Einfluss der Wärmeführung auf die Porenbildung beim Lichtbogenschweißen von Superduplex-Stahl

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1 Einfluss der Wärmeführung auf die Porenbildung beim Lichtbogenschweißen von Superduplex-Stahl J. Stützer, Dr.-Ing. M. Zinke, Prof. Dr.-Ing. S. Jüttner Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg zum Workshop Lichtbogenphysik am 05. April 2016 in Berlin IGF-Nr BR / DVS-Nr Laufzeit:

2 Gliederung 1. Motivation 2. Schweißtechnische Verarbeitung von Superduplex-Stahl 3. Theoretische Grundlagen der Porenbildung 4. Normen zur Bewertung von Porosität im Schweißgut 5. Methodisches Vorgehen 6. Ausgewählte Ergebnisse 7. Zusammenfassung & Ausblick

3 1. Motivation Ausgangssituation: unzulässige Porenbildung im artgleichen Schweißgut dickwandiger Bauteile aus Superduplex-Stahl (SDSS) trotz Beachtung der Empfehlungen der schweißtechnischen Verarbeitung 5-lagige MAGp-Auftragschweißung Ar + 30 % He + 0,5 % CO 2 Porenanteil: 6,1 % Forschungsziele: Klärung metallurgischer und technologischer Zusammenhänge der Porenbildung im Schweißgut beim MSG- und UP-Schweißen von SDSS Erhöhung der Sicherheit gegenüber dem Auftreten derartiger Poren Entwicklung eines Neuronalen Netzwerk-Modells zur Vorhersage der Porenbildung Absicherung der geforderten mechanisch-technologischen Kennwerte sowie der Lochkorrosionsbeständigkeit Nutzen für kmu: qualitätssicherer und effizienter Einsatz etablierter Verfahren zuverlässige Kalkulation und Umsetzung von Aufträgen 3

4 2. Schweißtechnische Verarbeitung von Superduplex-Stahl Eigenschaften von SDSS: Stahl mit ferritisch-austenitischem Gefüge (35 65 % Ferrit) hohe Korrosionsbeständigkeit (PRE > 40) und hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit höhere Beständigkeit gegen chlorinduzierte Spannungsrisskorrosion als austenitische CrNi-Stähle Einsatzgebiete: Chemische Industrie, Nahrungsmittelindustrie, Petrochemische Industrie, Bauindustrie Gefüge Superduplex-Stahl (dunkel: Ferrit, hell: Austenit) Thermo-Calc-Berechnung [1] Porenbildung beim Schweißen von SDSS: Annahme: alleiniger Grund ist die reduzierte Löslichkeit von Stickstoff während der primär ferritischen Erstarrung Voruntersuchungen zeigten eine Porenempfindlichkeit auch in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung der Grund- und Zusatzwerkstoffe sowie dem Anteil aktiver Gase im Schutzgas

5 2. Schweißtechnische Verarbeitung von Superduplex-Stahl Erstarrungsvorgänge: Abhängigkeit des Ferritgehaltes von der Abkühlgeschwindigkeit [3] Ternäres Eisen-Chrom-Nickel-Diagramm bei 68% Eisen [2] Zeit-Temperatur- Ausscheidungsdiagramm [3] Ausbildung des Gefüges ist abhängig von der Legierungszusammensetzung sowie dem Abkühlverhalten

6 2. Schweißtechnische Verarbeitung von Superduplex-Stahl Empfehlungen: kein Vorwärmen relativ hohe Streckenenergie zulässig (3 15 kj/cm) maximale Zwischenlagentemperatur (100 bzw. 1 C) schnelle Abkühlung keine Wärmenachbehandlung Schweißen ohne Zusatzwerkstoff nur in Sonderfällen zulässig Eingesetzte Schweißverfahren: WIG-Schweißen MSG-Schweißen (Massivdraht + Fülldraht) E-Hand-Schweißen UP-Schweißen Elektronenstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Empfohlene Schweißhilfsstoffe: WIG: Ar [6] Ar + 2% N 2 + (0-30% He) [6] UP: aluminat-flourid-basische Schweißpulver (Typ AF), Basizitätsgrad: 1,5 3 [6] MIG/MAG: Ar [4] Ar + 1-2% O 2 [5] Ar + 0,5-2,5% CO 2 [6] bzw. Ar + 2-3% CO 2 [5] Ar % He + 0,5-2,5% CO 2 [6] Ar + 30% He + 1-3% CO 2 [4; 5] Ar % He + 0,5-2,5% CO % N 2 [6] Ar + 30% He + 1-2% CO % N 2 [4]

7 3. Theoretische Grundlagen der Porenbildung Definition von Poren: mit Gas gefüllte Hohlräume im Schweißgut Innere Unregelmäßigkeit Vorkommen als Einzelpore, Porennest, Porenzeile, Gaskanal oder Schlauchpore Entstehung: Einschluss der Gase bei der Erstarrung in Form von Blasen, wenn Erstarrungsgeschwindigkeit > Geschwindigkeit der aufsteigenden Blasen Unterscheidung nach Art der Porenbildung: metallurgisch durch gelöste Gase im flüssigen Schmelzgut und Ausscheidung molekularer Gase während der Erstarrung mechanisch durch Überschweißen von mit Luft gefüllten Hohlräumen oder von vergasenden Stoffen

8 3. Theoretische Grundlagen der Porenbildung Für die Porenbildung verantwortliche Legierungselemente: un- oder legierte ferritische Stähle: Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenmonoxid ferritisch-austenitische CrNi-Stähle: Stickstoff austenitische CrNi-Stähle: Wasserstoff Kohlenmonoxid-(CO)-Reaktion spielt eine untergeordnete Rolle, sofern Sauerstoff durch Desoxidationselemente (Mn, Si, Al, Ca, Ce, Ti) unschädlich abgebunden wird Einfluss der Abkühlzeit auf die Porenbildung: Porenbildung durch gelöste Gase im flüssigen Schmelzgut und Ausscheidung molekularer Gase während der Erstarrung Einschluss der Gase bei der Erstarrung in Form von Blasen, wenn Erstarrungsgeschwindigkeit > Geschwindigkeit der aufsteigenden Blasen geringe Kristallisationsgeschwindigkeit Gasblase kann entweichen hohe Kristallisationsgeschwindigkeit Gasblase wird im Schweißgut eingeschlossen [3]

9 4. Normen zur Bewertung von Porosität im Schweißgut Nr. Ordn.-Nr. nach ISO Unregelmäßigkeit/ Benennung Bemerkungen [Auszug aus DIN EN ISO 5817:2014, S. 15] t Grenzwerte für Unregelmäßigkeiten mm bei Bewertungsgruppen 2 Innere Unregelmäßigkeiten Pore Porosität (gleichmäßig verteilt) Die folgenden Bedingungen und Grenzwerte für Unregelmäßigkeiten müssen erfüllt werden. a1) Größtmaß der Fläche der Unregelmäßigkeit bezogen auf die projizierte Fläche a2) Größtmaß der Unregelmäßigkeit in der Querschnittsfläche bezogen auf die gebrochene Oberfläche b) Größtmaß einer einzelnen Pore für: - Stumpfnähte - Kehlnähte 0,5 D C B Einlagig: 2,5 % Mehrlagig: 5 % Einlagig: 1,5 % Mehrlagig: 3 % Einlagig: 1 % Mehrlagig: 2 % 0,5 2,5 % 1,5 % 1 % 0,5 d 0,4 s, aber max. 5 mm d 0,4 a, aber max. 5 mm d 0,3 s, aber max. 4 mm d 0,3 a, aber max. 4 mm d 0,2 s, aber max. 3 mm d 0,2 a, aber max. 3 mm

10 4. Normen zur Bewertung von Porosität im Schweißgut Anforderungen DIN EN ISO 5817 Bewertungsgruppe B API 5LC Anwendungsbereich: Poren Poren und runde Schlackeeinschlüsse Probenlänge: 100 mm 152,4 mm (6 in) max. Porenanteil: 1% (einlagig) 2% (mehrlagig) max. Ʃ Porendurchmesser: - 6,4 mm weitere Festlegungen: in Abhängigkeit von der Nahtart (für Stumpf- & Kehlnähte): Höchstmaß einzelner Pore zulässiger Durchmesser Porennest zulässige Länge Porenzeile zulässige Ausdehnung Schlauchpore - auf einer Länge von 6 inch: zulässige Porengröße einzuhaltende Abstände zwischen den Poren max. Anzahl an Poren zulässige Summe der Porendurchmesser unterschiedliche Bewertungsnormen führen zu verschiedenen i.o. / n.i.o. - Beurteilungen

11 5. Methodisches Vorgehen Reduzierung des Auftretens metallurgischer Porosität im artgleichen MSG- und UP-Schweißgut von Superduplex-Stählen Aufdeckung der metallurgischen Ursachen für die Porosität: Variation der Drahtcharge Variation der Grundwerkstoffcharge Variation der Draht-Hilfsstoff- Kombination Untersuchung des Einflusses der Wärmeführung auf die Porosität: Wärmeeinbringen / Streckenenergie Zwischenlagentemperatur Kaltdrahtzuführung Drahtdurchmesser (UP) Prozess / Lichtbogenart (MSG) Metallurgie Technologie - Wärmeführung Erhöhung der Fertigungssicherheit beim Verarbeiten von SDSS

12 5. Methodisches Vorgehen Herstellung von Auftrag- bzw. Verbindungsschweißungen GWS: MSG: X2CrNiMoCuWN (WN 1.41) UP: X2CrNiMoN (WN ) ZWS: N L Entnahme eines Schweißgutblockes: 70 x 20 x 10 mm (Probe 2) Durchstrahlungsprüfung Ferritmessung Spektralanalyse Schmelzextraktion Entnahme von zwei Metallographieproben: 10 x 35 mm (Probe 1 & 3) Schliffe Härtemessung Ferritmessung REM/EDX-Untersuchungen Probenentnahmeplan

13 Streckenenergie [kj/cm] Porenanteil [%] 6. Ausgewählte Ergebnisse Technologischer Einfluss auf die Porenneigung beim UP-Schweißen (1-lagige UP-Verbindungsschweißungen) BPK: W10FE Drahtcharge Ø Draht [mm] v s [cm/min] T vorwärm [ C] I 2,4 40 RT I 2,4 RT Streckenenergie I 2,4 60 RT I 2, Porenanteil II 2,0 RT Variation technologischer Parameter III 2,0 RT 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Porenanteile beim UP-Schweißen sehr gering (< 0,25 %, Grenzwert: 1%) Erhöhung der Streckenenergie und Vorwärmen führen zu geringeren Porenanteilen Verringerung des Drahtdurchmessers besitzt keinen merklichen Einfluss auf den Porenanteil

14 6. Ausgewählte Ergebnisse Technologischer Einfluss auf die Porenneigung beim UP-Schweißen (1-lagige UP-Verbindungsschweißungen) Schweißgut [%] Porenanteil Si % Mn % Cr % Mo % Ni % W % Cu % C % N * ppm O * ppm PRE CPT theo C 1 0,1 0,47 0,75 25,1 4,05 7,91 0,22 0,36 0, ,5 59,8 2 0,1 0,46 0,75 25,1 4,05 7,78 0,21 0,35 0, ,7 60,2 3 0,2 0,45 0,75 25,2 4,02 7,73 0,20 0,37 0, ,6 60,2 4 0,2 0,44 0,76 25,3 3,99 7,73 0,19 0,37 0, ,6 60,1 5 0,1 0,48 0,76 25,0 3,99 7,92 0,24 0,36 0, ,4 59,4 6 0,1 0,42 0,74 25,2 3,98 8,01 0,22 0,36 0, ,5 59,9 PRE = 1*%Cr + 3,3*(%Mo + 0,5%W) + 16%N [nach NORSOK] CPT theo ( C) = 2,5*%Cr + 7,6*% Mo + 31,9*%N - 41,0 [nach ASTM G48] * Schmelzextraktion PRE > 40 theoretische Lochkorrosionstemperaturen 60 C chemische Zusammensetzung der Schweißgüter sehr ähnlich geringe Abweichungen zwischen den Stickstoffgehalten starke Unterschiede in den Sauerstoffgehalten

15 Ferritgehalt [FN] 6. Ausgewählte Ergebnisse Technologischer Einfluss auf die Porenneigung beim UP-Schweißen (1-lagige UP-Verbindungsschweißungen) Risse v s = 40 v s = Drahtcharge Ø Draht [mm] v s [cm/min] T vorwärm [ C] I 2,4 40 RT I 2,4 RT I 2,4 60 RT I 2, II 2,0 RT Variation technologischer Parameter III 2,0 RT v s = v s = 60 Schliffbilder bei 100x- und 0x-Vergrößerung

16 Streckenenergie [kj/cm] Porenanteil [%] 6. Ausgewählte Ergebnisse Technologischer Einfluss auf die Porenneigung beim MSG-Schweißen (1- bzw. 3-lagige MSG-Auftragschweißungen) BPK: W10FE Libo v s [cm/min] T ZWL [ C] ILB Streckenenergie ILB lagig ILB SLB Porenanteil ILB < 3-lagig ILB Variation technologischer Parameter Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und Verwendung eines Sprühlichtbogens führen beim MSG-Schweißen zur Reduzierung des Porenanteils Variation der Zwischenlagentemperatur besitzt vernachlässigbar geringen Einfluss auf den Porenanteil

17 6. Ausgewählte Ergebnisse Technologischer Einfluss auf die Porenneigung beim MSG-Schweißen (1- bzw. 3-lagige MSG-Auftragschweißungen) Schweißgut [%] Porenanteil Si % Mn % Cr % Mo % Ni % W % Cu % C % N * ppm O * ppm PRE CPT theo C 1 4,9 0,36 0,70 24,49 4,00 8,53 0,52 0,53 0, ,5 58,2 2 3,1 0,36 0,71 25,29 3,96 8,54 0,47 0,52 0, ,7 59,9 3 1,3 0,37 0,71 24,49 4,03 8,70 0,53 0,54 0, ,4 58,0 4 0,6 0,35 0,66 24,38 3,99 8,23 0,53 0,53 0, ,3 58,1 5 6,2 0,39 0,74 24,53 4,07 9,18 0,54 0,55 0, ,3 58,2 6 5,9 0,38 0,75 24,56 4,05 9,12 0,52 0,54 0, ,2 58,1 PRE = 1*%Cr + 3,3*(%Mo + 0,5%W) + 16%N [nach NORSOK] CPT theo ( C) = 2,5*%Cr + 7,6*% Mo + 31,9*%N - 41,0 [nach ASTM G48] * Schmelzextraktion PRE > 40 theoretische Lochkorrosionstemperaturen C kein Zusammenhang zwischen steigenden Stickstoffgehalten und Zunahme des Porenanteils Zusammenhang zwischen steigenden Sauerstoffanteilen und erhöhtem Porenanteil

18 Härte [HV10] Ferritgehalt [FN] 6. Ausgewählte Ergebnisse Technologischer Einfluss auf die Porenneigung beim MSG-Schweißen (1- bzw. 3-lagige MSG-Auftragschweißungen) ILB SLB Schliffbilder bei 100x- und 0x-Vergrößerung 400 Härte Ferritgehalt Riss Prozess v s [cm/min] T ZWL [ C] ILB ILB 100 ILB SLB ILB < Variation technologischer Parameter ILB SLB

19 6. Ausgewählte Ergebnisse Optimierung des Werkstoffübergangs zur Reduzierung des Spritzeraufkommens beim MSGp-Schweißen mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen unzulässige Spritzerbildung T ZWL < C T ZWL = 1 C Schweißspritzeraufkommen in Abhängigkeit von der Zwischenlagentemperatur

20 6. Ausgewählte Ergebnisse Optimierung des Werkstoffübergangs zur Reduzierung des Spritzeraufkommens beim MSGp-Schweißen mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Nachtropen Parmeter: f = 185 Hz; t B = 2,0 ms; I P = 0 A; I G = 70 A; v Dr =7,5 m/min, E = 8,0 kj/cm t 1 = 4,3 ms t 2 = 4,7 ms t 3 = 6,6 ms t 4 = 10,3 ms 1 ms t 1 t 2 t 3 t 4 t

21 6. Ausgewählte Ergebnisse Optimierung des Werkstoffübergangs zur Reduzierung des Spritzeraufkommens beim MSGp-Schweißen mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Tropfenexplosion Parmeter: f = 185 Hz; t B = 2,0 ms; I P = 0 A; I G = 70 A; v Dr =7,5 m/min, E = 8,0 kj/cm t 1 t 2 t 3 t 1 t 2 t 3 t

22 6. Ausgewählte Ergebnisse Optimierung des Werkstoffübergangs zur Reduzierung des Spritzeraufkommens beim MSGp-Schweißen mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Schutzgas Ar + 30% He Ar + 30% He + 0,5% CO 2 Ar + 30% He + 2% CO 2 Ar + 2% N 2 + sehr wenig + glatte Nahtoberfläche Tropfenexplosionen - häufige Tropfenexplosion + nahezu spritzerfreier + wenige - Werkstoffübergang bei Werkstoffübergang Tropfenexplosionen Charakteristik Lichtbogenzündung nicht + 1 Tropfen pro Impuls - vereinzeltes Nachtropfen abgeschlossen, erneute - geschuppte Nähte - rauhe Nahtoberfläche Beschleunigung des - ungleichmäßige Materials führt zu Spritzern Nahtflanken Optimum der Schweißparameter Werkstoffübergang I G = 70 A I P = 5 A f = 185 Hz t P = 1,6 ms E = 8,7 kj/cm I G = A I P = 0 A f = 185 Hz t P = 1,8 ms E = 7,7 kj/cm I G = 70 A I P = 470 A f = 175 Hz t P = 2,0 ms E = 8,0 kj/cm + geringe Spritzerneigung + 1 Tropfen pro Impuls - geschuppte Nähte - ungleichmäßige Nahtflanken I G = 60 A I P = 400 A f = 175 Hz t P = 2,5 ms E = 7,5 kj/cm Nahtaussehen

23 7. Zusammenfassung und Ausblick MSG-Schweißen: Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit (Reduzierung der Streckenenergie) bzw. Verwendung eines Sprühlichtbogens hemmen die Porenbildung, aber: Auftreten von Mikrorissen im Schweißgut Einfluss der Zwischenlagentemperatur vernachlässigbar gering Einhaltung geringerer Zwischenlagentemperatur (T < C) sowie Optimierung der Schweißparameter minimiert das Spritzerauftreten UP-Schweißen: Verringerung der Schweißgeschwindigkeit (Erhöhung der Streckenenergie) führt zu geringeren Porenanteilen, aber: Auftreten von Mikrorissen im Schweißgut Vorwärmen führt zur Verringerung des Porenanteils Verwendung eines geringeren Drahtdurchmessers besitzt keinen merklichen Einfluss auf die Porenbildung Weiterführende Untersuchungen: Analyse des Einflusses zusätzlicher Kaltdrahtzufuhr Verifizierung der Ergebnisse anhand von Verbindungsschweißungen und mechanisch-technologischen Prüfungen

24 Quellen [1] Arola, R; Wendt J.; Kivineva E., Gas Porosity Defects in Duplex Stainless Steel Castings, Materials Science Forum Vols (1999), pp [2] TMR Stainless. Verarbeitung nichtrostender Duplexstähle- Ein praktischer Leitfaden. IMOA, Pittsburgh, 2011 [3] Schulze, G. Metallurgie des Schweißens. Springer-Verlag, Berlin Bd. 4. Auflage [4] Avesta Welding. Das Schweißen von rostfreien Duplex-Stählen. Informationsbroschüre (2011). [5] Karlsson, L.: Welding Duplex Stainless Steels A review of current recommendations. Welding in The World (2012) Vol. 56, Nr. 05/06, S [6] DVS-Merkblatt Empfehlungen zum Schweißen von nicht rostenden austenitisch-ferritischen Duplex-und Superduplexstählen. Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS-Verlag, Düsseldorf, Februar 2004

25 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!