Schweißen Hochmanganhaltige Stähle in Mischverbindung besser schweißen

Wissenschaftler der Forschungsvereinigung Stahlanwendung haben eine Umschmelzmethodik zur experimentellen Schweißgutsimulation für das Schweißen hochmanganhaltiger Stähle in Mischverbindung entwickelt.

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FOSTA Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die schweißtechnischen Verarbeitung von hochmanganhaltigen Stählen in Mischverbindung zu verbessern. Dabei sagt ein neu entwickeltes Konstitutionsschaubild die Gefüge- und Eigenschaften der Mischschweißgüter vorher. Als Versuchswerkstoffe wurden drei wirtschaftlich relevante Fe-Mn-Stähle unterschiedlicher Legierungen herangezogen. Als Fügepartner dienten die im Karosseriebau weit verbreiteten Stähle HC340LA (1.0548) und 22MnB5 (1.5528). Es standen außerdem verschiedene hochmanganhaltige Metallpulver-Fülldrahtelektroden zur Verfügung.

Acht Gefügegruppen ermittelt

Die Forscher nutzten einen WIG-Lichtbogenschmelzofen und entwickelten so eine Umschmelzmethodik zur experimentellen Schweißgutsimulation. Damit ist es möglich, Mischschweißgüter beliebiger Werkstoffkombinationen in definierten Aufmischungsverhältnissen unter MSG-adäquaten Abkühlbedingungen herzustellen.

Mit dieser Methodik stellten die Wissenschaftler mehrere Umschmelzproben (Mischschweißgüter) her, die unterschiedlich chemisch zusammengesetzt sind und nach Gefügeart, Gefügeanteilen, Härte und Ferritnummer charakterisiert wurden.

Ermittelt wurden so insgesamt acht Gefügegruppen, die je nach Werkstoffkombination und Aufmischung im Mischschweißgut auftreten können. Dabei können die verschiedenen Martensitarten ε und α‘ metallographisch nicht immer eindeutig abgegrenzt werden, unterscheiden sich jedoch in den Eigenschaften.

Die Ergebnisse der Foschungsarbeit 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, also bei höheren Aufmischungen an niedriglegiertem ferritischen bzw. martensitischen Fügepartner oder bei Verwendung niedriglegierter Schweißzusatzwerkstoffe, vorzufinden.

Zudem hat die Bildung des α‘-Martensits direkt etwas mit der hohen Härte in den untersuchten Mischschweißgütern zu tun. Daher sollten die Martensitarten nach Aussagen der Wissenschaftler diferenziert betrachtet werden.

Welchen Einfluss hat die Abkühlgeschwindigkeit auf Gefüge und Härte?

Innerhalb der Forschungsarbeit wurde der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit untersucht. Demnach hat eine signifikante Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit nur bei wenigen Aufmischungsverhältnissen einen wesentlichen Einfluss auf das Gefüge und die Härte. Dies betrifft insbesondere Mischschweißgüter mit sehr hoher Aufmischung an niedriglegiertem ferritischen bzw. 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).

Schweißguthärte grob abschätzen können

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

Schweißgutgefüge aus Austenit + α‘-Martensit äußerst kritisch

Mit dem COHMS-Diagramms konnten die Forscher 89 % der MSG-Schweißgüter korrekt vorhersagen. 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 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.

Die wissenschaftlichen Arbeiten wurden am Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg durchgeführt.

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