Untersuchung des Wasserstoffgefährdungspotentials warmumgeformter Bauteile aus hochfestem Stahl
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Sven Jüttner, Dr.-Ing. Manuela Zinke, Dipl.-Ing. Olaf Schwedler, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
126 Seiten - 62,00 EUR (sw, 80 Abb., 29 Tab.)
ISBN 978-3-86776-424-7
Zusammenfassung
Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand primär in der Untersuchung der Kaltrissbeständigkeit des geschweißten pressgehärteten Bor-Mangan-Stahls 22MnB5 (1.5528) mit unterschiedlichen Überzugskonzepten (ohne Beschichtung, +AS150 und +Z140). Als Schweißverfahren standen das Widerstandspunktschweißen (RP), ein MSG-Schweißprozess mit modifiziertem Kurzlichtbogen (CMT) und das Laserstrahlschweißen (LB) im Mittelpunkt der Untersuchungen.
Für die Herstellung pressgehärteter Platinen wurde an der Forschungsstelle eine La-borpresshärtanlage errichtet und in Betrieb genommen, mit der der direkte Presshärtprozess nachgebildet und Platinen entsprechend den mechanisch-technologischen Eigenschaften der Bauteile des Serienprozesses hergestellt werden konnten.
Für die Beobachtung von Kaltrissen bildet das Vorliegen von Wasserstoff im Schweißgut bzw. im Grundwerkstoff eine grundlegende Voraussetzung. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden zur definierten Wasserstoffeinbringung unterschiedliche Methoden überprüft und reproduzierbar angewendet. Für den quantitativen Nachweis des eingebrachten Wasserstoffs wurde insbesondere bei den Schweißverfahren, die ohne Zuführung eines Schweißzusatzwerkstoffes ausgeführt werden, ein Verfahren zur Bestimmung des diffusiblen Wasserstoffs in Anlehnung an die DIN EN ISO 3690 entwickelt.
Zum Nachweis von Kaltrissen in geschweißten Proben wurde eine fremdbeanspruchte Kaltrissprüfvorrichtung erdacht und umgesetzt. Dieser Prüfvorrichtung liegt der Vier-Punkt-Biegeversuch zugrunde, der das Aufbringen definierter Lastspannungen, die ebenfalls eine Voraussetzung für das Auftreten von Kaltrissen bilden erlaubt.
Nach dem Schweißen (RP, MSG, LB) der Versuchsmaterialien mit den unterschiedlichen Überzugsvarianten und bei Vorliegen differenzierter Wasserstoffquellen während des Schweißens, erfolgte eine Verspannung und anschließende zeitliche Auslagerung der Proben in der zuvor entwickelten Kaltrissprüfvorrichtung. Eine besondere Herausforderung bildete die Detektion der entstandenen Kaltrisse, die zumeist im inneren und somit nicht sichtbaren Bereich der Schweißprobe entstanden. Neben metallografischen Untersuchungen wurden die zuvor in der Kaltrissprüfvorrichtung verspannten Proben Zugversuchen ausgesetzt und darüber hinaus die Eignung der Schallemissionsanalyse als Rissdetektionsverfahren überprüft.
Zur Ermittlung der Korrelation zwischen den Ergebnissen der fremdbeanspruchten Kaltrissprüfvorrichtung und der Kaltrissneigung seriennaher umgeformter Bauteile, wurden warmumgeformte Demonstratorbauteile mit Wasserstoffangeboten geschweißt. Die für das Kaltrissauftreten notwendigen Zugspannungen wurden dabei durch Vorspannungen, die auf die Demonstratorbauteile aufgebracht wurden gewährleistet.
Die dargestellten Forschungsergebnisse stellen einen wichtigen Beitrag dar, höchstfeste pressgehärtete Stähle kaltrisssicher mit den in der Praxis angewendeten Schweißverfahren zu verschweißen. Hierzu wurde aus den Untersuchungsergebnissen eine Gefahrenmatrix abgeleitet, die eine wertvolle Handreichung für kmU bspw. Automobilzulieferer, Hersteller/Lieferanten von Schweißtechnik, aber auch für Stahl- und Automobilhersteller bildet.
Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Untersuchung des Wasserstoffgefährdungspotentials warmumgeformter Bauteile aus hochfestem Stahl“ wurde unter der Fördernummer AiF 17016BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 381 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Verzeichnis der Formelzeichen
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1 Anlass für den Forschungsantrag
1.2 Ausgangssituation
2 Stand der Technik
2.1 Warmumformung von höchstfesten Vergütungsstählen
2.2 Mechanismen der wasserstoffunterstützten verzögerten Kaltrissbildung
2.3 Quellen für den Wasserstoff beim Schweißen
2.4 Kaltrissprüfverfahren
3 Forschungsziel und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles
3.3 Änderungen im Arbeitsplan
4 Versuchskonzept und verwendete Gerätetechnik
4.1 Schweißtechnik
4.1.1 MSG-Schweißen (CMT-Prozess)
4.1.2 Widerstandspunktschweißen
4.1.3 Laserstrahlschweißen
4.2 Presshärtanlage
4.3 Wasserstoffanalytik
4.4 Schallemissionsanalyse
4.5 Prüftechnik für die Bestimmung der Eigenschaften der Schweißungen
5 Forschungsergebnisse
5.1 Charakterisierung der verwendeten Untersuchungsmaterialien
5.2 Methoden zur Wasserstoffbestimmung im Schweißgut mit Zusatzwerkstoff
5.2.1 Überprüfung gewogene Masse – berechnete Schweißgutmasse MSG-geschweißter Feinbleche
5.2.2 Bestimmung der Schweißgutmasse von Widerstandspunktschweißungen
5.2.3 Bestimmung der Schweißgutmasse von Laserstrahlschweißungen
5.2.4 Umrechnung HD in HF bei MSG-Schweißungen
5.3 Möglichkeiten zur definierten Wasserstoffeinbringung
5.3.1 Wasserstoffaufnahme durch den Austenitisierungsprozess
5.3.2 Elektrochemische Wasserstoffbeladung
5.3.3 Wasserstoffarmglühen
5.3.4 Wasserstoffbeladung während des Schweißens
5.3.5 Wasserstoffaufnahme in MSG-Proben
5.3.6 Wasserstoffaufnahme von Widerstandspunkt- und Laserstrahlschweißungen
5.4 Überprüfung auf Kaltrissbildung durch Vier-Punktbiege-Verspannungen
5.4.1 Vier-Punkt-Biegeversuch
5.4.2 Probengeometrien für die Vier-Punkt-Biegeverspannung
5.4.3 Durchführung der Biegeverspannung
5.4.4 Detektionsverfahren zur Rissbildung
5.5 Kaltrissverhalten
5.5.1 Kaltrissverhalten von pressgehärteten ungeschweißten homogenen Feinblechen
5.5.2 Kaltrissverhalten von pressgehärteten geschweißten Feinblechen bei Vorliegen von Wasserstoff durch den Ofenprozess (Austenitisierung)
5.5.3 Kaltrissverhalten von elektrolytisch beladenen Proben
5.5.4 Kaltrissverhalten von Proben mit Wasserstoffangebot beim Schweißen
5.5.5 Kaltrissverhalten von MSG-Schweißverbindungen
5.5.6 Kaltrissverhalten von Laserstrahlschweißverbindungen
6 Ergebnisse
6.1 Übertragung auf Demonstratorbauteile
6.1.1 MSG-Schweißungen
6.1.2 RP-Schweißen
6.2 Ableitung einer Risikomatrix für Kaltrissbildung von 22MnB5
6.2.1 Art der Wasserstoffaufnahme
6.2.2 Vergleich nach den unterschiedlichen Schweißverfahren
6.3 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen des ursprünglichen Forschungsantrages und Schlussfolgerungen aus den Forschungsergebnissen
6.4 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse für kleine und mittelständige Unternehmen
7 Literaturverzeichnis
