Dauerfestigkeit von Mittelschnellläuferkurbelwellen nach Rekonditionierung durch Laserstrahlbeschichten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Rekonditionierung von Bauteilen mittels Auftragschweißen bietet gegenüber der Neufertigung insbesondere bei großen Bauteilen wirtschaftliche Vorteile. Die Ermittlung von Einflüssen des Reparaturprozesses mittels Laserauftragschweißen auf die Dauerfestigkeit solcher Großbauteile ist jedoch sehr kostenaufwendig. Ziel des Vorhabens war daher die Übertragung der Erkenntnisse aus dem vorangehenden Grundlagenprojekt von Klein- über Großproben auf Realbauteile in Form von Kurbelwellensegmenten. Die durch den Prozess des Auftragschweißens auftretenden Gefügeänderungen an der Bauteiloberfläche führten darin zu einem signifikanten Einfluss auf die Schwingfestigkeit. Als wesentliche Einflussfaktoren wurden hierbei die Kombination aus Grund- und Beschichtungswerkstoff sowie ein nachträgliches Festwalzen zur Einbringung von Druckspannungen identifiziert. Der Versuch der Übertragung dieser Ergebnisse von Kleinproben auf Großproben und Realbauteile hat gezeigt, dass dies nur teilweise möglich ist und aktuell noch nicht alle wesentlichen Einflussparameter erkannt und untersucht wurden. Dennoch konnten anhand der Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse als Basis für weitergehende Untersuchungen gewonnen werden. Bei Großproben ist eine Prozessregelung wegen der thermischen Trägheit zumindest bei den vorliegenden Geometrien (mit wenig Störstrukturen wie Absätzen, Bohrungen etc.) für den Prozess nicht erforderlich. Bei Kleinproben muss die in dem Maß nicht vorhandene thermische Trägheit durch eine Prozessregelung ersetzt werden. Anhand der Simulationen und Eigenspannungsmessungen konnte der signifikante Teil der Eigenspannungen bis zu einer Tiefe von 10 mm nachgewiesen werden. Daraus ergab sich, dass die Simulationen für beschichtete Großproben für einen Randbereich von 10 mm ausreichend abgebildet werden und die restliche Geometrie als rein elastisch modelliert werden konnte, was zu einer erheblichen Verringerung der Rechenzeiten führte. Hinsichtlich des Beschichtungswerkstoffes hat sich die Paarung aus dem Grundwerkstoff Stahl 42CrMo4 und der Beschichtung mit der Kobalt-Chrom-Legierung Stellite 21 sowohl bei den Kleinproben als auch bei den Großproben als nicht sehr geeignet mit Blick auf die Dauerfestigkeit erwiesen. Bei der zweiten Werkstoffkombination aus Grundwerkstoff und dem hochlegierten Stahl traten bei den Auftragsschweißungen von Klein- und Großproben unstetige Einbrände in dem Grundwerkstoff auf. Trotz dieser inhomogenen Beschichtungsqualität wiesen diese Proben durchgehend höhere Schwingfestigkeiten auf als die korrespondierende Variante mit einer Beschichtung aus Stellite 21. Dies hebt den geringen Einfluss der Prozessführung und die Signifikanz der Werkstoffpaarung auf die zu erreichenden Schwingfestigkeiten hervor. Für beide Werkstoffpaarungen konnte eine Erhöhung der Dauerfestigkeit von beschichteten Kleinproben durch Festwalzen gegenüber gleich beschichteten Proben ohne Festwalzen nachgewiesen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Konsistente Modellierung einer Ersatzwärmequelle im Laserstrahlpulverbeschichtungsprozess, Simulationsforum 2013 Schweißen und Wärmebehandlung, Eds. J. Hildebrand, T. Loose, J. Sakkiettibutra, M. Brand. Weimar (2013) 180-189
Khazan, P.; Köhler, H.; Vollertsen, F.
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Rekonditionierung hoch belasteter Bauteile am Beispiel großer Kurbelwellen. Laser Technik Journal 2 (2013) 36-39
Köhler, H.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.
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Ansätze zur FE-Simulation additiver Verfahren, Laser Magazin 3 (2014) 8-9
Khazan, P.; Köhler, H.
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Experimental and numerical investigations of reconditioning of ship engine components, Thermal Forming and Welding Distortion (IWOTE'14), eds.: F. Vollertsen, H. Tetzel. BIAS Verlag Bremen (2014) 1-12
Khazan, P.; Rajput, R.
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Laserbeschichtungsprozess zur additiven Fertigung von 3D-Bauteilen. Schweissen und Schneiden 66, 11 (2014) 680-682
Khazan, P.; Stroth, M.; Freiße, H.; Köhler, H.
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Manufacturing specimens made by direct powder deposition. Industrial Laser Solutions 29, 6 (2014) 33-34
Khazan, P.; Stroth, M.; Freiße, H.; Köhler, H.
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Mechanical properties of large threedimensional specimens build through direct powder deposition, Proc. of the WGP Kongress 2014. Advanced Materials Research Vol. 1018, eds.: M. Merklein, J. Franke, H. Hagenah. Trans Tech Publications, Switzerland (2014) 525-532
Khazan, P.; Stroth, M.; Freiße, H.; Köhler, H.
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Properties of large 3D parts made from stellite 21 through direct powder deposition. Lasers in Manufacturing (LIM15) eds.: T. Graf, C. Emmelmann, L. Overmeyer, F. Vollertsen (2015), Contribution 310, o. S.
Freiße, H.; Khazan, P.; Stroth, M.; Köhler, H.
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Schwingfestigkeit laserauftraggeschweißter legierter Stähle. Strahltechnik Bd. 58, eds. F. Vollertsen, R. Bergmann. BIAS Verlag Bremen (2017)
Köhler, H.
