Was sind ERW-Anleihelinien?

Ein Röntgenbeugungsgerät eignet sich zur Analyse und Messung der Struktur der Materialien in der Nähe von Rohrschweißnähten.

Beim Querschnitt repräsentativer Schweißnahtabschnitte beim elektrischen Widerstandsschweißen (ERW) (auch bekannt als Hochfrequenz-Widerstandsschweißen) können Ingenieure in der Mitte der Schweißnaht auf eine Linie stoßen, die je nach Form, Breite, Ausrichtung und Schattierung variiert die verwendete Stahlsorte und Ätztechnik (siehe Abbildung 1).

Forscher von Thermatool Corp. fanden heraus, dass diese Verbindungslinie eine höhere Härte aufweist als die umgebende Schweißnaht aus SAE 4130-Material, da sie aus einer Mischung aus Ferrit, Bainit und ungehärtetem Martensit besteht. Laut Battelle-Studien kann diese höhere Härte in der Verbindungslinie normalerweise mit einem Verlust an Zähigkeit in der Schweißnaht einhergehen und durch eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen verbessert werden. In anderen Fällen kann die Verbindungslinie weicher sein als die umgebende Schweißnaht, insbesondere bei kohlenstoffarmen Stahlsorten wie SAE 1010 sowie bei ERW-Schweißnähten aus rostfreiem Stahl.

Da die Verbindungslinie einen Mangel an Homogenität in der Mikrostruktur darstellt, wurde vermutet, dass sie zu Schweißfehlern führen kann, insbesondere weil echte Diskontinuitäten wie Oxideinschlüsse an derselben Stelle auf der Mittellinie der Schweißnaht eingeschlossen sein können.

Um herauszufinden, was Verbindungslinien wirklich sind und wie gefährlich sie für die Integrität von Schweißnähten sein könnten, lohnt es sich, einen genaueren Blick auf die Forschung zu werfen.

Um ERW-Schweißverbindungslinien zu verstehen, muss der Prozess selbst besprochen werden – eine Festkörperverbindungstechnik, bei der Joule-Erwärmung (Widerstandserwärmung) zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung verwendet wird.

Während der letzten Schmiedephase des Prozesses werden alle nichtmetallischen Partikel und Einschlüsse zusammen mit dem plastifizierten Metall aus der Grenzfläche ausgestoßen. Dieses überschüssige Metall am Außendurchmesser und manchmal auch am Innendurchmesser kann durch Schälen direkt nach dem Schweißen entfernt werden. Das ERW-Verfahren wird hauptsächlich in kontinuierlichen automatisierten Anwendungen von Längsnahtschweißungen für Rohrprodukte eingesetzt. Ein Schema des Induktionsschweißprozesses ist in Abbildung 2a beim kontinuierlichen Nahtschweißen eines rohrförmigen Produkts dargestellt. Abbildung 2b zeigt das Kontakt-Hochfrequenzschweißen (HF), bei dem der Strom über Schleifkontakte auf die Verbindung übertragen wird.

Im Wesentlichen wird das ERW-Verfahren als Variante des Widerstandsschweißens kategorisiert, da die Joulesche (Widerstands-)Erwärmung eines sehr kleinen Querschnitts der zu verbindenden Kanten die Wärmequelle für das Schweißen darstellt.

Zu den Hauptvariablen des ERW-Prozesses gehören laut Studien der LeTourneau University Leistung, Frequenz, Schweißgeschwindigkeit, V-Winkel, Impederposition, Schweißwalzendruck und das Ausmaß der Gesamtstauchung beim Schmieden. Beachten Sie, dass die Kanten während des Prozesses nicht schmelzen dürfen und dass es manchmal zu Prozessinstabilität und Lichtbogenbildung zwischen den angrenzenden Kanten kommen kann. Alle lokalisierten Schmelzprodukte sollten in den Grat geschleudert werden, damit die endgültige Schweißnaht eine feste Verbindung bleibt.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Nutzung des Skin-Effekts – der Fähigkeit hochfrequenter Ströme, an der Oberfläche eines Leiters zu fließen – für die Heizeffizienz an den zu verbindenden Kanten sehr wichtig ist. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Tiefe der elektrisch leitenden Haut ab, während der Widerstand bei gleichem Schweißstrom zunimmt, wodurch höhere Temperaturen entstehen. Typischerweise werden Frequenzen von 100 bis 900 kHz verwendet, am gebräuchlichsten sind 100 bis 300 kHz zum Schweißen von Stahlrohren.

Der zweite wichtige Effekt bei ERW ist der Proximity-Effekt, der sich auf die Stromkonzentration zwischen zwei parallelen Leitern als Funktion des Abstands zwischen ihnen bezieht. Bei einem optimalen Spalt oder Abstand zwischen den beiden Kanten des Stahls, wie in Abbildung 2b dargestellt, wird die Wärmeerzeugung bei einem kleinen V-Winkel (möglicherweise 2 bis 4 Grad) optimiert.

ABBILDUNG 1. Dieser Querschnitt durch eine ERW-Schweißnaht in der Produktion zeigt eine typische Verbindungslinie (gelbe Linie) und eine thermomechanisch bearbeitete Zone (TMPZ) (blaue Linie). Die ERW-Schweißnaht wurde aus SAE 4130-Stahl mit 9,5 mm Wandstärke und Nital-Ätzung hergestellt.

Die kritische Überprüfung umfangreicher Schweißnahtdatenbanken wurde durch Thermatool Corp. ermöglicht, wobei jahrelange Produktionsschweißnahtquerschnittsproben im Zusammenhang mit Produktionswerksparametern und Fehlerbildung untersucht wurden. Eine vergleichende Analyse mit öffentlich zugänglichen Forschungs- und Entwicklungspublikationen vervollständigte diese Phase der Arbeit, die hauptsächlich auf der Mikrostruktur, Geometrie und Morphologie der Verbindungslinien basierte.

Forscher der LeTourneau University untersuchten simulierte Verbindungslinien in Situationen, in denen ein thermomechanisches Gleeble 1500-System mit einem 100-kVA-Industriestromsystem mit variabler Frequenz gekoppelt war, das Schweißnähte im Bereich von 100 bis 900 kHz erzeugen konnte.

Der Zweck dieser Kombination bestand darin, thermische Effekte von mechanischen Effekten während des ERW zu entkoppeln und einen realistischen Aufbau bereitzustellen, bei dem der Abstand zwischen den Kanten, die Frequenz und die Leistung unabhängig vom Schmieden angepasst werden konnten. Es wurden Leistungsstufen zwischen 15 und 75 kW verwendet, die Schweißfrequenzen waren auf 250, 300 und 400 kHz eingestellt.

Metallografische und Härtetests wurden verwendet, um die Qualität von Gleeble-simulierten Schweißnähten mit ERW-Produktionsschweißnähten zu korrelieren. Die guten Korrelationsparameter wurden auf einer Konferenz zur Schweißforschung in Calloway Gardens vorgestellt, wo die Taguchi-Methode verwendet wurde, um eine Design-of-Experiment-Matrix (DOE) zu erstellen und das Gewicht jedes thermischen und mechanischen Inputs auf die simulierte Schweißqualität und -geometrie einzustufen. Die Auswirkungen der Gesamtstauch- und Dehnungsrate auf die dynamische Rekristallisation wurden untersucht. Kompressionstests wurden bei verschiedenen Kompressionsdehnungsraten zwischen 0,5 Zoll/Zoll/Sek. bis 40 Zoll/Zoll/Sek. und unterschiedliche konstante Spitzentemperaturen.

Aus der Vielzahl anderer Ergebnisse, die in der physikalischen Simulationsreihe gefunden wurden, wählten die Forscher eines aus, das sich auf die Breite der thermomechanisch verarbeiteten Zone (TMPZ) bezieht (siehe Abbildung 3).

Mehr als 30 simulierte HF-Schweißnähte wurden bei unterschiedlichen Leistungspegeln und Frequenzen durchgeführt, und die simulierte Verbindungslinie blieb gerade und hatte ungefähr die gleiche Breite von 20 bis 40 Mikrometern. Die durchschnittliche TMPZ-Breite änderte sich jedoch, insbesondere mit der Schweißhäufigkeit (siehe Abbildung 4).

DOEs zeigten die relative Rangfolge der Faktoren, die die TMPZ-Breite beeinflussen:

Interessanterweise wurden Verbindungslinien durch Erhitzen und Komprimieren von massiven Stäben mit den gleichen thermischen Zyklen im Gleeble reproduziert – mit anderen Worten, ohne dass HF-Schweißnähte mit zwei aneinanderstoßenden Teilen hergestellt wurden (siehe Abbildung 5).

Diese Fähigkeit, Mikrostrukturen ähnlich einer Verbindungslinie in einem massiven Stab zu erzeugen, indem dieser hohen Temperaturgradienten und Dehnungsraten ausgesetzt wird, beweist, dass Verbindungslinien beim ERW keine mikrostrukturellen Überreste zweier aneinanderstoßender Kanten sein müssen.

Zwei verschiedene tatsächliche HF-Schweißnähte wurden zufällig verglichen, um Härte- und Korngrößenunterschiede zwischen dem Grundmetall und der Verbindungslinie zu korrelieren. Wie in Abbildung 6 dargestellt, kam es an den Verbindungslinien der SAE 1010- und 4130-Stähle im Vergleich zum Grundmetall zu einer beträchtlichen Kornvergröberung. Dementsprechend war die Härte in der Schweißmittellinie beim 1010-Stahl niedriger (alles Delta-Ferrit) und beim 4130-Stahl höher – 40 % Bainit + 40 % Martensit + 20 % Delta-Ferrit. Die Mischung wurde mittels Röntgenbeugungsanalyse (XRD) bestimmt.

ABBILDUNG 2. Der ERW-Prozess wird hier schematisch (beachten Sie den Impeder auf der ID-Seite und das V, wo Wärme erzeugt wird [roter Pfeil]) und in einer Draufsicht des Hochfrequenzschweißens mit Gleitkontaktschuhen dargestellt. (Zeichnung basierend auf einem Bild aus AWS's Welding Handbook, 7. Auflage.)

Die durchschnittliche Korngröße an der Verbindungslinie ist in Abbildung 7 dargestellt und wurde mithilfe optischer Metallographie bestimmt.

An der Verbindungslinie der SAE 1010- und 4130-Schweißnähte wurde eine Elektronenrückstreuspektrum-Beugungsanalyse (EBDS) durchgeführt (siehe Abbildung 8). An der Verbindungslinie wurden bei keinem der Stähle offensichtliche Unterschiede in der Kornorientierung festgestellt, was wiederum zeigt, dass sich die Verbindungslinien nicht so sehr von ihrer Umgebung unterscheiden.

Bei dieser Analyse werden im Rasterelektronenmikroskop gesammelte Rückstreuelektronenbeugungsenergiepeaks verwendet. Die Ergebnisse bezeichnen Kornorientierungen und Korngrenzen bei hoher Vergrößerung. Dies unterscheidet sich vom chemischen Ätzen, das die Korngrenzen angreift und einen optischen Kontrast erzeugt. Daher ist EBSD genauer als Ätzen und zeigte keine großen Änderungen in der Kornorientierung an der Verbindungslinie.

Härtemessungen beider Stähle an der Verbindungslinie ergaben recht unterschiedliche Ergebnisse (siehe Abbildung 9).

Bei den Kohlenstoffstählen zeigten beide Schweißnähte einen Härteanstieg in den Wärmeeinflusszonen. Bei der Sorte 4130 betrug die martensitische Mikrostruktur rund um die Verbindungslinie etwa 750 HV 0,05, bei der Sorte SAE 1010 gab es jedoch Bereiche mit geringerer Härte. In den Härteprofilen der Schweißnähte der Güteklasse 1010 und 4130 bestätigte der leichte Abfall die Deltaferritbildung in der Mikrostruktur. XRD ergab an dieser Stelle auch nur Ferrit (siehe Abbildung 10).

Bei ordnungsgemäßer Ätzung können Verbindungslinien scharfe Kanten aufweisen. Auch ihre Breite, Position und Ausrichtung können ausreichend dokumentiert werden.

Andererseits weist eine mangelnde Parallelität der Verbindungslinienkanten (insbesondere eine Verbreiterung) auf eine unzureichende lokale Auspressung hin, wodurch Einschlüsse in der Schweißnaht zurückbleiben.

Diese Analyse weist auf die Bedeutung der Form und Ausrichtung der Verbindungslinie als Indikator für die ERW-Schweißqualität hin. Obwohl keine Schweißfehler festgestellt wurden, die von einwandfreien Verbindungslinien herrührten, deuteten ihre Geometrie und Ausrichtung auf mögliche Schweißfehler an anderer Stelle in der Schweißnaht hin (die wiederum zu Fehlern führen könnten).

Bei ERW-Schweißnähten können sich aufgrund einer falschen Kantendarstellung auch geometrische Fehler entwickeln, und die daraus resultierende Verdünnung der Schweißnaht im Vergleich zur ursprünglichen Wandstärke kann zu einem frühen Versagen führen.

ABBILDUNG 3. Diese HF-Schweißsimulation wurde im Gleeble-Aufbau mit zwei 10-mm-Durchmessern durchgeführt. SAE 4130-Rundstäbe, zunächst mit einem Abstand von 1 mm beabstandet. Beachten Sie die Sanduhrform des TMPZ im Gegensatz zur geraden Verbindungslinie.

Dr. Leijun Li, Professor an der University of Alberta, stellte bei denselben Stählen fest, dass die von Gleeble simulierten HF-Schweißverbindungslinien keine entkohlten Kanten waren, da die Analyse der wellenlängendispersiven Spektroskopie keine signifikante Kohlenstoffverarmung an der Verbindungslinie zeigte. Er fand heraus, dass der weichere Mittellinienbereich aus Deltaferritlinien besteht, die an der Mittellinie der Schweißnaht eingeschlossen sind, und schlug ein plausibles Szenario vor, um dies zu erklären. Sein Schema zeigt, wie flüssiges Metall aus der Grenzfläche austritt und Deltaferrit in der endgültigen Schweißnaht zurückbleibt (Austenit wandelt sich beim Abkühlen in Perlit um). Tatsächlich ergaben XRD-Tests in dieser Region nur Deltaferrit (siehe „Bond Formation Mechanism for Resistance Welding of X70 Pipeline Steels“, Welding Journal, August 2020).

Basierend auf tatsächlichen ERW-Analysen und physikalischen Simulationen, die durch fortschrittliche Analysetechniken verbessert wurden, kamen die Forscher zu dem Schluss: