Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Elektronenstrahlschweißen von Duplex-Stahl mit Nickelbasiszusatzwerkstoff ohne Verwendung der Wärmenachbehandlung

 

Ferritisch-austenitische Duplex-Stähle kommen in einer Reihe von Branchen, wie z. B. dem gesamten Bereich der Halbzeugherstellung sowie im Maschinen-, Apparate- und Anlagenbau zum Einsatz. Bauteile aus Duplex-Stählen mit hoher Wanddicke (t > 12 mm), wie z. B. geschweißte Rohre, werden aus wirtschaftlichen und qualitativen Gründen bevorzugt mit dem Elektronenstrahl (EB) geschweißt. Die verfahrensspezifischen Prozessmerkmale des EB-Schweißens führen jedoch zur Ausbildung einer ungünstig wirkenden Mikrostruktur des Schweißgutes mit unzulässig hohem Ferrit-Gehalt von ca. 90 %. Dadurch kommt es in der Fügezone zu einer deutlichen Abnahme der Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen sowie der Korrosionsbeständigkeit. Zur Einstellung zulässiger Austenit/Ferrit-Gehalte müssen die Bauteile daher aktuell deswegen im Anschluss an den Schweißprozess Lösungsgeglüht werden.

Dieses Vorhaben dient der Entwicklung eines EB-Schweißprozesses, bei dem sowohl in der Schweißnaht als auch in der wärmebeeinflussten Zone zulässige Austenit/Ferrit-Gehalte eingestellt werden und die kostenintensive Wärmebehandlung entfallen kann. Dieses Ziel wird über die Verwendung von Nickelbasiszusatzwerkstoffen erreicht, da man mithilfe dieser die chemische Zusammensetzung und damit die Mikrostruktur der Schweißnaht gezielt beeinflussen kann. Weiter wird durch eine gezielte Schweißprozessmodifikation der Wärmeeintrag weiter reduziert, um die Breite der wärmebeeinflussten Zone zu verringern. Insgesamt wird so eine Verbindungsschweißung hergestellt, die den normativen Anforderungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und mechanisch-technologischer Eigenschaften entspricht, bei deutlich geringerem Fertigungsaufwand als aktuell notwendig. Der Ansatz wurde bereits im Rahmen von eigenen Vorversuchen bestätigt und soll nun in diesem Vorhaben zur Anwendbarkeit gerade auch für kmU gebracht werden.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Projekt erzielten Ergebnisse zeigen aus wissenschaftlich-technischer Sicht die Möglichkeiten zur Verbesserung der Gefügeausbildung beim Elektronenstrahlschweißen von Duplex-Stählen ohne die Notwendigkeit einer anschließenden Wärmenachbehandlung auf. Aktuell beinhalten die branchenüblichen Fertigungskonzepte ein nach dem Schweißprozess durchgeführtes Lösungsglühen um ein nach Normen akzeptiertes Gefüge einzustellen. Als ein möglicher Lösungsansatz zur Einstellung eines ausgeglichenen Gefüges ohne die bislang erforderliche Wärmenachbehandlung wurde die Anwendung von Nickelbasis-Zusatzdrähten identifiziert.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Schweißstrategie erarbeitet, welche die charakteristischen Vorteile des Elektronenstrahlschweißens in großem Maße ausschöpft, indem hochfrequente Strahloszillation sowie Mehrbadtechnik kombiniert eingesetzt werden. Die so realisierte Prozessführung ermöglicht zum einen das prozesssichere Abschmelzen des Zusatzdrahtes und zum anderen die gute Aufmischung zwischen dem Grund- und dem Zusatzwerkstoff. Es wurde gezeigt, dass die Strahloszillationsparameter einen wesentlichen Einfluss auf den Aufmischungsgrad aufweisen. Durch den Einsatz der erarbeiteten Methoden erfolgte die gezielte Beeinflussung der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts, was dank der guten Aufmischung zu einem ausgeglichenen Gefüge und folglich zu guten mechanisch-technologischen Eigenschaften geführt hat.

Die Forschungsergebnisse geben dem industriellen Anwender, als Erweiterung zu bestehenden Prozessen, die Möglichkeit zum prozesssicheren Einsatz von Nickelbasis-Zusatzwerkstoff beim Elektronenstrahlschweißen von Duplex-Stählen. Es wurde eine Übertragbarkeit auf unterschiedliche Materialstärken und Werkstoffchargen nachgewiesen. Durch Anwendung der erarbeiteten Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass auf ein anschließendes Lösungsglühen vollständig verzichtet werden kann, was den KMU technische und wirtschaftliche Vorteile bietet.