Upload
others
View
48
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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
Ansprechpartner:
M.Sc. Martin Dieckmann
Tel.: 0391-67-11683
Fax: 0391-67-12037
E-Mail: [email protected]
23.03.2017
2INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Gliederung
Motivation
Zielsetzung
Erzeugung und zerstörungsfreier Nachweis von Heißrissen
Validierung computertomographischer Aufnahmen
Zusammenfassung
Ausblick
1
2
3
4
5
6
3INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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↓
4INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
[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]
5INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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]
6INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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
7INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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
8INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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
9INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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
10INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Heißrisserzeugung – PVR-Versuch
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
11INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Heißrisserzeugung – PVR-Versuch
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
12INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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
13INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Heißrissnachweis – Ermittlung des Detektionsbereiches
Heißrissfreilegung nach Materialabtrag:
𝑣𝑃𝑉𝑅
Po
sitio
n e
ntlang d
er
Schw
eiß
raupe 𝐿𝐻𝑅
𝑣𝑘𝑟
𝒗𝑷𝑽𝑹 =𝑳𝑯𝑹 ∙ 𝒂
𝒗𝑺
𝒔=𝟑𝒎𝒎
Unterseite
𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹
Oberseite
Keine Heißrissfreilegung unterhalb 𝑣𝑘𝑟
Anzeige im PT
14INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Ergebnis
2D-Scans
Heißrissnachweis – Ermittlung des Detektionsbereiches
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
𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹
12 mm
10 mm
𝒔=𝟑𝒎𝒎
Oberseite
15INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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, 𝒗𝑷𝑽𝑹
𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹
𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹𝒗𝑺, 𝒗𝑷𝑽𝑹
Pore
Pore
Partikel
16INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Validierung computertomographischer Aufnahmen
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
• Maximale Breite: 𝑦𝑚𝑎𝑥 ≈ 31 𝜇𝑚
Mikrorisse (Vergrößerung ≥ 50-fach)
• Länge: 33 bis 230 𝜇𝑚
• Maximale Breite: 𝑦𝑚𝑎𝑥 ≈ 10 𝜇𝑚
17INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Validierung computertomographischer Aufnahmen
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
18INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Ursachen
Voxelgröße: 28,2 𝜇𝑚
Bildgütezahl: W17 (≥ 80 𝜇𝑚)
Validierung computertomographischer Aufnahmen
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
19INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Validierung computertomographischer Aufnahmen
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
20INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Validierung computertomographischer Aufnahmen
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
21INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Zusammenfassung
Modifizierter PVR-Versuch
• 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
22INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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
23INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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?
Modifizierter PVR-Versuch
• Überprüfung der Reproduzierbarkeit definiert erzeugter innerer Heißrisse
• Variation der Rissgröße innerhalb des Grenzbereichs für zfP (13 ↔ 25 mm/min)
24INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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
25INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
26INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK
Lehrstuhl Fügetechnik
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