In-situ Synchrotronanalyse des Umwandlungsverhaltens und der Eigenspannungen beim Schweißen neuartiger Low Transformation Temperature Zusatzwerkstoffe

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1 Festkolloquium - Univ. Prof. Dr.-Ing. H. Wohlfahrt In-situ Synchrotronanalyse des Umwandlungsverhaltens und der Eigenspannungen beim Schweißen neuartiger Low Transformation Temperature Zusatzwerkstoffe Thomas Kannengießer Arne Kromm

2 Inhalt Einführung Bedeutung der Phasenumwandlung für die Schweißeigenspannungen Konzept der LTT-Zusatzwerkstoffe Ergebnisse Werkstoffcharakterisierung In-situ-Beugungsexperimente zum Umwandlungsverhalten Schweißeigenspannungen Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 2

3 Einleitung Bestehende Konstruktionen Verlängerung des Produktlebenszyklusses Zunahme an Reparaturmaßnahmen Neue Konstruktionen Leichtbau Werkstoffauswahl nach dem Prinzip Fitness for Purpose Zunahme der Beanspruchung gefügter Bauteile Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit gefügter Bauteile Innovation der Werkstoffe und der Zusatzwerkstoffe Innovation der Prüftechnik / Geschlossene Prüfkette Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 3

4 Einleitung Vorteile: dünnere Profile leichtere Strukturen reduzierte Kosten Dachkonstruktion des Sony Centers Berlin (S690) Ausleger eines Mobilkrans (S1100) Quelle: Liebherr GmbH Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 4

5 Schweißen hochfester Stähle Streckgrenze < 1000 MPa konv. verfügbare Zusatzwerkstoffe Streckgrenze > 1000 MPa undermatching Schweißnähte in niedriger beanspruchten Bereichen Materialkapazität unzureichend ausgenutzt niedriglegierte Zusätze kleines Arbeitsfenster hohe Fertigungsanforderungen hochlegierte Zusätze Vorteil: martensitische Phasenumwandlung bei niedrigen Temperaturen LTT-Zusätze Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 5

6 Bedeutung der Phasenumwandlung Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 6

7 Umwandlungsspannungen Modellvorstellungen nach Macherauch/Wohlfahrt zur Entstehung von Umwandlungsspannungen zeigen prinzipielle Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen Druckeigenspannungen Volumenexpansion bei niedrigen Temperaturen größer Spannungskompensation im Austenit gegenüber Ferrit größer Ohta et al. LTT erster praktischer Ansatz mit hochlegiertem Schweißzusatz M s -Temperaturkontrolle durch gezieltes Legieren Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 7

8 Low Transformation Temperature (LTT) Legierungen: hochlegierte Schweißzusatzwerkstoffe Martensit, d. h. M s > Raumtemperatur allein zur Eigenspannungsbeeinflussung in der Schweißnaht niedrige Zugeigenspannungen Druckeigenspannungen Definition LTT Chemische Zusammensetzung in Gew.-% C Cr Ni Si Mn Fe 0, ,3 0,7 Rest zahlreiche Untersuchungen: Rissverhalten, Schwingfestigkeit und Verzug Zusammenhang M s Schweißeigenspannungen weitgehend ungeklärt! Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 8

9 LTT-Legierungsmatrix Bezeichnung Chemische Zusammensetzung in Gew.-% C Cr Ni Si Mn Fe M s in C 1 Cr8Ni6 0, ,4 0,7 Rest 281 Cr8Ni8 0, ,4 0,7 Rest 247 Cr8Ni10 0, ,4 0,7 Rest 213 Cr8Ni12 0, ,4 0,7 Rest 179 Cr10Ni6 0, ,4 0,7 Rest 247 Cr10Ni8 0, ,4 0,7 Rest 213 Cr10Ni10 0, ,4 0,7 Rest 179 Cr10Ni12 0, ,4 0,7 Rest Steven und Haynes Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 9

10 Einsensor-Differenz-Thermoanalyse (SS-DTA: Single Sensor Differential Thermal Analysis) Ermittlung der M s -Temperaturen Messkurve: Referenzzyklus: T Mess (t) T Ref (t) = A e B t + C t M s = 15,8 s Differenz: T = T Ref -T Mess Auswertung: T = f(t) T = f(t) M s = 184 C Cr10Ni Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 10

11 Vergleich der M s -Temperaturen hoher Einfluss des Cr/Ni-Gehalts auf die M s -Temperaturen etwa lineare Abnahme von M s mit zunehmendem Ni-Gehalt gleichzeitig zunehmende Abweichung von der Vorhersage nur oberflächennahe Messung keine Aussage zur Qualität oder Quantität der beteiligten Phasen Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 11

12 LTT-Legierung Restaustenit zellulare, primär austenitische Erstarrung mit Martensit in den Zellkernen und Restaustenit in den interzellularen Bereichen Seigerung von Chrom und Nickel aufgrund der primär austenitischen Erstarrung Zellzwischenräume erstarren zuletzt aufgrund höherer Chromund Nickelgehalte Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 12

13 Mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit oberhalb 1000 MPa unabhängig von Legierungsgehalt abnehmende Dehngrenzen mit zunehmendem Ni-Gehalt zunehmende Zähigkeit mit zunehmendem Ni-Gehalt graduelle Eigenschaften können auf zunehmenden Restaustenitgehalt zurückgeführt werden Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 13

14 In-situ-Beugungsanalyse von Phasenumwandlungen Synchrotronstrahlung prädestiniert Analyse von mikrostrukturellen Änderungen und Phasenumwandlungen ortsauflösende Beugung zeitauflösende Beugung verschiedene Stähle (austenitisch, Duplex) und Titanlegierungen schmelzbadangrenzende Phasenmappings Primärerstarrungsart und Phasenumwandlungen winkeldispersive Beugung bei relativ geringen Photonenenergien (oberflächennah) LTT-Zusätze bisher nicht untersucht nur Grundwerkstoff und keine realen Schweißungen Abstand in mm Zeit in s Schmelzbad Abstand in mm Ferritanteil Beugungswinkel in Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 14

15 Energiedispersive Beugung n 2 d hkl sin hkl E h hc d( hkl) hc 2sin d 1 E( hkl) 1 const. E( hkl) EDDI Beamline Energiespektrum Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 15

16 BESSY II HZB Beamline EDDI Energie kev (Weißstrahl) Vielzahl von Beugungsslinien simultane Bestimmung phasenspezifischer Eigenspannungen aller kristallinen Phasen Eigenspannungstiefengradienten bis zu 150 µm (Stahl) Quelle: BESSY mbh Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 16

17 In-situ Schweißversuche Vorrichtung zum Schweißen: Brennervorschub (zeitaufgelöst) Probenvorschub (ortsaufgelöst) Temperaturverteilung mittels Thermokamera ermittelt Grundwerkstoff: S690; t = 6 mm Schweißgut: LTT-Zusätze; Auftragsschweißen, 4 Lagen Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 17

18 Versuchsaufbau an der Strahllinie EDDI Blende Detektor WIG- Brenner Blende gebeugter Strahl Primärstrahl Probe Schweiß- und Positioniereinheit Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 18

19 Probenform und Strahlengang S690QL Grundwerkstoff: S690QL LTT-Zusatz in mehreren Lagen aufgeschweißt WIG-Wiederaufschmelzung während des In-situ- Beugungsversuchs Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 19

20 Temperaturverteilung Mobiles Thermovisionssystem Optische Auflösung: 640 x 480 infrared pixel (300 µm) Temperaturbereich: -40 C to > 2000 C Therm. Auflösung: 1,5 K (0-100 C) / 2% (>100 C) Messfrequenz: 0,25 Hz - 60 Hz Brennweite: 50 mm Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 20

21 Temperaturverteilung 7,5 mm WIG Brenner Lichtbogen Schmelzbad Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 21

22 Temperaturverteilung WIG Brenner Lichtbogen Schmelzbad Austenitisierung (680 C C) 7,5 mm Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 22

23 Temperaturverteilung 7,5 mm M s Temperatur (268 C) Austenitisierung (680 C C) Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 23

24 Temperaturverteilung 7,5 mm M s Temperatur (268 C) Austenitisierung (680 C C) Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 24

25 Martensitumwandlung Nickelgehalt: 8% 10% 12% M s Temperatur 268 C 125 C 71 C Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 25

26 M s -Temperaturen im Schweißgut M s = 268 C Cr10Ni8 gute Übereinstimmung zwischen Differenz-Thermoanalyse und Beugungsmessung mit höherem Legierungsgehalt zunehmende Abweichung durch Mikroseigerungsverhalten, Entmischung und Abbrand Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 26

27 Umwandlungsprofile 8% Ni 10% Ni 12% Ni Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 27

28 Phasengehalt Ermittlung mittels Methode der Intensitätsverhältnisse nach dem Ansatz von Laine 1 V I(hkl) - Integralintensität der jeweiligen Netzebene R ( hkl) I ( hkl) 1 R(hkl) - Proportionalitätsfaktoren R ( hkl) I ( hkl) +Nickel +Nickel deutliche Abnahme von M s mit zunehmendem Nickelgehalt Anstieg von M s mit zunehmendem Abstand zur Oberfläche M s -Temperaturen korrelieren mit den Restaustenitgehalten Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 28

29 Eigenspannungsanalyse mittels sin 2 ψ-methode gebeugter Strahl σ(z)= σ 11 - σ 33 Primärstrahl σ 11 z Schweißgut σ 33 Grundwerkstoff Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 29

30 Phasenspezifische Eigenspannungen krz-phase kfz-phase deutliche Druckeigenspannungen im LTT-Schweißgut Eigenspannungsniveau gegenüber S690QL um bis zu -500 MPa reduziert stabile Druckeigenspannungen über der Schweißnahttiefe geringere Druckeigenspannungen im Austenit weitgehend einheitliches Eigenspannungsniveau Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 30

31 Makroeigenspannungen Makroeigenspannungen mittels Hebelgesetz: 35% 25% 15 % Anstieg des Eigenspannungsniveaus aufgrund zunehmenden Austenitgehalts Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 31

32 Zusammenfassung Eigenspannungskontrolle beim Schweißen hochfester Stähle mit LTT- Zusatzwerkstoffen Realisierung chrom-/nickellegierter Schweißzusätze graduelle Merkmale bei Gefüge, mechanischen Eigenschaften und Umwandlungstemperaturen erstmals In-situ-Beugungsexperimente zur Charakterisierung des Umwandlungsverhaltens während des Schweißens unter Nutzung hochenergetischer Synchrotronstrahlung phasenselektive Eigenspannungsmessung Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 32

33 Schlussfolgerungen Erzeugung von Druckeigenspannungen beim Schweißen mit LTT- Zusätzen Wirkung der martensitischen Phasenumwandlung bei freier Schrumpfung hohe Druckeigenspannungen im Martensit geringes Eigenspannungsniveau im Austenit Eigenspannungsniveau in Martensit und Austenit weitgehend unabhängig von der M s -Temperatur Makroeigenspannungsniveau wird vom Phasenverhältnis bestimmt Festkolloquium Prof. Wohlfahrt 33