Untersuchung zur Flüssigmetallversprödung durch Zink beim Schweißen von neuartigen hochmanganhaltigen Stählen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, die Flüssigmetallversprödung durch Zink beim Schweißen von neuartigen hochmanganhaltigen Stählen grundlegend zu untersuchen. Für das Widerstandspunktschweißen sollte ein Fügekonzept erarbeitet werden, das die Herstellung lötrissreduzierter Mischverbindungen aus oberflächenveredelten FeMn-Stählen und einem ferritischen Feinkornbaustahl ermöglicht. Neben zwei hochmanganhaltigen Stählen wurden zwei hochlegierte CrNi-Stähle als Referenzwerkstoffe untersucht. In Charakterisierungsversuchen konnten umfassende physikalische und mechanisch-technologische Kennwerte ermittelt werden, die für die Materialdatenbank zur Simulation der Schweißversuche verwendet wurden. In einem Hardware-Schweißsimulator wurden Schweißzyklen an Grundwerkstoffproben simuliert und anschließend Zugversuche durchgeführt. Der verzinkte FeMn1 zeigte dabei eine Vielzahl von Lötrissen, sodass nur noch eine Zugfestigkeit von 50 % gegenüber den unverzinkten Proben erreicht wurde. Auch die Bruchdehnung lag nur noch bei max 10 %. Die Betrachtung von Gefügeaufnahmen zeigte, dass es zu interkristallinen Lötrissen kommt. Dafür waren weder Vorverformungen noch das Verschweißen mit einem Fügepartner notwendig. Die örtliche Erwärmung führte jedoch zu Eigenspannungen, da die Proben im Bereich der Einspannung Raumtemperatur aufwiesen. Die Risse der realen Widerstandspunktschweißung und der simulierten Probe wiesen vergleichbare Rissmorphologien auf. Eine Warmzuganlage wurde erfolgreich konzipiert und gefertigt. Bei oberflächenveredelten Blechen der beiden FeMn-Stähle zeigten sich Lötrisse ab einer Temperatur von 450 °C. Je höher die Prüftemperatur gewählt wurde, umso eher zeigten sich Lötrisse und umso niedriger mussten die Zugspannungen dafür sein. Bei einer Zugtemperatur von 800 °C konnten Lötrisse schon ab 100 MPa detektiert werden. Bei den beiden nichtrostenden Stählen, die nachträglich elektrolytisch verzinkt wurden, traten Lötrisse erst ab Temperaturen von 600 °C auf. Festgestellt wurde, dass sämtliche Widerstandspunktschweißversuche mit verzinkten FeMn1-Blechen Lötrisse zeigten. Erwartungsgemäß traten keine Risse auf, wenn sowohl der FeMn1 als auch der HX340LAD nicht verzinkt waren. Verbindungen, bei denen nur der HX340LAD verzinkt war, zeigten auf der Oberfläche des FeMn1-Blechs keine Risse. Mit größerem Kappendurchmesser und größerer Elektrodenkraft konnte die Risslänge verkürzt werden. Beim Vergleich von numerisch errechneten und experimentell erzeugten Punktschweißungen konnten übereinstimmende Linsenbildungen sowie identische Abkühlzeiten festgestellt werden. Quasistatische Scherzugversuche haben gezeigt, dass die Mischverbindungen HX340LAD mit FeMn2, 1.4301 und 1.4376 auf einem ähnlichen Kraftniveau liegen. Beim FeMn1+Z kommt es gegenüber dem unverzinkten FeMn1 zu einem Abfall der Verbindungsfestigkeit. Versuche unter zyklischer Belastung ergaben, dass die verzinkten FeMn1/HX340LAD-Mischverbindungen nicht mehr die gleiche Belastung wie unverzinkte Proben erreichen. Je höher die gewählte Kraftamplitude allerdings war, umso geringer zeigte sich der Einfluss der Lötrisse. Die Risslängen konnten durch Variation der Elektrodenkräfte und –durchmesser um fast 50 % verkürzt werden. Rissfreie Punktschweißungen von oberflächenveredelten hochmanganhaltigen Stählen sind zum jetzigen Zeitpunkt nicht zu erzeugen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Flüssigmetallversprödung beim Widerstandspunktschweißen von Eisen-Mangan-Stählen; 22. DVS-Sondertagung Widerstandsschweissen (2013), S. 121-130
Wesling, V.; Schram, A.; Barthelmie, J.
- Flüssigmetallversprödung beim Widerstandspunktschweißen von Mischverbindungen aus FeMn- und ferritischen Stählen; 34. Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik (2013)
Wesling, V.; Schram, A.; Barthelmie, J.
