Übertragbarkeitsuntersuchen zur Rissvermeidung mittels Eigenspannungsbewertung: Vom Unterpulver-Schweißen an Bauteilproben über das 2-MN-Prüfsystem bis hin zum Prüfkonzept mittels kleinskaliger Laborproben
Quelle: BAM, Fachbereich Integrität von Schweißverbindungen
An geschweißte Komponenten, z. B. in Kraftwerken oder Anlagen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, werden hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. Hierzu gehört insbesondere die Vermeidung einer Rissentstehung. Warmfeste, kriechbeständige Stähle sind für einen solchen Einsatz prädestiniert, bedürfen jedoch nach dem Schweißen einer aufwendigen Wärmebehandlung. Die teils über Monate fertig geschweißten Komponenten sind in der Regel mehrere 100 t schwere Reaktoren bzw. Druckbehälter und werden einige Stunden in hallenartigen Öfen bei über 700 °C geglüht. Hierbei können, je nach Vorbeanspruchung durch Schrumpfbehinderung beim Schweißen, sogenannte Spannungsrelaxationsrisse auftreten. Deren Ursache ist ein komplexes Zusammenspiel aus metallurgischen, schweißprozesstechnischen und mechanischen Einflüssen. Mit dem Ziel, diese Art der Rissbildung genau zu untersuchen, ist eine realitätsnahe Abbildung dieser extremen Randbedingungen aus der Praxis in das Labor erforderlich. Neben der Wärmeführung des Hochleistungs-Unterpulver-Schweißprozesses sind dabei auch die konstruktiven Aspekte aufgrund der enormen Bauteilabmessungen, d. h. hohe mechanische Steifigkeiten beim Schweißen, zu berücksichtigen. In Teil I und II dieser Artikelserie wurden die Rissentstehungsmechanismen fokussiert. Teil III beschäftigt sich mit der Übertragbarkeit von Beanspruchungsanalysen hin zu einer neuen, sehr kleinskaligen Laborprüfmethodik unter zusätzlicher äußerer Belastung beim Schweißen. Mit dem an der BAM entwickelten 2-MN- Prüfsystem und verschiedener bauteilnaher Proben-Setups konnten Schweißexperimente sukzessive über viele Größenordnungen skaliert und die Beanspruchungen an allen Proben bewertet werden. Hierfür erfolgten auch Eigenspannungsanalysen im Schweißnahtvolumen mittels Neutronenbeugung am Reaktor (HZB). Es zeigte sich eine hervorragende Übertragbarkeit der hohen Beanspruchungen durch den Schweißprozess an großen Komponenten auf die neue Prüftechnik im Labormaßstab. Auf Basis der Untersuchungen konnten eine Reihe von Empfehlungen gegeben werden, wie mit geringem Zeit- und Materialaufwand systematisch die Risssicherheit beim Schweißen dieser empfindlichen Werkstoffe zielgerichtet untersucht und bewertet werden kann.
Influence of welding stresses on relief cracking during heat treatment of a creep-resistant 13CrMoV steel Part III: assessment of residual stresses from small-scale to real component welds
Dirk Schröpfer, Arne Kromm, Thomas Lausch, Michael Rhode, R. C. Wimpory, Thomas Kannengießer
erschienen in Welding in the World, Seiten 1–15 2021
BAM Fachbereich Integrität von Schweissverbindungen