DE112012004093T5

DE112012004093T5 - Verfahren zum Optimieren einer Schweißwirksamkeit

Info

Publication number: DE112012004093T5
Application number: DE112012004093.7T
Authority: DE
Inventors: Rajan B. Vaidyanath; Marie Annette Quintana; Joe DANIEL
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-07-10
Also published as: US9024229B2; BR112014007794A2; CN103958117B; JP2014530761A; CN103958117A; WO2013046009A1; US20130082039A1

Abstract

Das Verfahren zum Optimieren der Wirksamkeit einer Schweißung umfasst ein Bestimmen eines Satzes von spezifizierten mechanischen Eigenschaften, wie etwa Härte oder Widerstandsfähigkeit der Schweißung, Auswählen eines Basismetallmaterials, Auswählen eines Schweißprozesses und von Schweißprozessbedingungen, und Auswählen eines Schweißmetallmaterials. Das Schweißmetallmaterial und/oder das Basismetallmaterial können ausgewählt werden durch Bestimmen einer Charakterisierung des Schweiß- oder Basismetallmaterials, wobei die Charakterisierung eine Durchführung einer thermomechanischen Simulation der Metallmaterialien und eine Bestimmung der Eigenschaften der durch die thermomechanische Simulation erzeugten Materialien umfasst, und ein nachfolgendes Korrelieren der Charakterisierung des Metallmaterialien mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften und den Schweißprozessbedingungen. Das Verfahren kann ferner ein Herstellen der Schweißung mit dem Satz mechanischer Eigenschaften umfassen.

Description

Diese Erfindung ist mit staatlicher Unterstützung unter der Vereinbarung Nr. DTPH 56-07-T-000005, gewährt durch das US-Transportministerium, PHMSH, gemacht worden. Die Regierung kann gewisse Rechte an dieser Erfindung haben.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein analytisches Verfahren zum Optimieren der Schweißungsqualität und -wirksamkeit. Insbesondere umfasst das Verfahren eine Berücksichtigung, wie die Zusammensetzung des Basismetallmaterials, die Zusammensetzung des Schweißmetallmaterials und der Schweißprozess interagieren und wie diese Interaktion die Wirksamkeit der hergestellten Schweißung beeinflusst.
HINTERGRUND
Industrien, die hohe Niveaus der Wirksamkeit von geschweißten Stahlherstellungen (z. B. Hochdruckgaspipelines) erfordern, stellen fest, dass mit zunehmender Stahlqualität es immer schwieriger wird, Schweißungen der benötigten Niveaus und Stärke, Konsistenz und Widerstandsfähigkeit zu erreichen infolge der größeren Wirksamkeitsvariationen mit scheinbar kleinen Änderungen in Schweißverfahrensbedingungen. Eine große technologische Herausforderung besteht darin, die erforderlichen Schweißeigenschaften mit ausreichender Zuverlässigkeit und Konsistenz zu erreichen, um die Schweißwirksamkeit unter Verwendung eines ausreichend breiten Bereichs von Schweißprozessen für die existierenden Herstellungsbedingungen und Lieferantenfähigkeiten sicherzustellen.
Eine einfache Übertragung von Technologien von vorher verwendeten Materialien geringerer Qualität wird wahrscheinlich die gewünschte Schweißwirksamkeit für neue Stähle höherer Qualität nicht erreichen und die Veränderung der Verfahren, die zum Optimieren der Schweißqualitäten verwendet werden, zur Verwendung mit neuen Materialien basierte auf Versuchs- und Irrtumsverfahren. Ein Verfahren zum Erreichen des erforderlichen Niveaus der Kontrolle über essentielle Schweißvariablen, wie etwa Gestaltung von Schweißverbrauchsmaterialien, Schweißnahtdimensionen, Schweißstromversorgung und -einstellung und Schweißbrennerkonfiguration in neuen Schweißanwendungen, wird benötigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zuverlässige Schweißverfahren zu schaffen, die eine Schweißwirksamkeit sicherstellen. Diese Aufgabe wird entsprechend der Merkmale der Ansprüche 1, 10 und 15 gelöst. Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zum Optimieren einer Schweißung umfassend: Bestimmen eines Satzes spezifizierter mechanischer Eigenschaften, wie etwa Härte oder Belastbarkeit der Schweißung, Auswählen eines Basismetallmaterials, Auswählen eines Schweißprozesses und von Schweißprozessbedingungen, und Auswählen eines Schweißmetallmaterials. Das Schweißmaterial und/oder das Basismaterial können ausgewählt werden durch Bestimmen einer Charakterisierung des Schweiß- oder Basismetallmaterials, die Charakterisierung die Durchführung einer thermomechanischen Simulation der Metallmaterialien umfasst, und Bestimmen der Eigenschaften der durch die thermomechanische Simulation hergestellten Metalle, und nachfolgendes Korrelieren der Charakterisierung der Metallmaterialien dem Satz von spezifizierten mechanischen Eigenschaften und der Schweißprozessbedingungen. Das Verfahren kann ferner umfassen: Herstellen der Schweißung mit dem Satz mechanischer Eigenschaften. Weitere Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen offenbart.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die beigefügten Zeichnungen, die einbezogen werden und einen der Offenbarung bilden, verdeutlichen verschiedene Beispielsysteme, Verfahren usw., die verschiedene beispielhafte Ausführungsformen von Aspekten der Erfindung illustrieren. Es ist klar, dass die illustrierten Elementgrenzen (z. B. Rechtecke, Gruppen von Rechtecken oder andere Formen) in den Figuren ein Beispiel der Grenzen darstellen. Der Fachmann erkennt, dass ein Element als mehrere Elemente gestaltet sein können oder dass mehrere Elemente als ein Element gestaltet sein können. Ein als interne Komponente eines anderen Elements dargestelltes Element kann als externe Komponente implementiert sein und umgekehrt. Ferner können Elemente auch nicht maßstabsgerecht dargestellt sein.
1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Optimieren von Schweißqualitäten.
2 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Auswählen eines Schweißprozesses.
3 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Auswählen eines Basismetallmaterials.
4 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Auswählen eines Schweißmetallmaterials.
5 ist ein Phasendiagramm einer kontinuierlichen Abkühlungstransformation (CCT) des Basismetallmaterials A.
6 ist ein erweitertes CCT-Phasendiagramm des Basismetallmaterials B.
7 ist ein erweitertes CCT-Phasendiagramm des Basismetallmaterials C.
8 ist ein erweitertes CCT-Phasendiagramm des Schweißmetallmaterials D.
9 ist ein erweitertes CCT-Phasendiagramm des Schweißmetallmaterials E.
10 ist ein erweitertes CCT-Phasendiagramm des Schweißmetallmaterials F.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zwischen dem Schweißprozess und den chemischen Materialzusammensetzungen (sowohl des Basismetallmaterials und des Schweißmetallmaterials) besteht eine ausreichende Interaktion, die die Kontrolle beider dieser Eingaben erforderlich macht, um die Schweißqualitäten zu optimieren, die für herausfordernde Anwendungen gewünscht sind, beispielsweise für einen belastungsbasierten Entwurf der Stahlpipelineherstellung. Wie in 1 dargestellt umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißung mit optimalen Schweißqualitäten 10 ein Bestimmen eines Satzes von spezifizierten mechanischen Eigenschaften für eine Schweißung, ein Auswählen eines Schweißprozesses und von Schweißprozessbedingungen 14, ein Auswählen eines Basismetallmaterials 16, und ein Auswählen eines Schweißmetallmaterials 18. Das Verfahren 10 kann ferner den Schritt eines Herstellens einer Schweißung mit dem spezifizierten Satz mechanischer Eigenschaften 20 umfassen. Es ist klar, dass das Verfahren zum Herstellen einer Schweißung mit optimalen Schweißqualitäten 10 verwendet werden kann, um die Schweißqualitäten zu optimieren, die sich aus der Verwendung jeglicher Kombinationen geeigneter Basismetallmaterialien, Schweißprozessen und Schweißmetallmaterialien ergeben.
Werden optimale mechanische Eigenschaften für eine entstehende Schweißung, die im allgemeinen die Kombination der HAZ des Basismetallmaterials und des Schweißmetallmaterials umfasst, erhalten, optimiert dies im allgemeinen die Wirksamkeit eines Schweißmetallmaterials, wenn es auf ein bestimmtes Basismetallmaterial angewendet wird. Der Schritt des Bestimmens des Satzes von spezifizierten mechanischen Eigenschaften für die Schweißung 12 ist eine der Hauptbestimmungen, die in dem Verfahren 10 durchgeführt werden. Der Schritt des Bestimmens eines Satzes von spezifizierten mechanischen Eigenschaften für die Schweißung 12 umfasst ein Auswählen der mechanischen Eigenschaften, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, die Härte, Widerstandsfähigkeit, Stärke und Fähigkeit der sich ergebenden, die die optimale Wirksamkeit für die Schweißstärke und -zuverlässigkeit ergibt. Die Auswahl der mechanischen Eigenschaften wird basierend auf den Anforderungen für die Schweißanwendung im Allgemeinen durch einen Projektingenieur oder eine andere derartig qualifizierte Quelle vorfestgelegt.
Nachdem der Satz mechanischer Eigenschaften für die Schweißung bestimmt worden ist 12 kann die Schweißung selbst optimiert werden durch Auswählen eines geeigneten Schweißprozesses und von Schweißprozessbedingungen 14, Auswählen eines geeigneten Basismetallmaterials 16 und Auswählen eines geeigneten Schweißmetallmaterials 18. Eine oder mehrere dieser Variablen können fixiert werden, wie in 2 bis 3 dargestellt, was eine Veränderung einer oder beider der anderen Variablen erforderlich macht, um eine Schweißung mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften herzustellen 20.
Beispielsweise, wie in 2 dargestellt, wenn ein Schweißprozess und Schweißprozessbedingungen ausgewählt werden 14, ist es erforderlich festzustellen, ob das Basismetallmaterial bereits ausgewählt worden ist oder vorbestimmt ist für eine Verwendung in einer Schweißanwendung 22. Wenn nicht, können ein Schweißprozess und Schweißprozessbedingungen ausgewählt 24 werden basierend auf einer Benutzerpräferenz und einer Berücksichtigung der Eigenschaften des Schweißmetallmaterials, wie nachstehend erörtert.
Wenn das Basismetallmaterial bereits ausgewählt worden ist, müssen die Eigenschaften, wie etwa Härte und Widerstandsfähigkeit, der HAZ des Basismetallmaterials, wie sie durch einen gewünschten Schweißprozess und gewünschte Schweißprozessbedingungen erzeugt werden, festgelegt werden 26, wie nachstehend diskutiert, und verglichen werden mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften 30. Wenn die mechanischen Eigenschaften der HAZ des Basismetallmaterials den Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften erfüllen, kann der gewünschte Schweißprozess ausgewählt werden 24. Wenn jedoch die mechanischen Eigenschaften der HAZ des Basismetallmaterials die spezifizierten mechanischen Eigenschaften unter Verwendung des gewünschten Schweißprozesses nicht erfüllen, kann es erforderlich sein, den Schweißprozess und/oder die Schweißprozessbedingungen zu ändern 32. Nach dem Ändern des Schweißprozesses und/oder der Schweißprozessbedingungen ist es erneut erforderlich, die Eigenschaften des Basismetallmaterials 26 zu bestimmen, das unter Verwendung des neuen Schweißprozesses und/oder der neuen Schweißprozessbedingungen hergestellt wird.
Im Allgemeinen werden die Abkühlgeschwindigkeiten und folglich die Eigenschaften der HAZ des Basismetallmaterials durch den Schweißprozess für ein gegebenes zu schweißendes Material auf das Schweißmetallmaterial oder das Basismetallmaterial) bestimmt. Sollten die Abkühlgeschwindigkeiten (und die mechanischen Eigenschaften), die einem bestimmten Schweißprozess zugeordnet sind, einer Anpassung bedürfen, kann der Schweißprozess oder die Schweißprozessbedingungen geändert werden. Es wird angemerkt, dass die Abkühlgeschwindigkeit für einen bestimmten Prozess geschrieben werden kann als eine Rate in Grad pro Zeiteinheit oder als eine Zeit zum Abkühlen von einer Temperatur auf eine andere. Für die Zwecke dieser Anwendung schreiben die Abkühlgeschwindigkeiten die Zeit, die ein Material benötigt, um von einer Temperatur auf eine andere abzukühlen.
Der Schweißprozess kann ein Gas-Metall-Lichtbogen-Schweißen oder ein beliebiger anderer für die Anwendung geeigneter Schweißprozess sein. Der Schweißprozess kann geändert werden durch Wechseln des Typs/Modells der Schweißstromquelle beispielsweise von einer Dual-Schweißbrenner-Schweißung zu einer Einzel-Schweißbrenner-Schweißung. Der Schweißprozess kann auch durch Wechseln der Schweißprozessbedingungen geändert werden, wie etwa den Abstand zwischen der Kontaktspitze zum Werkstück, den Pulsmodus, die Wellenformdetails, Spannung, Strom, Schweißdrahtzuführgeschwindigkeit, Schweißgeschwindigkeit, Vorheiztemperatur, Zwischenschweißgangtemperatur, Schutzgastypen und Schutzgasflussraten des Schweißprozesses, die schließlich die Abkühlratenbandbreite für den gegebenen Schweißprozess und die Schweißprozessbedingungen ändern.
Die Abkühlrate eines Schweißprozesses mit gegebenen Schweißprozessbedingungen kann berechnet werden unter Verwendung des TATSÄCHLICHEN WÄRMEEINTRAGS, wie in US Patentanmeldungen Nr. 2009/0184098, 2007/0262064 und 2010/00065539 an Daniel et. al. beschrieben, deren Offenbarungen hierindurch in Bezugnahme eingeschlossen sind. Durch Verwendung des WAREHITZEINPUTS zum akkuraten Bestimmen des Einflusses des Schweißprozesses kann ein akkurater Abkühlgeschwindigkeitsbereich des Schweißprozesses berechnet werden. Alternativ können die Abkühlgeschwindigkeiten für verschiedene Prozesse manuell bestimmt werden durch, beispielsweise, Einsetzen von Thermosonden in Testmetallmaterialien oder Test-HAZs eines Basismetallmaterials. Jegliche bekannte Technik zum Berechnen, entweder mit einem Computerprogramm oder manuell, der Abkühlgeschwindigkeiten eines speziellen Schweißprozesses kann mit dem offenbarten Verfahren verwendet werden.
Wie in 3 dargestellt, umfasst der Schritt des Auswählens eines Basismetallmaterials 16 ein Feststellen, ob das Basismetallmaterial vorbestimmt ist 34. Wenn dies der Fall ist, kann das Basismetallmaterial wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 erläutert ausgewählt werden. Wenn das Basismetallmaterial nicht vorbestimmt ist, muss das Basismetallmaterial charakterisiert werden und die mechanischen Eigenschaften des Basismetallmaterials müssen bestimmt werden 36.
Die Charakterisierung der HAZ des Basismetallmaterials und die nachfolgende Bestimmung ihrer mechanischen Eigenschaften 36 kann beispielsweise eine Verwendung eines thermomechanischen Simulators umfassen, wie etwa des GLeeble^®2000 und Gleeble^®3800 Systems, um thermische Simulationen des Basismetallmaterials durchzuführen, das Basismetallmaterial (oder Schweißmetallmaterial, wie nachstehend beschrieben) von einem Startzustand auf einen zweiten Zustand zu transformieren durch Simulieren der Hitze und des Abkühlens des Materials, die erfolgen würden, wenn das Material dem gegebenen Schweißprozess und Schweißprozessbedingungen ausgesetzt wäre.
Sobald das Basismetallmaterial dem thermomechanischen Simulator ausgesetzt ist, kann ein CCT-Phasendiagramm des Basismetallmaterials erzeugt werden. Das CCT-Phasendiagramm zeigt Mikrostrukturänderungen in der HAZ des Basismetallmaterials, die durch einen spezifischen Schweißprozess hervorgerufen werden, der stattfindet, während das Basismetallmaterial abkühlt. Im Allgemeinen können CCT-Phasendiagramme unter Verwendung einer beliebigen dem Fachmann bekannten Methode berechnet werden und können vom Hersteller des Basismetallmaterials erhältlich sein.
Das CCT-Diagramm kann erweitert werden durch Messen anderer mechanischer Eigenschaften der HAZ als Funktion der Abkühlgeschwindigkeit. Widerstandsfähigkeit, Härte, Stärke und Fähigkeit der HAZ und anderer Eigenschaften können gemessen werden unter Verwendung bekannter Techniken wie etwa dem Vickers-Härtetest oder dem Charpy-V-Widerstandstest. Diese Messungen können dann als eine Funktion der Abkühlgeschwindigkeit für den ausgewählten Prozess und die in der HAZ ausgebildeten Mikrostrukturen geplottet werden.
Wenn die mechanischen Eigenschaften der HAZ des Basismetallmaterials für einen gegebenen Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten bestimmt worden sind 36, werden sie anschließend verglichen (oder korelliert) mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften und den Schweißprozessbedingungen 38 und wenn die mechanischen Eigenschaften der HAZ des Basismetallmaterials und des Satzes von spezifizierten mechanischen Eigenschaften übereinstimmen, kann das Basismetallmaterial ausgewählt werden 40.
Wie in 4 dargestellt, umfasst der Schritt des Auswählens eines Schweißmetallmaterials 18 ein Charakterisieren und anschließendes Bestimmen der Eigenschaften des Schweißmetallmaterials 42. Die Eigenschaften des Schweißmetalls können beispielsweise durch Transformieren des Schweißmetallmaterials von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand bestimmt werden, wie vorstehend betreffend das Basismetallmaterial beschrieben, unter Verwendung eines thermomechanischen Simulators, unter Erzeugung eines CCT-Phasendiagramms des Schweißmetallmaterials. Das CCT-Phasendiagramm kann durch ein Computersoftwareprogramm erzeugt werden oder manuell gezeichnet werden mit den gegebenen Informationen über die gebildeten Mikrostrukturen, die während der thermomechanischen Simulation herausgekommen sind. Die CCT-Phasendiagramme zeigen Mikrostrukturänderungen im Schweißmetallmaterial, die durch einen spezifischen Schweißprozess hervorgerufen worden sind, der auftritt, während das Schweißmetallmaterial abkühlt.
Das Schweißmetallmaterial-CCT-Diagramm kann erweitert werden durch Messen anderer mechanischer Eigenschaften des abgekühlten Schweißmetalls als Funktion der Abkühlgeschwindigkeit. Widerstandsfähigkeit, Härte, Stärke und Zähigkeit des Schweißmaterials können mit anderen Eigenschaften unter Verwendung bekannter Techniken gemessen werden, etwa dem Vickers-Härtetest oder dem Charpy-V-Widerstandsfähigkeitstest. Diese Messungen können dann als Funktion der Zeit über den Abkühlraten gezeichnet werden für den ausgewählten Prozess und die in den Schweißmetallmaterial ausgebildeten Mikrostrukturen.
Wenn die mechanischen Eigenschaften der Schweißmetallmaterialien bestimmt worden sind 42, werden sie verglichen (oder korelliert) mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften und den Schweißprozessbedingungen 44. Wenn die Eigenschaften des Schweißmetallmaterials und des Satzes spezifizierter mechanischer Eigenschaften übereinstimmen 46, kann das Schweißmetallmaterial ausgewählt werden 48. Denn die Eigenschaften des durch einen gegebenen Schweißprozess und Schweißprozessbedingungen hergestellten Schweißmetalls den Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften nicht erfüllen, ist es erforderlich, ein neues Schweißmetallmaterial, einen neuen Schweißprozess, einen neuen Satz Schweißprozessverfahren oder eine Kombination davon zu wählen 50.
Nach Umrüstung des Schweißmetallmaterials, des Schweißprozesses und/oder der Schweißprozessbedingungen ist es erforderlich, die Eigenschaften des Schweißmetallmaterials erneut zu bestimmen und die Schweißmetalleigenschaften, die unter Verwendung der neuen Eingaben erhalten worden sind, mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften 44 zu vergleichen um festzustellen, ob diese erfüllt sind 46. Dieser Prozess kann wiederholt werden, bis eine gewünschte Kombination von Variablen erreicht ist.
HYPOTHETISCHE BEISPIELE
5 bis 10 zeigen erweiterte CCT-Phasendiagramme von Basismaterialien A bis C und Schweißmetallmaterialien D bis F. Die erweiterten CCT-Phasendiagramme sind ein Ergebnis einer Anwendung des Schweißprozesses X und der Schweißbedingungen Y auf die verschiedenen Metallmaterialien. Wie in 5 bis 10 dargestellt definieren die CCT-Phasendiagramme die verschiedenen metallischen Mikrostrukturen, die als ein Ergebnis ausgebildet werden des Aussetzens der mechanischen Materialien an den Schweißprozess X und die Schweißprozessbedingungen Y als Funktion der Zeit. Die metallischen Mikrostrukturen, die in 5 bis 10 dargestellt sind, umfassen martensitische (M), Bainit (B), granulares Bainit (GB), Ferrit-Seitenplatten (FS), nadelförmige Ferrite (AF) und Korngrenzen-Ferrite (GF) Mikrostrukturen.
5 bis 10 umfassen darüber hinaus eine Korellation der berechneten Abkühlgeschwindigkeiten, die den Schweißprozess X zugeordnet sind, und dem gemessenen Härtewerten für die abgekühlte Wärmeeinflusszone (Heat Affected Zone, HAZ) der Basismetallmaterialien und der abgekühlten Schweißmetallmaterialien, die mit dem Schweißprozess X und den Schweißprozess bedingungen Y erzeugt werden als Funktion der Abkühlgeschwindigkeit, angedeutet durch eine kürzere Abkühlzeit.
Der Vickers-Härtetest gibt die gefragte Eigenschaft des Basis- oder Schweißmetallmaterials an, einer plastischen Deformation durch eine Standardquelle zu widerstehen. Die Vickers-Härte-Zahl wird bestimmt durch Berechnen der Last über die Oberfläche einer im Material erzeugten Kerbe. Die H_V-Zahl wird bestimmt durch das Verhältnis F/A, wobei F die Kraft ist, die auf den diamantförmigen Eindruck in Kilogramm angewendet wird, und A die Oberfläche der entstehenden Beule in Quadratmillimetern ist. Die entsprechenden Einheiten von H_V sind Kilogramm pro Quadratmillimeter (kgf/mm²). Es ist klar, dass eine beliebige Methode zum Berechnen der Härte des Metallmaterials bei bestimmten Abkühlgeschwindigkeiten in diesem Verfahren verwendet werden könnte.
Wie in 5 bis 10 dargestellt können die erweiterten CCT-Diagramme verwendet werden, um zu bestimmen, welches Basismaterial, welcher Schweißprozess und welches Schweißmetallmaterial für ein gegebenes Projekt verwendet werden sollten, um einen benötigten Satz mechanischer Eigenschaften zu erzeugen. In diesem Beispiel müssen die sich ergebende Härte der HAZ des Basismetallmaterials und des Schweißmetallmaterials wenigstens 340 H_V für die sich ergebende Schweißung ergeben, um der Belastung der finalen Anwendung, beispielsweise der Verwendung in einem Pipeline-Projekt, standzuhalten. Der Kunde hat ferner spezifiziert, dass er beabsichtigt, den Schweißprozess X und Schweißbedingungen Y zu verwenden, die unter Standard-Schweißprozessbedingungen einen Abkühlgeschwindigkeitsbereich von etwa 2 bis 4 Sekunden hervorrufen. Das Basismetallmaterial und das Schweißmetallmaterial müssen ausgewählt sein, um eine Schweißung zu erzeugen, die diese Anforderungen erfüllt.
Um ein Basismetallmaterial auszuwählen, muss jedes Basismetallmaterial charakterisiert werden, wie vorstehend beschrieben, durch Erzeugen eines erweiterten CCT-Diagramms. Es muss dann bestimmt werden, ob die Härte, die bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 2 bis 4 Sekunden erzeugt wird, die Anforderungen des Kunden erfüllt.
Wie in 5 dargestellt weist das Basismetallmaterial A eine Härte größer als 340 H_V auf, wenn die Abkühlgeschwindigkeit geringer als etwa 3 Sekunden ist, beträgt jedoch weniger als 340 H_V bei 4 Sekunden. Daher wird, wenn in der Praxis die durch den Schweißprozess hervorgerufene Abkühlgeschwindigkeit 4 Sekunden beträgt, die erforderliche Härte der HAZ des Basismetallmaterials nicht erreicht unter Verwendung des Basismetallmaterials A. Daher wäre Basismaterial A keine geeignete Wahl für dieses Schweißprojekt, wenn der Schweißprozess und/oder die Schweißprozessbedingungen nicht geändert werden.
6 bis 7 zeigen für Basismetallmaterialien B und C, dass die Härtewerte produziert bei Abkühlgeschwindigkeiten zwischen 2 und 4 Sekunden die Anforderungen des Kunden für eine Härte in der HAZ von wenigstens 340 H_V erfüllen. Daher wäre es zweckmäßig, Basismetallmaterialien B oder C zu wählen.
Um ein Schweißmetallmaterial auszuwählen, muss jedes Schweißmetallmaterial wie vorstehend beschrieben durch Erzeugen eines erweiterten CCT-Diagramms charakterisiert werden, wenn eines noch nicht für das Schweißmetallmaterial verfügbar ist. Es muss dann bestimmt werden, ob die bei einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 2 und 4 Sekunden erzeugte Härte die Anforderungen des Kunden erfüllt. Wie in 8 und 9 dargestellt, weisen wie Schweißmetallmaterialien D und E eine Härte von etwa 340 H_V auf, wenn die Abkühlgeschwindigkeit weniger als etwa 3 Sekunden beträgt. Daher ist die erforderliche Härte nicht erreichbar unter Verwendung der Schweißmetallmaterialien D oder E, wenn die Abkühlgeschwindigkeit, die durch den Schweißprozess X und die Schweißprozessbedingungen Y hervorgerufen wird, 4 Sekunden beträgt. Daher stellen die Schweißmetallmaterialien D und E keine geeignete Wahl für dieses Schweißprojekt dar, wenn der Schweißprozess und/oder die Schweißprozessbedingungen nicht geändert werden.
10 zeigt jedoch für Schweißmetallmaterial F, dass die durch Abkühlgeschwindigkeiten zwischen 2 und 4 Sekunden erzeugten Härtewerte die Anforderung des Kunden von wenigstens 340 H_V erfüllen. Daher wäre es zweckmäßig, für dieses Projekt Schweißmetallmaterial F zu wählen.
Es wird angemerkt, dass für den Fall, dass Basismetall A oder Schweißmetalle D und E bereits für das Projekt ausgewählt worden seien sollten, der Schweißprozess und/oder die Schweißprozessbedingungen geändert werden können, um einen Abkühlgeschwindigkeitsbereich zu erreichen, der den Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften erzeugt, der vom Kunden vorgegeben ist. Der Schweißprozess und die Schweißprozessbedingungen können wie vorstehend beschrieben geändert werden.
Während Verfahren und Zusammensetzungen illustriert worden sind, durch beschreiben von Beispielen und während die Beispiele in erheblichem Detail beschrieben worden sind, ist es nicht die Absicht der Anmelder, den Schutzbereich der angefügten Ansprüche auf derartige Details zu beschränken oder in irgendeiner Weise einzuschränken. Es ist natürlich nicht möglich, jede denkbare Kombination von Komponenten oder Methodologien zu beschreiben für den Zweck des Beschreibens des Systems, der Verfahren usw. die hierin beschrieben sind. Zusätzliche Vorteile und Modifikationen sind für den Fachmann einfach erkennbar. Daher ist die Erfindung nicht beschränkt auf die speziellen Details und die illustrierenden Beispiele, die dargestellt und beschrieben sind. Diese Anmeldung ist daher beabsichtigt um Änderungen, Modifikationen und Variationen zu umfassen, die in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Darüber hinaus dient die vorstehende Beschreibung nicht der Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung. Stattdessen muss der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente bestimmt werden.
Bezugszeichenliste

10: Qualitäten
10: Verfahren
12: Schweißung
12: bestimmt
14: Bedingungen
16: Metallmaterial
18: Metallmaterial
20: Eigenschaften
22: Schweißanwendung
24: ausgewählt
24: gewählt
26: bestimmt
26: Metallmaterial
30: mechanische Eigenschaften
32: geändert

Claims

Verfahren zum Optimieren der Wirksamkeit einer Schweißung, umfassend: Bestimmen (12) eines Satzes spezifizierter mechanischer Eigenschaften für eine Schweißung; Auswählen (16) eines Basismetallmaterials; Auswählen (14) eines Schweißprozesses; Auswählen (14) von Schweißprozessbedingungen; und Auswählen (18) eines Schweißmetallmaterials, wobei das Schweißmetallmaterial ausgewählt wird durch: Bestimmen einer Charakterisierung des Schweißmetallmaterials, wobei die Charakterisierung eine Durchführung einer thermomechanischen Simulation des Schweißmetalls umfasst; und Korrelieren der Charakterisierung des Schweißmetallmaterials mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Charakterisierung des Schweißmetalls die Verwendung eines Computerprogramms umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Auswählens der Schweißprozessbedingungen einen Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten für den Schweißprozess, einen Schweißbrennerabstand für den Schweißprozess, eine Schweißbrennerkonfiguration für den Schweißprozess, eine Wellenform für den Schweißprozess, einen Hitzeinput oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften der Schweißung ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Härte, Widerstandsfähigkeit, Stärke, Zähigkeit, oder einer Kombination davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Bestimmens der Charakterisierung des Schweißmetallmaterials ferner ein Bestimmen von Eigenschaften des Schweißmetallmaterials, das durch die thermomechanische Simulation erzeugt worden ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Eigenschaften des Schweißmetallmaterials, das durch die thermomechanische Simulation erzeugt wird, eine Mikrostruktur-Komposition, eine Härte, eine Widerstandsfähigkeit, eine Stärke, eine Zähigkeit, oder eine Kombination davon, des Schweißmetallmaterials als Funktion der Zeit umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Auswählens des Schweißmetallmaterials umfasst: Vergleichen der Eigenschaften des Schweißmetallmaterials mit dem Satz von spezifizierten mechanischen Eigenschaften und dem Satz von Schweißprozessbedingungen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schritt des Auswählens eines Basismetallmaterials umfasst: Bestimmen einer Charakterisierung einer wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials, wobei die Charakterisierung umfasst: Durchführen einer thermo-mechanischen Simulation und Korrelieren der Charakterisierung der wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften für die Schweißung.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Charakterisierung der wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials ferner umfasst: Bestimmen von Eigenschaften der wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials, das durch die thermomechanische Simulation erzeugt worden ist.
Verfahren zum Optimieren der Wirksamkeit einer Schweißung, insbesondere nach einem der vorherstehenden Ansprüche, umfassend: Bestimmen (12) eines Satzes spezifizierter mechanischer Eigenschaften für eine Schweißung; Auswählen (14) eines Schweißprozesses; Auswählen (14) von Schweißprozessbedingungen für den Schweißprozess; Auswählen (16) eines Basismetallmaterials, wobei das Basismetallmaterial ausgewählt wird durch: Bestimmen einer Charakterisierung einer wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials, wobei die Charakterisierung beim Durchführen einer thermomechanischen Simulation des Schweißmetalls umfasst; und Korrelieren der Charakterisierung der wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften für die Schweißung; und Auswählen eines Schweißmetallmaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Charakterisierung der wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials ferner umfasst: Bestimmung von Eigenschaften des Basismetallmaterials produziert durch die thermomechanische Simulation.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 11, wobei die Eigenschaften der wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials, produziert durch die thermomechanische Simulation, eine Mikrostruktur-Zusammensetzung, eine Härte, eine Widerstandsfähigkeit, eine Stärke, eine Zähigkeit, oder eine Kombination davon umfasst, insbesondere der wärmebeeinflussten Zone als Funktion der Abkühlgeschwindigkeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schritt des Auswählens des Basismetallmaterials umfasst: Vergleichen der Eigenschaften des Basismetallmaterials, produziert durch die thermomechanische Simulation, mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Verfahren ferner umfasst: Erzeugen der Schweißung mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften.
Verfahren zum Optimieren der Wirksamkeit einer Schweißung, insbesondere einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Bestimmen (12) eines Satzes spezifizierter mechanischer Eigenschaften für eine Schweißung; Auswählen (16) eines Basismetallmaterials, wobei der Schritt des Auswählens (16) des Basismetallmaterials umfasst: Bestimmen einer Charakterisierung einer Hitzebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials, wobei die Charakterisierung umfasst: Durchführen einer thermomechanischen Simulation des Basismetallmaterials; Auswählen eines Schweißprozesses; Auswählen (14) von Schweißprozessbedingungen für den Schweißprozess; und Auswählen (14) eines Schweißmetallmaterials (18), wobei der Schritt des Auswählens (18) des Schweißmetallmaterials umfasst: Bestimmen einer Charakterisierung des Schweißmetallmaterials, wobei die Charakterisierung umfasst: Durchführen einer thermomechanischen Simulation des Basismetallmaterials.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schritte des Auswählens des Basismetallmaterials und Auswählen des Schweißmetallmaterials umfassen: Korrelieren der Charakterisierung der wärmebeeinflussten Zone des Basismetallmaterials und der Charakterisierung des Schweißmetallmaterials mit dem Satz spezifizierter mechanischer Eigenschaften für die Schweißung.