastruktur die zentrale Rolle zu. Der überwiegende Teil bisher eingesetzter und meist geschweißter Werkstoffe, wie Stähle, kann unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung neigen. Dies umfasst die klassische verzögerte Kaltrissbildung während der Schweißverarbeitung als auch Versprödungsphänomene während des Betriebs. Für die Bewertung eines jeden Wasserstoffeffektes auf bspw. die mechanischen Eigenschaften eines geschweißten metallischen Werkstoffes, muss der Wasserstoffgehalt präzise bestimmt werden, Im Fall von Schweißnähten ist die beispielsweise nach der ISO 3690, die klassische isotherme Trägergas-Heißextraktion (TGHE). Die TGHE basiert dabei auf der beschleunigten Wasserstoffentgasung aufgrund der thermischen Aktivierung des Wasserstoffs bei erhöhten Temperaturen. Neben der reinen Quantifizierung des Wasserstoffs, kann über die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit variierten Heizraten, der Bindungszustand an mikrostrukturellen Defekten im Material festgestellt und bewertet werden. Für beide Techniken sind experimentelle und messtechnische Einflüsse zu beachten, die großen Effekt auf das Ergebnis haben. Für die TGHE schlägt die ISO 3690 schlägt beispielswiese verschiedene Probengeometrien sowie Mindestextraktionszeiten vor. Die vorliegende Studie fasst Ergebnisse und Erfahrungen zahlreicher Untersuchungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit unterschiedlichen Probentemperaturen und Geometrien (ISO 3690 Typ B und zylindrische TDA-Proben) zusammen hinsichtlich: Einfluss der Probenoberfläche (poliert/geschweißt), Messgenauigkeiten in Abhängigkeit des Probenvolumens sowie die unzureichende Überwachung des Effektes des PI-Reglers auf die Extraktionstemperatur. Insbesondere eine abweichende Extraktionstemperatur zur eingestellten Temperatur, kann die Messergebnisse wesentlich verfälschen. Basierend auf den Ergebnissen werden Methoden aufgezeigt, um schnell die gewünschte Extraktionstemperatur zu erreichen, ohne physisch in das Messequipment eingreifen zu müssen. Dies dient der wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wasserstoffmessung durch erhöhte Signalstabilität und beschleunigte Wasserstoffdesorption. Im Allgemeinen ist eine unabhängige Temperaturmessung mit Dummy-Proben für die gewählte Heizprozedur angeraten, um mögliche unerwünschte Temperatureinflüsse bereits vor der Messung auszuschließen. Die beschriebenen Methoden können ohne großen Aufwand direkt in die industrielle Anwendung überführt werden.
Dissimilar metal TIG weld joints of multiple principal element alloys (MPEA) to austenitic steel 304
(2023)
Multi-element alloys (MPEA - Multiple Principal Element Alloys) represent a new class of materials consisting of at least three alloying elements, each with 5 to 35 atomic %. This material class includes high-entropy alloys (HEA, with n ≥ 4 elements). The underlying alloying concept differs fundamentally from conventional materials such as the Fe-based steel. For this purpose, the alloying elements are specifically selected, and the microstructures are adjusted in a single-phase and, in some cases, multi-phase manner. The aim is to identify highly innovative MPEA with individually adjustable properties for industrial applications. In the last 20 years, however, the focus has been on pure material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is on processing issues such as joining and welding processes. In that connection, the weldability of MPEAs has received very little attention so far. Experience with dissimilar metal welds (DMWs) is completely lacking but is essential for the application of these materials if joint to conventional materials. This study presents selected experimental results on the weldability of MPEA-DMWs and the resulting microstructures. For this purpose, the equiatomic CoCrFeMnNi (HEA) was investigated in cold-rolled (CR) and heat-treated (HT) condition and joined by tungsten inert gas (TIG) welding to an austenitic stainless steel 304. The DMWs showed defect-free conditions (no lack of fusion, cracks and so on), whereas the cold-rolling increases the microhardness. The global mechanical properties were obtained by instrumented tensile tests of cross-weld samples and showed sufficient yield and tensile strength comparable to that of the individual base materials (BM). The local strain conditions were determined by digital image correlation and showed the highest local strains to occur in the intermixed weld metal. Indeed, the preferred fracture location of the cross-weld tensile samples was in the weld metal. Finally, the experiments proofed the weldability of the MPEAs to conventional 304. This enables targeted further considerations for example as structural materials.
Die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle hat für viele Anwendungen des Stahlbaus ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen mit ho-her mechanischer Beanspruchbarkeit. Weitere Zugewinne an Effizienz sind durch generative Fertigungsschritte sowie bionische Bauweisen erzielbar. Hierzu stehen bereits kommerzielle hochfeste drahtförmige Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen zur Verfügung. Dem Einsatz stehen noch fehlende quantitative Aussagen zu den fertigungsbedingten Beanspruchungen und der Bauteilsicherheit während Herstellung und Betrieb im Wege. Dies betrifft insbesondere prozess- sowie materialbedingte Einflüsse und die konstruktive Schrumpfbehinderung verbunden mit der Ausbildung hoher Zugeigenspannungen und damit zusammenhängenden Kaltrissbildung.
Hierfür wurden im Projekt detaillierte und anwenderbezogene Kenntnisse zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen Schweißprozess und Wärmeführung während der Fertigung, der metallurgischen Vorgänge und insbesondere der vorliegenden konstruktiven Einflüsse auf die entstehenden Eigenspannungen erarbeitet, um ein frühzeitiges Bauteilversagen aufgrund eines hohen fertigungsbedingten Beanspruchungsniveaus bis hin zu einer Rissbildung während der Fertigung sicher zu vermeiden. Gleichzeitig wurden die Einflüsse auf die mechanisch-technologischen Gütewerte systematisch analysiert. Zudem wurden die Auswirkungen trennender Verfahren durch Entfernen der Substratplatte sowie durch die spanende Bearbeitung der Vorformlinge zu Endbauteilgeometrien geklärt, da diese unmittelbar den Eigenspannungszustand beeinflussen und deutlichen Verzug der Bauteile auslösen.
Für das generative Schweißen konnten Verarbeitungsempfehlungen sowie Normenvorgaben erarbeitet werden. Dies hilft insbesondere KMU eine wirtschaftliche, beanspruchungsgerechte und risssichere generative Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen zu ermöglichen.
Microalloying elements, such as Nb and Ti, are essential for the targeted mechanical strength of quenched and tempered, high-strength fine-grained structural steels with a nominal yield strength ≥ 690 MPa. Current specifications for chemical composition only provide upper limits for manufacturers. But even small deviations in the alloying route can have a drastic effect on the mechanical properties. Thus, an adequate prediction of the weldability and the integrity of the welded joint becomes difficult or even impossible due to the varying composition and, hence, the microstructures. Undesirable side effects are the possible softening of the heat-affected zone (HAZ) as well as the opposite effect of hardening. Against this background, different microalloying routes with varying Ti and Nb contents are systematically investigated for the first time on specially designed lab-cast alloys. The basis of each alloy route was the common S690QL in terms of both the chemical composition as well as the heat treatment. To investigate the weldability, three-layer welds were performed using metal active gas welding (MAG) and critical microstructural areas with high softening/hardening were identified. The scope was here on the identification of phase transformations during cooling and on the respective metallurgical precipitation behavior. Isothermal and non-isothermal phase calculations were performed using Thermo-Calc® and showed that the prediction of the non-equilibrium precipitation characteristics during welding is not trivial, especially for this relatively complex chemical composition. The mechanical properties of the welded joints were identified by both Charpy tests (toughness) and tensile tests (strain and strength). During the test, the local straining behavior of the welded joints, was identified using a digital image correlation (DIC) system, see Figure 1. Despite the generally good weldability of the materials, the results show a significant influence of the microalloying route as well as the welding heat input on the different precipitation kinetics.
A new simplified and effective method has been formalised to estimate the Constant Amplitude Fatigue Limit (CAFL) of stress-relieved steel welded joints subjected to uniaxial push–pull loading and failing from the weld toe. Starting from the sharp V-notch assumption of the NSIF approach and the cyclic R-curve of the material in the heat affected zone, the proposed method identifies the CAFL as threshold level of the local stress field at the V-notched weld toe in the uncracked configuration. Such threshold stress field assures the crack arrest at the V-notched weld toe, according to the cyclic R-curve analysis. The method has been validated against experimental results and proved effective for a straightforward assessment of the CAFL of welded joints, as the stable crack propagation analysis of classical fracture mechanics approaches can be avoided.
Einfluss der Schweiß- und Prüfparameter bei der Heißrissbewertung hochfester Schweißzusatzwerkstoffe
(2023)
Die Heißrissneigung beim Schweißen kann mittels einer ganzen Reihe von Prüfverfahren ermittelt werden. Eine etablierte Methode ist die sogenannte Varestraint-Prüfung, welche auch an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als modifizierter Varestraint/Transvarestraint-Test (MVT) zum Einsatz kommt. Die Ergebnisse von Varestraint-Prüfungen hängen jedoch stets in unter-schiedlichem Maße von der individuellen Prüfmaschinenauslegung und den verwendeten Prüfparametern ab. Dies kann zu einer uneinheitlichen Bewertung des Rissverhaltens führen, wenn die Risslänge konventionell als Kriterium für die Rissneigung herangezogen wird. Scheinbare Abhängigkeiten von Prozessparametern erschweren dann die Interpretation der Ergebnisse. Eine neuartige Bewertungsmethodik entkoppelt den Maschineneinfluss vom Materialverhalten und verwendet die Dehnrate als Risskriterium.
Additive manufacturing processes offer extensive advantages for the design freedom of structures through layer-by-layer production. This enables high weight savings as well as the integration of functions such as cooling channels. This technology thus offers great potential to contribute to a sustainable future. The pioneer among these manufacturing processes is the powder bed fusion of metals with laser beams (PBF-LB/M). This process is characterised by high laser scanning speeds and highly localised heat input, which have a strong effect on the microstructure and thus also on the mechanical properties. For example, the austenitic steel 316L exhibits a cellular structure at the subgrain level. This microstructure feature leads to higher yield strengths and comparable ductility to conventionally processed 316L. In addition to the traditional applications of 316L steel in the petrochemical and nuclear industries, this enables new applications such as medical stents or bipolar plates for fuel cells with proton exchange membranes. However, the layer-by-layer production with high scanning speeds and localised heat input induces cooling rates in the order of 106 K.s-1. The large temperature gradients and the shrinkage restraints of each weld bead and layer lead to the development of complex residual stress fields. These reduce the material performance and can even lead to premature failure. Thus, the fatigue properties are severely affected by rapid crack growth or prematurely developing cracks. Furthermore, specimens may warp during PBF-LB/M or immediately when the components are separated from the build plate. Therefore, residual stress is one of the main disadvantages of PBF-LB/M, making it difficult for this technology to be more widely accepted in the industry. Based on the current state of the literature, the procedure for determining residual stress employing diffraction methods, the influence of the component geometry, as well as the inter-layertime (ILT) on residual stress and, lastly, suitable heat treatment strategies for relaxing residual stress in PBF-LB/M/316L, were identified as insufficiently researched areas.
Determining residual stress is a major challenge. X-ray and neutron diffraction are particularly suitable for filigree structures, which can preferably be produced using PBF-LB/M. Here, the microscopic strain of the lattice planes is used to calculate the macroscopic residual stress. These methods are nondestructive and allow the spatial resolution of the bi-axial and tri-axial residual stress. In the present work, in-situ neutron diffraction tensile tests were performed to analyse the micromechanical behaviour of PBF-LB/M/316L. The suitability of the lattice planes for calculating the macroscopic residual stress was investigated. The (311) lattice plane was found to be the best option for determining the macroscopic residual stress in PBF-LB/M/316L. Furthermore, it was shown that the Kröner model can be used to calculate the X-ray diffraction constants despite the texture. Currently, both aspects are common practices in the determination of residual stress. The results presented here support the validity of this approach and increase the confidence in the experimentally determined residual stress, which has a positive effect on the assessment of quality concerning the safety of a component manufactured by PBF-LB/M.
The geometry of a structure manufactured by PBF-LB/M determines the component stiffness and influences the thermal gradients during manufacture and ultimately the residual stress. The effect of smaller or larger dimensions (larger than 10 mm) on the residual stress is rarely considered. To investigate this aspect, representative test specimens with different thicknesses and lengths were produced. Hence, the influence of the geometry i.e., component stiffness on the residual stress was evaluated. The residual stress was determined using X-ray and neutron diffraction. The analysis of the residual stress showed that an increase in thickness leads to overall higher residual stress. In addition, it was shown that increasing the sample dimension leads to smaller residual stress gradients. Above a threshold value of a few millimetres, no significant change in the residual stress was observed.
The ILT is inherent in every PBF-LB/M construction job and influences the thermal gradients during production and thus the residual stress. A change in wall thickness in a geometrically complex structure or a variation in the number of specimens in the construction process leads directly to a change in the ILT. To simulate this, specimens with different ILT were produced. The residual stress was determined by X-ray and neutron diffraction. The use of a short ILT resulted in higher surface residual stress, but lower volume residual stress. Here, the surface residual stress and the residual stress in the volume showed contrary behaviour. This was attributed to the complex heat conduction during the process, as shown by the thermographic measurements.
To avoid distortion of the specimens or real components upon separation from the build plate or during post-processing steps, stress relief annealing is usually performed after the PBF-LB/M process. Based on standards for heat treatment of welded austenitic steels, heat treatments were performed at low (450 °C for four hours) and high (800 °C and 900 °C for one hour) temperatures. The results show that the heat treatment at 450 °C relaxed the residual stress by only 5 %. This low relaxation is due to the stability of the cell structures. The high-temperature heat treatment showed that 900 °C is required to dissolve the cell structure and achieve a relaxation of about 85 %. This result is in good agreement with the standards for stress relief annealing of welded austenitic steels.
The contribution describes a newly developed software tool for crack identification and selection in Modified Varestraint Transvarestraint (MVT) testing. From the digital crack information, in addition to the classical results, such as Total Crack Length (TCL) and Maximum Crack Length (MCL), advanced evaluations can be applied, taking into account the loading and welding parameters. A numerical parameter study is conducted to demonstrate how the isolated variation of individual welding and loading parameters, affects the crack lengths that can potentially be expected based on the machine specifics. An alternative crack criterion is presented that evaluates the crack formation in relation to the machine behavior. Some examples demonstrate the possibilities and limitations of the approach. The criterion can be used to compare and transfer the results of different varestraint test variants.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicate the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam / layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled with 22 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simu-lated the effect of a high restraint, to stimulate critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of 48 h after welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
Multiple principal element alloys (MPEA) encompass the well-known high entropy alloys (HEAs). MPEA/HEA represent a new class of materials consisting of at least three alloying elements, each containing 5 to 35 at.-%. This alloying concept thus differs fundamentally from conventional materials such as steel or nickel alloys. For this purpose, the alloying elements are specifically selected, and the microstructures are adjusted in a single-phase and, in some cases, multi-phase manner. In particular, conflicting goals, such as the trade-off between strength and ductility in conventional steels, are overcome. In the last 20 years, however, the focus has been on material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is now on pro-cessing issues such as joining and welding processes. The weldability of MPEA has received very little atten-tion so far. Experience with dissimilar metal welds (DMWs) is completely lacking but is essential for the appli-cation of these materials in combination with conventional materials. The present study presents, comprehen-sive experimental results on the weldability of MPEA-DMWs. For that purpose, a Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 HEA in cold-rolled and heat-treated condition was joined by means of tungsten inert gas welding (TIG) with the austenitic Cr-Ni steel AISI 304. The DMWs resulted in interesting mechanical properties. They were obtained by instrumented tensile tests as well as the local deformation in the weld area by using digital image correlation (DIC) technique. A significant softening in the heat-affected zone (HAZ) of the MPEAs as well as a slightly reduced tensile strength with a significant decrease of the elongation at fracture were found. The experiments provided proof in principle of the weldability of the MPEAs for DMWs with conventional materials that ensure a corresponding capability for mechanical loading. This allows further considerations on the application of these innovative materials.
This contribution briefly summarizes the standardization activities in accordance with the "Nationale Roadmap Wasserstofftechnologien" and presents selected results on the activities in Germany with scope on hydrogen transport in pipelines. The talk was given during a panel discussion to set-up a steering committee for standardization for hydrogen pipelines and welding , coordinated by the International Institute of Welding.
In the course of tomorrow's hydrogen-based energy transition, the construction of the corresponding infrastructure will play a central role. In that context, large diameter long-distance transmission pipelines for hydrogen will be the backbone in the European Union with service pressures from 70 to 90 bar (e.g., de-pending on national regulations). It is a major goal to repurposing the existing natural gas (NG) infrastructure despite the necessity of new pipelines. From that point of view repair welding or further welding of branch pipe etc. can be necessary during in-service, i.e., permanent flow of pressurized hydrogen. The reason is that a shut-down of large diameter pipelines is not easy or sometimes merely impossible. At the moment, it is entirely open if current repair welding procedures for NG pipe-lines can be transferred to pure hydrogen pipelines. For that reason, a collaborative project between BAM, DVGW (German Association for Gas and Water Professions) and a large number of gas grid operators, pipeline manufacturers and construction companies was initiated in 2023 to answer questions on: (1) How many hydrogen is additionally absorbed during the preheating and maintaining at interpass temperature under remaining operational pressures? (2) Is the hydrogen concentration sufficient to reach a critical condition? (3)Which material and weld microstructure are the most susceptible? (4) Is there a difference in the repair welding behavior of NG pipelines with materials in “used” condition? (5) Which welding parameters and joint dimensions must be ensured for safe repair welding? The final aim of this project is the publication of a recommended practice for repair welding of in-service hydrogen pipelines. For that reason, the present study gives an overview on: (A) current practice in repair welding of in-service pipelines and (b) plans for hydrogen pipelines and first results of international research projects.
The role of defects in the fatigue strength of Wire Arc Additively Manufactured (WAAMed) Ti-6Al-4V is analysed by means of the IBESS model, a fracture mechanics short crack growth approach based on the cyclic R-curve. Pores and crack-like defects are analysed. Estimations of the role of pore shape and size agree well with published fatigue data of WAAM Ti-6Al-4V with pores. The model is also used to explain the effect of fabrication defects on the scatter of experimental data. This demonstrates that short crack growth models represent a suitable engineering tool for the fatigue assessment of defective AM materials.
Der Stahlbedarf in Deutschland wird maßgeblich neben dem Automobilsektor vom Maschinenbau und allgemeinen Bauwesen geprägt. In diesen Segmenten werden qualitativ hochwertige Stähle mit höchsten Ansprüchen an Festigkeit, Verformungsfähigkeit, schweißtechnische Verarbeitung und sicherheitsrelevante Aspekte gestellt. Wichtige Vertreter, welche diesen Ansprüchen gerecht werden, sind die heutigen modernen höherfesten FKB. Aus der Entwicklung dieser Stähle kristallisierten sich in den letzten Jahrzehnten verschiedene Legierungskonzepte und Herstellungsrouten heraus. Dem liegt neben essentiellen Eigenschaften, z.B. Streck- und Zugfestigkeit, noch weitere Anforderungen, bspw. Kaltumformbarkeit, Kerbschlagzähigkeit und Verschleißfestigkeit, zugrunde. Zunehmend werden im genormten Bereich mit Streckgrenzen bis 700 MPa neben den vergüteten Stählen (Q) auch thermomechanische Stähle (M) eingesetzt. Ein immerwährender paralleler Begleiter während der Stahlherstellung und -verarbeitung ist Wasserstoff.
Wasserstoff wird in den nächsten Jahren als Schlüsselelement für eine nachhaltige Energiewirtschaft angesehen. Aus heutiger Sicht ist Wasserstoff ein Hoffnungsträger für eine klimafreundliche Energiewirtschaft und zukunftsfähige Industrie. Forschung und Industrie arbeiten intensiv an der Erschließung und Weiterentwicklung des enormen Potentials, um eine höhere Nutzbarkeit zu erreichen. Die Gründe liegen zum einen darin, dass Wasserstoff als Brennstoff unproblematisch (Umweltverträglichkeit und Verfügbarkeit) ist und zum anderen ein hervorragender Energieträger ist.
Wasserstoff ist durch seine gebundene Form erst nach dem Lösen aus chemischen Verbindungen zugänglich. Dies geschieht für eine Nutzbarmachung in einer zukunftsfähigen Energiewirtschaft gezielt. Demgegenüber stehen Prozesse, wodurch Wasserstoff aus seiner chemischen Verbindung gelöst wird und aufgrund seiner Größe bzw. geringsten Atommasse von Werkstoffen aufgenommen wird. Damit verbunden interagiert der aufgenommene Wasserstoff mit dem Gefüge und kann zu einer negativen Beeinflussung der Eigenschaften des Werkstoffs führen.
Wasserstoff kann Degradationsprozesse in Stählen verursachen, die sich insbesondere auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. Diese Mechanismen können wasserstoffunterstützte Risse in höherfesten Stählen während der Herstellung oder im industriellen Einsatz verursachen.
Elektrochemisch beladene Zugproben zeigen ein unterschiedliches Degradationsverhalten in ihren Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und Gitterdefekten in unterschiedlichen mikrolegierten Systemen und wärmebeeinflussten Zonen in den schweißbaren Feinkornbaustählen. Die Ergebnisse zeigen eine klare Abhängigkeit zwischen Mikrolegierung und Herstellungsprozess dieser Stahlsorten, respektive ihrer simulierten wärmebeeinflussten Bereiche.
Die Kombination aus hoher Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften von Duplexstählen (DSS) ist auf ihre chemische Zusammensetzung und das ausgewogene Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ) zurückzuführen.
Viele industrielle Anwendungen erfordern eine stoffschlüssige Verbindung von DSS. Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) ist relativ einfach zu handhaben, benötigt nur wenig Platz und ermöglicht ein automatisiertes Schweißen, mit sehr hoher Reproduzierbarkeit und ist daher hervorragend zum Schweißen von DSS.
Während der Erstarrung dieser Dualphasenstähle kann es zu kritischen Phasenverhältnissen von α und γ kommen, was zu Erstarrungsrissen, Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten führt. Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erhalten, muss daher die α/γ-Verteilung zuverlässig vorhergesagt werden. Dies geschieht in der Regel mit Hilfe des WRC1992-Diagramms. Die Vorhersagegenauigkeit des Ferritgehalts in diesem Diagramm ist jedoch meist nicht genau genug und muss daher optimiert werden. Daher ist es notwendig, selbst kleinste Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts idealerweise während des Schweißens zu überwachen. Dies wird in diesen Experimenten mit Hilfe der laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) durchgeführt. Ein großer Vorteil dieser Technik ist die hochgenaue zeit- und ortsaufgelöste Messung der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens. In vorherigen Arbeiten wurde bereits die chemische Zusammensetzung im Schweißgut und der WEZ quantifiziert. In der präsentierten Untersuchung wird der Einfluss einzelner Elemente, wie Nb und Cu, auf das resultierende Schweißmikrogefüge untersucht.
Although layer-based additive manufacturing methods such as laser powder bed fusion (PBF-LB) offer an immense geometrical freedom in design, they are typically subject to a build-up of internal stress (i.e. thermal stress) during manufacturing. As a consequence, significant residual stress (RS) is retained in the final part as a footprint of these internal stresses. Furthermore, localized melting and solidification inherently induce columnar-type grain growth accompanied by crystallographic texture. Although diffraction-based methods are commonly used to determine the RS distribution in PBF-LB parts, such features pose metrological challenges in their application. In theory, preferred grain orientation invalidates the hypothesis of isotropic material behavior underlying the common methods to determine RS. In this work, more refined methods are employed to determine RS in PBF-LB/M/IN718 prisms, based on crystallographic texture data. In fact, the employment of direction-dependent elastic constants (i.e. stress factors) for the calculation of RS results in insignificant differences from conventional approaches based on the hypothesis of isotropic mechanical properties. It can be concluded that this result is directly linked to the fact that the {311} lattice planes typically used for RS analysis in nickel-based alloys have high multiplicity and less strong texture intensities compared with other lattice planes. It is also found that the length of the laser scan vectors determines the surface RS distribution in prisms prior to their removal from the baseplate. On removal from the baseplate the surface RS considerably relaxes and/or redistributes; a combination of the geometry and the scanning strategy dictates the sub-surface RS distribution.
The microstructure has a great influence on short fatigue crack growth in metallic materials. Laser-based Powder Bed Fusion AlSi10Mg alloys exhibit in the as-built condition a fine fibrous Si structure and a supersaturated solid solution of Si in the α-Al matrix, which is significantly modified by heat treatments starting already at temperatures under 260 °C. This study focuses on the influence of post-process heat treatments on the microstructural evolution and the resulting fatigue crack growth resistance. As compared to the as-built condition, two heat treatments at 265 °C/1 h and at 300 °C/2 h are found to be beneficial to the fatigue crack growth resistance of the investigated material.
One of the main advantages of metal additive manufacturing (MAM) techniques is their ability to produce components with site-specific microstructural features. Nevertheless, microstructural defects and lack of repeatability are still major concerns in MAM. In this study, a laser powder bed fusion (PBF-LB/M) IN718 material, produced using two different scan length vectors, is investigated using Bragg-edge neutron 2D imaging (BENI) combined with electron backscatter diffraction (EBSD) analysis. BENI is able to detect, on a macroscopic scale, process-induced changes in texture in a large field of view covering the entire sample (20×80 mm2). In addition, high-resolution BENI (HR-BENI), with a pixel size of 12.8 µm, provides a micro-scale examination of the local variations of texture and grain morphology, otherwise undistinguishable using the standard resolution. As such, HR-BENI offers a straightforward and detailed way of screening the integrity of MAM parts at cm-length scales.
The high cooling rates (~106 K/s) occurring during Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) of AlSi10Mg induce to the formation of a fine nanometric silicon network in the as-built condition. Such unprecedented microstructure enhances the mechanical strength when compared to equivalent as-cast materials. Nevertheless, PBF-LB/M also leads to high magnitude residual stress (RS) due to the extreme localized temperature gradients. The presence of RS can be detrimental to the fatigue life of engineering components, and great efforts are focused on understanding their generation and evolution after post-process heat treatments. Typically, T6 heat treatments are used to mitigate RS and improve mechanical performances by Mg2Si precipitation during ageing at 160-180°C. Nevertheless, the solutionizing at 500-540°C vanishes the fine silicon network, leading to the formation of micrometric (average of ~2-5 µm) polygonal Si particles, similar to those observed in T6 heat-treated Al-Si cast materials. Therefore, the aim of this work is to evaluate the ability of two so-called low temperature heat treatments (i.e., at 265°C and 300°C) to mitigate RS while retaining the fine as-built microstructure inherent to PBF-LB/M AlSi10Mg. The fatigue behavior of the as-built material is subsequently compared to the two low temperature conditions.
Components in aircrafts are usually replaced when critical defects are present.
An alternative approach is repairing using gas dynamic cold spraying: metal particles are shot at a surface at supersonic speeds to selectively rebuild damaged material. Compared to other material-deposition techniques, its advantage is the small thermal impact on the component, preserving its mechanical properties.
Component-repair can save considerable amounts of energy and resources. However, its industrial application at large scale needs reproducible, good repair-material properties to guarantee a safe component life. The aim of this project is the development of safe, automatized repair-procedures considering the mechanical fatigue properties of the repair.
Fraucture mechanics-based probablistic structural integrity assessment for aero-engine turbine disk
(2023)
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based probabilistic assessment procedure under development which aims at calculating the critical rotational speed of the turbine disk based on the numerical-analytical solutions and regulations for the failure probability. In particular, the rim-peeling failure mode is considered as case study. A semi-circular surface crack is modelled at the most stressed region at the diaphragm of a turbine disk. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of J-integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. The analytical solutions to calculate the crack driving force for the lab representative specimen are used for the Monte Carlo simulations, the result of which has been assessed in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD). The results of the probabilistic structural integrity assessment show good agreement between Monte Carlo simulations and certification values for the disk in terms of expected failure mode and value of the critical speed.
The fatigue assessment of welded joints requires several input data, which can be subdivided into three categories: geometry, material and loading. The number of input data depends essentially on the complexity of the models employed and on the level of accuracy of the analysis. It is common practice to use safety factors in design to account for the scatter of the input parameters. Nevertheless, overly-conservative factors lead often to unrealistic estimations of fatigue life. This work presents a fracture mechanics-based model for the structural integrity assessment of welded joints under constant amplitude fatigue loading, in which the local geometry at the weld toe and the fatigue crack growth properties are considered statistically distributed. The approach is validated against a large number of experimental data.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
High entropy alloys (HEA) are a new class of materials that have been investigated since the early 2000s and offer great potential to replace conventional alloys. However, since they sometimes have significant contents of expensive alloying elements such as Co or Ni, their use is only conceivable in highly stressed areas of components. For this purpose, the weldability with conventional alloys such as high-alloy austenitic steels must be investigated. In addition to the resulting microstructure, the mechanical properties are also fundamental for the usability of HEAs in DMWs. For this purpose, TIG welds of CoCrFeMnNi HEA (cold rolled and recrystallized state) with AISI 304 austenitic steel are investigated. These mechanical properties are analyzed in this work by means of tensile tests and local hardness measurement. The local strain behavior of the welded joints is also characterized by means of Digital Image Correlation (DIC). The results of the local hardness measurement show a clear influence of the initial condition of the HEA on the HAZ. Thus, the HEA in the cold-rolled condition shows a clear softening because of recrystallization processes in the HAZ. On the other hand, there is no influence on the hardness of the weld metal, which is approx. 200 HV0.1 in both cases. The tensile tests show a consistent failure of the weld in the weld metal. However, regardless of the HEA condition, strengths in the range of the recrystallized HEA (RM ~ 550–600 MPa) are achieved, although with significantly reduced fracture elongations.
High-strength steels offer great potential in weight-optimised modern steel structures. Additive manufacturing processes, such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), enable near-net-shape manufacturing of complex structures and more efficient manufacturing, offering significant savings in costs, time, and resources. Suitable filler materials for WAAM are already commercially available. However, the lack of knowledge or technical guidelines regarding welding residual stresses during manufacturing and operation in connection with cold cracking risk limit their industrial application significantly. In a project of BAM and TU Chemnitz, the influences and complex interactions of material, manufacturing process, design and processing steps on residual stress evolution are investigated. By developing process recommendations and a special cold cracking test, economic manufacturing, and stress-appropriate design of high-strength steel WAAM components are main objectives.
The present study focuses on determining the influence of heat control (interpass temperature, heat input, cooling time) and the design aspects of the components on the hardness and residual stresses, which are analysed by X-ray diffraction. Defined reference specimens, i.e., hollow cuboids, are automatically welded with a special WAAM solid wire. The influences of wall length, wall thickness and wall height on the residual stresses are analysed. Geometric properties can be selectively adjusted by wire feed and welding speed but cannot be varied arbitrarily. This was addressed by adapted build-up strategies. The results indicate a significant influence of the heat control and the wall height on the residual stresses. The interpass temperature, wall thickness and wall length are not significant. These analyses allow recommendations for standards and manufacturing guidelines, enabling a safe and economic manufacturing of high-strength steel components.
Additive Fertigungsverfahren wie das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ermöglichen die effiziente Fertigung von gewichtsoptimierten endkonturnahen Strukturen in modernen Stahlkonstruktionen. Ihre Effizienz kann weiter durch die Verwendung von hochfesten Stählen gesteigert werden. Dies erlaubt eine signifikante Einsparung von Kosten, Zeit und Ressourcen. Entsprechende Schweißzusatzwerkstoffe für Lichtbogenschweißverfahren sind kommerziell verfügbar. Fehlende Richtlinien und fehlende quantitative Kenntnisse über die schweißtechnische Beanspruchung während der Fertigung und im Betrieb limitieren den industriellen Einsatz stark. Daher werden in einem aktuellen Vorhaben (IGF-Nr. 21162 BG) der BAM und TU Chemnitz die wesentlichen Einflüsse und komplexen Interaktionen durch Werkstoff, Fertigungsprozess, Konstruktion und trennende Fertigungsschritte auf den Beanspruchungszustand untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert hierfür die Auswirkungen trennender Fertigungsschritte auf Verzug und Eigenspannungen definierter WAAM-Prüfkörper. Die Eigenspannungsanalyse erfolgt mittels Röntgenbeugung. Die große Anzahl an Ergebnissen von zuvor untersuchten Referenzproben, die mit einem speziellen WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >820 MPa) bei unterschiedlicher Wärmeführung und Geometrie vollautomatisiert geschweißt wurden, lässt eine Korrelation der Messdaten zu. Hierzu erfolgt die Analyse des Ausgangszustandes und abschließend des Zustandes nach trennender Bearbeitung, welche begleitend mittels digitaler Bildkorrelation hinsichtlich des Verzuges untersucht wurden. So ist zu beobachten, dass die Geometrie deutlichen Einfluss auf Relaxation und Umlagerung der Eigenspannungen hat und damit die Risssicherheit positiv beeinflussen kann.
Additive Fertigungsverfahren wie das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ermöglichen die effiziente Fertigung von gewichtsoptimierten endkonturnahen Strukturen in modernen Stahlkonstruktionen. Ihre Effizienz kann weiter durch die Verwendung von hochfesten Stählen gesteigert werden. Dies erlaubt eine signifikante Einsparung von Kosten, Zeit und Ressourcen. Entsprechende Schweißzusatzwerkstoffe für Lichtbogenschweißverfahren sind kommerziell verfügbar. Fehlende Richtlinien und fehlende quantitative Kenntnisse über die schweißtechnische Beanspruchung während der Fertigung und im Betrieb limitieren den industriellen Einsatz stark. Daher werden in einem aktuellen Vorhaben (IGF-Nr. 21162 BG) der BAM und TU Chemnitz die wesentlichen Einflüsse und komplexen Interaktionen durch Werkstoff, Fertigungsprozess, Konstruktion und trennende Fertigungsschritte auf den Beanspruchungszustand untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert hierfür die Auswirkungen trennender Fertigungsschritte auf Verzug und Eigenspannungen definierter WAAM-Prüfkörper. Die Eigenspannungsanalyse erfolgt mittels Röntgenbeugung. Die große Anzahl an Ergebnissen von zuvor untersuchten Referenzproben, die mit einem speziellen WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >820 MPa) bei unterschiedlicher Wärmeführung und Geometrie vollautomatisiert geschweißt wurden, lässt eine Korrelation der Messdaten zu. Hierzu erfolgt die Analyse des Ausgangszustandes und abschließend des Zustandes nach trennender Bearbeitung, welche begleitend mittels digitaler Bildkorrelation hinsichtlich des Verzuges untersucht wurden. So ist zu beobachten, dass die Geometrie deutlichen Einfluss auf Relaxation und Umlagerung der Eigenspannungen hat und damit die Risssicherheit positiv beeinflussen kann.
Creep-resistant steels such as the 13CrMoV9-10, used in the construction of thick-walled pressure vessels, are most commonly submerged arc welded (SAW). These steels can develop stress relief cracks (SRC) if the mandatory post weld heat treatment (PWHT) is performed improperly. Current PWHT parameters, such as heating rate and holding time at a specific holding temperature, are based on both empirical experience and conventional free shrinking welding experiments to characterize the SRC-susceptibility of the weld. These cannot adequately depict the higher residual stresses caused by the structurally induced stiffness of the surrounding construction. This study discusses the development of a repeatable, precise, and time-efficient methodology to study the effects of different stress levels and heating rates on the SRC susceptibility of the coarse grain heat-affected zone (CGHAZ). For that purpose, samples were thermically treated to simulate a coarse grain heat-affected zone (CGHAZ) and subsequently exposed to representative levels of stress during the heating phase of a PWHT. The recorded stress and heating rate–dependent strains were mathematically analyzed via curve tracing/calculus to identify interdependent effects. This procedure facilitates the measurement of material characteristics such as carbide growth on grain boundaries at the µm-scale via an integrated value over the entire sample volume. The first and second derivatives show a slight, precipitate-dependent, increase in hardness of the sample, depending on the heating rate and applied stress. This new methodology generates an improved assessment of the SRC susceptibility of SAW microstructures of creep-resistant CrMoV steels.
Wear behavior of innovative niobium carbide cutting tools in ultrasonic-assisted finishing milling
(2023)
The resources of niobium exceed the ones of tungsten by an order of magnitude. With 92%, Brazil is today the main global producer of niobium. Hence, niobium carbides (NbC) are a sustainable and economic alternative to conventionally used cutting materials, especially tungsten carbides (WC). Moreover, NbC can be used in Ni alloy matrix and thus offer significant advantages by substituting WC in Co matrix as cutting materials in terms of health risks and raw material price and supply risk. Based on recent studies which found an increased performance of NbC compared to WC cutting tools in machining higher strength steels, the composition NbC12Ni4Mo4VC was chosen for finish machining of a high-strength steel S960QL in this study. The experiments were carried out on an ultrasonic-assisted 5-axis milling machine using NbC tools specially made to benchmark them with commercially available coated WC cutting inserts. In addition, the influence of a coating system for the NbC inserts is tested and evaluated for its performance in the cutting process. Tool wear and cutting force analyses are implied to identify optimal parameter combinations as well as tool properties for the novel NbC tool. Together with the oscillation of ultrasonic-assisted milling, the loads on the component surface and the tool can be reduced and the wear behavior of the novel NbC tool can be refined. These milling tests are accompanied by standardized wear tests, i.e., pin-on-disc, between the aforementioned material combinations, and the results are correlated with each other. Finally, the behavior when using hard-to-cut materials such as Ni alloys, or innovative materials such as iron aluminide is also being tested, as these are constantly in the focus of machining optimization. With this strategy, comprehensive knowledge is achievable for future efficient application of NbC for milling tools, which have already been researched for decades using WC.
Nickel alloys are cost intensive materials and generally classified as difficult-to-cut material. However, machining of these materials is needed especially in case of alloy 36 (1.3912), which is commonly used in mould construction for the production of fibre-reinforced composites. With regard to repair, modification and manufacturing of such components, additive manufacturing offers significant economic advantages. Nevertheless, subsequent machining steps are needed to achieve the final component contour and defined surface conditions. Dependent on the material and machining process conditions, detrimental tensile residual stresses may be the result on the machined surface, having negative impact on the component performance and safety. In this investigation, machining experiments were carried out on wire arc additive manufactured components made of alloy 36, varying the cutting speed and the feed rate. In addition, the conventional milling process (CM) was compared with a modern, hybrid machining process, the ultrasonic-assisted milling (US). The cutting forces and the surface-near residual stresses were analysed using X-ray diffraction. A significant improvement of the machinability as well as the surface integrity by using the ultrasonic assistance was observed, especially at low cutting speeds. The CM induced mainly tensile residual stresses, the US mainly compressive residual stresses.
Die vorliegende Präsentation fasst die Ergebnisse von drei laufenden bzw. beendeten AiF/IGF-Projekten zusammen, die über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung FOSTA e.V. an der BAM bearbeitet wurden zum Thema: Bewertung und Vermeidung von schweißverarbeitungsbedingten Rissen in hochfesten Baustählen.
Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Herausforderungen. Fügetechnologien, insbesondere die Schweißtechnik, haben dabei wesentliche Bedeutung für die Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Forschungsschwerpunkte ergeben sich insbesondere für die Erzeugung und den Transport des Wasserstoffs.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of 𝐽-integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest 𝐽 -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. In addition, probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Wire arc additive manufacturing (WAAM) enables the efficient production of weight-optimized modern engineering structures. Further increases in efficiency can be achieved by using high-strength structural steels. Commercial welding consumables for WAAM are already available on the market. Lack of knowledge and guidelines regarding welding residual stress and component safety during production and operation leads to severely limited use for industry applications. The sensitive microstructure of high-strength steels carries a high risk of cold cracking; therefore, residual stresses play a crucial role. For this reason, the influences of the material, the WAAM process, and the design on the formation of residual stresses and the risk of cold cracking are being investigated. The material used has a yield strength of over 800 MPa. This strength is adjusted via solid solution strengthening and a martensitic phase transformation. The volume expansion associated with martensite formation has a significant influence on the residual stresses. The focus of the present investigation is on the additive welding parameters and component design on their influence on hardness and residual stresses, which are analyzed by means of X-ray diffraction (XRD). Reference specimens (hollow cuboids) are welded fully automated with a systematic variation of heat control and design. Welding parameters and AM geometry are correlated with the resulting microstructure, hardness, and residual stress state. Increased heat input leads to lower tensile residual stresses which causes unfavorable microstructure and mechanical properties. The component design affects heat dissipation conditions and the intensity of restraint during welding and has a significant influence on the residual stress.
Alloy 36 (1.3912), also known as “Invar,” is an alloy with 36% nickel. The alloy has a remarkably low thermal expansion coefficient in certain temperature ranges. This peculiarity is called the invar effect, which was discovered in 1896 by the Swiss physicist Charles Édouard Guillaume. Therefore, it is used in applications in which dimensional stability is critical, such as molding tools for composite materials in aerospace, automotive applications, or liquified natural gas (LNG) cargo tanks. Moreover, increasingly complex structures and the optimization of resource efficiency also require additive manufacturing steps for the production or repair of components. Additively manufactured components have a heterogeneous microstructure and anisotropic mechanical properties. In addition, the manufactured components require subsequent machining surface finishing, like finish milling, to achieve their final contour. Nickel iron alloys are difficult to machine. Additionally, inhomogeneous microstructure may lead to unstable cutting forces and conditions. In part I of this investigation, the initial alloy 36 is modified with the elements Ti, Zr, and Hf up to a maximum of 0.33 wt.-%. The influence of the modification elements on the microstructure as well as on the hardness of the AM components is examined. Furthermore, one modification is applied to metal arc welding process and investigated. Part II focuses on the effect of the alloy modifications on machinability as well as on the surface integrity of plasma-transferred-arc-welded (PTA) and finish milled invar components.
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-3 wurden die Mikrostruktur der MSG-Schweißung der CoCr-Referenzlegierung untersucht. In AP-4 wurden Zerspanversuche an der MSG-Schweißung der CoCr-Referenzlegierung durchgeführt.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Die schädigende Wirkung von Wasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften von Stählen ist zwar bekannt, aber noch immer nicht ausreichend erforscht. Die schnelle und sichere Markteinführung von Wasserstofftechnologien macht es erforderlich, dieses Thema genauer zu untersuchen. Im Allgemeinen wird dies oft als Wasserstoffversprödung bezeichnet. Daher ist es wünschenswert, eine Prüfmethode zu entwickeln, die auf einfache Weise die Materialeigenschaften unter Wasserstoffatmosphäre ermitteln kann. Derzeit werden mechanische Prüfungen unter Wasserstoffatmosphäre in Autoklaven durchgeführt. Für diese Technik ist eine aufwendige Hardware erforderlich, daher sind die Prüfungen teuer und die Prüfkapazitäten nur in geringem Umfang verfügbar. Die hier vorgestellte Prüfmethode verspricht einen zukunftsweisenden Ansatz zur Reduzierung von Kosten und Bearbeitungszeiten durch die Verwendung von Hohlkörpern, d.h. die Probe selbst stellt den Autoklav dar.
It was found that there is a systematic dependence of the crack growth on the welding parameters as well as on the load. Decreasing welding speeds with simultaneously higher heat input promote crack formation with increasing strain rate.
Based on the results, a new crack criterion was finally selected which allows an extended assessment of the material behavior during the MVT-test. The threshold introduced can quantify the dependencies of the crack formation on the welding and testing parameters, which could not be comprehensively described with the conventional evaluation. In principle, the evaluation routine can also be transferred to other Varestraint or externally loaded hot cracking tests.