Untersuchung des Einflusses zusätzlicher Kaltdrahtzufuhr beim Unterpulverschweißen auf die Heißrissanfälligkeit von austenitischen Werkstoffen
Final Report Abstract
Die im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass beim Unterpulverschweißen mit zusätzlicher Kaltdrahtzufuhr die Schmelzbadgeometrie wesentlich beeinflusst wird. Die Veränderung von Breite, Tiefe, Länge und Form des Schmelzbades führt insbesondere zu einer Beeinflussung der Schweißraupengeometrie. Diese verursacht wiederum eine Veränderung des Einbrandes und der Nahtüberhöhungsfläche der Schweißraupen. Die Untersuchungen am Nickelbasiswerkstoff Alloy 617 haben gezeigt, dass durch die Zufuhr eines zusätzlichen Kaltdrahtes in die Schmelze die Abkühlbedingungen und die Kristallisationsvorgänge der Schmelze deutlich verändert werden. Die Gefügeuntersuchungen und Härtemessungen an den Auftragraupen haben deutlich gemacht, dass das Kristallgefüge beim UP–Standardverfahren grobkörniger und der Kristallverlauf durch große Winkelabweichungen zueinander gekennzeichnet ist. Im Gegensatz hierzu ist die Kristallbildung beim UP–Kaltdrahtverfahren sehr feinkörnig und die Kristalle verlaufen lamellenartig und gerichtet. Grund hierfür ist eine bessere Ausnutzung des Wärmepotentials des Schmelzbades, so dass bei gleich bleibender Wärmeeinbringung eine größere Menge Zusatzwerkstoff abgeschmolzen und der Querschnitt der Naht erhöht werden können. Durch eine nachlaufende Kaltdrahtzufuhr wird eine Reduzierung des Abbrandes von Mikrolegierungselementen, die bei hochlegierten Systemen eine direkte Korrelation zu den mechanischen Eigenschaften haben, erreicht. Insbesondere ist bei Alloy 617 das Legierungselement Aluminium zu nennen, welches bei Schweißungen mit dem UP-Standardverfahren einen höheren Abbrand zeigt. Bei Schweißungen mit dem UP-Kaltdrahtverfahren wurde eine Absenkung des Abbrandes erreicht und dadurch eine Verbesserung bezüglich der Zeitstandfestigkeit der Schweißung erzielt. Es konnte ein Zusammenhang zwischen Aluminiumgehalt und Heißrissbildung festgestellt werden. Ursache hierfür sind die erhöhten Eigenspannungen in dem Mischkristallgefüge, die durch die größere Anzahl von Aluminium Atome in dem Gitter verursacht werden. Aber auch durch die Entmischungs- und/ oder Ausscheidungsvorgänge, die durch die eingebrachte Wärme während des Schweißens entstehen, wird die Heißrissbildung begünstigt. Dieses führt zu einer erhöhten Neigung zur Rissbildung. Das wurde mit Hilfe der Ergebnisse der MVT–Prüfung bestätigt. Dennoch ist mit dem MVT–Verfahren eine Analyse des Heißrissverhaltens dieser Werkstoffe hauptsächlich auf chemischer Ebene möglich, so dass zur Untersuchung des Kaltdrahteinflusses auf die Heißrissbeständigkeit von Nickelbasiswerkstoffen hinsichtlich werkstofflicher und verfahrenstechnischer Aspekte der Einsatz weiterer Testverfahren unumgänglich wird. Hierfür scheint der PVR–Test wesentlich besser geeignet zu sein. Durch die Verzugversuche konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der UP– Kaltdrahttechnologie eine deutliche Reduzierung des Winkelverzuges gegenüber dem konventionellen Unterpulverschweißverfahren erzielt werden kann. Hierbei ist besonders eine, aufgrund der unterschiedlichen Ausbildung der Schweißraupengeometrie veränderte, Stützwirkung des nicht erschmolzenen Materials beim UP–Kaltdrahtverfahren verantwortlich. Durch die, im Vergleich zum UP–Standardverfahren, geringere Einbrandtiefe wird bei der Kaltdrahtvariante weniger Material unterhalb der Schweißnahtwurzel aufgeschmolzen, so dass, trotz einer größeren Hebelwirkung, die erhöhte Stützwirkung in der Lage zu einem reduzierten Winkelverzug führt. Zudem konnte durch die Verzugversuche an den 5 mm dicken Blechen gezeigt werden, dass auch die unterschiedlichen Kristallisationsvorgänge und Ausrichtungen der Kristalle der verschiedenen Unterpulverschweißverfahren einen Einfluss auf den Winkelverzug haben. Zur detaillierten Klärung dieses Sachverhaltes sind weitere Untersuchungen notwendig. Durch das UP-Kaltdrahtverfahren konnte eine erhebliche Steigerung der Abschmelzleistung, unter der strengen Berücksichtigung der Prozesssicherheit, erreicht werden. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Konkurrenzfähigkeit des UP-Verfahrens. Den Abschluss dieser Arbeit bildete die industrielle Umsetzung der gesammelten Erkenntnisse an einer Rohrrundnahtschweißung an einem Rohr aus dem Nickelbasiswerkstoff Alloy 617 mit dem UP-Kaltdrahtverfahren. Hierbei konnte die Praxistauglichkeit dieser Verfahrensmodifikation nachgewiesen werden.
