Leseprobe_300337

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

niert. Durch die Einstellung eines geeigneten Ti/B-Verhältnisses und Sauerstoffgehaltes im Schweißgut kann zum einen die Korngrenzenaktivität während der γ-α-Umwandlung herabgesetzt und somit der Anteil an allotriomorphem Ferrit reduziert werden (z.B. Proeutektoider Ferrit PF) [9]. Zum anderen können oxydische und silikatische Einschlüsse als heterogene Keime für die Umwandlung in chaotisch angeordnete, intragranulare Nadelferrite fungieren. Somit kann die Zähigkeit signifikant gesteigert werden. Bei zu hoher Borkonzentration erfolgen hingegen vermehrt athermische Umwandlungen und es werden insbes. spröde Gefügebestandteile ausgebildet. Weiterhin wird eine Zulegierung von Molybdän zur gezielten Unterdrückung von Korngrenzenferrit mit grober, polygonaler Morphologie festgelegt. Entsprechend dem Stand der Technik wurden geeignete chemische Zusammensetzungen in Voruntersuchungen ermittelt und bezüglich ihrer prognostizierten Gefügestruktur analysiert [9] [10]. 3 Voruntersuchungen Sämtliche für die grundlegenden Voruntersuchungen durchgeführten Schweißungen erfolgten mit UP-Eindrahttechnologie (DC+) bei äußerer Regelung über den Elektrodenvorschub (∆U-Regelung). Als einheitliche Schweißparameter wurden die Schweißstromstäke I = 600 A, Schweißspannung U = 30 V bei einer Schweißgeschwindigkeit vW = 0,55 m/min definiert. Dementsprechend resultiert eine nominelle Streckenenergie von EI = 1,96 kJ/mm. Es wurde eine Drahtelektrode mit dEl = 4,0 mm nach DIN EN ISO 14171-A S3Si und als zusätzlicher Kaltdraht entweder gleichartiger S3Si bzw. andersartiger S2MoTiB mit dKD = 2,4 mm unter fluoridbasischem Pulver geschweißt. 3.1 Geometrische Beeinflussung Zur grundlegenden Überprüfung der Einsatzmöglichkeit einer zusätzlichen Kaltdrahtzufuhr beim UP-Schweißen wurde der Einfluss variabler Prozessparameter auf die geometrischen Kennwerte der Schweißraupen mittels statistischer Versuchsplanung (DoE) ermittelt. Hierzu wurde mittels fraktionellen teilfaktoriellen Versuchen die Positionierung (vor-/nachlaufend, Abstand zur Elektrode, Zufuhrwinkel) sowie der Drahtvorschub des Kaltdrahtes variiert. Durch Sensitivitätsanalysen wurde der statistische Einfluss auf die wesentlichen Kennwerte wie Schweißnahtbreite, Schweißnahtüberhöhung, Einbrandtiefe, Einbrand- und Auftragsfläche sowie die Wärmeeinflusszonen-Fläche untersucht. Die statistische Auswertung mittels Pareto-Analyse ergab, dass der Einfluss des Zufuhrwinkels für die resultierende Geometrie nicht wesentlich ist und demnach entsprechend der Anwendung variiert werden kann. Maßgeblich erfolgt eine Beeinflussung durch die Schweißgutvolumina bestimmenden Parameter Kaltdrahtdurchmesser und Kaltdrahtvorschubgeschwindigkeit. Weiterhin wurden hochfrequente Prozessanalysen anhand des Parameterverlaufes U(t) und I(t) durchgeführt. Es wurden keine signifikanten Beeinflussungen festgestellt. In Versuchsreihen wurde sukzessiv ermittelt, bis zu welchem Anteil Kaltdraht prozesssicher zugeführt werden kann. Es konnten Abschmelzleistungssteigerungen von bis zu +60 % in Abhängigkeit der Positionierung und des Durchmessers des KD erreicht werden. Bei zu hohem KD-Vorschub wird der Prozess zunehmend destabilisiert. Des Weiteren kann eine unzureichende KD-Aufschmelzung zu Unstetigkeitsstellen wie festen Schlackeneinschlüssen, fehlenden Anbindungen sowie unregelmäßige Raupenkonturen aufgrund erhöhter Schmelzbaddynamik führen. 3.2 Legierungstechnische Beeinflussung Die legierungstechnische Modifikation des S3Si-Schweißgutes mit S2MoTiB-Kaltdrahtzufuhr wurde durch chemische Analysen des reinen Schweißgutes nach ISO 6847 mittels optischer Emissionsspektrometrie (metallische Elemente) und Trägergasschmelzextraktion (O, N) in der Decklage eines 5-lagigen Auftragschweißgutblocks untersucht. Die für die legierungstechnische Beeinflussung des Schweißgutes relevanten Elemente Molybdän, Titan und Bor sind in Abhängigkeit der Kaltdrahtzufuhr (Position und Anteil im Schweißgut) in Bild 2 dargestellt. Der Werkstofftransfer wird bei einer Positionierung nahe der Elektrode (< 2 mm) im Lichtbogen angenommen, während bei einer nachlaufenden Positionierung > 5 mm von einem Übergang im Schmelzbad ausgegangen wird. Bild 2: Auszug aus chemischer Analyse des reinen Schweißgutes in Abhängigkeit der Kaltdrahtparameter und Mikrostruktur des mittigen Schweißgutes (Basis: S3Si) in Abhängigkeit des zugeführten Kaltdrahtanteils (KD: S2MoTiB), Nital, 200:1 Es konnte eine gezielte Steuerungmöglichkeit über die Kaltdrahtparameter festgestellt werden. Weiterhin ist eine Abhängigkeit von der Positionierung des zugeführten Kaltdrahtes zu verzeichnen. Bei einem Werkstoffübergang im 2 DVS 337
Lichtbogen tritt ein stärkerer Abbrand der Sauerstoff affinen Elemente Titan und Bor auf, sodass im Schweißgut ein leicht geringerer Anteil als bei einem im Schmelzbad zugeführten Kaltdraht resultiert. Dennoch ist für eine prozesssichere Zufuhr des Kaltdrahtes ein Werkstofftransfer im Lichtbogenbereich der Schweißkaverne zu empfehlen, da nur in diesem Falle gewährleistet werden kann, dass entsprechend hohe Gehalte an Ti (ca. 200 ppm) und B (ca. 20 ppm) im Schweißgut vorliegen. Die Sauerstoffgehalte wurden nur geringfügig vom KD-Anteil beeinflusst. Während bei der Referenz ca. 310 ppm Sauerstoff vorliegen, liegen bei den KD-Varianten mit Übergang im Lichtbogen leicht erhöhte O-Gehalte von 340 ppm und bei direkter Zufuhr in die Schmelze leicht verringerte O-Gehalte von ca. 270 ppm vor. Die Stickstoffgehalte betragen bei der Referenz ca. 40 ppm und liegen bei sämtlichen KD- Varianten leicht vermindert im Bereich zwischen 35 und 40 ppm. Die gezielte Einstellung der chemischen Schweißgutzusammensetzung wurde auch metallographisch bestätigt. Die Querschliffe des reinen Schweißgutes sind in Abhängigkeit des zugeführten Kaltdrahtanteils in Bild 2 dargestellt. Es liegen jeweils ferritische Schweißgüter vor. Bei der Referenz ist ein deutlicher Anteil an Hochtemperaturphasen auf den ehemaligen Austenitkorngrenzen wie allotriomorph proeutektoider Ferrit und Ferrit in Widmannstätten‘scher Struktur mit gerichteten Sekundärphasen zu verzeichnen. Während intragranular vorwiegend chaotisch angeordneter acicularer Ferrit bzw. Nadelferrit vorliegt. Die sukzessive Steigerung des Kaltdrahtanteils bedingt eine Reduzierung der zähigkeitsmindernden Hochtemperaturphasen, welche mit der chemischen Zusammensetzung korreliert. 3.3 Energetische Beeinflussung Der Einfluss zusätzlicher Kaltdrahtzufuhr auf die Energiebilanz des UP-Schweißprozesses wurde anhand des effektiven Wirkungsgrades ηeff kalorimetrisch analysiert. Mittels Flüssigkeitskalorimeter wurde die in das Grundblech eingebrachte Wärmeenergie bestimmt und mit der umgesetzten elektrischen Arbeit bilanziert (vgl. [11]). Die für die Bestimmung der gesamten elektrischen Arbeit erforderlichen zeitdiskreten Strom- und Spannungsverläufe wurden hochfrequent (fs = 12,5 kHz) aufgenommen. Die ermittelten Wirkungsgrade der unterschiedlichen Konfigurationen sind in Bild 3 aufgeführt. Es wurden jeweils drei Versuche mit redundanten Bedingungen durchgeführt und statistisch ausgewertet. Bei der UP-Eindraht-Referenzschweißung wurde ein effektiver Wirkungsgrad von ηeff = 94,6 % ermittelt. Die Schweißungen mit Kaltdrahtzufuhr weisen jeweils einen geringeren Wirkungsgrad in Abhängigkeit des KD-Anteils auf, welche bei gleichen Schweißstromparametern eine Reduzierung der ins Grundblech eingebrachten Wärmeenergie bedeutet. Dies kann durch eine effektivere Ausnutzung der Lichtbogenenergie für das Aufschmelzen des zusätzlichen Drahtes gedeutet werden. Durch die demnach geringere thermische Belastung des Grundwerkstoffes kann eine verminderte Streckenenergie angenommen und somit höhere Schweißströme zur Erhöhung der Abschmelzleistung unter Gewährleistung der Schweißeignung des Grundwerkstoffes ermöglicht werden. Bild 3: Kalorimetrisch bestimmter effektiver Wirkungsgrad für unterschiedliche UP-Kaltdrahtschweißungen Bei der Schweißung mit nachlaufend zugeführtem Kaltdraht mit einem Anteil von ca. 31 % wurde der geringste effektive Wirkungsgrad von ηeff = 85,4 % ermittelt, was einer relativen Veränderung von Δηeff = -9,8 % gegenüber der Referenzschweißung entspricht. Der aus dem Stand der Technik hervorgehende Heat-Input Reduction Factor C [7] bzw. die nach [6] erweiterte Form C* (s. Bild 3), welche zudem kaltdrahtbedingt veränderte Strom- und Spannungswerte berücksichtigt, konnten nicht bestätigt werden. Für die erfolgten Schweißungen ergeben sich rechnerisch bei zusätzlicher Kaltdrahtzufuhr von +45 % effektive Streckenenergien von E * eff = 1,35 kJ/mm, während die kalorimetrischen Untersuchungen eine Streckenenergie von E = 1,75 kJ/mm prognostizieren lassen. 4 Versuchsgegenstand Für die Schweißversuche zur Qualifizierung unter Fertigungsbedingungen wurden genormte Zusatzwerkstoffe verwendet. Als Ausgangsdrahtpulverkombination wurden Elektroden entsprechend DIN EN ISO 14171-A S3Si der Fa. Fliess und ein fluoridbasisches Pulver EN 760 SA FB 1 55 AC H5 der Fa. Oerlikon eingesetzt. Dies ergibt ein ferritisches Schweißgut, welches hauptsächlich aus Nadelferrit (AF) mit Anteilen an typischen Überhitzungsgefügen wie bspw. Ferrit mit Sekundärphasen (FS) und proeutektoidem Ferrit (PF) besteht (s. Bild 5, Referenz). Als Grundwerkstoff wurde der normalisierend gewalzte schweißgeeignete Feinkornbaustahl S355NL nach DIN EN 10025-3 verwendet. Dieser Stahl weist eine Mindestkerbschlagarbeit von 27 J bei einer Prüftemperatur von -50 °C auf. DVS 337 3
Seite 1 und 2: 2017 DVS-BERICHTE DVS Congress Gro
Seite 3 und 4: Bibliografische Information der Deu
Seite 5 und 6: Inhaltsverzeichnis Vorwort Große S
Seite 7 und 8: Methoden- und Systementwicklung zum
Seite 9 und 10: Additive Manufacturing - Laserstrah
Seite 11 und 12: Laserstrahlschweißen von Kupferble
Seite 13: Wirtschaftlicheres Fertigen von Off
Seite 17 und 18: Die Phasenanteile der Matrix wurden
Seite 19 und 20: [8] DIRKSEN, D., et al.: Schweißen
Seite 21 und 22: Im Folgenden werden die Ergebnisse
Seite 23: Ausgehend von Schweißungen mit Nul

Leseprobe_300337

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?