Die Kunststoffschweißverfahren Infrarot- und Vibrationsschweißen sind in der Serienfertigung etablierte Fügetechnologien. Sie sind durch eine wirtschaftliche und effiziente Prozessführung gekennzeichnet und sind verfahrenstechnisch prinzipiell zum Einsatz im Apparate-, Behälter- und Rohrleitungsbau geeignet. Aufgrund fehlender Erkenntnisse und Nachweise zum Zeitstandverhalten ist die Anwendung dieser Verfahren im Halbzeugbereich jedoch nur eingeschränkt möglich. Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Vibrations- und Infrarotschweißen hinsichtlich ihres Potentials für Langzeitanwendungen mit dem konventionellen Halbzeugschweißverfahren Heizelementschweißen verglichen und erreichbare Zeitstandzug-Schweißfaktoren ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl für das Vibrations- als auch Infrarotschweißen, in Abhängigkeit der Prozessparameter, Zeitstandzug-Schweißfaktoren von ca. 0,7 bis 0,9 erreicht werden. Darüber hinaus führen die Resultate dieser Arbeit zu einer Erweiterung der Wissensbasis über die Mechanismen des Zeitstandbruchverhaltens geschweißter Polyolefinhalbzeuge. Die für die Kurzzeitfestigkeit von Vibrations- und Infrarotschweiß-verbindungen vielfach nachgewiesene Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation wurde für die Zeitstandfestigkeit erforscht und angewendet. / The infrared and vibration welding processes are joining technologies established in series fabrication. They are characterised by their economically viable and efficient process management and they are suitable for utilisation in apparatus, tank and pipeline construction. However, their application in the field of semi-finished procucts is restricted due to the lack of knowledge and proof in relation to the Environmental Stress Cracking (ESC). Within the framework of the research, the vibration and infrared welding processes were compared with the conventional welding process heated tool butt welding. Furthermore achievable tensile creep welding factors were determined. The results show achievable tensile creep welding factors from ca. 0.7 to 0.9 for the vibration welding process as well as for the infrared welding process dependent on their process parameters. Moreover, the knowledge base of the mechanisms of the failure behaviour of welded joints between semi-finished products undergoing ESC was extended. The process-structure-property correlation, which has been proven for the short-term strength of vibration and infrared welded joints many times, was investigated and applied for the long-term strength.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und der Wirkung von Mikroseigerungen auf das Werkstoffverhalten moderner 9% Cr-Stähle. Hierzu wurden drei Werkstoffchargen der Güte MARBN hinsichtlich der Mikrostruktur, des Zeitstandverhaltens, des Verhaltens während einer thermo-physikalischen Schweiß- sowie Wärmebehandlungssimulation auf quantitativer Ebene eingehend untersucht. Mit Hilfe von licht-, rasterelektronen- und transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungsmethoden wurden die Art, Größe, Verteilung und Elementzusammensetzung der Mikroseigerungen einer jeden Charge bestimmt. Eine Prüfung des Zeitstandverhaltens bei 650 °C und unterschiedlichen Spannungen zeigte eine chargenabhängige Zeitstandfestigkeit, welche unterhalb der üblichen Zeitstandfestigkeiten für homogene MARBN Güten liegt. Durch die thermo-physikalische Schweißsimulation konnte nachgewiesen werden, dass die Mikroseigerungen sämtlicher Chargen ab einer Spitzentemperatur von 1.000 °C zu unerwünschtem Deltaferrit umwandeln, dessen Ausprägung ebenfalls eine Chargenabhängigkeit zeigte. Weiterhin wurde der Einfluss normalisierender Wärmebehandlungen auf das mikroseigerungsbehaftete Gefüge mit Hilfe von thermo-physikalischer Simulation untersucht. Es zeigte sich, dass alle drei Chargen zur deutlichen Ausbildung von unerwünschtem Deltaferrit im Bereich der Mikroseigerungen bei üblichen Normalisierungstemperaturen neigen. Das chargenabhängig unterschiedliche Werkstoffverhalten konnte mit den charakterisierten Mikrostrukturen und dem Grad der Gefügeinhomogenität korreliert werden. Aus einer Variation der Normalisierungsbedingungen ging hervor, dass durch eine konventionelle einstufige Wärmebehandlung keine homogene und deltaferritfreie Mikrostruktur erzeugt werden kann. Aus diesem Grund wurde eine dreistufige Wärmebehandlung entwickelt und appliziert, mit dem Ziel einer schrittweisen Auflösung und Verteilung der in den Mikroseigerungen gebundenen Elemente. Die Wirksamkeit der Homogenisierungen in Bezug auf die Mikrostruktur, die Elementverteilung, das Schweißverhalten sowie das Zeitstandverhalten konnte erfolgreich nachgewiesen werden. So zeigte sich eine homogene Mikrostruktur, eine signifikante Reduzierung des Deltaferritanteils bei sämtlichen simulierten Spitzentemperaturen, sowie eine deutliche Verbesserung der Zeitstandfestigkeit aller drei Chargen.

Die Kunststoffschweißverfahren Infrarot- und Vibrationsschweißen sind in der Serienfertigung etablierte Fügetechnologien. Sie sind durch eine wirtschaftliche und effiziente Prozessführung gekennzeichnet und sind verfahrenstechnisch prinzipiell zum Einsatz im Apparate-, Behälter- und Rohrleitungsbau geeignet. Aufgrund fehlender Erkenntnisse und Nachweise zum Zeitstandverhalten ist die Anwendung dieser Verfahren im Halbzeugbereich jedoch nur eingeschränkt möglich. Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Vibrations- und Infrarotschweißen hinsichtlich ihres Potentials für Langzeitanwendungen mit dem konventionellen Halbzeugschweißverfahren Heizelementschweißen verglichen und erreichbare Zeitstandzug-Schweißfaktoren ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl für das Vibrations- als auch Infrarotschweißen, in Abhängigkeit der Prozessparameter, Zeitstandzug-Schweißfaktoren von ca. 0,7 bis 0,9 erreicht werden. Darüber hinaus führen die Resultate dieser Arbeit zu einer Erweiterung der Wissensbasis über die Mechanismen des Zeitstandbruchverhaltens geschweißter Polyolefinhalbzeuge. Die für die Kurzzeitfestigkeit von Vibrations- und Infrarotschweiß-verbindungen vielfach nachgewiesene Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation wurde für die Zeitstandfestigkeit erforscht und angewendet. / The infrared and vibration welding processes are joining technologies established in series fabrication. They are characterised by their economically viable and efficient process management and they are suitable for utilisation in apparatus, tank and pipeline construction. However, their application in the field of semi-finished procucts is restricted due to the lack of knowledge and proof in relation to the Environmental Stress Cracking (ESC). Within the framework of the research, the vibration and infrared welding processes were compared with the conventional welding process heated tool butt welding. Furthermore achievable tensile creep welding factors were determined. The results show achievable tensile creep welding factors from ca. 0.7 to 0.9 for the vibration welding process as well as for the infrared welding process dependent on their process parameters. Moreover, the knowledge base of the mechanisms of the failure behaviour of welded joints between semi-finished products undergoing ESC was extended. The process-structure-property correlation, which has been proven for the short-term strength of vibration and infrared welded joints many times, was investigated and applied for the long-term strength.