Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erzielung werkstoffspezifischer Eigenschaften beim generativen Schutzgasschweißen fertigkonturnaher Strukturen aus Duplexstahl

Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens besteht im Erreichen eines werkstoffspezifischen Eigenschaftsprofils beim generativen Schutzgasschweißen fertigkonturnaher Strukturen aus Standard- und Superduplexstahl. Zur Gewährleistung der im Normenwerk geforderten werkstoffspezifischen Kennwerte ist sowohl eine Technologieanpassung als auch eine Weiterentwicklung der Legierungskonzepte handelsüblicher Schweißzusätze erforderlich. Hierfür erfolgt die systematische Untersuchung der Einflüsse von Schweißdrahtanalyse und Prozessparametern auf die metallurgischen, mechanisch-technologischen und korrosiven Kennwerte des Schweißgutes, um somit die Anwendbarkeit dieser Technologie auch für Duplexstähle sicher zu stellen.

Das Erreichen geforderter Gütewerte von additiv gefertigten Komponenten aus Duplexstahl ist mit derzeit erhältlichen Schweißzusätzen nur mit einer anschließenden Wärmenachbehandlung zu erreichen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist jedoch die Erzielung der Gütewerte im Schweißzustand erstrebenswert, da zum einen Wärmebehandlungsanlagen in ihren Dimensionen begrenzt sind und somit auch die Bauteilgrößen beschränken und zum anderen eine aufwendige Ermittlung von Wärmebehandlungsparametern in Abhängigkeit der Bauteildicken notwendig wäre. Somit sind mit der Einsparung der Wärmenachbehandlung enorme Zeit- und Kostenersparnisse verbunden.

Ein Bedarf für additiv gefertigte Bauteile aus Duplexstahl existiert u. a. für Sonderanfertigungen im Apparate- und Anlagenbau aber auch für korrosionsbelastete Komponenten in Industrieanlagen. Gerade für Duplexstähle stellt die Möglichkeit des Aufschweißens von Stutzen an Behälter oder von Flanschen an Rohrleitungen einen Vorteil für KMU dar, da sie somit von Zulieferfirmen und folglich auch von deren Lieferfristen sowie -qualitäten unabhängig wären.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben wurde das werkstoffspezifische Eigenschaftsprofils beim generativen MSG-Schweißen fertigkonturnaher Strukturen aus Standard- und Superduplexstahl bestimmt. Das Gewähren geforderter Kennwerte erfordert eine Technologieanpassung und ggf. eine Weiterentwicklung der Legierungskonzepte handelsüblicher Schweißzusätze. Für das MSG-CMT-Schweißen von Stegen und Blöcken wurde ein Parameterfenster mit Streckenenergien zwischen ca. 0,9 bis 6,6 kJ/cm aufgestellt. Hohe Streckenenergie generieren langsamere Abkühlraten und längere Aufenthaltszeiten in den werkstoffkritischen Temperaturbereichen. In Folge dessen entstehen geringere Ferritgehalte und legierungsabhängig Sekundäraustenit. Dieser zeigt jedoch keine negativen Auswirkungen auf die Lochkorrosionsbeständigkeit unter den gewählten Prüfbedingungen. Als “optimaler“ Parametersatz im Hinblick auf einen Kompromiss aus akzeptablem F/A-Verhältnis und hoher Abschmelzleistung wurde eine Schweißgeschwindigkeit von 70 cm/min bei einem Drahtvorschub von 7 m/min (E ≈ 3 kJ/cm) identifiziert. Bei den Blockschweißungen sind die Abkühlzeiten deutlich geringer als bei den Steggeometrien, woraus höhere Ferritgehalte resultieren. Zur Vermeidung von Bindefehlern in den Blockschweißungen wird die Nutzung einer CMT Pulse Kennlinie empfohlen. Im Hinblick auf das Legierungssystem werden die höchsten Ferritgehalte im Schweißgut mit dem Ni-reduzierten G Z 22 5 3 und dem höher Cr-legierten G Z 29 8 2 erreicht. Die Superduplexdrähte G Z 25 10 4 und der G Z 29 8 2 offerieren aufgrund der Abwesenheit von Sekundäraustenit und einem akzeptablen F/A-Verhältnis die beste Eignung. Die Ergebnisse wurden anhand einer Bauteilschweißung mit der Superduplexdrahtelektrode G 25 9 4 N L und einem inerten Schutzgas erfolgreich verifiziert. Ein Bedarf für additiv gefertigte Bauteile aus Duplexstahl existiert für Sonderanfertigungen im Apparate- und Anlagenbau aber auch für korrosionsbelastete Komponenten in Anlagen der Chemie- und Offshoretechnik.