Lokaler Eigenspannungsaufbau bei der Erstarrung technischer Legierungen während des Schweißens

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1. Allgemeines:

Eigenspannungsaufbau und Verzug sind zentrale Probleme innerhalb der Fertigungskette schweißtechnisch hergestellter Bauteile mit unmittelbarem Einfluss auf Kosten und Präzision des Endproduktes. Trotz der zahlreichen Forschungsarbeiten zu diesem Themenkomplex bestehen weiterhin grundlegende Fragestellungen bezüglich der Entwicklung von Eigenspannungen beim Schweißen und dem daraus resultierenden Verzug. Die wesentlichen Themenkomplexe sind hierbei:

  • Materialverhalten im Liquidus-Solidus-Übergang,

  • Wärmeableitung und Temperaturfelder, sowie

  • Umwandlungsvorgänge und Gefügeentwicklung

Zur Verbesserung des Verständnisses über den Eigenspannungsaufbau ist insbesondere die in situ-Messung von Dehnungen während des Schweißens ein wichtiges Hilfsmittel, dasaufgrund des hohen experimentellen Aufwandes bislang jedoch nur vereinzelt genutzt wurde. Darüber hinaus ist die Ermittlung von belastbaren temperaturabhängigen Materialkennwerten eine Grundvoraussetzung für die Modellbildung.

Ziel der Arbeiten von TP A2 ist die Entwicklung und Erprobung von Messmethoden zur in-situ-Erfassung von thermisch induzierten Dehnungsvorgängen, sowie darauf aufbauend die Entwicklung von Modellen zur Verbesserung des Verständnisses über den resultierenden Eigenspannungsaufbau im technischen Bauteil.

Unterstützt werden diese Arbeiten durch die Simulation des Wärmefeldes und derSchmelzbadgeometrie in TP A4. Die Validierung eines thermomechanischen Modells wird auf Basis der Arbeiten des Teilprojektes TP B7 und in Zusammenarbeit mit TP B3 erfolgen. Durch die Kombination mit optischen Oberflächenmessverfahren (gem. mit TP A1, A7 und A8) kann eine deutlich höhere Auflösung erreicht werden, so dass die Zonen hoher Temperatur- und Dehnungsgradienten unmittelbar neben dem Schmelzbad besser erfasst werden können. Die Messung der verbleibenden Eigenspannungen erfolgt gemeinsam mit TP A7 und A12. Durch Anwendung der optischen Dehnungsmesstechnik kann gemeinsam mit A5 eine detaillierte Untersuchung der Rissentstehung bei der mechanischen Charakterisierung von Lötgutproben erfolgen. Zusätzlich findet eine Kooperation hinsichtlich der Durchführung von in situ-Experimenten mit Synchrotronstrahlung zur Prozessbeobachtung mit TP A1 und A7, sowie mit dem IFSW der Universität Stuttgart statt.

 

2. Phase 2:

2. 1 Lichtbogenmehrdrahtprozess zum in-situ-Legieren in der additiven Fertigung

Zur Materialcharakterisierung, insbesondere von maßgeschneiderten Legierungen, wie sie in TP A7 genutzt werden, sind teilweise Werkstoffproben mit Mindestabmessungen erforderlich, welche nicht aus den erzeugten Schweißnähten entnommen werden können. Im Rahmen von TP A2wurde daher eine Methodik entwickelt, maßgeschneiderte Werkstoffproben mittels additiver Fertigung und in-situ-Legieren herzustellen, welche in nahezu beliebigen Abmessungen generiert werden können und damit eine umfangreiche Charakterisierung, beispielsweise durch Dilatometrie ermöglichen.

Gleichzeitig kann die Wirkung der maßgeschneiderten Materialien im Materialverbund untersucht werden, indem entsprechende Multi-Material-Prüfkörper additiv generiert werden.

 
  Additiv hergestellte Multi-Material-Verbundprobe mit zeilig eingebrachtem LTT-Gefüge. Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 1: Additiv hergestellte Multi-Material-Verbundprobe mit zeilig eingebrachtem LTT-Gefüge.
 
 

2.2 Versuchsstand zur in-situ-Erfassung von Temperatur-Verformungsverläufen für die additive Fertigung

Zur zeitlich gekoppelten in-situ-Erfassung des Temperatur-Verformungs-Verhaltens von Substratplatten in der additiven Fertigung erfolgte der Aufbau eines entsprechenden Versuchsstandes. Die ortsaufgelöste Verformungsmessung wird hierbei mittels digitaler Bildkorrelation umgesetzt, die Temperaturerfassung erfolgt zum einen über Thermoelemente, zum anderen mittels Thermokamera. Der Versuchsaufbau wurde erfolgreich an LMD und WAAM getestet und liefert eine wichtige Datengrundlage für die Modellerprobung und –validierung.

 
  DIC-Versuchsstand zur gekoppelten ortsaufgelösten Temperatur-Verformungsmessung Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 2: DIC-Versuchsstand zur gekoppelten ortsaufgelösten Temperatur-Verformungsmessung
 
 

2.3 Erweiterung des Umformdilatometers um digitale Bildkorrelation zur ortsaufgelösten Verformungsmessung

Durch Nutzung eines in der ersten Antragsphase beschafften Abschreckdilatometers kann auch die abkühlratenabhängige Verschiebung der Umwandlungstemperatur berücksichtigt werden. Die thermische Expansion spielt neben der Bestimmung von Fließkurven eine entscheidende Rolle. Insbesondere für den Übergang des Bereiches fest-flüssig zur festen Phase sind bislang nur wenige Ansätze bekannt, wie eine Bestimmung von Fließkurven experimentell erfolgreich umgesetzt kann. Im Rahmen der zweiten Phase erfolgten vorbereitenden Umbau- und Entwicklungsmaßnahmen zur Nutzung des beschafften Dilatometers für die Ermittlung von Fließkurven, welche im Rahmen der 3. Phase finalisiert werden sollen.
Anknüpfungspunkte zu Teilprojekten des Projektbereichs A, die solche Methoden sowohl diagnostisch als auch im späteren Verlauf zur Ermittlung von Daten nutzen, die eine Kompensation von präzisionsbeherrschen den Einflussfaktoren bei den genutzten Fertigungsprozessen ermöglichen.

2.4 in-Situ-Beugungsexperimente

Für ein Verständnis des Eigenspannungsaufbaus und eine Abschätzung der im Werkstoff verbleibenden Eigenspannungen ist eine lokal und temporal präzise Aufnahme der Verformungen während des Schweißens nötig. Die Bestimmung von elastischen Verformungen im Inneren von geschweißten Werkstoffen ist bislang nur sehr begrenzt geschehen. Die vorangegangenen Experimente mit Neutronenbeugung haben gezeigt, dass eine höhre lokale und zeitliche Auflösung durch geringere Messvolumina und Aufnahmeraten notwendig ist. Mit Hilfe energiedispersiver Röntgenbeugung am Synchrotron konnten Verformungen in einem Messvolumen von 0,1x0,1x1,5 mm3 mit einer Belichtungszeit von einer Sekunde erfasst werden. Der Messaufbau hierfür ist in Abbildung 4 zu sehen Die Auswertung der Ergebnisspektra nimmt noch einige Zeit der Phase 2 in Anspruch erste Ergebnisse sind aber in Abbildung 3 zu sehen.

 
 
Abbildung 3 Erste Ergebnisse der Beugungsverswuche mittels Synchrotronstrahlung Dehnungsverteilung in der Werkstoffmitte Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 3 Erste Ergebnisse der Beugungsverswuche mittels Synchrotronstrahlung Dehnungsverteilung in der Werkstoffmitte
 
 

Die Verteilung der Dehnung ist weitesgehend kontinuierlich in einzelnen Fällen müssen die Analysen noch nachvollzogen werden aber die Versuche können schon jetzt als Erfolg und großen Beitrag zum Verständnis vom Aufbau von Eigenspannungen gesehen werden.

 
 

3.1 Fragestellung

Die bislang vorliegenden Erkenntnisse zu Entstehung und Aufbau von Eigenspannungen beim Schweißen metallischer Werkstoffe basieren auf festkörpermechanischen Modellen in Kombination mit Annahmen zu Erstarrungs- und Umwandlungsvorgängen. Eine Berücksichtigung der transienten physikalischen Vorgänge in gängigen Modellen ist bislang für makroskopische Probleme nicht erfolgt. Durch leistungsfähige Beobachtungsmethoden und Messverfahren können bestehende Modelle und Annahmen inzwischen verifiziert und ergänzt werden, so dass eine präzisere Vorhersage und Kompensation von resultierendem Eigenspannungs- und Verzugsniveau möglich wird. Eine technische Anwendung der additiven Fertigung durch Lichtbogenverfahren bedingt eine Beherrschung der auftretenden Verzüge und Eigenspannungen durch Die Quantifizierung von thermischen Dehnungen ist weiterhin essentiell für die Beantwortung von offenen Fragen zu werkstoff- und beanspruchungsbedingten Rissphänomenen, wie Heißrissbildung und wasserstoffinduzierter Kaltrissbildung. Zusätzlich stellt jegliche Weiterentwicklung von Messmethoden zur Gewinnung von temperaturabhängigen Werkstoffdaten einen Fortschritt hin zu einer durchgängigen numerischen Schweißsimulation dar. Diese ist neben geeigneten, physikalisch basierten Modellen auf effiziente Algorithmen und genaue Werkstoffdaten angewiesen.

3.2 Zielsetzung

Übergeordnetes Ziel des Teilprojekts ist es, den Eigenspannungsaufbau unmittelbar nach der Erstarrung aus der Schmelze heraus durch Dehnungsmessungen mit Hilfe von in situ-Messmethoden nachzuvollziehen und das Verständnis über Vergleich mit festkörpermechanischen Modellen zu verbessern. Aus den Messwerten werden im späteren Verlauf durch Umrechnung Bauteilspannungen und Verzüge bestimmt, so dass daraus Methoden und Verfahren zur Kompensation abgeleitet werden können. Hierbei steht das Lichtbogenschweißen als Modellsystem im Mittelpunkt. In der hier beantragten Projektphase steht die Validierung und Verbesserung von Modellen zum Eigenspannungsaufbau in geschweißten Bauteilen im Mittelpunkt. Hierbei sind spezialisierte Experimente zu entwickeln, die eine Erhöhung der Ortsauflösung der Dehnungsmessmethoden erlauben, die in der ersten Phase erarbeitet wurden, und die Abbildung der experimentellen Beobachtungen in einer Struktursimulationssoftware ermöglichen. Neben der allgemeinen Nutzbarkeit für die Verbesserung der Vorhersage der Eigenspannungsentwicklung in geschweißten Bauteilen wird die Erhöhung der Konturgenauigkeit von additiv auftraggeschweißten Bauteilen angestrebt. Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen steht derzeit besonders im Fokus der wissenschaftlichen Forschung im Bereich der Produktionstechnik, da sie einen bedeutenden Beitrag hin zu einer ressourcenschonenden Fertigung leisten kann [9]. Dies wird insbesondere durch die Einsparung von Halbzeug bei der endkonturnahen additiven Fertigung gegenüber einer spanenden Fertigung aus massiven Vormaterialien erreicht. Der besondere Vorteil der additiven Fertigung durch Lichtbogenschweißen mit drahtförmigem Schweißzusatz besteht in den sehr hohen Abschmelzleistungen, die eine wirtschaftliche Fertigung auch großer Komponenten ermöglicht. Gleichzeitig ist hier der Bedarf an Modellen zur Vorhersage von Wärmefeld, Verzug und Eigenspannungsverlauf aufgrund der komplexen Geometrien und des hohen Schweißgutanteils besonders groß. Es lassen sich für die Projektlaufzeit folgende Teilziele benennen:

  • Entwicklung verbesserter Experimente zur Dehnungsmessung in Schmelzbadnähe mit hoher Ortsauflösung

  • Validierung und Verbesserung bestehender festkörpermechanischer Modellen zur Berechnung von Schweißeigenspannungen durch Übertragung der experimentellen Ergebnisse in ein numerisches Modell

  • Methodenentwicklung zur Bestimmung von Hochtemperaturwerkstoffeigenschaften

  • Analyse des Eigenspannungsaufbaus in endkonturnah additiv lichtbogengeschweißten Bauteilen

 
 

3.3 Methodiken

Die verwendeten Methodiken bauen im Wesentlichen auf den im Rahmen der zweiten Phase entwickelten Ansätzen auf. Unter Einsatz der entwickelten Versuchsaufbauten zur ortsaufgelösten Temperatur- und Verformungsmessung, konzentrieren sich die Arbeiten der dritten Phase vornehmlich auf die Generierung von Daten zum Material- und Bauteilverhalten. Hierauf aufbauend erfolgt die Optimierung von Simulationsmodellen, welche letztlich Grundlage zur Beherrschung der Fertigungsprozesse sind.

 
  Versuchsstand zur erweiterten Messwerterfassung und Modellvalidierung Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 4 - Versuchsstand zur erweiterten Messwerterfassung und Modellvalidierung
 
 

Das Vorgehen lässt sich untergliedern in:

Messtechnische Erfassung von Werkstoff- und Prozessdaten

  • Ermittlung von Verformungsverhalten auch im Hochtemperaturbereich für technische Legierungen

  • Abkühlraten-basierte Bestimmung von Werkstoffgefüge

  • In Situ-Dehnungsmessung mit Synchrotronstrahlung oder Neutronenstrahlung zur Bestimmung des Einflusses von Schmelzbadgeometrie

Modellbasierte Prozesskontrolle

  • Entwicklung/ Adaption von Demonstratoren

  • Eigenspannungs- und Verzugssimulation von Demonstrator

  • Schweißversuche zur Abbildung von Simulationsergebnissen an Demonstrator

Rückführung präzisionsbestimmender Kenngrößen

  • Aufbereitung von Versuchsergebnissen aus A02 und anderen Teilprojekten

  • Modellbildung durch Zusammenführung von Werkstoffkenndaten, Messergebnissen und Simulationsergebnissen

  • Validierung und Übertragung von Modell anhand von Messmethoden und inversen Ansatz