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Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abweichungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Mechanisch-technologische Untersuchungen zur Kerbschlagzähigkeit mittels Kerbschlagbiegeversuchen durchgeführt wurden, bestätigen dabei die Ergebnisse der thermodynamischen Simulation bezüglich des Ausscheidungsverhaltens während der Temperatur-Zeit Schweißzyklen. Daraus lässt sich der Einfluss der Wärmeeinwirkung beim Schweißen auf die Gefügeausbildung in der WEZ und der korrespondierenden mechanischen Eigenschaften qualitativ beschreiben.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa, ist die Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti, unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle (bspw. in DIN EN 10025-6) geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Legierungselemente in der WEZ ist teilweise komplett konträr. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Neben metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden unter Variation der chemischen Zusammensetzung, thermodynamische Phasenberechnungen mittels ThermoCalc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation, Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen.
In many industrial steel construction branches, like mobile cranes and the offshore sector, high-strength fine-grained structural steels with a yield strength of over 690 MPa have long been used. To guarantee the necessary load-bearing capacity, the welding processing of these steels requires reliable knowledge of the complex interaction between the welding process, its underlying heat input and corresponding cooling conditions, chemical composition of base and filler materials, and resulting metallurgical phenomena in the weld seam and HAZ. Microalloying elements such as Ti and Nb make an indispensable contribution to increasing the strength by precipitation hardening. Previous investigation has shown that significant influence of the microalloying elements on the phase transformation can be assumed regarding the hardening and/or softening of the heat-affected zone. The standard specs for the chemical composition according to DIN EN 10025-6 often just specify chemical limitations for the manufacturer to achieve the desired mechanical properties. The effect of the alloying elements and the corresponding precipitates (carbides and/or nitrides) is sometimes entirely contrary, especially in case of dissolution and re-precipitation in the heat-affected zone (HAZ) with identical filler metal. This makes an adequate prediction of the batch dependency with regard to weldability and the load-bearing capacity of the welded joint difficult. The joining of these steels is mainly carried out by gas metal arc welding (GMAW). Modern inverter welding sources and micro-electronics control technology enabled the use of controlled arc variants, such as the modified spray arc (Mod. SA). Several characteristics from this arc variant e.g. reduced weld seam opening angles and increased deposition rates. Whereby this high heat exposure can have a negative effect on the phase transformation in the HAZ. An undesirable property is the softening of the HAZ, as well as the opposite effect of hardening.
In vielen Bereichen des industriellen Stahlbaus, wie z. B. bei Mobilkränen und im Offshore-Bereich, werden seit langem hochfeste Feinkornbaustähle mit einer Streckgrenze von über 690 MPa eingesetzt. Um die notwendige Tragfähigkeit zu gewährleisten, erfordert die schweißtechnische Verarbeitung dieser Stähle eine zuverlässige Kenntnis des komplexen Zusammenspiels zwischen dem Schweißprozess, der zugrundeliegenden Wärmeeinbringung und den entsprechenden Abkühlungsbedingungen, der chemischen Zusammensetzung von Grund- und Zusatzwerkstoff und den daraus resultierenden metallurgischen Phänomenen in der Schweißnaht und der WEZ. Mikrolegierungselemente wie Ti und Nb leisten einen unverzichtbaren Beitrag zur Erhöhung der Festigkeit durch Ausscheidungshärtung. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass ein signifikanter Einfluss der Mikrolegierungselemente auf die Phasenumwandlung hinsichtlich der Aufhärtung und/oder Erweichung der Wärmeeinflusszone angenommen werden kann. Die Normvorgaben für die chemische Zusammensetzung nach DIN EN 10025-6 geben dem Hersteller oft nur Grenzen vor, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Die Wirkung der Legierungselemente und der entsprechenden Ausscheidungen (Karbide und/oder Nitride) ist manchmal völlig konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Zusatzwerkstoff. Dies erschwert eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit im Hinblick auf die Schweißbarkeit und die Belastbarkeit der Schweißnaht. Das Fügen dieser Stähle erfolgt hauptsächlich durch das Metall-Schutzgasschweißen (MSG). Moderne Inverterschweißquellen und mikroelektronische Steuerungstechnik ermöglichten den Einsatz von gesteuerten Lichtbogenvarianten, wie dem modifizierten Sprühlichtbogen. Diese Lichtbogenvariante zeichnet sich durch mehrere Eigenschaften aus, wie z.B. reduzierte Nahtöffnungswinkel und erhöhte Abschmelzleistungen. Wobei sich diese hohe Wärmeeinwirkung negativ auf die Phasenumwandlung in der WEZ auswirken kann. Eine unerwünschte Eigenschaft ist die Erweichung der WEZ, ebenso wie der gegenteilige Effekt der Aufhärtung.
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis zu 1300 MPa. Um darüber hinaus Schweißzeit, Schweißnahtvolumina und Schweißkosten zu minimieren, kam es zur Entwicklung moderner Lichtbogenprozesse mit erhöhter Abschmelzleistung, wie bspw. dem modifizierten Sprühlichtbogen. Das Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen bietet die Möglichkeit, schmalere Nahtfugen bzw. kleinere Nahtöffnungswinkel zu schweißen. Mit zunehmender Festigkeit der Baustähle steigen allerdings die Anforderungen an die schweißtechnische Verarbeitung. Hochfeste Feinkornbaustähle weisen ein erhöhtes Risiko gegenüber der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung auf. Diese Werkstofftrennungen entstehen unter gemeinsamer Wechselwirkung von lokalem risskritischem Gefüge, lokal erhöhter Wasserstoffkonzentration und lokal erhöhter Beanspruchung bzw. Dehnung. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz des modifizierten Sprühlichtbogens in Verbindung mit schmalen Nahtfugen zu erhöhten Wasserstoffkonzentrationen im Schweißgut führt. Die vorliegende Arbeit gibt einen Aufschluss hinsichtlich der Kaltrissempfindlichkeit des vergüteten, hochfesten Feinkornbaustahls S960QL anhand der durchgeführten Kaltrissprüfung mittels selbstbeanspruchenden TEKKEN-Tests. Dazu wurden die Nahtöffnungswinkel der Prüfnähte zwischen 30° (Einsatz des modifizierten Sprühlichtbogens) und 60° (Einsatz des konventionellen Übergangslichtbogens) variiert. Ferner wurde die Wirksamkeit einer Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus zur Vermeidung der wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung untersucht. Die Ergebnisse weisen in allen Proben (ohne Nachwärmung) Kerbrisse auf, welche als Kaltrisse identifiziert werden konnten. Durch eine Nachwärmung unmittelbar nach dem Schweißen können diese gänzlich vermieden werden. Das Schweißgut mit modifizierten Sprühlichtbogen weist die höchsten mittleren Wasserstoffkonzentrationen auf. Ferner zeigt das Schweißgut unter reduziertem Nahtöffnungswinkel eine vermehrte Mikrorissbildung auf.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten hochfesten Feinkornbaustählen ist eine Zugabe von Mikrolegierungselementen wie Nb und Ti unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle gibt sehr breite Legierungsintervalle für die Hersteller vor, was eine Vorhersage bezüglich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Zuzüglich kommen vermehrt moderne Schweißprozesse zum Einsatz, die durch ihre hohe Wärmeeinwirkung die Phasenumwandlung in der Wärmeeinflusszone negativ beeinflussen können. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung (Festigkeitsverlust, engl.: softening) dieser Wärmeeinflusszone.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Normstreckgrenze > 690 MPa, ist die Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti, unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle (bspw. in DIN EN 10025-6) geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Legierungselemente bzw. ihrer Karbide und/oder Nitride ist teilweise komplett konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Schweißzusatz. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Zuzüglich können moderne Schweißprozesse, wie MSG mit modifiziertem Sprühlichtbogen (mod. SLB) durch ihre hohe Wärmeeinwirkung die Phasenumwandlung in der Wärmeeinflusszone negativ beeinflussen. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung (engl.: softening) der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung (engl.: hardening). Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAGSchweißen mit mod. SLB verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Fugenöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An diesen Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf dDie Ausbildung einer kritischen WEZ-Gefügezone mit Erweichung und/oder exzessiver Aufhärtung untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Phasenumwandlungen und das Ausscheidungsverhalten im Gefüge der Wärmeeinflusszone gelegt. Neben umfangreichen metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden, unter Variation der chemischen Zusammensetzung, thermodynamische Phasenberechnungen mittels ThermoCalc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation und Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen. Das Ziel ist es, mittels erster Untersuchungen den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ zu zeigen. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet.
Das Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen erfordert aufgrund der Sicherstellung der Gütewerte des Grundwerkstoffes (Zähigkeit, Festigkeit) auch in der Schweißverbindung, die Einhaltung von engen Grenzen bei der Auswahl von Schweißparametern. Die Reproduzierbarkeit von beanspruchungsgerechten hochfesten Schweißverbindungen hängt vom Schweißverfahren und der damit einhergehenden komplexen Gefügeausbildung ab. Hierbei müssen hochfeste Schweißverbindungen mindestens die gleichen Festigkeitsanforderungen erfüllen wie der eingesetzte Grundwerkstoff. In diesem Vortrag werden speziell die Herausforderungen wie der Empfindlichkeit gegenüber der wasserstoffunterstützen Kaltrissbildung beim Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen und dem Mikrolegierungseinfluss auf die divergente Ausbildung der Wärmeeinflusszone thematisiert.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusam-mensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abwei-chungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adä-quate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikro-gefüge erschwert bis unmöglich. Unerwünschte Nebeneffekte sind die mögliche Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) als auch der gegenteilige Effekt der Aufhärtung.
Microalloying elements, such as Nb and Ti, are essential for significantly increasing the strength of quenched and tempered, high-strength structural steels with a nominal yield strength ≥ 690 MPa and their welded joints. The standard specifications (e.g., EN 10025-6) for the chemical composition are only tolerated limit contents within which the steel manufacturers operate. The standard composition, however, says nothing per se about the properties of the material. Even small deviations in the alloy route can have a drastic effect on the mechanical properties. This makes it difficult or even impossible to adequately predict the weldability and integrity of the welded joint. An undesirable side effect is the possible softening of the heat-affected zone (HAZ), as well as the opposite hardening.Mechanical-technological investigations of the notched impact strength confirm the results of the simulation regarding the development of different microalloy routes in the welded state. From this, the influence of the heat effect of welding on the microstructure formation in the HAZ and the corresponding mechanical properties can be described qualitatively.