WO2010086146A1 - Method for joining at least two metal components - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for joining at least two metallic components by thermal energy input for forming a welding area connecting the two components in the form of a weld seam and / or a spot weld.
- the load limits of components consisting of metallic materials are essentially determined by the microstructure of the materials, their residual stresses and their structural design. If two components made of metallic materials are joined together by means of thermal energy input to form a weld joint in the form of a weld and / or a welding point, the strength of the joint connection also depends on the quality of the so-called heat-affected zone forming during the welding which corresponds to that component region which in each case directly adjoins the weld seam or at the welding point and undergoes a metallographically visible influencing of the structural state in the metallic material due to the thermal energy input.
- the properties of the formed by the welding process heat affected zones are essentially determined by the nature of the base material and the amount of heat input and the dependent thereon thermal heating and Abkühlverläinn that the respective structural areas of the base material during the thermal energy input or during
- the extent of the changes to the metallic material within the heat affected zone depends on many factors, such as the welding parameters, the component dimensions, the geometry of the weld area, for example the width, depth and shape of a weld concerning the residual stress states of the components involved in the joining process, and of the chemical compositions of both the component material as well as the additional materials required for the joining process.
- thermal treatment of the welded joint Another alternative to meeting the formation of a quality of the welded connection detrimentally affecting heat affected zone is the thermal treatment of the welded joint.
- a subsequent reduction in residual stress in the heat affected zone affect it associated annealing temperatures inevitably also the strength properties of all other areas of the welded joint, such as the weld metal, which are adjacent to the coarse grain zone remaining areas of the heat affected zone and adjacent to the heat affected zone metallic material of the component.
- a thermal aftertreatment lead to distortion of the respective components, to a scaling of the component surfaces and to a change, usually in the form of a decrease in the strength properties of the components. Grain refining within the coarse grain zone of the heat affected zone is not possible in this way or only to a very small extent.
- the invention is based on the object of specifying a method for joining at least two metallic components by means of thermal energy input for forming a weld region connecting both components in the form of a weld seam and / or a weld point such that a connection weakening is based on a coarse grain zone forming within the heat affected zone , is to be effectively countered.
- the measures to be taken in this case should weaken neither the components nor the forming joint compound, but it is a grain refinement in the Joining joint weakening coarse grain zone within the heat affected zone to bring about.
- the method according to the invention is based on a grain refining in metallic materials by a conversion-related grain new formation or a grain new formation by recrystallization.
- the heat-influencing zone forming by the welding process extends in each case orthogonally to the end face into the interior of the component.
- the end face of a surface plastic deformation for example, to undergo by way of a shot peening process and this with a depth effect that corresponds at least to the depth of the coarse grain forming zone.
- the surface treatment takes place exclusively along the end faces of both components.
- the refinement contributing effect due to recrystallization processes is provided with a gradient, so that the expression of the refinement concentrates on the particularly vulnerable region near the melting region, for example in the form of a fusion seam or a melting point, and As a consequence, the effect of the refinement decreases with increasing distance to the welding area, so that the component areas not affected by the heat input do not experience any crystallographic irritations due to flaw formation.
- the plastic deformation of the component is carried out at room temperature or temperatures below room temperature. Basically, however, that the temperature level in the plastic deformation of the respective component area should be below the softening temperature of the metallic material of the component.
- FIG. 2 shows the result of the metallographic investigations in the region of the heat-affected zone HZ and the basic structure 3 of the metallic material of the round sample which adjoins on the right in each case.
- the heat affected zone WEZ is marked in each case by two lines.
- the micrograph of an undeformed weld sample is shown, whereas the right-hand illustration in FIG. 2 illustrates the micrograph of a sample prepared in accordance with the solution. In both cases, it is assumed that the respective left edge of the microstructure corresponds to the edge region of the weld region.
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Abstract
Description
Verfahren zum Fügen wenigstens zweier metallischer Bauteile Method for joining at least two metallic components
Technisches GebietTechnical area
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.The invention relates to a method for joining at least two metallic components by thermal energy input for forming a welding area connecting the two components in the form of a weld seam and / or a spot weld.
Stand der TechnikState of the art
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. 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.The load limits of components consisting of metallic materials are essentially determined by the microstructure of the materials, their residual stresses and their structural design. If two components made of metallic materials are joined together by means of thermal energy input to form a weld joint in the form of a weld and / or a welding point, the strength of the joint connection also depends on the quality of the so-called heat-affected zone forming during the welding which corresponds to that component region which in each case directly adjoins the weld seam or at the welding point and undergoes a metallographically visible influencing of the structural state in the metallic material due to the thermal energy input. The properties of the formed by the welding process heat affected zones are essentially determined by the nature of the base material and the amount of heat input and the dependent thereon thermal heating and Abkühlverläläufen that the respective structural areas of the base material during the thermal energy input or during Thus, the extent of the changes to the metallic material within the heat affected zone depends on many factors, such as the welding parameters, the component dimensions, the geometry of the weld area, for example the width, depth and shape of a weld concerning the residual stress states of the components involved in the joining process, and of the chemical compositions of both the component material as well as the additional materials required for the joining process.
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.In particular, as a result of the high input of thermal energy within the joining region for the formation of a melt, a pronounced grain growth often develops in the material areas of the components involved close to the melting point. However, as the grain size of the metallic structure of the so-called "coarse grain zone" forming within the heat-affected zone increases, the mechanical quality values, such as toughness, become significantly less favorable the heat-affected zone and thus the component behavior in the joined state can be adversely affected, whereby just those immediately adjacent to the welding area component area is a starting point for failure of the entire welded joint.
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.In order to meet this known, problematic phenomenon of the formation of a coarse grain zone weakening the welded joint within the heat-affected zone, different efforts have hitherto been made. One possibility is to optimize the welding parameters, in particular the dynamics as well as the amount of thermal energy deposited in the welding area. However, the optimization of the welding parameters with respect to the formation of the heat affected zone clear limits set, especially as an exclusive focus on the optimization of the selection of welding parameters, eg. With the aim of forming a spatially smallest possible and fine-grained heat affected zone, others for the training of Welding connection would completely ignore important aspects. So it is the welding parameters also with regard to a maintained geometry of the weld area, vote on any existing residual stress and distortion in the respective components to be joined together as well as on the most error-free weld metal, just to name a few joining technology relevant aspects.
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.Another alternative to meeting the formation of a quality of the welded connection detrimentally affecting heat affected zone is the thermal treatment of the welded joint. Thus, with the help of the heat affected zone tuned annealing process may well under certain conditions, for example, a subsequent reduction in residual stress in the heat affected zone, however, affect it associated annealing temperatures inevitably also the strength properties of all other areas of the welded joint, such as the weld metal, which are adjacent to the coarse grain zone remaining areas of the heat affected zone and adjacent to the heat affected zone metallic material of the component. In addition, a thermal aftertreatment lead to distortion of the respective components, to a scaling of the component surfaces and to a change, usually in the form of a decrease in the strength properties of the components. Grain refining within the coarse grain zone of the heat affected zone is not possible in this way or only to a very small extent.
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.In addition, attempts have been made by the coarseness caused structural weakening within the heat affected zone by a To reduce mechanical mechanical treatment or eliminate, for example by means of shot blasting, hammering, rolling or the like in the heat affected zone. Such measures lead to plastic deformation and a concomitant near-surface solidification of the component material and to the formation of residual compressive stresses. However, the latter are often degraded by fatigue operations when the assembled components vibrate. However, such a mechanical aftertreatment can by no means significantly reduce the coarseness within the heat-affected zone.
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..The above-mentioned problem occurring in particular in welded joints can, of course, fundamentally be avoided by using alternative joining methods, such as clinching, riveting or gluing, but other disadvantages are associated with these alternatives, such as, for example, much lower joining strengths, higher weight according to necessary material overlaps of two components etc.
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.It remains therefore to be noted that so far no satisfactory measures are known with which a weakening due to the formation of the coarse grain zone described above within the heat affected zone can be effectively counteracted in welded joints between metallic components.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
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.The invention is based on the object of specifying a method for joining at least two metallic components by means of thermal energy input for forming a weld region connecting both components in the form of a weld seam and / or a weld point such that a connection weakening is based on a coarse grain zone forming within the heat affected zone , is to be effectively countered. The measures to be taken in this case should weaken neither the components nor the forming joint compound, but it is a grain refinement in the Joining joint weakening coarse grain zone within the heat affected zone to bring about.
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.The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further features are the subject of the dependent claims and the further description with reference to the exemplary embodiments.
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.The method according to the invention is based on a grain refining in metallic materials by a conversion-related grain new formation or a grain new formation by recrystallization. Thus, it has been recognized in accordance with the solution that a uniform grain structure adapted to the metallic base material of the respective component is obtainable in the critical region of the coarse grain zone of the heat affected zone, if the heat affected zone, and in particular the coarse grain zone, ie. H. that component region immediately adjacent to the melting region forming in the course of the thermal joining process is plastically deformed prior to the thermal energy input.
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. Zwischen der plastischen Verformung und dem Schweißvorgang ist keine zusätzliche Wärmebehandlung zwischengeschaltet. 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. 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.By a targeted plastic deformation of forming in the way of the thermal energy input heat affected zone defects within the metallic structure of the respective component are introduced, which in turn are starting points for Rekristallisationsvorgänge that are triggered by the thermal energy input in the subsequent welding process. Between the plastic deformation and the welding process, no additional heat treatment is interposed. The recrystallization processes result in grain remodeling with a much smaller grain size than is the case in the case described above for the coarse grain zone within the heat affected zone which forms in conventional welding techniques, above all gas welding, arc welding, inert gas welding or resistance welding. The plastic deformation, which can preferably be brought about by processes such as shot blasting, hammering or laser shock treatment, but also in the context of a mechanical processing of the parts to be joined parts, for example. By means of bending, grinding, milling, etc., can be performed limited in the sense of the sense exclusively on those part of the area that is detected by the thermal energy input and within which the metallic material of the component undergoes a metallographically visible influence on the microstructure state.
Gilt es bspw. zwei stabförmig ausgebildete Bauteile längs ihrer Stirnseiten im Wege eines Schweißvorganges miteinander zu verbinden, so erstreckt sich die sich durch den Schweiß prozess 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.If, for example, it is necessary to connect two rod-shaped components along their end faces by means of a welding operation, the heat-influencing zone forming by the welding process extends in each case orthogonally to the end face into the interior of the component. For an effective plastic deformation of this component area, it is the end face of a surface plastic deformation, for example, to undergo by way of a shot peening process and this with a depth effect that corresponds at least to the depth of the coarse grain forming zone. In the case of the above-described rod-shaped components thus the surface treatment takes place exclusively along the end faces of both components.
Gilt es andererseits bspw. zwei blechartig ausgebildete Bauteile im Überlapp schweißtechnisch zu fügen, so erfolgt die dem Schweiß prozess vorgelagerte plastische Deformation ausschließlich an den in Überlappung tretenden Oberflächenbereichen beider zu fügender Bauteile.On the other hand, if, for example, it is necessary to add two sheet-like components in overlap by welding, the plastic deformation upstream of the welding process takes place exclusively at the overlapping surface areas of both components to be joined.
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 Komfeinung beitragende Effekt, der auf Rekristallisationsvorgängen zurückzuführen ist, mit einem Gradienten versehen, so dass sich die Ausprägung der Komfeinung auf den besonders gefährdeten Bereich nahe des Schmelzbereiches, bspw. in Form einer Schmelznaht oder eines Schmelzpunktes, konzentriert und in Folge dessen der Effekt der Komfeinung mit zunehmendem Abstand zum Schweißbereich abnimmt, so dass die nicht vom Wärmeeintrag betroffenen Bauteilbereiche keinerlei kristallographische Irritationen durch Fehlstellenbildung erfahren.An optimization with regard to the selection of the component areas which are to be subjected to plastic deformation and the expression of the depth effect associated with the plastic deformation is determined in preliminary tests on the respective component or component-like samples depending on the respective materials and the welding techniques used. Thus, it is necessary to perform the plastic deformation on the corresponding component areas in such a way that the entire surface layer of the component, which corresponds to the coarse grain zone forming in the course of the welding process, is detected decrease the crystallographic defects within the metallic microstructure caused by the plastic deformation with increasing component depth in terms of their severity and number. In this way, the refinement contributing effect due to recrystallization processes is provided with a gradient, so that the expression of the refinement concentrates on the particularly vulnerable region near the melting region, for example in the form of a fusion seam or a melting point, and As a consequence, the effect of the refinement decreases with increasing distance to the welding area, so that the component areas not affected by the heat input do not experience any crystallographic irritations due to flaw formation.
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.Only by means of the solution-based, locally limited, mechanical pretreatment of the component in the region of the heat-influencing zone forming by way of the thermal joining process can it be ensured that a largely continuous adaptation of the grain size forming within the heat-affected zone to the grain size of the thermally uninfluenced metallic material of the respective component will be produced. Preferably, the plastic deformation of the component is carried out at room temperature or temperatures below room temperature. Basically, however, that the temperature level in the plastic deformation of the respective component area should be below the softening temperature of the metallic material of the component.
Zur Illustration der komverfeinenden Auswirkungen, die mit dem lösungsgemäßen Verfahren erzielbar sind, sei auf ein in den Figuren 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 Figur 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. 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.To illustrate the komverfeinenden effects that can be achieved with the method according to the solution, reference is made to an illustrated in Figures 1 and 2 embodiment. To demonstrate the grain-refining effect associated with the pretreatment for a weld joining process according to the invention, tests were carried out on round specimens of a 23MnB4 steel. On the round samples, of which a pictorial representation of a round sample 1 is shown in FIG. 1, welding spots 2 were applied by means of a welding laser. Subsequently, the microstructure of the heat affected zone of these welds was examined metallographically. One of the round samples was plastically deformed at 8 bar before spot welding on the surface by means of shot peening with glass beads of grain size 70 to 100, a second sample was provided with a spot weld in the undeformed starting state.
In Figur 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 Figur 2 linken bildlichen Darstellung ist das Gefügebild einer unverformten Schweißprobe dargestellt, wohingegen die rechte Darstellung gemäß Figur 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.FIG. 2 shows the result of the metallographic investigations in the region of the heat-affected zone HZ and the basic structure 3 of the metallic material of the round sample which adjoins on the right in each case. The heat affected zone WEZ is marked in each case by two lines. In the left-hand pictorial representation in FIG. 2, the micrograph of an undeformed weld sample is shown, whereas the right-hand illustration in FIG. 2 illustrates the micrograph of a sample prepared in accordance with the solution. In both cases, it is assumed that the respective left edge of the microstructure corresponds to the edge region of the weld region.
In den Gefügebildern ist in beiden Fällen die zeilenförmige Umwandlung in bainitisch- martensitisches Gefüge in der Wärmeeinflusszone erkennbar. Bei der unbehandelten Rundprobe (linke Gefügebilddarstellung gem. Fig. 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.In the micrographs, the line-shaped transformation into bainitic-martensitic microstructure in the heat-affected zone is recognizable in both cases. In the case of the untreated round sample (left-hand micrograph according to FIG. 2), the lines of the uninfluenced basic microstructure 3 of the metallic material are exactly imaged within the heat-affected zone WEZ and appear macroscopically significantly coarser. In contrast, in the solution-pretreated round sample according to the right-hand micrograph image within the rows of the basic structure 3 within the heat-affected zone WEZ grain new formations and thus grain fines become visible. Macroscopically, the appearance within the heat-affected zone WEZ is finer than the line structure of the thermally uninfluenced basic structure of the metallic material of the round sample.
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.With the method according to the solution, a number of important advantages thus arise. Structural improvement of the heat affected zone by reducing the grain size in the coarse grain zone of the heat affected zone of welded joints. This results in better mechanical properties of the entire welded joint by avoiding caused by the coarse structure structural weakening of the heat affected zone.
Vermeidung der Notwendigkeit thermischer Nachbehandlungen, die sich auf sämtliche Bereiche der Schweißverbindung (Schweißgut, Grundwerkstoff des Bauteils, andere WEZ-Bereiche) negativ auswirken können.Avoidance of the need for thermal aftertreatments, which can negatively affect all areas of the welded joint (weld metal, base material of the component, other HAZ zones).
Einfach durchzuführende Vorbehandlung, auch großer Bauteile, die nicht nachträglich wärmebehandelt werden können.Easy to carry out pre-treatment, even of large components that can not be subsequently heat treated.
Erhalt der optimierten Eigenschaften auch bei schwingender Beanspruchungen oder nach hohen Umformgraden.Preservation of the optimized properties even with oscillating stresses or after high degrees of deformation.
Die Möglichkeit einer zusätzlichen mechanischen und thermischen Nachbehandlung bleibt dennoch erhalten. The possibility of additional mechanical and thermal treatment remains intact.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
WEZ WärmeeinflusszoneWEZ heat affected zone
1 Rundprobe1 round sample
2 Schweißpunkt2 welding point
3 Grundgefüge 3 basic structure
Claims
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