Schweißen hochmanganhaltiger Stähle in Mischverbindung – Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage

Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand primär in der Verbesserung der schweißtechnischen Verarbeitung von hochmanganhaltigen Stählen in Mischverbindung durch eine Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage der Mischschweißgüter mithilfe eines neu entwickelten Konstitutionsschaubildes.

Als Versuchswerkstoffe wurden drei wirtschaftlich relevante Fe-Mn-Stähle unterschiedlichen Legierungskonzeptes 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.

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.

Mithilfe dieser Methodik wurde eine Vielzahl von Umschmelzproben (Mischschweißgüter) in einem breiten Spektrum unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen erzeugt, die hinsichtlich Gefügeart, Gefügeanteilen, Härte und Ferritnummer charakterisiert wurden.

Es wurden insgesamt acht Gefügegruppen ermittelt, die in Abhängigkeit der Werkstoffkombination und Aufmischung im Mischschweißgut auftreten können. Von besonderer Bedeutung sind die verschiedenen Martensitarten ε und α‘, da diese metallographisch nicht immer eindeutig abzugrenzen sind, sich aber wesentlich in den Eigenschaften unterscheiden.

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

Eine hohe Härte ist in den hier untersuchten Mischschweißgütern direkt mit der Bildung des α‘-Martensits in Verbindung zu bringen, weshalb eine Differenzierung der beiden Martensitarten zwingend 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 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).

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 sog. COHMS-Diagramm, aufspannen.

Neben der Gefügevorhersage in MSG-Schweißgütern ermöglicht das COHMS-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 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 hoch-manganhaltiger Stähle in Mischverbindung“ (P 1108 / IGF-Projekt Nr. 18660 BR) der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., 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

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Prof. Dr.-Ing. Sven Jüttner
M. Sc. Benjamin Wittig
Dr.-Ing. Manuela Zinke