Angewandte Physik
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Die additive Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein komplexes, aber zugleich auch effizientes Verfahren, bei dem Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißprozess gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ziel dieser Studie war es, einen Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der generierten Schichtgeometrie zu ermitteln. Dazu wurden definierte Referenzkörper mit einem robotergestützten Schweißsystem additiv gefertigt und hinsichtlich Schichthöhe, Wandstärke und Mikrostruktur analysiert. Fokus der Untersuchung waren sowohl konventionelle als auch für die WAAM-Fertigung speziell entwickelte hochfeste Schweißzusatzwerkstoffe. Die geometrischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile lassen sich insbesondere durch die Faktoren Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit gezielt einstellen. Jedoch können diese Parameter nicht beliebig variiert werden, auch aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Zusatzwerkstoffe. Zu hohe Streckenenergien führen zu lokalen Überhitzungen und Fehlstellen in der generierten Schicht. Undefinierte Fließ- und Erstarrungsvorgänge im überhitzten Bereich erschweren die maßhaltige Fertigung. Deshalb wird bei speziellen WAAM-Schweißdrähten das Fließverhalten gezielt modifiziert, sodass es über einen größeren Temperaturbereich hinweg konstant ist. Erst die Kenntnis über die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie ermöglicht die Erzeugung exakter Schichtmodelle für die additive Fertigung. Dies bildet die Grundlage für die Bearbeitung weiterer Fragestellungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung mit hochfesten Zusatzwerkstoffen und insbesondere deren Anwendung in modernen hochfesten Bauteilen.
High power laser beam welding has been already introduced in ship building industry since last two decades and is characterized by higher performance as conventional arc welding technologies through its higher welding speed, penetration depth and therefore higher productivity. Moreover, high quality weld joints are achievable thanks to a stronger automatization degree and better repeatability of the process. A further advantage of the laser beam welding is a manufacturing of parts with very low distortion according to much lower heat input, so that rework amount can be reduced significantly. Nevertheless, there are still some unresolved problems limiting the range of application of the technology in part manufacturing within ship building industry, restricted by development and application of new materials or new design of ship vessels.
The present contribution deals with some novel aspects of laser beam welding technology allowing to widen this range significantly. One of the possibilities is to increase the weld seam thickness for single pass laser or laser-hybrid welding is to apply contactless EM-support system based on generation of the Lorentz force counteracting the liquid metal drop out. Also, application of laser-hybrid welding technology for welding novel materials like cold resistant steel X8Ni9 used for construction of LNG tanks brings technological and design advantages comparing to conventional welding technologies by using of a similar alloyed filler wire instead of expensive Ni-based filler material. Finally, it is shown how the application of computational techniques can be used to helps to improve the quality of laser welded joints and avoid the critical weld failure by optimization of the welding process parameters.
High Entropy Alloys (HEAs) are a recent class of materials. In contrast to conventional alloys, HEAs consist of five alloying elements in equiatomic equilibrium. The high entropy effect is due, among other things, to the increased configuration entropy, which promotes solid solution formation. Many HEAs have enormous application potential due to excellent structural property combinations from very low to high temperatures. For the introduction of HEAs in real components, however, the question of the applicability of machining production technologies for component manufacture is of central importance. This has so far received Little attention in global materials research. Reliable and safe processing is essential for the demand of economical component production for potential areas of application, e.g. in power plant technology.
For metals, milling is the standard machining process. This article presents the results of machining analyses. It focuses on the surface integrity resulting from the milling process on a Co20Cr20Fe20Mn20Ni20-HEA. For this purpose, investigations were carried out using ball nose end milling tools for conventional milling process in comparison to an innovative hybrid process available at BAM Berlin, Ultrasonic-Assisted Milling (USAM). USAM promises a lower Degradation of the surface properties due to lower loads on the workpiece surface during machining.
For this purpose, basic milling parameters (cutting speed and tooth feed) were systematically varied and cutting forces were measured during the milling experiments. The subsequent Analysis of these forces allows an understanding of the mechanical loads acting on the tool and component surface. These loads cause topographical, mechanical and microstructural influences on the surface and consequently on the surface integrity. For their characterization, light and scanning electron microscopy were used, and the roughness and residual stresses via X-ray diffraction were measured. The results indicate significant advantages using USAM, especially due to reduced cutting forces compared to the conventional milling process. This causes lower mechanical loads on the tool and surface, combined with lower tensile residual stresses on and below the surface, and ultimately results in a significantly enhanced surface integrity.
High-entropy alloys (HEAs) are characterized by a solid solution of minimum five and medium-entropy alloys (MEAs) of minimum three principal alloying elements in equiatomic proportions. They show exceptional application properties, such as high-strength and ductility or corrosion resistance. Future HEA/MEA-components could be exposed to hydrogen containing environments like vessels for cryogenic or high-pressure storage where the hydrogen absorption and diffusion in these materials is of interest. In our study, we investigated the HEA Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 and the MEA Co33.3Cr33.3Ni33.3. For hydrogen ingress, cathodic charging was applied and diffusion kinetic was measured by high-resolution thermal desorption spectros-copy using different heating rates up to 0.250 K/s. Peak deconvolution resulted in high-temperature desorption peaks and hydrogen trapping above 280 °C. A total hydrogen concentration > 40 ppm was identified for the MEA and > 100 ppm for HEA. This indicates two important effects: (1) delayed hydrogen diffusion and (2) considerable amount of trapped hydrogen that must be anticipated for hydrogen assisted cracking phenomenon. Local electrochemical Volta potential maps had been measured for the hydrogen free condition by means of high-resolution Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM).
Laser material processing is an emerging technology that generates surface functionalities on the basis of optical, mechanical, or chemical properties. In the form of laser surface texturing (LST), it has attracted a remarkable amount of research to tailor surface properties towards various tribological applications. The main advantages of this single-step, laser-based technology are the contactless machining, featuring a high flexibility, efficiency, and speed, along with the excellent quality of the processed products. LST can be applied precisely localized to sub-micrometric areas, but, via laser beam scanning, it is also feasible for structuring large surface areas at the square meter size.
This Special Issue focuses on the latest developments concerning the tribological performance of laser-generated periodic surface nano- and microstructures and their applications. This includes the laser-based processing of different surface patterns, such as “self-organized” laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples), grooves, micro-spikes, hierarchical hybrid nano-/micro-structures, microfeatures generated by direct laser interference patterning (DLIP), or even dimples or other topographic geometries shaped by direct laser modification or ablation. The applications of these periodically nano- and micro-patterned surfaces may improve the lubricated or non-lubricated tribological performance of surfaces in conformal and even non-conformal contact through a reduction of wear, a variation of the coefficient of friction, altered load carrying capacity, etc., resulting in energy saving, improved reliability, increased lifetimes as well as durability, leading in turn to extended maintenance intervals/reduced down-time. This can be beneficial in terms of bearings, gears, engines, seals, cutting tools, or other tribological components. Fundamental aspects addressed may involve the investigation of the relevant physical and chemical effects accompanying the laser-generated nano- and microscale topographies, such as alterations of the material structures, the hardness, superficial oxidation, the role of additives contained in lubricants, surface wettability, micro-hydrodynamic effects, etc.
For this Special Issue we aim to attract both academic and industrial researchers and would like to provide a bridge between research in the fields of tribology and laser material processing in order to foster the current knowledge and present new ideas for future applications and new technologies.
In this contribution, chemical, structural, and mechanical alterations in various types of femtosecond laser-generated surface structures, i.e., laser-induced periodic surface structures (LIPSS, ripples), Grooves, and Spikes on titanium alloy, are characterized by various surface analytical techniques, including X-ray diffraction and glow-discharge optical emission spectroscopy. The formation of oxide layers of the different laser-based structures inherently influences the friction and wear performance as demonstrated in oil-lubricated reciprocating sliding tribological tests (RSTTs) along with subsequent elemental mapping by energy-dispersive X-ray analysis. It is revealed that the fs-laser scan processing (790 nm, 30 fs, 1 kHz) of near-wavelength-sized LIPSS leads to the formation of a graded oxide layer extending a few hundreds of nanometers into depth, consisting mainly of amorphous oxides. Other superficial fs-laser-generated structures such as periodic Grooves and irregular Spikes produced at higher fluences and effective number of pulses per unit area present even thicker graded oxide layers that are also suitable for friction reduction and wear resistance. Ultimately, these femtosecond laser-induced nanostructured surface layers efficiently prevent a direct metal-to-metal contact in the RSTT and may act as an anchor layer for specific wear-reducing additives contained in the used engine oil.
The impact of femtosecond (fs) laser-induced periodic surface structures (LIPSS) on tribological properties was investigated for metal-reinforced ceramic composites (Al2O3-ZrO2-Nb). For this purpose, the metallic niobium (Nb) phase was selectively structured with LIPSS in an air environment with different values of the fs-laser peak fluence by near-infrared fs-laser radiation (λ = 1025 nm, τ = 300 fs, frep = 1 kHz), taking advantage of the different light absorption behavior of ceramic and metal. The tribological performance was evaluated by reciprocating sliding tests in a ball-on-disc configuration using Ringer's solution as lubricant. The surfaces were characterized before and after laser irradiation by optical microscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and by measuring the contact angle with Ringer's solution. The LIPSS formation resulted in an increased wetting of the surface with the lubricant. Moreover, the selectively structured composite surfaces revealed a coefficient of friction significantly reduced by a factor of ~3 when compared to the non-irradiated surface. Furthermore, the formation of a laser-induced oxidation layer was detected with NbO as the most prominent oxidation state. Selectively structured composites with outstanding mechanical properties and enhanced tribological performance are of particular interest for biomedical applications.
Welded components of P91 9% Cr steel demand for careful welding fabrication with necessary post weld heat treatment (PWHT). Before the PWHT, a hydrogen removal heat treatment is necessary for avoidance of hydrogen assisted cracking (HAC). In this context, the microstructure and temperature-dependent hydrogen diffusion is important, and reliable diffusion coefficients of P91 weld metal are rare. For that reason, the diffusion behavior of P91 multi-layer weld metal was investigated for as-welded (AW) and PWHT condition by electrochemical permeation experiments at room temperature and carrier gas hot extraction (CGHE) from 100 to 400 °C. Hydrogen diffusion coefficients were calculated, and the corresponding hydrogen
concentration was measured. It was ascertained that both heat treatment conditions show significant differences. At room
temperature the AW condition showed significant hydrogen trapping expressed by to seven times lower diffusion coefficients. A preferred diffusion direction was found in perpendicular direction expressed by high permeability. The CGHE experiments
revealed lower diffusion coefficients for the AW condition up to 400 °C. In this context, a hydrogen concentration of approximately 21 ml/100 g was still trapped at 100 °C. For that reason, a certain HAC susceptibility of as-welded P91 weld metal cannot
be excluded, and hydrogen removal should be done before PWHT.
The development within the offshore wind sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both the designer as well as the manufacturer of bottom fixed support structures. Besides XL-monopiles, the market developed an innovative and economic jacket support structure which is based on automatically manufactured tubular joints combined with standardized pipes. Besides the improvements for a serial manufacturing process the automatically welded tubular joints show a great potential in terms of fatigue resistance e.g. due to a smooth weld geometry without sharp notches. However, these benefits are not considered yet within the fatigue design process of automatically manufactured jacket substructures according to current standards due to the lack of suitable S-N curves. Therefore, 32 axial fatigue tests on single and double-sided automatically welded tubular X-joints have been performed to determine a new hot spot stress related S-N curve. Based on these constant amplitude fatigue tests a new S-N curve equal to a FAT 126 curve was computed which implicitly includes the benefits of the automatically welding procedure.
Die Entwicklung in der Offshore-Windenergie hin zu größeren, leistungsstärkeren An-lagentypen sowie die zeitgleich zunehmenden Wassertiefen der projektierten Wind-parks stellt u. a. Designer und Fertiger der Gründungsstrukturen von Windenergiean-lagen vor wachsende Herausforderungen. Neben dem Gründungskonzept der XL-Monopiles rückt wegen der Kombination aus dem vergleichsweise geringen Materialverbrauch bei gleichzeitig hoher Steifigkeit, auch die Jacketgründung in den Fokus. Der Fertigungsaufwand der Jackets ist verglichen mit Monopiles groß; kann jedoch durch die Nutzung von Standardrohren mit automatisiert gefertigten Jacketknoten reduziert werden.
Vor diesem Hintergrund beschreibt der vorliegende Forschungsbericht den Fertigungs-prozess zum automatisierten Schweißen von X-förmigen Hohlprofilknoten für Jacket-Gründungsstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen. Ein weiteres wesentliches Ziel dieses Vorhabens war die konsequente Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette während der automatisierten Schweißung der X-Knoten. Die so ge-speicherten Prozessparameter können zum einen als Grundlage einer Qualitätskon-trolle dienen, zum anderen ermöglichen sie eine vollständige Nachverfolgbarkeit der automatisiert gefertigten Rohrknoten.
Der zweite maßgebend in diesem Bericht behandelte Aspekt umfasst die Quantifizie-rung der Einflüsse aus Fertigungsautomatisierung und Innenschweißen auf die Ermü-dungsfestigkeit der Hohlprofilknoten auf Basis serieller Ermüdungsversuche. Dazu wurden im Projekt zwei Serien mit jeweils 16 Schwingversuchen an ein- und doppel-seitig automatisiert geschweißten X-Knoten durchgeführt und entsprechende Struktur-spannungswöhlerlinien für die automatisiert gefertigten X-Knoten bestimmt.
Die Ergebnisse dieser Ermüdungsversuche werden abschließend in numerischen Untersuchungen auf Basis der Strukturspannungs- und des Kerbspannungskonzeptes gegenübergestellt, um die Prognosefähigkeit beider Konzepte für die ermüdungs-kritischen Bereiche des X-Knotens bewerten zu können.
Durch die im Forschungsvorhaben durchgeführten schweißtechnischen, experimen-tellen und numerischen Analysen konnte das Potential automatisiert gefertigter Rohr-knoten hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Ermüdungsverhalten quantifiziert werden. Zusätzlich konnte der Einfluss der inneren Schweißnaht auf die Ermüdungsfestigkeit bewertet werden.
Schweißen ist ein industriell relevantes Fertigungsverfahren mit einer branchenübergreifenden Bedeutung. Die Umweltwirkungen von Schweißverfahren sind jedoch bisher unbekannt und werden im Entstehungsprozess eines Produktes entlang seiner Fertigungskette daher meist nicht berücksichtigt. Ferner ist der Schweißprozess durch einen hohen Verbrauch an Energie sowie Ressourcen gekennzeichnet. Zahlreiche Arbeiten zeigen, dass der Bedarf einer Ökobilanzierung enorm ist. Ursächlich für die bisher mangelhafte Etablierung der Ökobilanzierung von Schweißverfahren und damit Motivation für die Forschungsarbeiten ist die Unkenntnis relevanter Einflussgrößen und damit verbunden ein nicht abschätzbarer Aufwand bei der Durchführung sowie Implementierung einer Ökobilanz im fertigungstechnischen Kontext.
Demgegenüber ist die Ökobilanzierung in anderen Branchen ein oft genutztes Werkzeug zur Ableitung von Umweltwirkungen. Aufgrund der aktuellen Diskussionen bezüglich des Übergangs hin zu einer klimaneutralen Produktion erfährt auch die Analyse und Optimierung der Umweltwirkungen schweißtechnischer Fertigungsverfahren derzeit eine gesteigerte Aufmerksamkeit. Für Unternehmen stellt die Verfügbarkeit umweltverträglicher Produkte bzw. Prozesse eine gewisse Werbewirksamkeit dar, wie dies im Bereich der Schweißstromquellentechnik aktuell zu beobachten ist. Gleichzeitig wird das Thema des „green welding“ auch bezogen auf die gesamte Fertigungskette immer häufiger diskutiert. Dies zeigt sich durch eine in den letzten Jahren deutlich gestiegene Publikationsaktivität. Neben Analysen zu den Einflussfaktoren auf die Nachhaltigkeit in schweißtechnischen Produktionsumgebungen stehen vor allem auch konkrete Implementierungen in der Fertigung bzw. der Produktentstehung im Fokus.
Die grundlegende Vorgehensweise einer Ökobilanzierung (Life-Cycle-Assessment bzw. Abk. LCA) ist als standardisierte Methode in geltenden Normen] sowie in entsprechender Fachliteratur beschrieben. Kernelement der Ökobilanzierung ist die Sachbilanzierung, d.h. die Erfassung der relevanten Inputs sowie Outputs bezogen auf das System „Schweißprozess“. Aus dem entlang der schweißtechnischen Fertigungskette akkumulierten Ressourcenverbrauch während des Schweißens (z.B. Zusatzwerkstoff, elektrische Energie, Schutzgas, etc.) und Abfallprodukten bzw. Emissionen wird die Umweltwirkung entsprechend verschiedener Kategorien, z.B. dem CO2-Äquivalent, gemäß der World Steel Association abgeleitet.
In der schweißtechnischen Community ist es bekannt, dass die Umweltwirkung von Schweißprozessen qualitativ direkt aus dem Ressourcenverbrauch abgeleitet werden kann. Der Einfluss der verschiedenen Input- sowie Outflüsse auf ausgewählte Wirkkategorien ist jedoch nicht ad-hoc quantifizierbar. Die Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der Materialverbrauch (z.B. Grund-/Zusatzwerkstoff, etc.), der Energieverbrauch (z.B. Wirkleistung sämtlicher elektrischer Verbraucher während der Prozesszeit), Gasverbrauch (Prozess-, Schutzgas oder Druckluft) sowie Hilfsmittel (z.B. Schutzgläser) signifikante Inputgrößen darstellen, deren Berücksichtigung im Rahmen einer Prozessökobilanz ausreichend ist.
Eine wesentliche Forderung des projektbegleitenden Ausschusses war, Methoden für eine direkte Implementierung, um somit Nachnutzung der Ergebnisse zu entwickeln. Um die Ökobilanzierung als festen Bestandteil in die schweißtechnische Dokumentation einfließen zu lassen, sind die notwendigen Arbeitsschritte zu automatisieren. Daher wurden im Rahmen der Forschungsarbeiten sämtliche zu berücksichtigenden Größen durch ein an der Forschungsstelle entwickelten Schweißdatenmanagements digital erfasst sowie archiviert und in eine Umweltwirkung durch Zugriff auf entsprechende Open-Source Datenbanken „übersetzt“. Das Datenmanagement ermöglicht die eindeutige Zuordnung der Umweltwirkung eines geschweißten Bauteiles ohne Dokumentationsaufwand für den Anwender. Dadurch werden insbesondere KMU in die Lage versetzt, den Anforderungen bezüglich der Bewertung der Ökoeffizienz von Fertigungsverfahren gerecht zu werden und somit auf die nationalen sowie internationalen klimapolitischen Rahmenbedingungen vorbereitet zu sein.
Die Analysen eines breiten Spektrums an Schweißverfahren haben gezeigt, dass eine Verringerung der Umweltwirkungen von Schweißverfahren demnach nur primär durch eine Reduktion des Zusatzwerkstoff- sowie Energieverbrauches zu realisieren ist. Hierbei zeigen Verfahren mit niedrigem Werkstoffeinsatz, im Extremfall autogene Verfahren, die geringsten Umweltwirkungen. Im Produktentstehungsprozess ist es daher notwendig, unter Berücksichtigung der Schweißbarkeit die ökologischen Verfahrenscharakteristika hinsichtlich konstruktiver, fertigungstechnischer sowie werkstoffspezifischer Randbedingungen zu bewerten, um die vorgeschriebenen Produkteigenschaften zu gewährleisten und die Umweltbelastung zu minimieren.
Damit der Workflow, der bei der Ökobilanzierung zu durchlaufen ist, vereinheitlicht und für jeden verständlich ist, fließen die Forschungsergebnisse direkt in die DIN SPEC 35235 „Nachhaltigkeit in der Schweißtechnik – Ökobilanzierung von Schweißverfahren“ ein. Dies ist die Grundlage, um die Vergleichbarkeit von Ökobilanzen in der Schweißtechnik zu gewährleisten und so deren Akzeptanz in der Industrie zu erhöhen. Damit ist ein optimaler Transfer der Forschungsergebnisse in die Industrie gewährleistet.
The development within the offshore wind sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both the designer as well as the manufacturer of bottom fixed support structures. Besides XL-monopiles, the market developed an innovative and economic jacket support structure which is based on automatically manufactured tubular joints combined with standardized pipes. Besides the improvements for a serial manufacturing process the automatically welded tubular joints show a great potential in terms of fatigue resistance e.g. due to a smooth weld geometry without sharp notches. However, these benefits are not considered yet within the fatigue design process of automatically manufactured jacket substructures according to current standards due to the lack of suitable S-N curves. Therefore, 32 axial fatigue tests on single and double-sided automatically welded tubular X-joints have been performed to determine a new hot spot stress related S-N curve. Based on these constant amplitude fatigue tests a new S-N curve equal to a FAT 126 curve was computed which implicitly includes the benefits of the automatically welding procedure.
In the DECHEMA Virtual Talks, general aspects of the safety and acceptance of hydrogen technologies were presented. How can trust in new technologies be built when past accidents led to myths and fairy tales? The presentation does away with general prejudices and shows that handling hydrogen is neither more unsafe nor safer than handling other fuel gases. The basis for the safe handling of hydrogen is always a risk analysis.
Hydrocarbons fuel our economy. Furthermore, intermediate goods and consumer products are often hydrocarbon-based. Beside all the progress they made possible, hydrogen-containing substances can have severe detrimental effects on materials exposed to them. Hydrogen-assisted failure of iron alloys has been recognised more than a century ago. The present study aims to providing further insight into the degradation of the austenitic stainless steel AISI 304L (EN 1.4307) exposed to hydrogen. To this end, samples were electrochemically charged with the hydrogen isotope deuterium (2H, D) and analysed by scanning electron microscopy (SEM), electron back-scatter diffraction (EBSD) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). It was found that deuterium caused a phase transformation from the original γ austenite into ε- and α’-martensite. Despite their low solubility for hydrogen, viz. deuterium, the newly formed phases showed high deuterium concentration which was attributed to the increased density of traps. Information about the behaviour of deuterium in the material subjected to external mechanical load was gathered. A four-point-bending device was developed for this purpose. This allowed to analyse in-situ pre-charged samples in the ToF-SIMS during the application of external mechanical load. The results indicate a movement of deuterium towards the regions of highest stress.
Das Thema Wasserstoff ist an der BAM seit mehr als hundert Jahren aktuell und steht auch gegenwärtig im Zentrum zahlreicher Forschungs- und Kooperationsaktivitäten. Mit der aktuellen Wasserstoff-Strategie der BAM werden wichtige Voraussetzungen dafür geschaffen, dass der Markthochlauf gelingt und die technische Sicherheit und Überwachung der Infrastrukturen und Anlagen gewährleistet ist – von der Erzeugung, über den Transport bis zur Speicherung und Bereitstellung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft.