Inhomogenes Verformungsverhalten in Entfestigungszonen geschweißter hochfester Aluminiumlegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Anhand lichtbogen- und elektronenstrahlgeschweißter Verbindungen wurde das lokale Verformungsverhalten naturharter und ausscheidungsgehärteter Aluminiumlegierungen unter quasistatischer und zyklischer Belastung untersucht. Dehnungsmessungen in der Umgebung der Schweißnaht wurden durch Beugungsexperimente unter Zuhilfenahme verschiedener Strahlquellen (Röntgen, Synchrotron und Neutronen) ergänzt. Diese Experimente dienten der Beschreibung des Zusammenhangs zwischen aufgebrachter Verformung und dem Auf- und Abbau von Spannungszuständen an der Oberfläche oder im Querschnitt der WEZ. Darüber hinaus wurde die Veränderung der charakteristischen Profilkenngrößen der Röntgeninterferenzlinien zur Beschreibung mikrostruktureller Veränderungen genutzt. Neben den experimentellen Arbeiten wurde im Rahmen des Projektes das Verformungsverhalten der geschweißten Proben numerisch abgebildet. Hierzu waren umfangreiche Untersuchungen zur ortsaufgelösten Charakterisierung des Werkstoffs notwendig. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Das Schweißen ausscheidungsgehärteter Aluminiumlegierungen führt zu einer örtlich begrenzten Entfestigung in der Wärmeeinflusszone. Diese Entfestigung befindet sich nicht direkt am Nahtübergang, sondern i.d.R. wenige Millimeter von dort entfernt. Bei naturharten, oberflächenverfestigten Legierungen führt der Wärmeeintrag des Schweißens ebenfalls zu einer Entfestigung, die jedoch direkt neben dem Nahtübergang lokalisiert ist. • Unter quasistatischer Belastung unterscheidet sich das Verformungsverhalten der beiden Werkstoffgruppen erheblich. Bei naturharten Legierungen wird im Falle einer sehr breiten Entfestigung nach hohem Wärmeeintrag das Verformungsverhalten nicht durch die Struktur der WEZ beeinflusst. Die größten plastischen Dehnungen treten hingegen im Grundwerkstoff auf. Bei örtlich begrenzten Entfestigungsbereichen entfallen große Anteile der Gesamtverformungen auf die entfestigten Zonen. Im Fall der ausscheidungsgehärteten Legierung EN AW 6082 beschränken sich die Dehnungen unabhängig von der Breite der WEZ nahezu ausschließlich auf die entfestigten Bereiche in der WEZ. • Untersuchungen an Stahlwerkstoffen, die zeigten, dass sich bei solchen Werkstoffen nur milde Strukturkerben negativ auf die Festigkeit auswirken, konnten für Aluminiumwerkstoffe nicht bestätigt werden. Unabhängig von der Schärfe der metallurgischen Kerbe werden die mechanischen Eigenschaften der Verbindung durch die Entfestigung herabgesetzt, weil sich die Verformungen auf Bereiche mit verminderter Festigkeit konzentrieren. • Mit einheitlicher Materialannahme kann das Verformungsverhalten lokal entfestigter Proben numerisch nicht abgebildet werden. Für eine zutreffende Abbildung der unter Last eintretenden Verformungen ist die detaillierte Kenntnis der lokalen Werkstoffeigenschaften, d.h. der lokalen Streckgrenze notwendig. Zur Ermittlung lokaler Streckgrenzenverteilungen haben sich die instrumentierte Eindringprüfung und die Auswertung mittels eines Ansatzes nach Dao et. al. bei den untersuchten Werkstoffen als geeignet erwiesen. • Das inhomogene Verformungsverhalten der geschweißten ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierung konnte auch anhand von In-Situ-Beugungsexperimenten mit Synchrotronstrahlen nachgewiesen werden. • Die inhomogenen Verformungen der geschweißten ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierung führen zu lokalen Veränderungen der Halbwertsbreiten der Röntgeninterferenzlinien. Im nahtnahen Bereich der WEZ, in dem die maximalen Dehnungen lokalisiert sind, steigen die Halbwertsbreiten an. Dies deutet auf eine Zunahme kristallographischer Defekte und somit eine lokale Änderung der Mikrostruktur hin. Für die naturharten Legierungen wurde eine gleichmäßige Zunahme der Halbwertsbreite über die gesamte WEZ beobachtet.• Die quasistatische Belastung führt bei der ausscheidungsgehärteten Legierung zu einem Aufbau von Quereigenspannungen in der Blechmitte. Der Bereich maximaler Spannungszunahme korreliert mit denen größter plastischer Verformungen. Längseigenspannungen werden geringfügig abgebaut. • Bei der schweißtechnischen Verarbeitung verfestigter Aluminiumwerkstoffe ist der Wärmeeintrag maßgeblich für die Größe der eintretenden Entfestigungszone, welche wiederum die Änderung des mechanischen Verhaltens der Verbindung bedingt. Es ist daher zu empfehlen, schon in der Planungsphase den Wärmeeintrag viel stärker als bislang zu berücksichtigen und möglichst gering zu halten. Der verstärkte Einsatz wärmearmer Schweißprozesse (bspw. CMT, ColdArc) sollte stets geprüft werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Dehnungsverhalten geschweißter hochfester Aluminiumwerkstoffe unter Zugbelastung"; 2010; 31. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik; Zinnwald
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
- "Strain Distribution in Welded Aluminium Alloys"; 2010; IIW Doc. X-1683-10; Istanbul (Türkei)
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
- "Strain Localization in GTA Welded Aluminium Alloys under Static and Cyclic Loading"; 2011; IIW Doc. X-1697-11; Chennai (Indien)
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
- "Identification of load induced inhomogeneous plastic deformations in aluminium welds by diffraction methods"; 2012; International Conference on Residual Stresses 9; Garmisch-Partenkirchen
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
- "Verformungslokalisierung an geschweißten Aluminiumverbindungen"; 2012; 33. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik; Goslar
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
- "Load induced inhomogeneous plastic deformations in aluminium welds"; 2013; IIW Doc. X-1733-13; Essen
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
- "Load induced inhomogeneous plastic deformations in welded aluminium joints"; 2014; Welding in the world; Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg; July 2014, Volume 58, Issue 4, pp 529–538
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40194-014-0136-9) - "Untersuchung des inhomogenen plastischen Verformungszustands geschweißter Aluminiumlegierungen unter Verwendung von Beugungsmethoden"; 2014; HTM Journal of Heat Treatment and Materials; Carl Hanser Verlag; München
Workowski, M.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/105.110205) - „Entfestigungen in den Wärmeeinflusszonen von geschweißten Stumpfstoßverbindungen aus Aluminium“; Diss. TU Braunschweig. Shaker, 2017, 156 S. - 978-3-8440-5452-1 (Forschungsberichte des Instituts für Füge- und Schweißtechnik, 44)
Workowski, M.
