Ein Beitrag zur Qualifizierung und Simulation von Schweißverbindungen
Berichte aus der Werkstofftechnik 2014,2
Kartoniert
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Beschreibung:
Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein Beitrag zur Qualifizierung und Simulation der Sammler-Stutzen-Mischverbindung Alloy 617 / P92 geleistet. Hierbei stand die Frage der Übertragbarkeit von einaxialen Experimenten und Modellparameter auf die komplexe Bauteilgeometrie im Vordergrund, die anhand einer neuartigen Anschlussgeometrie und Werkstoffkombination zu verifizieren war. In dieser Arbeit wurden Schweißverbindungen des Stahls P92 mit den Schweißgütern P92 und Nicro82 untersucht. Der Werkstoff wurde einerseits komplett artgleich verschweißt, andererseits mit dem Werkstoff Alloy 617 und dem Schweißgut Nicro82, welches ebenfalls ein Werkstoff auf Nickelbasis ist.
Als Grundlage für die Bewertung wurden das zeitabhängige Verhalten sowie das Ermüdungsverhalten charakterisiert. Es wurden Zeitstandversuche an den Grundwerkstoffen Alloy 617 und P92, dem Schweißgut Nicro82, und den Schweißverbindungen Alloy 617 / P92 und P92 / P92, sowie den thermisch simulierten Gefügebereichen der Wärmeeinflusszone des Grundwerkstoffs P92 durchgeführt. Diese bildeten die Datenbasis zu Vergleichen und Modellierungen.
Zwei Varianten eines neuartigen Sammler-Nippel-Anschlusses wurden anhand von Kriechund Kriechermüdungsversuchen untersucht. Wesentliche Unterschiede und Gemeinsamkeiten im Verformungs- und Bruchverhalten wurden herausgearbeitet. Der Vergleich zwischen einachsigen Versuchen und Bauteilkriechversuchen ergab, dass das Kriechverhalten und die Bruchzeit der Bauteile sich in das Streuband der einachsigen Schweißverbindungsproben einreihen. Die Anrisszeiten der Bauteilversuche korrespondieren mit der Übergangszeit vom sekundären in den tertiären Kriechbereich der einaxialen Proben, sodass auf dieser Basis eine erste Abschätzung über die Anrisszeit von Bauteilen möglich ist.
Das Werkstoffverhalten der Grundwerkstoffe, des Schweißguts und simulierter Werkstoffzustände wurde beschrieben und Parameter für die Kriechbeschreibung nach Norton-Bailey und mod. Garofalo angepasst. Die Parameter wurden sowohl in den einachsigen Standardproben der Grundwerkstoffe, als auch in der Kombination dieser. Schließlich wurden die Kriechbeschreibungen anhand der mehrachsigen Bauteilproben verifiziert und vergleichend bewertet.
Mit zeitabhängigen Bruchmechanikparametern lassen sich Rissinitiierung und Rissfortschritt ausreichend genau schätzen. Eine Abschätzung des Rissfortschritts über obengenannte Kriechbeschreibungen unter Verwendung der Finite-Element-Methode kann unter Berücksichtigung entsprechender Abminderungsfaktoren angewandt werden. Die Inkubationszeit für den Rissfortschritt betrug 45 - 65% der Lebensdauer. Metallografische Untersuchungen an einachsig belasteten Proben und Bauteilproben ergaben ein relativ spätes Einsetzen einer detektierbaren Schädigung (Makrorisse) in der Wärmeeinflusszone des P92-Werkstoffs. Insgesamt wurde in dieser Arbeit eine Reihe von experimentellen und analytischen Modellen entwickelt werden. Diese Methoden wurden exemplarisch für das Kriech- und Kriechermüdungsverhalten von Alloy 617 / P92-Schweißverbindungen erfolgreich eingesetzt.
Mit den Vorgestellten Werkstoffmodellen ist es möglich, die Restlebensdauer von Bauteilen abzuschätzen, was eine bessere Werkstoffausnutzung mit sich bringt.
Als Grundlage für die Bewertung wurden das zeitabhängige Verhalten sowie das Ermüdungsverhalten charakterisiert. Es wurden Zeitstandversuche an den Grundwerkstoffen Alloy 617 und P92, dem Schweißgut Nicro82, und den Schweißverbindungen Alloy 617 / P92 und P92 / P92, sowie den thermisch simulierten Gefügebereichen der Wärmeeinflusszone des Grundwerkstoffs P92 durchgeführt. Diese bildeten die Datenbasis zu Vergleichen und Modellierungen.
Zwei Varianten eines neuartigen Sammler-Nippel-Anschlusses wurden anhand von Kriechund Kriechermüdungsversuchen untersucht. Wesentliche Unterschiede und Gemeinsamkeiten im Verformungs- und Bruchverhalten wurden herausgearbeitet. Der Vergleich zwischen einachsigen Versuchen und Bauteilkriechversuchen ergab, dass das Kriechverhalten und die Bruchzeit der Bauteile sich in das Streuband der einachsigen Schweißverbindungsproben einreihen. Die Anrisszeiten der Bauteilversuche korrespondieren mit der Übergangszeit vom sekundären in den tertiären Kriechbereich der einaxialen Proben, sodass auf dieser Basis eine erste Abschätzung über die Anrisszeit von Bauteilen möglich ist.
Das Werkstoffverhalten der Grundwerkstoffe, des Schweißguts und simulierter Werkstoffzustände wurde beschrieben und Parameter für die Kriechbeschreibung nach Norton-Bailey und mod. Garofalo angepasst. Die Parameter wurden sowohl in den einachsigen Standardproben der Grundwerkstoffe, als auch in der Kombination dieser. Schließlich wurden die Kriechbeschreibungen anhand der mehrachsigen Bauteilproben verifiziert und vergleichend bewertet.
Mit zeitabhängigen Bruchmechanikparametern lassen sich Rissinitiierung und Rissfortschritt ausreichend genau schätzen. Eine Abschätzung des Rissfortschritts über obengenannte Kriechbeschreibungen unter Verwendung der Finite-Element-Methode kann unter Berücksichtigung entsprechender Abminderungsfaktoren angewandt werden. Die Inkubationszeit für den Rissfortschritt betrug 45 - 65% der Lebensdauer. Metallografische Untersuchungen an einachsig belasteten Proben und Bauteilproben ergaben ein relativ spätes Einsetzen einer detektierbaren Schädigung (Makrorisse) in der Wärmeeinflusszone des P92-Werkstoffs. Insgesamt wurde in dieser Arbeit eine Reihe von experimentellen und analytischen Modellen entwickelt werden. Diese Methoden wurden exemplarisch für das Kriech- und Kriechermüdungsverhalten von Alloy 617 / P92-Schweißverbindungen erfolgreich eingesetzt.
Mit den Vorgestellten Werkstoffmodellen ist es möglich, die Restlebensdauer von Bauteilen abzuschätzen, was eine bessere Werkstoffausnutzung mit sich bringt.