Eigenspannungsanalyse an additiv geschweißtem Bauteil aus hochfestem Stahl
Quelle: BAM, Fachbereich Komponentensicherheit
Die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle hat für viele Anwendungen des Stahlbaus ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen mit hoher mechanischer Beanspruchbarkeit, wie sie bspw. im Bereich Windenergie aktuell dringend benötigt werden. Darüber hinaus sind weitere deutliche Steigerungen der Effizienz durch additive Fertigungsschritte sowie bionische Bauweisen erzielbar. Hierzu stehen bereits kommerzielle hochfeste drahtförmige Zusatzwerkstoffe für das formgebende Metall-Aktiv-Gas-Schweißen („Wire Arc Additive Manufacturing“, WAAM) zur Verfügung.
Dem breiten wirtschaftlichen Einsatz fehlen jedoch noch quantitative Aussagen zu den fertigungsbedingten Beanspruchungen und der Bauteilsicherheit, die aus der additiven Herstellung resultiert und sich letztlich im Betrieb auf die Bauteilperformance auswirkt. Dies betrifft insbesondere prozess- sowie materialbedingte Einflüsse und die Schrumpf- bzw. Verzugsvorgänge während der Abkühlung, die aufgrund der Steifigkeit der umgebenden Konstruktion erheblich behindert sind. Diese Faktoren können in der Wechselwirkung zu hohen Zugeigenspannungen führen. Zusammen mit den speziellen Gefügen und hochfesten Werkstoffeigenschaften besteht dadurch ein stark erhöhtes Risiko einer Kaltrissbildung in den Bauteilen.
Für diesen Beitrag wurde deshalb experimentell untersucht, wie sich die Prozessbedingungen bei der additiven Fertigung mittels Lichtbogen, insbesondere die Schweißwärmeführung und die konstruktive Ausführung der Bauteile auf Gefüge bzw. Härte und die Eigenspannungen auswirken. Mittels einer vollautomatisierten Schweißanlage erfolgte die Fertigung von Referenzproben (Hohlquader) unter systematischer Variation der Wärmeführung und Konstruktion. An allen Proben ließen sich die Eigenspannungen an ausgewählten Oberflächen mittels Röntgenbeugung (XRD) analysieren und mit den Eingangsparametern Schweißwärmeführung und Bauteilgeometrie sowie mit dem resultierenden Gefüge bzw. der Härte korrelieren.
So zeigte eine erhöhte Wärmeeinbringung mit jeder Schweißraupe ein geringeres Eigenspannungsniveau in Schweißrichtung der Bauteilwände. Zu hohe Temperaturen beim Schweißen und geringe Abkühlraten können jedoch in einer zu geringen Festigkeit des Werkstoffes führen. Bei der Bauteilgestaltung wirkt sich vor allem die Bauteilhöhe auf den Beanspruchungszustand nach dem Schweißen aus. Geringe Bauteilhöhen bei gleicher Dicke und Steifigkeit der Substratplatte bedingen ein höheres Eigenspannungsniveau im Bauteil.
Influence of the WAAM process and design aspects on residual stresses in high-strength structural steels
K. Wandtke, D. Schroepfer, R. Scharf-Wildenhain, A. Haelsig, T. Kannengiesser, A. Kromm, J. Hensel
veröffentlicht in Welding in the World, 67, pages 987–996 (2023).
BAM Abteilung Komponentensicherheit
BAM Fachbereich Versuchsanlagen und Prüftechnik
BAM Fachbereich Integrität von Schweißverbindungen