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WAAM-Prozessoptimierung: Temperaturkontrolle

Interpass/Interlayer-Temperaturkontrolle bei der additiven Fertigung mit Drahtbogen

Dieser Artikel befasst sich mit der Rolle des Wärmeeintrags und der Zwischenlagentemperatur bei dem Additiven Draht- und Lichtbogenfertigung (WAAM)-Prozess. Darüber hinaus wird erläutert, wie wichtig es ist, die Wärme zu kontrollieren, um qualitativ hochwertige, fehlerfreie Teile herzustellen, und welche Folgen es hat, wenn während des Produktionsprozesses keine optimalen thermischen Bedingungen aufrechterhalten werden. Wir stellen endlich das Temperaturkontrollmodul MaxQ. und wie es Herstellern dabei helfen kann, die Temperaturkontrolle während des WAAM zuverlässig zu automatisieren.

Die Rolle der Temperatur in der Materialwissenschaft

Ein grundlegender Teil der Materialwissenschaft besteht darin, zu verstehen, wie sich die Mikrostruktur von Materialien bei verschiedenen thermischen Bedingungen verhält. Bei den meisten Legierungen haben die thermischen Bedingungen einen direkten Einfluss auf deren mechanische Eigenschaften und die Fehleranfälligkeit. Um ein Beispiel zu veranschaulichen: Wenn ein kohlenstoffarmer Stahl auf natürliche Weise von 900 °C auf Raumtemperatur abkühlen kann, bildet er eine Phase mit geringer Festigkeit und hoher Zähigkeit, die Ferrit genannt wird; wohingegen beim Abschrecken (schnelles Abkühlen) der heiße Stahl eine Phase mit hoher Festigkeit und geringer Zähigkeit bildet, die als Martensit bezeichnet wird [1]. Dieses Beispiel veranschaulicht einen weiteren wichtigen Aspekt des Materialverhaltens: Die Mikrostruktur und die Eigenschaften eines Materials werden nicht nur durch die Temperatur allein beeinflusst, sondern auch durch die Heiz-/Kühlraten, denen es ausgesetzt ist. Daher müssen die thermischen Bedingungen bei der Gestaltung von Herstellungsprozessen berücksichtigt werden, um Produkte mit gewünschten Eigenschaften und optimaler Leistung zu erhalten. 

Wärmeeintrag und Zwischenlagentemperatur

Der auf dem Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) basierende WAAM-Prozess verwendet üblicherweise einen Parameter namens „Wärmeeinbringung“, der seinen thermischen Zustand definiert und in den meisten Fällen die Einheit J/mm hat. Die Wärmeeinbringung ist die Menge an Lichtbogenenergie, die von der Schweißstromquelle zugeführt wird, um eine Schweißnaht aufzutragen, und ist eine Funktion der Prozessparameter, die beim Schweißen verwendet werden - Strom, Spannung und Verfahrgeschwindigkeit sowie die Prozesseffizienz, die von der verwendeten Schweißart abhängt. 

Die Drahtvorschubgeschwindigkeit, die ein Maß für den Materialverbrauch ist, sollte mit der Wärmezufuhr übereinstimmen, um einen Zustand des Wärme- und Massengleichgewichts zu erreichen. Dies führt zu einem stabilen Prozess, bei dem Schweißnähte mit gewünschten Eigenschaften aufgebracht werden können. Um diesen Prozess während des zyklischen Erhitzens und Abkühlens aufrechtzuerhalten, wird ein weiterer wichtiger Parameter namens Zwischenlagen-/Zwischenschichttemperatur definiert, bei dem es sich um die Temperatur des Bereichs zwischen Schweißschichten in einer mehrschichtigen Schweißnaht handelt [2].

Diese Parameter beeinflussen die Höhe, Breite und Eindringtiefe einer Schweißnaht. Sie wirken sich auf die endgültige Geometrie des Bauteils aus, da sie einen Einfluss auf die thermische Verformung, thermomechanische Spannungen, die resultierende Mikrostruktur und die Anfälligkeit für die Bildung von Oxiden und Silikaten auf der Oberfläche sowie Verunreinigungen im abgelagerten Material haben.

Folgen der Nichteinhaltung der Zwischenlagentemperatur während der WAAM

Beeinträchtigte Hitzeeinflusszone

Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist ein Bereich, der an den nicht aufgeschmolzenen Bereich in der Nähe der Schmelzzone einer Schweißnaht angrenzt. In diesem Bereich ändern sich die Werkstoffeigenschaften, wenn er hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wie in Abbildung 1 zwischen den Bereichen D und E dargestellt. Die Einhaltung einer maximalen Zwischenlagentemperatur trägt dazu bei, die Bildung unerwünschter Karbide und anderer intermetallischer Verbindungen zu verhindern, die die mechanischen und korrosiven Eigenschaften des geschweißten Bauteils beeinträchtigen. Die Aufrechterhaltung der Zwischenlagentemperatur verhindert auch das Kornwachstum, das zu einer Verringerung der Festigkeit führt, und die Korngrenzenverflüssigung, die die Rissbildung fördert [3].

Überhitzung und Oberflächenanomalien

Die Oberflächenbeschaffenheit ist ein wichtiges Merkmal, das bei der Herstellung von Metallteilen kontrolliert werden muss. Eine inhomogene Oberflächenbeschaffenheit kann zu einer unzureichenden oder übermäßigen Verdünnung führen, was die Integrität des abgeschiedenen Materials gefährden könnte. Die Interpass-Temperatur muss kontrolliert werden, um die Bildung von Oberflächenanomalien aufgrund von Überhitzung zu vermeiden. 

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel, bei dem Metall mit hoher Wärmezufuhr abgeschieden, ohne dass die Interpass-Temperatur kontrolliert wird. Es gibt erhebliche Schwankungen in der Oberflächentopographie, die einen vervielfachenden Effekt haben können, wenn mehr Schichten abgeschieden werden. Obwohl die in dieser Studie verwendete Wärmequelle ein Laser war, wird der gleiche Effekt auch beim WAAM-Prozess beobachtet.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel, bei dem die richtige Interpass-Temperatur beibehalten wurde und bei dem eine vergleichsweise gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit mit einem GMAW-basierten Verfahren erzielt werden kann, dessen Ergebnisse auch mit dem mit einem Laser abgeschiedenen Material vergleichbar sind. Dies war möglich dank der für das MSG-Verfahren entwickelten Techniken mit geringer Wärmezufuhr, wie CMT von Fronius und SAWP von Panasonic, bei denen die dem Material zugeführte Energie genau kontrolliert wird. In dieser Studie wurde der SAWP-Schweißmodus verwendet, um Stellite 6 auf verschiedene Stahlsubstrate aufzubringen.

Abbildung 1: HAZ beim Schweißen von 316L-Stahl [Quelle: RAMLAB] 

Abbildung 2: Kontinuierliche Schichtabscheidung ohne Temperaturkontrolle [7]

Abbildung 3: Oxid- und Silikatverunreinigungen auf der abgeschiedenen Schicht [8,Quelle: RAMLAB]

Inhomogene thermomechanische Reaktion

Die Interpass-Temperatur/Zwischenlagentemperatur ist eine Form der Vorwärmung beim Mehrlagenschweißen. Für einige Werkstoffe wird eine Mindest-interpass-Temperatur festgelegt, um das Risiko von Rissen in der Schweißnaht zu verringern. Da die Werkstoffe während des WAAM-Verfahrens verschiedenen Wärmezyklen ausgesetzt sind, entstehen Spannungen in den frischen Einlagen und den zuvor eingebrachten Werkstoffen (Schweißteile als allmählich veränderter Untergrund). Während des Erwärmungszyklus werden Druckspannungen und während des Abkühlungszyklus werden Zugspannungen in das Substrat eingebracht. Dies führt zu bleibenden Dehnungen und Eigenspannungen, die im Material eingeschlossen sind. Die Eigenspannungen in WAAM werden hauptsächlich durch starke thermische Gradienten, thermische Fehlanpassungen und Phasenumwandlungen in den Mikrostrukturen verursacht. Eigenspannungen können in Makro- und Mikrospannungen eingeteilt werden. Makrospannungen wirken über einen Bereich von wenigen Körnchen bis hin zu großen Abständen in einem Material, während Mikrospannungen innerhalb eines Korns über atomare Abstände wirken. Das Verständnis dieser Spannungen ist notwendig, um die Entstehung von Rissen durch Phasenumwandlung in Mikrostrukturen zu verhindern [9].

Risse entstehen, sobald die thermischen Spannungen, Schrumpfspannungen oder Eigenspannungen lokal die Zugfestigkeit (UTS) des Materials überschreiten, was zum Versagen und schließlich zum Ausschuss eines Teils führen kann.
Zusätzlich zu einer minimalen Interpass-Temperatur wird für bestimmte Werkstoffe wie austenitische nichtrostende Stähle oder Nickellegierungen eine maximale Interpass-Temperatur festgelegt, um sicherzustellen, dass zufriedenstellende Werkstoffeigenschaften erzielt werden können. In diesen Fällen muss die Schweißschicht unterhalb der maximalen Zwischenlagentemperatur und oberhalb der minimalen Zwischenlagentemperatur liegen, bevor das Schweißen fortgesetzt wird. Die Mindesttemperatur ist in den meisten Fällen gleich der Vorwärmtemperatur.

Bei einfachen Schweißnähten oder Geometrien kann dies von einem erfahrenen Schweißer bewältigt werden. Bei größeren Teilen mit komplexer Geometrie oder Interpass-Temperaturen über 400 °C ist es jedoch schwierig, die Qualität ohne menschliche Fehler zu gewährleisten. Diese Herausforderungen treten häufiger bei der Herstellung größerer kritischer Industriekomponenten mit WAAM auf. Daher muss sichergestellt werden, dass die Vorwärmbedingungen durch Überwachung und Steuerung der minimalen und maximalen Zwischenlagentemperatur eingehalten werden. Ein solches Überwachungs- und Steuerungssystem kann dazu beitragen, die Prozessautomatisierung mit Hilfe von Robotern zu erreichen, um durch verbesserte Arbeitseffizienz bei geringeren Kosten hochwertige Teile herzustellen.

Die Interpass-/Zwischenschichttemperatur kann mit MaxQ gesteuert werden

In den vorangegangenen Abschnitten wurde die Bedeutung der Einhaltung der Interpass-Temperatur bei der additiven Fertigung erörtert. Je nach den thermischen Eigenschaften des Materials, der Größe des Teils und den gewünschten mechanischen Eigenschaften kann eine optimale Interpass-Temperatur festgelegt werden. Die Homogenität des Teils kann durch einen Produktionsprozess mit Überwachung und Steuerung der wichtigsten Prozessvariablen aufrechterhalten werden. 

Das Überwachungs- und Steuerungssystem MaxQ von RAMLAB bietet nicht nur die Möglichkeit, die Interpass-Bedingungen aufrechtzuerhalten, sondern auch weitere Funktionen, die es ermöglichen, die WAAM-Druckaufträge in einer automatisierten Produktionsumgebung auszuführen. Die Temperaturkontrolle ist eine der Funktionen des MaxQ-Systems, das derzeit mit einer Optris XI 80 (Abbildung 5) Infrarot-Wärmebildkamera ausgestattet ist. Sie ist in das Schweißsystem integriert und stellt sicher, dass das Bauteil während des GMAW-basierten Wire Arc Additive Manufacturing die festgelegten Temperaturgrenzen erreicht.

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Referenzen

[1] Wang, H., Cao, L., Li, Y. et al. Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften eines niedriglegierten Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. J Mater Sci 56, 11098–11113 (2021). https://doi.org/10.1007/s10853-021-05974-3

[2] Peng, Y., Wang, AH, Xiao, HJ und Tian, ZL (2012). Einfluss der Zwischenlagentemperatur auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Schweißguts aus 690 MPa HSLA-Stahl. Materialwissenschaftliches Forum, 706–709, 2246–2252. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.706-709.2246

[3] Gáspár, M. (2019). Auswirkung des Schweißwärmeeintrags auf simulierte HAZ-Bereiche in hochfestem S960QL-Stahl. Metalle, 9(11), 1226. https://doi.org/10.3390/met9111226

[4] de Gouveia, RR, Pukasiewicz, AGM, Capra, AR, Henke, SL, & Okimoto, PC (2014). Einfluss der Zwischenlagentemperatur auf Mikrostruktur, Schlagzähigkeit und Ermüdungsrissausbreitung in Verbindungen, die mit dem GTAW-Verfahren auf Stahl ASTM A743-CA6NM geschweißt wurden. Welding International, 29(6), 433–440. https://doi.org/10.1080/09507116.2014.932983

[5] Mandal, N. & Sundar, CV (1997). Analyse der Schweißschrumpfung. Schweißjournal, 76.

[6] Die globale Website des Welding Institute. Abgerufen am 4. August 2021 von der URL: https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-why-is-preheat-used-when-arc-welding-steel-and-how-is-it-applied

[7] Ya, W. (2015). Wechselwirkungen von Lasermaterialien während der Beschichtung: Analysen zu Beschichtungsbildung, thermischen Zyklen, Eigenspannungen und Defekten.

[8] Lin, Z., Ya, W., Subramanian, VV, Goulas, C., di Castri, B., Hermans, MJ, & Pathiraj, B. (2020). Abscheidung der Stellite 6-Legierung auf Stahlsubstraten mittels additiver Draht- und Lichtbogenfertigung. Das International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 111(1), 411-426.

[9] Ya, W. & Pathiraj, B. (2018). Eigenspannungen in Stellite 6 Schichten, plattiert auf AISI 420-Stahlplatten mit einem Nd:YAG-Laser. Zeitschrift für Laseranwendungen, 30(3), 032007.