Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Wärmenachbehandlungskonzepten zur Vermeidung von Spannungsrelaxationsrissen an Bauteilen aus hochwarmfesten Stählen

Komponenten aus hochwarmfesten Stählen werden zunehmend in der regenerativen Energieerzeugung (Solarthermie, Dampfspeicher) eingesetzt. Der Anspruch an die schweißtechnische Verarbeitung dieser Stähle steigt stetig. Dabei muss zwingend die notwendige Wärmenachbehandlung der Schweißnaht (PWHT) sicher beherrscht werden. Durch die Wärmeeinwirkung der PWHT tritt wiederholt Bauteilversagen infolge der Spannungsrelaxationsrissbildung (SRR) auf. Bislang erfolgt die Beurteilung der SRR-Neigung in Abhängigkeit der PWHT primär über Ersatzgrößen (temperaturbedingte Änderung Härte und Duktilität). Die Wirkung der konstruktiven Schrumpfbehinderung einer Schweißnaht auf die SRR ist bislang völlig unbekannt. Forschungsziel ist daher die Gewinnung und Optimierung der Parameter für die PWHT unter realitätsnahen Bauteilbedingungen (definierte Einspannbedingungen) zur sicheren Vermeidung von SRR. Es werden optimierte Wärmenachbehandlungskonzepte zur Vermeidung von SRR entwickelt. Dazu wird ferner das Ausscheidungsverhalten hochwarmfester Werkstoffe unter realitätsnahen Einspannbedingungen in zusätzlicher Abhängigkeit des Gefügezustandes (Schweißgut und Wärmeeinflusszone) berücksichtigt. Somit wird erstmals eine Bauteilübertragbarkeit ermöglicht und eine Transfergröße geschaffen, welche die Bauteilbewertung hinsichtlich SRR-Neigung umfasst. Aus dem erarbeiteten Wissen zur SRR-Vermeidung, werden präventive Maßnahmen zu deren Vermeidung abgeleitet. Darüber hinaus werden die Resultate zur Verkürzung der PWHT-Dauer durch Anpassung der Aufheizraten oder Variation der Haltezeit dienen. Durch ein verbessertes Verständnis der SRR und deren Vermeidung, werden die Fertigungsprozesse besonders für kmU mit gesteigerter Ressourceneffizienz wirtschaftlicher gestaltet.

Ergebniszusammenfassung:

Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsprojektes "Entwicklung von Wärmenachbehandlungskonzepten zur Vermeidung von Spannungsrelaxationsrissen an Bauteilen aus hochwarmfesten Stählen" war es, das Auftreten von Spannungsrelaxationsrissen (SRR) bei der schweißtechnischen Fertigung von Druckbehältern aus 13CrMoV9-10 in Unternehmen (insb. KMU) zu verringern. Dazu wurde eine Optimierung der Wärmenachbehandlungsparameter, insbesondere der Aufheizrate, unter Beachtung einer definierten Einspannung angestrebt.

Es wurde untersucht, welchen direkten Einfluss die Aufheizrate des PWHT, die Streckenenergie des Schweißprozesses und eine definierte Schrumpfbehinderung auf das Auftreten von SRR hat. Sowie deren indirekte Wirkung bspw. auf die Mikrostruktur, mechanisch-technologische Kennwerte und Härte als Indikator für die SRR-Anfälligkeit.

Zusammenfassend konnte empirisch gezeigt werden, dass eine höhere Streckenenergie die SRR-Anfälligkeit steigert, dass eine höhere Aufheizrate des PWHT die SRR-Anfälligkeit senkt und, dass die bauteilbedingte Schrumpfbehinderung die SRR-Anfälligkeit steigert. Weiterhin konnte innerhalb des Projektes zusätzlich eine Prüfmethodik entwickelt werden, mit deren Hilfe eine schnelle und kostengünstige Bewertung der SRR-Anfälligkeit grundsätzlich in der Zukunft möglich sein wird. Diese muss jedoch im Anschluss an das Projekt noch verifiziert und durch weitere Versuche statistisch abgesichert werden. Die vollumfängliche phänomenologische Erklärung für die steigende SRR-Anfälligkeit aufgrund von niedriger PWHT-Heizrate und definierter Schrumpfbehinderung konnte nicht gefunden werden, sodass lediglich eine qualitative, empirische Aussage getroffen werden kann. Derzeit wird geprüft in wie weit eine Empfehlung einer möglichst hohen Aufheizrate beim PWHT zu veröffentlichen ist, beispielsweise in einem DVS-Merkblatt zur Wärmenachbehandlung von 13CrMoV9-10. Die praktische Anwendungsmöglichkeit ist daher gegeben und das Projektziel erreicht.