Optimierte Simulation der Schweißnahtfestigkeit mittels Regressionsgerade und Umwandlungsstarttemperatur
Kurzfassung
Das Verfahren nebst Messanordnung lässt eine zuverlässige zerstörungsfreie Abschätzung der Zugfestigkeit eines Schweißgutes zu. Es ist für unterschiedliche Werkstoffgruppen geeignet und kann in bestehende Schmelzschweißsysteme integriert werden. Das Verfahren optimiert die Vorhersage der Schweißgutqualität erheblich, sodass eine zerstörende Prüfung überflüssig wird.
Hintergrund
Das stoffschlüssige Fügen von Metallen durch Schweißen ist auch heute noch eines der am häufigsten verwendeten Fügeverfahren. Dabei ist die Qualität der Fügestelle eine entscheidende Größe und muss entsprechend gewährleistet werden können. Mittels einer Simulation auf Basis von Referenzparametern ist eine Vorhersage der Schweißnahtqualität, bzw. deren Zugfestigkeit möglich. Die Qualität dieser Vorhersage konnte nun an der RWTH Aachen entscheidend optimiert werden, sodass eine zerstörende Prüfung überflüssig wird.
Problemstellung
Um die Festigkeit von Schweißverbindungen zu gewährleisten existieren unterschiedliche Konzepte zu deren Auslegung. Da aber auch der Fügeprozess einen großen Einfluss auf die spätere Zugfestigkeit der Verbindung hat, ist die Schweißprozesssimulation ein wichtiges Hilfsmittel. So werden die Prozessparameter in Bezug auf Eigenspannung, Verzug und Gefügestruktur verbessert. Herkömmliche Verfahren wie das t8/5-Konzept lassen jedoch keine werkstoffunabhängige Korrelation zu und sind daher aufwändig in der Praxis; ohne eine zerstörende Prüfung ist bisher keine zuverlässige Aussage bzgl. der mechanischen Eigenschaften einer Schweißnaht möglich.
Lösung
Das hier vorgestellte Verfahren nebst Messanordnung lässt nun eine zuverlässige zerstörungsfreie Abschätzung der Zugfestigkeit eines geschweißten Werkstoffes zu. Grundlage ist die Erkenntnis, dass ein direkter Zusammenhang zwischen späteren mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Streckgrenze, Kerbschlagarbeit) und der Phasenumwandlungs-Starttemperatur besteht.
Das Verfahren beginnt mit der Herstellung mehrerer Referenzschweißgüter zur Ermittlung der Referenz-Temperatur-Zeitverläufe. Während der Abkühlung wird die Referenz-Umwandlungsstarttemperatur (mindestens für eine ferritische oder bainitische Gefügeumwandlung je Referenzgut) bestimmt. Nach Zugversuchen und kontrolliertem Aufschmelzen der Proben erfolgt die Erstellung einer Regressionsgerade aus allen ermittelten Daten. Die sich daraus ergebende lineare Regressionsfunktion erlaubt in Verbindung mit der in-situ gemessenen Umwandlungsstarttemperatur die unmittelbare Vorhersage der Zugfestigkeit des Schweißgutes.
MSG-Schweißbrenner vor Beginn einer Mehrlagenschweißverbindung. Mittels Pyrometer (Positionierung roter Lichtpunkt) wird anschließend der Abkühlverlauf gemessen.
Vorteile
- Zerstörungsfreie Vorhersage der Zugfestigkeit einer Schweißverbindung
- Optimierte prozessintegrierte Schweißgutanalyse
- Für unterschiedliche Werkstoffgruppen geeignet
- Werkstoffunabhängige Korrelation innerhalb einer Werkstoffgruppe
- Einfach in bestehende Systeme zu integrieren
- Für alle Schmelzschweißprozesse anwendbar
Anwendungsbereiche
Das Verfahren ist für die Bereiche schweißtechnische Qualitätssicherung, für Legierungs- und Schweißzusatzentwicklung sowie für die Entwicklung von Gusslegierungen als auch für Hersteller von Messgeräten zur Schweißüberwachung geeignet.
Publikationen und Verweise
Sharma, R. & Reisgen, U.,
"Assessment of mechanical properties in high-strength steel weld metals by means of phase transformation temperature",
Weld World (2018) 62: 1227.
https://doi.org/10.1007/s40194-018-0605-7