Wissenschaftliche Tagung Jugend forscht und Schweißt SLV-Duisburg. In-Situ Messungen der thermisch induzierten Dehnungen beim Schweißen

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Stephan Dieter
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1 PAGE 1 Wissenschaftliche Tagung Jugend forscht und Schweißt SLV-Duisburg In-Situ Messungen der thermisch induzierten Dehnungen beim Schweißen Univ.-Prof. Dr.-Ing. U. Reisgen Dipl.-Ing. J. Husemann R. Sharma, B.Sc. Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik

2 PAGE 2 Motivation Vergleich potentieller Messmethoden Neutronenbeugung und Strahlerzeugung Versuchsbeschreibung Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Gliederung

Größe der Dehnungen und Dehngeschwindigkeiten ein bestimmtes Maß überschreitet.

3 PAGE 3 Problematik der Heißrissbildung beim Schweißen Definition Heißrisse: Werkstofftrennungen, die bei hohen Temperaturen längs der Korngrenzen auftreten, wenn die Größe der Dehnungen und Dehngeschwindigkeiten ein bestimmtes Maß überschreitet. Quelle: Cross, C. Hot Cracking Phen. Quelle: Schulze, Metallurgie d. Schw. Motivation: Heißrisse beim Schweißen

4 PAGE 4 Erstarrungsrisse Lage: Im Schweißgut Quelle: BAM Wiederaufschmelzrisse Lage: Ausgehend von oder in WEZ Quelle: BAM Risse durch Verformbarkeitsabfall Quelle: Lippold Lage: In WEZ oder unmittelbar daneben Motivation: Heißrisse beim Schweißen

5 PAGE 5 Verfahren zur Bestimmung von Spannungszuständen: Zerstörungsfreie Verfahren (Ultraschall, optische Verfahren (Grauwertkorrelation, Speckle-Interferometrie), magnetische Verfahren Zerstörende Verfahren (Bohrlochmethode, Zerlegeverfahren, Ringkernverfahren) Beugungsmethoden: Röntgenstrahlung (niedrige Energie) Synchrotronstrahlung (hochenerg. Röntgenstrahlung Eindringtiefe in Stahl Kleinstes Messvolumen Strahlerzeugung 10 µm 1x1 µm² (2D) Röntgenröhre (einfach), mobile Geräte erhältlich 10 mm 1x1x10 µm³ (3D) durch Teilchenbeschleuniger (aufwendig) Neutronenstrahlung 20 mm 1x1x1mm³ (3D) Atomreaktor oder Spallationsquelle (aufwendig) Vergleich potentieller Messmethoden

6 PAGE 6 Verfahren zur Bestimmung von Spannungszuständen: Zerstörungsfreie Verfahren (Ultraschall, optische Verfahren (Grauwertkorrelation, Speckle-Interferometrie), magnetische Verfahren Zerstörende Verfahren (Bohrlochmethode, Zerlegeverfahren, Ringkernverfahren) Beugungsmethoden: Röntgenstrahlung (niedrige Energie) Synchrotronstrahlung (hochenerg. Röntgenstrahlung Eindringtiefe in Stahl Kleinstes Messvolumen Strahlerzeugung 10 µm 1x1 µm² (2D) Röntgenröhre (einfach), mobile Geräte erhältlich 10 mm 1x1x10 µm³ (3D) durch Teilchenbeschleuniger (aufwendig) Neutronenstrahlung 20 mm 1x1x1mm³ (3D) Atomreaktor oder Spallationsquelle (aufwendig) Vergleich potentieller Messmethoden

7 PAGE 7 Beugung: Messgrößen: Strahl wird am Kristallgitter gebeugt, durch Gangunterschied tritt Interferenz auf, so dass bei bekannter Wellenlänge über den gemessenen Beugungswinkel auf den Netzebenenabstand geschlossen werden kann. n 2d hkl Beugungswinkel Intensität / Zählrate sin Messmethode Neutronenbeugung

8 PAGE 8 Spaltung des Uranisotops 235 U Freisetzung von Neutronen Strahlrohre leiten Neutronen zu Experimenten Thermische Neutronen werden über Monochromatorkristall auf Probe gebeugt Quelle: FRM2, TUM Strahlerzeugung, Reaktortechnik

9 Längsschliff der Schweißnaht PAGE 9 Detektor Lange Messzeiten notwendig: Messung erfolgt entlang von Isothermen, indem Brenner und Messvolumen in konstantem Abstand zueinander belassen werden und nur die Probe bewegt wird Neutronenquelle Versuchsbeschreibung

erforderlich, um eine ausreichende Messzeit zu erhalten Anzahl der Raumrichtungen und Verbesserung der Statistik

10 PAGE 10 Stabmaterial: CrNi-Stahl, primäraustenitisch erstarrend 20x20x300 mm³ WIG-Schweißen: 13,4 V, 300 A, 17 cm/min WIG-Umschmelzraupe, ohne Schweißzusatzwerkstoff Pro Messpunkt ist die Schweißung einer ganzen Probe erforderlich, um eine ausreichende Messzeit zu erhalten Anzahl der Raumrichtungen und Verbesserung der Statistik erhöhen die Probenanzahl weiter Die Temperatur wird an jedem Messpunkt mittels Pyrometer gemessen Versuchsbeschreibung

11 PAGE 11 Intensität 311-Reflex Versuchsbeschreibung Beugungswinkel 2Θ

12 PAGE 12 Auswertung der Diffraktogramme

13 PAGE 13 Bestimmung des Temperaturfeldes über Messung mit Pyrometer Ermittlung Temperaturfeld

14 PAGE 14 Ermittlung der thermischen Expansion über Beugungsexperiment an einer homogen erwärmten Probe -> Jedem Messpunkt des Experimentes lässt sich in Abhängigkeit der Temperatur ein thermisch-bedingter Beugungswinkel zuordnen Beugungswinkeldifferenz zwischen homogen erwärmter Probe und spannungsbeaufschlagter Probe -> Rein mechanisch-bedingte Dehnungen Separierung thermisch und mechanisch bedingter Dehnungen

15 PAGE 15 Ermittlung der transversalen Dehnungen

16 PAGE 16 Notwendige Daten: Räumlicher Dehnungszustand, Dehnungstensor Wird durch Dehnungsmessungen in drei Raumrichtungen, die mit den Hauptspannungsrichtungen übereinstimmen, gemessen Diffraktionselastische Konstanten für den Werkstoff: Querdehnungszahl Elastizitätsmodul (jeweils für die betrachtete Gitterrichtung, müssen in separatem Experiment bestimmt werden oder entsprechender Literatur entnommen werden) Ermittlung von Spannungen

17 PAGE 17 Zusammenfassung: Methode der Neutronendiffraktometrie eignet sich zur Messung von Spannungs- /Dehnungszuständen während des laufenden Prozesses in der Werkstofftiefe Beobachtung dynamischer Prozesse sehr aufwendig, da quasistationäre Bedingungen geschaffen und Einflüsse absolut konstant gehalten werden müssen Temperaturmessung bisher nur an der Oberfläche Erklärung für beobachtete elastische Dehnung bei hoher Temperatur unklar Berechnung der Spannungen bisher nur vereinfacht möglich, da die 3. Hauptspannungsrichtung bisher nicht vermessen werden konnte Zusammenfassung

PAGE 18 Ausblick: Verbesserung der Methode durch optimierten Messaufbau, Messung weiterer Hauptspannungsrichtungen XX 0 0 0 yy 0 0 0 zz Messung des Wärmefelds auch in der tiefe

18 PAGE 18 Ausblick: Verbesserung der Methode durch optimierten Messaufbau, Messung weiterer Hauptspannungsrichtungen XX yy zz Messung des Wärmefelds auch in der tiefe Übertragung auf andere Schweißverfahren mit großen Schmelzbädern wie z.b. Unterpulverschweißen, hierbei ist insbesondere ein Vergleich unterschiedlicher Schweißbedingungen angestrebt Ausblick

19 PAGE 19 Die hier präsentierten Arbeiten werden im Rahmen des Projektes Untersuchung des Einflusses zusätzlicher Kaltdrahtzufuhr beim Unterpulverschweißen auf die Heißrissanfälligkeit von austenitischen Werkstoffen- RE2755/13-1 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Für diese Unterstützung sei gedankt. Wir bedanken uns desweiteren bei der Forschungsneutronenquelle Heinz-Maier- Leibnitz in Garching für die Bereitstellung der Messzeit. Danksagung

20 PAGE 20 Jana Husemann Tel. 0241/

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