nodularWeld - Reparaturschweißung von Gusseisen mit Kugelgrafit

Bauteile aus Gusseisen mit Kugelgrafit (GJS) finden in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus sowie in der Automobil- und Energietechnik Anwendung. Aufgrund guter Festigkeitseigenschaften und den gegebenen Möglichkeiten der gestalterischen Freiheit durch den Gießprozess, können derartige Bauteile mit hohen Festigkeiten und großen Abmessungen hergestellt werden. Insbesondere an hochbelastete Bauteile mit sehr großen Abmessungen und hohen Massen werden besondere Anforderungen an die Schwingfestigkeit und Bruchsicherheit gestellt. Dies kann oftmals nur mit fehlerfreien Werkstoffgefügen erreicht werden. Forderungen zur Verbesserung des Leistungsgewichtes und der Gewichtsreduktion führen zu einer zunehmenden Komplexität und damit zu Herausforderungen bei der Herstellung. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von formfüll- und schwindungsbedingten Ungänzen sowie Unregelmäßigkeiten im Gefüge. In den meisten Fällen führen diese Fehlstellen aufgrund fehlender Akzeptanz durch den Gussanwender sowie nicht eindeutiger Empfehlungen einschlägiger Normenwerke über die Auswirkung dieser Fehlstellen, insbesondere auf die Bauteilfestigkeit, zur Aussonderung der Bauteile. Bedingt durch die hohen Kosten durch Aussonderung und Neuabguss dieser ungänzenbehafteten Großgussbauteile steigt das Interesse an Reparaturverfahren.

Im vorliegenden Forschungsprojekt „nodularWeld“ wurde sowohl die Schweißbarkeit als auch dessen Einfluss auf das Schwingfestigkeitsverhalten für drei unterschiedliche und im Großgussbereich relevante Gusseisenlegierungen untersucht.

Aufgrund der unterschiedlichen Gefügeausprägungen dieser Gusslegierungen - EN-GJS-400-18-LT (ferritisches Gefüge), EN-GJS-450-18 (ferritisches-mischkristallverfestigtes Gefüge) und EN-GJS-700-2 (perlitisches Gefüge) - mussten anhand von schweißtechnischen Voruntersuchungen im ersten Schritt die geeigneten Schweißparameter erarbeitet werden. Die Bewertung der Schweißeignung der artfremd ausgeführten Schweißung erfolgte anhand quasistatischer und metallographischer Untersuchungen. Nach Identifikation der Schweißzusatzwerkstoffe und der Schweißparameter für ein zufriedenstellendes Festigkeitsverhalten, wurden im ersten Schritt dickwandige Gussplatten in den Abmessungen 1000 x 600 x 150 mm für die Hauptversuchsreihen abgegossen, anschließend spanend vorbearbeitet und im letzten Schritt die Reparaturschweißung hergestellt.

Im Rahmen dieser Hauptversuchsreihen wurden zunächst kleine Rundproben aus dem Grundwerkstoff, der Wärmeeinflusszonen und dem Schweißgut unter Dehnungsregelung und Axialbelastung zur Ermittlung der zyklischen Werkstoffkennwerte dieser drei Werkstoffbereiche untersucht. Durch Untersuchungen an integralen Rundproben, welche alle drei Zonen der Schweißverbindung aufweisen, wurde sowohl das spannungsbasierte als auch das dehnungsbasierte zyklische Werkstoffverhalten ermittelt. Anhand der Ergebnisse können durch die Gegenüberstellung der spezifischen Wöhlerlinien Abminderungsfaktoren für die Schweißung ermittelt, sowie lokale Werkstoffkennwerte zur numerischen Abbildung der Schweißung bereitgestellt werden.

Beispielhaft ausgewählte Ergebnisse für den Werkstoff EN-GJS-400-18-LT

Schweißzusatz, Halbzeuge und Probenherstellung

Anhand der schweißtechnischen Voruntersuchungen wurde für den Gusswerkstoff EN-GJS-400-18-LT als Schweißzusatzwerkstoff der CastoMag 45640 Ti identifiziert. Die Geometrie der Schweißnut für die Hauptversuchsreihen wurde in Anlehnung an die Schweißnorm DIN EN ISO 15614-3:2008-6 zur Erprobung von Schweißverbindungen mit einem Flankenwinkel von 110 ° definiert und nachfolgend die Gussplatten mit Abmessungen von 1000 x 600 x 150 mm gefertigt, Abb. 1.

Aus diesen geschweißten Platten wurden nachfolgend quer und längs zur Schweißnaht Rundproben entnommen. Zur Untersuchung der integralen Werkstoffeigenschaften wurden die Proben deutlich länger ausgeführt und quer über die Schweißnaht entnommen, um auch alle drei Bereiche – Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone und Schweißgut – abzudecken. Zur Analyse möglicher durch das Schweißen eingebrachter Fehlstellen, wurden diese Proben vor der Durchführung der Schwingfestigkeitsversuche geröntgt, Abb. 2.

Schwingfestigkeitsuntersuchungen

Mit diesen Proben wurden unter anderem kraftgeregelte Untersuchungen unter Axialbelastung mit Wechselbelastung (R = -1) und Schwellbelastung (R = 0) durchgeführt, um die Wöhlerlinien abzuleiten. Hierzu kam eine elektrische Resonanzprüfmaschine mit einer Nennlast von 100 kN zum Einsatz. Die Frequenz stellte sich während der Versuche im Bereich zwischen 110 Hz und 120 Hz ein. Während der Versuche an den Integralproben konnte beobachtet werden, dass das Versagen im höherzyklischen Bereich vorrangig durch schweißbedingte Fehlstellen in der Schweißnaht ausgelöst wurde, Abb. 3.

Als Auszug aus den gesamten Ergebnissen zeigt Abb. 4 das Ergebnis der Gegenüberstellung der am Grundwerkstoff und der Integralprobe ermittelten Wöhlerlinien für Wechselbelastung. Hierbei wurde der Grundwerkstoff mit sogenannten Kleinproben vom Durchmesser 6 mm charakterisiert, welche auf einer Länge von 11 mm eingezogen waren. Die Integralproben wiesen einen größeren Durchmesser von 9 mm auf, da hier der versagenskritische eingezogenen Bereich mit 50 mm deutlich größer war und ein Ausknicken der Proben im elastisch-plastischen-Bereich damit vermieden werden sollte.

Der Gegenüberstellung der Wöhlerlinien kann entnommen werden, dass sich das Schweißen insbesondere im höherzyklischen Bereich mindernd auf die Schwingfestigkeit und damit auf die ertragbare Belastbarkeit auswirkt. Neben einer erhöhten Streuung der Versuchsergebnisse zeigt sich eine Reduktion der ertragbaren Nennspannungsamplitude um etwa 38 % in Bezug auf eine Lebensdauer von 5∙10⁶ Schwingspielen.

Diese Schwingfestigkeitsminderung müsste bei der Planung einer möglichen Reparaturschweißung berücksichtigt werden, um die Zuverlässigkeit der Bauteile nicht zu gefährden. Aufgrund der geringeren Festigkeitseigenschaften eignet sich das Verfahren der Reparaturschweißung daher vornehmlich für gering beanspruchte Werkstoffbereiche bzw. weniger funktionsrelevante Bereich der zu reparierenden Gusskomponenten.

Förderung:

Forschungsvorhaben „nodularWELD“ - Identifikation und Optimierung von Schweißparametern zum Reparaturschweißen von Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgrafit mit Einstellung eines definierten Gefüges zur Gewährleistung vergleichbarer statischer und zyklischer Festigkeitskennwerte von Schweißzone, Wärmeeinflusszone und Grundmaterial; Förderkennzeichen 0324273A, BMWK, PtJ