In-Situ Dehnungsbestimmung mittels energiedispersiver Röntgenbeugung während des Laserschweißens

Der Umgang mit Schweißeigenspannungen und -verzug erfordert detaillierte Werkstoff- und Prozesskenntnis. Vielfältige Randbedingungen bei Schmelzschweißprozessen erschweren die Kontrolle von Bauteileigenschaften zusätzlich. Insbesondere die Entstehung von Eigenspannungen als Folge lokaler Erwärmung durch eine konzentrierte Wärmequelle, wie sie meist zum Schmelzschweißen verwendet wird, ist aufgrund der hohen Temperaturgradienten und des hochdynamischen Prozessverhaltens bisher nicht prozessnah erfasst und verstanden. Hierfür werden Schweißversuche mit unterschiedlichen technischen Werkstoffen durchgeführt. Stellvertretend wird ein hochlegierter X5CrNi18-10 Stahl verwendet, da dieser nach der Erstarrung keine Umwandlung von Austenit zu Ferrit durchläuft. Es werden einseitig Blindraupen ohne Zufuhr von Schweißzusatz geschweißt. Die erzeugten elastischen Dehnungen im Werkstoff werden mittels Synchrotron-Strahlung in-Situ beobachtet. Für die Bestimmung elastischer Dehnungen im Bauteilinneren wird ein energiedispersiver transmissiver Ansatz verwendet. Hierbei wird durch ein Blendensystem ein Messvolumen innerhalb des Werkstücks festgelegt. Durch geeignete Anordnung der Detektoren wird die Veränderung der erzeugten Beugungsspektren verfolgt. Die hohe Flussdichte der verwendeten Röntgenstrahlung zusammen mit der Versuchsanordnung ermöglicht bei wiederholter Durchführung der Versuche eine Kartierung der lokalen Dehnung relativ zur Position des Schmelzbades. Die im Bauteil verbleibende Eigenspannung wird anschließend durch Aufzeichnung der Dehnungsänderungen im statischen Zustand während der Abkühlung erfasst. Eine Interpolation der gewählten Messpunkte gibt anschließend ein Bild über die Entstehung von Eigenspannungen in der gewählten Versuchsanordnung. Es konnte gezeigt werden, dass die gewählte Methode, eine zerstörungsfreie Auswertung von Dehnungen mittels energiedispersiver Röntgenbeugung ermöglicht und somit Einflüsse verschiedener Randbedingungen auf die Entwicklung von Eigenspannungen charakterisiert werden können. Die erzielten Dehnungskarten zeigen im Gegensatz zu bisherigen Versuchen einen kontinuierlichen Dehnungsverlauf, wie er in den Bauteilen zu erwarten ist.