Experimentelle und numerische Untersuchungen zur fertigungsbedingten Entstehung von Fehlern in Mischschweißverbindungen

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen an einer Mischschweißverbindung die Parameter die zur Entstehung und Ausbildung von Ablösungen (Disbonding) zwischen ferritischem Grundwerkstoff und Pufferung führen können zu identifizieren und zu quantifizieren. Zur Festlegung der Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen wurden strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozesses, einerseits der Pufferung und andererseits der Festigkeitsnaht, für unterschiedliche Nahtgeometrien und Schweißparameter wie Flankenwinkel, Pufferungsdicke, Schweißnahtbreite, Zwischenlagentemperatur und Schweißfolge durchgeführt. Hieraus wurden die Randbedingungen für die experimentellen Untersuchungen abgeleitet, damit möglichst hohe mechanische Spannungen, d. h. Eigenspannungen, am Übergang von Pufferung zum ferritischen Grundwerkstoff auftreten und so das Entstehen von Ablösungen begünstigen. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer Mischnaht aus dem ferritischen Werkstoff 22NiMoCr3-7 und dem austenitischen, niobstabilisierten Werkstoff X6CrNiNb18-10 durchgeführt. Die Pufferung und die Verbindungsnaht wurde mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox SAS 2R hergestellt. Zum Vergleich wurde eine weitere Mischschweißverbindung mit dem Schweißzusatzwerkstoff Fox NiCr70Nb ausgeführt. Für die Schweißung der Pufferungen wurde basierend auf Erfahrungen bei der Herstellung von Pufferungen für Mischschweißverbindungen und den Ergebnissen der FE-Analysen, Parameter bestimmt, die eine hohe Neigung zu Ablösungen zwischen Ferrit und Pufferung, also Disbonding, aufweisen. Ausgewählt wurden primär die Parameter, die zu hohen mechanischen Spannungen, d. h. Eigenspannungen, beim Erstarren des Schweißgutes führen. Mit den nach Abschluss der Schweißarbeiten durchgeführten zerstörungsfreien Prüfungen konnten allerdings keine Ablösungen detektiert werden. Die durchgeführten zerstörenden metallkundlichen und mechanisch-technologischen Prüfungen haben gezeigt, dass bei der austenitischen Nahtausführung Gefügebereiche mit inhomogenen Festigkeits- und Verformungseigenschaften aufgetreten sind. Diese unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften können die Bildung von Ablösungen begünstigen. Bei der mechanisch-technologischen Prüfung zeigten hierbei spezifisch entnommene Kerbschlagproben eine Bruchmorphologie, wie sie bereits bei disbondingbehafteten Mischschweißverbindungen festgestellt werden konnte. Im Anschluss an die experimentellen Untersuchungen wurden ergänzend zu den numerischen Vorausberechnungen zur Festlegung der Schweißparameter weiterführende, detailliertere strukturmechanische FE-Simulationen des Schweißprozess (Schweißung der Pufferung und der Verbindungsnaht) der Mischschweißverbindung durchgeführt. Für die Nachrechnung wurden hierzu die Parameter des eingesetzten Materialmodells (Armstrong, Frederick und Chaboche (AFC) Modell) an die aktuellen Werkstoffeigenschaften angepasst. Hierzu wurden isotherme, zyklische Zugversuche sowie statische Zugversuche bei vier verschiedenen Temperaturen (RT, 500 °C, 800 °C, 1300 °C) durchgeführt. Darüber hinaus wurden anhand von Kurzzeitstandversuchen die Parameter für ein modifiziertes Graham-Walles Kriechgesetz bestimmt, das für die Simulation der Spannungsarmglühung der Pufferung verwendet wurde. Mit den so ermittelten Parametern haben sich nach der durchgeführten Schweißsimulation Eigenspannungen im Bereich des Interface ergeben, die für die Längsspannung Werte von bis zu 500 MPa erreichen. Die berechnete Längenänderung des Rohres aufgrund der Schweißung ergab einen Schrumpfbetrag des Rohres von ca. 7 mm. Der Vergleich der numerischen Ergebnisse mit den experimentellen Befunden zeigte für den größten Teil der Parameter und der Schweißnähte eine gute Übereinstimmung. Mit der in dieser Arbeit weiterentwickelten Methodik zur Untersuchung und Bestimmung der werkstoffkundlichen und mechanischen Eigenschaften einer Mischschweißverbindung konnten somit die Einflussgrößen identifiziert werden, die zu Disbonding in Mischschweißverbindungen führen können. Unter Berücksichtigung der hierbei ermittelten Parameter kann ein mögliches Auftreten von Disbonding bei der Herstellung von Mischschweißverbindungen weitestgehend ausgeschlossen werden.

The aim of this project was to identify and quantify the parameters which result in the tendency of dissimilar welded joints to delaminate between the ferritic base material and the buffering (disbonding), using experimental and numerical investigations. To determine the boundary conditions for the experimental investigations, numerical investigation of the welding process for the buffering and the dissimilar weld was undertaken for different weld geometries and welding parameters such as flank angle, thickness of the buffering and the weld, interpass temperature and welding sequence. Using these parameters for the experimental investigations it was possible to produce welds which lead to high residual stresses at the interface of the buffering to the base material during solidification. Hence it was possible to produce welds with delamination. The experimental investigations were conducted with the ferritic base material 22NiMoCr3-7 and the austenitic, niobium-stabilised base material X6CrNiNb18-10. The buffering and the welding seam were joined using the welding material Fox SAS 2R. For comparison another dissimilar weld using Fox NiCr70Nb was created. The welding of the buffering was based on experience of the manufacturing of buffering for dissimilar welds and the results of FE analysis, in particular parameters with a high tendency to cause delamination between the ferritic base material and the buffering. The parameters chosen were primarily those tending to high mechanical stresses (i.e. residual stresses) during solidification of the weld material. After welding, non-destructive testing was performed and no delamination could be found. Destructive testing using metallurgy and mechanical testing showed a different microstructure for the austenitic buffering with non-homogeneous strength and deformation characteristics. These characteristics favour delamination. Specific impact test specimens showed a crack morphology during mechanical testing which was already observed for dissimilar welds showing disbonding. Following the experimental tests, more sophisticated structural mechanical FE simulations of the welding process (welding of the buffering and the assembly seam) of the dissimilar metal weld were performed. For the post-test calculations the parameters of the material model used (Armstrong, Frederick and Chaboche (AFC) model) were determined for the actual material properties. As a basis for the FE simulation material laws, isothermal cyclic tests as well as static tensile tests were conducted at four different temperatures (RT, 500 °C, 800 °C, 1300 °C). Furthermore, short-time creep tests were performed to fit the parameters of a modified Graham-Walles creep law to simulate the stress-relieved annealing of the buffering. After simulation of the welding process, residual stresses of approximately 500 MPa were found for the longitudinal direction at the interface. The analysis of the change in length of the pipe showed shrinkage of approximately 7 mm at the end of the simulation. Comparison of the numerical and experimental results showed good correspondence in the majority of cases. The improved methodology of this work to investigate and determine the material and mechanical properties of a dissimilar weld may be used to increase the knowledge of the process variables which can lead to disbonding of dissimilar welds. By considering the results of this work, occurrence of disbonding in dissimilar welds can be widely eliminated.