Vorteilhafter Einsatz von hyperbaren Prozessbedingungen beim Schweißen von hohen Temperaturen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12434 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Hyperbares Schweißen wird für verschiedene Stähle in vielen Unterwasseranwendungen als Reparaturschweißverfahren eingesetzt. Es kann zwischen Nass- und Trockenschweißverfahren unterschieden werden. Aufgrund des erhöhten Umgebungsdrucks weisen diese Prozesse prozessimmanente Besonderheiten auf, die das Abkühl- und Eindringverhalten beeinflussen. Die positive Nutzung dieser Effekte außerhalb von Unterwasseranwendungen wird derzeit in Wissenschaft und Anwendung kaum thematisiert. Die vorgestellte Arbeit ermittelt diese Vorteile anhand eines höherfesten Baustahls und charakterisiert die Auswirkungen auf die Mikrostruktur eines gefügten S700MC-Stahls und auf die mechanischen Eigenschaften der Verbindung. Es wird gezeigt, dass eine hyperbare Umgebung verwendet werden kann, um die Schweißnaht stärker auf die Tiefe des Blechs auszurichten. Darüber hinaus wird gezeigt, dass diese Änderung zu einer veränderten Abkühlung führt, die wiederum die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht beeinflusst.

Schweißen unter hyperbaren Umgebungsbedingungen wird seit vielen Jahren in der Unterwasserproduktion und -reparatur eingesetzt. Aufgrund des Ausführungsortes unter Wasser sind für die Ausführung der Schweißnaht teilweise sehr aufwändige Hilfsmittel erforderlich1. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Arten von Unterwasserschweißverfahren, beispielsweise dem Schweißen in trockener und nasser Umgebung2. Die Ausrüstung zum Schweißen in trockener Atmosphäre kann sehr komplex sein, ähnlich einem Mini-Habitat für manuelles Schweißen1,3. Darüber hinaus hat die Forschungsaktivität rund um das Unterwasserschweißen im letzten Jahrzehnt zugenommen2, Abb. 1. Die Zahl der veröffentlichten Artikel ist gestiegen und wird voraussichtlich etwa 80 Artikel pro Jahr im Jahr 2020 veröffentlichen.

Unterwasserschweißforschung (Daten bis zum ersten Quartal 2020)2.

Ein Forschungsthema ist der Prozesseinfluss der wasserhaltigen Atmosphäre und des erhöhten Umgebungsdrucks4. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass ein erhöhter Umgebungsdruck bei gleicher Schweißspannung zu einer deutlichen Reduzierung der Lichtbogenlänge führt3,5,6,7,8,9. Neben dem Einfluss auf Strom und Spannung konnte auch ein Einfluss des erhöhten Drucks auf die Spritzerbildung gezeigt werden10.

Im Bereich der Werkstoffe konnte ein deutlicher Einfluss des Wasserstoffgehalts auf die Mikrostrukturmorphologie, Oberflächenrauheit und Rissverhalten der meist untersuchten hochfesten Stähle gezeigt werden11,12,13,14,15. Akselsen et al. zeigten, dass geeignete Zähigkeitswerte für unterschiedliche Druckniveaus erreicht werden können, indem verschiedene Arten von Schweißzusätzen für hochfesten X70-Rohrleitungsstahl verwendet werden16. Darüber hinaus zeigten sie, dass sich die Eindringtiefe der Schweißnaht aufgrund eines erhöhten Drucks erhöht16, und sie schätzen einige praktische Auswirkungen ab, wie z. B. das Füllen von Wurzelspalten und eine verringerte Anzahl von Schichten. Sie schlugen eine erste Theorie für die erhöhte Penetration vor und konzentrierten sich auf Strömungseffekte in der Schmelze. Darin heißt es, dass die Strömung aufgrund des erhöhten Drucks nach unten gerichtet sei, um eine tiefere Eindringung zu erreichen.

Darüber hinaus wird auch das Materialspektrum, das in die verschiedenen Untersuchungen einbezogen wird, immer breiter. Beispielsweise wurde das Schweißen von Kupfer- oder Aluminiumlegierungen17 und Duplex-Edelstählen18,19 unter hyperbaren Prozessbedingungen untersucht. Bei Aluminiumlegierungen kann von einem vorteilhaften Einsatz des Überdruckschweißens im unteren Druckbereich bis 10 bar zur Reduzierung von Poren ausgegangen werden, einem zentralen Problem beim Schweißen von Aluminium17.

Für einige Materialien besteht Bedarf an weiteren Untersuchungen, beispielsweise für das Schweißen von Molybdänlegierungen unter hyperbaren Prozessbedingungen20 und für das Schweißen von plattierten Multimaterialrohrleitungen21.

Ein positiver Nutzen in der Schweißproduktion durch einen erhöhten Umgebungsdruck wurde in der Forschung jedoch wenig thematisiert, ist jedoch von Interesse, da durch den Lichtbogenverkürzungseffekt und eine entsprechende mögliche Spannung eine deutliche Erhöhung der Energiedichte im Lichtbogen realisiert werden kann Zunahme. Zudem kommt es durch den erhöhten Umgebungsdruck zu einer Verengung des Lichtbogens und damit zu einer Erhöhung der lokalen Energiedichte.

Eine erhöhte Energiedichte führt zu einer tieferen Eindringung der Schweißnaht, wie Dutra für einen modifizierten Schweißprozess gezeigt hat22. Bunaziv et al. zeigte einen ähnlichen Effekt beim Schweißen im CMT-Modus bei erhöhten Umgebungsdrücken5.

Die Erhöhung der Energiedichte des Lichtbogens sollte zu einer größeren Einschweißtiefe und veränderten Erstarrungsbedingungen führen, wie Azar et al. vorhergesagt23 und Bunaziv et al. für einen modifizierten Schweißprozess gezeigt5. Die Lichtbogeneinschnürung ist darüber hinaus, wie bei normalen MSG-Schweißungen, von der verwendeten Schutzgasmischung abhängig24. Azar modellierte und validierte die thermischen Kühlzyklen und stellte einen Einfluss des Drucks auf die Kühl-t8/5-Zeit fest, stufte diesen Effekt jedoch als gering ein25. In anderen Studien kann der Einfluss auf die Abkühlzeit als signifikant angesehen werden. Eine veränderte Abkühlzeit führt zu unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes und der WEZ.

Die in dieser Arbeit vorgestellte Arbeit soll den Fokus hyperbarer Schweißprozesse weg vom Unterwasserschweißen hin zu einer möglichen Verbesserung konventioneller Schweißprozesse verlagern. Hierzu ist die Kenntnis der zugrunde liegenden Zusammenhänge zwischen den Randbedingungen des Schweißprozesses, dem Umgebungsdruck sowie den geometrischen und mechanischen Eigenschaften des Schweißguts und der HAZ (Wärmeeinflusszone) von entscheidender Bedeutung. Daher wird in der im Folgenden vorgestellten Arbeit ein Modell für die Abhängigkeit der Schweißnahtgeometrie von den Sollgrößen beim Überdruckschweißen abgeleitet. Das abgeleitete statistische Modell gibt einen Überblick über den Zusammenhang zwischen den Schweißtiefen und der Schweißguthärte. Der Fokus der Interpretation der Literatur und der Ergebnisse in der Diskussion der Erkenntnisse wird auf einer vorteilhaften Nutzung einer hyperbaren Prozessumgebung beim Schweißen ohne wasserführenden Aufbau liegen.

Um den Nutzen des Überdruckschweißens in der Schweißproduktion zu untersuchen, wurde eine Überdruckkammer mit externer Drahtzuführung realisiert (Abb. 2 und 3). Diese Kammer hält einem Innendruck von bis zu 50 bar stand und ermöglicht den visuellen Zugang zur Fügezone. Die Zuführung der Drahtelektrode erfolgt von außen über ein Torsystem. Dadurch werden die Auswirkungen des erhöhten Umgebungsdrucks auf die Schweißstromquelle eliminiert. Die Probenbewegung erfolgte über einen separat gesteuerten Linearbewegungstisch.

Schema der Überdruckkammer17.

Schweißkammer17.

Für die folgenden Untersuchungen wurden der Umgebungsdruck von 2 bar bis 16 bar sowie die Schweißspannung und der Schweißstrom gemäß einer statistischen Versuchsplanung im nicht-synergischen Betriebsmodus der Schweißstromquelle gemessen. Argon wurde als Schutzgas und zur Aufstockung des Drucks auf den für das Experiment gewünschten Druck in die Testkammer eingespeist.

Die chemische Zusammensetzung des verwendeten Grundmaterials, eines niedriglegierten hochfesten Stahls S700MC, wurde durch optische Emissionsspektroskopie bestimmt. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.

Wie bei Feinkornbaustählen üblich, liegen Mikrolegierungen mit den Elementen Titan, Vanadium und Niob sowie einem größeren Anteil Mangan vor. Die Mikrostruktur von S700MC ist sehr feinkörnig, ferritisch und weist eine ausgeprägte Rolltextur auf (Abb. 4)26.

Querschnitt S700MC26.

Bei größeren Vergrößerungen sind in der gesamten Mikrostruktur größere blockartige Titannitrid-Ausscheidungen (gelblich) sichtbar. Zur Bestimmung der quasistatischen mechanischen Eigenschaften des Testmaterials wurden Zugversuche durchgeführt (Tabelle 2). Daher wurde bei der Probenentnahme die Walzrichtung berücksichtigt26. Die angezeigten Werte sind die Mittelwerte der drei getesteten Proben.

Die chemische Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffes wurde ebenfalls mittels optischer Emissionsspektrometrie an zweidimensionalen Auftragsschweißungen mit 4 Lagen bestimmt und ist in Tabelle 3 dargestellt. Der verwendete Schweißzusatz hatte einen Durchmesser von 1,2 mm. Das statistische Versuchsdesign wurde mit der Modde-Software (Version 12.1) erstellt und ausgewertet.

Die Schweißversuche wurden gemäß einer statistischen D-optimalen Versuchsplanung (DoE) durchgeführt, wie in Tabelle 4 dargestellt. Bei der D-optimalen Versuchsplanung ist die Determinante der Informationsmatrix maximiert. Dieses Kriterium führt zur Minimierung des Volumens des Konfidenzellipsoids für die unbekannten Parameter des linearen Regressionsmodells. Darüber hinaus bietet das DOE die Möglichkeit, ein statistisches Modell zur Beschreibung des Einflusses des Umgebungsdrucks auf verschiedene Nahteigenschaften abzuleiten. Die veränderbaren Größen für die DoE sind die Schweißspannung für einen nicht synergetischen Schweißprozess, der Umgebungsdruck und der Schweißstrom. Der Sollwert des Drahtvorschubs ist ebenfalls angegeben. Insbesondere der Schweißstrom hängt mit der Drahtvorschubgeschwindigkeit zusammen. Für die Auswertung der Ergebnisse verwenden wir als Sollwert nicht die Drahtvorschubgeschwindigkeit, sondern den Schweißstrom, da die Mittelwerte der gemessenen Ströme mit den Sollwerten übereinstimmen. Ein zu erwartender wesentlicher Einfluss des Umgebungsdrucks auf die auftretenden Schweißströme und -spannungen ist nicht eingetreten (siehe Abschnitt „Abkühlzeiten“). Daher ist es möglich, dass das Schweißgerät in diesem Fall beim Strom als Regelgröße bleibt. Der Stickout wurde auf 17 mm eingestellt. Der Brenner wurde normal und ohne Winkel zur Oberfläche des verwendeten Substrats ausgerichtet. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der Schweißtiefen- und Härtemessungen (HV0,2) für das Wulst-auf-Blech-Schweißen. Bei den in Tabelle 4 dargestellten Härtemessungen (HV0,2) handelt es sich um die Mittelwerte der letzten 10 Punkte im Schweißgut einer Härtemesslinie, die im Grundwerkstoff beginnt und mindestens bis zur Mitte des Schweißgutes reicht. Ein Beispiel ist in Abb. 5 dargestellt. Die Schweißnahttiefe wurde an einem Querschnitt gemäß Abb. 5 ermittelt.

Härtemessungen (Beispiel).

Die Schweißgeschwindigkeit wurde auf 30 cm/min eingestellt. Als Schweißgerät kam eine EWM Alpha Q 551 zum Einsatz. Der Drahtdurchmesser betrug 1,2 mm, als Schutzgas wurde Argon verwendet.

Das abgeleitete statistische Modell ist in Abb. 6 für den Zusammenhang zwischen Umgebungsdruck, Schweißstrom, Schweißspannung und Einschweißtiefe dargestellt. Der statistische Versuchsaufbau ist in Tabelle 4 dargestellt. Der Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Erhöhung der Einschweißtiefe ist in Abb. 6 ersichtlich. Mit zunehmendem Druck erhöht sich die Einschweißtiefe. Allerdings ist der Effekt nicht so ausgeprägt wie bei der in 17 vorgestellten Aluminiumlegierung. Diese Ergebnisse werden durch Erkenntnisse von Xue et al. gestützt. vorgestellt in27. Die maximale Einschweißtiefe wird bei hohen Schweißspannungen und Schweißströmen erreicht.

Statistisches Modell für die Schweißdurchdringung bei Schweißnähten mit Raupen auf Blechen.

Aufgrund dieser Ergebnisse und Erkenntnisse aus Untersuchungen mit Aluminium17,28 kann ein lokales Maximum der Einschweißtiefe in Abhängigkeit von Schweißspannung und Schweißstrom angenommen werden, das sich außerhalb des dargestellten Versuchsbereichs ausbilden wird, Bild 7. Die Einschweißtiefe wurde gemessen Querschnitte 50 mm hinter dem Schweißbeginn. Ein Beispiel für einen Querschnitt für die Messung ist in Abb. 8 dargestellt.

Angenommenes lokales Maximum im statistischen Modell.

(a) Querschnitt 500A, 35 V, 16 bar. (b) Querschnitt 350 A 40 V 9 bar.

Dabei kam es aufgrund des erhöhten Umgebungsdrucks zu einer eher fingerförmigen Nahtgeometrie im Vergleich zu Schweißnähten bei niedrigeren Drücken, Bild 8. Weiterhin zeigt die Betrachtung der Schweißprozesse, dass die Hochenergieschweißprozesse mit einem erhöhten Umgebungsdruck und die fingerartige Form in den Querschnitten zeigen einen vergrabenen Lichtbogen, wie Dutra et al.22 in ihrer Arbeit beschrieben haben. Dieser vergrabene Bogen wurde auch durch visuelle Beobachtung entdeckt. Ein vergrabener Lichtbogen ist ein Schweißlichtbogen, der bei Schweißströmen über 500 A29,30 entstehen kann. Dieser Lichtbogen brennt unter der Oberfläche des Wokstücks (Abb. 6, vergleiche 29, 30, 31, 32).

Dieser Lichtbogen führt auch zu einer eher fingerförmigen Schweißnahtgeometrie und kann zur Verwendung kleinerer Winkel bei der Schweißnahtvorbereitung führen, was dazu führen kann, dass bei mehrstufigen Schweißnähten weniger Schichten geschweißt werden müssen17. Um dies zu beweisen, werden in Abschn. „Stoßverbindung“ Der beobachtete Effekt einer erhöhten Energiedichte im Lichtbogen, der im Extremfall zu einem vergrabenen Lichtbogen führt, in Kombination mit der Theorie von Akselsen et al.16, dass die Schmelzbadströmung so geformt ist, dass sie eine tiefere Eindringung erzeugt, sollte dies erklären die hier und in der Literatur beschriebenen Wirkungen. Baba et al. haben gezeigt, dass ein vergrabener Lichtbogen die Anzahl der erforderlichen Schweißdurchgänge erheblich reduzieren kann30. Aufgrund der Einschnürung des Lichtbogens durch den erhöhten Druck kann der vergrabene Lichtbogen auch bei Strömen unter 500 A auftreten. Die typische nach unten ausgedehnte Form des vergrabenen Lichtbogens tritt bereits bei 350 A und einem Druck von 8 bar auf, Abb. 8b.

Abbildung 9 zeigt einen direkten Vergleich zweier Schweißnähte mit gleicher Schweißspannung und gleichem Schweißstrom sowie gleicher Schweißgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Umgebungsdrücken (2 bar und 16 bar). Die Schweißnaht ist bei 2 bar deutlich breiter als bei 16 bar. Andererseits ist auch bei 200 A der Beginn einer fingerförmigen Schweißnaht über die gesamte Schweißnahtbreite zu erkennen. Wie in Abb. 9 dargestellt, wird diese fingerförmige Struktur mit zunehmendem Schweißstrom tiefer. Diese Ergebnisse zeigen die gleichen Tendenzen wie die Literatur. Insbesondere die Ergebnisse von Bunaziv et al. zeigen eine deutlich erhöhte Penetration bei erhöhtem Druck5.

Form und Mikrostruktur der Schweißnaht bei unterschiedlichen Umgebungsdrücken.

Aufgrund der größeren Einschweißtiefe, dargestellt in Abb. 8, und des Auftretens des Buried-Arc-Effekts führt die Beobachtung mit der Hochgeschwindigkeitskamera zu nicht aussagekräftigen, nahezu rein schwarzen Bildern. Daher kann der vergrabene Lichtbogen nicht dargestellt werden. Beim verdeckten Lichtbogen brennt der Schweißlichtbogen unterhalb der Grundmaterialoberfläche im Material, wie in Abb. 10 dargestellt.

Schema eines vergrabenen Lichtbogens.

Die Schweißnähte weisen eine für den verwendeten Zusatzwerkstoff typische Mikrostruktur aus nadelförmigem Ferrit auf. Darüber hinaus bildet sich Korngrenzenferrit für höhere Fügeenergieniveaus. Die gefundene Mikrostruktur ist typisch für diese Art von Zusatzmetall26,33. Bei niedrigeren Energieniveaus ist mit einer leichten Abnahme der Korngröße zu rechnen, was ebenfalls ein typisches Phänomen für diesen Füllstofftyp ist. Eine quantitative Bestimmung der Korngröße von Schweißnähten ist jedoch noch nicht aussagekräftig. Abbildung 11 zeigt den Querschnitt zweier Niederenergieschweißungen bei unterschiedlichen Umgebungsdrücken. In der unteren Bildhälfte ist die Mikrostruktur des Schweißgutes zu erkennen. In beiden Abbildungen ist nadelförmiges Ferrit innerhalb der ehemaligen Austenitkorngrenzen zu beobachten. Darüber hinaus sind Anteile von proeutektoidem Ferrit vorhanden.

Mikrostruktur. Linke Seite: 500A 30 V 2 bar, rechte Seite: 500A 35 V 9 bar.

Azar et al. prognostizierten eine Veränderung der Mikrostruktur bei höherer Schweißenergie und erhöhtem Umgebungsdruck23. Dies wird durch die Ergebnisse bestätigt. Die Unterschiede in der Mikrostruktur aufgrund unterschiedlicher Abkühlung zeigen sich bei Schweißprozessen mit höherer Energie, Abb. 11. In diesem Fall tritt bei niedrigem Umgebungsdruck neben nadelförmigem Ferrit (AF) auch Korngrenzenferrit (GBF) auf. Bei der veränderten Abkühlung aufgrund eines höheren Umgebungsdrucks zeigt der Korngrenzenferrit eine Mikrostruktur, die auf eine schnellere Abkühlung hinweist. Dies deutet auf eine nadelartige bainitische Mikrostruktur im Korngrenzenferrit hin. Dies wird durch die REM-Aufnahmen des Schweißgutzentrums Abb. 11 gestützt. Innerhalb der Korngrenze Ferrit sind zunehmend Zementitlamellen sichtbar.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Mikrostruktur für diesen Füllstoff typisch ist und es kaum quantifizierbare Unterschiede zwischen den verschiedenen Energieniveaus und Drücken gibt.

Die Ergebnisse zur Charakterisierung des Gefüges decken sich mit denen zur Härte der Schweißnähte. Um die Härte des Schweißgutes zu bestimmen, wurde eine Mikrohärtereihe (HV0,2) vom Grundwerkstoff in das Schweißgut gelegt, wobei 10 Vertiefungen in das Schweißgut eingebracht wurden. Die in Tabelle 4 angegebenen Werte sind Mittelwerte der 10 Eindrücke im Schweißgut (siehe Abb. 5). Abbildung 12 zeigt das Konturdiagramm des statistischen Modells für die Härte in Abhängigkeit von Umgebungsdruck, Schweißstrom und Schweißspannung. Mit zunehmendem Schweißstrom nimmt die Härte erwartungsgemäß aufgrund der steigenden Energie pro Längeneinheit ab. Darüber hinaus zeigt Abb. 12, dass es mit zunehmendem Umgebungsdruck zu einer leichten Abnahme der Härte im Bereich niedrigerer Schweißspannungen (unter 33 V) kommt. Bei höheren Schweißspannungen (über 33 V) kommt es zu einem leichten Anstieg der Härte. Bei höheren Schweißspannungen und höheren Drücken und/oder Strömen führt das Auftreten eines verdeckten Lichtbogens zu einer Änderung der Energiedissipation im Material und die Schweißeffizienz wird verbessert. Das bedeutet, dass die Schweißnaht langsamer abkühlt und dies zu einer geringeren Härte führt. Wenn nun bei niedrigeren Spannungen/Strömen ein vergrabener Lichtbogen vorhanden ist, verringert sich die Lichtbogeneffizienz aufgrund der höheren Gasmenge, die am Energiedissipationsprozess beteiligt ist. Darüber hinaus besteht ein Bereich bei mittleren Schweißspannungen ohne Härteveränderung durch den Umgebungsdruck. Daraus kann geschlossen werden, dass eine Erhöhung des Umgebungsdrucks wahrscheinlich zu einer Veränderung der Abkühlzeit führt. Für niedrigere Schweißspannungen wird dieses Verhalten durch Ergebnisse von Azar et al. gestützt. und Parshin et al. für höhere Spannungen25,34.

Konturdiagramm Härte in Abhängigkeit von Umgebungsdruck, Schweißspannung und Schweißstrom.

Um die positiven Auswirkungen einer hyperbaren Prozessumgebung für die Schweißfertigung zu demonstrieren, wurden Stäbe mit einer Blechdicke von 15 mm aus S700MC mit Hilfe einer Trägerplatte ebenfalls aus S700MC verbunden. Um die mögliche Schweißtiefe über die im statistischen Modell gewählte Schweißtiefe hinaus zu erhöhen, wurde eine Y-Nahtvorbereitung mit einem 5 mm Steg und einem Öffnungswinkel von 40° gewählt. Als Prozessvariablen wurden 35 V und 500 A (Drahtvorschub von 22,3 m/min) eingestellt. Abbildung 13 zeigt einen Querschnitt der erzielten Schweißnaht bei 2 bar. Die Abbildung zeigt außerdem schematisch die Schweißnahtvorbereitung. Die Geometrie und Form der Schweißnähte sind bei allen Umgebungsdrücken vergleichbar, und es zeigt sich, dass die fingerförmige Eindringung dazu führt, dass auch bei niedrigen Umgebungsdrücken eine einlagige 15 mm dicke MSG-Schweißnaht möglich ist. Als Schutzgas wurde für diese Tests auch Argon verwendet. Allerdings gibt es deutliche Unterschiede bei den Abkühlzeiten. Die Möglichkeit, dass ein vergrabener Lichtbogen zu einer erheblichen Reduzierung der Anzahl der Schichten beim Schweißen beitragen kann, wurde unter anderem von Baba et al. nachgewiesen30. Darüber hinaus haben sie gezeigt, dass auch die notwendige Schweißnahtvorbereitung reduziert werden kann. Die in den vorherigen Kapiteln gezeigte Stabilisierung des vergrabenen Lichtbogens bei erhöhtem Druck zeigt das Potenzial des Verfahrens für die Schweißproduktion, insbesondere für den Einsatz im Bereich unterhalb von 500 A Schweißstrom.

Stoßfuge 15 mm Stärke der Grundplatte Y-Nut Schweißnahtvorbereitung (2 bar).

Zur Bestimmung der Abkühlzeiten wurden beim Schweißen der Stoßnähte Thermoelemente vom Typ K im Abstand von 3 mm links und rechts von der Schweißnahtvorbereitung angepunktet. Sie befanden sich in der Mitte der zu verschweißenden Schweißnahtlänge.

Abbildung 14 zeigt die Abhängigkeit der ermittelten t8/5-Zeiten vom Umgebungsdruck. Darüber hinaus ist in Abb. 14 die entsprechende Längenenergie dargestellt, die aus den ebenfalls erfassten Mittelwerten von Schweißstrom und Schweißspannung ermittelt wurde. Die Längenenergie wird nicht durch den Umgebungsdruck beeinflusst. Im Gegensatz dazu zeigt die Abkühlzeit einen deutlichen Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Abkühlzeit. Höhere Umgebungsdrücke führen zu einer Verlängerung der Abkühlzeit, wodurch die Schweißnaht langsamer abkühlt. Dies kann durch eine Änderung der Lichtbogeneffizienz erklärt werden. Bei höheren Umgebungsdrücken führt die Einschnürung des Lichtbogens, die auch zum Buried-Arc-Effekt führt, zu einer Erhöhung der Lichtbogeneffizienz. Kernpunkt ist dabei die Veränderung der Wärmeleitungsbedingungen durch die tiefere Eindringtiefe. Dies steht im Einklang mit dem Modell für die Härte der Schweißnaht, das eine leichte Aufweichung der Schweißnahtstruktur zeigt, was auf längere Abkühlzeiten hinweist. Ein Einfluss eines erhöhten Drucks auf die Abkühlzeiten wurde von Azar et al.25 gezeigt, allerdings sind ihre Abkühlzeiten mit 2 s relativ schnell, was typisch für Unterwasseranwendungen ist. Dabei liegen die dargestellten Abkühlzeiten im Bereich zwischen 10 und 20 s, was für das „normale“ Schweißen dieser Art von Grundmaterial typisch ist. Ein Einfluss auf die Lichtbogeneffizienz wurde von Farrell auch für das hyperbare WIG-Schweißen von Duplex-Edelstählen vorgeschlagen19.

Abkühlzeiten und Schweißenergie in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck.

Die vorgestellte Arbeit zeigt, dass ein erhöhter Umgebungsdruck zu einer tieferen und fingerähnlicheren Schweißnahtcharakteristik führen kann, die in einer Nicht-Unterwasserumgebung für einen reduzierten Winkel bei der Schweißnahtvorbereitung und eine reduzierte Lagenzahl aufgrund einer tieferen Lage genutzt werden kann Durchdringung der Schweißnaht. Darüber hinaus wurde die Abhängigkeit des Lichtbogenenergieeintrags aufgrund der Änderung der Lichtbogeneffizienz aufgezeigt, die jedoch noch weiter untersucht werden muss. Die präsentierten Ergebnisse stehen im Einklang mit der vorhandenen Literatur.

Die mögliche Schweißnahtreduzierung und Reduzierung der Schweißnahtvorbereitung wurde beispielhaft für eine Einzelnahtverbindung eines 15 mm dicken Blechs mit einer 40° Y-förmigen Schweißnahtvorbereitung mit 5 mm gezeigt.

Darüber hinaus wurden statistische Modelle für die Härte und Eindringtiefe in Abhängigkeit von den Prozesswerten erstellt. Das abgeleitete statistische Modell kann dabei helfen, die benötigten Prozesswerte des Schweißprozesses zu ermitteln, einschließlich des Umgebungsdrucks für eine angestrebte Schweißtiefe pro Schicht.

Durch die Stabilisierung des vergrabenen Lichtbogens durch den erhöhten Umgebungsdruck kann die Anzahl der erforderlichen Schweißlagen bei dickwandigen Bauteilen deutlich reduziert werden. Für die Umsetzung des Überdruckschweißens an dickwandigen Bauteilen sind jedoch weitere Entwicklungsschritte notwendig. Dennoch konnte auch gezeigt werden, dass die zur Stabilisierung des vergrabenen Lichtbogens erforderlichen Drücke relativ gering sind und daher ein Konzept zur lokalen Druckerhöhung ohne Kammer realisierbar sein dürfte.

Ergänzend zu den vorgestellten Untersuchungen ist der Einsatz einer Mischung aus 82 % Argon und 18 % Kohlendioxid als Schutzgas geplant. Die Bestimmung des Einflusses des Umgebungsdrucks auf die Zähigkeit und andere mechanische Eigenschaften steht ebenfalls aus. In diesem Fall ist auch eine detaillierte Untersuchung der Mikrostruktur der WEZ geplant. Darüber hinaus ist der nächste große Schritt die Entwicklung eines außerkammerinternen hyperbaren Schweißbrenners, um die gezeigten Effekte zu nutzen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die vorgestellte Arbeit wurde gefördert von der VolkswagenStiftung „Experiment!“ Rahmen.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Clausthaler Zentrum für Werkstofftechnik - Technische Universität Clausthal, Leibnizstr. 9, 38678, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland

K. Treutler & S. Brechelt

Institut für Schweißtechnik und Zerspanungstechnik - Technische Universität Clausthal, Agricolastr. 2, 38678, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland

H. Wiche & V. Wesling

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Die experimentelle Arbeit für diesen Beitrag wurde von SB und KT unter der Aufsicht von VW und HW durchgeführt. Der Finanzierungsbeitritt wurde von HW, VW und KT durchgeführt. Die Interpretation der erhaltenen Daten wurde von KT, VW und HWKT durchgeführt. KT hat den Hauptmanuskripttext geschrieben und KT und SB haben die Zahlen erstellt. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit K. Treutler.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Treutler, K., Brechelt, S., Wiche, H. et al. Vorteilhafte Nutzung hyperbarer Prozessbedingungen beim Schweißen hochfester niedriglegierter Stähle. Sci Rep 12, 12434 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16184-5

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Eingegangen: 08. Oktober 2021

Angenommen: 06. Juli 2022

Veröffentlicht: 20. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16184-5

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