Erzielung werkstoffspezifischer Eigenschaften beim generativen Schutzgasschweißen fertigkonturnaher Strukturen aus Duplexstahl : Schlussbericht vom 22.11.2021 zu IGF-Vorhaben Nr. 20.361 : Berichtszeitraum: 01.01.2019 - 31.07.2021

Abstract

Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand im Bestimmen des werkstoffspezifischen Eigen-schaftsprofils beim generativen MSG-Schweißen fertigkonturnaher Strukturen aus Standard- und Superduplexstahl. Zur Gewährleistung werkstoffspezifischer Kennwerte war eine Technologiean-passung und Weiterentwicklung der Legierungskonzepte handelsüblicher Schweißzusätze erforder-lich. Für den MSG-CMT-Schweißen von Stegen und Blöcken wurde ein Parameterfenster aufge-stellt, welches Streckenenergien zwischen ca. 0,9 bis 6,6 kJ/cm zur Folge hatte. Alternativ zu diesem vielfach in der Literatur verwendeten Verfahren ist auch der ColdArc-Prozess nutzbar. Hohe Streckenenergie resultieren in langsameren Abkühlraten und längeren Aufenthaltszeiten in hohen Temperaturbereichen. In Folge dessen entstehen geringere Ferritgehalte und legierungsab-hängig Sekundäraustenit. Dieser zeigt jedoch keine negativen Auswirkungen im Hinblick auf die Lochkorrosionsbeständigkeit unter den Standardprüfbedingungen. Als “optimaler“ Parametersatz im Hinblick auf einen Kompromiss aus akzeptablem F/A-Verhältnis und hoher Abschmelzleistung wurde eine Schweißgeschwindigkeit von 70 cm/min bei einem Drahtvorschub von 7 m/min (E ≈ 3 kJ/cm) identifiziert. Die t12/8-Abkühlzeiten sind bei den Block- deutlich geringer als bei den Stegschweißungen. Daraus resultieren bei vergleichbaren Schweißparametern höhere Ferritgeh-alte. Eine steigende Streckenenergie führt aber auch hier zu einem sinkenden Ferritgehalt. Innerhalb der geschweißten Blöcke traten vereinzelt Bindefehler auf. Daher wird für die Herstellung dieser Geometrie ein Brennerpendeln oder die Nutzung einer CMT Puls Mix Kennlinie empfohlen. Im Hin-blick auf das Legierungssystem werden die höchsten Ferritgehalte in den Schweißgütern mit dem Ni-reduzierten G Z 22 5 3 und dem höher Cr-legierten G Z 29 8 2 erreicht. Die Superduplexdraht-elektroden G Z 25 10 4 und der G Z 29 8 2 offerieren aufgrund der Abwesenheit von γ2 und einem akzeptablen F/A-Verhältnis die beste Eignung zum additiven Schweißen. Für den Bereich der Stan-dardduplexdrähte wurde ein angepasstes Legierungskonzept abgeleitet, um eine bessere Eignung für das WAAM® zu gewährleisten. Die Fertigung einer Drahtelektrode mit diesem Legierungskonzept durch ein Mitglied des PA‘s im Rahmen der Projektzeit war nicht möglich. Mit zunehmender Zwischenlagentemperatur (TZW) reduzieren sich die Nebenzeiten signifikant, je-doch nehmen die t12/8-Abkühlzeit und der Austenitgehalt signifikant zu. Eine Kühlung im Wasserbad oder mit zusätzlichem Kühlgasstrom hat im Hinblick auf die Fertigungszeit den gleichen Effekt. Ob-wohl sogar eine ca. 50%ige Reduzierung der t12/8-Abkühlzeit erreicht wurde, trat jedoch keine Be-einflussung des F/A-Verhältnisses und der Ausscheidung an Sekundäraustenit auf. Die verwende-ten Änderungen in der Schutzgaszusammensetzung haben einen vernachlässigbar geringen Ein-fluss auf die t12/8-Abkühlzeit. Jedoch verringern sich durch die Verwendung inerter Schutzgase die Porenanfälligkeit und die Ausscheidung von Sekundäraustenit deutlich. Zudem ist der Zubrand an Kohlenstoff und Sauerstoff bei Abwesenheit von CO2 im Schutzgas am geringsten. Zusammenfas-send wird daher die Verwendung von Ar-30He für das generative MSG-Schweißen von Bauteilen aus Standard- und Superduplexstahl empfohlen. Eine Wärmenachbehandlung am additiven Duplex- und Superduplexschweißgut bewirkt eine leichte Reduzierung der Ferritanteile. Folglich reduzieren sich Zugfestigkeit und Dehngrenze geringfügig und Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit nehmen zu. Grundlegend ist die WNB jedoch nicht notwendig, wenn der geschweißte Zustand die geforder-ten Ferritwerte für das Schweißgut erreicht. Die Herstellung der Bauteilschweißung mit der Super-duplex-Drahtelektrode G 25 9 4 N L erfolgte erfolgreich bei einem PA-Mitglied und ergab bei der Prüfung ein sehr positives Eigenschaftsbild. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.