Nutzung der partiellen metallurgischen Injektion zur Steuerung der Erstarrungskräfte bei Schmelzschweißprozessen

Kontakt

Name

Uwe Reisgen

Leitung

Telefon

work
+49 241 80 93870

E-Mail

E-Mail
 

In der Schweißtechnik führt die lokale thermische Belastung zu hohen Temperaturgradienten und folglich zur Bildung von Eigenspannungen im Bauteil während und nach der Abkühlung. Infolge thermischer Dehnung und Gefügeveränderung entstehen Wärme- und Umwandlungseigenspannungen, die den plastischen Bauteilverzug beeinflussen und sich nachteilig auf die Präzision des Bauteils auswirken. Überschreiten die Gesamtspannungen die temperaturabhängige Streckgrenze, kommt es zu plastischem Verzug. Deswegen befasst sich das Teilprojekt damit, die sich aufbauenden Eigenspannungen in einem Bauteil durch metallurgische Injektion zu kontrollieren. Hierzu wird der Druckspannungsaufbau während der γ-α-Phasenumwandlung maximal ausgenutzt, indem die Martensitstarttemperatur (Ms) durch eine Manipulation der chemischen Zusammensetzung in der Schweißnaht zu einer niedrigeren Temperatur herabgesetzt wird. Diese Reduktion wird als Low-Transformation- Temperature -Effekt (LTT-Effekt) bezeichnet. Dabei wird die Volumenausdehnung der martensitischen Phasenumwandlung ausgenutzt, nachdem sich der Großteil der Zugspannungen in der Schweißnaht aufgebaut haben. Somit wirken die durch die Phasenumwandlung entstandenen Druckspannungen nachweislich den thermisch bedingten Zugspannungen während der Abkühlung entgegen und verhindern ein Überschreiten der Streckgrenze. Die Temperaturverteilung sowie die Entwicklung der Eigenspannungen und Phasenumwandlungen während der Abkühlung kann über ein Simulationsmodell abgebildet werden. Hierbei kann der zeitliche Eigenspannungsverlauf während des Schweißprozesses und die Auswirkung von Phasenumwandlungen auf die Eigenspannungen dargestellt werden, der Zeitpunkt der maximal gebildeten Zugspannung ist darstellbar und die ideale Umwandlungstemperatur für den LTT-Effekt kann hergeleitet werden.

Während in der Literatur der LTT-Effekt zumeist im Lichtbogenverfahren untersucht wird, hat das Teilprojekt A07 im Laufe des SFB 1120 bewiesen, dass dieser Effekt auch im Strahlschweißverfahren erfolgreich eingesetzt werden kann.

In Phase 1 konnte der LTT-Effekt beim Elektronenstrahl- und Laserstrahlschweißen nachgewiesen werden. In Phase 2 konnte der Einfluss verschiedener Legierungszusammensetzung auf die aufgebauten Eigenspannungen im Bauteil quantifiziert sowie eine Reduktion des Bauteilverzugs gezeigt werden. Dabei wurden nicht wie in der Literatur spezielle Fülldrähte benutzt, sondern die gewünschte Legierungszusammensetzung durch die Aufmischung artfremder Werkstoffe beim Schweißen im Schmelzbad selbst erzeugt. Der Effekt konnte nicht nur in einem Baustahl, sondern auch in einem austenitischen Stahl nachgewiesen werden.

In Phase 3 liegt der Fokus auf der Prozessbeherrschung der martensitischen Phasenumwandlung zur gezielten thermischen Dehnungskontrolle im Strahlschweißprozess. Gestützt wird dies durch numerische Struktursimulation, um gezielt den Temperaturbereich mittels martensitischer Umwandlung zu adressieren, der für die präzisionsbestimmenden Eigenspannungen ausschlaggebend ist.

Simulative Abbildung des Schweißwärmezyklus und der Formierung der Schweißeigenspannungen sowie des Bauteilverzugs

Um ein Verständnis über die Prozesse im Schweißprozess während der Abkühlung zu erhalten, wurde in ein Simulationsmodell für den ferritisch-perlitischen Grundwerkstoff S235JR aufgebaut. Dabei war der erste Schritt die Erstellung eines Temperaturfeldmodells durch die Nutzung äquivalenter Wärmequellen, Bild 1 a). Mit dem thermischen Modell wurde als Weiteres eine Beschreibung der Eigenspannungsentwicklung über der Zeit aufgestellt, Bild 1 b). Die Phasensimulation konnte implementiert und der Einfluss dieser deutlich in der Eigenspannungsentwicklung festgestellt werden. Die numerische Berechnung ergab, dass die Zugeigenspannungen sich maximal bis 270 °C bilden. Daraus wurde abgeleitet, dass die angestrebte Ms-Temperatur unter diesem Wert liegen sollte. Bei der Betrachtung der Eigenspannung im Bauteil konnte der Einfluss von Phasenumwandlungen beobachtet werden, Bild 1 c). Im abgekühlten Zustand führt die Phasenumwandlung zu einer Druckinduzierung in der Schweißnaht, weswegen geringere Eigenspannungen auftreten. Dies zeigt die Wichtigkeit der Betrachtung der Phasenumwandlung. Mit diesem Modell konnten schlussendlich die Phasenanteile in der Schweißnaht bestimmt werden, Bild 1 d). Der Aufbau des Simulationsmodells für die Phasenumwandlung und Eigenspannungen wurden in einigen Veröffentlichungen des Teilprojektes dargestellt.

  Bild 1: Simulationsmodell des Grundwerkstoffs S235JR. a) Simulation des Wärmefeldes, welches als Grundlage für die Eigenspannungs- und Phasensimulation dient; b) Längseigenspannungsentwicklung in der Schweißnaht (mit und ohne Phasenumwandlung); c) Gemess Urheberrecht: © SFB 1120

Bild 1 : Simulationsmodell des Grundwerkstoffs S235JR. a) Simulation des Wärmefeldes, welches als Grundlage für die Eigenspannungs- und Phasensimulation dient; b) Längseigenspannungsentwicklung in der Schweißnaht (mit und ohne Phasenumwandlung); c) Gemessene und simulierte Längseigenspannungen in der Schweißnaht nach dem Schweißen (mit und ohne Phasenumwandlung); d) Simulation der Phasenanteile in der Schweißnaht

 
 

Untersuchung des Volumenexpansionsverhaltens von LTT-Legierungen

Wird die Ms- Temperatur zu niedrigen Werten verschoben, ändert sich auch die Höhe des Druckspannungsaufbaus. Um den Einfluss verschiedener Umwandlungstemperaturen auf diesen zu untersuchen, wurden variierende Legierungszusammensetzungen mit unterschiedlichen Zusatzdrähten erzeugt. Anschließend wurden Eigenspannungsmessungen mittels Bohrlochmethode durchgeführt, B ild 2 links. Es konnte festgestellt werden, dass mit höherem Legierungsanteil der Druckspannungsaufbau zunehmend größer wird. Dilatometerproben wurden aus im Ofen erschmolzenen Proben erzeugt und die Martensitstarttemperatur gemessen, Bild 2 rechts. Die Druckspannungshöhe steigt mit zunehmender Dehnung, jedoch kann beobachtet werden, dass ab 200 °C und darunter die Ausdehnung nur noch minimal zunimmt. Eine weitere Reduktion der Ms-Temperatur wäre ab dieser Temperatur also nicht mehr sinnvoll.

 
 
Bild 2: Eigenspannungsmessung und Dilatometrie an variierenden Legierungszusammensetzungen in einem S235JR. Links: Höhere Legierungsanteile führen zu einem größeren Druckspannungsniveau in der Schweißnaht, Rechts: Die höheren Legierungsanteile führen zu Urheberrecht: © SFB 1120

Bild 2: Eigenspannungsmessung und Dilatometrie an variierenden Legierungszusammensetzungen in einem S235JR. Links: Höhere Legierungsant eile führen zu einem größeren Druckspannungsniveau in der Schweißnaht, Rechts: Die höheren Legierungsanteile führen zu einer größeren Ausdehnung bei geringerer Martensitstarttemperatur. Unten: Vollständig martensitische Schweißnaht in einem austenitischen CrNi -Stahl (1.4307)