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Untersuchung der Mikrorissbildung beim Schweißen hochfester Feinkornbaustähle
Heinze, Christoph
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Mikrorissbildung beim Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen durchgeführt worden. Innerhalb des experimentellen Teils ist insbesondere der hochfeste Feinkornbaustahl S960QL mit einer Blechdicke von 20 mm verschweißt worden. Die besonderen Rahmenbedingungen unter Verwendung des modifizierten Sprühlichtbogens: kleiner Nahtöffnungswinkel, hohe Stromstärke, geringe Raupen- bzw. Lagenanzahl und kleine Nahtbreite: Nahtdicken-Verhältnis stellen eine Herausforderung für die verwendeten Grund- und Zusatzwerkstoffe dar. Das Auftreten von Mikrorissen ist ein Indiz für die kritische Prozessführung im Zusammenhang mit den eingesetzten Werkstoffen, wobei sich diese Erkenntnis nicht auf den modifizieren Sprühlichtbogen begrenzt, da auch Sprühlichtbogenschweißungen Mikrorisse aufweisen. Die Untersuchung von verschiedenen Grund- und Zusatzwerkstoffen zeigt auf, dass es sich nicht um spezielle Versuchswerkstoffe mit unterdurchschnittlichen Eigenschaften handelt, vielmehr ist ein systematisches Auftreten von Mikrorissen unter Beachtung verschiedener Ausgangswerkstoffchargen in den gleichen Festigkeitsklassen festgestellt worden. Die umfangreiche Analyse der Mikrorisse umfasst mikrostrukturelle Untersuchungen im Licht-, Rasterelektronen- und Augerelektronenmikroskop sowie die Bestimmung des diffusiblen Wasserstoffgehalts, Schallemissionsmessung, mechanisch-technologische Kennwertbestimmung und thermodynamische Berechnungen. Die Hauptversuche an zweilagig geschweißten 20 mm dickem S960QL erfolgte unter Anwendung der statistischen Versuchsplanung und konnten einen signifikanten Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Mikrorissanzahl der zweiten Lagen feststellen. Die weiteren untersuchten Faktoren: Vorwärmtemperatur, Drahtvorschubgeschwindigkeit und Nahtöffnungswinkel zeigten keine signifikanten Effekte auf die Mikrorissanzahl mit Bezug auf den untersuchten Parameterraum. Die genannten Analysemethoden führten zur Einordnung der vorliegenden Mikrorisse als Heißrisse. Die Resultate der Arbeit lassen es zu drei wesentliche Einflussgrößen auf die Mikrorissbildung herauszustellen. Zum einen ist das Einbrandprofil (kleines Nahtbreite:Nahtdicke-Verhältnis) und die sich ergebenden Spannungs- bzw. Dehnungszustände, vor allem in Nahtdickenrichtung, ausschlaggebend. Zum anderen wirkt sich der hohe Energieeintrag auf die Erstarrungsvorgänge aus und verändert die Dendritenmorphologie sowie das Seigerungsverhalten negativ, so dass die Heißrissbildung unterstützt wird. Letztlich trägt auch die Qualität bzw. chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes zur Heißrissempfindlichkeit von hochfesten Feinkornbaustählen bei. Mikrorissfreie Schweißungen konnten durch verschiedene Anpassungen, welche sich prozesstechnisch gegenseitig bedingen können, erzeugt werden. Diese Anpassungen umfassen das Einbrandprofil, die Erhöhung der Raupenanzahl, die Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit und die Auswahl des Grundwerkstoffs.
Within in the present dissertation, the investigation of microcracks due to welding of high-strength fine-grained structural steels was performed. Basically, the steel grade S960QL was welded with a thickness of 20 mm. The special conditions: small weld groove angle, high welding current, reduced number of beads and small weld width-to-depth-ratio express a challenge for the used base and filler metals. The occurrence of microcracks is an indication for the critical process control regarding the used materials.
The investigation of different base and filler metals shows that there is a systematic occurrence of microcracks throughout different material heats for several steel grades. The further analysis includes microscopic investigations, determination of the diffusible hydrogen content, acoustic emission testing, mechanical testing and thermodynamic calculations. The main weld tests were performed on 20 mm S960QL under consideration of design of experiments. Resulting from these tests, the welding speed could be determined to have a significant effect on the number of microcracks on the second bead of the conducted two bead weldment. Furthermore, the other parameter: preheat temperature, wire feeding speed and weld groove angle did not show any significant influence on the number of microcracks considering the applied parameter space.
The mentioned analysis allows the classification of the occurred microcracks as hot cracks. There are three major reasons, which affect the sensitivity of high-strength fine-grained structural steel to hot crack formation. Firstly, the weld bead profile is decisive because a small width-to-depth ratio results in higher stress and strain components in thickness direction supporting present hot crack formation. Secondly, the high heat input affects solidification and segregation assisting hot crack initiation. Finally, the quality of the base material in terms of homogeneity and tramp element content influences the hot crack formation.
Microcrack free welds could be conducted via multiple adjustments, which can affect each other, such as weld bead profile, higher bead number, reduced welding speed, and choice of base material.
