Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.

Die additiven Fertigungstechnologien erleben seit einigen Jahren einen enormen Zuspruch bei der Herstellung von Einzelteilserien mit komplexen, endkonturnahen Geometrien und der Verarbeitung von Sonder- oder hybriden Werkstoffen. Prinzipiell lassen sich die Verfahren gemäß VDI- Richtlinie 3404 in drahtbasierte und pulverbasierte unterteilen. Eine weitere Unterteilung erfolgt hinsichtlich der Ausschmelztechnologie. Allen Verfahren ist gleich, dass schichtweise der Grundwerkstoff an den Stellen aufgetragen wird, wo er gemäß Endkontur benötigt wird. Damit ist ein immer wiederkehrender Wärmeeintrag verbunden, der somit Einfluss auf die Mikrostruktur der Bauteile und gleichzeitig auch auf die mechanischen Endeigenschaften ausübt. Die so erzeugten Komponenten sollten wenig Verzug oder Eigenspannungen als auch keine Porosität aufweisen, um die Gebrauchseigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Das Ziel ist es mittlerweile, diese verschiedenen Technologien numerisch abzubilden, um die Bauteileigenschaften vorherzusagen und ggf. Optimierungspotenziale zu eruieren. Der untersuchte Prozess ist das drahtbasierte Mehrlagenschweißen mittels des Metallschutzgasschweißens, bei dem neben der Simulation auch die Validierung im Fokus hinsichtlich Geometrie und Gefügeausbildung in den Schweißlagen stand. Diesbezüglich wurden im vorliegenden Fall zum einen alle, für die numerische Simulation notwendigen Materialparameter (mechanische und thermophysikalische Kenngrößen) des Schweißzusatzwerkstoffes G4Si1 bestimmt und in ein kommerzielles FEM-Programm (MSC Marc Mentat) implementiert. Zum anderen erfolgt zukünftig die wissenschaftliche Analyse der Verbesserung der Bauteileigenschaft, in dem die Schweißnaht unter Ausnutzung der Schweißhitze warmumgeformt wird. Erste Ergebnisse numerischer Simulationsergebnisse zeigen positive Effekte. Diese zeigen mikrostrukturelle Veränderungen (Kornfeinung durch Rekristallisation) und führten letztendlich zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften. Der Vorteil dieser Verfahrenskombination ist außerdem die Kompensation des Verzuges durch die gezielte Umformung und einem gleichzeitigen „Richten“.

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

In der vorliegenden Arbeit wurde die Energiebilanz von der Schweißenergiequelle bis zur Schmelzebildung im Bauteil eingehend analysiert. Hierfür wurden geeignete Messsysteme auf Basis der Kalorimetrie entwickelt und validiert. Neben dem Energieverbrauch der Anlage wird der Wärmeeintrag in das Bauteil kalorimetrisch analysiert. Zur umfassenden Analyse des Energieflusses werden zudem die Verlustgrößen, wie die Wärmeleitung, Wärmestrahlung und der Wärmedurchgang des Lichtbogens als auch der externe Brennerkühlkreislauf der Schweißenergiequelle untersucht. Neueste Untersuchungsmethoden ermöglichen zudem die Tropfentemperatur und die Lichtbogenleistung zu bestimmen. In Abhängigkeit definiert gewählter Prozessparameter wurde der Energiefluss für Schutzgasschweißverfahren mit abschmelzender und nicht abschmelzender Elektrode, sowie für das Unterpulverschweißen erstellt. Die einzelnen Wirkmechanismen der Prozesse wurden analysiert und bewertet sowie Zusammenhänge herausgestellt. Neben der Empfehlung für die Überarbeitung gültiger Normen, wie DIN EN 1011-1 kann mit der Kenntnis das Fügen temperatursensibler Werkstoffe verbessert werden. Gleichzeitig wird die Genauigkeit von Prozess- und Werkstoffsimulationen erhöht und Berechnung von Bauteildeformationen vereinfacht. Es wurden mittlere Tropfentemperaturen in einem Bereich zwischen TTr = 2.350…2.700°C ermittelt. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass eine ausschließlich gezielte Änderung der Tropfentemperatur im Schweißprozess nicht möglich ist. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Lichtbogen und dessen Intensität den entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Einbandes in den Grundwerkstoff besitzt. / Welding performance is not the same as the energy input in the component. The efficiency is the ratio of usable to required energy. The aim of any process is to achieve a high efficiency, and thus to keep the share of losses as small as possible. Recent process developments in arc welding with consumable electrode have the aim to regulate the energy input in the component to achieve the target of an optimum welding result. This is based on a fundamental understanding of the operations during the welding process. For this purpose, the knowledge of the individual operations of the energy transport from the electrode contact to the heating behaviour of the component is necessary. Different measurement methods and results for the separate determination of the energy content of droplet and welding arc as well as energy input into the component are presented. For instance the question is analysed and discussed - whether the arc, or the overheated droplet is responsible for the weld penetration? In addition, the situation between relative and absolute efficiency of the welding process is discussed. In welding standards often global efficiencies for different welding processes are indicated. These standards provide this efficiency in relation to the as 100 % set submerged arc welding. This leads to errors in the use of the values for calculations or simulations. With the methods presented a sophisticated analysis of the influence of different parameter settings of the shielding gas welding process on the energy efficiency is possible.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Energiebilanz von der Schweißenergiequelle bis zur Schmelzebildung im Bauteil eingehend analysiert. Hierfür wurden geeignete Messsysteme auf Basis der Kalorimetrie entwickelt und validiert. Neben dem Energieverbrauch der Anlage wird der Wärmeeintrag in das Bauteil kalorimetrisch analysiert. Zur umfassenden Analyse des Energieflusses werden zudem die Verlustgrößen, wie die Wärmeleitung, Wärmestrahlung und der Wärmedurchgang des Lichtbogens als auch der externe Brennerkühlkreislauf der Schweißenergiequelle untersucht. Neueste Untersuchungsmethoden ermöglichen zudem die Tropfentemperatur und die Lichtbogenleistung zu bestimmen. In Abhängigkeit definiert gewählter Prozessparameter wurde der Energiefluss für Schutzgasschweißverfahren mit abschmelzender und nicht abschmelzender Elektrode, sowie für das Unterpulverschweißen erstellt. Die einzelnen Wirkmechanismen der Prozesse wurden analysiert und bewertet sowie Zusammenhänge herausgestellt. Neben der Empfehlung für die Überarbeitung gültiger Normen, wie DIN EN 1011-1 kann mit der Kenntnis das Fügen temperatursensibler Werkstoffe verbessert werden. Gleichzeitig wird die Genauigkeit von Prozess- und Werkstoffsimulationen erhöht und Berechnung von Bauteildeformationen vereinfacht. Es wurden mittlere Tropfentemperaturen in einem Bereich zwischen TTr = 2.350…2.700°C ermittelt. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass eine ausschließlich gezielte Änderung der Tropfentemperatur im Schweißprozess nicht möglich ist. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass der Lichtbogen und dessen Intensität den entscheidenden Einfluss auf die Entstehung des Einbandes in den Grundwerkstoff besitzt. / Welding performance is not the same as the energy input in the component. The efficiency is the ratio of usable to required energy. The aim of any process is to achieve a high efficiency, and thus to keep the share of losses as small as possible. Recent process developments in arc welding with consumable electrode have the aim to regulate the energy input in the component to achieve the target of an optimum welding result. This is based on a fundamental understanding of the operations during the welding process. For this purpose, the knowledge of the individual operations of the energy transport from the electrode contact to the heating behaviour of the component is necessary. Different measurement methods and results for the separate determination of the energy content of droplet and welding arc as well as energy input into the component are presented. For instance the question is analysed and discussed - whether the arc, or the overheated droplet is responsible for the weld penetration? In addition, the situation between relative and absolute efficiency of the welding process is discussed. In welding standards often global efficiencies for different welding processes are indicated. These standards provide this efficiency in relation to the as 100 % set submerged arc welding. This leads to errors in the use of the values for calculations or simulations. With the methods presented a sophisticated analysis of the influence of different parameter settings of the shielding gas welding process on the energy efficiency is possible.