Experimentelle Schweißgutsimulation mit Hilfe der Button Melt Methodik

Transkript

1 Experimentelle Schweißgutsimulation mit Hilfe der Button Melt Methodik FOSTA-Projekt: Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage für das Schweißen hochmanganhaltiger Stähle in Mischverbindung B. Wittig, M. Zinke, S. Jüttner INSTITUT FÜR WERKSTOFF- UND FÜGETECHNIK Lehrstuhl Fügetechnik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universitätsplatz Magdeburg iwf@uni-magdeburg.de MDZWP Forschungsseminar Magdeburg,

2 Vortragsgliederung 1. Ausgangssituation 2. Forschungsansatz 3. Button Melt Methodik 4. Ausgewählte Ergebnisse 5. Zusammenfassung 2

3 Ausgangssituation hohes Einsatzpotential hochmanganhaltiger Stähle (FeMn-Stähle) durch hohe Festigkeiten bei gleichzeitig guter Umformbarkeit austenitische hochmanganhaltige Stähle in Mischverbindung mit ferritischen und martensitischen Fügepartnern für den Einsatz im automobilen Leichtbau Herausforderungen beim Schweißen hochmanganhaltiger Stähle in Mischverbindung: Entstehung von Martensit im Mischschweißgut Gefahr eines spröden Versagens im Belastungsfall Querschliff einer MSG-Mischverbindung aus FeMn-Stahl und dem ferritischen Stahl HX340 bei Einsatz einer hochmanganhaltigen Fülldrahtelektrode (G Mn 19); UCI-Härtemessung mit max. Härte > 450 HV0,2 im Schweißgut 3

4 Ausgangsituation Herausforderungen beim Schweißen hochmanganhaltiger Stähle in Mischverbindung: keine zuverlässige Schweißgutvorhersage mit aktuell verfügbaren Konstitutionsschaubildern (Schaeffler-, WRC1992-Diagramm etc.) aufgrund der unzureichenden Berücksichtigung des Einflusses des hohen Mangangehaltes möglich FeMn-Stahl Schaeffler-Diagramm (entwickelt für E-Handschweißen von Cr-, CrNi- und CrMo-Stählen) Ni-Äquivalent = % Ni + 30 % C + 0,5 % Mn + 30 % N ZWS Cr-Äquivalent = % Cr + % Mo + 1,5 % Si + 0,5 % Nb austenitische FeMn-Stähle Anwendungsgrenzen: ferritische Stähle C < 0,2 Gew.-% HX340LAD 10% Mn 4% Mn 1% Mn Zusatzwerkstoff nach Kotecki, D. J. Mo < 3,0 Gew.-% Si < 1,0 Gew.-% Mn < 4,0 Gew.-% Nb < 1,0 Gew.-% Entwicklung eines geeigneten Konstitutionsschaubildes zur zuverlässigen Gefügevorhersage 4

5 Forschungsansatz Experimentelle Simulation von Schweißgütern in Mischverbindungen mittels der Button Melt Methodik Aufbau und Optimierung einer Umschmelzmethodik zur Simulation von Schweißgutgefüge und deren Eigenschaften Vermeidung zeitintensiver und teurer Prozesse zur iterativen Herstellung von Schweißnähten genaue Einstellung der Aufmischung Simulation von Mischschweißgut unter Variation von Werkstoffkombination und Aufmischung Untersuchung der Mischschweißgüter hinsichtlich der Phasenanteile Ausgang Schutzgas Schweißstromquelle Lichtbogenhandschweißen Schweißstromquelle Eingang Schutzgas Schema der Umschmelzmethodik (Button Melt Methodik) nach Gould, 2010 Wasserkühlung 5

6 Button Melt Methodik Funktionen des Lichtbogenofens: Herstellung von Legierungen im Labormaßstab Probenumschmelzung mittels WIG-Lichtbogen in wassergekühltem Cu-Tiegel unter Schutzgasatmosphäre (Argon 4.6) Schmelzmengen: ca g Temperatur bis zu 3500 C Kleine Schmelzkammer schnelle Evakuierung und geringer Gasverbrauch Frei bewegliche, wassergekühlte Elektrode Schmelzkammer und WIG-Lichtbogen Lichtbogenofen MAM-1 (Fa. Edmund Bühler) 6

7 Ablauf der Umschmelzmethodik Auswahl der Werkstoffkombination und des Mischungsverhältnisses Zusammenstellung der entsprechenden Ausgangsproben Entfernen der Walzhaut, Reinigen der Proben und des Tiegels 10 mm Bestücken des Tiegels Bestückter Tiegel Mehrmaliges Evakuieren und Spülen der Schutzgaskammer Beidseitiges Umschmelzen mit WIG-Lichtbogen Abkühlen der Umschmelzproben in Schutzgaskammer Umschmelzprobe ( Button ) Untersuchung der Proben Button unterschiedlicher Größe und Gewichts 7

8 Temperatur [ C] Optimierung der Button Melt Methodik Realisierung schweißadäquater Abkühlbedingungen Anpassung der Tiegelform Vergleich der Abkühlkurven der Button im Arc Melter Rund-Button Oval-Button tiefe Mulde,,Oval-Button flache Mulde,,Rund-Button Vergrößerung der Kontaktfläche Reduzierung der Abkühlzeit 0 0 t 12/8 t 8/ Zeit [s] (repräsentative Abkühlkurven) Prozess Button Melt MSG Probenform Rund Oval Schweißnaht t 12/8 [s] t 8/5 [s]

9 Ni-Äq. Ermittlung der Gefügegebiete Vorgehensweise zur Herstellung simulierten Schweißgutes in verschiedenen Werkstoffkombinationen und Mischungsverhältnissen mittels der Button Melt Methodik FeMn-Stahl 10% / 90% 20% /80% 30% / 70% 40% / 60% 50% / 50% 60% / 40% 70% / 30% 80% / 20% 90% / 10% HC340LA austenitischer FeMn-Stahl ferritischer Stahl Zusatzwerkstoff 40% 20% G 18 8 Mn Ferrit FeMn SG GW ZWS 30% 10% + = 50% 50% + = 75% 25% + = 25% 75% 10% 20% 30% + 90% = + = 80% + = 70% SG Cr-Äq. Ferrit/Austenit Mischungsverhältnis Beispiel für die Vorgehensweise zur Bestimmung der Austenit-/Martensitgrenze durch Realisierung von Mischschweißgut mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen SG - Schweißgut GW - Grundwerkstoff ZWS - Zusatzwerkstoff 9

10 HV10 FN HV10 Auswertung der Umschmelzproben an einem ausgewählten Beispiel Bestimmung der Härte (HV10) und Ferritnummer (FN) als ein Hinweis auf das Vorhandsein von Martensit im Schweißgut Querschliffentnahme und Anordnung der Härtemessreihen HV Härte (HV10) Ferritnummer (FN) ausgewählte Werkstoffkombination am Beispiel von X40MnCrAl19-2 und HC340LA Aufmischung (Gew.-% HC340LA) 10

11 Ätzungen: Klemm I Auswertung der Umschmelzproben an einem ausgewählten Beispiel austenitisches Umschmelzgefüge bis 20% ferritischen Fügepartner ab ca. 30% HC340 beginnende Martensitbildung bänderartige Struktur kaum Ferromagnetismus Vermutung: ε-martensit 0% HC HV10; 0 FN 30% HC HV10; 0,5 FN 11

12 Ätzungen: Klemm I Auswertung der Umschmelzproben an einem ausgewählten Beispiel Veränderung der Gefügestruktur in Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses martensitisches Gefüge 60% HC HV10; 83 FN bainitisch/ferritisches Gefüge 100% HC HV10; 128 FN 12

13 FN / Martensitanteil [%] HV10 Ergebnisse Gefüge- und Eigenschaftsanalyse Bestimmung des Phasenanteils von Martensit durch manuelles Punktauszählen (ISO 9024) Ermittlung der Zusammenhangs von Martensitanteil, FN und Härte als eine Funktion der Aufmischung Härte HV 10 Ferritnummer FN Martensitanteil manuelles Punktauszählen Aufmischung (Gew.-% HC340LA) 0 ausgewählte Werkstoffkombination am Beispiel von X40MnCrAl19-2 und HC340LA 13

14 Zusammenfassung vielfältige Einsatzmöglichkeit zur experimentellen Simulation von Schweißgütern mittels der Button Melt Methodik Realisierung schweißadäquater Aufheiz- und Abkühlbedingungen Untersuchung der Schweißgüter hinsichtlich unerwünschter Gefügearten, Ausscheidungen, Einschlüsse, etc. schnelle Abschätzung möglicher Schwierigkeiten beim Erzeugen neuartiger Mischverbindungen zielgerichtete Untersuchung von metallurgischen Gegenmaßnahmen Zusatzwerkstoffentwicklung einfache Zugabe von Legierungselementen in beliebigen Mengen kostenintensive und iterative Sonderanfertigung von Zusatzwerkstoffen entfällt zielgerichtete Untersuchung von technologischen Gegenmaßnahmen Schweißtechnologieentwicklung Vermeidung kritischer Aufmischungsverhältnisse 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Das IGF-Vorhaben BR der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v. FOSTA, Sohnstraße 65, Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.