Gefüge- und Eigenschaftsvorhersage für das Schweißen hochmanganhaltiger Stähle in Mischverbindung : Schlussbericht der Forschungsstelle(n) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik (IWF) zu dem IGF-Vorhaben Nr. 18.660 BR der Forschungsvereinigung Stahlanwendug e.V. (FOSTA) : Berichtszeitraum: 01.03.2015 - 28.02.2018

Abstract

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 und 22MnB5. 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. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.

The objective of the research project was primarily to improve the dissimilar metal welding of high manganese steels by predicting the microstructure and properties of the weld metal by means of a newly developed constitution diagram. Three economically relevant Fe-Mn steels with different alloying concepts were used as test materials. The HC340LA and 22MnB5 steels, which are widely used in car body construction, served as joining partners, as well as various high manganese metal powder cored electrodes. Using a TIG arc melting furnace, an arc melting method for experimental weld metal simulation was developed, which enables the production of dissimlar weld metal of any material combination in defined dilutions under GMAW adequate cooling conditions. Using this method, a large number of melting samples (dissimlar weld metal) were produced in a wide range of different chemical compositions, which were characterized in terms of type and proportion of microstructure, hardness and ferrite number. A total of eight microstructure groups were determined that can occur depending on the material combination and dilution in the dissimilar weld metal. Of particular importance are the different types of martensite ε and α', since they are not always clearly distinguishable metallographically, but differ considerably in their properties. The results show that the paramagnetic ε-martensite is mainly found in dissimilar weld metals having a relatively high Mn content. The α'-martensite, on the other hand, can be found in dissimilar weld metal with lower Mn contents, i. e. at higher dilutions of low-alloyed ferritic or martensitic steel or in the use of low-alloyed filler metal. A high degree of hardness can be directly related to the formation of α'-martensite in the dissimilar weld metal samples examined here, making it necessary to differentiate between the two types of martensite. Investigations on the influence of the cooling rate showed that a significant increase in the cooling rate has a considerable influence on the microstructure and hardness only at a few dilutions. This particularly applies to dissimilar weld metal with a very high degree of dilution of low-alloyed ferritic or martensitic steel or low-alloyed filler metal. Therefore, it can be assumed that very similar weld metal microstructures and hardness values can be expected in welding processes with higher cooling rates than in GMA welding’s (homogeneous mixing required). Based on the experimentally simulated dissimilar weld metals and the properties determined on it, a comprehensive data set was collected. Using statistical evaluation methods, equivalents were derived that were used to plot the axes of the newly developed constitution diagram, the so-called COHMS diagram. In addition to the microstructure prediction in GMA welds, the COHMS diagram provides a rough estimation of the resulting weld metal hardness by means of HV-ISO lines. The validation of the COHMS diagram by actual GMA welds resulted in a very good prediction accuracy. 89 % of the GMA welds were correctly predicted. The remaining 11 % were close to the boundary lines. Investigations on the influence of the type of microstructure - in particular the martensite content - on the mechanical and technological properties of the welded joints showed that a weld metal microstructure consisting of austenite + α'-martensite is extremely critical. The tested dissimilar metal joints with this weld metal microstructure showed significantly worse strength values in comparison to the other welds, both under static and dynamic impact loads and mainly failed in the weld metal. The objectives of the project were achieved.