Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kombiniertes in-situ Laserstrahl-/ Laserstrahlauftragschweißen bei nichtrostenden Stählen zum Schutz vor interkristalliner Korrosion

Die Gruppe der nichtrostenden Stähle zeichnet sich generell durch einen Chromgehalt von mindestens 12 % aus. Oberhalb dieses Anteils bildet sich an der Oberfläche von Bauteilen beim Kontakt mit Sauerstoff eine Passivschicht aus Chromoxid, die das Bauteil vor einem weiteren korrosiven Angriff schützt. Unter bestimmten Voraussetzungen können aber auch nichtrostende Stähle durch Korrosion beschädigt werden. Eine Herausforderung stellt das Schweißen von nichtrostenden, speziell ferritischen Stählen dar, das häufig von Zuliefern (speziell KMUs) durchgeführt wird. Durch die eingebrachte Wärme kann es im Bereich der Schweißnaht in Folge von Chromkarbidbildungen zu einer Chromverarmung kommen, die wiederum interkristalline Korrosion begünstigt (IK). Diese sogenannte Sensibilisierung kann entweder durch eine zeit- und kostenintensive Wärmebehandlung rückgängig gemacht oder durch den Einsatz speziell angepasster (und dadurch teuren) Legierungen unterbunden werden. Beide Lösungsansätze beziehen sich jeweils auf das gesamte Bauteil, obwohl durch den Schweißprozess nur ein sehr kleiner Bereich betroffen ist.

Eine Möglichkeit, die betroffen Zonen lokal vor IK zu schützen und so die Kosten zu senken, besteht laut dem Stand der Technik nicht. Eine solche Möglichkeit untersucht das geplante Forschungsvorhaben für das Laserstrahlschweißen ferritisch-nichtrostender Stähle. Zusätzlich zu dem eigentlichen Schweißprozess wird in-situ mittels Laserstrahlauftragschweißen eine Beschichtung der sensibilisierten Bereiche vorgenommen, um diese vor dem Angriff korrosiver Medien zu schützen. Die Beschichtung erfolgt mit einem IK-resistenten Stahl, der eine stoffschlüssige und somit robuste Verbindung mit dem Bauteil eingeht. So lassen sich nichtrostende Stähle, die nach dem Schweißen normalerweise anfällig für IK sind, auch ohne eine nachträgliche Wärmebehandlung verarbeiten und die Materialkosten können gesenkt werden, was besonders den KMU zugutekommt.

Ergebniszusammenfassung:

Die Nutzung des Laser-Pulver-Auftragschweißens zur Vermeidung von interkristalliner Korrosion an Schweißnähten ferritischer nichtrostender Stähle wurde untersucht. Zunächst konnten hierbei die zugrundeliegenden Mechansimen des Kornzerfalls von unstabilisierten und stabilisierten ferritischen nichtrostenden Stählen dargelegt werden. Über die Entwicklung eines Prozessfensters zur robusten Beschichtung von Dünnblechsubstraten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen konnten die erzeugten Schweißnähte zuverlässig mit einem gegen interkristalline Korrosion beständigen Werkstoff beschichtet werden. Die Ergebnisse der Korrosionsprüfung nach Beschichtung der zuvor erzeugten Schweißnähte demonstrieren im Vergleich zum unbeschichteten Zustand einen substantiellen Zuwachs der Korrosionsbeständigkeit und –festigkeit. Durch die Nutzung eines kombinierten Modellierungs- und Simulationansatzes konnten die Einflüsse einer einstufigen Verfahrensumsetzung durch Strahladdition, bei der entsprechend der angedachten industriellen Adaption die Beschichtungsoptik der Schweißoptik in einem definierten Abstand nachfolgt, erforscht werden. Hierbei zeigt sich, dass die Prozesswärme des Schweißprozesses für die Korrosionsbeständigkeit des unstabilisierten Ferrit nachteilig ist und nach Möglichkeit auf ein Minimum reduziert werden sollte. Demgegenüber erweist sich der titanstabilisierte Ferrit basierend auf dem zugrundeliegenden Korrosionsmechanismus als insensitiv gegenüber der residulen Prozesswärme, wodurch ein kombinierter Einsatz von Schweiß- und Beschichtungsprozess ermöglicht wird. Der umfassend durchgeführte und untersuchte Transfer auf eine industrienahe Demonstratorgeometrie, die im beschichteten Zustand gegen interkristalline Korrosion beständig ist, verdeutlicht den Erfolg der Forschungsvorhabens und die Möglichkeit zur mittelfristigen Adaption in realen Fertigungsketten, insbesondere auch bei mittelständischen Unternehmen.