20.05.2021

Laserstrahlquelle

Laserstrahlquelle und laserinduziertes Plasma auf der Oberfläche einer WIG-geschweißten Duplex-Edelstahlprobe

Quelle: BAM

Projektlaufzeit

01.12.2020 - 30.11.2023

Projektart

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Projektziele sind die Erhöhung der Vorhersagegenauigkeit des Schweiß-Gefüges von Duplex-Edelstählen sowie die Anpassung des WRC-1992 Diagramms hinsichtlich vernachlässigter Legierungselemente und Abkühlraten.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Lukas Quackatz

Projektbearbeiter Lukas Quackatz bei der Messvorbereitung

Quelle: BAM

Duplex-Edelstähle zeigen Gefügeveränderungen beim Schweißen, die zu ungleichmäßigen Phasenverhältnissen und Änderungen der chemischen Zusammensetzung führen. Gefügeveränderungen in diesen zweiphasigen Werkstoffen können zu Erstarrungsrissen, Erhöhung der Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten führen. Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ermöglicht eine zeit- und ortsaufgelöste in situ Messung sowohl der Temperatur als auch der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Genauigkeit der Vorhersage des Schweiß-Gefüges von Duplex-Edelstählen zu erhöhen und das WRC-1992 Diagramm zu überarbeiten. Dafür werden Messungen der chemischen Zusammensetzung sowie Elektronentemperaturberechnungen mittels LIPS realisiert. Mit Elektronentemperaturdaten ist es erstmals möglich, die Abkühlrate ohne zusätzliche Messvorichtung zu berechnen und die Abkühlkurven des erstarrenden Schweißgutes im Schmelzbad zu analysieren.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

LIPS ist ein spektroskopisches Verfahren, mit dem Elementzusammensetzungen ermittelt werden können. Kurze, hochenergetische Laserpulse ablatieren ein geringes Volumen (< 0.1 mm3) des beschossenen Materials und ionisieren es zu einem Plasma. Das zerfallene Plasma emittiert elementspezifisches Licht. Der simple Versuchsaufbau und das schnelle, zerstörungsfreie Analyseverfahren zeichnen die LIPS-Analyse aus. Analysen können berührungslos und ohne Vorbehandlung der Proben durchgeführt werden, für flüssige, feste und gasförmige Stoffe.

Händeschütteln

Quelle: BAM

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, Projektnummer 442001176.

insituLIPS – in situ Untersuchung der Phasenverteilung und Schmelzbaderstarrung von Duplex-Edelstählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIPS)

Herausforderungen des Schweißens von Duplex-Edelstähle

Schweißprozesse sind die am weitesten verbreiteten Herstellungsverfahren für Duplex-Edelstähle. Aufgrund der thermischen Zyklen kann es zu einem unausgewogenen α/γ-Verhältnis in der Schmelzzone (FZ) oder der Wärmeeinflusszone (WEZ) der Schweißverbindung kommen. Dieses fehlende Gleichgewicht resultiert in einer signifikanten Reduktion der lokalen chemischen und mechanischen Eigenschaften. Selbst geringste Elementabbrände während des Schweißens können kritische Änderungen der chemischen Zusammensetzung und des Phasenverhältnisses verursachen und damit erhebliche Rissprobleme in sicherheitsrelevanten Bauteilen hervorrufen.

Aufgrund der herausragenden physikalischen Eigenschaften von Duplex-Edelstählen finden sie in nahezu allen Industriezweigen Anwendung. Das Gefüge der Duplex-Edelstähle weist ein ausgeglichenes Verhältnis von α-Ferrit und γ-Austenit auf. Die Hauptlegierungselemente sind Chrom und Nickel. Diverse weitere Legierungselemente erhöhen die Korrosionsbeständigkeit und tragen zur Festigkeitssteigerung bei. Das richtige Gleichgewicht zwischen den α-bildenden Elementen (Cr, Mo, Ti, Nb, Si, Al) und γ-bildenden Elementen (Ni, Mn, C, N) sorgt für den ausgeglichenen Anteil beider Phasen.

Schweißnaht-Überwachung

Die laserinduziere Plasmaspektroskopie (LIPS) bietet eine vielversprechende Möglichkeit der in situ Schweißnaht-Überwachung. Bei der LIPS-Analyse erzeugt ein hochenergetischer, gepulster Laser ein Plasma auf der Materialoberfläche. Die Expansion des Plasmas bewirkt eine elektromagnetische Strahlung. Diese Strahlung ist elementspezifisch und kann nach einer Referenzanalyse zur chemischen Charakterisierung des geprüften Werkstoffs verwendet werde. Die Erstarrungsfolge des Materials korreliert direkt mit der Temperatur im Schmelzbad. Daher ist es nötig, diese Temperatur im Schweißprozess zu überwachen, um unmittelbar Parameteranpassungen durchführen zu können. Mithilfe der Kalkulation von Elektronentemperaturen im Laserplasma kann, ohne zusätzliche Messausrüstung, die Temperatur zeit- und ortsaufgelöst bestimmt werden. Im Anschluss an den Messvorgang werden Spektren für jeden einzelnen Messpunkt generiert und ausgewertet. Nach der Subtraktion der Untergrundstrahlung können die Intensitäten der Elemente, die von Interesse sind, herausgefiltert werden.

LIPS-Spektrum eines Duplex-Edelstahls 1.4162

LIPS-Spektrum eines Duplex-Edelstahls 1.4162 mit Visualisierung einer charakteristischen Chromlinie

Quelle: BAM

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Integrität von Schweißverbindungen

Förderung

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, Projektnummer 442001176.

DFG-Logo

DFG-Logo

Quelle: DFG