Zur Sanierung von Heizflächen in Kraftwerks- und Müllverbrennungsanlagen ist das Auftragschweißen eine bewährte Methode. Dazu wurde von der DH Schweißtechnologie & Service Hohenthurm GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Chemnitz eine neue vollmechanisierte Schweißanlage entwickelt. Durch das Anlagenkonzept ergeben sich neue technologische Möglichkeiten sowie Qualitätsverbesserungen der aufgetragenen Schichten und eine Reduzierung der Fertigungszeit. / Weld overlay is a proven method for refurbishing boiler tubes in power plants and sewage sludge burning plants. DH Schweisstechnologie & Service Hohenthurm GmbH & Co. KG in cooperation with the University of Technology Chemnitz developed a new automatic welding with different welding alloys, different thicknesses and coating structures under any adjusted to the operating condition of the boiler.

Eine Vielzahl der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von Werkstoffen wird von der Oberfläche bestimmt. Die gezielte Beeinflussung dieser physikalischen, chemischen und me-chanischen Eigenschaften über technische Verfahren ist das Ansinnen der Oberflächentech-nik. Hierzu wird die Oberfläche modifiziert, umgewandelt bzw. beschichtet. Insbesondere die Systemeigenschaften Korrosion und Verschleiß sind stark von der Zusammensetzung und Gestalt technischer Oberflächen abhängig und müssen sowohl bei der Verarbeitung als auch im Gebrauch betrachtet werden, um unerwünschten Prozessen wirkungsvoll zu begegnen. In dieser Schrift werden anhand ausgewählter Systeme die funktionalen Aufgaben unter-schiedlich beanspruchter technischer Oberflächen entsprechend der jeweiligen Anforderungen definiert und Lösungsansätze entwickelt. Anschließend erfolgt der Nachweis der erzielten Eigenschaften durch geeignete Prüf- bzw. Untersuchungsverfahren. Zusammenhänge zwi-schen Prozessparametern, Mikrostruktur und Eigenschaften lassen die Einsatzmöglichkeiten der verwendeten Werkstoffe unter Berücksichtigung der angewendeten Prozesse erkennen. Folgende Themenkomplexe werden ausführlich behandelt: • Schutzschichten für Lötanlagenkomponenten zur Verarbeitung bleifreier Lote, • anodisch erzeugte Schichten mit angepassten dielektrischen und tribologischen Eigen-schaften sowie Korrosionseigenschaften, • Phosphatschichten zur Vermeidung von Tribokorrosion und zur Erhöhung der Übertrag-barkeit von Kräften mit Welle-Nabe-Verbindungen, • Dispersionsschichten zum Korrosions- und Verschleißschutz mit Potenzial zur Anwen-dung in Mikrosystemen und für autokatalytische Prozesse sowie • auftraggeschweißte Schichten zum kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz von Messern der Lebensmittelindustrie.

Zur Sanierung von Heizflächen in Kraftwerks- und Müllverbrennungsanlagen ist das Auftragschweißen eine bewährte Methode. Dazu wurde von der DH Schweißtechnologie & Service Hohenthurm GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Chemnitz eine neue vollmechanisierte Schweißanlage entwickelt. Durch das Anlagenkonzept ergeben sich neue technologische Möglichkeiten sowie Qualitätsverbesserungen der aufgetragenen Schichten und eine Reduzierung der Fertigungszeit. / Weld overlay is a proven method for refurbishing boiler tubes in power plants and sewage sludge burning plants. DH Schweisstechnologie & Service Hohenthurm GmbH & Co. KG in cooperation with the University of Technology Chemnitz developed a new automatic welding with different welding alloys, different thicknesses and coating structures under any adjusted to the operating condition of the boiler.

Eine Vielzahl der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von Werkstoffen wird von der Oberfläche bestimmt. Die gezielte Beeinflussung dieser physikalischen, chemischen und me-chanischen Eigenschaften über technische Verfahren ist das Ansinnen der Oberflächentech-nik. Hierzu wird die Oberfläche modifiziert, umgewandelt bzw. beschichtet. Insbesondere die Systemeigenschaften Korrosion und Verschleiß sind stark von der Zusammensetzung und Gestalt technischer Oberflächen abhängig und müssen sowohl bei der Verarbeitung als auch im Gebrauch betrachtet werden, um unerwünschten Prozessen wirkungsvoll zu begegnen. In dieser Schrift werden anhand ausgewählter Systeme die funktionalen Aufgaben unter-schiedlich beanspruchter technischer Oberflächen entsprechend der jeweiligen Anforderungen definiert und Lösungsansätze entwickelt. Anschließend erfolgt der Nachweis der erzielten Eigenschaften durch geeignete Prüf- bzw. Untersuchungsverfahren. Zusammenhänge zwi-schen Prozessparametern, Mikrostruktur und Eigenschaften lassen die Einsatzmöglichkeiten der verwendeten Werkstoffe unter Berücksichtigung der angewendeten Prozesse erkennen. Folgende Themenkomplexe werden ausführlich behandelt: • Schutzschichten für Lötanlagenkomponenten zur Verarbeitung bleifreier Lote, • anodisch erzeugte Schichten mit angepassten dielektrischen und tribologischen Eigen-schaften sowie Korrosionseigenschaften, • Phosphatschichten zur Vermeidung von Tribokorrosion und zur Erhöhung der Übertrag-barkeit von Kräften mit Welle-Nabe-Verbindungen, • Dispersionsschichten zum Korrosions- und Verschleißschutz mit Potenzial zur Anwen-dung in Mikrosystemen und für autokatalytische Prozesse sowie • auftraggeschweißte Schichten zum kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz von Messern der Lebensmittelindustrie.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Methode der Laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS) zur Bestimmung des Aufmischungsgrades ([Eta]) in durch Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen (LAP) hergestellten Beschichtungen. Grund- und Zusatzwerkstoff müssen sich hierbei in ihrer Elementzusammensetzung voneinander unterscheiden. Als Substratmaterial diente unlegierter Baustahl, als Zusatzwerkstoff wurde Stellit 21 eingesetzt. [Eta] stellt eine wichtige Qualitätskenngröße dar und kann nach vorheriger Kalibrierung des LIPS-Messsystems sowohl offline als auch online detektiert werden. Der Aufmischungsgrad korreliert mit dem detektierten Emissionslinienverhältnis. Im untersuchten Fall besteht in guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen. Die Vorteile von LIPS gegenüber anderen Verfahren liegen insbesondere in der berührungslosen Analyse und der entfallenden Probenpräparation. Prinzipiell lässt sich das Vorgehen auf andere Werkstoffsysteme übertragen. Das verwendete LISP-Messsystem kann in den Fertigungsprozess integriert werden und steht als Technologiemodul für eine qualifizierte Überwachung des Aufmischungsgrades beim LAP-Prozess zur Verfügung.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Methode der Laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS) zur Bestimmung des Aufmischungsgrades ([Eta]) in durch Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen (LAP) hergestellten Beschichtungen. Grund- und Zusatzwerkstoff müssen sich hierbei in ihrer Elementzusammensetzung voneinander unterscheiden. Als Substratmaterial diente unlegierter Baustahl, als Zusatzwerkstoff wurde Stellit 21 eingesetzt. [Eta] stellt eine wichtige Qualitätskenngröße dar und kann nach vorheriger Kalibrierung des LIPS-Messsystems sowohl offline als auch online detektiert werden. Der Aufmischungsgrad korreliert mit dem detektierten Emissionslinienverhältnis. Im untersuchten Fall besteht in guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen. Die Vorteile von LIPS gegenüber anderen Verfahren liegen insbesondere in der berührungslosen Analyse und der entfallenden Probenpräparation. Prinzipiell lässt sich das Vorgehen auf andere Werkstoffsysteme übertragen. Das verwendete LISP-Messsystem kann in den Fertigungsprozess integriert werden und steht als Technologiemodul für eine qualifizierte Überwachung des Aufmischungsgrades beim LAP-Prozess zur Verfügung.

Das Metall-Schutzgas-Auftragschweißen hat sich zur Herstellung von Verschleißschutzschichten in einer Dicke von mehreren Millimetern etabliert. Nebst den Vorteilen hinsichtlich Bedienbarkeit und Automatisierbarkeit weist es aber nur einen engen Freiheitsgrad bezüglich der Variation der Energieanteile im Lichtbogenbereich und daraus resultierend Limitierungen zur gezielten Modifikation der Mikrostrukturen von Verschleißschutzschichten auf. In dieser Schrift werden auf der Basis einer Analyse der Wärmebilanz im Lichtbogenbereich unter Zugrundelegung relevanter Werkstoffsysteme Möglichkeiten zur Optimierung des MSG-Schweißens aufgezeigt sowie die Auswirkungen hinsichtlich einer verbesserten Mikrostruktur und daraus resultierend einer erhöhten Verschleißbeständigkeit der aufgeschweißten Schicht untersucht. Im Besonderen werden die semifunktionsanalytische Berechnung der Aufmischung, das Auftragschweißen übereutektischer FeCrC-Schichten mittels des MSG- und des Plasma-MIG-Schweißprozesses, die Wärmeeinbringung beim Plasma-MIG-Schweißen und ein Modell für die Auflösungskinetik der Wolframschmelzkarbide beim MSG-Auftragschweißen von wolframschmelzkarbidhaltigen Pseudolegierungen behandelt.:1 Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung 1 2 Stand von Wissenschaft und Technik 3 2.1 Das tribologische System 3 2.2 Verschleißarten, Verschleißmechanismen und Verschleiß- 4 erscheinungsformen 2.2.1 Oberflächenzerrüttung 5 2.2.2 Abrasion 6 2.2.3 Adhäsion 8 2.2.4 Tribochemische Reaktion 9 2.2.5 Verschleißerscheinungsformen 9 2.3 Verschleißmessgrößen 10 2.4 Modellbildung und Berechnung des tribologischen Verhaltens 10 2.4.1 Flächenpressung ohne Adhäsion 11 2.4.2 Flächenpressung mit Adhäsion 13 2.4.3 Scherungshypothese 15 2.4.4 Werkstoffliche Parameter der kontinuumsmechanisch 16 basierten Modelle zur Berechnung von abrasivem Verschleiß 2.4.5 Modelle zur Berechnung von abrasivem Verschleiß heterogener Werkstoffe 18 2.5 Abrasionsbeständige Stähle und Gusslegierungen 23 2.5.1 Unlegierte Stähle 24 2.5.2 Niedriglegierte Stähle 24 2.5.3 Manganhartstähle 24 2.5.4 Werkzeugstähle 25 2.5.4.1 Kaltarbeitsstähle 26 2.5.4.2 Warmarbeitsstähle 27 2.5.4.3 Schnellarbeitsstähle 28 2.5.5 Abrasionsbeständige Stähle und Gusslegierungen 28 2.5.5.1 Perlitischer Hartguss 29 2.5.5.2 Ledeburitisch-martensitisches Gusseisen 29 2.5.5.3 Hochchromhaltige Gusseisen 30 2.6 Der Einsatz von weißen, hochchromhaltigen Gusslegierungen 33 unter abrasiv-korrosiven oder erosiv-korrosiven Bedingungen 2.7 Schweißzusatzwerkstoffe für den Hartauftrag 36 2.7.1 Allgemeines 36 2.7.2 Hartlegierungen gegen Abrasion durch mineralische Stoffe 36 2.7.3 Pseudolegierungen gegen Abrasion 38 2.8 MSG-Schweißprozesse für den Hartauftrag 42 2.8.1 Allgemeines 42 2.8.2 Möglichkeiten der erweiterten Verschiebung der Wärmebilanz 47 2.8.2.1 Modifizierung des grundwerkstoffseitigen Wärmeflecks 47 2.8.2.2 Mehrdrahtschweißen 50 2.8.2.3 Zusätzliche Erwärmung des Tropfendepots im Eindrahtverfahren 52 2.8.2.4 Hybridverfahren mit einer Drahtelektrode 52 2.9 Modelle zur Berechnung des Aufmischungsgrads beim MSG- Auftragschweißen 54 2.10 Stabilität der MSG-Schweißprozesse für den Hartauftrag 55 3 Forschungsbedarf, konzeptionelle Vorgehensweise, 58 Berechnungsmodelle und Versuchsplanung 3.1 Forschungsbedarf 58 3.2 Konzeptionelle Vorgehensweise 61 3.3 Berechnungsmodelle 62 3.3.1 Modell zur Berechnung der Aufmischung durch einen Lichtbogen 62 3.3.2 Modell zur Berechnung der Aufmischung durch eine modifizierte 70 Wärmequelle 3.3.2.1 Pendelquelle und Kreisringquelle 70 3.3.2.1.1 Beispielhafte Illustrationen 71 3.3.2.1.2 Grundfunktionen des Modells 72 3.3.2.1.3 Berechnungsverfahren 76 3.3.2.2 Goldak-Wärmequelle 82 3.3.3 Modell zur Berechnung der Auflösung der 83 Wolframschmelzkarbide 3.4 Versuchsplanung zur Schweißprozess- und 90 Schweißnahtanalyse 3.4.1 Übersicht 90 3.4.2 Versuchsplanung für die Basisschweißprozesse mit 91 Fülldrahtelektrode 3.4.3 Versuchsplanung für das Schweißen mit modifiziertem 94 werkstückseitigen Wärmefleck 3.4.3.1 Versuchsprogramm für das MSG-Auftragschweißen mit 95 pendelndem Schweißbrenner 3.4.3.2 Versuchsprogramm MSG-Auftragschweißen mit mechanisch induzierter 95 Rotation der Schweißdrahtelektrode 3.4.3.3 Versuchsprogramm für das Auftragschweißen mit dem Plasma-MIG-Schweißprozess 3.4.4 versuchsplanung zur Verschiebung der Energieanteile zugunsten 98 des Abschmelzprozesses beim MSG Auftragschweißen mit einer Fülldrahtelektrode 3.4.5 Versuchsplanung für das Auftragschweißen mit einer dicken 100 Massivdrahtelektrode 3.4.6 Versuchsprogramm für das Schweißen von Auftragschichten 101 mit erhöhter Beständigkeit gegen Tribokorrosion 3.4.7 Versuchsprogramm Schweißen von Auftragschichten auf Platten 102 3.4.8 Versuchsplanung zur Bestimmung der spezifischen Enthalpie 104 des Schweißtropfens 3.4.9 Planung der Schweißungen zur Ermittlung des thermischen 104 Wirkungsgrads des Plasma-MIG-Schweißprozesses 3.4.10 Planung der Schweißungen zur Ermittlung der Wolframkarbid- 105 auflösung im Zusatzwerkstoff 3.4.11 Versuchsplanung zur Ermittlung der Oberflächentemperaturen 106 des Schmelzbades und zur Auflösung der Wolframkarbide im Schmelzbad 3.4.12 Versuchsplanung zur Auflösung der Wolframschmelzkarbide 107 im Schmelzbad mit reduzierter Schmelzbadströmung 4 Versuchsaufbau, Versuchsdurchführung und Methoden 108 der Prozessauswertung 4.1 Allgemeines 108 Vorgehensweise zur Ermittlung der elektrischen Schweißleistung 109 und zur Prozessstabilität sowie zur Bestimmung der Temperatur der Schmelzbadoberfläche 4.3 Vorgehensweise zur kalorimetrischen Ermittlung des effektiven 113 Wärmewirkungsgrades der Plasma-MIG-Schweißprozesse 4.4 Vorgehensweise zur kalorimetrischen Ermittlung der Wärmeein- 115 bringung in den Schweißtropfen bei kurzschlussfreien Schweißprozessen 4.5 Vorgehensweise zur Ermittlung der Auflösung der Wolframkarbide 118 im Tropfen 4.6 Drahtvorwärmung 118 4.7 Wiederaufschmelzung von Probensegmenten im Quarzglasrohr 119 5 Methodik und Analyseverfahren zur Charakterisierung 120 der Schweißnähte 5.1 FeCrC-Legierungen 120 5.1.1 Analyse der Schweißraupen 120 5.1.2 Stromdichte-Potenzial-Bestimmung 120 5.1.3 Verschleißuntersuchungen der Plattenauftragungen 122 5.2 Pseudolegierungen 124 6 Darstellung und Diskussion der Versuchs- und Berechnungs 126 ergebnisse 6.1 Charakterisierung der Schweißprozesse 126 6.1.1 Modifizierter Kurzlichtbogen mit reversiblem Drahtvorschub 126 6.1.1.1 Allgemeine Prozesscharakterisierung 126 6.1.1.2 Einfluss der Schweißprozessgase auf die Prozessstabilität 132 6.1.1.3 Einfluss der Drahtelektrode auf die Prozessstabilität 144 6.1.1.4 Einfluss der Drahtvorschubgeschwindigkeit auf die Prozess- 146 stabilität 6.1.2 Modifizierter Kurzlichtbogen mit konstanter Drahtvorschubge- 149 schwindigkeit 6.1.3 Impulslichtbogen 150 6.1.4 Der sprühlichtbogenähnliche Werkstoffübergang 154 6.1.5 Prozessinstabilitäten durch die Anwendung gefalzter Fülldraht- 154 elektroden 6.2 Energieeintrag in Zusatz- und Grundwerkstoff 155 6.2.1 Gesamtenergieeintrag 155 6.2.2 Energieeintrag in den Zusatzwerkstoff 156 6.2.3 Umgesetzte Leistung in der Lichtbogensäule beim Schweißen 162 im modifizierten Kurzlichtbogen 6.2.4 Energieeintrag in den Grundwerkstoff durch den Lichtbogen 162 6.3 Aufmischung 165 6.3.1 Steuerung der Aufmischung mittels Reduktion der zugeführten 165 elektrischen Leistung unter Anwendung von Fülldrahtelektroden 6.3.2 Steuerung der Aufmischung mittels Modifizierung des grund- 184 werkstoffseitigen Wärmeflecks 6.3.3 Zusammenhang zwischen Aufmischung, Gefüge und Härte 187 6.4 Abrasiver Verschleiß in Abhängigkeit von Gefüge und Härte 192 6.5 Berechnung des Primärkarbidanteils in Abhängigkeit vom Auf- 197 mischungsgrad 6.6 Einfluss des Stickstoffs im Schweißprozessgas auf die Korrosions- 206 beständigkeit der Auftragschweißung 6.7 Auftragschweißen mit einer dicken Massivdrahtelektrode und 214 externer Drahtvorwärmung 6.8 Prozessbezogene Auflösungskinetik der Wolframkarbide 218 6.8.1 Charakterisierung der Pulverregime und der Wolframkarbide 218 6.8.2 Auflösung der Wolframkarbide 220 6.8.2.1 Auflösung der WSC-Karbide im eisen- und nickelhaltigen 220 Tropfen

Gegenstand der Dissertationsschrift ist eine Darstellung des gegebenen Wissensstandes zum Scherschneiden anhand der Literatur, mit einer Einordnung des Schrägschneidens. Auf dieser Grundlage erfolgt eine Verfahrens- und Prozeßbeschreibung des Schrägschneidens, als Variante des Scherschneidens, insbesondere eine Untersuchung des auftretenden Verschleisses. Es wird die Anwendung des Laser-Pulver-Auftragschweißen an Schneidwerkzeugen zur Verschleißminimierung erprobt und bewertet.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich instationäre Plasma- und Fördergasvolumenströme nutzen lassen, um den Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess in seiner Gesamtheit zu beeinflussen. Dabei wurden die Veränderungen in der Lichtbogencharakteristik, der Pulverzuführung und insbesondere dem Schmelzbad analysiert und in einem theoretischen Prozessmodell zusammengefasst. Die gewonnenen Ergebnisse und die aufgezeigten Wirkzusammenhänge konnten in der Folge dazu genutzt werden, die Hartstoffverteilung in Pseudolegierungen und den mikrostrukturellen Aufbau geschweißter konventioneller Hartschichten zu modifizieren. / In the present studies it is examined, how unsteady gas flows can be used to modify the plasma transfer arc welding process in its entirety. In the first step it was analysed in which different ways non-steady-state plasma and transport gas flows influence the arc characteristics, the powder transport and the melt bead properties. With the obtained results a theoretical model was developed, to describe the observed behaviours and understand the coherences. Subsequently the preliminary findings were used to alter the distribution of tungsten-carbide in a welded hardface composite coating and to modify the microstructure of a conventional alloy welded with the plasma transfer arc process.

In diesem Beitrag wird über die erzielten Ergebnisse der durchgeführten simulativ-experimentellen Untersuchungen für additive Fertigung von komplexen Bauteilgeometrieflächen mittels 3D – Plasma-Auftragschweißen berichtet. Hierbei wurde mittels des 3D – Plasma-Pulver-Auftragschweißenes von komplexen Konturflächen für ein Werkzeugmodell und ähnliche Bauteilgeometrien aus reinem Schweißgut in Mehrlagentechnik beanspruchungsgerecht hergestellt. Infolge der Besonderheiten des 3D – Plasma-Auftragschweißenes mit großer Schweißgutvolumina wie stark abweichende Eigenschaften zwischen Grund-/ Auftragswerkstoff und asymmetrischer Wärmeeintrag sind die entstehenden Schrumpfungen, Verformungen/ Eigenspannungen besonders kritisch. Diese führen demzufolge zu Maß- und Formabweichungen sowie Bildung von Bauteilrissen, welche die Qualität der additiv plasma-auftraggeschweißten Bauteilstrukturen negativ beeinflussen können. Mittels des aufgebauten thermo-elastisch-plastischen Simulationsmodells wurden die auftretenden Temperaturfeldverteilung, Verformungen und Eigenspannungen während des additiven 3D – Plasma-Auftragschweißenes von Werkzeugkonturflächen vorausbestimmt und analysiert. Anhand des aufgebauten Ellipsoid-Wärmequellenmodells für Plasma-Pendelschweißprozess wurden die Temperaturfeldverteilung und deren Gradienten ermittelt. Darauf aufbauend wurden eine gekoppelte thermisch-elastisch-plastische struktur-mechanische Analyse durchgeführt. Mittels der Durchführung von werkstofflich-fertigungstechnischen Maßnahmen wie Verwendung von zähen Werkstofflegierungen, Grundköpervorwärmen und -festeinspannen wurden die damit entstehenden Bauteilverformung und -eigenspannungen simulativ kompensiert bzw. minimiert. Demzufolge wurden die damit erreichten Ergebnisse für die Herstellung endkonturnaher Werkzeugkonturflächen mit vordefinierten Schichteigenschaften praxisnah genutzt. Die dabei erreichten Simulationsergebnisse der Temperaturfeldverteilung und des Verformungs- und Eigenspannungszustandes präsentierten eine gute Übereinstimmung mit den Experimentresultaten.