Untersuchung des Erweichungsmechanismus beim Schweißen in der Wärmeeinflusszone mikrolegierter hochfester Stähle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Kannengießer
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435083436

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Forschungsprojekt untersuchte den Erweichungseffekt, der beim Schweißen mikrolegierter, hochfester Stähle in der Wärmeeinflusszone (WEZ) auftritt, mit besonderem Fokus auf den Erweichungsmechanismus in Abhängigkeit von verschiedenen Mikrolegierungskonzepten. Im AP1 lag das Ziel in der Identifikation der Schweißmikrostruktur von Ein- und Mehrlagenschweißungen sowie der Aufnahme der Temperaturzyklen der WEZ-Bereiche für die Gefügesimulation mittels Dilatometrie. Dabei zeigte sich, dass in den WEZ-Randbereichen zum Grundwerkstoff unabhängig von der Mikrolegierungsroute eine Erweichung auftrat, wobei die Intensität der Erweichung je nach Mikrolegierung variierte. Besonders hervorzuheben ist, dass die Ti-mikrolegierte Stahlgüte eine stärkere Erweichung der WEZ aufwies als die Nb-mikrolegierte, die eine bessere Anlassbeständigkeit zeigte. Diese Verbesserung ist auf die Synergieeffekte zwischen Mo/Cr und Nb zurückzuführen, wobei Mo bei niedrigen Temperaturen Sekundärkarbide bildet, und die Anlassreaktion verzögert. Zudem wird durch die Zugabe von Nb und Mo der Martensitzerfall verzögert, was positiv auf das WEZ-Gefüge auswirkt. Durch die Analyse der lokalen Verformung beim Schweißen mit identischem Schweißzusatz konnte gezeigt werden, dass je nach Mikrolegierungskonzept unterschiedliche Versagensmechanismen auftreten. Besonders in der Titan-haltige WEZ wurden Stützeffekte aufgrund einer starken metallurgischen Kerbwirkung beobachtet, die durch die Behinderung der Dehnung in Querrichtung und die höhere lokale Festigkeit der WEZ-Bereiche erklärt werden. Im AP3 wurde das Erweichungsverhalten für Einlagenschweißungen mittels Dilatometrie untersucht. Es zeigte sich, dass die Ti-haltige Güte S690QL aufgrund der hohen thermischen Stabilität der Ti-(C, N) einen besseren Pinning-Effekt der Austenitkörner aufwies. Zudem konnten für die mikrolegierten Güten spezifische Temperaturbereiche der Erweichung bestimmt werden, wobei die Ti-mikrolegierte Probe eine intensive Erweichung zwischen 700 °C und 800 °C zeigte. Im AP4 war das Ziel, das Erweichungsverhalten während des Mehrlagenschweißens mittels Dilatometrie zu reproduzieren und die metallurgischen Prozesse zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass das Softening der Wärmeeinflusszone (WEZ) bei hohen Temperaturen auftritt. In der interkritischen WEZ (IKWEZ) führt wiederholtes Anlassen zu einer signifikanten Härtereduktion, während die subkritische WEZ (SKWEZ) nach mehreren Anlässen zur Aufhärtung neigt, was auf die Ausscheidung von Karbiden und Sekundärkarbiden zurückzuführen ist. Die thermodynamische Simulation mit ThermoCalc ermöglichte ein präzises Verständnis der Ausscheidungsbildung und -kinetik im Gleichgewichtszustand sowie bei nicht-isothermen Wärmebehandlungen während des Schweißvorgangs. Dabei wurde die thermische Stabilität verschiedener Ausscheidungen simuliert. Dies ist besonders nützlich, da durch a-priori Simulationen Wärmeführungskonzepte beim Schweißen entwickelt werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• „Ausscheidungsverhalten und Eigenschaften der schweißbedingten Wärmeeinflusszonen hochfester Stähle in Abhängigkeit der Mikrolegierungsroute“ Tagungsband, 40. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung 2022, S. 427-433. ISBN 978-3-88355-430-3
  N. Schröder, M. Rhode & T. Kannengießer
  
• „Experimentelle Bestimmung und thermodynamische Modellierung des Ausscheidungsverhaltens in der WEZ eines S690QL bei unterschiedlichen Mikrolegierungsrouten“, DVS Congress, 2022, Tagungsband (DVS-Berichte, Band 382), S. 131-137, DVS-Media, Düsseldorf; ISBN 978-3-96144-190-7
  N. Schröder, M. Rhode & T. Kannengießer
  
• Thermodynamic prediction of precipitations behaviour in HAZ of a gas metal arc welded S690QL with varying Ti and Nb content. Welding in the World, 67(9), 2143-2152.
  Schroeder, Nina; Rhode, Michael & Kannengiesser, Thomas
  
• „Einfluss unterschiedlicher Mikrolegierungsrouten eines S690QL auf das Ausscheidungsverhalten in der Wärmeeinflusszone“ Tagungsband 5. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, 2023, S. 332-343. ISBN 978-3-8440-9105-2
  N. Schröder, M. Rhode & T. Kannengießer
  
• „Mikrolegierungseinfluss auf das Ausscheidungsverhalten und die mechanischen Eigenschaften geschweißter hochfester Baustähle“ DVS Congress, 2023, Tagungsband (DVS-Berichte, Band 389), S. 218-225, DVS-Media, Düsseldorf; ISBN 978-3-96144-230-0
  N. Schröder, M. Rhode & T. Kannengießer
  
• Influence of microalloying on precipitation behavior and notch impact toughness of welded high-strength structural steels. Welding in the World, 68(10), 2647-2659.
  Schroeder, Nina; Rhode, Michael & Kannengiesser, Thomas
  
• „Auswirkungen von Ti und Nb auf die physikalisch simulierten WEZ-Bereiche von hochfestem Feinkornbaustahl S690QL“ DVS Congress, 2024, Tagungsband (DVS-Berichte, Band 390), DVS-Media, Düsseldorf
  N. Schröder, M. Rhode & T. Kannengießer