SB_20171NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung von Wärmenachbehandlungskonzepten
zur Vermeidung von
Spannungsrelaxationsrissen
an Bauteilen aus hochwarmfesten
Stählen

Entwicklung von
Wärmenachbehandlungskonze
pten zur Vermeidung von
Spannungsrelaxationsrissen an
Bauteilen aus hochwarmfesten
Stählen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.171 N
DVS-Nr.: 01.2261
Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung (BAM)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.171 N / DVS-Nr.: 01.2261 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 547
Bestell-Nr.: 170657
ISBN: 978-3-96870-547-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ................................ 7
1.1 Anlass für den Forschungsauftrag .................................................................................. 7
1.2 Ausgangssituation .......................................................................................................... 9
2 Stand der Technik ..............................................................................................................10
2.1 Warm und -kriechfeste Werkstoffe im Behälterbau ....................................................... 10
2.2 Schweißtechnische Verarbeitung niedriglegierter CrMoV-Stähle .................................. 11
2.2.1 Allgemeiner Einfluss der Schweißverarbeitung auf das Gefüge ................................ 12
2.2.2 Unterpulverschweißen von CrMoV-Stahl .................................................................. 13
2.2.3 PWHT der Schweißverbindung ................................................................................. 14
2.2.4 Gefüge und Eigenschaften der UP-Schweißverbindung ........................................... 15
2.3 Spannungsrelaxationsrissbildung (SRR) ...................................................................... 17
2.3.1 Einflussfaktoren auf die Spannungsrelaxationsrissbildung ........................................ 18
2.3.2 Methoden zur Bewertung der Spannungsrelaxationsrissanfälligkeit .......................... 21
2.4 Bisherige Forschung zur Relaxationsversprödung von 13CrMoV9-10 .......................... 23
2.4.1 Höhe der Schweißeigenspannungen ........................................................................ 23
2.4.2 Temperatur und Anrissbildung .................................................................................. 23
2.4.3 Diffusion, Spannungen und Karbidsequenzen .......................................................... 24
3 Forschungsziel und Lösungsweg .....................................................................................26
3.1 Forschungsziel ............................................................................................................. 26
3.2 Angestrebte Forschungsergebnisse ............................................................................. 26
3.3 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels ........................................................ 27
4 Präzisierung des Arbeitsplanes ........................................................................................28
4.1 Übersicht der Änderungen des ursprünglichen Arbeitsplanes ....................................... 31
5 Versuchswerkstoffe, Werkstoffkennwerte ........................................................................33
5.1 Detaillierte Darstellung des Grundwerkstoffs ................................................................ 33
5.2 Schweißzusatzwerkstoff und Wasserstoffgehalt ........................................................... 34
6 Versuchskonzept und verwendete Gerätetechnik ...........................................................35

Inhaltsverzeichnis
6.1 Schweißtechnik ............................................................................................................ 35
6.1.1 Freischrumpfende UP-Schweißversuche (AP 1) ....................................................... 36
6.1.2 Schweißverfahrensprüfung ....................................................................................... 40
6.1.3 Versuche mit definierter Schrumpfbehinderung in der 2MN-Prüfanlage (AP 3) ......... 41
6.2 Simulierte GKZ mittels Dilatometer ............................................................................... 44
6.3 Schallemissionsanalyse ................................................................................................ 49
6.4 Eingesetzte Schweißnahtprüfmethoden und Charakterisierung der mechanischtechnologischen
Eigenschaften ................................................................................................ 51
7 Forschungsergebnisse und Diskussion ...........................................................................52
7.1 Mechanisch-technologische Kennwerte ........................................................................ 52
7.1.1 Ergebnisübersicht der UP-Schweißversuche, freischrumpfend und mit definierter
Einspannung ........................................................................................................................ 53
7.1.2 Diskussion und Schlussfolgerung der mechanisch-technologischen Prüfung ........... 57
7.1.3 Härtewerte der GKZ als Indikator für SRR-Anfälligkeit .............................................. 61
7.2 Ergebnisse der WEZ Untersuchungen (AP2) ................................................................ 65
7.2.1 Ausdehnung des wärmebehandelten Bereiches ....................................................... 66
7.2.2 Temperaturverteilung ................................................................................................ 68
7.2.3 Auswertung der Längenänderung per Differentialrechnung ...................................... 69
7.2.4 Analytische Betrachtung der Längenänderung über der Temperatur ........................ 71
7.2.5 Bruchbilder und Einschnürung .................................................................................. 75
7.2.6 Theoretische thermodynamische Betrachtung .......................................................... 80
7.3 Mikrostrukturanalyse UP-Schweißversuche .................................................................. 84
7.3.1 Aufbau und Gefüge der Schweißnaht ....................................................................... 85
7.3.2 Einfluss definierter Schrumpfbehinderung und Aufheizrate auf die Mikrostruktur ...... 86
7.3.3 Statistische Auswertung nichtmetallischer Einschlüsse (NME) ................................. 91
7.4 Schweißversuche unter definierter Schrumpfbehinderung ............................................ 95
7.4.1 Temperatur und Reaktionskraftmessung .................................................................. 95
7.4.2 SRC-kritisches Temperaturfenster mittels Schallemissionsprüfung .......................... 99
7.4.3 Einfluss von Streckenenergie und Aufheizrate ........................................................ 101

Inhaltsverzeichnis
8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen................................................................. 104
9 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielen ........................................................ 107
10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse
110
11 Notwendigkeit und Angemessenheit .............................................................................. 111
12 Schutzrechte ..................................................................................................................... 112
13 Verwendung der Zuwendungen ...................................................................................... 113
14 Durchgeführte Transfermaßnahmen in die Wirtschaft .................................................. 114
15 Geplanter Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................. 116
15.1 Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzeptes .......................................... 117
16 Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 118
17 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................... 123
18 Tabellenverzeichnis ......................................................................................................... 128

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 7
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung
Aufgrund der immer knapper werdenden Rohstoffressourcen und geopolitischen Bedingungen
sind die wichtigsten Herausforderungen heute und in Zukunft Energie und Nachhaltigkeit. In
Deutschland wird Strom immer noch zu 60% (Stand 2021) aus nicht regenerativen
Energiequellen erzeugt. [1] Erneuerbare Energie und deren Speicherung (z.B.
Wasserstofferzeugung) trägt zurzeit schon mit 40 % zur Stromerzeugung in Deutschland bei.
Nach dem Energiekonzept der deutschen Bundesregierung sind die regenerativen Energien
stetig auszubauen.
In diesem Zusammenhang ist eine stabile Energieversorgung, die sowohl Grund- als auch
Spitzenlasten abdeckt, unerlässlich. Der Fokus richtet sich in diesem Zusammenhang auf
nachhaltige und umweltfreundliche Energiegewinnung, die zuverlässig verfügbar und damit
grundlastfähig ist (z.B. Wasserstoffherstellung aus Power-to-Gas-Anwendungen, Fuel-
Upgrading, Solarthermie). Diese Prozesse erfordern erhöhte Temperaturen und Drücke. Infolge
dessen steigt auch der Bedarf an warmfesten Stählen stetig an (mehrere 10.000 t allein in
Deutschland pro Jahr).
Steigende Umweltanforderungen erfordern zudem die stetige Anhebung der
Prozesstemperaturen und -drücke bspw. in Anlagen der chemischen Industrie. Während der
Projektantragsphase (2018) wurden 90 % des weltweit hergestellten Wasserstoffs über
Dampfreformierung oder in Hydrocrackern hergestellt. Schlüsselfaktoren sind die dafür
optimierten hochwarmfesten Stahlwerkstoffe und eine sichere schweißtechnische Verarbeitung.
[2] Hierbei stellen die niedriglegierten CrMoV-Stähle äußerst geeignete Materialkandidaten dar,
(als gängige Materialen in chemischen Reaktoren für die Wasserstoffherstellung oder für die
Speicherung von latenter Wärme in Dampfspeichern von Solarthermie-Kraftwerken). Gewichte
im Bereich von mehreren hundert Tonnen typisch, was Herstellungskosten im Mio.-Bereich
beinhaltet.
Die eingesetzten Stähle sind metallische Hochtemperaturwerkstoffe mit typischen
Einsatztemperaturen oberhalb von 400 °C und zeichnen sich durch sehr gute
Druckwasserstoffbeständigkeit und hohe Lebensdauer unter Kriechbelastung aus. CrMoV-Stähle
finden sich in zahlreichen hochtemperaturbeanspruchten und äußerst kostenintensiven
Bauteilsegmenten. [2]-[5] Beispielsweise liegen sogenannte Hydrocracker (inkl. aller
Nebeneinbauten) im Wert von mehreren Mio. Euro. [6]
1.1 Anlass für den Forschungsauftrag
Die Energie- und Ressourceneffizienz kann durch eine Wandstärkenreduktion, verbunden mit
herabgesetzten Verarbeitungskosten solcher Komponenten gesteigert werden. Daraus folgt eine
hohe thermische und mechanische Bauteilbeanspruchung, die nur durch verbesserte
Werkstoffeigenschaften abgesichert werden kann [1], [7]. Durch den Einsatz von CrMoV-Stählen
können ca. 25 % der Wandstärke im Vergleich zu konventionellen Werkstoffkonzepten eingespart
werden, dadurch ergibt sich pro unterpulvergeschweißte Ringnaht (Engspaltschweißung mit
25 mm Flankenabstand) eine Reduktion des Schweißguts von 365 kg auf 285 kg bzw. bei ca.
zehn Ringsegmenten eine Reduktion für die gesamte Komponente auf rund 2,9 t von sonst 3,7 t
notwendigen Schweißzusatz. Darüber hinaus verringert sich auch die Anzahl der
einzubringenden Schweißlagen bzw. verkürzt sich die benötigte Schweißzeit.

8 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die schweißtechnische Verarbeitung (Wärmeführung,
Beachtung von Eigenspannungen in der Naht) [8]. In diesem Zusammenhang ist die Vermeidung
von Spannungsrelaxationsrissen (SRR) durch geeignete Wärmenachbehandlungskonzepte bei
der schweißtechnischen Verarbeitung unerlässlich. Die schweißtechnische Verarbeitung erfolgt
hierbei primär durch eine derzeit sehr begrenzte Anzahl von hochspezialisierten kmU (kleinen
und mittlere Unternehmen). Das bislang generierte Fachwissen beruht dabei jedoch stets auf rein
werkstofflich basierten Empfehlungen [9], berücksichtigt jedoch nie die tatsächlich vorliegenden
Bauteilbeanspruchungen. Abgesicherte Regelwerke und definierte
Wärmenachbehandlungsmaßnahmen (Post Weld Heat Treatment - PWHT) zur sicheren
Rissvermeidung hinsichtlich der Temperatur und Haltezeit liegen somit nicht vor. Im Fall einer
fehlenden PWHT, besitzt die Bauteilschweißung eine unzulässige Zähigkeit und ist damit äußerst
SRR-anfällig [7], [10].
Gerade steife Bauteilsegmente mit hoher konstruktiver Schrumpfbehinderung und hohen
Zugeigenspannungen neigen außerordentlich zu SRR [2]. Allein in Europa waren seit 2009 62
Großanlagen in industriellem Maßstab mit CrMoV-Stählen in Betrieb oder im Bau, weltweit fast
400 in Betrieb und weitere 200 im Bau [3]. Deren verspätete Inbetriebnahme oder Ausfall infolge
SRR führt zu immensen nachgeschalteten wirtschaftlichen Einbußen. Das fehlende Wissen zur
Interaktion werkstofflicher, prozesstechnischer und bauteilspezifischer, konstruktiver Faktoren
(bspw. unterschiedlich hohe Steifigkeit bei Dickensprüngen) führt schließlich dazu, dass eine
risssichere schweißtechnische Verarbeitung dieser hochwarmfesten Werkstoffe in
sicherheitsrelevanten Bauteilen schwierig möglich. [2], [3]-[7] Nur eine kleine Anzahl von speziell
zertifizierten kmU kann zurzeit daher von diesem wirtschaftlich hochbedeutenden Industriesektor
partizipieren. [2]-[7]
Die Vermeidung von SRR während der Wärmenachbehandlung von Bauteilen aus
hochwarmfesten CrMoV-Stählen ist aufgrund fehlender Wärmenachbehandlungskonzepte und
entsprechender Regelwerke nicht abgesichert. SRR führen zu kosten- und zeitintensiven
Nacharbeiten bis hin zum Bauteilversagen. Neben werkstofflichen Aspekten sind für die
Initiierung von SRR die Wärmenachbehandlungsparameter (Aufheizrate, Haltezeit,
Spitzentemperatur) und die Bauteilspezifika (konstruktive Schrumpfbehinderung) maßgeblich.
Wärmenachbehandlungskonzepte großvolumiger Bauteile sind dabei oft nicht wirtschaftlich
ausgelegt (Optimierungsbedarf wesentlicher Kostenfaktoren: Taktzeiten, Temperatur-Zeit-
Regime).
Die angestrebten Forschungsergebnisse erzielen, insbesondere für kmU, essentielle Beiträge zur
Stärkung der Innovationsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit. Sie sichern den Hauptteil der
schweißtechnischen Verarbeitung ab, ihre Anzahl ist aber aufgrund des notwendigen Know-hows
hinsichtlich SRR-Vermeidung derzeit sehr begrenzt. So werden durch die Bereitstellung von
adaptierten Wärmeführungskonzepten zur Vermeidung von SRR Schäden und Folgekosten
durch Nacharbeiten nach dem Wärmebehandeln vermieden. Beispielsweise wird ein Behälter im
Apparatebau entweder komplett oder lokal wärmebehandelt. Dies bedingt hohen Aufwand an
Personal und apparativen Notwendigkeiten. [11] Dabei dauert die PWHT mit Aufheizen und
Abkühlen bis zu Tagen. Werden SRR festgestellt, ergibt sich eine zusätzliche Verzögerung in der
Fabrikation durch die notwendige Entfernung der betreffenden Bauteile mit Bindung von
Personal- und Produktionsmitteln, die schnell mehrere 1.000 Euro pro Tag erreichen können.
Das primäre Ziel dieses Forschungsprojektes besteht daher in der Erschließung neuer kmU als
Anwender, Zulieferer und Dienstleister (Anzahl bisher auf wenige Unternehmen beschränkt) und
der Beseitigung deren immenser Wettbewerbsnachteile (insbesondere von FuE-Kapazitäten)
hinsichtlich SRR. Diese Zielstellung wird durch die anspruchsvolle schweißtechnische
Verarbeitung hochwarmfester Stahlgüten verdeutlicht, sodass derzeit kmU kaum für deren
schweißtechnische Verarbeitung qualifiziert sind. [2], [3], [7] Die Forschungsergebnisse werden

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 9
für das notwendige Verständnis zur Verarbeitung von CrMoV-Stahlgüten signifikant beitragen.
Die Wärmenachbehandlung ist dabei ein erheblicher Kostenfaktor in der Fertigung geschweißter
Komponenten. Durch die Optimierung der Wärmenachbehandlungsparameter (Aufheizrate und
Haltedauer) werden Kosten eingespart und somit die Wettbewerbsfähigkeit der kmU deutlich
gesteigert. Abgesicherte Aufheizraten, bei denen SRR an hochbeanspruchten Komponenten
ausgeschlossen werden können, erhöhen signifikant die Zuverlässigkeit der PWHT. Darum sind
diese als primärer Faktor für eine optimierte PWHT anzusehen. Weiterhin sollten exzessive
Haltezeiten von mehreren Stunden vermieden werden, da diese nur noch begrenzten Einfluss
auf den gewünschten Spannungsabbau haben. [12] Dieser erfolgt primär, ebenso wie die SRR,
beim Aufheizen. Dementsprechend müssen systematisch Aufheizraten untersucht werden. Im
Sinne einer SRR-freien Schweißnaht einer hochbelasteten Komponente, kann dies auch
bedeuten, dass evtl. langsamer aufgeheizt werden muss als bisher empfohlen (bspw. mit bis zu
100 °C/h), da auch thermomechanische Spannungen im Bauteil zu beachten sind.
1.2 Ausgangssituation
Undefinierte Wärmenachbehandlungen führen derzeit zu SRR und hohen wirtschaftlichen
Schäden sowie kostenintensiven Sanierungs- und Reparaturmaßnahmen (Ausfallzeiten des
Personals und blockierte Schweißfertigungsplätze). Infolge des geplanten direkten
Wissenstransfers (prä- und auch konormativ) bezüglich der Korrelation zwischen dem
vorliegenden Schweißgefüge und genutzten Parametern während der Wärmebehandlung
werden SRR und Komponentenausfälle a-priori vermieden. Die Erhöhung der Prozesssicherheit
steigert die Effizienz bei der schweißtechnischen Verarbeitung und sichert somit die
Wirtschaftlichkeit, was hier vor allem die kmU betrifft.
Die werkstofflichen Forschungsaspekte des geplanten Vorhabens werden zur Verbesserung der
Werkstoffeigenschaften dienen schweißtechnisch gefertigte Komponenten in Verbindung mit
herabgesetzten Verarbeitungskosten ermöglichen. Dies steigert gleichsam die Nachhaltigkeit bei
der Verarbeitung sowie die Effizienz beim Einsatz (Reduktion der CO 2-Emissionen).
Die aufgeführten wirtschaftlichen Beispiele und Fakten verdeutlichen die hohe Attraktivität der
Forschungsthematik und zeigen das sehr hohe Markt- bzw. Einsparpotential auf.