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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:87575 |
| Date | 02 November 2023 |
| Creators | Wilhelm, Gerald |
| Contributors | Lampke, Thomas, Prof. Dr.-Ing. Habil. Thomas Lampke |
| Publisher | Eigenverlag |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-113873, qucosa:19884 |
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