In-situ Synchrotron-Beugungsuntersuchungen der Umwandlungskinetik und der Dehnungsentwicklung beim Lichtbogenschweißen

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1 Dr.-Ing. Jens Gibmeier In-situ Synchrotron-Beugungsuntersuchungen der Umwandlungskinetik und der Dehnungsentwicklung beim Lichtbogenschweißen J. Gibmeier (1), V. Kostov (1), J. Altenkirch (1), A. Kromm (2), T. Kannengießer (2), S. Doyle (3), A. Wanner (1) (1), KIT (3) BAM, Berlin (3) Institut für Synchrotronstrahlung, KIT INSTITUT FÜR WERKSTOFFKUNDE I KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Übersicht Motivation Experimente Ofenexperiment (Vorderstrahlbereich) In-situ Schweißexperiment (Rückstrahlbereich) Resultate In-situ Phasenanalyse In-situ Spannungsmessung Zusammenfassung

2 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Prozeßintegrierte Charakterisierung mit Röntgenmethoden im (PinCh) Statische und dynamische Festigkeit und Bauteillebensdauer maximieren In-situ Untersuchungen thermo-mechanischer und thermo-chemischer Vorgänge Herstellung / Bearbeitung Kurzzeitwärmebehandlung Laserhärten Lichtbogenschweißen PinCh In-situ XRD Synchrotrontechnologie Prozeßoptimierung optimierung Verbesserung der Simulation Notwendigkeit der Etablierung eines geeigneten Messaufbaus zur Echtzeituntersuchung von Phasenumwandlungen und der lokalen Dehnungsentwicklung während eines schnell ablaufenden Prozesses Neuartige Schweißzusatzwerkstoffe Neue LTT-Werkstoffe (BAM) LTT C Alloy elements (wt%) Ni Cr Mn Si Ms ( ) Prinzip: spätes Einsetzen der Martensitumwandlung hohe M S geringe Warmfestigkeit Umwandlungsspannungen (Martensitumwandlung) werden durch plastische Verformung kompensiert hohe Zugeigenspannungen bei RT geringe M S hohe Warmfestigkeit Umwandlungsspannungen werden durch rein elastische Verformungen kompensiert reduzierte Eigenspannungen bei RT Steven, W. and A.G. Haynes, JISI, : p

3 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Motivation LTT C Ni Alloy elements (wt%) Laborröntgenmessungen Cr Mn Si Ms ( ) [1] WEZ WEZ PDIFF@ANKA multi-purpose X-ray diffraction beamline for high angularresolution scattering experiments Source: 1.5 T bending magnet Si-111 double crystal monochromator with sagittally-focusing second crystal. Flux at the sample 1.0 photons/s/mm 2 at 9 kev (calculated on basis of a 0 ma beam current and a 0,1% bandwidth)

4 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Experiment - Aufbau WDXRD WDXRD in Reflektionsgeometrie λ = 1,1827 Å (.483 kev) Mythen Si-Detektoren (1D) max. Zählrate: 4 Hz 2Θ-Bereich von ±6 bei 300 mm In-situ Ofenexp. (Vorderstrahl / Ofen um 45 gekippt): α-fe: 211 (2Θ~59 ) and 321 (2Θ~98 ) γ-fe: 220 (2Θ~54 ) and 420 (2Θ~92 ) In-situ Schweißen (Rückstrahl / Probe um 35 gekippt): α-fe: 332 (2Θ~150 ) γ-fe: 531 (2Θ~155 ) V. Kostov, J. Gibmeier, S. Doyle and A. Wanner: Proceedings Thermec 09, Berlin Experiment - Aufbau WDXRD Quelle: Paul-Scherrer-Institut, CH-Villingen)

5 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Experiment - Aufbau WDXRD WDXRD in Reflektionsgeometrie λ = 1,1827 Å (.483 kev) Mythen Si-Detektoren (1D) max. Zählrate: 4 Hz 2Θ-Bereich von ±6 bei 300 mm In-situ Ofenexp. (Vorderstrahl / Ofen um 45 gekippt): α-fe: 211 (2Θ~59 ) and 321 (2Θ~98 ) γ-fe: 220 (2Θ~54 ) and 420 (2Θ~92 ) In-situ Schweißen (Rückstrahl / Probe um 35 gekippt): α-fe: 332 (2Θ~150 ) γ-fe: 531 (2Θ~155 ) V. Kostov, J. Gibmeier, S. Doyle and A. Wanner: Proceedings Thermec 09, Berlin Experiment - Aufbau WDXRD In-situ Schweißexperiment experiment Portable Schweißvorrichtg. S690 Trägerplatte mit LTT-Naht GTAW mit: 80 A und 26 V 80 mm/min Argon Schutzgas Thermokamera (im Labor)

6 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Experiment - Aufbau WDXRD In-situ Schweißexperiment experiment Probe statisch Schweißwerkzeug beweglich 65 mm Verfahrweg Bewegung der Probe um Δz LTT S θ In-situ Aufbau für WDXRD (Reflexionsgeometrie) Resultate - Ofenexperimente Analyse der Phasenumwandlung ANKA) In-situ Ofen 2Hz Vorderstrahlbereich PS 0.25 mm²

7 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Resultate - Ofenexperimente Analyse der Phasenumwandlung ANKA) In-situ Ofen 2 Hz Vorderstrahlbereich PS 0.25mm² Resultate - Schweißexperimente experimente Analyse der Dehnungsentwicklung ANKA) Spezialfall der sin²ψ Methode Kippwinkel ψ 0 und ψ 1 für gleiche {hkl} Ebene simultan aufgenommen 2Θ sin²ψ Graph während einer Beugungsaufnahme V. Kostov, J. Gibmeier, S. Doyle and A. Wanner: Proceedings Thermec 09, Berlin

8 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Resultate - Schweißexperimente experimente Analyse der Dehnungsentwicklung ANKA) 900 In-situ Schweiß- 8wt% Ni experiment 1 Hz Rückstrahlbereich 7 mm {332} {531} Temperature ( C) PS 0.25 mm² 0 {332} {531} 8wt% Ni Resultate - Schweißexperimente experimente α-fe {322} α-fe {322} Meßrate von 4Hz für beide Detektoren Lageverschiebungen der Beugungslinien als Indikator für die lokale Wärmeeinbringung

9 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Resultate - Schweißexperimente experimente Analyse der Dehnungsentwicklung ANKA) Aufheizen 2theta theta wt% Ni {332} α-fe 2Θ* RT 2Θ* i sin²ψ* sin²psi Abkühlen RT s 56s s 70s 80s 149 0s 150s s 500s 148 8wt% Ni {332} α-fe sin²ψ* sin²psi 1s 5s 9s 11s 13s 15s 17s 19s 21s 2Θ i * 2Θ i Annahme: zweiachsiger, oberflächenparalleler Spannungszustand: σ i3 = 0 Spannungs-/Dehnungsfreie Richtung: { hkl} 2 * 2s1 sin ψ = 1 { hkl} s2 2 Thermische Dehnung: { hkl} 1 *, RT * * ε th = cot ΘRT (2Θ i 2Θ i 2 Elastische Dehnung: ε { hkl} 1 * el, i i * = cot Θi (2Θi 2Θ ) 2 ) Zusammenfassung Experimenteller Aufbau für sehr schnelle in-situ Analysen (realisiert: Messraten von bis zu 4 Hz an Stählen) der Umwandlungskinetik und der lokalen Dehnungsentwicklung Unterscheidung zwischen thermischen und elastischen Dehnungen ist möglich Übertragung des Aufbaus auf Beamlines, die einen deutlich höheren Photonenfluss aufweisen, erlaubt deutlich höhere Messraten

10 Dr.-Ing. Jens Gibmeier Danksagung BMBF für Finanzierung des Projektes PinCh Prozessintegrierte Charakterisierung mit Röntgenmethoden im DFG für Finanzierung des Projektes Einfluss der Phasenumwandlung auf die Eigenspannungsausbildung beim Schweißen neuartiger LTT-Zusatzwerkstoffe ANKA für Messzeit durch Proposal MR-60 und S. Doyle für die Unterstützung