Steigerung der Risssicherheit hochfester Schweißverbindungen durch den Einsatz neuartiger Schweißzusatzwerkstoffe mit niedriger Umwandlungstemperatur (LTT)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Fügen mit Low Transformation Temperature (LTT)‐Zusatzwerkstoffen stellt eine innovative Methode dar, Schweißeigenspannungen zu reduzieren. Insbesondere die gezielte Erzeugung von Druckeigenspannungen in Schweißgut und Wärmeeinflusszone (WEZ) lässt eine signifikante Verbesserung der Lebensdauer hochbeanspruchter Schweißkonstruktionen erwarten. Zur effektiven Nutzung dieser Werkstoffe ist jedoch ein tiefgreifendes Verständnis der mikrostrukturellen Vorgänge während des Schweißens notwendig, um die komplexen Abläufe während der Eigenspannungsentstehung zu erfassen. Die bisherigen Ergebnisse unterschiedlicher Forschergruppen, d. h. gemessene und simulierte Eigenspannungsverteilungen, lassen erkennen, dass die zugrunde gelegten Modellvorstellungen zwar prinzipiell gültig sind, jedoch exakte Voraussagen hinsichtlich der Höhe und der Verteilung solcher Eigenspannungen nicht ohne weiteres möglich sind. Der Grund liegt vor allem in den vielfältigen Einflussgrößen beim Schweißen (z. B. Steifigkeitsverhältnisse, Wärmeführung, Mehrlagentechnik, Geometrie), welche bisher nicht in Gänze berücksichtigt werden können. Im zurückliegenden Projektzeitraum wurden erstmalig In‐situ‐Beugungsexperimente an speziellen Bauteilproben realisiert, um die lokale Umwandlungskinetik und die Entwicklung der lokalen Dehnungen als Folge der thermischen und konstruktiven Randbedingungen (Einspanngrad) zu analysieren. Ausgehend von weitgehend frei erstarrenden Schweißproben im Wiederaufschmelzprozess mittels WIG wurde ein realitätsnaher MAG‐Schweißprozess unter der Berücksichtigung des mechanischen Einspanngrades in‐situ abgebildet. Die Ergebnisse belegen, dass in Abhängigkeit der betrachteten Schweißlage, der Effekt der martensitischen Phasenumwandlung stets zu einer Reduktion der mechanischen Dehnung gegenüber einem konventionellen Schweißzusatzwerkstoff führt. Dabei ist dieser Effekt ortsabhängig. Entmischungsbedingt ist der Dehnungsabbau in der Wurzellage schwächer ausgeprägt, als in den darüberliegenden Decklagen. Auch zeigte sich eine Richtungsabhängigkeit der Dehnungen, d. h. in Schweißnahtlängsrichtung wirkt sich die Phasenumwandlung entsprechend stärker aus. Dies spiegelt sich auch in den daraus resultierenden Eigenspannungen wider. Längs der Naht finden sich die vom Betrag her höchs‐ ten Druckeigenspannungen gegenüber Normal‐ oder Querrichtung. Die das Schweißgut eingrenzenden Bereiche der Wärmeeinflusszone sind hingegen gleichgewichtsbedingt durch Zugeigenspannungen gekennzeichnet. Auch in Richtung der zuletzt erstarrten Schweißgutoberfläche zeigt sich ein Eigenspannungsgradient, welcher niedrigere Eigenspannungsbeträge in Richtung Oberfläche induziert. Schweißversuche an mehrlagigen V‐Nahtverbindungen bestätigten, dass der Effekt der Phasenumwandlung im Schweißgut örtlich z.T. stark variiert. Während an der unmittelbaren Oberfläche solcher Verbindungen lediglich in Längsrichtung gegenüber einem konventionellen Zusatzwerkstoff leichte Vorteile hinsichtlich der gemessenen Eigenspannungsbeträge bietet, finden sich in Querrichtung sogar höhere Zugeigenspannungen nahe der nominellen Dehngrenze des eingesetzten Zusatzwerkstoffes. Konträr dazu zeigen die Eigenspannungen im Inneren des Schweißgutes ein anderes Verhalten. Konform zu den In‐situ‐Schweißversuchen finden sich dort deutlich abgesenkte Eigenspannungen, die teils sogar im Druckbereich angesiedelt sind. Dabei ist eine erhöhte Zwischenlagentemperatur im untersuchten Parameterfeld förderlich. Allerdings bringt dies auch erhöhte Reaktionsspannungen mit sich, die den örtlichen Spannungen schon während der Abkühlphase überlagert werden. Dies zeigt, dass den verfahrenstechnischen und konstruktiven Randbedingungen beim Schweißen mit LTT‐Zusätzen besondere Beachtung geschenkt werden muss. Die Entwicklung solcher Legierungen muss diesem Umstand Rechnung tragen, um neben den gewünschten Eigenspannungen auch optimale Verarbeitungseigenschaften zu gewährleisten. Zukünftige Entwicklungen von LTT‐Schweißzusatzwerkstoffen müssen vor allem auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Duktilität, Zähigkeit) ausgerichtet sein, um in unterschiedlichsten Anwendungsfällen bestehen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018) Two-Dimensional Residual Stress Mapping of Multilayer LTT Weld Joints Using the Contour Method. Matls. Perf. Charact. (Materials Performance and Characterization) 7 (4) 20170110
Vollert, Florian; Gibmeier, Jens; Rebelo-Kornmeier, Joana; Dixneit, Jonny; Pirling, Thilo
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Real time moni‐ toring of phase transformation and strain evolution in LTT weld filler material using EDXRD, Journal of Materials Processing Technology 214 (2014), pp. 2739–2747
J. Gibmeier, E. Held, J. Altenkirch, A. Kromm, Th. Kannengiesser, Th. Buslaps
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Residual stress in steel fusion welds joined using low transformation temperature (LTT) filler material, Materials Science Forum, Vols. 768‐769 (2014), pp. 620‐627
J. Gibmeier, E. Obelode, J. Altenkirch, A. Kromm, T. Kannengießer
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Einfluss von LTT‐Decklagen auf die Mikrostruktur‐ und Härteentwicklung von Mehrlagenschweißungen, Praktische Metallographie Sonderband 50 (2016), pp. 223‐228
V. Walter, H. Ohl, F. Vollert, J. Dixneit, J. Gibmeier
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Influence of Heat Control on Residual Stresses in Low Transformation Temperature (LTT) Large Scale Welds, Residual Stresses 2016: ICRS‐10, Materials Research Proceedings 2 (2016), pp. 223‐228
Dixneit, J.; Kromm, A.; Boin, M.; Kannengiesser, T.; Gibmeier, J.
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Influence of Structural Stiffness on the Residual Stresses during Welding of Low Transformation Temperature Alloys, In: Mathematical Modelling of Weld Phenomena 11, Eds.: Ch. Sommitsch, N. Enzinger, P. Mayr, Verlag der Technischen Universität Graz, ISBN 978‐3‐85125‐490‐7, 2016, p. 259
Weideman, J.; Dixneit, J.; Kromm, A.; Kannengiesser, Th.; Gibmeier, J.
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In‐situ load analysis in multi‐run welding using LTT filler materials, Welding in the World 60 (2016) pp. 1159‐1168
Dixneit, J.; Kromm, A.; Hannemann, A.; Friedersdorf, P.; Kannengiesser, T.; Gibmeier, J.
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In Situ EDXRD Study of MAG‐Welding Using LTT Weld Filler Materials under Structural Restraint, Materials Science Forum Vol. 905, (2017), pp. 107‐113
F. Vollert, J. Dixneit, J. Gibmeier, A. Kromm, Th. Buslaps, Th. Kannengiesser
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Residual stresses of LTT welds in large‐scale components, Welding in the World 61 (2017) pp. 1089‐1097
Dixneit, J.; Kromm, A.; Boin, M.; Wimpory, R. C., Kannengiesser, T.; Gibmeier, J.; Schröpfer, D.
