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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen wenigstens zweier metallischer
Bauteile durch thermischen Energieeintrag zur Ausbildung eines beide
Bauteile miteinander verbindenden Schweißbereiches in Form einer Schweißnaht und/oder
eines Schweißpunktes.
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Stand der Technik
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Die
Belastungsgrenzen von aus metallischen Werkstoffen bestehenden Bauteilen
werden im Wesentlichen von der Mikrostruktur der Werkstoffe, ihren
Eigenspannungen sowie ihrer konstruktiven Gestaltung bestimmt. Werden
zwei aus metallischen Werkstoffen bestehende Bauteile mittels thermischen
Energieeintrag unter Ausbildung einer beide Bauteile miteinander
verbindenden Schweißverbindung
in Form einer Schweißnaht
und/oder eines Schweißpunktes
miteinander gefügt,
so hängt
die Festigkeit der Fügeverbindung
auch von der Güte
der sich während
der Schweißung
ausbildenden, sog. Wärmeeinflusszone
ab, die jenem Bauteilbereich entspricht, der sich jeweils unmittelbar
an die Schweißnaht
oder an den Schweißpunkt
anschließt und
aufgrund des thermischen Energieeintrages eine metallographisch
sichtbare Beeinflussung des Gefügezustandes
im metallischen Werkstoff erfährt.
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Die
Eigenschaften der sich durch den im Wege eines Schweißvorganges
ausbildenden Wärmeeinflusszonen
werden im Wesentlichen von der Art des Grundwerkstoffes und von
der Menge des Wärmeeintrages
und den davon abhängigen
thermischen Aufheiz- und Abkühlverläufen bestimmt,
die die betreffenden Gefügebereiche
des Grundwerkstoffes während
des thermischen Energieeintrages bzw. während des Schweißvorganges
so zusagen „wärmebehandeln”. So ist
das Ausmaß der
Veränderungen
an dem metallischen Werkstoff innerhalb der Wärmeeinflusszone von vielen
Faktoren abhängig, so
u. a. von den Schweißparametern,
den Bauteilabmessungen, der Geometrie des Schweißbereiches, bspw. die Breite,
Tiefe und Form einer Schweißnaht betreffend,
den Eigenspannungszuständen
der am Fügeprozess
beteiligten Bauteile, und von den chemischen Zusammensetzungen sowohl
des Bauteilwerkstoffes sowie auch der für den Fügevorgang erforderlichen Zusatzwerkstoffen.
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Insbesondere
in Folge des hohen Eintrags an thermischer Energie innerhalb des
Fügebereiches zur
Ausbildung einer Schmelze entsteht in den schmelzgrenznahen Werkstoffbereichen
der beteiligten Bauteile oft ein ausgeprägtes Kornwachstum. Mit zunehmender
Korngröße des metallischen
Gefüges der
sich innerhalb der Wärmeeinflusszone
ausbildenden sog. „Grobkornzone” werden
jedoch die mechanischen Gütewerte,
wie bspw. die Zähigkeit,
signifikant ungünstiger.
Grundsätzlich
lässt sich
daher feststellen, dass durch den im Wege eines Schweißprozesses
erforderlichen thermischen Energieeintrag die Werkstoffeigenschaften
der Wärmeeinflusszone und
damit das Bauteilverhalten im gefügten Zustand nachteilig beeinflusst
werden können,
wodurch eben jener unmittelbar an den Schweißbereich angrenzende Bauteilbereich
einen Ausgangspunkt für
ein Versagen der gesamten Schweißverbindung darstellt.
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Zur
Begegnung dieses bekannten, problematischen Phänomens der Ausbildung einer
die Schweißverbindung
schwächenden
Grobkornzone innerhalb der Wärmeeinflusszone
werden bis anhin unterschiedliche Anstrengungen unternommen. Eine Möglichkeit
stellt die Optimierung der Schweißparameter dar, durch die insbesondere
die Dynamik sowie auch die Menge der in den Schweißbereich
deponierten thermischen Energie beeinflusst werden. Jedoch sind
der Optimierung der Schweißparameter in
Bezug auf die Ausbildung der Wärmeeinflusszone deutliche
Grenzen gesetzt, zumal eine ausschließliche Fokussierung auf die
Optimierung der Auswahl von Schweißparametern, bspw. mit dem
Ziel der Ausbildung einer räumlich
möglichst
kleinen und möglichst
feinkörnigen
Wärmeinflusszone,
andere für
die Ausbildung der Schweißverbindung
durchaus wichtige Aspekte vollkommen außer Acht lassen würde. So gilt
es die Schweißparameter
auch im Hinblick auf eine einzuhaltende Geometrie des Schweißbereiches,
auf möglicherweise
bestehende Eigenspannungen sowie Verzug in den jeweilig miteinander
zu verbindenden Bauteilen sowie auch auf ein möglichst fehlerfreies Schweißgut abzustimmen,
um nur einige fügetechnisch
relevante Aspekte zu nennen.
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Eine
weitere Alternative zur Begegnung der Ausbildung einer die Güte der Schweißverbindung nachteilhaft
beeinträchtigenden
Wärmeeinflusszone stellt
die thermische Nachbehandlung der Schweißverbindung dar. So können mit
Hilfe auf die Wärmeeinflusszone
abgestimmte Glühverfahren
durchaus unter bestimmten Randbedingungen beispielsweise eine nachträgliche Eigenspannungsreduzierung
im Bereich der Wärmeeinflusszone
ergeben, jedoch beeinflussen die damit verbundenen Glühtemperaturen unweigerlich
auch die Festigkeitseigenschaften aller übrigen Bereiche der Schweißverbindung,
wie das Schweißgut,
die sich an die Grobkornzone angrenzenden restlichen Bereiche der
Wärmeeinflusszone sowie
der an die Wärmeeinflusszone
angrenzende metallische Werkstoff des Bauteils. Darüber hinaus kann
eine thermische Nachbehandlung zum Verzug der jeweiligen Bauteile,
zu einer Verzunderung der Bauteiloberflächen sowie zu einer Veränderung,
zumeist in Form einer Abnahme der Festigkeitseigenschaften der Bauteile
führen.
Eine Kornfeinung innerhalb der Grobkornzone der Wärmeeinflusszone
ist auf diese Weise nicht oder nur in einem sehr geringen Maße möglich.
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Darüber hinaus
wurden Versuche unternommen, die durch die Grobkörnigkeit bedingte strukturelle
Schwächung
innerhalb der Wärmeeinflusszone durch
eine mechanische Nachbehandlung zu reduzieren bzw. zu beseitigen,
bspw. mittels Kugelstrahlen, Hämmern,
Walzen oder ähnliches
im Bereich der Wärmeeinflusszone.
Derartige Maßnahmen
führen zu
plastischen Verformungen und einer damit einhergehenden oberflächennahen
Verfestigung des Bauteilwerkstoffes sowie zur Ausbildung von Druckeigenspannungen.
Letztere werden bei schwingender Beanspruchung der gefügten Bauteile
durch Ermüdungsvorgänge jedoch
oft wieder abgebaut. Eine derartige mechanische Nachbehandlung vermag
die Grobkörnigkeit
innerhalb der Wärmeeinflusszone
jedoch keineswegs signifikant zu reduzieren.
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Das
insbesondere bei Schweißverbindungen auftretende,
vorstehend geschilderte Problem kann natürlich grundsätzlich vermieden
werden, indem alternative Fügeverfahren,
wie bspw. Clinchen, Nieten oder Kleben, eingesetzt werden, jedoch
sind mit diesen Alternativen andere Nachteile verbunden, wie bspw.
weitaus geringere Fügefestigkeiten,
höheres Gewicht
durch entsprechend notwendige Materialüberlappungen zweier Bauteile
etc..
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Es
bleibt daher festzustellen, dass bislang keine zufrieden stellenden
Maßnahmen
bekannt sind, mit denen einer Schwächung aufgrund der Ausbildung
der vorstehend beschriebenen Grobkornzone innerhalb der Wärmeeinflusszone
bei Schweißverbindungen
zwischen metallischen Bauteilen wirksam entgegengetreten werden
kann.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen wenigstens
zweier metallischer Bauteile mittels thermischen Energieeintrag zur
Ausbildung eines beide Bauteile miteinander verbindenden Schweißbereiches
in Form einer Schweißnaht
und/oder eines Schweißpunktes
derart anzugeben, dass einer Verbindungsschwächung beruhend auf einer sich
innerhalb der Wärmeeinflusszone
ausbildenden Grobkornzone, wirksam entgegen getreten werden soll.
Die hierbei zu treffenden Maßnahmen
sollen weder die Bauteile noch die sich ausbildende Fügeverbindung
schwächen,
vielmehr gilt es eine Kornfeinung in der die Fügeverbindung schwächenden
Grobkornzone innerhalb der Wärmeeinflusszone
herbeizuführen.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche
sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
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Dem
lösungsgemäßen Verfahren
liegt eine Kornfeinung in metallischen Werkstoffen durch eine umwandlungsbedingte
Kornneubildung bzw. eine Kornneubildung durch Rekristallisation
zugrunde. So ist lösungsgemäß erkannt
worden, dass eine gleichmäßige an
den metallischen Grundwerkstoff des jeweiligen Bauteils angepasste
Kornstruktur im kritischen Bereich der Grobkornzone der Wärmeeinflusszone
erhältlich
ist, wenn die Wärmeeinflusszone und
hier insbesondere die Grobkornzone, d. h. jener Bauteilbereich unmittelbar
angrenzend an den sich im Wege des thermischen Fügeverfahrens ausbildenden Schmelzbereiches,
vor dem thermischen Energieeintrag plastisch verformt wird.
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Durch
eine gezielte plastische Verformung der sich im Wege des thermischen
Energieeintrages ausbildenden Wärmeeinflusszone
werden Fehlstellen innerhalb der metallischen Gefügestruktur
des jeweiligen Bauteiles eingebracht, die wiederum Ausgangspunkte
für Rekristallisationsvorgänge sind,
die durch den thermischen Energieeintrag im Rahmen des nachfolgende
Schweißprozesses
ausgelöst
werden. Die Rekristallisationsvorgänge führen zu einer Kornneubildung
mit einer weitaus geringeren Korngröße als es im vorstehend beschriebenen
Fall der sich bei konventionellen Schweißtechniken, allen voran das
Gasschmelzschweißen,
Lichtbogenschweißen,
Schutzgasschweißen
oder das Widerstandsschweißen,
ausbildenden Grobkornzone innerhalb der Wärmeeinflusszone der Fall ist.
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Die
plastische Deformation, die vorzugsweise durch Prozesse wie Kugelstrahlen,
Hämmern oder
Laserschockbehandlung herbeigeführt
werden kann, aber durchaus auch im Rahmen einer mechanischen Bearbeitung
der zu fügenden
Bereiche der Bauteile, bspw. im Wege von Abkanten, Schleifen, Fräsen etc.,
durchgeführt
werden kann, beschränkt sich
im lösungsgemäßen Sinne
ausschließlich
auf jenen Bauteilbereich, der vom thermischen Energieeintrag erfasst
wird und innerhalb dem der metallische Werkstoff des Bauteils eine
metallographisch sichtbare Beeinflussung des Gefügezustandes erfährt.
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Gilt
es bspw. zwei stabförmig
ausgebildete Bauteile längs
ihrer Stirnseiten im Wege eines Schweißvorganges miteinander zu verbinden,
so erstreckt sich die sich durch den Schweißprozess ausbildende Wärmeeinflusszone
jeweils orthogonal zur Stirnseite in das Innere des Bauteils. Für eine effektive
plastische Verformung eben diesen Bauteilbereiches gilt es die Stirnseite
einer oberflächigen
plastischen Verformung bspw. im Wege eines Kugelstrahlverfahrens
zu unterziehen und dies mit einer Tiefenwirkung, die wenigstens
der Tiefe der sich ausbildenden Grobkornzone entspricht. Im Falle
der vorstehend geschilderten stabförmig ausgebildeten Bauteile
erfolgt somit die oberflächige
Behandlung ausschließlich
längs der
Stirnseiten beider Bauteile.
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Gilt
es andererseits bspw. zwei blechartig ausgebildete Bauteile im Überlapp
schweißtechnisch zu
fügen,
so erfolgt die dem Schweißprozess
vorgelagerte plastische Deformation ausschließlich an den in Überlappung
tretenden Oberflächenbereichen
beider zu fügender
Bauteile.
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Eine
Optimierung bezüglich
der Auswahl der Bauteilbereiche, die der plastischen Deformation
zu unterziehen sind sowie der Ausprägung der durch die plastische
Deformation verbundene Tiefenwirkung wird im Rahmen von Vorversuchen
am jeweiligen Bauteil oder bauteilähnlichen Proben in Abhängigkeit der
entsprechenden Werkstoffe sowie der zum Einsatz kommenden Schweißtechniken
ermittelt. So gilt es die plastische Deformation an den entsprechenden
Bauteilbereichen derart durchzuführen,
dass die gesamte Randschicht des Bauteils, die der sich im Wege
des Schweißprozesses
ausbildenden Grobkornzone entspricht, erfasst wird, wobei die durch
die plastische Deformation hervorgerufenen kristallographischen
Fehlstellen innerhalb der metallischen Gefügestruktur mit zunehmender
Bauteiltiefe in ihrer Ausprägung
und Anzahl abnehmen. Auf diese Weise wird der zur Kornfeinung beitragende
Effekt, der auf Rekristallisationsvorgängen zurückzuführen ist, mit einem Gradienten
versehen, so dass sich die Ausprägung
der Kornfeinung auf den besonders gefährdeten Bereich nahe des Schmelzbereiches,
bspw. in Form einer Schmelznaht oder eines Schmelzpunktes, konzentriert
und in Folge dessen der Effekt der Kornfeinung mit zunehmendem Abstand
zum Schweißbereich
abnimmt, so dass die nicht vom Wärmeeintrag
betroffenen Bauteilbereiche keinerlei kristallographische Irritationen
durch Fehlstellenbildung erfahren.
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Erst
durch die lösungsgemäße, lokal
begrenzte, mechanische Vorbehandlung des Bauteils im Bereich der
sich im Wege des thermischen Fügeverfahrens
ausbildenden Wärmeeinflusszone
kann gewährleistet
werden, dass eine weitgehend kontinuierliche Angleichung der sich
innerhalb der Wärmeeinflusszone
ausbildenden Korngröße an die
Korngröße des thermisch
unbeeinflussten metallischen Werkstoffes des jeweiligen Bauteiles
hergestellt wird. Vorzugsweise wird die plastische Verformung des Bauteils
bei Raumtemperatur oder Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur
durchgeführt.
Grundsätzlich
gilt jedoch, dass das Temperaturniveau bei der plastischen Deformation
des jeweiligen Bauteilbereiches unterhalb der Erweichungstemperatur
des metallischen Werkstoffes des Bauteils sein soll.
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Zur
Illustration der kornverfeinenden Auswirkungen, die mit dem lösungsgemäßen Verfahren
erzielbar sind, sei auf ein in den 1 und 2 illustriertes
Ausführungsbeispiel
verwiesen. Zum Nachweis des kornfeinenden Effektes, der mit der
lösungsgemäßen Vorbehandlung
für ein
Schweißfügeverfahren
verbunden ist, wurden Untersuchungen an Rundproben aus einem Stahl
23MnB4 durchgeführt. Auf
den Rundproben, von denen in 1 eine bildliche
Darstellung einer Rundprobe 1 gezeigt ist, wurden mittels
eines Schweißlasers
Schweißpunkte 2 aufgebracht.
Im Anschluss daran wurde die Gefügestruktur
der Wärmeeinflusszone
dieser Schweißpunkte
metallographisch untersucht.
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Eine
der Rundproben wurde vor dem Punktschweißen an der Oberfläche mittels
Kugelstrahlen mit Glaskugeln der Körnung 70 bis 100 bei 8 bar
plastisch verformt, eine zweite Probe wurde im unverformten Ausgangszustand
mit einem Schweißpunkt versehen.
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In 2 ist
das Ergebnis der metallographischen Untersuchungen im Bereich der
Wärmeeinflusszone
WEZ und dem sich jeweils rechts angrenzenden Grundgefüge 3 des
metallischen Werkstoffes der Rundprobe dargestellt. Die Wärmeeinflusszone WEZ
ist jeweils durch zwei Linien markiert. In der in 2 linken
bildlichen Darstellung ist das Gefügebild einer unverformten Schweißprobe dargestellt,
wohingegen die rechte Darstellung gemäß 2 das Gefügebild einer
lösungsgemäß vorbehandelten
Rundprobe illustriert. In beiden Fällen sei angenommen, dass der
jeweils linke Rand des Gefügebildes
dem Randbereich des Schweißbereiches
entspricht.
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In
den Gefügebildern
ist in beiden Fällen
die zeilenförmige
Umwandlung in bainitischmartensitisches Gefüge in der Wärmeeinflusszone erkennbar. Bei
der unbehandelten Rundprobe (linke Gefügebilddarstellung gem. 2)
werden die Zeilen des unbeeinflussten Grundgefüges 3 des metallischen
Werkstoffes innerhalb der Wärmeeinflusszone
WEZ exakt abgebildet und erscheinen makroskopisch dadurch deutlich
gröber.
Dagegen werden bei der lösungsgemäß vorbehandelten
Rundprobe gemäß rechte
Gefügebilddarstellung
innerhalb der Zeilen des Grundgefüges 3 innerhalb der
Wärmeeinflusszone
WEZ Kornneubildungen und damit Kornfeinungen sichtbar. Makroskopisch
ist das Erscheinungsbild innerhalb der Wärmeeinflusszone WEZ feiner
als die Zeilenstruktur des thermisch unbeeinflussten Grundgefüges des
metallischen Werkstoffes der Rundprobe.
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Mit
dem lösungsgemäßen Verfahren
stellen sich somit eine Reihe wichtiger Vorteile ein.
- – Strukturelle
Verbesserung der Wärmeeinflusszone
durch Reduktion der Korngröße in der
Grobkornzone der Wärmeeinflusszone
von Schweißverbindungen.
Hierdurch ergeben sich bessere mechanische Eigenschaften der gesamten Schweißverbindung
durch Vermeidung der durch die Grobstruktur bedingten strukturellen
Schwächung
der Wärmeeinflusszone.
- – Vermeidung
der Notwendigkeit thermischer Nachbehandlungen, die sich auf sämtliche
Bereiche der Schweißverbindung
(Schweißgut,
Grundwerkstoff des Bauteils, andere WEZ-Bereiche) negativ auswirken
können.
- – Einfach
durchzuführende
Vorbehandlung, auch großer
Bauteile, die nicht nachträglich
wärmebehandelt
werden können.
- – Erhalt
der optimierten Eigenschaften auch bei schwingender Beanspruchungen
oder nach hohen Umformgraden.
- – Die
Möglichkeit
einer zusätzlichen
mechanischen und thermischen Nachbehandlung bleibt dennoch erhalten.
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- WEZ
- Wärmeeinflusszone
- 1
- Rundprobe
- 2
- Schweißpunkt
- 3
- Grundgefüge