In situ Untersuchung der Phasenverteilung und der Schmelzbaderstarrung von Duplexstählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIBS)
Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die Untersuchung der Verbesserungsmöglichkeiten der verfügbaren Schweißgutvorhersagewerkzeuge beim WIG-Schweißen von Duplex-Edelstählen. Dafür wurden Untersuchungen der Erstarrung des Schweißbades und der anschließenden Festphasen-Umwandlungen mittels in situ Messungen der chemischen Zusammensetzung durchgeführt. Die verwendete Messmethode war die laserinduzierte Plasma-Spektroskopie (LIPS) oder im Englischen, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Die Messgröße war die orts- und zeitaufgelöste chemische Zusammensetzung, um die Phasenzusammensetzung bzw. -verteilung von Ferrit und Austenit beim Schweißen und während der Erstarrung zu bestimmen. Zusätzlich wurden die gemessenen Phasenverhältnisänderungen mit den jeweiligen mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte korreliert. Mithilfe von LIBS konnten erstmals die Verteilungen der chemischen Elemente auf der Oberfläche der Schweißnaht in situ gemessen werden. Die Ergebnisse wurden mit denen konventioneller Messmethoden wie der energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX) und der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) verglichen. LIBS-Linienscans konnten mit EDX-Linienscans validiert werden und die Konzentrationsverläufe der chemischen Elemente zeigten einen vergleichbaren Verlauf. Die durchgeführten LIBS-Mappings konnten mithilfe von RFA-Mappings validiert werden und zeigten eine hohe Übereinstimmung der Konzentrationsverteilungen der wichtigsten Legierungselemente. Abgedampfte Legierungselemente aus dem WIG-Schweißprozess konnten ebenso mit LIBS nachgewiesen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass LIBS-Messungen auch während des WIG-Schweißens mit und ohne Zusatzwerkstoff von DSS störungsfrei durchgeführt werden können. Quantitative chemische Zusammensetzungen lassen sich in situ bestimmen und so konnte auch eine Korrelation zwischen der Mikrostruktur und den in situ ermittelten chemischen Zusammensetzungen ermittelt werden. Hohe Konzentrationen von Austenit-stabilisierenden Elementen wie Cu, Ni und Mn senken die Ferritnummer (FN) im Schweißgut. Im Gegensatz dazu steigern hohe Konzentrationen von Ferrit-stabilisierenden Elementen wie Nb, C und Si die FN im Schweißgut. Es ist angedacht, in einem weiteren Forschungsvorhaben diese Thematik mit dem Schwerpunkt auf eine Erweiterung und Neumodellierung des WRC1992-Vorhersagediagramms mithilfe von in situ LIBS-Messungen zu bearbeiten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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In situ investigation of chemical composition during TIG welding in duplex stainless steels using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Forces in Mechanics, 6, 100063.
Quackatz, Lukas; Griesche, Axel & Kannengiesser, Thomas
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Spatially resolved EDS, XRF and LIBS measurements of the chemical composition of duplex stainless steel welds: A comparison of methods. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 193, 106439.
Quackatz, Lukas; Griesche, Axel & Kannengiesser, Thomas
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In situ Messung der chemischen Konzentration in der Schmelze während des WIG-Schweißens von Duplexstählen. Tagungsband 5. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, 2023
Quackatz L., A. Griesche, T. Kannengiesser, K. Treutler, T. Gehling, A. Eissel & V. Wessling
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Rapid solidification during welding of duplex stainless steels – in situ measurement of the chemical concentration by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1274(1), 012018.
Quackatz, L.; Griesche, A. & Kannengiesser, T.
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Assessing ferrite content in duplex stainless weld metal: WRC ‘92 predictions vs. practical measurements. Welding in the World, 69(1), 31-45.
Quackatz, Lukas; Westin, Elin Marianne; Griesche, Axel; Kromm, Arne; Kannengiesser, Thomas; Treutler, Kai; Wesling, Volker & Wessman, Sten
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In situ chemical analysis of duplex stainless steel weld by laser induced breakdown spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 214, 106899.
Quackatz, Lukas; Gornushkin, Igor; Griesche, Axel; Kannengiesser, Thomas; Treutler, Kai & Wesling, Volker
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In situ measurement of hydrogen concentration in steel using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Welding in the World, 68(4), 915-923.
Quackatz, L.; Griesche, A.; Nietzke, J. & Kannengiesser, T.
