Lokaler Eigenspannungsaufbau bei der Erstarrung technischer Legierungen während des Schweißens

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Eigenspannungsaufbau und Verzug sind zentrale Probleme innerhalb der Fertigungskette schweißtechnisch hergestellter Bauteile mit unmittelbarem Einfluss auf Kosten und Präzision des Endproduktes. Verzug in Folge von Eigenspannungen ist aufgrund der beim Schweißen erfolgenden Wärmeeinbringung in das Bauteil unvermeidlich. Ihre Entstehung ist durch thermische Expansion, Gefügeumwandlungen und Änderung der Fließgrenze während des Schweißwärmezyklus bedingt. Die Beherrschung der hierdurch verursachten Verformungen beschränkt sich heute auf die geschickte Festlegung der Schweißnahtreihenfolge und durch Wahl von Schweißverfahren mit möglichst niedriger Wärmeeinbringung. Aufgrund fehlender Kenntnis des Zusammenwirkens der physikalischen Vorgänge, welche zum Aufbau von Eigenspannungen führen, sind die Präzisionsziele bei der Fertigung von Großbauteilen nur durch das Vorsehen von Übermaßen und/oder eine nachfolgende spanende Bearbeitung zu erreichen.

Es bestehen grundlegende Fragestellungen bezüglich der Entwicklung von Eigenspannungen und den dar-aus resultierenden Verzügen. Hierbei lassen sich die Problemfelder Erstarrung aus der Schmelze, Wärmeableitung, resultierende Temperaturfelder, Umwandlungsvorgänge und Gefügeentwicklung eingrenzen.

Anhand von In-situ-Experimenten soll das Zusammenwirken der einzelnen Einflussfaktoren auf die Eigenspannungsentwicklung ermittelt werden. Dabei werden mit Hilfe von Neutronen- und Röntgenbeugungs­experimenten Gitterdehnungen während des Prozessablaufes gemessen. Als Ergebnis liefert das Teilprojekt verbesserte Modelle zur Entstehung von Eigenspannungen bei Schweißprozessen, die zur numerischen Struktursimulation des Bauteilverhaltens genutzt werden können. Eine Verifikation der entwickelten Modelle erfolgt anhand von Simulationsrechnungen, so dass eine möglichst genaue Vorhersage über den Endzustand des Bauteils ermöglicht wird. Das Ziel ist hierbei, Aufmaße und dem Schmelzschweißprozess nachgelagerte Bearbeitungsschritte auf ein Minimum zu reduzieren. Zusätzlich werden weitere Erkenntnisse über In-situ-Beobachtung von Schweißprozessen erwartet, die bei der Beantwortung benachbarter Fragestellungen helfen können. Hierzu gehört die Beobachtung des Ausdehnungsverhaltens von Partikeln in Schmelzen (TP A7), die Texturentwicklungen in kristallinen Werkstoffen oder die Beobachtung von Heißrissphänomenen. Die Erarbeitung von Methoden zur In-Situ-Messung von Temperaturfeldern und Dehnungen durch optische Methoden und Beugungsverfahren wird zudem in Teilprojekten zum Einsatz kommen, in denen benachbarte Fragestellungen behandelt werden (TP A5, A7 B4).

 

IHD-Stress-measurement

Durch Bohren eines Loches wird ein Festkörper lokal entspannt. Die hieraus folgende Deformation der Oberfläche kann durch Laser-Speckle-Interferometrie sichtbar gemacht und quantitativ erfasst werden.

 
IHD-Stress-measurement
 
 

In situ Bildkorrelation während des WIG-Schweißens einer Nickelbasislegierung

Das thermische Dehnungsfeld des Schweißprozesses wird mit Hilfe des Bildkorrelationsverfahrens (Digital Image Correlation) sichtbar gemacht. So können Ergebnisse der in situ Neutronenbeugung verifiziert werden. Anschließend kann hiermit ein Modell für die Kompensation von Schweißeigenspannungen erarbeitet werden.

 
In-Situ-DIC_TIG-welding
 
 

Laser-Speckle-Interferometrie

Laser-Speckle-Interferometrie Urheberrecht: SFB 1120

Die Laser-Speckle-Interferometrie lässt sich auch für In-Situ-Messungen des Dehnungsverlaufs während des Schweißens nutzen. Eine Falschfarbdarstellung ermöglicht die Identifikation von Bereichen großer plastischer Dehnungen bzw. Stauchungen.

 
 

Neutronenbeugung

Neutronenbeugung Urheberrecht: SFB 1120

Während des Schweißens kann eine Dehnungsmessung mit Hilfe von Neutronenbeugung auch oberflächenfern vorgenommen werden. Das Bild zeigt ein In-Situ-Experiment zur Dehnungsmessung während des Schweißens an der Forschungsneutronenquelle FRM2 in Garching.