Nutzung der partiellen metallurgischen Injektion zur Steuerung der Erstarrungskräfte bei Schmelzschweißprozessen

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In der Schweißtechnik wird mittels einer lokal begrenzten Wärmeeinwirkung an der Schweißstelle die Aggregatszustandsänderung fest-flüssig-fest zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen genutzt. Dabei entstehen infolge der thermischen Dehnung sowie aufgrund von Gefügeveränderungen Wärmeeigenspannungen und Umwandlungseigenspannungen, die sich häufig nachteilig auf die Präzision des Bauteils auswirken.

Zur Erzielung einer hohen Präzision im Makrobereich ist deshalb das Prozessverständnis und die Identifikation des Potentials der zeit- und ortsaufgelösten Phasenumwandlung auf die Eigenspannungen die zentrale Fragestellung.

In diesem Teilprojekt sollen daher in einem neuen Ansatz zur Beeinflussung der Eigenspannungen lokal in die Schmelze induzierte, ggf. neu zu entwickelnde Zusatzwerkstoffe verwendet und deren Wirkung auf den Verzug nachgewiesen und verstanden werden. Diese “metallurgischen Injektionen“ sollen sehr schnell und punktuell eingebracht und durch gleichzeitige gezielte Wärmebehandlung zeit- und ortsaufgelöst die Gefügeumwandlung steuern. Durch die Zeitdifferenz zwischen der Umwandlung von Grund- und Zusatzwerkstoff (Injektion) können lokale Spannungsfelder erzeugt und somit die Eigenspannungen beeinflusst werden. Der Elektronenstrahl liefert durch seine hervorragenden Modulationsmöglichkeiten die Energieeinträge für die benötigten zeit- und ortsaufgelösten Temperaturgradienten. Weiter ist es möglich, die Intensitätsverteilung und Leistungsdichte hochdynamisch zu variieren, um zusätzlich durch Ausbildung einer Dampfkapillare (Keyhole) zum einen die Schmelzbaddynamik und zum anderen, durch gezieltes Verdampfen von Legierungselementen, die Phasenzusammensetzung lokal und gradiert zu beeinflussen. Neben der Prozessvisualisierung von Größe und Form des beim Strahlschweißen entstehenden Keyholes und der Schmelzbaddynamik, ist die genaue Bestimmung der sich durch den Schweißprozess im Werkstück einstellenden Temperaturgradienten von hoher Relevanz. Durch Hochgeschwindigkeits-Thermographie-Kameras ist es möglich, die Temperatur bei gleichzeitig hoher zeitlicher Auflösung präzise zu erfassen. Die hochexakte Vermessung der Temperaturfelder ist von signifikanter Bedeutung, um die thermischen Effekte von den metallurgischen eindeutig trennen zu können. Die in-situ-Experimente werden anschließend durch eine analytische Phasenbestimmung und oberflächennahe Spannungsmessverfahren ergänzt. Die Identifikation weiterer geeigneter Werkstoffsysteme, die die Martensitstarttemperatur beeinflussen, insbesondere Variationen mit den Elementen Cr und Ni, soll mit Hilfe der in TP A2 zu verbessernden Modelle der Entstehung von Eigenspannungen erfolgen. Mit diesen Experimenten können Modelle entwickelt und in eine skalenübergreifende Simulation überführt werden.

In der zweiten Phase soll das enorme Potential der gezielten lokalen Volumenbeeinflussung durch metallur-gische Injektion auf die Präzision weiter untersucht werden. Im Vordergrund der Experimente steht der Ein-fluss einer durch Strahlmodulation erzeugten Änderung des Schmelzbades oder mehrerer Schmelzbäder in Anzahl, Form, Durchmischung und verschiedener Temperaturgradienten. Weiter soll, durch die punktuelle Injektion von artfremden Zusatzwerkstoffen, die gezielte Einstellung der chemischen Zusammensetzung auf die verschiedenen Phasenausbildungen untersucht werden. In der dritten Phase sollen die entwickelten analytischen Modelle genutzt werden, um eine Schweißstrategie zu entwickeln, die in-situ durch partielle metallurgische Injektionen und lokal angepassten Temperaturgradienten die Eigenspannungen, die bei technischen Schmelzen entstehen, zu egalisieren und somit eine Prädiktion der Präzision ermöglichen.

Die gewonnen Erkenntnisse und Modelle können auf andere technische metallische Schmelzen übertragen werden.

 

Thermographie- Vergleich LTT- G3Si1

Videothermographie - Messung ermöglicht eine oberflächliche kontaktlose Temperaturmessung von Bauteilen mittels Infrarotstrahlung. . Den variierenden Isothermen werden Farben zugeordnet von Raumtemperatur (Schwarz) bis 500°C (weiß). Somit steht das zusehende Farbspektrum für die jeweils vorhandenen Temperaturen. In der linken Bildhälfte wird der Schweißprozess mit konventionellem unlegierten Schweißzusatzdraht (G3Si1) ausgeführt, in der rechten Bildhälfte kommt der LTT-Zusatzdraht zum Einsatz. Im Zentrum schmilzt und Verdampft der Laserstrahl den Werkstoff, es herrschen Temperaturn von mehreren tausend Kelvin vor. Die Umgebende Schmelze hat Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes von ca. 1600°C. Diese Bereiche liegen weit außerhalb des messbaren Temperaturspektrums von max. 500°C und werden somit in Weiß dargestellt. Hinter dem Schmelzbad erstarrt der Werkstoff zur Schweißnaht welche im Weiteren abkühlt. Alle Bereiche der Naht oberhalb von 500°C werden ebenfalls weiß dargestellt. Bei unterschreiten der Isothermen von 500°C sind die vorherrschenden Temperaturgradienten sichtbar. Durch die Relativbewegung des Laserstrahls zum Werkstück bildet sich ein „Schweif aus Isothermen“. Diese werden vor dem Laser gestaucht, transversal zeigen sich hohe Gradienten, welche in Richtung Raumtemperatur abfallen. Lateral hinter dem Laserprozess werden die Isothermen durch die Abkühlung der Schweißnaht in die Länge gezogen. Zur Beurteilung der Dimension sind auf dem Blech Markierungen im Abstand von 5mm angebracht. Es wird deutlich, dass der Schweif bei Verwendung des LTT-Zusatzdrahtes wesentlich länger (ca. 10 mm) ausgeprägt ist als im Vergleichsversuch mit konventionellem Zusatzdraht. Somit kühlt die Naht hinter dem Prozess langsamer ab. Der LTT-Werkstoff ist darauf ausgelegt, während der Abkühlung der Schweißnaht bei reduzierter Temperatur martensitisch Umzuwandeln. Mit dieser Gefügeumwandlung ist eine Volumenexpansion sowie eine Scherbewegung verbunden. Diese ist Auslösung einer Druckspannungsinizierung, die den vorherschen Schrumpfspannungen, bedingt durch die Abkühlung, entgegen wirkt und somit als Ansatz zur Kompensation von plastischem Bauteilverzug dient. Der in dem hier vorgestellten Beispiel untersuchte Schweißparameter führt zu einem Gefüge, welches bei Temperaturen von ca. 270 bis 280 °C martensitisch umwandelt, der entsprechend Bereich ist in den Isothermen dunkel Blau ( im umgebenden grünen Feld) dargestellte. Zur Vergleichbarkeit ist der entsprechnde Bereich im Benchmark-Versuch mit G3Si1 ebenfalls markiert, auch wenn hier keine martensitische Umwandlung stattfindet. Während der Gefügeumbildung wird latente Wärme freigesetzt, diese verlangsamt den Abkühlprozess lokal im Bereich des umwandelnden Gefüges. Dies wird in der deutlich langsamer abkühlenden Schweißnaht deutlich, welche wesentlich länger im Temperaturbereich oberhalb von 250°C (grünen Spektrum) verbleibt. Somit ist eine messtechnische Bestimmung des Umwandlungsbereichs während der Abkühlung aus der Schmelzwärme aufgelöst nach Ort, Zeit- und Temperaturbereich möglich. Diese Erkenntnisse können als Basis für eine prozesstechnische Steuerung der partiellen metallurgischen Injektion dienen.

 

Direkter Vergleich der unterschiedlichen Zusatzwerkstoffe beim gleichen Schweißparameter

 
A7 - Video 1
 
 
A7 - Video 2
 
 

Aufbau des Prüfstandes für Digitale Bildkorrelation

Aufbau Prüfstand Urheberrecht: SFB 1120

Zur Beobachtung der Verschiebung und Dehnung der Probenoberfläche während der Abkühlung aus der Schmelzwärme wird vor dem Schweißprozess ein stochastisches Punktmuster auf der Oberfläche aufgebracht. Zwei Digitalkameras beobachten einen schmalen Streifen (ca. 5 mm x 50 mm) der Probenoberfläche quer zur Schweißnaht. Das Setup mit zwei Kameras erlaubt die Dokumentation von dreidimensionalen Bewegungen. Die Deformationen der Oberfläche werden in der Auswertung an jedem Kamerapixel von zeitlich versetzten Bildsequenzen berechnet. Die Verschiebung der Oberfläche wird durch ein Vektorfeld visualisiert. Die Länge, gleichbedeutend mit der Farbe zeigen in Kombination mit der Richtung der Vektorpfeile die Gesamtverschiebung jedes Punktes des Musters zum jeweiligen Zeitpunkt der Abkühlung an und sind bezogen auf ein gewähltes Referenzbild im warmen Zustand. Das Muster im Schweißnahtbereich verschwindet durch das Umschmelzen der Oberfläche weswegen die Verschiebungen in der Schweißnaht selbst nicht beobachtet werden können. Die quantitativen Verschiebungen können als Farben mit dem rechts im Bild dargestellten Maßstab abgelesen werden. Im Abkühlverlauf treten neben den Schweißnähten Quellen im Vektorfeld auf, welche für die Entstehung von Druckspannungsbereichen sprechen. Diese verschieben sich im Verlauf der Abkühlung zunächst in Richtung der Schweißnaht um dann die Verschiebungsrichtung zu ändern und nach außen zu streben. Bei hinreichend langer Beobachtung herrscht Zug in Richtung der Schweißnaht (Senke im Vektorfeld vor). Dieser Effekt tritt bei Verwendung des konventionellen unlegierten Drahtes G3Si1 wesentlich früher auf, als bei niedrigeren Temperaturen umwandelnden LTT-Werkstoff. In der Bildkorrelationsaufnahme des LTT wird deutlich, dass im nahtnahen Bereich im Verlauf der Abkühlung die Schrumpfung in Richtung der Schweißnaht temporär wieder abnimmt (Vektorpfeile werden kürzer), eine Folge der Druckspannungsinduzierung während er martensitischen Phasenumwandlung.