Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Intermetallische Werkstoffe werden für Hochtemperaturanwendungen immer wichtiger. Insbesondere Aluminide mit hohen spezifischen Festigkeiten haben ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, z. B. werden Titanaluminide bereits in Flugzeugturbinen eingesetzt. Ökonomische und ökologische Aspekte sind die treibende Kraft zur Substitution konventioneller Legierungen, z. B. Nickelbasislegierungen, die eine wesentlich höhere Kostenintensität und ein höheres Gewichts-Festigkeits-Verhältnis aufweisen. Insbesondere Eisenaluminide (FeAl) sind aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und der guten Verfügbarkeit der wichtigsten Hauptlegierungselemente attraktiv. Speziell entwickelte FeAl-Legierungskonzepte ermöglichen eine wirtschaftliche Produktion im Kokillenguss, bei der die Erstarrung der Schmelze spezielle komplexe Gefüge ermöglicht, um die hohen thermischen und mechanischen Eigenschaften durch eine hohe Anzahl von harten Ausscheidungen entlang der Korngrenzen zu erreichen. Zu diesen Eigenschaften gehört aber auch, dass notwendige Bearbeitungsschritte, wie das Schlichtfräsen, zur Erzielung komplexer Endkonturen, zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß und geringen Oberflächengüten führen. Für das finale FeAl-Bauteil ist eine hohe Oberflächenintegrität insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luftfahrt oder im Energiebereich erforderlich. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Untersuchung auf die Mechanismen und die Minimierung des Werkzeugverschleißes und die Auswirkungen auf die Oberfläche eines in Kokille vergossenen FeAl-Bauteils. Neben den Optimierungen des Fräsprozesses und der Werkzeugparameter (Geometrie, Material) wird ein modernes hybrides Bearbeitungsverfahren, das ultra-schallunterstützte Fräsen (USAM), eingesetzt, bei dem eine Überlagerung mit einer hochfrequenten Schwingung des rotierenden Werkzeugs erzeugt wird. Analysen der Kräfte und Temperaturen im Fräsprozess, der Verschleißerscheinungen am Werkzeug und der Oberflächenintegrität zeigen positive Auswirkungen durch USAM. Darüber hinaus wird eine valide Grundlage für die Optimierung des Werkzeugs und des Fräsprozesses geschaffen, um eine hohe Oberflächenintegrität (z. B. Verringerung von Zugeigenspannungen und Defekten) und eine längere Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten, die zukünftig eine wirtschaftliche Herstellung von FeAl-Bauteilen ermöglicht.
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.
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.
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.
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.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte.
Deshalb wurden für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auf, welche Faktoren sich für eine Beanspruchungsreduzierung auch bei hohen Einspannbedingungen eignen und wie eine Degradation des Gefüges und der Eigenschaften der Schweißnaht sowie wiederholte Schweißnahtdefekte in der Reparaturnaht vermieden werden können. Insbesondere können mittels adaptiver Wärmeführung geringere schweißbedingte Beanspruchungen in den Reparaturschweißnähten bewirkt werden. Bauteilversuche sichern zudem die Übertragbarkeit der Schweißexperimente in die Praxis ab.
Aufgrund der Erkenntnisse konnten Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abgeleitet und ausgesprochen werden. Die Analysen wurden an den hochfesten Stahlgüten S500MLO für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau realisiert. Damit wird insbesondere der wirtschaftlichen Fertigung hocheffizienter Konstruktionen für Windenergieanlagen und hochfester Strukturen, die für deren Errichtung notwendig sind, Rechnung getragen.
So bieten die Forschungsergebnisse eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf Nahtgeometrie, Materialausnutzung und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplans so variiert, dass die Dt8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) liegen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods, or jackets. These components are typically constructed using submerged arc welding (SAW) with 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 complicates 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 over 20 passes and a seam length of 1000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to achieve 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 up to 48 h after the completion 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 modeling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. No noticeable HAC occurrence was identified and confirms the high cracking resistance of the investigated material. Finally, the applicability of the MWT concept should be critically discussed.
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.
Wasserstoff erfüllt die zentrale Rolle für die Umwandlung der bisherigen fossil-basierten Energieerzeugung und -nutzung auf eine dekarbonisierte, nachhaltige Form. Dazu muss der Wasserstoff erzeugt, gespeichert, transportiert werden, bevor er wieder der Nutzung zugeführt wird. Hierzu sind entlang der gesamtem Prozesskette Wasserstofftechnologien notwendig, die einen sicheren Betrieb erfordern. Hierbei kommt dem schweißtechnischen Anlagen- und Behälterbau wesentliche Bedeutung zu, insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Speicherung und Transport des Wasserstoffes. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick, wo und wie die konventionelle Schweißtechnik hierzu wichtige Beiträge leistet. Die additive Fertigung, also das „Drucken“ von Bauteilen wird dabei zunehmend wichtiger, entlang der gesamtem Prozesskette der Wasserstofftechnologien. Gleichwohl darf nicht unterschätzt werden, dass auch wesentlicher Bedarf an der Erweiterung und teilweiser Neufassung von bestehenden Regel- und Normenwerken besteht.