An investigation of microstructure and mechanical properties of low carbon steels subjected to welding

Komerla, Krishna Chaitanya; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Reisgen, Uwe (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Schweißen ist ein komplexer thermomechanischer Prozess, bei dem unter transienten und Ungleichgewichtsbedingungen mehrere metallurgische Phänomene gleichzeitig auftreten können. Die Wärmezyklen bei dem Schweißvorgang führen zu erheblichen Änderungen der Mikrostruktur des Materials und beeinflussen dadurch die mechanischen Eigenschaften der Schweißteile. Um eine stabile Verbindung herzustellen, ist es wichtig, die Auswirkungen der verschiedenen Prozessparameter auf die Schweißgefüge und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht zu verstehen. Neben konventioneller Prozessparameter wie, Beschleunigungsspannung, Stromstärke, Schweißgeschwindigkeit und angewandten Außendruck, ein tieferes Verständnis des Einflusses von Schweißparameter wie Werkzeugversatz, Strahloszillationen und Oszillationstrajektorien erforderlich ist um langlebige und nachhaltige Verbindungen herzustellen. In dieser Studie wird die Wirkung solcher unkonventioneller Prozessparameter zur Qualität von Schweißnähten vorgestellt. Zu diesem Zweck wurden die beiden folgenden Schweißverfahren untersucht 1.Schmelzschweißverfahren - Hochenergiestrahlschweißen 2.Druckschweißen - Reibrührschweißen. Kohlenstoffarme Stähle wie der Dualphasenstahl für die Automobilindustrie (DP1000) und der tiefziehbare DC04, die jeweils 1 mm dick, sowie ein 5 mm dicker Baustahl S235JR wurden untersucht. Zusätzlich wurde für das ungleiche Reibrührschweißen eine 1,12 mm dicke lösungsbehandelte und gealterte Aluminiumlegierung AL6016-T4 ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei gleichem Wärmeeintrag die Anwendung der unkonventioneller Prozessparameter können eine Reihe von verschiedener Schweißgefüge ergeben, die verbesserte mechanische Eigenschaften der Schweißnaht aufweisen. Bei den Hochenergiestrahlschweißen wurden Strahlschwingungen angewendet, um eine dynamische Leistungsverteilung um die stationäre Position des Strahls herum zu erzeugen, die den Wärmefluss im "Keyhole" verbessert und breitere Schmelz- und Wärmeeinflusszonen erzeugte. Eine Reduzierung der Größe von Schweißkronen konnte durch einfaches Oszillieren der Energiequelle erreicht werden. Infolge dieser dynamischen Leistungsverteilung zeigte die Schweißmikrostruktur große säulenförmige Körner in der Schmelzzone und gleichachsige Körner mit unterschiedlicher Größe in der Wärmeeinflusszone. Diese Variation der Korngröße über die Schweißverbindung könnte auf den steilen Temperaturgradienten zurückgeführt werden, der bei dem Elektronenstrahlschweißen erzeugt wird. Typischerweise wird bei Schweißnähten eine hohe Härte beobachtet, da beim herkömmlichen Schweißen abgeschreckter Martensit auftritt. Schweißproben, die unter Verwendung von Strahloszillationen hergestellt wurden, besaßen jedoch nicht nur eine geringere Härte, sondern zeigten auch eine erhöhte Zugfestigkeit, eine geringere Restspannung und minimalen Verzug im Vergleich zu den durch stationäres Strahlschweißen erzeugten Fugen. Diese Abnahme der Härte ergab sich aus einem verstärkten Kornwachstum und einer zusätzlichen Diffusion von Kohlenstoff aus dem Austenit Gitter, die durch Strahlschwingungen verursacht wurden. Im Falle des Reibrührschweißens, der Werkzeugversatz führte zu einem Schweißmodus, bei dem sich minimale Scherdehnungen im Stahl akkumulierten und eine vollständige dynamische Rekristallisation der Mikrostruktur im Aluminium erreicht wurde. Zusätzlich wurden makroskopisch defektfreie und intermetallische verbindungsfreie Verbindungen erzielt. Wobei, nur ein kleiner Teil der Fe-Späne in die Aluminiummatrix eingebettet war. Durch plastische Verformung und thermische Effekte wurden signifikante Unterschiede in der Korngröße und Mikrohärte in der Schweißverbindung erzeugt. Hohe Temperaturen und extreme Dehnraten, die bei dem Schweißprozess auftreten, aktivierten die dynamische Rekristallisation der Mikrostruktur in der Aluminiumlegierung. Die kernel average misorientation (KOM) karte zeigte den Mangel an gespeicherter Deformationsenergie, was auf das vollständige rekristallisation hinweist. Aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität rekristallisierte Stahl jedoch nicht, sondern wies sowohl in der thermomechanisch beeinflussten Zone als auch in der Wärmeeinflusszone ein marginales Kornwachstum auf. Es enthielt auch eine sehr feine Kornstruktur in der Schweißzone. Die für die Schweißzone der Fe-Legierung aufgetragenen Texturkarten zeigten eine schwache Schertextur, was auf eine minimale Scherdehnungsakkumulation hinweist. Durch die Anwendung solcher Prozessparameter und das Verständnis ihrer Auswirkungen auf die Mikrostruktur können Verbindungen mit verbesserter Lebensdauer zu niedrigen Kosten hergestellt werden. Die experimentelle Erforschung solcher Parameter ist jedoch sowohl zeitaufwendig als auch teuer. Daher besteht ein großer Bedarf an numerischen Modellen, die den mechanischen Endzustand der Schweißverbindungen vorhersagen. Daher wird in diesem Projekt auch ein solcher Versuch unternommen, einen metallurgischen Rahmen zu entwickeln, um den Prozess des Schweißens, seine Metallurgie und Mikrostruktur zu untersuchen und zu analysieren. Zur Simulation des Schmelzschweißprozesses wurde eine sequentiell gekoppelte Finite-Element-Formulierung angenommen. Um die scharfen Temperaturgradienten über die verschiedenen Schweißzonen genau vorherzusagen, wurde ein bewegliches volumetrisches Wärmequellenmodell entwickelt, das eine konisch und eine kugelförmige Wärmeflussverteilung kombiniert. Die mit diesem Wärmequellenmodell berechneten Temperaturprofile stimmten hervorragend mit den experimentell gemessenen Daten überein. Zusätzlich wurde durch einen Vergleich der optischen Schliffbilder mit den simulierten Schweißgeometrien, die Basis des entwickelten Rahmens weiter gestärkt.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]