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Schweißsimulation Wissen, was hochmanganhaltige Stähle in Mischverbindungen machen

| Redakteur: Peter Königsreuther

Ein IGF-Forschungsprojekt ist erfolgreich zum Abschluss gekommen. Deshalb können Experten jetzt Prognosen in puncto Gefüge- und Eingenschaften von geschweißten, hochmanganhaltigen Stählen im Materialmix wagen.

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Die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (Fosta) kann jetzt demonstrieren, wie man die Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage von hochmanganhaltigen Stählen hinbekommt. Hier ein Beispiel wofür das aus einem IGF-Forschungsprogramm hervorgeganene Ergebnis angewendet werden kann.
Die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (Fosta) kann jetzt demonstrieren, wie man die Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage von hochmanganhaltigen Stählen hinbekommt. Hier ein Beispiel wofür das aus einem IGF-Forschungsprogramm hervorgeganene Ergebnis angewendet werden kann.
(Bild: Fosta)

Als primäres Ziel des Unterfangens, heißt es, sollte die schweißtechnische Verarbeitung von hochmanganhaltigen Stählen in Mischverbindung durch eine Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage der Mischschweißgüter mithilfe eines neu entwickelten Konstitutionsschaubildes optimiert werden. Als Versuchswerkstoffe hat man drei wirtschaftlich relevante Fe-Mn-Stähle mit unterschiedlichen Legierungskonzepten gewählt. Als Fügepartner dienten die im Karosseriebau weit verbreiteten Stähle HC340LA (1.0548) und 22MnB5 (1.5528), so die Fosta (Forschungsvereinigung Stahlanwendungen e. V.). Mit im Spiel waren außerdem verschiedene hochmanganhaltige Metallpulver-Fülldrahtelektroden.

Mischschweißgütern im Labor auf der Spur

Mithilfe eines WIG-Lichtbogenschmelzofens wurde dabei eine Umschmelzmethode zur experimentellen Schweißgutsimulation entwickelt, die es ermöglicht, Mischschweißgüter beliebiger Werkstoffkombinationen in definierten Aufmischungsverhältnissen unter MSG-adäquaten Abkühlbedingungen herzustellen, erklären die Forscher. Mithilfe dieser Methodik wurde eine Vielzahl von Umschmelzproben (Mischschweißgüter) in einem breiten Spektrum unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen erzeugt, die in Sachen Gefügeart, -anteilen, Härte und Ferritnummer charakterisiert wurden. Insgesamt acht Gefügegruppen wurden so ermittelt, die in Abhängigkeit der Werkstoffkombination und Aufmischung im Mischschweißgut auftreten können. Von besonderer Bedeutung seien die verschiedenen Martensitarten ε und α‘, weil diese metallographisch nicht immer eindeutig abzugrenzen seien, sich aber wesentlich in den Eigenschaften unterscheiden würden. Die Ergebnisse zeigen, dass der paramagnetische ε-Martensit vor allem in Mischschweißgütern auftritt, die einen relativ hohen Mn-Gehalt aufweisen, so die Foba. Der α‘-Martensit hingegen ist in Mischschweißgütern mit geringeren Mn-Gehalten, also bei höheren Aufmischungen an niedriglegiertem ferritischen respektive martensitischen Fügepartner oder bei Verwendung niedriglegierter Schweißzusatzwerkstoffe, vorzufinden. Eine hohe Härte in den hier untersuchten Mischschweißgütern erkläre sich direkt aus der Bildung des α‘-Martensits, weshalb eine Differenzierung der beiden Martensitarten zwingend notwendig sei.

Neues Diagramm für die Gefüge- und Schweißguthärte-Vorhersage

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, heißt es weiter. Dies betreffe insbesondere Mischschweißgüter mit sehr hoher Aufmischung an niedriglegiertem ferritischen beziehungsweise martensitischen Fügepartner oder niedriglegiertem Schweißzusatz-Werkstoff. Die Experten nehmen deshalb an, 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).

Auf Basis der experimentell simulierten Mischschweißgüter und der daran ermittelten Schweißguteigenschaften wurde ein umfangreicher Datensatz erfasst, mithilfe dessen, und zusammen mit statistischen Auswertemethoden, Äquivalente abgleitet wurden, die die Achsen des neu entwickelten Konstitutionsschaubildes, des sogenannten Cohms-Diagramm, aufspannen. Außer der Gefügevorhersage in MSG-Schweißgütern ermöglicht das Cohms-Diagramm anhand von HV-ISO-Linien eine grobe Abschätzung der resultierenden Schweißguthärte.

Nur dem Austenit + α‘-Martensit ist nahttechnisch nicht viel zuzutrauen!

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

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

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