HeatWeldForming – kombinierte thermomechanische Eigenschaftsverbesserung von Schweißnähten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Charakteristik der Wärmeeinbringung während des Schmelzschweißprozesses führt zu verschiedenen Spitzentemperaturen und Temperaturgradienten und unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten in der Fügezone. Dies führt zur Bildung der so genannten Wärmeeinflusszone (WEZ), welche sich durch eine inhomogene Mikrostruktur und somit veränderten mechanisch-technologischen Eigenschaften, im Vergleich zum Grundwerkstoff auszeichnet. Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin homogene mechanisch-technologische Eigenschaften in der gesamten Fügezone zu erreichen, welche denen des Grundwerkstoffes gleichen. Dies geschieht durch eine Kombination der Einzelprozesse Vorwärmen, Schweißen, Umformen und Nachwärmen in einem Inline-Prozessablauf, um eine gezielte Gefügeeinstellung im Schweißnahtbereich und der Wärmeeinflusszone zu erreichen. Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Erweiterung der Prozesskette (Schweißen/Walzen) durch eine zusätzliche Vor-/ bzw. Nachwärmvorrichtung zielführend ist. Beim Werkstoff S235JR kann die metadynamisch/statische Rekristallisation durch die zusätzliche Nachwärmung angeregt werden und es entsteht im Bereich der Wärmeeinbringung ein homogenes Mikrogefüge mit grundwerkstoffähnlichen mechanisch-technologischen Eigenschaften. Jedoch erzielt die gewählte Methode des Plasmalichtbogens zur Nachwärmung aufgrund der Prozessgeschwindigkeit keine vollständige Durchwärmung des Materials in Blechdickenrichtung, sodass eine vollständige Rekristallisation nur bis zu einer Eindringtiefe von 1,5 mm beobachtet werden kann. Für den Werkstoff S700MC erweist sich die zusätzliche Nachwärmung als nachteilig. Dieser hochfeste Feinkornbaustahl erhält seine Eigenschaften durch seine feinkörnige Mikrostruktur in Kombination mit der Einbringung von Versetzungen, welche durch eine gezielte thermo-mechanische Behandlung eingebracht werden. Die zusätzliche Nachwärmung führt in diesem Fall zu einem Abbau von Versetzungen und zu einem rekristallisierten Gefüge. Es zeigt sich, dass eine optisch vergleichbare Mikrostruktur, ähnlich des Grundwerkstoffes, durch die Rekristallisation im Bereich der Wärmeeinbringung der Nachwärmeeinheit erzielt werden kann, jedoch werden in diesem Fall die Werkstoffkennwerte für Festigkeit und Härte stark unterschritten, was ein Ausschlusskriterium darstellt. Durch die Eliminierung des Nachwärmschrittes ist es möglich eine gezielte Verfestigung einzubringen und grundwerkstoffähnliche mechanisch-technologische Eigenschaften in der Fügezone des S700MC zu erhalten. Dies wird durch eine abgestimmte Vorwärmung der zu fügenden Blechhalbzeuge, auf ca. 180°C, mittels Acetylenbrenner erreicht. Die zusätzliche Vorwärmung der Bleche führt zu einer höheren Walzeneinlauftemperatur der Schweißnaht, wobei es jedoch beim Kontakt mit den kalten Walzenkörpern zu einem Abschrecken der Naht kommt, was in der oberflächennahen Schicht eine deutlich höhere Härte zur Folge hat. Warmwalzen als weiterer Prozessparameter zur Homogenisierung verringert diesen Effekt, zusätzlich erlaubt es eine Steuerung der Aufhärtung des Schweißgutes bzw. des Rekristallisationsverhaltens, wodurch eine weitere Annäherung an die Grundwerkstoffeigenschaften möglich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The Benefit of the Process Combination of Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) and Forming—A Numerical and Experimental Study. Metals, 12(6), 988.
Sydow, Benjamin; Jhanji, Avantika; Hälsig, André; Buhl, Johannes & Härtel, Sebastian
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Influence of the Initial Microstructure on the Mechanical Behavior During Forming for Inline Manufacturing Process Routes. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 513-524. Springer Nature Switzerland.
Jhanji, Avantika; Sydow, Benjamin; Adams, Tom-Eric; Habisch, Stefan & Härtel, Sebastian
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Temperature Control During the Process Combination Welding and Rolling for Enabling Full Recrystallization with Homogenized Grain Size Distribution. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 192-202. Springer Nature Switzerland.
Sydow, Benjamin & Härtel, Sebastian
