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Schweißen im Allgemeinen

Einleitung

Die ältesten Formen des Schweißens sind weit über 4000 Jahre alt. Bereits bei den Sumerern und Ägyptern verband man Goldlegierungen durch Schweißen miteinander. Aus kleinen, in Holzkohlestaub geschmolzenen Kugeln wurden kunstvolle Ornamente zusammengesetzt und zusammengeschweißt. Mindestens 400 v.C. kannte man bereits den Schmiedestahl (z.B. Damaszenerstahl) und das Feuerschweißen.

Schweißen ist also das Vereinigen von Werkstoffen unter Anwendung von Wärme oder Kraft, oder von beidem mit oder ohne Schweißzusatz. Schweißhilfsstoffe, wie z.B. Schutzgase, Schweißpulver oder Pasten ermöglichen oder erleichtern das Schweißen. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt. Nach dem Einsatzzweck wird das Schweißen in Verbindungs- und Auftragsschweißen unterteilt. Nach dem physikalischen Ablauf erfolgt die Einteilung in Schmelz- und Pressschweißen.

Inhalte

Die Fachgruppe Schweißtechnik beschäftigt sich mit grundlagen- und anwendungsorientierten Arbeiten auf dem Gebiet der Lichtbogenschweißtechnik. Einen Schwerpunkt bildet dabei die Entwicklung von Zusatzwerkstoffen und Verfahren zum vollflächigen und partiellen Auftragschweißen von Werkzeugen aus dem Bereich der Warmformgebung. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die den Verschleiß- und Korrosionsschutz positiv zu beeinflussen.

Themenschwerpunkte der Arbeiten sind:

Schweißmetallurgie und Sonderwerkstoffe

In diesem Bereich beschäftigen sich die Wissenschaftler mit der Veränderung der Metallurgie des Schmelzbades, der Erfassung von Flussmitteleffekten zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Titanwerkstoffen. Hierzu werden unter Schutzgasatmosphäre die Reintitansorten Grad 1 – 4 sowie die hochfeste Legierung TiAl6V4 verarbeitet. Die zur Anwendung kommenden Schweißverfahren sind das Mikroplasma- und das Wolfram-Inertgas Schweißen. Verarbeiten werden dabei Dünnbleche im Bereich von 0,5 – 3mm Dicke.

Trotz der im Allgemeinen als gut bezeichneten Schweißeignung gibt es beim Fügen insbesondere der höherfesten Reintitanwerkstoffe Schwierigkeiten, welche das Anwendungsspektrum dieser Werkstoffe deutlich einschränken. Eines der Kernprobleme stellen die schlechten mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte dar, welche auf die ungünstigen, groben Gefügestrukturen im Schweißgut und der Wärmeeinflusszone zurückgeführt werden. Ansätze zur Reduzierung der Streckenenergie, z.B. durch das Schweißen mit einem Laser- oder Elektronenstrahl, ein oszillierender Lichtbogen bzw. gepulster Schweißstrom beim WIG-Schweißen oder ein partielles Kühlen einzelner Bereiche der Schmelze erreichen lediglich eine beschränkte Feinung des Gefüges. Untersucht wird, ob der Einsatz kornfeinender Mittel eine Steuerung des Nahtgefüges an Titanwerkstoffen ermöglicht. Im Vordergrund steht hierbei die Erhöhung der Schweißnahtduktilität und der damit verbundenen Umformbarkeit unter Beibehaltung der Festigkeit. Als Verfahren kommen das WIG- und das Mikroplasmaschweißen zur Anwendung. Für die Untersuchungen wurden 1 mm dicke Bleche aus Titan grade 1 (3.7025), grade 2 (3.7035) und grade 4 (3.7065) verwendet.

Die Versuche erfolgten wegen der sehr hohen Affinität von Titan zu atmosphärischen Gasen unter Argon-Schutzgasatmosphäre. Verschweißt werden Bleche der Dicke 1mm, wobei das Impfmittel als alkoholische Suspension auf die Schweißkanten bzw. das Blech aufgesprüht wurde. Nach Verdampfen des Alkohols bleibt eine homogene dünne Schicht des keramischen Impfmittels zurück und wird durch Überschweißen in den Schweißprozess integriert. Es werden Fremdkeimsubstanzen verwendet, deren Schmelzpunkte über dem von Titan (1660 °C) liegen. Zur Vermeidung einer möglichen Freigabe schädigender Elemente wie H, O und N durch Zersetzung der Impfmittel, werden verschiedene Karbide als Impfmittel ausgewählt. Aufgrund der hohen Effizienz zur Gefügefeinung durch Impfmittel beim Gießen sollte hierbei geklärt werden, welchen Einfluss entsprechende Impfmittel auf die Erstarrung eines Schweißschmelzbades haben und ob damit ein feinkörniges Schweißgefüge herstellbar ist. Die Wirkung basiert dabei darauf, dass die Fremdsubstanz im Wesentlichen die Grenzflächenenergieverhältnisse verändert und sich das kritische Keimvolumen vermindert. Vorraussetzung für Impfmittel sind eine hohe thermische Beständigkeit (d.h. hoher Schmelzpunkt), geringe Gitterfehlpassung zum Gitter des Matrixmetalls und eine geeignete Teilchengröße zwischen 0,5 und 10 µm. Angaben über die Anwendung des Impfens beim Schweißen von Titan sind sehr beschränkt.

In nicht geimpften Schweißnähten an Titan Grad 1 bildet sich ein grobkörniges Gefüge aus a-Phase (Abbildung 1) und bei Titan Grad 2 ein aus Platten und Nadeln bestehendes Gefüge (a’-Phase) aus.

 

a) Schweißgut bei Titan Grade 1
b) Schweißgut bei Titan Grade 2

Abbildung 1: Gefüge von nicht geimpften WIG Schweißnähten an Reintitan (Grad 1)

Dieses Gefüge kann auf die höhere Menge von b-stabilisierenden Begleitelementen (hauptsächlich Eisen) bei Titan Grade 2 zurückgeführt werden. Eine vollständige b-Stabilisierung liegt hierbei aber nicht vor, sodass auch bei Titan Grad 2 die a-Phase vorherrscht. Ein Impfen mit ausgewählten Karbidpulvern führt zu einer starken Verfeinerung des Gefüges innerhalb der Körner in der Schweißnaht. Die primäre Korngröße bzw. das primäre Gefüge wird nicht durch die Zugabe der pulverförmigen Karbide beeinflusst. In Abbildung 2 sind die Mikroschliffe von mit verschiedenen Karbiden geimpften Schweißnähten an Ti Grade 1 dargestellt.

Die innere Struktur der Körner in den mit TaC geimpften Schweißnähten ist in diesem Vergleich am günstigsten ausgebildet. Es ließ sich kein signifikanter Unterschied der Gefüge der geimpften Schweißnähte an Titan Grade 1 und Titan Grade 2 feststellen. Die Verfeinerung des Gefüges tritt erst ab einem bestimmten Impfmittelgehalt ein.



 

TaC (0,7 At.-%)
TaC (0,4 At.-%)

Abb. 2: Gefügestruktur der mit verschiedenen Karbiden geimpften Schweißnähte Ti Grad 1

Für TaC beträgt diese Grenze ca. 1 Gew.-%. Elektronenstrahlmikroanalysen (ESMA) des Schweißnahtgefüges ergeben eine gleichmäßige Verteilung der metallischen Basis der Impfmittel in der Naht. Es ist davon Auszugehen, dass die vorherrschenden Lichtbogentemperaturen >4000°C zur Zersetzung und Lösung der Impfmittel in der Titanmatrix führen. Dies ist zumindest für Tantal sehr wahrscheinlich, da es bei 882°C im Titan vollständig interstitiell löslich vorliegt. Die Nahthärte ist abhängig von der verwendeten Karbidart, da die Härte der Karbidteilchen im Werkstoffgefüge zum wesentlichen Einflussparameter wird (Abbildung 3). Mit steigendem Impfmittelgehalt und damit zunehmenden Sekundärkornfeinungsgrad nimmt die Nahthärte zu. Die abfallende Tiefungsfähigkeit bei einem Großteil der untersuchten Karbide zeigt, dass die Umformbarkeit der Schweißnähte durch das Impfen nicht positiv beeinflusst werden kann. Die geimpften Nähte zeigen eine tendenziell erhöhte Zugfestigkeit, zeigen aber im Vergleich zu den Grundwerkstoffdaten nicht wesentlich schlechtere Eigenschaften (Abbildung 4).

 

Abb. 3: Einfluss vom Impfen mit Karbidpulver auf die Schweißnahthärte

Abb. 4: Einfluss von Tantal basierten Impfmittelzusammensetzungen auf die
Umformbarkeit (Erichsen Tiefung) und die Festigkeit der Schweißverbindungen.

Verschleiß- und Korrosionsschutz

Die Arbeiten umfassen die Untersuchung von Plasma-Pulver-Auftragschweißprozessen zur Applikation von Korrosions- und Verschleißschutzschichten auf z.B. duktileren Grundmaterialien. Durchgeführt werden hier Standartversuche zum Aufschweißen von Panzerungen und Korrosionsschutzschichten (Abbildung 5) sowie experimentelle Untersuchungen an neuen Werkstoffkombinationen zum Verschweißen von Materialien, welche aufgrund ihrer Metallurgie normalerweise nicht miteinander kooperieren. Beispielhaft ist hier die Materialkombination Magnesium und Titan zu nennen (Abbildung 6).

 

Abb. 5: PPA Schweißnaht auf 42CrMo4
Abb. 6: TiAl6V4 Pulver aufgeschweißt auf die Magnesiumlegierung AM20

Die Schweißnähte werden anschließend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Verschleißbeständigkeit untersucht, sowie mit elektrochemischen Methoden, bzw. dem Salznebelsprühtest auf ihre Korrosionsbeständigkeit getestet.

 

Abbildung 7: Versuchsstand zum PTA-Schweißen

Zusatzwerkstoffentwicklung

Einen Schwerpunkt der Fachgruppe bildet die Entwicklung und Herstellung von Schweißzusatzwerkstoffen. Hierzu werden Doppelmantel- und Einfachmantelfülldrähte entwickelt (Abbildung 8 und 9). Die an den vorhandenen Drahtziehanlagen hergestellten Zusatzwerkstoffe werden dann verschweißt und untersucht. Die Arbeiten zielen zum einen auf die Entwicklung von Zusatzwerkstoffen zum kontinuierlichen Metallfülldrahtschweißen (MF) mit selbstschützenden Elektroden sowie zur Einbringung von Impfmitteln beim Schweißen von Titan.

 

Abb. 8: Anlage zur Herstellung von einfach ummanteltem Fülldraht
Abb. 9: Anlage zur Herstellung von Doppelmantelfüllung
Abb. 10: Abschmelzversuch zur Untersuchung eines mit TaC gefülltem Titanfülldrahtes zur Kornfeinung von Titanschweißnähten