In-situ-Analyse der Phasenumwandlungskinetik während des Schweißens

Thomas Kannengießer; Arne Kromm; Jens Gibmeier; Michael Rethmeier

doi:10.3139/120.110122

Article

In-situ-Analyse der Phasenumwandlungskinetik während des Schweißens

Thomas Kannengießer , Arne Kromm , Jens Gibmeier and Michael Rethmeier

Published/Copyright: May 26, 2013

Published by

Become an author with De Gruyter Brill

Submit Manuscript Author Information

From the journal Materials Testing Volume 52 Issue 4

Kurzfassung

Zugeigenspannungen, wie sie beim Schweißprozess durch inhomogene Temperaturverteilungen und Schrumpfungen hervorgerufen werden, können die Lebensdauer geschweißter Verbindungen signifikant herabsetzen. Eine neue und außerordentlich attraktive Methode, um Druckeigenspannungen bereits während des Schweißens gezielt einzustellen, gelingt mit sogenannten LTT (Low Transformation Temperature)-Legierungen. LTT-Legierungen weisen eine martensitische Phasenumwandlung bei relativ niedrigen Temperaturen auf, wobei die damit verbundene Volumenexpansion zu einer Reduktion der Schrumpfeigenspannungen bzw. Erzeugung von Druckeigenspannungen führt. Zum direkten Nachweis der Phasenumwandlungen und der damit verbundenen resultierenden Schweißeigenspannungen wurden erstmals In-situ-Schweißexperimente unter Nutzung hoch energetischer, polychromatischer Synchrotronstrahlung (Weißstrahl) realisiert, um die Umwandlungskinetik während eines realen Schweißprozesses und die daraus resultierenden Schweißeigenspannungen zu analysieren. Es wird gezeigt, dass mit LTT-Legierungen signifikante Druckeigenspannungen in der Schweißnaht erreicht werden.

Abstract

Tensile residual stresses caused by inhomogeneous temperature distributions and shrinkage during welding can substantially reduce the lifetime of welded joints. A new and extraordinarily attractive method for deliberately generating favorable compressive residual stresses already during the welding process with the help of so-called Low Transformation Temperature (LTT) alloys has proved to be successful. LTT alloys exhibit a martensitic phase transformation at relatively low temperatures involving a volume expansion that can reduce the shrinkage stresses or even create compressive residual stresses. In order to furnish direct evidence of the phase transformations and of the associated residual stresses, in-situ welding experiments using high energy polychromatic synchrotron radiation (white beam) were realized for the first time analysing the transformation kinetics during a real welding process and the resulting welding residual stresses. It is demonstrated that with the application of LTT-alloys significant compressive residual stresses are achieved in the weld.

Dipl.-Ing. Arne Kromm, Jahrgang 1978, studierte Maschinenbau mit der Fachrichtung Werkstoff-technik an der Technischen Universität Berlin. Seit 2006 ist er wissenschaftlicher Mitarbei- ter an der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin und bearbeitet ein von der DFG gefördertes Projekt zum Thema Umwandlungsverhalten und Eigenspannungen beim Schweißen von Low-Transformation-Temperature(LTT)-Legierungen.

Dr.-Ing. Thomas Kannengießer, Jahrgang 1971, studierte Maschinenbau mit der Fachrichtung Werkstofftechnik und -prüfung an der Universität Magdeburg. Von 1997 bis 1999 war er Doktorand an der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin und promovierte 2000 am Institut der Füge- und Strahltechnik der Otto-von-Guericke- Universität Magdeburg mit dem Thema „Untersuchungen zur Entstehung schweißbedingter Spannungen und Verformungen bei variablen Einspannbedingungen im Bauteilschweißversuch“. Seit 2005 ist der Leiter der Arbeitsgruppe „Bauteilprüfung“ an der BAM.

Dr.-Ing. Jens Gibmeier, Jahrgang 1969, studierte allgemeinen Maschinenbau an der Universität Kassel. 2004 promovierte er dort am Institut für Werkstoffkunde I mit dem Thema „Zum Einfluss von Last- und Eigenspannungen auf die Ergebnisse der instrumentierten Eindringhärteprüfung“. Von 2006 bis 2008 arbeitete er als Strahlrohrbetreuer am Berliner Elektronen Synchrotron BESSY an einem Messplatz für energiedispersive Synchrotronröntgenbeugung der vom Hahn-Meitner-Institut Berlin (jetzt: Helmholtz Zentrum Berlin) betrieben wurde. Seit 2008 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffkunde I am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Leiter der Abteilung „Struktur- und Spannungsanalyse“.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier, Jahrgang 1972, studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Carolo Wilhelmina zu Braunschweig. 2003 promovierte er dort am Institut für Schweißtechnik zum Thema „MIG-Schweißen von Magnesiumlegierungen“. Von 2002 bis 2006 war er Projektleiter in der Konzernforschung der Volkswagen AG, Wolfsburg und stellvertretender Leiter des Fachgebietes Fertigungstechnik und Produktionskonzepte. 2007 wurde er zum Professor und Leiter des Fachgebiets Sicherheit gefügter Bauteile an der Technischen Universität Berlin berufen. Seit 2007 ist er außerdem Leiter der Fachgruppe Sicherheit gefügter Bauteile der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin.

Literatur

1 H.Wohlfahrt, E.Macherauch: Die Ursache des Schweißeigenspannungszustandes, Materialprüfung19 (1977), No. 8, S. 272–280Search in Google Scholar

2 H. K. D. H.Bhadeshia: Developments in Martensitic and Bainitic Steels: Role of the Shape Deformation, Materials Science and Engineering A378 (2004), S. 34–3910.1016/j.msea.2003.10.328Search in Google Scholar

3 A.Ohta, O.Watanabe, K.Matsuoka, C.Shiga, S.Nishijima, Y.Maeda, N.Suzuki, T.Kubo: Fatigue Strength improvement by using newly developed low transformation temperature welding material, Welding in the World43 (1999), No. 6, S. 38–42Search in Google Scholar

4 W.Wang, L.Huo, Y.Zhang, D.Wang, H.Jing: New Developed Welding Electrode for Improving the Fatigue Strength of Wel-ded Joints, J. Mater. Sci. Technol.18 (2002), No. 6, S. 527–531Search in Google Scholar

5 J.Eckerlid, T.Nilsson, L.Karlsson: Fatigue properties of longitudinal attachments welded using low transformation temperature filler, Science and Technology of Welding and Joining8 (2003), No. 5, S. 353–35910.1179/136217103225005525Search in Google Scholar

6 H.Dai, J.A.Francis, H.J.Stone, H.K.D.H.Bhadeshia, P.J.Withers: Characterizing Phase Transformations and Their Effect on Ferritic Weld Residual Stresses with X-rays and Neutrons, Metallurgical and Materials Transactions A39A (2008), S. 3070–307810.1007/s11661-008-9616-0Search in Google Scholar

7 Th.Kannengiesser, A.Kromm, M.Rethmeier, J.Gibmeier, Ch.Genzel: Residual Stresses and In-situ Measurement of Phase Transformation in Low Transformation Temperature (LTT) Welding Materials, Advances in X-ray Analysis52 (2008), S. 755–76210.1154/1.2951824Search in Google Scholar

8 N.Suzuki, A.Ohta, Y.Maeda: Repair of fatigue cracks initiated around box welds using low transformation temperature welding material, Welding International4 (2004), No. 2, S. 112–117Search in Google Scholar

9 J. W.Elmer, T. A.Palmer: Phase Mapping and Direct Observations of Phase Transformations during Arc Welding of 1045 Steel, Metallurgical and Materials Transactions A 37 A (2006), S. 2171–218210.1007/BF02586137Search in Google Scholar

10 J. W.Elmer, J.Wong, Th.Ressler: Observations of phase transformations during solidification and cooling of austenitic stainless steel welds using time-resolved X-ray diffraction, Scripta Materialia43 (2000), S. 751–75510.1016/S1359-6462(00)00481-4Search in Google Scholar

11 S. S.Babu, J. W.Elmer, J. M.Vitek, S. A.David: Time-resolved X-ray diffraction in Fe-C-Al-Mn steel welds, Acta Materialia50 (2002), S. 4763–478110.1016/S1359-6454(02)00317-8Search in Google Scholar

12 Terasaki, Y. Komizo, M.Yonemuira, T.Osuki: Time-resolved analysis of phase evolution for the directional solidification of Carbon steel weld metal, Metallurgical and Materials Transactions A 37 A (2006), S. 1261–126610.1007/s11661-006-1077-8Search in Google Scholar

13 Ch.Genzel, I. A.Denks, J.Gibmeier, M.Klaus, G.Wagener: The materials science synchrotron beamline EDDI for energy-dispersive diffraction analysis, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A578 (2007), S. 23–3310.1016/j.nima.2007.05.209Search in Google Scholar

14 B. T.Alexandrov, J. C.Lippold: Methodology for in-situ investigation of phase transformations in welded joints, IIW-Doc. No. IX-2114-04 (2004)Search in Google Scholar

15 A.Kromm, Th.Kannengiesser: In-situ-phase analysis using synchrotron radiation of low transformation temperature (LTT) welding material, Soldagem Insp. São Paulo14 (2009), No. 1, S. 82–8810.1590/S0104-92242009000100010Search in Google Scholar

16 E.Macherauch, P.Müller: Das sin²ψ-Verfahren der röntgenographischen Spannungsmessung, Z. angew. Physik13 (1961), No. 7, S. 305–312Search in Google Scholar

Online erschienen: 2013-05-26

Erschienen im Druck: 2010-04-01

You are currently not able to access this content.

Articles in the same Issue

https://doi.org/10.3139/120.110122