Rechnergestützte Vorhersage der Kaltrisssicherheit laserstrahlgeschweißter Bauteile aus hochfesten Stählen

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1 Rechnergestützte Vorhersage der Kaltrisssicherheit laserstrahlgeschweißter Bauteile aus hochfesten Stählen AiF-Forschungsvorhaben IGF-Nr: BG / DVS-Nr. I2.004 Laufzeit: Forschungsstelle 1 BTU Cottbus Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik (LFT) Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. V. Michailov Konrad-Wachsmann-Allee Cottbus Teilprojekt 1: Bestimmung eines quantitativen Kaltrisskriteriums und Entwicklung einer Software zur Vorhersage der Kaltrisssicherheit Forschungsstelle 2 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM Prof. Dr. rer. nat. P. Gumbsch Wöhlerstraße Freiburg (Baden-Württemberg) Teilprojekt 2: Simulation von Gefüge, Spannungen, Dehnungen und Wasserstoffverteilungen beim Schweißen Einleitung Kaltrisse sind ein massives Qualitätsproblem bei der schweißtechnischen Verarbeitung von hochfesten Stählen. Praxiserfahrungen und Forschungsarbeiten liegen insbesondere für die konventionellen Schweißverfahren vor. Der Einsatz von hochfesten Stählen für laserstrahlgeschweißte Konstruktionen wird in vielen Industriebereichen wegen mangelhafter Erkenntnisse über ihre Anfälligkeit gegenüber Kaltrissen enorm gehemmt. Wasserstoffinduzierte Kaltrisse entstehen generell in der Schweißverbindung während der Abkühlung unterhalb einer Temperatur von 250 C, wenn die Einflussgrößen Spannungsund Gefügezustand sowie die Wasserstoffkonzentration lokal eine kritische Kombination erreichen. Die Auslegung des Schweißprozesses und der Konstruktion aus hochfesten Stählen erfolgt für die konventionellen Schweißverfahren mit Vorschriften und experimentellen, techno-

2 logischen Prüfungen an standardisierten Proben. Trotz dieser Maßnahmen können Kaltrisse in der Schweißverbindung auftreten, die entweder unerkannt bleiben oder nur durch aufwändige Qualitätskontrollen erfasst werden und entsprechende Nacharbeiten erfordern. Konservative technologische Kaltrissprüfungen führen zudem zu einer Überdimensionierung. Ein rechnergestütztes Werkzeug für die Vorhersage von Kaltrissen in laserstrahlgeschweißten Verbindungen würde die genannten Nachteile beheben und dem Anwender den großen Vorteil bieten, die Schweißkonstruktion und den Prozess optimal - weder kritisch noch überdimensioniert - kaltrisssicher auszulegen, ohne den Weg über die Anpassung der Prüfmethoden und der allgemeinen Vorschriften zu bestreiten oder auf systematische Bauteilversuche zurückzugreifen. Sie liefert darüber hinaus wichtige bauteilspezifische Erkenntnisse, die allein aus experimentellen Prüfungen nicht gewonnen werden können. Voraussetzung für die Beurteilung der Kaltrisssicherheit ist: die gesicherte Simulation der miteinander gekoppelten Wasserstoff-, Gefüge- und Spannungsverteilung beim Laserstrahlschweißen und ein Modell zur Vorhersage von Kaltrissen, dass auf experimentell abgesicherten, quantitativen Kriterien beruht. Forschungsziel Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine neue Methodik zu entwickeln, welche die Schweißsimulation für die Vorhersage der Kaltrissigkeit von laserstrahlgeschweißten Verbindungen an komplexen Bauteilen erweitert und qualifiziert. Die entwickelten Lösungsansätze setzen die Anwender in die Lage, beliebige Konstruktionen bereits in der Entwicklungsphase kaltrisssicher auszulegen. Dies erfolgt durch die Kopplung eines entwickelnden Kaltrisstools mit verbreiteten Simulationssystemen. Im Einzelnen wurden folgende Teilziele erreicht: 1. Entwicklung einer neuen Methode zur Bestimmung eines lokalen, quantitativen Kaltrisskriteriums unter Berücksichtigung von schweißtypischen Temperatur- Belastungs-Zeit-Bedingungen. 2. Entwicklung eines Kaltrisstools zur Vorhersage der Kaltrissigkeit. 3. Simulationen von Temperaturfeld, Gefüge, Spannungen, Dehnungen und Wasserstoffverteilungen 4. Kopplung des Kaltrisstools mit einem verbreiteten Simulationsprogramm zur rechnerischen Abschätzung der Kaltrisssicherheit lokaler Bereiche in der Schweißnaht. Im Vorhaben wurden laserstrahlgeschweißte Verbindungen von Rohren und Blechen aus den hochfesten Stählen 100Cr6 und HDT1200M untersucht. Aufbauend auf instrumentierten Schweißversuchen und der Ermittlung von temperatur- und gefügeabhängigen Werkstoffkennwerten einschließlich der Wasserstoffcharakteristik wurden systematische Simulationen des Temperaturfeldes, der Gefüge, der Spannungen und der Wasserstoffdiffusion durchgeführt. Mit einer entwickelten Methode zur Kaltrissprüfung der WEZ von Schweißverbindungen wurden Kombinationen der Kaltrisseinflussparameter Temperatur, Gefüge, Spannung und Wasserstoffkonzentration experimentell bestimmt und ein Kaltrisskriterium abgeleitet. Anschließend erfolgten die programmtechnische Umsetzung des Kaltrisstools und die Kopplung mit FE-Simulationen zur Bewertung der Kaltrissneigung anhand des Kriteriums. Die entwickelte Vorgehensweise wurde an zwei praxisrelevanten laserstrahlgeschweißten Funktionsmustern angewendet und validiert. Aus den im Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnissen wurde ein Werkzeug zur Bewertung der Kaltrisssicherheit entwickelt, das den Einsatz auch bei kleinen und mittelständischen Unternehmen ohne zusätzlichen Aufwand ermöglicht.

3 Forschungsergebnisse Zum Erreichen der Forschungsziele wurden experimentelle und numerische Arbeiten durchgeführt. Ergänzend zur Literaturdaten wurden die thermo-physikalischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie die werkstoffspezifischen Wasserstoffdiffusionseigenschaften für die Werkstoffe 100Cr6 und HADT1200M ermittelt. Die Daten bilden die Grundlage für die numerische Berechnung von Kaltrisseinflussfaktoren - Temperaturen, Gefüge, Spannungen und Wasserstoffdiffusion in Schweißverbindungen. Die Beschreibung des Umwandlungsverhaltens und des Endgefüges, insbesondere unter Laserstrahlschweißbedingungen, erfolgte durch Erstellung von Schweiß-ZTU-Schaubildern. Für die numerische Berechnungen des Gefüges, Spannungen, Dehnungen und Wasserstoffkonzentration in der Schweißverbindung wurde das FE-Programm Sysweld verwendet. Folgende Abbildung zeigt die Vorgehensweise der Berechnung: Werkstoffkennwerte Experimenttelle Validierung Simulationsmethodik zur Berechnung der Kaltriss-Einflussfaktoren in Schweißverbindungen Die Bestimmung eines Kaltrisskriteriums unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen den Kaltriss-Einflussparametern erfolgt experimentell mit einem erweiterten Simulations- und Prüfzentrum Gleebe Die Einflussparameter Wasserstoff, Gefüge und Spannung können gezielt unter realen schweißtypischen Bedingungen eingestellt werden. Die definierte Einstellung des Wasserstoffgehaltes in den Proben erfolgt durch eine weiterentwickelte Beladungsmethode aus der Gasatmosphäre in der Gleegle-Anlage. Die Proben werden auf eine definierte Beladungstemperatur in Wasserstoffatmosphäre erwärmt. Durch Variation der Wasserstoffatmosphärendrucks, Beladungstemperatur und Zeit stellen sich unterschiedliche Wasserstoffgehalte im Werkstoff ein. Direkt nach der Wasserstoffbeladung der Proben erfolgt die physikalische Simulation mit einem Schweißtemperaturzyklus. Die mit einem definierten Grad eingespannte Probe wird konduktiv mit sehr hohen Aufheizgeschwindigkeiten (> 1000 C/S) erwärmt und rasch abgekühlt. Die neu entwickelte Prüfmethodik ermöglicht die Nachbildung der lokalen Bedingungen beim Laserstrahlschweißen. Um Eigenspannungen in der Probe hervorzurufen, wird eine Messlänge während der Beaufschlagung mit dem Schweißtemperaturzyklus konstant gehalten. Die daraus resultierenden plastischen Dehnungen während der Erwärmung und der Abkühlung führen zur schweißtypischen Eigenspannungen. Für die Auswertung werden die technischen Spannungen in die Probemitte bezogen auf die Bruchfläche bzw. -querschnitt nach der Abkühlung berechnet. Folgende Abbildung zeigt den Versuchsaufbau mit H- Beladungsvorrichtung in der Arbeitskammer der Gleeble 3500.

4 Versuchsaufbau mit der H-Beladungsvorrichtung Eine exemplarische Zusammenfassung des so ermittelten Kaltrisskriteriums für 100Cr6 bei einer Risstemperatur von 22 C zeigt folgende Abbildung: Kaltrisskriterium als Funktion der Maximaltemperatur, t 8/5 -Zeiten und Wasserstoffgehalt, Risstemperatur=22 C Zur Bewertung der numerisch berechneten Kaltrisseinflussfaktoren wurde ein Kaltrisssimulationstool entwickelt. Das Tool koppelt das Kaltrisskriterium mit der FE-Simulation über Schnittstellen (ASCII- Dateien) und liefert für jeden Knoten des FE-Modells eine Bewertung der Kaltrisswahrscheinlichkeit. Die Ergebnisse der Bewertung kann im Postprozessor des FE-Programs visualisiert werden. Folgende Abbildung veranschaulicht die Vorgehensweise der Kopplung zwischen Kaltrisskriterium und FE-Simulation.

5 Kopplung des Kaltrisstools mit der FE-Simulation und des Kaltrisskriteriums (schematisch) Die herausgearbeitete Vorgehensweise mit den Modellen für die Simulation wurden an Musterbauteilen erfolgreich erprobt. Die Instrumentierung der Validationsschweißversuche zeigt folgende Abbildung. Instrumentierter Schweißversuch am Funktionsmuster aus 100Cr6 Eine exemplarische Darstellung der Ergebnisse der numerischen Simulation von Kaltrisseinflussfaktoren und die Kaltrissbewertung mit dem Kaltrisstools zeigt folgende Abbildungen.

6 Kaltrisseinflussparameter bei Rissauftritt und Kaltrissbewertung Kaltrissbewertung mit dem Kaltrisstools Das IGF-Vorhaben BG / DVS-Nr. I2.004 der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.v. des DVS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.