Fachzeitschrift_OeGS_03_04_2019

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C Mn Cr Mo Co W V Nb N B Fe [Gew.-%] 0.07 0.5 9.0 0.05 2.9 2.9 0.2 0.05 0.01 0.01 Bal. Tabelle 1: Chem. Zusammensetzung des MarBN Stahls NPM1-P in Gew.-% [Gew.-.%] C Mn Cr Mo Co W V Nb N B Fe min. 0.08 0.30 8.0 0.85 - - 0.18 0.06 0.03 - Bal. max. 0.12 0.60 9.5 1.05 - - 0.25 0.10 0.07 - Tabelle 2: Chem. Zusammensetzung von P91 in Gew.-% [17] Vor dem Schweißen wurde der Grundwerkstoff einer Qualitätswärmebehandlung unterzogen, um ein angelassenes martensitisches Gefüge mit M 23 C 6 und MX-Ausscheidungen zu erhalten, welche für die guten Kriecheigenschaften verantwortlich sind. [15] Die Wärmebehandlung setzt sich aus Normalisieren bei 1120 °C für 1 h, anschließender Luftkühlung, gefolgt von zwei Anlassvorgängen bei 750 °C für je 3 h und anschließender Luftkühlung zusammen. [16] Da vermutet wird, dass Bor die Heißrissbildung fördert, wurde in dieser Arbeit der Einfluss von Bor (und Stickstoff) auf die Heißrissanfälligkeit untersucht und der B-Gehalt lokal im Bereich der Fusionszone reduziert. Daher wurde als Zusatzwerkstoff der martensitische 9% kriechbeständige Cr-Stahl P91 verwendet. Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 2 angeführt. Die verwendeten Stähle weisen eine sehr ähnliche chemische Zusammensetzung auf, jedoch enthält P91 kein B, Co und W. [18]. Schweißstrom I Beschleunigungsspannung U Schweißgeschwindigkeit u Streckenenergie E Strahlfigur Strahldurchmesser Arbeitsabstand Fokus Wobbling Fokuslage Fokusänderung Frequenz 150 mA 120 kV 8.0 mm/s 22.5 kJ/cm Kreis 0.5 mm 800 mm -40 mm 15 mm 500 Hz Tabelle 3: Optimierte Schweißparameter für die Versuchsschweißungen Schweißversuche Für die Schweißversuche wurde die pro-beam EBG 45-150 K14 Elektronenstrahlschweißanlage des Instituts für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik (IMAT) der TU Graz verwendet, welche mit einem 150 kV - 45 kW Generator ausgestattet ist. Alle Versuche wurden in Wannenlage (PA) mit bereits optimierten Parametern (Tabelle 3) durchgeführt. Um die Heißrissanfälligkeit des als Zusatzwerkstoff vorgesehenen Stahltyps zu untersuchen, wurden in einem ersten Schritt Blindschweißungen am Grundwerkstoff P91 durchgeführt und diese Ergebnisse mit jenen, des NPM1 verglichen. Zerstörungsfreie Prüfung und metallographische Untersuchungen der P91-Schweißungen wiesen im Gegensatz zu reinen NPM1 Schweißungen keine Heißrisse im Schweißgut auf. Aufgrund der geringeren Heißrissneigung des P91 wurde für alle weiteren Schweißversuche P91 als Zusatzwerkstoff für das Fügen von NMP1 verwendet. Basierend auf den Kenntnissen der Heißrissneigung des konventionellen 9% Cr-Stahls, wurde bei weiteren Versuchen die chemische Zusammensetzung des Schweißguts an Verbindungsschweißungen zwischen NPM1 und P91 graduell verändert. Dazu wurde ein P91 Grundwerkstoff mit einem NPM1 Grundwerkstoff unter einem Winkel von 1° verschweißt (Abbildung 1a). Durch diesen Versuchsaufbau konnte eine variable Aufmischung erreicht werden. Verschiedene Querschnitte entlang der Schweißnaht repräsentieren verschiedene Aufmischungen, welche systematisch untersucht wurden. Es hat sich gezeigt, dass mit zunehmendem Anteil an P91 die Heißrissneigung deutlich gesunken ist. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden weitere Schweißversuche mit P91 als Zusatzwerkstoff durchgeführt. Dazu wurde ein P91 Blech zwischen den NPM1 Grundwerkstoffen platziert (Abbildung 1b) und mit den gleichen Parametern wie bei den Vorversuchen verschweißt. Um den Einfluss der Aufmi- Abbildung 1: Versuchsaufbau Verbindungsschweißungen a) mit einem Winkel von 1° zwischen den zwei Werkstoffen und b) mit P91 als Zusatzwerkstoff 56 SCHWEISS- und PRÜFTECHNIK 03-04/2019
Abbildung 2: Übersicht und REM Detailaufnahmen von Schweißverbindungen mit einem a) 1.5 mm dicken Zusatzblech (60% P91) und b) 2.0 mm dicken Zusatzblech (80% P91) schung zu untersuchen wurden drei verschieden dicke Bleche (1.5 mm, 2.0 mm und 2.5 mm) als Zusatzwerkstoff verwendet. Ergebnisse und Diskussion Gefüge Für die Charakterisierung der Verbindungsschweißungen mit Zusatzwerkstoff wurden Querschnitte mit metallographischen Standardmethoden vorbereitet. Lichtmikroskopische Untersuchungen des NPM1 Grundwerkstoffes zeigen ein Gefüge aus angelassenem Martensit als Ergebnis der durchgeführten Qualitätswärmebehandlung. Um allfällige Schweißdefekte zu charakterisieren wurden rasterelektronenmikroskopische (REM) Untersuchungen durchgeführt. Abbildung 2a zeigt einen Überblick der Verbindung mit 1.5 mm dickem Zusatzwerkstoff. In Kombination mit den Schweißparametern entspricht das einer Mischung von ca. 60% P91 und 40% NPM1. Zahlreiche Ungänzen wurden als Heißrisse identifiziert. Die Verbindung, welche mit einem 2 mm dicken Zwischenblech (ca. 80% P91 und 20% NPM1) geschweißt wurde, zeigt keine Heißrisse, Abbildung 2b. Die REM Untersuchung zeigt vereinzelt Poren und Bindefehler in der Naht. Die Variante mit einem 2.5 mm dicken Zusatzblech weist deutlich mehr Anbindungsfehler auf, was auf die Dicke des Zusatzwerkstoffes bei konstanten Schweißparametern zurück zu führen ist. Aufgrund der zufriedenstellenden Ergebnisse mit dem 2 mm Zwischenblech wurde mittels EDX Linienscans die homogene Verteilung der Elemente an verschiedenen Bereichen des Querschnittes nachgewiesen, Abbildung 3. Chemische Zusammensetzung der Fusionszone Um die Machbarkeit des lokalen Legierens nachzuweisen, wurde eine chemische Analyse mittels optischer Emissionsspektroskopie an Querschnitten der Verbindungsschweißungen, welche mit 1.5 und 2 mm dicken Zusatzblechen gefertigt wurden, durchgeführt. Zusätzlich wurde eine Blindschweißung des NPM1 als Referenzwert erfasst. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Härtemessung Die Härtemessungen wurden entsprechend EN ISO 6507- 1:2016 mit einer EMCO TEST M1C 010 mit einer Prüflast von 1 kg und einer Prüfdauer von 15 s durchgeführt. Abbildung 4 zeigt die Härteverteilung der Verbindung mit einem 2 mm dicken Zusatzwerkstoffblech im Vergleich zu SCHWEISS- und PRÜFTECHNIK 03-04/2019 57
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