Schweißen von hochfestem Stahl
Quelle: Nina Schröder
Projektlaufzeit
01.08.2020 - 31.10.2021
Projektart
Projektstatus
Laufend
Kurzbeschreibung
Ziel ist es, den Einfluss von Legierungselementen, speziell der Mikrolegierungselemente wie Ti und Nb, auf die Erweichung der Wärmeeinflusszone beim Schweißen von hochfesten vergüteten Feinkornbaustählen zu untersuchen.
Ort
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin
Projektmitarbeiterin Nina Schröder an ihrem Arbeitsplatz Quelle: BAM
Für die Festigkeitssteigerung von vergüteten hochfesten Feinkornbaustählen ist eine Zugabe von Mikrolegierungselementen wie Nb und Ti unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle geben breite Legierungsintervalle vor, was Vorhersagen zur Schweißeignung und zum Tragverhalten der Schweißverbindungen erschwert. Dazu kommen vermehrt moderne Schweißprozesse zum Einsatz, die durch ihre hohe Wärmeeinwirkung die Phasenumwandlung negativ beeinflussen können. Eine Erweichung (Festigkeitsverlust, "Softening") der Wärmeeinflusszone ist die Folge.
Quelle: BAM
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein physikalisch metallurgisches Modell zu entwickeln, welches die Bildung einer erweichten Zone in der Wärmeeinflusszone grundlegend beschreiben kann. Dafür werden werkstoffwissenschaftliche und schweißtechnologische Faktoren und Methoden miteinander in Korrelation gebracht.
Quelle: BAM
Im Fokus stehen Mikrolegierungsrouten von vergütetem hochfesten Feinkornbaustahl S690QL. Durch unterschiedliche Wärmeführung (Streckenenergien) und Wärmeeinwirkung (Ein- und Mehrlagenschweißungen) soll ein Wärmeeinflusszone-Gefüge mit geringer Härte eingestellt werden. Es werden Zugversuche mittels optischer Verformungsmessung (DIC) durchgeführt. Weitere Methoden: Thermodynamische Simulationen der Mikrostruktur und Ausscheidungskinetik in Abhängigkeit von Schweißtemperaturzyklen.
Quelle: BAM
Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, Projektnummer 435083436.
Herausforderungen beim Schweißen hochfester Feinkornbaustähle
Aus wirtschaftlichen Gründen und aufgrund des Bestrebens nach konstruktivem Leichtbau wird in zahlreichen Industriezweigen zunehmend genormter, hochfester Feinkornbaustahl eingesetzt. Die Ausnutzung des Leichtbaupotentials dieser Baustähle hat auch Einzug im Bereich des Windenergieanlagenbaus gefunden. Hochfeste Güten wie S960QL und S690QL, welche beispielsweise in Raupenkränen eingesetzt werden, tragen maßgeblich zur sicheren Errichtung von Windenergieanlagen bei. Zusätzlich wurden speziell für den Offshore-Bereich hochfeste Güten, wie bspw. S500MLO, neu entwickelt, welche sich durch eine hohe Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit auszeichnen. Die Normung berücksichtigt aber nur die mechanischen Eigenschaften und ermöglicht deshalb die Variation der Legierungselemente in bestimmten Grenzen. Dies führt dazu, dass Stähle gleicher Festigkeitsklasse mittels unterschiedlicher Legierungskonzepte realisiert werden. Besonders die Anzahl und die Menge der Mikrolegierungselemente können sich signifikant unterscheiden. Dadurch können die Eigenschaften der Wärmeeinflusszone (WEZ) bei gleichen Schweißprozessparametern stark variieren.
Festigkeitssteigernde Mechanismen und ihre Tücken
Die Legierungskonzepte von Feinkornbaustählen sind auf die Einstellung eines feinkörnigen Gefüges mit einer sehr hohen Streckgrenze ausgelegt. Zur Sicherstellung der Festigkeit über den gesamten Querschnitt werden Mikrolegierungselemente, wie Niob, Titan und Vanadium beigemischt, die eine zusätzliche Ausscheidungshärtung durch Bildung von Karbiden und Nitriden bewirken. Dabei muss eine Schweißverbindung mindestens die gleichen Festigkeitsanforderungen erfüllen wie der eingesetzte Werkstoff, was sich aber aufgrund der typischen Temperatur-Zeit-Zyklen beim Schweißen und der einhergehenden inhomogenen Phasenumwandlungen als komplex erweist. Deswegen muss man beim Schweißen enge Arbeitsfenster einhalten. Diese geben die optimalen Schweißparameter vor, um die mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
In einem hochfesten vergüteten Feinkornbaustahl spielen neben der Ausscheidungshärtung weitere festigkeitssteigernde Mechanismen eine Rolle. Dazu gehören unter anderem die Versetzungshärtung, Kornfeinung und die Mischkristallverfestigung. Durch die hohe Wärmeeinbringung beim Schweißen ändern sich diese festigkeitssteigernden Mechanismen in der WEZ des hochfesten Feinkornbaustahls. Dies kann in Abhängigkeit des Schweißtemperaturfeldes zu Aufhärtung oder Erweichung bestimmter Bereiche in der WEZ führen, was wiederum die mechanischen Eigenschaften einer Schweißverbindung beeinflussen kann. Ziel des Projekts ist es herauszufinden, wie genau diese festigkeitssteigernden Mechanismen in Interaktion treten.
Projektleitung
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Integrität von Schweissverbindungen
Förderung
Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, Projektnummer 435083436.
Quelle: DFG