Untersuchung zum Korrosionsverhalten an mittels Laser- und Laser- MSG-hybridgeschweißter Verbindungen aus Duplexstahl

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1 Untersuchung zum Korrosionsverhalten an mittels Laser- und Laser- MSG-hybridgeschweißter Verbindungen aus Duplexstahl G. Winkel, M. Fett, Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH, Rostock 1 Einführung Duplexstähle finden in vielen Bereichen der Industrie auf Grund ihrer guten Korrosionsbeständigkeit gegenüber verschiedenen Medien und ihrer im Vergleich zu den austenitischen Stählen hohen Festigkeiten in den letzten Jahren vermehrt Anwendung. Um Bauteile aus Duplexstahl zu fertigen, finden neben den konventionellen Schweißverfahren auch das Laserund das Laser-MSG-Hybridschweißen Anwendung. Da sich der Energieeintrag und die Abkühlgeschwindigkeit bei diesen Schweißprozessen von den herkömmlichen Schweißprozessen unterscheiden, kommt es in der Schweißnaht und teilweise in der Wärmeeinflusszone meist nicht zu der nach Norm geforderten Mindest-Austenitmenge von 30 %. Um den Einfluss des verminderten Austenitgehaltes zu untersuchen, erfolgten Korrosionstests nach ASTM G48 an Laser- und Laser-MSG-geschweißten Proben an Duplexstahl Im Vergleich dazu wurden auch WIG-geschweißte Proben, die einen höheren Austenitgehalt aufwiesen, in die Untersuchungen einbezogen. In dem Beitrag werden die Gefügeausbildungen der mittels verschiedener Schweißprozesse gefertigten Verbindungen an Duplexstählen vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt auf den Ergebnissen der Korrosionsuntersuchungen, die vergleichend an Proben mit unterschiedlichen Gefügeausbildungen durchgeführt wurden. 2 Experimentelle Untersuchungen Die gute Korrosionsbeständigkeit und die im Vergleich zu austenitischen Stählen höhere Festigkeit von Duplexstählen werden durch die Gefügeausbildung bestimmt. Duplexstähle weisen ein ferritisch-austenitisches Gefüge auf, in dem beide Phasen zu etwa 50 % vorliegen. [1] Durch die Wärmeeinwirkung während des Schweißprozesses kommt es zu Gefügeumwandlungen. Nach dem Schweißen bestehen sowohl Schweißgut als auch die Wärmeeinflusszone ebenfalls aus Ferrit und Austenit, jedoch kann in Abhängigkeit von dem angewendete Schweißprozess und des damit verbundenen Energieeintrages ein verändertes Verhältnis von Ferrit zu Austenit vorliegen. Dies ist insbesondere bei Schweißprozessen mit geringen Energieeinträgen zu beobachten, zu denen auch das Laserstrahl- und das Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen zählen. Da auf Grund einer beschleunigten Abkühlung, bedingt durch die hohen Schweißgeschwindigkeiten, nach dem Schweißprozess Diffusionsprozesse behindert werden, bildet sich weniger Austenit, da die Austenitbildung diffusionsgesteuert abläuft. Bei geringeren Abkühlgeschwindigkeiten, wie sie üblicherweise bei konventionellen Schweißverfahren vorliegen, oder bei Mehrlagenschweißungen ist die Menge an aus dem Deltaferrit gebildeten Austenit üblich höher. [1]

2 Bei den untersuchten Schweißprozessen Laserstrahlschweißen, Laser-MSG-Hybridschweißen und das Wolfram-Inert-Gas-Schweißen (WIG und WIG-Kaltdraht K-TIG) werden unterschiedliche Energiemengen in das Werkstück eingebracht. Durch die daraus resultierenden Abkühlgeschwindigkeiten bilden sich verschiedene Phasenverhältnisse im Gefüge aus. Es kann dazu kommen, dass der Austenitgehalt im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone durch den Schweißprozess stark abnimmt. Um die Korrosionsbeständigkeit gewährleisten zu können müssen gemäß Literaturangaben mindestens 30 % Austenit im Gefüge vorhanden sein. [2] Im Rahmen der Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Schweißverfahren auf die Gefügeausbildung und die damit verbundene Veränderung der Korrosionsbeständigkeit erfolgten zunächst mikroskopische Untersuchungen der Gefügeausbildung. Im Schweißgut wurde der Austenitgehalt bestimmt, um dessen Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit zu untersuchen. Die Schweißversuche erfolgten an Blechen mit einer Materialdicke von 8 mm. Anschließend wurden an Proben aus verschiedenen Schweißungen Korrosionstests nach ASTM G48 durchgeführt. Dieser Test dient der Ermittlung der kritischen Lochfraßtemperatur (CPT - critical pitting temperature). Anhand der CPT können Rückschlüsse auf die Korrosionsbeständigkeit gezogen werden. Als Referenz diente der Grundwerkstoff. 2.1 Gefügeausbildung im Schweißgut Um die Auswirkung der Schweißprozesse auf die Gefügeausbildung näher zu erfassen, erfolgte die Präparation von Mikroschliffen aus mit verschiedenen Schweißprozessen hergestellten Verbindungen und dem Grundwerkstoff. An Hand der Mikroschliffe erfolgte die Bestimmung der Austenitanteile in den jeweiligen Proben mittels eines Bildanalysesystems. In Bild 1 und 2 sind die Gefüge des Grundwerkstoffes und ausgewählter Schweißgüter dargestellt. Bild 1: Grundwerkstoff (links), Laserstrahlschweißung (rechts) 100 fache Vergrößerung Ätzung: Beraha II

3 Bild 2: Laser-MAG-Hybridschweißung (links), 100 fache Vergrößerung und K-TIG (rechts), 50fache Vergrößerung Ätzung: Beraha II Im Grundwerkstoff erscheinen die austenitischen Bereiche hell, die ferritische Matrix dunkel. Betrachtet man dagegen das Schweißgut der Laserstrahlschweißung, so sind aus den eher globularen austenitischen Bestandteilen Nadeln geworden. Zudem ist erkennbar, dass der Austenitgehalt wesentlich geringer im Vergleich zum Grundwerkstoff ist. Typische für die Gefügeausbildung der Laser- und Laser-MSG-Schweißnähte sind schmalen Austenitsäume an den Korngrenzen und die kristallographisch orientierten Austenitausscheidungen innerhalb der Ferritkörner. Anhand der Schliffbilder wurde der Austenitgehalt im Schweißgut bestimmt. Dabei sind die in Tabelle 1 abgebildeten Phasengehalte im Wurzelbereich und in der Decklage der einzelnen Schweißungen bestimmt worden. Tabelle 1. Phasengehalte im Grundwerkstoff und Schweißgut Austenitgehalt Ferritgehalt in % in % Grundwerkstoff 49,8 50,2 Laserstrahlschweißung (Decklage) 9,9 90,1 Laserstrahlschweißung (Wurzel) 6,2 93,8 Laser-MSG-Hybridschweißung (Decklage) 18,2 81,8 Laser-MSG-Hybridschweißung (Wurzel) 21,0 79,0 Die Gefügeuntersuchungen zeigten, dass in den Laserstrahlschweißungen der Austenitgehalt in Abhängigkeit von der Lage im Schweißgut zwischen 6 und 10% beträgt. Im Vergleich dazu sind in Laser-MAG-Hybridschweißnähten Austenitgehalte bis ca. 20% erreichbar. Dies ist bedingt durch den etwas höheren Energieeintrag, der sich aus der Kombination des Laserschweißprozesses mit dem MAG-Prozess ergibt. In WIG-Schweißnähten kann der Austenitgehalt in Abhängigkeit von der Wärmeführung von 20-60% variieren. Regelwerke wie die DVS-Richtlinie 0946 oder die Vorschriften des Germanischen Lloyd fordern mind. 30% Austenit im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone.

4 2.2 Korrosionsuntersuchungen nach ASTM G48 Bei dem Korrosionstest nach ASTM G48 wird eine Probe mit den Abmaßen 25 x 50 mm in eine 6%ige-Eisen-III-Chlorid-Lösung getaucht. Die Prüftemperatur beträgt zu Beginn 20 C und wird bei jedem Zyklus um 5 C erhöht. Die Prüfdauer je Zyklus liegt bei 24 Stunden. Zu Beginn des Tests wird die Probe für 24 Stunden gebeizt, um eine entsprechende Oberflächengüte zu erhalten. Nach der Reinigung der Probe mit Wasser und Alkohol und anschließender Trocknung erfolgt die Ermittlung der Masse mittels Wägung. Nach jedem Prüfungsdurchgang wird die Masse der Probe erneut ermittelt, um den Masseverlust zu bestimmen. Anhand des Masseverlustes wird die CPT bestimmt Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen nach ASTM G48 Um den Einfluss der Schweißprozesse mit deren typischer Wärmeeinbringung auf die Korrosionsbeständigkeit des Duplexstahls zu bestimmen, wurde zum Vergleich auch der Grundwerkstoff geprüft. Die Korrosionsuntersuchungen haben gezeigt, dass bedingt durch die Gefügeveränderungen infolge des Schweißens die Korrosionsbeständigkeit herabgesetzt wird. In den Bildern 3 und 4 sind die Temperatur-Masse- Verläufe der Masse für verschieben Proben dargestellt. Bild 3: Masse-Temperatur-Verlauf Grundwerkstoff (links) und Laserstrahlschweißung (rechts) Bild 4: Masse-Temperatur-Verlauf Laser-MSG-Hybridschweißung (links) und WIG-Schweißung (rechts) MasseingTemperaturin CGrundwerkstof MasseingTemperaturin CLaser MasseingTemperaturin CLaser-MSG-Hybrid MasseingTemperaturin CWIG

5 Anhand der in den Bildern 3 und 4 dargestellten Verläufe kann die CPT ermittelt werden. Demnach liegt beim Grundwerkstoff die kritische Lochfraßtemperatur bei etwa 45 C. Diese Temperatur dient als Vergleichswert für die Schweißverbindungen. Bei der Laserstrahlschweißung treten bereits bei niedrigeren Prüftemperaturen Masseverluste auf. Die kritische Lochfraßtemperatur der geprüften Laserstrahlschweißung liegt etwa bei einer Temperatur von 30 C. Auch die Laser-MSG-hybridgeschweißte Probe weißt früher als der Grundwerkstoff einen erhöhten Masseverlust auf. Jedoch ist die CPT bei der Hybridschweißung höher als bei der lasergeschweißten Probe. Die Laser-MSG-Hybridschweißung weist etwa eine CPT auf, die zwischen 35 C und 40 C liegt. Die untersuchte WIG-Schweißung liegt mit der ermittelten CPT ebenfalls unter der Temperatur bei der beim Grundwerkstoff Lochfraß auftritt. Für die WIGgeschweißte Probe liegt die CPT etwa bei 35 C. 2.3 Untersuchung des Korrosionsangriffs Der Korrosionsangriff der geprüften Proben erfolgte in Anhängigkeit von dem Schweißprozess entweder im Wurzel- oder im Decklagenbereich. So wurde bei der Laserstrahlschweißung nahezu ausschließlich der Bereich der Wurzel im Schweißgut angegriffen. Die Hybridschweißung zeigte nicht nur in der Wurzel, sondern auch in der Decklage korrosive Angriffe. Die WIG-geschweißte Probe wies wie die laserstrahlgeschweißte Probe in dem Bereich der Wurzel Korrosion auf, teilweise war bereits ein Angriff des Grundwerkstoffes feststellbar. Um den Korrosionsangriff näher zu betrachten, wurden aus den geprüften Proben Mikroschliffe hergestellt. Anhand dieser soll der Korrosionsangriff näher bestimmt werden. Gefügebilder der geprüften Proben sind in Bild 5 und 6 dargestellt. Bild 5: Korrosionsangriff Schweißgut / Laserstrahlschweißung 200 fache Vergrößerung Ätzung Beraha II

6 Bild 6: Korrosionsangriff Schweißgut / Laserstrahlschweißung 500 fache Vergrößerung Ätzung Beraha II Die mikroskopischen Untersuchungen der korrodierten Proben zeigen, dass der Korrosionsangriff an den ferritischen Bestandteilen des Duplexgefüges stattgefunden hat. Die austenitischen Inseln bleiben bestehen, während um diese herum die ferritische Matrix aufgelöst wird. 3 Auswertung Die Untersuchungen der Gefügeausbildung haben gezeigt, dass durch die Schweißungen mit geringem Energieeintrag eine deutliche Verminderung des Austenitgehaltes im Schweißgut erzeugt wird. Bei der Laserstrahlschweißung ist der Austenitgehalt am geringsten, gefolgt von der Laser- MSG-Hybridschweißung. Die Korrosionsuntersuchungen nach ASTM G48 haben verdeutlicht, dass der verringerte Austenitgehalt eine Absenkung der CPT bewirkt. So nahmen mit dem Austenitgehalt auch die kritischen Lochfraßtemperaturen ab. Die metallographische Auswertung der Korrosionsversuche hat bestätigt, dass der Ferrit im Schweißgut bevorzugt angegriffen wird. Demzufolge ist der verringerte Austenitgehalt nachteilig für die Korrosionsbeständigkeit. Es muss jedoch berücksichtig werden, dass ein Laborversuch keine realen Korrosionsbedingungen darstellt sondern lediglich vergleichende Ergebnisse der unterschiedlichen Schweißungen liefert. Weiterhin ist der Einsatzzweck der geschweißten Duplexstähle für die Bewertung von entscheidender Bedeutung, da geschweißte Duplexstähle häufig ausschließlich mechanischen Belastungen und keiner korrosiven Beanspruchung unterliegen. 4 Literatur [1] R. N Gunn, Duplex stainless steels, Abington Publishing, Cambridge England 1997 [2] DVS-Richtlinie 0946 (2004) Empfehlungen zum Schweißen von nicht rostenden austenitisch-ferritischen Duplex- und Superduplexstählen [3] GL-Vorschrift Schweißen von schiffbaulichen Konstruktionen II-Teil 3