Einfluss von Drahtelektrodenbeschichtungen auf die mechanisch-technologischen Schweißnaht- und Prozesseigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Wesling
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393234340

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es den Einfluss von Drahtelektrodenbeschichtungen auf die mechanisch-technologischen Schweißnaht- und Prozesseigenschaften zu charakterisieren. Die Untersuchungen der Prozesseigenschaften haben ergeben, dass sich die auf der Oberfläche vorliegenden Legierungselemente auf den Lichtbogen und die Schweißnaht auswirken. Grund für die Beeinflussung des Lichtbogens ist der Unterschied in den vorliegenden Ionisationsenergien der verschiedenen Elemente. Bei einer geringeren Ionisationsenergie wird die Leitfähigkeit des Plasmas erhöht bzw. bei höherer Ionisationsenergie verringert. Eine höhere Leitfähigkeit führt dazu, dass die notwendige Spannung für eine Spaltüberbrückung herabgesetzt wird und ein höherer Strom bei gleichzeitig größerer Lichtbogenlänge fließen kann. Zusätzlich zur Ionisationsenergie wirkt sich die Lichtbogentemperatur auf die Leitfähigkeit des Plasmas aus. Durch eine Herabsetzung der Lichtbogentemperatur sinkt die Leitfähigkeit, wodurch eine geringere Spaltüberbrückung bei gleicher Spannung möglich ist. Dies ist hier vor allem bei dem Vergleich zwischen Aluminium und Titan relevant. Diese zwei Legierungselemente weisen in der Untersuchung die geringste Ionisationsenergie auf. Entsprechend müsste die Lichtbogenlänge bei beiden Elementen zunehmen. Aluminium weist jedoch keine Erhöhung der Lichtbogenlänge auf. Dies ist dadurch begründet, dass Aluminium die Lichtbogentemperatur herabsetzt und entsprechend die Leitfähigkeit des Plasmas sinkt. Zusätzlich beeinflussen die Legierungselemente die Oberflächenspannung der Stahlschmelze, wodurch eine Veränderung der Schweißnaht bedingt wird. Weiterhin wurden die mechanischen Eigenschaften und die Gefügemorphologie der Schweißnaht untersucht. Zunächst wurden die Auswirkungen der Drahtelektrodenbeschichtung bzw. der einzelnen Elemente auf das Schweißnahtgefüge untersucht. Dies hat ergeben, dass sich die Legierungselemente genauso auf die Gefügemorphologie auswirken, wie die Legierung mittels Sekundärmetallurgie. Die Gefügeeigenschaften von HSLA-Stählen sind somit unabhängig von den untersuchten Legierungsmethoden und wirken sich gleich aus. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht weisen einen signifikanten Einfluss durch die Drahtelektrodenbeschichtung auf. Es konnte zwischen Härte, statischer Festigkeit und Schwingfestigkeit ein Zusammenhang gezogen werden. Zusätzlich wurde ermittelt, dass die Rissinitiierung bereits bei geringeren Lasthorizonten erfolgt, der Riss sich im Bauteil jedoch langsamer ausbreitet. Bei den hier untersuchten Legierungselementen weist das Schichtsystem Nickel die besten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften auf. Für die Vergleichbarkeit zwischen Drahtelektrodenbeschichtung und Sekundärmetallurgie wurde mit dem Referenzdraht durch entsprechende Modifikation ein bestehender, durch Sekundärmetallurgie hergestellter Schweißzusatzwerkstoff, in gleicher chemischer Zusammensetzung hergestellt. Es konnte kein Unterschied zwischen den unterschiedlichen Legierungsmethoden festgestellt werden. Die Gefügemorphologie ist bei beiden Methoden gleich und die mechanischen Eigenschaften weisen marginale Abweichungen auf. Diese können jedoch durch die inhomogene chemische Zusammensetzung der Drahtelektrodenbeschichtung erklärt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Drahtelektrodenbeschichtung ein alternatives Konzept zur Legierung von HSLA-Stählen ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Schweißen von Leichtbaurahmenkonstruktionen - Funktionale Werkstoffauswahl und Schweißzusatzwerkstoffmodifikation“, Dissertation, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, 2019
  K. Treutler
  
• Monotonic and Fatigue Properties of Steel Material Manufactured by Wire Arc Additive Manufacturing. Applied Sciences, 10(15), 5238.
  Wächter, Michael; Leicher, Marcel; Hupka, Moritz; Leistner, Chris; Masendorf, Lukas; Treutler, Kai; Kamper, Swenja; Esderts, Alfons; Wesling, Volker & Hartmann, Stefan
  
• Prüfung mechanischer Eigenschaften von additiv gefertigten Proben mittels beschichteten Schweißdrahtelektroden, Tagung Werkstoffprüfung 2020, S. 5
  M. Leicher, K. Treutler & V. Wesling
  
• Usage of Ti-surface-modified filler material to increase the joint strength of High-Strength Low Alloyed (HSLA) steels under different load types. SN Applied Sciences, 2(12).
  Treutler, Kai & Wesling, Volker
  
• Development of an Alternative Alloying Concept for Additive Manufacturing Using PVD Coating. Applied Sciences, 12(13), 6619.
  Leicher, Marcel; Treutler, Kai & Wesling, Volker
  
• Einfluss auf die Lichtbogeneigenschaften von PVD beschichteten MSG-Drahtelektroden, 42. Assistentenseminar, 2022
  M. Leicher, K. Treutler & V. Wesling
  
• Entwicklung eines alternativen Konzeptes zur Legierungsentwicklung von Schweißzusatzwerkstoffen mittels PVD Dünnfilmbeschichtung, Dissertation, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, 2022
  M. Leicher