Polysoude TIG er Technologie

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1 Polysoude TIG er Technologie Einleitung Das italienische Institut für Schweißtechnik hat umfangreiche Untersuchungen bezüglich der neuen TIG er Technologie durchgeführt. Als Konstrukteur und Hersteller von Anlagen zum mechanisierten und automatisierten Schweißen, die wahlweise auch den Einsatz von Robotern erlauben, verfügt die französische Firma Polysoude über umfassende Erfahrungen auf dem Gebiet des Orbitalschweißens und des Auftragschweißens. Durch intensive Entwicklungsarbeiten auf der Grundlage des WIG (Wolfram Inert Gas) Heißdraht und des MIG/MAG (Metall Inert Gas / Metall Aktiv Gas) Schweißens wurde die neue TIG er Technologie (Bild 1) ins Leben gerufen und zur Marktreife gebracht. Beim Auftragschweißen hat sich das WIG-Heißdrahtverfahren bereits in vielen Anwendungsfällen bewährt. Dabei wird der drahtförmige Zusatzwerkstoff von einem separaten Heißdrahtstrom durchflossen, die freigesetzte Joulesche Stromwärme bewirkt den gewünschten Aufheizeffekt. Die vom WIG-Lichtbogen freigesetzte Energie steht dann in erster Linie zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffes zur Verfügung, die dadurch mögliche Steigerung von Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzrate führt zu einer bedeutenden Steigerung der Produktivität, ohne dass Qualitätseinbußen in Kauf genommen werden müssten. Durch den Einsatz der TIG er Technologie kann die Produktivität des Heißdrahtverfahrens weiter gesteigert werden, der WIG-Brenner ist dazu mit einem Bikathodensystem ausgestattet, wobei jede der beiden Elektroden mit einem eigenen Schweißstrom versorgt wird. Im Unterschied zu bisher bekannten Systemen mit Tandemelektroden wird die Anordnung der Elektroden beim Bikathodensystem so gewählt, dass sich ein einziger Lichtbogen ausbildet (Bild 2). Trotz der großen in diesem Lichtbogen umgesetzten Leistung bleibt der Lichtbogendruck gering, was es ermöglicht, bei hohen Schweißgeschwindigkeiten die für das Auftragschweißen geforderten niedrigen Aufmischungsgrade zu erreichen. Grundsätzlich ist die Problematik des Auftragschweißens durch die Forderung nach hoher Produktivität als Ergebnis gesteigerter Abschmelzraten bei großer Schweißgeschwindigkeit gekennzeichnet, wobei gleichzeitig der Aufmischungsgrad niedrig bleiben muss, um die Anzahl der Schweißlagen und damit die Fertigungszeit und die Kosten für den Zusatzwerkstoff so gering wie möglich zu halten. Die wirtschaftlichen Vorteile beim Einsatz der TIG er Technologie stehen außer Frage (Bild 3: Vergleich der Abschmelzraten bei verschiedenen Schweißprozessen). Der Prozess eignet sich für das Beschichten in sämtlichen Zwangslagen, wenn geeignete Schweißparameter gewählt werden. Hierbei sind der Elektrodenstellung und der Zusatzdrahtpositionierung besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Bezüglich der beiden Elektroden wird von Polysoude angeraten, sie hintereinander anzuordnen, da sich damit Durchschweißtiefe und Aufmischungsgrad verringern lassen, während nebeneinander gestellte Elektroden eine beim Auftragschweißen unerwünschte Erhöhung der Durchschweißtiefe (in Bild 4 werden die Auswirkungen der verschiedenen Elektrodenstellungen verdeutlicht) bewirken.

2 C Si Mn P S Cr Ni V Al Cu Nb N Fe Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes ASTM A5 16 Gr. 60 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Ti Al Nb Fe Ta < 0,01 0,05 < 0,01 0,005 <0,001 22,51 8,94 64,2 0,01 0,19 0,10 3,62 0,25 0,004 Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes UTP A6222 Mo-3 Entsprechend den bei Polysoude gewonnenen Erfahrungen hat sich eine stechende Brennerposition mit einem Anstellwinkel zwischen Elektroden und Werkstoffoberfläche von 65 und zwischen Zusatzdraht und Werkstoffoberfläche von 20 (Bild 5) als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei mit diesen Parametern von Polysoude durchgeführten Auftragschweißungen konnten einwandfreie Schichten mit äußerst geringem Aufmischungsgrad (etwa 11 % bei der ersten Lage und 1,5 % bei der zweiten) hergestellt werden, und das bei Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 950 mm/min und Abschmelzraten von bis zu 6 kg/h. Bezüglich dieser Ergebnisse braucht die TIG er Technologie also den direkten Vergleich mit dem GMAW (MIG/MAG) Auftragschweißen nicht zu scheuen und kann zusätzlich mit der Garantie 100 %ig fehlerfreier Schichten punkten. Herstellen einer Schweißprobe unter Anwendung der TIG er Technologie Durch die herausragende Qualität der Auftragschichten, den niedrigen Aufmischungsgrad und die gegenüber konventionellem WIG-Auftragschweißen deutlich gesteigerten Abschmelzraten erweist sich die TIG er Technologie als das am besten geeignete Verfahren für bestimmte Anwendungsbereiche. Ein Probewerkstück, bei dem ein zweilagiges Depot durch Auftragschweißen auf ein 60 mm starkes Substrat aus einem Kohlenstoff-Mangan-Stahl (ASTM A5 16 Gr.60) aufgebracht wurde, diente zur Ermittlung der charakteristischen Kennwerte. In den Tabellen 1 und 2 sind die chemischen Zusammensetzungen des Grundwerkstoffes und des Zusatzwerkstoffes (Schweißdraht UTP A6222 Mo-3) wiedergegeben. Eine Aufnahme (Bild 6) des in dem schweißtechnischen Anwendungslabor der Firma Polysoude in Nantes hergestellten Probewerkstücks zeigt die sehr gleichmäßig ausgebildete Oberfläche der auftraggeschweißten Schicht wie nicht anders zu erwarten beim WIG-Prozess ohne jegliche Oxidbildung oder das Auftreten von Anlauffarben. Um die entsprechenden Prüfungen durchzuführen, wurde das fertig gestellte Probewerkstück mit der zweilagigen auftraggeschweißten Schicht einem unabhängigen Institut übergeben. Charakteristische Merkmale der mit der TIG er Technologie hergestellten Auftragschweißschichten: Durch die an dem Probewerkstück vorgenommenen Untersuchungen sollte der Nachweis erbracht werden, dass die im Rahmen typischer Anwendungsfälle vorgegebenen Qualitätsanforderungen erfüllt werden, wie sie z. B. beim Auftragschweißen von Nickelbasislegierungen auf Werkstücke aus ferritischem Stahl angewendet werden. Wesentliche Kriterien, die zur Beurteilung der Güte solcher Verbundwerkstoffe herangezogen werden, sind: - Einwandfreie Haftung zwischen Auftragschicht und Grundwerkstoff 2 / 2

3 - Unterschreiten des spezifizierten Grenzwertes für den Aufmischungsgrad und entsprechendes Einhalten der vorgegebenen chemischen Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffes an der Schichtoberfläche - Korrosionsbeständigkeit gegenüber bestimmten aggressiven Medien - Kontrollierte Wärmeeinbringung, um die Bildung spröder Bereiche durch unerwünschte Gefügeausbildung im Bereich der Wärmeeinflusszone zu verhindern (bei ferritischem Grundwerkstoff). Neben zerstörungsfreien Prüfverfahren wie visuellen Kontrollen und Farbeindringprüfungen kamen weitere Testverfahren zur Anwendung: - Kontrolle der Haftfestigkeit durch Ultraschalluntersuchungen gemäß ASME Code, Sec. V, Art. 4 - Seitenbiegeversuche gemäß ASME Code, Sec. IX, Art. II - Chemische Analysen der ersten und zweiten Lage - Makro- und mikrographische Untersuchung der Probe - Messung des Härteverlaufes - Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit gemäß ASTM G48, Methode A. Kontrolle ausreichender Haftfestigkeit zwischen Schicht und Grundwerkstoff: Der Nachweis ausreichender Haftfestigkeit zwischen Grundwerkstoff und auftraggeschweißter Schicht wurde durch Ultraschallprüfungen als zerstörungsfreien Prüfverfahren sowie im Rahmen zerstörender Prüfungen durch Seitenbiegeversuche erbracht. Die Ultraschallprüfungen wurden gemäß ASME Code, Sec. V, Art. 4 (Bild 7) als Impuls- Echo-Verfahren Methode 1 von der Grundwerkstoffseite aus durchgeführt, die Bestimmung der Ungänzen erfolgt dabei durch Vergleichen mit einem Ersatzreflektor. Diese Methode wird praktisch immer vorgeschrieben, wenn Ultraschallprüfungen zum Nachweis bestimmter Qualitätsmerkmale bei auftraggeschweißten Schichten herangezogen werden. Bei der genannten Prüfung konnten keine Ungänzen nachgewiesen werden, die einwandfreie Haftfestigkeit der Schicht wurde anschließend durch die Ergebnisse der Seitenbiegeversuche bestätigt. Seitenbiegeversuche: Die Probenahme für die Seitenbiegeversuche erfolgte rechtwinklig zur Schweißrichtung, die Proben wurden in einem Winkel von 180 gebogen. Bei den Biegeproben (Bild 8) zeigte sich eine einwandfreie und durchgehende Haftung zwischen Substrat und Depot. Bereiche nicht ausreichender Aufschmelzung des Grundwerkstoffes oder Zonen ungleichmäßiger Verbindung traten nicht auf. Lage der Auftragschweißung C Mn Fe P S Si Cu Ni Ti Cr Nb Mo Untere 0,029 0,135 12,16 0,0046 0,0063 0,018 0, ,04 0, ,25 3,279 7,74 Obere 0,004 0,0218 1,04 0,0050 0,0066 0,001 0, ,97 0, ,93 3,701 8,93 Tabelle 3: Chemische Zusammensetzung der mit Hilfe der TIG er Technologie auftraggeschweißten Schichten 3 / 3

4 Chemische Zusammensetzung der auftraggeschweißten Schichten: Bei der mit dem Zusatzwerkstoff AWS A5.14 ERNiCrMo-3 hergestellten Auftragschicht wurden die Spezifikationen bezüglich der chemischen Zusammensetzung einer Nickelbasislegierung UNS N06625 eingehalten. Ein wichtiges Anwendungsgebiet des WIG-Auftragschweißens ist die Fertigung von Werkstücken, die den Angriffen aggressiver Medien standhalten, wobei dieser Zusatzwerkstoff eine besonders ausgeprägte Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die Legierungselemente Molybdän und Niob bewirken eine Härtesteigerung der Ni-Cr-Matrix, so dass Streckgrenzen von 400 bis 600 MPa und Bruchdehnungen von bis zu 40 % erreicht werden. Der Mo-Gehalt bietet zusätzlich einen wirksamen Schutz gegen lokale Korrosionserscheinungen wie Lochfraß oder Spaltkorrosion. Niob und Tantal wirken als stabilisierende Elemente einer durch das Schweißen verursachten Sensibilisierung der Legierung entgegen. Der hohe Chromgehalt der Legierung verleiht dem Werkstoff eine sehr gute Beständigkeit beim Einsatz in oxidierender Umgebung. Wenn die besonderen Eigenschaften der Nickelbasislegierung nicht verloren gehen sollen, darf ihre Zusammensetzung durch den Auftragschweißprozess nicht verändert werden. Um bei der Korrosionsbeständigkeit keine Einbußen hinnehmen zu müssen, wird der Eisengehalt der auftraggeschweißten Schicht häufig auf 5 % begrenzt. Die chemische Zusammensetzung der auftraggeschweißten Schicht wurde bei dem Probewerkstück in der ersten und in der zweiten Lage gemessen (Bild 9). Die mittels Emmisions- Spektographie (Bild 10) ermittelten Werte sind in Tabelle 3 wiedergegeben. Dabei zeigt sich, dass bereits in der ersten Lage mit Ausnahme des auf 7 % limitierten Fe-Gehaltes alle Werte innerhalb der von AWS A5.11 für das Schweißgut aus ERNiCrMo-3 vorgegebenen Grenzwerte liegen. In der zweiten Schweißlage ist nur noch ein Fe-Gehalt von etwa 1 % nachweisbar, so dass hier sogar ein zusätzlicher Korrosionsschutz erwartet werden kann. Daher wurde entschieden, den Test bezüglich der Korrosionsbeständigkeit entsprechend den in dem Standard ASTM G48 als Methode A spezifizierten Vorgaben durchzuführen: Standard-Testmethoden zur Ermittlung der Beständigkeit von korrosionsbeständigen Stählen und Legierungen mit ähnlichen Eigenschaften gegen Lochfraß und Spaltkorrosion durch den Einsatz von Eisenchlorid-Lösungen. Ermittlung der Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion: Zur Ermittlung der Beständigkeit der auftraggeschweißten Schicht gegen interkristalline Korrosion (Lochfraß oder Spaltkorrosion) wurde ein Test gemäß Standard ASTM G48 Methode A durchgeführt. Eine Probe mit einer Oberfläche von etwa 20 cm² wurde für mehr als 72 h der Einwirkung einer auf 50 C erwärmten Eisenchloridlösung ausgesetzt. Ein Vergleich der Oberflächenbeschaffenheit der Probe vor und nach dem Test (Bild 11 und 12) zeigt, dass die auftraggeschweißte Schicht dem Korrosionsangriff erfolgreich widerstanden hat. Dieses Ergebnis war erwartet worden, nachdem die vorausgegangene Analyse der chemischen Zusammensetzung der zweiten Lage der auftraggeschweißten Schicht gezeigt hatte, dass der Fe-Gehalt von etwa 1 % deutlich unter dem spezifizierten Grenzwert von 5 % geblieben war. Bestimmung des Härteverlaufes: Die Bereiche und Stellen der Härtemessungen sind in der Makroaufnahme (Bild 13) gekennzeichnet, die zugehörigen Vickers HV10 Werte in Tabelle 4 wiedergegeben. Auf der Makroaufnahme lässt sich erkennen, dass eine nur sehr schmal ausgebildete wärmebeeinflusste Zone vorhanden ist. Nicht überraschend, nach den Ergebnissen der Ultraschallprüfung und der Seitenbiegetests wirkt die völlige Abwesenheit von Ungänzen im zwei- oder dreidimensionalen Bereich. Die Härtewerte liegen in der erwarteten Größenordnung, wobei es natürlich besonders interessant ist, die Wärmeeinflusszone im ferritischen Grundwerkstoffgefüge auf das Vorhandensein spröder Phasen zu untersuchen, die sich infolge der geringen Wärmeeinbringung und der relativ hohen 4 / 4

5 Substratdicke gebildet haben könnten. Dazu wurden entsprechende Mikroschliffe präpariert. Metallurgische Untersuchungen: Die Gefügestrukturen der Probe sind in den Mikroschliffen von Wärmeeinflusszone (Bild 14 und 15), und Schweißgut (Bild 16) zu erkennen. Übereinstimmend mit den Ergebnissen der Härteprüfung ist in der wärmebeeinflussten Zone keine Grobkornbildung aufgetreten, die Schweißhitze hat vielmehr zu einem nadeligen Ferritgefüge mit fein verteilten Karbiden geführt. Das Schweißgut selbst zeigt das typische Aussehen einer dendritisch erstarrten Schmelze. Stelle Zone HV10 1 Schweißgut Schweißgut Schweißgut WEZ WEZ WEZ Grundwerkstoff Grundwerkstoff Grundwerkstoff 154 Tabelle 4: Werte der HV 10 Härtemessungen an dem mit Hilfe der TIG er Technologie auftraggeschweißten Probewerkstück Zusammenfassung Die Zusammenfassung unter Einbeziehung der Prüfungsergebnisse wird in Tabellenform zusammengefasst: Verfügbarkeit technischer Unterlagen Grundlagen der Technologie Informationsumfang Informationsgehalt Funktionsprinzip Der Prozess wird auf der Website des Anbieters detailliert dargestellt, eingehende Beschreibungen können in Form von Broschüren herunter geladen werden. Die besonderen Vorzüge und Hauptanwendungsgebiete der TIG er Technologie werden gesondert dargestellt. Aussagekräftige Tabellen und Photos erleichtern das Verständnis von Funktion und Einsatz der TIG er Technologie. In dem Bikathodenbrenner sind die beiden Elektroden so angeordnet, dass ein einziger resultierender Lichtbogen entsteht, wodurch die Schweißgeschwindigkeiten und Abschmelzraten höher liegen als bei dem konventionellen WIG- Heißdrahtprozess oder beim MIG/MAG- Schweißen, und das ohne jeglichen Qualitätsverlust. 5 / 5

6 Testergebnisse Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzrate Anwendungsgebiete Haftfestigkeit der aufgebrachten Schichten Beständigkeit gegenüber interkristalliner Korrosion Chemische Zusammensetzung der auftraggeschweißten Schicht Schweißgeschwindigkeit und Auftragsrate variieren naturgemäß entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall, grundsätzlich wurden bei Geschwindigkeiten von 950 mm/min Abschmelzraten zwischen 2,7 und 5,8 kg/h erreicht. Der Einsatz der TIG er Technologie empfiehlt sich insbesondere bei Auftragschweißaufgaben an stehenden oder liegenden Werkstücken, zur Beschichtung der Innenseite von Rohren (kleinster Innendurchmesser 100 mm) oder deren Außenseite (größte Länge 12 m). Sowohl die durchgeführten zerstörungsfreien Ultraschalluntersuchungen als auch die Seitenbiegeversuche gemäß ASME Code, Sec. IX, Art. II zeigten die ausgezeichnete Haftfestigkeit der auftraggeschweißten Schicht. Bei der Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit gemäß ASTM G48, Methode A wurde keine interkristalline Korrosion festgestellt. Die Messung des Fe-Gehaltes ergab einen Wert von 12,16 % in der ersten und von 1,04 % in der zweiten Lage. Abbildungen Abb. 1: TIG er Technologie bei einer Auftragschweißoperation 6 / 6

7 Abb. 2: TIG er Bikathodenbrenner im Einsatz Abb. 3: Vergleich der mit der TIG er Technologie und vergleichbaren Auftragschweißverfahren erreichbaren Abschmelzraten (Quelle: Polysoude) Abb. 4: Auswirkung der Elektrodenstellung auf die Raupengeometrie und das Einbrandverhalten 7 / 7

8 Abb. 5: Geometrische Einstellungen für das Auftragschweißen mit einem TIG er Bikathodenbrenner Abb. 6: Unter Anwendung der TIG er Technologie hergestellte Arbeitsprobe zur Untersuchung der Eigenschaften von auftraggeschweißten Schichten (nach dem Aufbringen der ersten Lage) 8 / 8

9 Abb. 7: Ersatzreflektor für zerstörungsfreie Prüfungen entsprechend Methode 1 (Ausschnitt aus Bild T , ASME V) Abb. 8: Proben nach der Durchführung der Seitenbiegeversuche entsprechend ASME Sec. IX, Art. II 9 / 9

10 Abb. 9: Unter Anwendung der TIG er Technologie hergestellte Arbeitsprobe zur Untersuchung der Eigenschaften von auftraggeschweißten Schichten, Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der ersten und der zweiten Lage Abb. 10: Apparatur zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung metallischer Werkstoffe mit Hilfe der Emmisions-Spektographie 10 / 10

11 Abb. 11: Probenahme zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit entsprechend ASTM G48 Methode A (vor dem Test) Abb. 12: Probe zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit (nach dem Test) 11 / 11

12 Abb. 13: Makroaufnahme des Querschnittes der unter Anwendung der TIG er Technologie hergestellten Arbeitsprobe (die Bereiche der Härtemessungen sind gekennzeichnet) Abb. 14: Gefügeausbildung in der wärmebeeinflussten Zone und im Schmelzgut 12 / 12

13 Abb. 15: Gefügeausbildung in der wärmebeeinflussten Zone (bei höherer Vergrößerung) Abb. 16: Dendritische Ausscheidungen im Schmelzgut 13 / 13

14 Nach: Rivista Italiana della Saldatura 3 Maggio - Giugno 2015; Giuseppe Garbarino; deutsche Übersetzung durch alfalang SARL Literatur [1] AWS A5.14 Specifications for Nickel and Nickel-Alloy Bare Welding Electrodes and Rods Spezifikationen für massive Schweißzusatzwerkstoffe aus Nickel und -legierungen [2] ASME Code BPV Section V Art. 4 - Ultrasonic Examination Methods for Welds Ultraschalluntersuchung geschweißter Verbindungen [3] ASME Code BPV Section IX - Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures, Welders, Brazers, and Welding and Brazing Operators Verfahrensprüfung für Schweiß- und Lötanwendungen, Schweiß- und Lötanlagen sowie Qualifikationen von Schweißern, Lötern und Bedienungspersonal [4] ASTM G Standard Test Methods for Pitting and Crevice Corrosion Resistance of Stainless Steels and Related Alloys by Use of Ferric Chloride Solution Genormte Testverfahren zur Bestimmung der Beständigkeit korrosionsfester Stahlwerkstoffe und ähnlicher Legierungen gegen Lochfraß und Spaltkorrosion durch Anwendung von Eisenchloridlösungen 14 / 14