Electron Beam Welding Alloy 625 19.03.2013

116 Pages·2013·5.97 MB·English

by  Christopher Wiednig

Diploma Thesis
Electron Beam Welding Alloy 625

Author
Christopher Wiednig

Field of Study
Mechanical Engineering and Economic Science – Production Engineering

Supervisor
Dr. Master Coline Béal
Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Norbert Enzinger
Head of Institute
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Ch. Sommitsch

Institute for Materials Science and Welding
Graz University of Technology, Austria

Graz, March 2013

ACKNOWLEDGEMENT
An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die mich bei der Erstellung meiner Diplomarbeit
unterstützt haben.
Allen voran beim Institutsvorstand Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Christof Sommitsch, der mir meine
Diplomarbeit am Institut für Werkstoffkunde und Schweißtechnik ermöglicht hat. Des Weiteren
möchte mich auch bei Dipl. Ing. Dr. Claus Lochbichler von der voestalpine Gießerei Traisen bedanken,
welcher mir neben dem gesamten Roh- und Probenmaterial auch seine fachliche Unterstützung
zukommen ließ.
Besonderer Dank geht an meine beiden Betreuer Assoc.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Norbert Enzinger
und Dr. Master Coline Béal. Sie haben durch die hervorragende Betreuung und die vielen fachlichen
Diskussionen einen wesentlichen Anteil zur Entstehung dieser Arbeit beigetragen.
Ebenfalls bedanken möchte ich mich beim Laborpersonal des Institutes für die Unterstützung bei
meiner Labortätigkeit. Die entspannte Atmosphäre hat mir die unzähligen Stunden der
Probenpräparation sehr verkürzt.
Ich möchte mich auch bei allen weiteren Mitarbeiter des Institutes bedanken, die Ihr Interesse an
meiner Arbeit gezeigt haben und mir mit Rat und Tat während meiner Arbeit zur Seite standen.

Abschließend möchte ich mich bei den beiden Menschen bedanken die mir dieses Studium
überhaupt ermöglicht haben, meinen Eltern. Ohne Ihre Unterstützung und den Rückhalt den Sie mir
speziell in schwierigen Zeiten meines Studiums gegeben haben, wäre dieses nicht möglich gewesen.

Christopher Wiednig

I

STATUTORY DECLARATION

I declare that I have authored this thesis independently, that I have not used other than the declared
sources / resources and that I have explicitly marked all material which has been quoted either
literally or by content from the used sources.

Graz, …………………………. …………………………………………………….
Christopher Wiednig

II

ABSTRACT
At the beginning of the 21st century, the United Nation finally decided that the concentration of
greenhouse gases in the atmosphere must be regulated, to slow down global warming.
Concerning the annually growing worldwide energy demand, improving the thermal efficiency of
fossil running power plants is a necessary step. To achieve this, an increase of the steam pressure
and temperature is needed. Modern power plants operate way above the critical pressure of steam
(typically around T=600°C and p=26.5MPa), which is a huge challenge for the used materials; today in
power plant construction, 9-12% chromium martensitic steels are widely used. If steam
temperatures rise there is no way around nickel based super alloys. Due to the extraordinary high
price of those nickel based alloys, they are only used where it is absolutely necessary; in the areas
subjected to high temperatures. Engineers, now have to face the problems of combining these
materials.
The scope of this thesis was to ascertain the weldability of cast nickel based alloy 625 with cast
martensitic 9% chromium steel COST CB2, using electron beam welding.
The EBW process parameters and their effect on the welding were investigated for both materials.
Similar (A625) and dissimilar joint welding experiments with thick walled parts (50mm), were
executed. Investigations on the microstructure were done using the light optical microscope and the
scanning electron microscope. Additionally, mechanical tests (hardness-, tensile-, Charpy- and side
bend test) were carried out to examine the strength of the joint.
Finally, a welding experiment, according to the standard preliminary welding procedure specification
was performed. The testing of this specimen was done according to ÖNORM EN ISO 15614-1 and
ÖNORM EN ISO 15614-11.
The welding experiments and the performed investigations showed that the electron beam welding
is well suited for joining A625 similar and A625/CB2 dissimilar thick walled parts. All the tests carried
out according to the welding procedure specification were passed.

III

KURZFASSUNG
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts beschlossen die Vereinigten Nationen, dass die Konzentration von
Treibhausgasen in der Atmosphäre reguliert werden muss um eine Verlangsamung der globalen
Erwärmung zu bewirken.
Aufgrund des, jährlich steigenden, weltweiten Energiebedarfs, ist die Verbesserung des thermischen
Wirkungsgrades fossiler Kraftwerke ein wichtiger Schritt dahin. Diese kann durch eine Erhöhung des
Dampfdruckes und der Temperatur bewirkt werden. Da moderne Kraftwerke weit über dem
kritischen Dampfdruck (typischerweise um T=600°C und p=26.5MPa) arbeiten, ist dies eine große
Herausforderung für die verwendeten Materialien. Heute sind martensitische 9-12% Chrom Stähle im
Kraftwerksbau weit verbreitet. Bei weiter gesteigerten Dampftemperaturen führt aber kein Weg an
Nickel-Basis-Superlegierungen vorbei. Aufgrund des hohen Preises dieser Legierungen wird diese nur
dort eingesetzt wo sie, aufgrund der dort vorherrschenden hohen Temperaturen, unbedingt
notwendig sind. Ingenieure, müssen sich jetzt den Problemen der Verbindung dieser Materialien
stellen.
In dieser Diplomarbeit wurde die Schweißeignung der Gusswerkstoffe aus Nickel-Basis-Legierung
A625 mit martensitischem 9% Chromstahl COST CB2, mittels Elektronenstrahlschweißen untersucht.
Die benötigten Prozessparameter für das Elektronenstrahlschweißen der beiden Materialien wurde
ermittelt, sowie der Effekt dieser Parameter auf die Schweißnaht. Es wurden artgleiche (A625) und
artfremde Schweißungen dickwandiger Teile durchgeführt. Die Untersuchung der Mikrostruktur der
Schweißnaht erfolgte mittels Lichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskop. Zusätzlich wurden
mechanische Tests (Härte-, Zug-, Kerbschlag- und Seitenbiegeprüfung) durchgeführt, um die
Festigkeit und Zähigkeit der Verbindung zu untersuchen.
Letztlich wurde eine vollständige Verfahrensprüfung, in Anlehnung an die Norm für eine vorläufige
Schweißanweisung (pWPS) ÖNORM EN ISO 15614-1 und ÖNORM EN ISO 15614-11 durchgeführt.
Die Experimente und die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass das
Elektronenstrahlschweißen sich sehr gut zum Verbinden von A625 (artgleich) und A625/CB2
(artfremd) eignet. Alle Tests angelehnt an die pWPS Norm wurden bestanden.

IV