Leseprobe_300337

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Geschweißt wurde mittels UP-Tandem-Prozess mit zwei S3Si-Elektroden in Ø 4,0 mm mit DC+ und AC~ Polung. Bei den mit Kaltdraht angepassten Varianten wurde ein zusätzlicher Draht im Winkel von 8° in das Schweißbad zwischen den Elektroden eingebracht (s. Bild 4). Dieser wurde entweder gleichartig als S3Si oder artfremd als S2MoTiB in jeweils Ø 4,0 mm zugeführt. Die einheitliche nominelle Streckenenergie betrug EI = 2,7 kJ/mm. 4 1 Stromkontaktrohr Elektrode 1 2 Kaltdrahtzufuhr 3 Stromkontaktrohr Elektrode 2 2 4 Pulvervorratsbehälter 5 Pulverabsaugung 1 3 5 Bild 4: Versuchskonfiguration und Schweißfolge bei dickwandigen Monopiles (li.) und Parameter der Schweißungen (re.) Die mechanisch-technologischen Kennwerte wurden an Verbindungsschweißgütern nach DNV GL-OS-401 ermittelt [1]. Es wurde ein generischer Stumpfstoß mit HV-Nahtvorbereitung (50°, h = 25 mm) an einem Grobblech mit einer Blechdicke von t = 55 mm definiert. Dies entspricht einer fertigungsrelevanten Teilschweißung (Innen-V-Naht) von Längs- bzw. Rundnähten an großdimensionalen Monopiles bei der Fa. EEW SPC (s. Bild 4). In der Produktion der dickwandigen Großrohre wird zunächst einseitig an einer Y-Nahtvorbereitung die Innenschweißnaht gefertigt. Hierzu werden auf einer MAG-Wurzellage die Fülllagen mittels UP-Mehrdraht-Technologie geschweißt. Anschließend wird die Außennaht durch Einfräsen einer Tulpenkontur vorbereitet, welche das Entfernen der Wurzelschweißung miteinschließt. Die Fülllagen der Außen-U-Naht werden ebenfalls mit UP-Mehrdraht geschweißt. 5 Ergebnisse Es konnten sämtliche Schweißungen prozesssicher angefertigt und anschließend mittels zfP (VT, PT und UT) als qualitätsgerecht beurteilt werden. Die Charakterisierungen wurden anhand der Qualifizierungsuntersuchungen in Anlehnung an [1] durchgeführt. Das Festigkeitsverhalten wurde mittels quasi-statischer Zugversuche längs und quer zur Schweißnaht und das Zähigkeitsverhalten mittels Biege- und Kerbschlagbiegeversuche untersucht. 5.1 Schweißgutmikrostruktur Die Schweißgutmikrostruktur wurde anhand von Querschliffen metallographisch analysiert. In Bild 5 sind exemplarisch die relevanten Schweißgutbereiche thermisch unbeeinflusstes Schweißgut (WM AW), Grobkornzone im Schweißgut (WM GCHAZ), normalgeglühtes Schweißgut (WM GRHAZ) der Mehrlagenverbindungsschweißung von der Referenz und der Probe B vergleichend dargestellt. Es konnten die aus den Voruntersuchungen abgeleiteten Parameter für die Optimierung der Gefügestruktur mittels MoTiB-Konzept in den Bereich der fertigungsrelevanten Mehrlagenverbindungsschweißung transferiert werden. Die infolge der wiederholten Wärmezyklen beeinflussten Bereiche des Schweißgutes erfahren ebenfalls optimierte energetische Umwandlungsbedingungen, sodass auch hier eine Kornfeinung zu verzeichnen ist. Die quantitativen Gefügeanalysen erfolgten lichtoptisch anhand von jeweils drei Mikroschliffen (500:1). Die Matrix wurde mittels Punktanalyse (100-Punkt-Raster) und stereologischer Interpretation an Nital geätzten Schliffen untersucht. Weiterhin wurden die seigerungsbedingt entstandenen Martensit-Austenit-Mikrophasen (MA) an mittels Farbniederschlagsätzung nach LePera präparierten Schliffen untersucht und bildverarbeitungstechnisch (Binarisierung, morphologische Korrekturoperationen, Segmentierung und Klassifizierung) ausgewertet (s. Bild 6). Bild 5: Gegenüberstellung der Schweißgutgefügestruktur der UP-Tandem-Verbindungsschweißungen Referenz aus S3Si und legierungstechnisch modifizierte Probe B mit ca. 30 % KD-Anteil an S2MoTiB, Nital, 100:1 4 DVS 337
Die Phasenanteile der Matrix wurden entsprechend ihrer eigenschaftsbestimmenden Wirkung kategorisch in proeutektoidem Ferrit intragranular PF bzw. intergranular auf ehemaliger γ-Korngrenze PF(GB), gerichteter Ferrit mit Sekundärphasen FS bzw. FS(GB) oder Nadelferrit AF klassifiziert (vgl. [12]). Die Ergebnisse des unbeeinflussten Schweißgutes im Fülllagenbereich sind mit exemplarischen Schliffen in Bild 6 (li.) aufgeführt. Bei gleichartiger Kaltdrahtschweißung (Probe A) resultieren ähnliche Gefügezusammensetzungen wie bei der Referenz. Der Anteil intergranularer Hochtemperaturphasen wie PF(GB) und FS(GB) liegt jedoch leicht höher und bedingt einen ca. 10 % geringeren Nadelferritanteil gegenüber der Referenz. Der AF-Anteil der Schweißung mit MoTiB- Modifizierung (Probe B) wurde hingegen signifikant auf ca. 83 % gesteigert, während PF- und FS-Anteile stark reduziert wurden. Bild 6: Mikroschliffe im Bereich des unbeeinflussten Schweißgutes (WM AW) und Quantitative Matrixauswertung, Nital, 500:1 (li.) und MA-Mikrophasenauswertung, LePera, 500:1 (re.) In Bild 6 (re.) ist die MA-Auswertung zusammenfassend mit exemplarisch repräsentativen Schliffen dargestellt. Die Mikroschliffaufnahmen sind mit den bildverarbeitungstechnisch erfassten Segmenten/ Partikeln farblich maskiert. Partikel mit einer Fläche < 5 µm² sind rot und ≥ 5 µm² grün dargestellt. Es werden jeweils die Flächendichten (FD) aller erfassten Partikel MAges, der Partikel mit Flächen größer 5 µm² MA>5 und der mit gerichteter Form MAalig (Aspektverhältnis l/b > 4) verglichen, da diese als lokale Sprödigkeitsbereiche mit dem Werkstoffverhalten korrelieren [13]. Die MAges-Flächendichten sind bei den Kaltdrahtvarianten gegenüber der Referenz erhöht. Die Probe A weist eine höhere Dichte an relativ großen und gerichteten MA>5 bzw. MAalig auf, welche insbesondere im Bereich der ehemaligen γ-Korngrenzen vorliegen und die Ausbreitung instabilen Risswachstums begünstigen. Bei der Probe B liegen hingegen deutlich weniger großflächige MA>5 und in etwa äquivalent viele MAalig wie bei der Referenz vor. Die gesteigerte Anzahl und fein disperse Verteilung der MA bei der Probe B kann auf den hohen Nadelferritanteil zurückgeführt werden und prognostiziert hohe mechanisch-technologische Werkstoffkennwerte. Demzufolge bietet die KD-Zufuhr die Möglichkeit auch bei perspektivisch höheren Streckenenergien die Ausbildung spröder Phasen zu kompensieren und somit äquivalente Eigenschaften wie die Referenzschweißung zu erreichen. 5.2 Mechanisch-technologische Kennwerte Zur Charakterisierung des Schweißgutes bezüglich des Festigkeits- und Duktilitätsverhaltens unter quasistatischer Zugbeanspruchung wurden Rundzugproben (längs) mit d = 10 mm und l0 = 50 mm geprüft. Es wurden jeweils ausgeprägte Schreckgrenzen festgestellt. Die ermittelten Kennwerte sind in Bild 7 vergleichend gegenübergestellt. Bild 7: Festigkeits- und Duktilitätskennwerte des Schweißgutes unter quasi-statischer Zugbeanspruchung (li.) Kerbschlagbiegearbeit in den relevanten Bereichen der Schweißnaht (re.) Die Festigkeit und Duktilität der gleichartigen Kaltdrahtschweißung entsprechen denen der Referenzschweißung. Die obere Streckgrenze im Schweißgut längs beträgt ReH ≈ 520 MPa bei einer Zugfestigkeit von Rm ≈ 590 MPa. Bei der legierungstechnisch angepassten Probe B wurde eine Erhöhung der Streckgrenze gegenüber der Referenz DVS 337 5
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