Einfluss der Schmelzbadform auf die Kristallisation

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1 Einfluss der Schmelzbadform auf die Kristallisation M. Zinke, M. Streitenberger, Fink, C., S. Jüttner Workshop Lichtbogenphysik Magdeburg, INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK Lehrstuhl Fügetechnik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universitätsplatz Magdeburg iwf@uni-magdeburg.de ANSPRECHPARTNER Dr. Ing. Manuela Zinke Tel. 0391/ Fax 0391/ manuela.zinke@ovgu.de Datum: Folien-Nr. 1

2 Vorgänge bei der Kristallisation von Schmelzbädern - Ungleichgewichtserstarrung - Primärkristallisation Keimbildung eines Kristalls Kristallwachstum Mehrstoffsystem - Vorgänge an der Erstarrungsfront Diffusion Abkühlgeschwindigkeit konstitutionelle Unterkühlung Mikroseigerung Kristallisationsformen TiN im WIG-Schweißgut von Rene 80 - Sekundärkristallisation Rekristallisation Phasenumwandlung / Ausscheidungen Folien-Nr. 2

3 Ungleichgewichtserstarrung Typisch beim Schweißen : Ungleichgewichtserstarrung (α 2 α 4 ) Gleichgewichtserstarrung (α 2 α 4 ) Restschmelze erstarrt eutektisch, da α 4 sich von der Ausgangszusammensetzung der Legierung signifikant unterscheidet vollständige Erstarrung des Schweißgutes tritt bei einer niedrigeren, d.h. eutektischen Temperatur auf niedrigschmelzende Phasen an den Korngrenzen werden als eine Ursache für die interkristalline Erstarrungsrissbildung angesehen beim Erstarren treten Entmischungsvorgänge auf, die bei Raumtemperatur als Mikroseigerungen im Schweißgut nachweisbar sind Folien-Nr. 3

4 Konstitutionelle Unterkühlung Schweißrichtung Mushy-Zone Ursache: Konstitutionelle Unterkühlung der Schmelze konstitutionell unterkühlter Bereich Kurz, Fisher, während des Erstarrens wird keine vollständige Durchmischung der Schmelze erreicht Ausbildung einer Grenzschicht vor der Erstarrungsfront mit dem Konzentrationsprofil C L Erhöhung von T liq vor der Erstarrungsfront der real auftretende Temperaturverlauf T q wird jedoch durch die Abkühlbedingungen bestimmt ist der Gradient G von T q signifikant kleiner als der Gradient von T liq, befindet sich die Schmelze vor der Erstarrungsfront in einem konstitutionell unterkühlten Zustand Folien-Nr. 4

5 Schmelzbadstruktur Zone des teilweisen geschmolzenes Materials (partially melted material): besteht aus festen und teilweise geschmolzenen Körnern (S) und intergranularer Flüssigkeit (L) Mushy-Zone: besteht aus festen Dendriten (S) und interdendritischer Flüssigkeit (L) Nahtmitte (CL) Schmelzlinie (FL) Mikrostruktur an der Schweißbadgrenze einer Al- Legierung (a) Phasendiagramm (b) (c) thermische Zyklen Mikrostruktur der festen Phasen und Flüssigkeiten rund um das Schmelzbad. Kou, S.: Welding Metallurgy (2003). Folien-Nr. 5

6 Zunehmende konstitutionelle Unterkühlung Erstarrungsarten Erstarrungsverhalten des Schmelzbades Mikrostruktur Größe und Form der Körner, Seigerungen, Verteilung der Einschlüsse, Porosität, mechanische Werte planar Konstitutionelle Unterkühlung Zeit zellular Stängelig (columnar) dendritisch gleichachsig (equiaxed) dendritisch Heterogene Keimbildung Equiaxiale Kornbildung Größe der Dendriten Kou, S.: Welding Metallurgy (2003). Flemings, M. C., Solidification Processing, McGraw-Hill, New York, Folien-Nr. 6

7 Wachstumsrate R und Temperaturgradient G sehr geringe Wachstumsrate R FL an der Schmelzlinie Zunahme in Richtung der Mittellinie (R CL ) maximale Temperatur (T max ) in der Schmelzbadmitte sinkt in Richtung der Schmelzlinie höchster Temperaturgradient an der Schmelzlinie (G FL ) und geringster in der Mitte (G CL ), da das Schmelzbad länglich ist Starke Veränderung der Mikrostruktur der Schweißnaht vom Nahtrand zur Nahtmitte! Schweißgeschwindigkeit, V Nahtmitte (CL) Weil G CL << G FL, Und R CL >> R FL Variation des Temperaturgradienten G und der Wachstumsrate R entlang der Schmelzlinie (FL) Schmelzlinie (FL) G R CL << G R FL Kou, S.: Welding Metallurgy (2003). Folien-Nr. 7

8 Veränderungen im Wachstumsmodus beim Schweißen Das Verhältnis G/R nimmt von der Schmelzlinie in Richtung der Nahtmitte ab. Nahtmitte Schweißbad Rückfront des Schmelzbades equiaxed dendritisch stängelig dendritisch zellular Änderung der Art der Erstarrung ausgehend von der Schmelzlinie: planar zellular stängelig dendritisch gleichachsig dendritisch Die Körner wachsen ausgehend von der planaren Erstarrung entlang der einfachsten Wachstumsrichtung <100> der Körner im Grundwerkstoff dendritisch zellular Schmelzlinie planar Grundwerkstoff Schweißgut planar Grundwerkstoff Veränderung des Wachstumsmodus entlang der Schmelzzone Lasergeschweißte X10NiCrSiLa38-22 Kou, S.: Welding Metallurgy (2003). Folien-Nr. 8

9 Einfluss der Schweißparameter auf die heterogene Keimbildung Wärmeeinbringung Schweißgeschwindigkeit Menge an gleichachsigen Körnern Kou, S.: Welding Metallurgy (2003). Folien-Nr. 9

10 Schweißbadform und Kornstruktur Das Schmelzbad ist charakterisiert durch: - elliptische Form bei niedrigen Schweißgeschwindigkeiten - Tropfenform bei hohen Schweißgeschwindigkeiten Geringe Wärmeeinbringung und Schweißgeschwindigkeit Schweißrichtung Hohe Wärmeeinbringung und Schweißgeschwindigkeit elliptisches Schmelzbad mit regelloser Kristallisationsfront spitzes Schmelzbad mit Nahtmittenkorngrenze spitzes Schmelzbad mit homogener axialer Keimbildung Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf Form und Kornstruktur im Schweißgut Anmerkung: Es wird von homogenen axialen Körner in Al-Legierungen, austenitischen rostfreien Stählen und Iridium-Legierungen berichtet. Folien-Nr. 10

11 Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Kornstruktur (WIG) stängelartige Körner I S = 70 A U S = 11 V v S = 5,08 mm/s G/R = 5,1 s/mm 2 Schweißrichtung I S = 100 A U S = 11 V v S = 12,7 mm/s G/R = 1,6 s/mm 2 axiale Körner I S = 120 A U S = 11 V v S = 12,7 mm/s G/R = 1,1 s/mm 2 WIG an 6061 Al-Legierung Kou, S.; Le, Y.: Welding Parameters and the Grain Structure of Weld Metal A Thermodynamic Consideration. Metall. Trans., 19A (1988). Folien-Nr. 11

12 Kontrolle der Kornstruktur beim Schweißen Die Schweißnahtstruktur beeinflusst signifikant die mechanischen Eigenschaften und die Rissbildung. Ähnlich wie beim Gießen sind eine Kornfeinung und eine Änderung der Kornstruktur vorteilhaft. Dafür können folgende Techniken genutzt werden: Impfen Pendeln des Lichtbogens Pulsen des Lichtbogens stimulierte Keimbildung an der Oberfläche Manipulation der stängelartigen Dendriten Schwerkraft Folien-Nr. 12

13 Impfen Ähnlich wie beim Gießen werden Impfmittel in das flüssige Schweißgut gegeben, um die heterogene Keimbildung zu fördern, so dass sehr feine gleichachsige Körner entstehen! Möglichkeiten: 1) Ti-Karbidpulver und Ferrotitanium-Titan- Karbid-Mischung, genutzt beim UP- Schweißen eines unlegierten Stahles 2) Titan genutzt beim UP-Schweißen eines nichtrostenden C-Mn-Stahles und beim WIG- Schweißen von Al-Li-Cu-Legierungen. 3) Titan und Zirkonium genutzt beim Schweißen von Aluminium. 4) Aluminiumnitride, genutzt in Cr-Ni-haltigen Fe-Basis-Legierungen Heintze, G.N.; Mc Pherson, J.C.: Int. Weld. Res. Suppl. März (1986). Einfluss des Impfens auf die Kornstruktur beim UP-Schweißen eines C-Mn-Stahles (A) ohne Impfen (B) Impfen mit Titan Folien-Nr. 13

14 Verrühren des Schmelzbades beim WIG-Blindnahtschweißen Anordnung eines parallel zur W-Elektrode wirkenden magnetischen Wechselfeldes Senkung der Schweißbadtemperatur in Verbindung mit Impfzusätzen können mehr heterogene Keime überleben stängelartige Körner ohne Rühren stängelartige Körner feine gleichachsige Körner Mit Rühren Schema der Anwendung eines externen magnetischen Feldes beim WIG-Blindnahtschweißen Folien-Nr. 14 Einfluss des elektromagnetischens Rührens des Schmelzbades auf die Kornstruktur in WIG-Blindnähten am ferritischen Cr-Stahl X6CrTi12 J. C. Villafuerte, J.C.; Kerr, H. W.: Electromagnetic Stirring and Grain Refinement in Stainless Steel GTA Welds. Weld. Res. Suppl. Jan.(1990).

15 Pendeln des Lichtbogens Möglich durch: 1) Magnetisches Pendeln des Lichtbogens mit einer einzigen oder mehreren Magnetsonden 2) Mechanisches Vibrieren des Schweißbrenners Kornfeinung durch Kornzersplitterung und heterogener Keimbildung WIG-Brenner Oszillierender Lichtbogen Schweißbad Schema des Lichtbogenpendelns Schwingungsamplitude des Lichtbogens Davis, G.J.; Garland, J.G.: Int. Metal Rev. 20 (196) (1975). Korngröße Folien-Nr. 15

16 Manipulation der stängelartigen Körner Die Orientierung der stängelartigen Körner kann beeinflusst werden durch eine niedrige Frequenz beim Pendeln des Lichtbogen (~ 1 Hz)! a b (a) Querlaufende LiBo-Pendeln (alloy 2014) (b) Kreisförmige LiBo Pendeln (alloy 5052) Kou, S.; Le, Y.: Metall. Trans., 16A (1985). Folien-Nr. 16

17 Pulsen des Lichtbogens Durch Nutzung spezieller Pulsverläufe des Schweiß-stroms AC-MIG-ILB-Schweißen Auftreten einer Unterkühlung des Metalls beim AC-MIG-ILB-Schweißen Kornfeinung infolge der Bildung von Oberflächenkeimen und/oder heterogenen Keimen Zuhilfenahme von Kornfeinern, wie 0,04 % Ti in AlMg1SiCu, fördern Gleichachsige Körner im ILB-Schweißgut von AlMg1SiCu Kou, S.: Welding Metallurgy (2003). Folien-Nr. 17

18 Einfluss von Lichtbogenpendeln und pulsen auf die Schweißgutstruktur a b c d (a) nicht gependelt oder gepulst (c) mit Lichtbogenpendeln (b) mit Lichtbogenpulsen (d) mit Lichtbogenpulsen und -pendeln Kou, S.: Welding Metallurgy (2003). Folien-Nr. 18

19 Stimulierte Keimbildung an der Oberfläche kühlendes Gas (z.b. Argon) Oberflächenkeime ein Strom von kühlendem Gas (z.b. Argon) wird direkt auf die freie Oberfläche des geschmolzenen Metalls gerichtet dies führt zur thermischen Unterkühlung und induziert eine Oberflächenkeimbildung an der Oberfläche bilden sich kleine erstarrte Keime und verteilen sich im flüssigem Metall diese Keime wachsen und werden dann zu kleinen gleichachsigen Körner M. E. Wells, W. E. Lukens : Effect of Forced Convection Heat Transfer on Weld Pools (1986). Folien-Nr. 19

20 Schwerkraft WIG-Schweißen unter Schwerkraft - erzeugt durch ein Zentrifugenschweißsystem beseitigt das schmale Band mit nichtdendritischen gleichachsigen Körner entlang der Schmelzbadgrenze Multi-Gravity Research Welding System (MGRWS) 1-G mit vorhandenem Equiaxed Bereich (EQZ) 10-G Schweißung mit beseitigtem Equiaxed Bereich (EQZ) Einfluss der Gravitation auf die Kornstruktur beim WIG-Schweißen einer 2090 Al-Li-Cu-Legierung Welding box Aidun, D.K.; Dean, J.P.: Effect of Enhanced Convection on the Microstructure of Al-Cu-Li Welds. Weld. Res. Suppl. (1999). Folien-Nr. 20

21 Einflussfaktoren auf die Erstarrungsrissbildung metallurgisch- und werkstoffbedingt chemische Zusammensetzung, Art der Primärerstarrung, niedrigschmelzende Eutektika, Seigerungen, Kornstruktur und größe, wärmephysikalische Eigenschaften, TIS, Ausdehnung der Mushy-Zone, verfahrensbedingt Wärmeeinbringen, Schweißparameter, -prozess, -zusatz, -hilfsstoff, Vorwärmund Zwischenlagentemperatur, Schweißfolge,... konstruktiv bedingt Bauteilform und -abmessungen im Verhältnis zur Schweißnaht, Einspannbedingungen, Schweißnahtlänge, Schweißlage (Wurzel,..) Folien-Nr. 21

22 Einfluss der Schmelzbadform auf die Heißrissbildung Kristallisation in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit (Warren F Savage 1980) hohe Schweißgeschwindigkeit Heißrissneigung nimmt zu niedrige Schweißgeschwindigkeit Heißrissneigung nimmt ab Kristallisation in Abhängigkeit vom Breiten/Tiefen-Verhältnis Kriterium B/T<1 Neigung zu Mittenrissen nimmt zu Kriterium B/T>1 Neigung zu Mittenrissen nimmt ab Folien-Nr. 22

23 AiF-Forschungsvorhaben Nr B / DVS-Nr ( ) Thema: Schweißmetallurgische Untersuchungen zum wärmereduzierten MAG- Verbindungsschweißen heißrissempfindlicher Ni-Basislegierungen Forschungsziele: Reduzierung des Auftretens niedrig schmelzender Phasen und von Bauteilverformungen Heißrissbeständigkeit Verbesserung der Tropfenablösung Spritzerneigung Gewährleistung einer guten Benetzung Bindefehler und Lagenüberschweißbarkeit Intermetallische Phasen Heißrisse Bindefehler 20 µm 200 µm 2 mm Folien-Nr. 23

24 MSG-Auftragraupen (Vergleichsschweißungen) (Draht- : 1,0 mm v Dr = 6,0 m/min v S = 40 cm/min) ILB-Prozess I m = 113 A, U m = 27,3 V, E m = 4,7 kj/cm I eff = 144 A, U eff = 27,5 V, E eff = 6,0 kj/cm CMT-Prozess B/T-Verhältnis: 15,5 L/B-Verhältnis: 1,5 I m = 99 A, U m = 14,7 V, E m = 2,2 kj/cm I eff = 126 A, U eff = 20,3 V, E eff = 3,8 kj/cm B/T-Verhältnis: 6,3 L/B-Verhältnis: 1,9 Folien-Nr. 24

25 Planschliff Längsschliff Längs- und Planschliffe in der Nahtmitte ILB-Prozess DAS = ca. 7 µm CMT-Prozess DAS = ca. 4 µm Folien-Nr. 25

26 Vermessen der Abstände der Sekundärdendriten DAS = L N V Dendritenarmabstand DAS = Abstand zwischen den Sekundärarmen der Dendriten L = Messlänge N = Anzahl der Sekundärdendriten V = Vergrößerung Folien-Nr. 26

27 Prinzip des Programmierten Verformungsriss-Tests (PVR) v PVR [mm/min] v max v kr1 = a L 1.HR /v S v kr Zeit [min] L 1.HR 1. Heißriss v PVR v S Ort des 1. Heißrisses entspricht der kritischen Verformungsgeschwindigkeit v kr v PVR : linear zunehmende Zuggeschwindigkeit [mm/min] v max : maximale Zuggeschwindigkeit [mm/min] v kr : kritische Zuggeschwindigkeit [mm/min] v s : Schweißgeschwindigkeit [cm/min] a : Beschleunigung Folien-Nr. 27

28 MSG-Auftragraupen auf NiCr22Mo9Nb (2.4856, alloy 625) Draht- : 1,0 mm v Dr = 6,0 m/min v S = 40 cm/min CMT-Prozess 1. Riss bei 180 mm A.IV mm ILB-Prozess 1. Riss bei 76 mm A.II mm Konstante Einstellwerte: v max = 120 mm/min v Dr = 6,0 m/min v S = 40 cm/min Schweißzusatz S Ni 6625 (2.4831) Schutzgas 30% He, 2% H 2, 550ppm CO 2, Rest Ar Messwerte (HKS-System) MW aus 3 Proben Prozess v Dr * [m/min] E eff * [kj/cm] E m * [kj/cm] CMT 5,8-6,3 2,2-2,3 3,8-3,9 ILB 6,1 4,6-4,9 6,0-6,2 Folien-Nr. 28

29 MAG-Auftragraupen auf NiCr22Mo9Nb (2.4856, alloy 625) Draht- : 1,0 mm v Dr = variabel v S = 70 cm/min CMT-Prozess A.IV mm Keine Risse unabhängig vom Verfahren aufgrund der höheren Schweißgeschwindigkeit! ILB-Prozess A.II mm Konstante Einstellwerte: v max = 120 mm/min v S = 70 cm/min Nahtbreite = annährend konstant Schweißzusatz S Ni 6625 (2.4831) Schutzgas 30% He, 2% H 2, 550ppm CO 2, Rest Ar Messwerte (HKS-System) 1 Probe Prozess v Dr * [m/min] E eff * [kj/cm] E m * [kj/cm] CMT 12,2 3,3 4,0 ILB 6,7 4,1 4,5 Folien-Nr. 29

30 v S = 70 cm/min v S = 40 cm/min Auswertung der Mikroschliffe der PVR-Proben CMT (A.IV.2.1) v Dr-m 5,8 m/min E eff 2,2 kj/cm E m 3,9 kj/cm ca. 2,3 kg/h P ab ILB (A.II.3.4) v Dr 6,1 m/min E eff 4,9 kj/cm E m 6,2 kj/cm P ab ca. 2,4 kg/h CMT (A.IV.4.1) v Dr-m 12,2 m/min E eff 3,3 kj/cm E m 4,0 kj/cm ca. 4,8 kg/h P ab ILB (A.II.4.1) v Dr 6,7 m/min E eff 4,1 kj/cm E m 4,5 kj/cm P ab ca. 2,7 kg/h Prozess Einbrandtiefe [mm] Nahtüberhöhung [mm] Schweißgutfläche [mm 2 ] Nahtbreite [mm] A.IV.2.1 0,4 1,8 10,8 6,7 A.II.3.4 1,7 1,8 18,5 10,3 A.IV.4.1 1,6 2,0 18,2 9,6 A.II.4.1 1,1 1,3 11,1 9,0 Folien-Nr. 30

31 MSG-Verbindungsschweißen von NiCr22Mo9Nb (2.4856, alloy 625) ILB-Prozess CMT-Prozess E m /E eff = 6,5/7,3 kj/cm E m /E eff = 3,0/4,4 kj/cm Auswertung von Querschliffen Grundwerkstoff Schweiß- zusatz s [mm] Ø [mm] CMT ILB alloy 625 S Ni ,0 1 / - 1 / - Anzahl Risse / Anzahl Bindefehler (in den entnommenen je 4-6 Querschliffen) Folien-Nr. 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folien-Nr. 32