Fachzeitschrift_OeGS_03_04_2019

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Elektronenstrahl-Schweißungen eines martensitischen Chromstahls mit lokalem Legieren ■■ A. Rabl, F. Pixner, B. Duarte, C. Béal und N. Enzinger TU Graz, IMAT Abstract Martensitische Chromstähle sind bevorzugte Werkstoffe für Hochtemperaturkomponenten in thermischen Kraftwerken. Frühere Untersuchungen ergaben, dass durch den Einsatz von MarBN-Stahl (Martensitische, bor- und stickstofflegierte Chromstähle) die minimale Kriechrate deutlich reduziert werden kann. Durch die Verwendung dieses Stahles wird außerdem die Bildung der Feinkornzone innerhalb der Wärmeeinflusszone (WEZ) unterdrückt. Dieser Bereich der WEZ ist besonders anfällig auf Fehler des Typs IV, die einzige klassifizierte Rissart, welche unabhängig vom Schweißprozess und der Wärmenachbehandlung nach langzeitiger Kriechbelastung auftritt. Durch den Einsatz des Elektronenstrahlschweißens kann die Gesamtbreite der WEZ im Vergleich zu herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren deutlich reduziert werden. Voruntersuchungen von elektronenstrahlgeschweißtem MarBN-Stahl zeigten immer wieder Probleme mit Heißrissen im Schweißgut. Es wurden verschiedene Lösungsansätze ausprobiert, jedoch konnten damit keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden. In dieser Arbeit wurde die chemische Zusammensetzung des Schweißguts durch Zugabe von konventionellem 9% Cr-Stahl als Zusatzwerkstoff modifiziert. Damit wurde die Schweißnaht lokal chemisch verändert und es war erstmalig möglich, fehlerfreie Verbindungen herzustellen. Einleitung Durch die stetig wachsende Energienachfrage und den damit verbundenen Anstieg an Emissionen ist es notwendig, hocheffiziente thermische Kraftwerke zu entwickeln. Die Steigerung des Wirkungsgrades der Dampfkraftwerke wird durch eine Erhöhung der Dampfparameter (T, p) erreicht. Diese Anforderungen stellen Werkstoffhersteller und in weiterer Folge die Schweißtechnik vor große Herausforderungen hinsichtlich verbesserter Kriech- und Oxidationsbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe im Langzeiteinsatz. [1–3] Martensitische 9-12% Chromstähle, welche kontrolliert mit Bor und Stickstoff legiert sind (MarBN), wurden speziell für Betriebstemperaturen bis 650 °C entwickelt. Durch das in der Matrix gelöste Bor, das als Mischkristallverfestiger und Stabilisator für M 23 C 6 -Ausscheidungen dient, wird die Vergröberung der M 23 C 6- Ausscheidungen reduziert, so dass der Beginn des tertiären Kriechens erst nach längeren Laufzeiten eintritt. [4] Durch Zulegieren von Stickstoff bilden sich fein verteilte Vanadium- und Niobreiche MX-Carbonitride, welche, bedingt durch die Teilchenhärtung, zu einer Reduktion der Kriechgeschwindigkeit beitragen. [4–6] Die mikrostrukturellen Änderungen des Gefüges in der WEZ, welche aus der thermischen Einwirkung des Fügeprozesses resultieren, sind anfällig für vorzeitige Rissbildung unter Betriebsbedingungen. Der dominierende Versagensmodus wird als Rissbildung Typ IV bezeichnet und tritt in der Feinkornzone der WEZ auf. [3] Durch die kontrollierte Zugabe von Bor und Stickstoff kann die Feinkornbildung in der WEZ teilweise unterdrückt werden. [7] Für diese Arbeit wurde das Elektronenstrahlschweißverfahren (EBW) zum Fügen des MarBN-Stahls NPM1-P eingesetzt. Der Schweißprozess zeichnet sich durch eine sehr hohe Energiedichte (~10 7 W cm -2 ) und hohe Schweißgeschwindigkeiten aus, wodurch tiefe und schmale Schweißnähte mit einer schmalen WEZ herstellbar sind. Aufgrund der hohen Leistungsdichte des Prozesses verdampft das Material sofort und erzeugt eine Dampfkapillare. Mit diesem sogenannten Keyhole ist es möglich, sehr dicke Querschnitte ohne Einsatz von Zusatzwerkstoffen einlagig zu fügen. Aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeit erfolgt auch die Erstarrung sehr schnell, wodurch es zur Ausbildung eines feinen Gefüges innerhalb der Fusionszone kommt. [8,9] Voruntersuchungen von elektronenstrahlgeschweißtem MarBN-Stahl zeigten jedoch ein wiederkehrendes Problem mit Heißrissen im Schweißgut. Es wurde eine systematische Parameterstudie durchgeführt, um den Einfluss unterschiedlicher Schweißparameter auf das Schweißergebnis zu untersuchen. Durch den Einsatz des so genannten Focus Wobblings war es möglich, die Heißrissproblematik zu reduzieren, jedoch nicht vollständig zu unterbinden. [10] Da durch Anwendung des Focus Wobblings keine fehlerfreien Schweißungen hergestellt werden konnten, wurde die Beeinflussung der chemischen Zusammensetzung der Verbindungen sowie das Verhalten bei der Erstarrung genauer untersucht. Durch den Einsatz eines artgleichen Zusatzwerkstoffes sollte die Bildung von Heißrissen innerhalb der Fusionszone verhindert werden. [11–13] In dieser Studie wurde der Zusatzwerkstoff in Blechform zwischen die Fügeteile eingebracht. Über die Auswahl des Zusatzwerkstoffs und die minimal erforderliche Aufmischung zur Herstellung einer heißrissfreien Verbindung wird hier berichtet. Versuchsdurchführung Werkstoffe Für alle im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Schweißversuche wurde die Schmiedevariante NPM1-P verwendet. [14] Die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs ist in Tabelle 1 gegeben. 54 SCHWEISS- und PRÜFTECHNIK 03-04/2019
10. – 12.9.2019 DESIGN CENTER LINZ © IFT-TU Graz NEU 2019: Metal Additive Manufacturing Präsentieren Sie Ihr Unternehmen auf der SCHWEISSEN – Österreichs Fachmesse für Fügen, Trennen, Beschichten, Prüfen und Schützen MIT Know-How Transfer durch erstklassige Workshops! schweissen.at Fachmesse SCHWEISSEN vom 10. bis 12. September 2019 im Design Center Linz SCH19_178x120_SSP Inserat_Spezial.indd 1 20.02.19 15:31 Die SCHWEISSEN ist die einzige österreichische Plattform für die Füge-, Trenn- und Beschichtungstechnik sowie die Themen Prüftechnik und Arbeitsschutz. In diesem Jahr kommen als weitere Ergänzungen die Querschnittthemen Metal Additive Manufacturing, Aus- und Weiterbildung in der Schweißtechnik und Arbeitssicherheit hinzu. Die SCHWEISSEN ist Innovationsschau und Businessplattform. Networking und Wissenstransfer stehen neben dem fachlichen Fokus im Mittelpunkt und bilden die Basis für wirtschaftliche Impulse und Wachstum. Gewerbe, Industrie sowie Klein- und Mittelbetriebe werden gleichermaßen angesprochen. Auch in diesem Jahr wird die Kooperation zwischen der SCHWEISSEN und der ÖGS fortgeführt. In den 6 freizugänglichen Workshops können sich die Besucher über folgende Themen informieren: 1. Ausbildung, Weiterbildung und Arbeitssicherheit in der Schweißtechnik 2. Metal Additive Manufacturing 3. Schweißen: Mechanisierung, Automatisierung, Roboter 4. Qualität und Schweißnaht 5. Normänderungen EN 1090 und Schweißtechnik 6. Innovation – Produktivität – Qualitätsdokumentation Die SCHWEISSEN wurde 2015 von Reed Exhibitions erstmals als eigenständige Fachmesse im Design Center Linz präsentiert. Die Grundlage der Neukonzeption hatten der Transfer in den Österreichischen Zentralraum mit starken Industriezonen sowie der neue Vier-Jahres-Turnus gebildet. Eine Entscheidung, die nicht nur von der gesamten Branche befürwortet worden war, sondern sich auch als goldrichtig erweisen sollte, wie der Premierenerfolg 2015 bewiesen hat. Öffnungszeiten Dienstag, 10.09. bis Donnerstag, 12.09. täglich von 9.00 Uhr bis 17.00 Uhr Veranstaltungsort Design Center Linz Europaplatz 1, 4020 Linz SCHWEISS- und PRÜFTECHNIK 03-04/2019 55
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