DE102018209918A1 - Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks für die Weiterverarbeitung zu einem Werkstoffverbund, Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds sowie Ausgangsblock - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks für die Weiterverarbeitung zu einem Werkstoffverbund, wobei in einem ersten Schritt mindestens eine erste und zweite Vorkomponente bereitgestellt werden, wobei in einem zweiten Schritt eine Schweißverbindung zwischen den Vorkomponenten ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung in einem ersten Bereich unter Verwendung einer ersten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet wird, wobei die Schweißverbindung in einem zweiten Bereich unter Verwendung einer zweiten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet wird, wobei sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern in mindestens einem der folgenden Schweißparameter unterscheiden:-- verwendeter Schweißzusatzwerkstoff,-- verwendete Wärmeeinbringung, insbesondere in Bezug auf Strom, Spannung, Schweißgeschwindigkeit und/oder relativer thermischer Wirkungsgrad des Schweißverfahrens,-- verwendete Vorwärmtemperatur,-- vorhandener diffusibeler Wasserstoff.

Description

• Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks für die Weiterverarbeitung zu einem Werkstoffverbund, wobei in einem ersten Schritt mindestens eine erste und zweite Vorkomponente bereitgestellt werden, wobei in einem zweiten Schritt eine Schweißverbindung zwischen den Vorkomponenten ausgebildet wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds sowie einen Ausgangsblock für einen Werkstoffverbund.
• Bei der Herstellung eines Werkstoffverbunds, insbesondere eines Stahlwerkstoffverbunds, werden mehrlagige brammenförmige Ausgangsblöcke aus Vorkomponenten hergestellt.
• Typischerweise werden dabei Verbundpartner/Vorkomponenten mit gleicher Größe übereinander angeordnet und umlaufend miteinander verschweißt. Die Ausgangsblöcke können dann durch Warmwalzentechniken zu einem Verbundwerkstoff ausgewalzt werden. Da die Brammen in der Regel Unebenheiten aufweisen, kann es beim Verschweißen zur Bildung von Lufteinschlüssen kommen. Derartige Lufteinschlüsse führen zur Bildung von Blasen, die sich auch noch nach dem Warmwalzen im resultierenden Werkstoffverbund zwischen den Verbundpartnern finden lassen.
• Aus der DE 10 2015 102 961 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlwerkstoffverbunds bekannt. Zur Modulation der Belastungsfähigkeit entlang einer Verschweißung wird dabei die Anzahl der übereinanderliegenden Lagen eines Verbindungsmaterials variiert. Auf diese Weise werden Sollbruchstellen erzeugt, die sich beim Walzen der verschweißten Werkstücke lösen. Ebenso ist es aus der DE 10 2015 102 961 A1 bekannt, dass bestimmte Bereiche vor dem Walzen mit einem hitzebeständigen Dichtmittel versiegelt werden.
• Aus der EP 0 004 063 A1 ist bekannt, dass ein Paket evakuiert wird, um Lufteinschlüsse im fertigen Stahlwerkstoff zu verhindern.
• Nachteilig bei diesen Verfahren ist jedoch, dass mehrere Verfahrensschritte, beispielsweise das zusätzliche Aufbringen eines Dichtmittels oder ein Evakuierungsschritt, nötig sind, um Lufteinschlüsse im fertigen Werkstoffverbund zu verhindern.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Blasenbildung bei einer Weiterverarbeitung zu einem Werkstoffverbund, insbesondere einem Stahlwerkstoffverbund, effizient unterdrücken lässt, so dass Arbeitsschritte eingespart und/oder Kosten gesenkt werden können.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks für die Weiterverarbeitung zu einem Werkstoffverbund, wobei in einem ersten Schritt mindestens eine erste und zweite Vorkomponente bereitgestellt werden, wobei in einem zweiten Schritt eine Schweißverbindung zwischen den Vorkomponenten ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung in einem ersten Bereich unter Verwendung einer ersten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet wird, wobei die Schweißverbindung in einem zweiten Bereich unter Verwendung einer zweiten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet wird, wobei sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern in mindestens einem der folgenden Schweißparameter unterscheiden:
• -- verwendeter Schweißzusatzwerkstoff,
• -- verwendete Wärmeeinbringung, insbesondere in Bezug auf Strom, Spannung, Schweißgeschwindigkeit und/oder relativer thermischer Wirkungsgrad des Schweißverfahrens,
• -- verwendete Vorwärmtemperatur,
• -- vorhandener diffusibeler Wasserstoff.
• Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass durch Variation von mindestens einem Schweißparameter entlang der Schweißverbindung Bereiche unterschiedlicher Qualität ausgebildet werden. Insbesondere kann die Schweißnaht im ersten Bereich absichtlich mit einer verminderten Qualität ausgeführt werden. Somit ist es möglich, einen Ausgangsblock herzustellen, der ohne zusätzliche Zwischenschritte (also insbesondere ohne weiteres lokales Aufbringen zusätzlicher Lagen von Schweißzusatzwerkstoffen, ohne die Aufbringung von zusätzlichen Dichtmitteln und ohne einen Evakuierungsschritt) zur Weiterverarbeitung für einen Werkstoffverbund verwendet werden kann, wobei unerwünschte Blasenbildungen effizient verhindert werden. Erfindungsgemäß lassen sich dementsprechend Prozessschritte, Kosten und Energie bei der Herstellung einsparen.
• Der Ausgangsblock ist bevorzugt brammenförmig und bei dem Werkstoffverbund handelt es sich insbesondere um einen Stahlwerkstoffverbund.
• Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Schweißprozesse haben grundsätzlich das Ziel, eine dauerhafte Verbindung zwischen zwei Bauteilen zu erzeugen, die die an sie gestellten Anforderungen (z.B. mechanische Belastbarkeit) dauerhaft erträgt. Typischerweise werden hierzu die Schweißparameter in Anlehnung an die Anforderungen, die an die Verbindung gestellt werden, ausgewählt. Faktoren, die hierbei zu berücksichtigen sind, sind u.a. die chemische Zusammensetzung des Gefüges der zu verbindenden Materialien selbst (beispielsweise über das Kohlenstoffäquivalent, CET), die geometrischen Abmessungen der Bauteile, die Zugänglichkeit und die Wirtschaftlichkeit.
• Um eine qualitativ gute Verbindung zu erhalten, sind u.a. neben der Höhe des verwendeten Schweißstroms bzw. der Schweißspannung, die Schweißgeschwindigkeit, die Vorwärmtemperatur sowie die Art des verwendeten Schweißzusatzes, die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs und die Blechdicke relevant. Diese genannten Rahmenbedingungen definieren unter anderem die Abkühlbedingungen und damit welche Art Gefüge sich im Schweißgut sowie in der Wärmeeinflusszone (WEZ) am Übergang zum Grundwerkstoff ausbildet. Mit steigender Abkühlrate, d.h. sinkender t_8/5-Zeit, geht die Gefügeumwandlung von diffusionsgesteuerten Vorgängen, in Folge derer sich z.B. Ferrit oder Perlit bilden, zu diffusionslosen Vorgängen (Martensitbildung) über. Hiermit steigen in den betroffenen Bereichen die Härte und damit die Gefahr der Bildung von Kaltrissen. Als Kaltrisse werden Risse bezeichnet, die unterhalb einer Temperatur von ca. 300°C auftreten. Ein weiterer großer Einflussfaktor für die Entstehung von Kaltrissen ist der Wasserstoffgehalt des Schweißgutes. Der dort vorhandene diffusibele Wasserstoff kann beispielsweise durch den Zusatzwerkstoff oder die Umgebungsbedingungen eingetragen werden.
• Erfindungsgemäß ist es insbesondere möglich, anhand der Variation der genannten Schweißparameter, die obigen Vorgänge zu nutzen, um eine Schweißverbindung auszubilden, die im ersten Bereich eine geringere Qualität aufweist als in einem zweiten Bereich.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern derart unterscheiden, dass die Schweißverbindung im ersten Bereich eine erhöhte Neigung zur Bildung von Kaltrissen im Vergleich zur Schweißverbindung im zweiten Bereich aufweist, insbesondere in einem Temperaturbereich unterhalb von 300°C und bevorzugt derart, dass die Schweißverbindung im ersten Bereich als Sollbruchstelle ausgebildet ist. Hierdurch ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass durch Wahl der ersten Gruppe von Schweißparametern die Schweißverbindung im ersten Bereich als Sollbruchstelle ausgebildet ist. Es ist dementsprechend vorteilhaft möglich, dass die erste Gruppe von Schweißparametern absichtlich derart gewählt wird, dass die Schweißverbindung im ersten Bereich eine (sonst typischerweise unerwünschte) verminderte Qualität aufweist. Die zweite Gruppe von Schweißparametern kann hingegen derart gewählt werden, dass die Bildung von Kaltrissen im zweiten Bereich vermieden wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im ersten Bereich eine niedrigere t_8/5-Zeit verwendet wird als im zweiten Bereich. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe von Schweißparametern derart gewählt werden, dass sich im ersten Bereich eine niedrigere t_8/5-Zeit (und eine erhöhte Abkühlgeschwindigkeit) beim Ausbilden der Schweißverbindung ergibt als im zweiten Bereich. Im zweiten Bereich kann somit eine robuste und stabile Schweißverbindung ausgebildet werden, während die Schweißverbindung im ersten Bereich vorteilhaft als Sollbruchstelle dient.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern derart unterscheiden, dass die Schweißverbindung im ersten Bereich eine erhöhte Härte im Vergleich zur Schweißverbindung im zweiten Bereich aufweist. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass durch den Unterschied/die Unterschiede der ersten und zweiten Gruppe von Schweißparametern die Schweißverbindung im ersten Bereich ein- oder beidseitig, lokal aufgehärtet ist.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern mindestens in dem verwendeten Schweißzusatzwerkstoff unterscheiden, wobei ein im ersten Bereich verwendeter erster Schweißzusatzwerkstoff ein höheres Kohlenstoffäquivalent, CET, aufweist als ein im zweiten Bereich verwendeter zweiter Schweißzusatzwerkstoff. Hierdurch ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf effiziente Weise möglich, dass die Schweißverbindung im ersten Bereich eine verminderte Qualität aufweist und als Sollbruchstelle dient. Insbesondere ist es vorteilhaft, den ersten Schweißzusatzwerkstoff im ersten Bereich derart zu wählen, dass sich für die Schweißverbindung im ersten Bereich eine hohe Härte und eine geringe Duktilität einstellt.
• Es ist insbesondere denkbar, im ersten Bereich einen Zusatzstoff (Schweißzusatzwerkstoff) mit (möglichst) hohem CET zu wählen. Für ein MSG-Schweißen mit mittellegiertem Zusatzwerkstoff kommt beispielsweise G89 6 M 21 Mn 4Ni2CrMo nach EN ISO 16834-A in Frage. Als hochlegierte Zusatzwerkstoffe kommen beispielsweise solche mit martensitischen Gefügebestandteilen und niedrigem Nickelgehalt in Frage, beispielsweise G Z 12 oder G 17 nach EN ISO 14343-A.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die verwendete Vorwärmtemperatur im ersten Bereich niedriger ist als im zweiten Bereich. Hierdurch kann die Kaltrissneigung der Schweißverbindung im ersten Bereich im Vergleich zum zweiten Bereich erhöht werden.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die verwendete Wärmeeinbringung im ersten Bereich niedriger ist als im zweiten Bereich. Durch die niedrigere Wärmeeinbringung während des Schweißprozesses im ersten Bereich kann die Kaltrissneigung der Schweißverbindung im ersten Bereich im Vergleich zum zweiten Bereich erhöht werden.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im zweiten Schritt im ersten Bereich mehr diffusibeler Wasserstoff vorhanden ist als im zweiten Bereich, bevorzugt mithilfe einer Aufbringung einer hygroskopischen Paste auf Nahtflanken der Vorkomponenten im ersten Bereich und/oder mithilfe eines Eintauchens einer im ersten Bereich verwendeten Schweißelektrode, bevorzugt einer mit einem nichtmetallischen Stoff ummantelten Schweißelektrode, in Wasser oder in ein Wasser umfassendes Stoffgemisch. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass während der Ausbildung der Schweißverbindung im ersten Bereich ein erhöhter Anteil an diffusibelem Wasserstoff vorhanden ist, so dass die Schweißverbindung im ersten Bereich als Sollbruchstelle ausgebildet werden kann.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste und zweite Vorkomponente im ersten Schritt unter Bildung einer Kontaktfläche zueinander angeordnet werden und dass die Schweißverbindung im zweiten Schritt entlang eines Randbereichs der Kontaktfläche umlaufend ausgebildet wird, insbesondere derart, dass die Schweißverbindung potentielle entlang der Kontaktfläche ausgebildete Zwischenräume luftdicht abschließt. Hierdurch ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass Zwischenräume, die sich im Bereich der Kontaktfläche zwischen der ersten und zweiten Vorkomponente durch Unebenheiten ergeben können, abgedichtet werden. Somit kann eine zumindest weitestgehend gasdichte Abdichtung der Kontaktfläche erzeugt werden, die ein weiteres vorteilhaftes Handling der Vorkomponente ermöglicht. Gleichzeitig kann die Schweißverbindung im ersten Bereich durch ihre verminderte Qualität spätestens bei einem späteren Walzen aufreißen, so dass eingeschlossene Luft während des Walzschritts entweichen kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Schweißverbindung mehrere erste Bereiche und/oder mehrere zweite Bereiche umfasst, die sich beispielsweise entlang der Schweißverbindung abwechseln können.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass weitere Vorkomponenten (zusätzlich zur ersten und zweiten Vorkomponente) zu einem Ausgangsblock verarbeitet werden. Der erste und zweite Schritt sind entsprechend auch für die weiteren Vorkomponenten analog anwendbar. Dadurch ist es möglich, einen mehrlagigen Ausgangsblock zu erzeugen.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass die Schweißverbindung mithilfe eines Schmelzschweißverfahrens ausgebildet wird, bevorzugt mithilfe eines elektrischen Lichtbogens zur Erzeugung des Schmelzbades. Insbesondere kommen beispielsweise Metall-Schutzgas-Schweißen, Lichtbogen-Handschweißen, Unterpulver-Schweißen, Wolfram-Inertgas-Schweißen und Plasmastrahl-Schweißen infrage.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die erste Gruppe von Schweißparametern derart zu wählen, dass im ersten Bereich eine Schweißverbindung erzeugt wird, die gemäß SEW088 eine erhöhte Neigung zur Kaltrissbildung aufweist.
• Zur Beschreibung der Rissneigung (Kaltrissneigung) bietet sich unter anderem SEW088 an. Darin ist die folgende Formel zur Festlegung der Mindestvorwärmtemperatur beschrieben, die gewählt werden sollte, um die Neigung zu Kaltrissen zu verhindern/minimieren: $${\text{T}}_0=700\text{CET}+160\text{Tahn}\left(\text{d}/35\right)+62\left(\text{HD}\right)\left(0.35\right)+\left(53\text{CET}-32\right)\text{Q}-330.$$

  
• Hierbei beschreiben die einzelnen Symbole folgendes:
• To: die Mindestvorwärmtemperatur zur Vermeidung von Rissen in °Celsius
• CET: Kohlenstoffäquivalent (min. 0,18; max. 0,45)
• d: Blechdicke in mm (min. 10; max. 90)
• HD: diffusibeler Wasserstoff in cm^(3)/100g deponierten Schweißguts (min. 1; max. 20)
• Q: Wärmeeinbringung in kJ/mm (min. 1; max. 4).
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass die erste Gruppe von Schweißparametern derart gewählt wird, dass die im ersten Bereich verwendete Vorwärmtemperatur die Mindestvorwärmtemperatur gemäß vorstehender Formel um 30 K, bevorzugt um 50 K, weiter bevorzugt um 70 K, noch weiter bevorzugt um 100 K, bei der Ausbildung der Schweißverbindung im ersten Bereich unterschreitet. Es ist beispielsweise denkbar, dass die im ersten Bereich verwendete Vorwärmtemperatur ungefähr der Raumtemperatur entspricht. Entsprechend ist es denkbar, dass die zweite Gruppe von Schweißparametern derart gewählt wird, dass die im zweiten Bereich verwendete Vorwärmtemperatur die Mindestvorwärmtemperatur gemäß vorstehender Formel nicht oder ggf. nur unwesentlich (beispielsweise um 5 K oder 10 K) unterschreitet.
• Somit kann durch die Wahl der ersten und zweiten Gruppe von Schweißparametern eine Schweißverbindung ausgebildet werden, deren Qualität und insbesondere deren Kaltrissneigung lokal variiert.
• Die (oben aufgelisteten) Gültigkeitsgrenzen einzelner Einflussgrößen bzw. Schweißparameter können bei der Herstellung der Vorkomponente teilweise unterschritten (Q) bzw. überschritten (d, HD, CET) werden. Dies führt im Falle einer erwünschten Rissneigung im ersten Bereich allerdings lediglich zu konservativeren Annahmen als bei einer Anwendung innerhalb der Grenzen.
• Prinzipiell können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedenste Verbundpartner als erste und/oder zweite Vorkomponente (und/oder weitere Vorkomponente) gewählt werden. So ist die beschriebene Vorgehensweise insbesondere unabhängig von der chemischen Zusammensetzung der Verbundpartner, deren jeweiligem Anteil am Verbund (Schichtdicke), der Anzahl der Verbundlagen eines Ausgangsblocks (zweilagig, dreilagig oder mehr als drei Lagen), sowie der Symmetrie des Verbundaufbaus in Richtung einer Breite des Ausgangsblocks für verschiedenste Vorkomponenten ausführbar. Insbesondere ist es demnach erfindungsgemäß möglich, verschiedenste Ausgangsblöcke (Brammenpakete) zu erzeugen. In Betracht kommen beispielsweise alle C-Stähle, ferritische RSH-Stähle, umwandlungsfreie FeAl- bzw. FeAICr-Stähle, austenitische hoch-Mn-Stähle, dichtereduzierte FeAI-Stähle, austenitische CrNi-Stähle und/oder Nickelbasislegierungen.
• Es ist denkbar, dass zur Einstellung von Schichtdickenverhältnissen in einem Ausgangsblock gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Auflagen mit Anteilen zwischen 2 und 40 % und damit verbundene Kernanteile zwischen 98 % und 40 % zur Anwendung kommen. Die Struktur eines Ausgangsblocks kann dabei sowohl in Richtung der Blechdicke (bspw. 25%/40%/35% statt 10%/80%/10%) als auch in Richtung der Bandbreite variieren oder asymmetrisch sein.
• Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds auf Grundlage eines gemäß der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Ausgangsblocks, wobei in einem dritten Schritt, nach dem zweiten Schritt, ein Walzschritt durchgeführt wird, wobei während des Walzschritts der Ausgangsblock gewalzt wird, wobei vor oder während des Walzschritts die Schweißverbindung im ersten Bereich zumindest teilweise aufgebrochen ist oder aufbricht.
• Insbesondere ist es denkbar, dass der Walzschritt ein Warmwalzen des Ausgangsblocks umfasst. Bei dem Werkstoffverbund handelt es sich bevorzugt um einen Stahlwerkstoffverbund, der auf Grundlage des Ausgangsblocks hergestellt wird. Nach dem zweiten Schritt und vor dem dritten Schritt ist die Schweißverbindung im ersten Bereich (bzw. in den ersten Bereichen) gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung von verminderter Qualität und anfällig für die Bildung von Kaltrissen. Entsprechend reißt die Schweißverbindung im ersten Bereich vor oder während des dritten Schritts zumindest teilweise auf, so dass Luft/Gaseinschlüsse, die in Zwischenräumen um die Kontaktfläche der ersten und zweiten Vorkomponente ausgebildet waren, vorteilhaft vor oder während des Walzschritts entweichen können. Somit kann eine Blasenbildung im Werkstoffverbund effizient verhindert werden. Ein besonderer Vorteil dabei ist, dass nach dem zweiten Schritt, also der Ausbildung der Schweißverbindung, auf weitere Zwischenschritte vor dem Walzen verzichtet werden kann. Insbesondere muss keine Dichtmasse aufgebracht werden, kein Evakuierungsschritt durchgeführt werden und ebenso kein weiterer Schweißschritt zur Auftragung zusätzlicher Fülllagen in bestimmten Bereichen durchgeführt werden. Entsprechend ergibt sich erfindungsgemäß ein in vorteilhafter Weise effizientes, schnelles und kostengünstiges Verfahren. Insbesondere ist es möglich, dass der Walzschritt ein Walzplattieren des Ausgangsblocks umfasst.
• Ferner ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Ausgangsblock für einen Werkstoffverbund, umfassend mindestens eine erste Vorkomponente und eine zweite Vorkomponente, wobei zwischen den Vorkomponenten eine Schweißverbindung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung in einem ersten Bereich eine erhöhte Neigung zur Bildung von Kaltrissen im Vergleich zu einem zweiten Bereich der Schweißverbindung aufweist.
• Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds sowie den erfindungsgemäßen Ausgangsblock können die Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile Anwendung finden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Ausgangsblocks für die Weiterverarbeitung zu einem Werkstoffverbund beschrieben worden sind.
• Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks können die Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile Anwendung finden, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds oder dem erfindungsgemäßen Ausgangsblock oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkstoffverbunds oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ausgangsblocks beschrieben worden sind.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
• Figurenliste
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten und zweiten Vorkomponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere nach dem ersten Schritt.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausgangsblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Ausführungsformen der Erfindung
• In 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten und zweiten Vorkomponente 2, 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die beiden Vorkomponenten 2, 3 sind nach einem ersten Schritt 100 dargestellt, in dem sie übereinander angeordnet wurden. Zwischen den beiden Vorkomponenten 2, 3 ist eine Kontaktfläche 5 ausgebildet. Durch Unebenheiten der beiden Vorkomponenten 2, 3 sind um die Kontaktfläche 5 dabei typischerweise Zwischenräume ausgebildet, an denen kein perfekter Formschluss vorherrscht.
• In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausgangsblocks 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Ausgangsblock 1 ist nach einem zweiten Schritt 200 dargestellt, in dem eine Schweißverbindung 4 zwischen der ersten und zweiten Vorkomponente 2, 3 ausgebildet wurde. Die Schweißverbindung 4 umläuft den kompletten Randbereich der Kontaktfläche 5 und schließt die um die Kontaktfläche 5 angeordneten Zwischenräume ab. Die Schweißverbindung 4 umfasst einen ersten Bereich 10 und einen zweiten Bereich 20. Der erste Bereich 10 der Schweißverbindung 4 wurde im zweiten Schritt 200 unter Verwendung einer ersten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet und der zweite Bereich 20 wurde unter Verwendung einer zweiten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet. Die zweite Gruppe von Schweißparametern wurde dabei derart gewählt, dass die Schweißverbindung 4 im zweiten Bereich 20 keine Neigung zur Bildung von Kaltrissen aufweist und qualitativ hochwertig ausgebildet ist. Die erste Gruppe von Schweißparametern wurde hingegen derart gewählt, dass die Schweißverbindung 4 im ersten Bereich 10 zur Bildung von Kaltrissen neigt. Entsprechend ist der erste Bereich 10 zumindest teilweise als Sollbruchstelle ausgebildet.
• In 3 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds 6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In einem ersten und zweiten Schritt 100, 200 wird dabei ein Ausgangsblock 1 erzeugt. Insbesondere werden eine erste und zweite Vorkomponente 2, 3 (und ggf. weitere Vorkomponenten) im ersten Schritt 100 übereinander angeordnet. Im zweiten Schritt 200 werden die Vorkomponenten 2, 3 dann miteinander verschweißt, wodurch ein Ausgangsblock 1 entsteht. Die im zweiten Schritt 200 ausgebildete Schweißverbindung 4 umfasst mindestens einen ersten Bereich 10 mit niedriger Qualität und hoher Neigung zur Kaltrissbildung und einen zweiten Bereich 20 mit hoher Qualität und geringer/ohne Neigung zur Kaltrissbildung. In einem dritten Schritt 300, nach dem zweiten Schritt, wird der Ausgangsblock 1 gewalzt. Bevorzugt bricht dabei der erste Bereich 10 der Schweißverbindung 4 zumindest teilweise auf, so dass eingeschlossene Luft entweichen kann. Somit kann erfindungsgemäß ein Werkstoffverbund 6 gebildet werden, der frei von Lufteinschlüssen und Blasen ist.
• Im Folgenden ist ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wiedergegeben:
• zwei Bleche (Vorkomponenten 2, 3) werden mittels MSG-Schweißen miteinander verbunden. Ein erstes Blech weist eine Dicke von 60 mm und ein CET von 0,19 auf. Ein zweites Blech weist eine Dicke von 180 mm und ein CET von 0,37 auf. Die Verbindung erfolgt an einer HV-Nahtvorbereitung mit 40° Nahtöffnungswinkel und einer Fasenbreite von 20 mm. Eine gängige schweißtechnische Praxis zur Vermeidung von Kaltrissen und Aufhärtungsrissen ist das Vorwärmen des Bauteils gemäß SEW088. Für die einlagige Wurzelschweißung wird ein niedrigfester Zusatzwerkstoff verwendet, beispielsweise G 46 4 M21 3Si1 nach EN ISO 14341-A in einer Dicke von 1,2 mm. Bei einem Schweißstrom von 220 A, einer Schweißspannung von 27 V und einer Schweißgeschwindigkeit von 30 cm/min ergibt sich eine Streckenenergie von 1,2 kJ/mm, beziehungsweise eine Wärmeeinbringung von 0,95 kJ/mm. Nach SEW088 ist bei diesen CET und Schweißbedingungen zur Vermeidung von Kaltrissen eine Mindestvorwärmtemperatur von ca. 157 °C notwendig. Wird diese Vorwärmtemperatur angewendet, werden Kaltrisse im Wesentlichen sicher vermieden. Eine entsprechende Vorwärmtemperatur wird demnach im zweiten Bereich 20 während des zweiten Schritts 200 bei der Ausbildung der Schweißverbindung 4 gewählt, um die Bildung von Kaltrissen in der Schweißnaht im zweiten Bereich 20 zu vermeiden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich eine t_8/5-Zeit von 8,8 s, in der Wärmeeinflusszone des Werkstoffs mit CET=0,37 (zweites Blech). Dies resultiert in einer maximalen Härte von 450 HV10.
• Beim Verschweißen dieser Werkstoffkombination gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im ersten Bereich 10, mit dem Ziel der Erzeugung von Rissen, wird die Streckenenergie deutlich reduziert und auf ein Vorwärmen der Fügepartner verzichtet. Für die Schweißung wird der Zusatzwerkstoff (Schweißzusatzwerkstoff) G89 6 M21 Mn4Ni2CrMo nach EN ISO 16834-A verwendet, welcher ein CET von 0,42 aufweist. Die Schweißung im ersten Bereich 10 wird mit einem Schweißstrom von 140 A, einer Schweißspannung von 22 V und einer Schweißgeschwindigkeit von 40 cm/min ausgeführt. Somit ergibt sich eine Streckenenergie von 0,46 kJ/mm und ein Wärmeeinbringen von 0,37 kJ/mm. Nach SEW088 wäre zur Vermeidung von Kaltrissen eine Mindestvorwärmtemperatur von 222 °C anzuwenden. Im ersten Bereich 10 wird nun jedoch eine deutlich niedrigere Vorwärmtemperatur gewählt, beispielsweise in Höhe der Raumtemperatur von 25 °C. Entsprechend können sich Risse in der Schweißverbindung 4 im ersten Bereich 10 ergeben. Die resultierende t_8/5-Zeit beträgt 1,8 s. Dies bewirkt eine maximale Härte in der Wärmeeinflusszone des Werkstoffs mit CET=0,37 (also dem zweiten Bleich) von über 510 HV10 im ersten Bereich 10.
• Bezugszeichenliste

1

Ausgangsblock

2

erste Vorkomponente

3

zweite Vorkomponente

4

Schweißverbindung

5

Kontaktfläche

6

Werkstoffverbund

10

erster Bereich

20

zweiter Bereich

100

erster Schritt

200

zweiter Schritt

300

dritter Schritt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015102961 A1 [0004]
• EP 0004063 A1 [0005]

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) für die Weiterverarbeitung zu einem Werkstoffverbund (6), wobei in einem ersten Schritt (100) mindestens eine erste und zweite Vorkomponente (2, 3) bereitgestellt werden, wobei in einem zweiten Schritt (200) eine Schweißverbindung (4) zwischen den Vorkomponenten (2, 3) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung (4) in einem ersten Bereich (10) unter Verwendung einer ersten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet wird, wobei die Schweißverbindung (4) in einem zweiten Bereich (20) unter Verwendung einer zweiten Gruppe von Schweißparametern ausgebildet wird, wobei sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern in mindestens einem der folgenden Schweißparameter unterscheiden: -- verwendeter Schweißzusatzwerkstoff, -- verwendete Wärmeeinbringung, insbesondere in Bezug auf Strom, Spannung, Schweißgeschwindigkeit und/oder relativer thermischer Wirkungsgrad des Schweißverfahrens, -- verwendete Vorwärmtemperatur, -- vorhandener diffusibeler Wasserstoff.
2. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach Anspruch 1, wobei sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern derart unterscheiden, dass die Schweißverbindung (4) im ersten Bereich (10) eine erhöhte Neigung zur Bildung von Kaltrissen im Vergleich zur Schweißverbindung (4) im zweiten Bereich (20) aufweist, insbesondere in einem Temperaturbereich unterhalb von 300°C und bevorzugt derart, dass die Schweißverbindung (4) im ersten Bereich (10) als Sollbruchstelle ausgebildet ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im ersten Bereich (10) eine niedrigere t_8/5-Zeit verwendet wird als im zweiten Bereich (20).
4. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern derart unterscheiden, dass die Schweißverbindung (4) im ersten Bereich (10) eine erhöhte Härte im Vergleich zur Schweißverbindung (4) im zweiten Bereich (20) aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die erste Gruppe von Schweißparametern und die zweite Gruppe von Schweißparametern mindestens in dem verwendeten Schweißzusatzwerkstoff unterscheiden, wobei ein im ersten Bereich (10) verwendeter erster Schweißzusatzwerkstoff ein höheres Kohlenstoffäquivalent, CET, aufweist als ein im zweiten Bereich (20) verwendeter zweiter Schweißzusatzwerkstoff.
6. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die verwendete Vorwärmtemperatur im ersten Bereich (10) niedriger ist als im zweiten Bereich (20).
7. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die verwendete Wärmeeinbringung im ersten Bereich (10) niedriger ist als im zweiten Bereich (20).
8. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im zweiten Schritt (200) im ersten Bereich (10) mehr diffusibeler Wasserstoff vorhanden ist als im zweiten Bereich (20), bevorzugt mithilfe einer Aufbringung einer hygroskopischen Paste auf Nahtflanken der Vorkomponenten (2, 3) im ersten Bereich (10) und/oder mithilfe eines Eintauchens einer im ersten Bereich (10) verwendeten Schweißelektrode, bevorzugt einer mit einem nichtmetallischen Stoff ummantelten Schweißelektrode, in Wasser oder in ein Wasser umfassendes Stoffgemisch.
9. Verfahren zur Herstellung eines Ausgangsblocks (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste und zweite Vorkomponente (2, 3) im ersten Schritt (100) unter Bildung einer Kontaktfläche (5) zueinander angeordnet werden und wobei die Schweißverbindung (4) im zweiten Schritt (200) entlang eines Randbereichs der Kontaktfläche (5) umlaufend ausgebildet wird, insbesondere derart, dass die Schweißverbindung (4) potentielle entlang der Kontaktfläche (5) ausgebildete Zwischenräume luftdicht abschließt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbunds (6) auf Grundlage eines gemäß der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Ausgangsblocks (1), wobei in einem dritten Schritt (300), nach dem zweiten Schritt (200), ein Walzschritt durchgeführt wird, wobei vor oder während des Walzschritts der Ausgangsblock (1) gewalzt wird, wobei während des Walzschritts die Schweißverbindung (4) im ersten Bereich (10) zumindest teilweise aufgebrochen ist oder aufbricht.
11. Ausgangsblock (1) für einen Werkstoffverbund (6), umfassend mindestens eine erste Vorkomponente (2) und eine zweite Vorkomponente (3), wobei zwischen den Vorkomponenten (2, 3) eine Schweißverbindung (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung (4) in einem ersten Bereich (10) eine erhöhte Neigung zur Bildung von Kaltrissen im Vergleich zu einem zweiten Bereich (20) der Schweißverbindung (4) aufweist.

Images