MDZWP-Forschungsseminar · [2] DIN EN ISO 5817:2014-06: Schweißen –Schmelzschweißverbindungen...

1INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK

Lehrstuhl Fügetechnik

MDZWP-Forschungsseminar

M.Sc. Martin Dieckmann, Dr.-Ing. Manuela Zinke, Dipl.-Ing. Stefan Paczulla, Prof. Dr.-Ing. Sven Jüttner

Untersuchungen zur definierten Erzeugung von Heißrissen und

ihrem zerstörungsfreien Nachweis an Probenkörpern aus

Nickel-Basislegierungen für TMF-Versuche

INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Universitätsplatz 2

39106 Magdeburg

[email protected]

Ansprechpartner:

M.Sc. Martin Dieckmann

Tel.: 0391-67-11683

Fax: 0391-67-12037

E-Mail: [email protected]

23.03.2017



Gliederung

Motivation

Zielsetzung

Erzeugung und zerstörungsfreier Nachweis von Heißrissen

Validierung computertomographischer Aufnahmen

Zusammenfassung

Ausblick

1

2

3

4

5

6



Motivation

Wirkungsgradsteigerung fossil befeuerter Kraftwerke

• Prozesstemperatur > 700 ℃ , Prozessdruck > 300 𝑏𝑎𝑟

Erhöhung der Flexibilität hinsichtlich An- und Abfahrvorgänge

• Versorgungsengpässe vs. Versorgungsüberangebot

Veränderte Anforderungen an Kraftwerkskomponenten

• Zeitabhängige thermo-mechanische Wechselbeanspruchung

[Quelle: GKM]

𝐶𝑂2↑

𝐶𝑂2↓



[Quelle: Cluster Rhein Ruhr Power e.V.]

Motivation

Einsatz geeigneter Werkstoffe z.B. für Rohrleitungen

→ Hochwarmfeste Nickel-Basislegierungen (z.B. alloy 617, 617 B, C-263)

→ Hochwarmfeste Eisen-Basislegierungen (z.B. alloy 800H)

Schweißverbindungen können Heißrisse aufweisen

→ Unterschiedliche Art (ER, WAR, DDC) und Ausprägung (Makrorisse, Mikrorisse)

→ Auswirkungen und Zulässigkeit bei vorliegenden Beanspruchungen unklar

[1]



Motivation

[Quelle: Cluster Rhein Ruhr Power e.V.]

Grenzen der Zulässigkeit von Unregelmäßigkeiten → DIN EN ISO 5817

• Oberflächenunregelmäßigkeiten: Riss + Endkraterriss → nicht zulässig

• Innere Unregelmäßigkeiten:

• Risse (Detektion < 50fache Vergrößerung) → nicht zulässig

• Mikrorisse (Detektion > 50fache Vergrößerung) → zulässig (BG D) bzw.

Zulässigkeit abhängig von GW und Rissanfälligkeit (BG C, B)

• Keine Berücksichtigung tatsächlicher Gegebenheiten (Beanspruchung)

[2]



Motivation

Gleeble 3500TMF-Test-System

[Qu

elle

: IN

ST

RO

N]

FlachzugprobeRundzugprobe

[Quelle: REMMEL]

Simulation realer Betriebsbeanspruchungen mittels thermo-mechanischer

Ermüdungsversuche (TMF-Versuche)

reale Heißrisse

Zielsetzung: Erzeugung zerstörungsfrei prüfbarer, äußerlich heißrissfreier

Probenkörper mit innerem Heißrissauftreten



Zielsetzung

phoenix nanotom® sPVR -400/400

• Definiertes Heißrissaufkommen

• Variation der Rissgröße

• Heißrissdetektion/ -verteilung

• Geometrische Abmessung

2D-/ 3D-Computertomographie

(vor und nach TMF-Versuch)

Programmierter-

Verformungs-Riss-Versuch

(konventionell + modifiziert)

Probenkörpergenerierung Zerstörungsfreie Prüfung

Probenkörper



Zielsetzung

PVR -400/400

Probenkörpergenerierung

Werkstoffe

Grundwerkstoff: alloy 617 (NiCr23Co12Mo)

Schweißzusatzwerkstoff: Thermanit 617 (NiCr22Co12Mo9; Ø 1,2 mm)

Schutzgas: Varigon® H2 ( 98% Ar + 2% H2)

phoenix nanotom® s

Zerstörungsfreie Prüfung

Probenkörper



Heißrisserzeugung – PVR-Versuch

Konventioneller PVR-Versuch

𝒗𝑷𝑽𝑹

𝑡

𝑣𝑃𝑉𝑅

𝒗𝒎𝒂𝒙

𝒗𝒌𝒓

𝒗𝒌𝒓 =𝑳𝟏.𝑯𝑹 ∙ 𝒂

𝒗𝑺

𝐿1.𝐻𝑅

𝑣𝑆Probenkörper

1. Heißriss

10 mm

[3-4]

Ort des 1. Heißrisses entspricht der

kritischen Verformungsgeschwindigkeit 𝒗𝒌𝒓




Modifizierter PVR-Versuch

𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. < 𝑣𝑘𝑟

𝑣𝑆 𝑣𝑃𝑉𝑅

𝑣𝑆

𝑡

𝑣𝑃𝑉𝑅

𝑡

𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡.

𝑣𝑘𝑟

𝜀

𝑡

A - A

A

A

A - A

Modell

Realität




Definierte Heißrisserzeugung

1. Konventioneller PVR-Versuch 2. Modifizierter PVR-Versuch

• 𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑚𝑎𝑥 = 45 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

→ 𝑣𝑘𝑟 = 26 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

• 𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. = 25 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

→ Vereinzelte Oberflächenrisse

𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹 𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹

A B

3. Metallographie (𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. = 25 𝑚𝑚/min)

3

2

1A

Querschliff Längsschliff

B𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹



Heißrissnachweis – Ermittlung des Detektionsbereiches

S

T1 T2

1145

𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹

Fertigung des CT-Probenkörpers

1. Entnahme des Rohlings aus PVR-Probe des konventionellen PVR-Versuchs

Stirnfläche bei T2

1 ≤ 𝑣𝑃𝑉𝑅 ≤ 34 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

2. Bestimmung des maximal zulässigen Materialabtrags

3

2

1

Stirnfläche bei T2Längsschliff

≈ 1,0 𝑚𝑚

≈ 2,3 𝑚𝑚

≈ 1,9 𝑚𝑚𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹

modifiziert konventionell




Heißrissfreilegung nach Materialabtrag:

𝑣𝑃𝑉𝑅

Po

sitio

n e

ntlang d

er

Schw

eiß

raupe 𝐿𝐻𝑅

𝑣𝑘𝑟

𝒗𝑷𝑽𝑹 =𝑳𝑯𝑹 ∙ 𝒂

𝒗𝑺

𝒔=𝟑𝒎𝒎

Unterseite


Oberseite

Keine Heißrissfreilegung unterhalb 𝑣𝑘𝑟

Anzeige im PT



Ergebnis

2D-Scans


Heißrissdetektion: 2D-Scan

OG UG𝑣𝑃𝑉𝑅

Po

sitio

n e

ntlang d

er

Schw

eiß

raupe 𝐿𝐻𝑅

𝑣𝑘𝑟

𝒗𝑷𝑽𝑹 =𝑳𝑯𝑹 ∙ 𝒂

𝒗𝑺

zfP-Bereich: 𝟐𝟔 > 𝒗𝑷𝑽𝑹 ≥ 𝟏𝟑 Τ𝒎𝒎 𝒎𝒊𝒏

SB8

SB7

SB6

SB5

SB4

SB3

SB2

SB1

Bleipapierstreifen

Unterseite


12 mm

10 mm

𝒔=𝟑𝒎𝒎

Oberseite



Heißrissnachweis – 3D-FastScan

Heißrissdetektion: 3D-FastScanObjektvolumen (ෝ= Heißrissvolumen)

∙ 109 𝜇𝑚³ %

SB2: 3,92 1,16

SB3: 2,47 0,73

SB4: 0,90 0,27

SB5: 0,51 0,15

SB6: 0,21 0,06

SB7: 0,12 0,03

SB8: 0,04 0,01

Herausforderung

• Poren

• Partikel (Bildrauschen)

Scan-Bereich: SB4 Scan-Bereich: SB8

x-y

x-z

y-z

23 − 25 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛 11 − 14 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

innere

Heiß

risse



𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹

Pore

Pore

Partikel




Klasse 1

Klasse 1 (ER oder WAR)

• Maximale Länge in SG: 𝑥𝑚𝑎𝑥 ≈ 1,4 𝑚𝑚

• Mittlere Länge in WEZ: ҧ𝑥 ≈ 700 𝜇𝑚

• Maximale Breite: 𝑦𝑚𝑎𝑥 ≈ 107 𝜇𝑚

Schmelzlinie

SG

GW

WEZ

𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡 = 25 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

Rissklassifizierung

𝑥

𝑦 25-fach

Klasse 2

Klasse 2 (WAR)

• Mittlere Länge in WEZ: ҧ𝑥 ≈ 380 𝜇𝑚


Mikrorisse (Vergrößerung ≥ 50-fach)

• Länge: 33 bis 230 𝜇𝑚





Vergleich zwischen Längsschliff und 3D-Schnittdarstellung

Scan-Bereich: SB1

Voxelgröße (𝑥, 𝑦, 𝑧): 28,2 𝜇𝑚

Bildgütezahl: W17 (≥ 80 𝜇𝑚)

Voxel

𝑥𝑦

𝑧

𝑣𝑃𝑉𝑅 ≈ 31 − 34 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

Klasse 1 𝑦𝑚𝑎𝑥 ≈ 107 𝜇𝑚

Auflösung und Bildgütezahl

Voxel

=

Volumenpixel

Längsschliff

3D-Schnitt



Ursachen

Voxelgröße: 28,2 𝜇𝑚

Bildgütezahl: W17 (≥ 80 𝜇𝑚)


Vergleich zwischen Längsschliff und 2D- und 3D-Schnittdarstellung

Abbildungsgrenze

Scan-Bereich: SB8 𝑣𝑃𝑉𝑅 ≈ 11 − 14 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

Klasse 1 Klasse 2

Mikrorisse

Klasse 2

Mikrorisse

Mikrorisse

𝑦𝑚𝑎𝑥 ≈ 31 𝜇𝑚

𝑦𝑚𝑎𝑥 ≈ 10 𝜇𝑚

Klasse 2

1. darstellbarer Heißriss

Mikroriss

100-fach

𝑥 ≈ 33 𝜇𝑚

𝑦𝑚𝑎𝑥 ≈ 4 𝜇𝑚Längsschliff 2D-Scan 3D-FastScan




Modifizierter PVR-Versuch auf Basis der unteren Detektionsgrenze

A – A

RissRiss

A – A

A

ARiss

A

ARiss

3D-FastScan

2D-Scan

Längsschliff 3D-Schnitt

𝒗𝑷𝑽𝑹,𝒌𝒐𝒏𝒔𝒕. = 𝟏𝟑 Τ𝒎𝒎 𝒎𝒊𝒏

Ergebnis

außen rissfrei

+

innen Heißrisse

+

CT-prüfbar

𝒔 = 𝟑𝒎𝒎




3

2

1

≈ 2,0 𝑚𝑚

≈ 0,9 𝑚𝑚

≈ 2,6 𝑚𝑚

≈ 1,0 𝑚𝑚

≈ 2,3 𝑚𝑚

≈ 1,9 𝑚𝑚

3

2

1

𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. = 25 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. = 13 Τ𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛

Vergleich des Heißrissauftretens für obere und untere Detektionsgrenze

Steuerung der

Heißrissausprägung

rissfr

eie

Oberf

läche

vere

inzelt

Oberf

lächenrisse



Zusammenfassung


• Generierung äußerlich rissfreier Probenkörper

mit innerem Heißrissauftreten

• Steuerung der Heißrissausprägung durch

Variation von 𝑣𝑃𝑉𝑅,𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡.

• Charakterisierung des Heißrissauftretens über

Ausdehnung des rissbehafteten Bereichs

anhand von Längsschliffen

3

2

1

3

2

1

• Vorgehen ist analog anwendbar auf alle heißrissanfälligen Werkstoffe



Zusammenfassung

2D-Scan

• Erste Abschätzung des inneren Heißrissauftretens

• Vermutete Abbildungsgenauigkeit: ≥ 80 𝜇𝑚

3D-FastScan

• Rissvolumen als Vergleichsgröße des Heißrissauftretens

→ Potenzial für thermo-mechanischer

Ermüdungsversuche

• Aussagen zur geometrischen Gestalt der Heißrisse

→ Ergänzung zur Auswertung metallographischer

Schliffbilder



Ausblick

Steigerung der Abbildungsgenauigkeit in der CT-Prüfung

• Reduzierung der maximal zu durchstrahlenden Materialdicke

• Durchstrahlung mit höheren Leistungen

Nachweis der vorliegenden Abbildungsgenauigkeit in der CT-Prüfung

• Weiterentwicklung des Vergleichskörpers mit definierten inneren Imperfektionen

• Abmessungen dieser Imperfektionen in der Größenordnung der Voxelgröße

Überprüfung der abgeleiteten Gleeble-Probengeometrie im TMF-Versuch

• Eignung für Zug-, Druckschwell- und Wechselbeanspruchung gegeben?


• Überprüfung der Reproduzierbarkeit definiert erzeugter innerer Heißrisse

• Variation der Rissgröße innerhalb des Grenzbereichs für zfP (13 ↔ 25 mm/min)



Forschungsprojekt (FDBR-04)

„RheinRuhrPower – Heißrisse (HALLO)“HALLO – effects of approved Hot cracks under ALternating LOad

Projektträger: PtJ – Projektträger Jülich

Projektpartner:

FDBR e.V. Fachverband Anlagenbau

VDM Metals GmbH

Vallourec DEUTSCHLAND GmbH

Bilfinger Piping Technologies GmbH

STEAG GmbH

TPW Prüfzentrum GmbH

TÜV SÜD Industrie Service GmbH

GSI mbH, Niederlassung SLV Duisburg

Westfalen AG

Institut für Werkstoff- und Fügetechnik



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



Quellen

[1] Merkblatt DVS 1004-1 - Heißrissprüfverfahren Grundlagen, Deutscher Verlag für Schweißtechnik DVS-

Verlag GmbH, Düsseldorf, November 1996

[2] DIN EN ISO 5817:2014-06: Schweißen – Schmelzschweißverbindungen an Stahl, Nickel, Titan und

anderen Legierungen (ohne Strahlschweißen) – Bewertungsgruppen von Unregelmäßigkeiten

[3] Merkblatt DVS 1004-2 - Heißrissprüfverfahren mit fremdbeanspruchten Proben, Deutscher Verlag für

Schweißtechnik DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, November 1996

[4] CEN ISO/TR 17641-3:2004 (D) (DIN-Fachbericht 17641-3): Zerstörende Prüfung von

Schweißverbindungen an metallischen Werkstoffen - Heißrissprüfungen für Schweißungen -

Lichtbogenprozesse - Teil 3: Fremdbeanspruchte Prüfungen; Beuth - Verlag 2004

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