Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand primär in der Verbesserung der schweißtechnischen Verarbeitung von hochmanganhaltigen Stählen in Mischverbindung. Erreicht werden sollte dies durch eine Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage der Mischschweißgüter mithilfe eines neu entwickelten Konstitutionsschaubildes. Als Versuchswerkstoffe wurden drei wirtschaftlich relevante Fe-Mn-Stähle mit unterschiedlichen Legierungskonzepten herangezogen. Als Fügepartner dienten die im Karosseriebau weit verbreiteten Stähle HC340LA (1.0548) und 22MnB5 (1.5528). Außerdem standen verschiedene hochmanganhaltige Metallpulver-Fülldrahtelektroden zur Verfügung.

Neue Umschmelzmethodik

Unter Nutzung eines WIG-Lichtbogenschmelzofens wurde eine Umschmelzmethodik zur experimentellen Schweißgutsimulation entwickelt, die es ermöglicht, Mischschweißgüter beliebiger Werkstoffkombinationen in definierten Aufmischungsverhältnissen unter MSG-adäquaten Abkühlbedingungen herzustellen. Mit dieser Methodik wurden zahlreiche Umschmelzproben (Mischschweißgüter) mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen erzeugt und dann in Gefügeart, Gefügeanteilen, Härte und Ferritnummer charakterisiert. Ermittelt wurden insgesamt acht Gefügegruppen, die abhängig von der Werkstoffkombination und Aufmischung im Mischschweißgut auftreten können. Von besonderer Bedeutung sind die Martensitarten ε und α‘, da diese metallografisch nicht immer eindeutig abzugrenzen sind, sich aber in den Eigenschaften deutlich unterscheiden.

Differenzierung erforderlich

Die Ergebnisse zeigen, dass der paramagnetische ε-Martensit vor allem in Mischschweißgütern auftritt, die einen relativ hohen Mn-Gehalt aufweisen. Der α‘-Martensit hingegen ist in Mischschweißgütern mit geringeren Mn-Gehalten vorzufinden, also bei höheren Aufmischungen an niedriglegiertem ferritischen beziehungsweise martensitischen Fügepartner oder bei Verwendung niedriglegierter Schweißzusatzwerkstoffe. Eine hohe Härte ist in den untersuchten Mischschweißgütern direkt mit der Bildung des α‘-Martensits in Verbindung zu bringen, weshalb eine Differenzierung der beiden Martensitarten notwendig ist.

Untersuchungen zum Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit ergaben, dass eine signifikante Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit nur bei wenigen Aufmischungsverhältnissen einen wesentlichen Einfluss auf das Gefüge und die Härte hat. Dies betrifft insbesondere Mischschweißgüter mit sehr hoher Aufmischung an niedriglegiertem ferritischen beziehungsweise martensitischen Fügepartner oder niedriglegiertem Schweißzusatzwerkstoff. Es ist demnach anzunehmen, dass bei Schweißverfahren mit höheren Abkühlraten als beim MSG-Schweißen sehr ähnliche Gefügezustände und Härtewerte in den Mischschweißgütern zu erwarten sind (eine homogene Durchmischung vorausgesetzt).

Konstitutionsschaubild entwickelt

Auf Basis der experimentell simulierten Mischschweißgüter und der daran ermittelten Schweißguteigenschaften wurde ein umfangreicher Datensatz erfasst, mit dem unter Verwendung statistischer Auswertemethoden Äquivalente abgeleitet wurden. Diese Äquivalente spannen die Achsen eines neu entwickelten Konstitutionsschaubildes auf, des sogenannten „Cohms“-Diagramms. Neben der Gefügevorhersage in MSG-Schweißgütern ermöglicht dieses Diagramm anhand von HV-ISO-Linien eine grobe Abschätzung der resultierenden Schweißguthärte.

Die Validierung des Cohms-Diagramms durch reale MSG-Schweißungen ergab eine sehr gute Vorhersagegenauigkeit. 89 % der MSG-Schweißgüter wurden korrekt vorhergesagt. Die restlichen 11 % lagen im nahen Bereich der Grenzlinien. Die Untersuchungen zum Einfluss der Gefügeart – insbesondere des Martensitanteils – im Mischschweißgut auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen zeigten, dass vor allem ein Schweißgutgefüge aus Austenit + α‘-Martensit als äußerst kritisch anzusehen ist. Die geprüften Verbindungen mit diesem Schweißgutgefüge zeigten im Vergleich zu den anderen Schweißungen signifikant schlechtere Festigkeitswerte unter statischer und dynamisch schlagartiger Belastung und versagten überwiegend im Schweißgut.

Förderung

Das Projekt „Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage für das Schweißen hochmanganhaltiger Stähle in Mischverbindung“ (P 1108 / IGF-Projekt Nr. 18660 BR) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Durchgeführt wurde das Vorhaben vom Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

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