Lichtmikroskopische Aufnahme des Schweißnahtgefüges einer Schweißverbindung.
Foto: Fraunhofer IWM

Simulation

Hochfeste Stähle: Bewertung der Kaltrissneigung

Am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM wurde eine Simulations-Methodik zur Bewertung der Kaltrissneigung beim Schweißen entwickelt.

Hochfeste Stähle werden für den Leichtbau und für crashrelevante Strukturbauteile eingesetzt, die hohe Festigkeiten benötigen. Beim Schweißen dieser Bauteile tragen vielfältige Faktoren dazu bei, dass sich feine Risse bilden können, die sich ausbreiten und möglicherweise zu Bauteilausschuss führen. Diese Faktoren sind schwierig oder gar nicht durch Experimente zu erfassen, beispielsweise müsste die Wasserstoffkonzentration an stark eingegrenzten Orten im Bauteilinneren während des Schweißens gemessen werden können. Eine weitere Schwierigkeit: die Zeitspanne bis zur Rissentstehung. Sie können während des Schweißens innerhalb weniger Sekunden oder mehrere Tage danach auftreten. Bis heute gibt es aus diesen Gründen bei lasergeschweißten Bauteilen aus hochfesten Stählen häufig eine hohe Ausschussrate in der Fertigung.

Einfluss von Wasserstofffallen abgebildet

Damit Bauteilhersteller die Ausschussrate bei hochfesten Stählen verringern können, hat Dr. Frank Schweizer aus der Gruppe "Mikrostruktur, Eigenspannungen" des Fraunhofer IWM im Rahmen seiner Dissertation bereits industriell eingesetzte Methoden der numerischen Schweißsimulation entsprechend weiterentwickelt. Damit kann er im Computer die Geschehnisse an ganz begrenzten Bauteilorten nachstellen. Das funktioniert sogar für sehr schnelle Temperaturwechsel zwischen Raum- und Schmelztemperatur, wie sie beim Schweißen auftreten. "Jetzt können wir die zeitliche Entwicklung der Einflussfaktoren und ihre Wechselwirkungen untereinander genau berechnen und virtuell beobachten", erklärt Schweizer. Es sind Faktoren wie Härtegefüge, Eigenspannungen und die lokale Wasserstoffkonzentration, die im geschweißten Bauteil zur Rissbildung führen können. Neben dem zusätzlich eingebrachten Wasserstoff aus dem Schweißprozess löst sich durch die Schweißwärme der bereits im Stahl vorhandene Wasserstoff und wird beweglich beziehungsweise diffusionsfähig.

"Die Besonderheit an der neuen Methode ist, dass sie auch die Wirkung sogenannter Wasserstofffallen berücksichtigt", so Schweizer. Er fand für unterschiedliche Laserschweißverbindungen heraus, dass bei geringen Wasserstoffkonzentrationen die Wasserstofffallen einen großen Einfluss auf den "beweglichen" Wasserstoffanteil haben. Bei höherem Wasserstoffgehalt wird das thermomechanische Materialverhalten zunehmend ausschlaggebend für die Rissbildung. "Die Wasserstoffatome sammeln sich langsam in dem schmalen Bereich der Wärmeeinflusszone an, in dem besonders hohe Zugeigenspannungen vorherrschen", sagt Schweizer. Auch noch nachdem der Stahl abgekühlt ist, kann sich der Wasserstoff dann an diesen Stellen sammeln und das Material spröde machen. "Somit können auch noch nach Stunden und Tagen Risse entstehen, die das Aussortieren des Bauteils nötig machen", erklärt Schweizer.

Simulation als Basis für die Optimierung des Laserschweißprozesses

Die Simulationsergebnisse dienen als Grundlage, Laserschweißprozesse zu optimieren und Bauteilausschuss nachhaltig zu verhindern: "Die Laser-Prozessparameter lassen sich nun so anpassen, dass die Wechselwirkungen der Kaltriss-Risikofaktoren so gering wie möglich bleiben", sagt Schweizer. Auch genauere Vor- und Nachwärmtemperaturen sowie die passgenaue Glühdauer kann aus der Simulation ermittelt werden. "Auch bei der Planung von Bauteilen nutzt die Simulation: Anhand der Daten lassen sich günstigere Bauteilformen ableiten, um den Eigenspannungszustand lokal zu verbessern und Risse zu vermeiden", erläutert Schweizer. In einem nächsten Forschungsschritt will er den Einfluss unterschiedlicher Werkstoffe und Bauteiloberflächen auf die sogenannte Effusion des Wasserstoffs genauer untersuchen, um Vor- und Nachwärmprozeduren zukünftig noch präziser auslegen zu können. Zudem wird er die neue Methodik auf weitere Stähle und andere Schweißverfahren anwenden.

Als Datengrundlage für die von Schweizer erweiterten numerischen Schweißsimulationen dienten charakteristische Werkstoffkennwerte dreier unterschiedlicher hochfester Stähle: eines Wälzlager-, eines Martensitphasen- und eines Feinkornbaustahls. Diese charakteristischen Werkstoffkennwerte ermittelte er sowohl experimentell als auch mit neuen und eigenen rechnerischen Auswertemethoden. Seine Simulationsmodelle testete Schweizer erfolgreich an drei industriell eingesetzten Bauteilen, die mit verschiedenen Schweißverfahren gefügt wurden: dem Wärmeleitschweißen sowie dem Tiefschweißen per Faserlaser und CO2-Laser.

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