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Residual stress formation during repeated gouging and repair welding cycles of high-strength steels
(2024)
The construction of foundation and erection structures for wind power plants requires the use of modern, sustainable and resource-efficient high-strength fine-grained structural steels. Weld defects due to the welding process are unacceptable. To overcome this issue, local thermal gouging followed by re-welding is a common and cost-effective method. The high shrinkage restraint of the gouge by the surrounding structure can cause crack initiation when design and re-weld induced residual stresses are superimposed. This risk is intensified by the progressive degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the weld repair process.
This investigation focuses on high-strength steels S500MLO for offshore applications and S960QL for mobile crane applications. The reduction and development of residual stresses caused by local thermal gouging and re-welding was investigated. Digital Image Correlated (DIC) stress-strain analysis was performed during preheating, welding and cooling. The results of the global DIC analysis and local longitudinal and transverse residual stresses of the weld determined by X-ray diffraction were found to be in good agreement. Furthermore, different stress levels were identified during gouging and welding. Repeated repair cycles led to an increase of longitudinal and transverse residual stresses in the weld metal as well as a hardness increase in the heat affected zone.
Low Transformation Temperature (LTT)-Schweißzusätze stellen einen innovativen Ansatz zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Konstruktionen dar. LTT-Schweißzusätze zeichnen sich durch eine martensitische Phasenumwandlung nahe der Raumtemperatur aus, welche Druckeigenspannungen in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ) generieren.
Dieser Vortrag fokussiert sich auf die gezielte Einbringung zusätzlicher LTT-Lagen an ermüdungskritischen Stellen von konventionell geschweißten Verbindungen. Dies ermöglicht eine ökonomische Anwendung, ohne dass die Schweißnahtintegrität zu stark beeinflusst wird. Die Auswirkungen zusätzlicher LTT-Lagen wurden anhand geschweißter Längssteifen aus hochfestem Stahl hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Eigenspannungen untersucht. Unter Variation der Schweißgeschwindigkeit und Abstand zur konventionellen Naht konnten 3 unterschiedliche Nahtausführungen des Chrom-Nickellegierten LTT-Zusatzes bewertet werden.
Die chemische Zusammensetzung wurde mittels OES-Analysen untersucht. Dabei stellte heraus, dass die Aufmischung in allen Varianten sehr ähnlich war trotz teils unterschiedlicher LTT-Volumina. Härtebestimmungen ergaben in allen 3 Varianten eine ähnliche Härte. Daraus lässt sich annehmen, dass die Martensitstarttemperatur bei allen Nahtvarianten ähnlich ist.
Röntgenografische Eigenspannungsmessungen belegen, dass die Eigenspannungen am versa-genskritischen Nahtübergang bei Einsatz von LTT-Schweißzusätzen deutlich abgesenkt werden. Während die konventionelle Schweißnaht Zugeigenspannungen von ca. 350 MPa aufweist, können an den LTT-Nähten teilweise Druckeigenspannungen von bis zu -150 MPa nachgewiesen werden. Je höher der Abstand zur konventionellen Naht und je größer das eingebrachte LTT-Volumen ist, umso stärker sind die Eigenspannungsreduzierungen am Nahtübergang. Da in allen 3 Varianten eine ähnliche Martensitstarttemperatur angenommen werden kann, ist somit die Geometrische Komponente der LTT-Zusatzlage ein entscheidender Faktor für die Eigenspannungsreduzierung.
Der Bau von Gründungs- und Turmstrukturen für Windkraftanlagen erfordert den Einsatz moderner, nachhaltiger und ressourcenschonender hochfester Feinkornbaustähle. Durch den Schweißprozess verursachte Schweißnahtfehler sind nicht akzeptabel. Um diese zu beheben, ist das lokale thermische Fugenhobeln mit anschließendem Reparaturschweißen ein gängiges und wirtschaftliches Verfahren. Die hohe Schrumpfbehinderung um die ausgefugte Nut durch das umgebende Gefüge kann zu Rissbildung führen, wenn sich konstruktiv bedingte Spannungen und Eigenspannungen aus der Reparaturschweißung überlagern. Diese Gefahr wird durch die Verschlechterung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften hochfester Stähle während des Schweißreparaturprozesses noch verstärkt.
For the hydrogen-based energy economy of tomorrow, the construction of the necessary infrastructure will play a central role. Most materials used to date, such as welded steels, can be prone to hydrogen embrittlement under certain conditions. This includes the classic delayed cold cracking during welding as well as degradation phenomena during service of components in hydrogen-containing environment. For the evaluation of any hydrogen effect, for example, on the mechanical properties of a welded metallic material, the hydrogen content must be precisely determined. In the case of weld seams, the carrier gas hot extraction (CGHE) according to ISO 3690 is meanwhile state-of-the-art. CGHE is based on accelerated hydrogen degassing due to the thermal activation of hydrogen at elevated temperatures. In addition to the quantification of hydrogen, thermal desorption analysis (TDA) with varying heating rates can be used to determine and evaluate the hydrogen trapping at microstructural defects in the material. For both techniques, experimental and metrological influences must be considered, which have a major effect on the result. For example, ISO 3690 suggests different sample geometries and minimum extraction times for CGHE. This study summarizes the results and experiences of numerous investigations at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) with different sample temperatures and geometries (ISO 3690 type B and cylindrical TDA samples) regarding the influence of the sample surface (polished/welded), measurement accuracy depending on the sample volume and the insufficient monitoring of the effect of PI control on the extraction temperature. A deviating extraction temperature from the target temperature can significantly falsify the measurement results. Based on the results, methods are shown which allow the desired extraction temperature to be reached quickly without physically interfering with the measuring equipment. This serves to significantly improve the reliability of the hydrogen measurement through increased signal stability and accelerated hydrogen desorption. In general, an independent temperature measurement with dummy samples is recommended for the heating procedure of choice to exclude possible undesired temperature influences before the measurement. The methods described can be transferred directly to industrial applications
Based on the state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a joint research project between MPA Stuttgart and BAM Berlin. This paper outlines the research approach, the planned investigations and first results of the experimental program.
Dieser Beitrag befasst sich mit der Entwicklung eines wirtschaftlichen und robusten Verfahrens zum Schweißen dicker Stahlbleche. Es werden Ergebnisse für das Fügen von Blechen im Dickenbereich von 25 mm bis 80 mm vorgestellt. Die 30 mm dicken Schweißnähte konnten im Stumpfstoß in zwei Durchgängen unter Verwendung des Laserhybridschweißens und des Unterpulverschweißens (UP) geschweißt werden. Das Laserhybridschweißen wird als Einschweißung mit einer Tiefe von ca. 25 mm ausgeführt. Die UP-Lagen werden auf der gegenüberliegenden Seite des Blechs aufgebracht. Bei richtiger Wahl der Schweißparameter wird der
Nahtquerschnitt durch eine sichere Überlappung beider Lagen geschlossen. Bei Blechdicken über 30 mm ist eine Kantenvorbereitung erforderlich, die eine Ausführung der UP-Fülllagen in Engspalttechnik ermöglicht. Die Vorteile der vorgeschlagenen Prozesskombination liegen darin, dass die Nahtwurzel der Laserhybridnaht nicht geformt werden muss. Defekte in der Wurzel der Laserhybrideinschweißung können durch die UP-Lagen effektiv beseitigt werden. Das Verfahren bietet eine hohe Stabilität des Schweißprozesses in Bezug auf die
Qualität der Blechkanten. Plasmageschnittene Kanten konnten ohne Bindefehler geschweißt werden. Die erreichte Nahtqualität wurde durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfungen bestätigt.
The presentation gives an overview of BAM's activities on processing influences and application properties of MPEAs in the form of joined and machined high and medium entropy alloys (CoCrFeMnNi and CoCrNi). In the case of welding, the focus is on defect-free welded joints with sufficient mechanical properties. In the case of machining, the focus is on the possible influence on the surface quality of the materials through adequate milling parameters. In addition, the hydrogen absorption and diffusion properties as well as the electrochemical corrosion behavior are fundamentally examined.
Die additive Fertigung mittels Schweißverfahren bietet große ökonomische Vorteile für eine ressourceneffiziente Bauteilherstellung. Offene Fragen bezüglich Homogenität, Anisotropie der Schweißgefüge und den damit verbundenen Bauteileigenschaften stehen einer wirtschaftlichen Verarbeitung oftmals im Wege. Finale Bauteilgeometrie und Oberflächengüte erfordern meist komplementäre subtraktive Fertigungsschritte. Werkstoffe für hochbelastbare Komponenten sind oftmals schwer spanbar. In einem Vorhaben der BAM und des ISAF wurde untersucht, wie die Modifikation der AM-Schweißzusätze und das ultraschallunterstützte Fräsen (US) die Zerspanungssituation verbessern. Der vorliegende Artikel stellt wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierung, Gefüge und Zerspanung zweier schwer spanbarer Hochleistungslegierungen (FeNi und CoCr) dar. Großes Potenzial zeigte neben dem US die Modifikation mit Zr und Hf bei Zulegierung in das Schweißgut mittels Beschichtung von Massivdrähten bzw. Herstellung von Fülldrähten.
In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.
The present Ph.D. thesis provides a comprehensive experimental and theoretical study of the bulging-cracking relationship in laser beam welding of thick unalloyed steel sheets. It focuses on experimentally proving the existence of the bulging region and on developing a coupled multiphysics mathematical framework to analyze its influence on the three critical factors controlling the susceptibility to solidification cracking, namely the thermal, metallurgical, and mechanical factors.
The research employs a novel experimental setup, utilizing a combination of transparent quartz glass and thick unalloyed steel sheet, enabling real-time visualization of the weld pool geometry and confirming the existence of a distinctive bulging region. To deepen the understanding of these experimental insights, an extensive multiphysics mathematical framework was developed and rigorously verified and validated. This framework introduces an innovative approach using Lamé curves for accurately describing complex three-dimensional weld pool geometries, including the bulging region's characteristics. Through analytical solutions and numerical procedures, it facilitates the computation of solidification parameters, which are crucial for understanding the metallurgical aspects of crack formation. The framework also incorporates a mechanical model to assess and evaluate the local stress distribution within the bulging region.
The findings indicate that an elongated, sharply shaped bulging region significantly increases the susceptibility to solidification cracking. This is attributed to its adverse impact on the distribution and local dwell time of liquid metal residing at grain boundaries during solidification, combined with the localized tensile stresses identified in the bulging region.
In essence, this research contributes to the broader understanding of solidification cracking in laser beam welding of thick unalloyed steel sheets, with a particular focus on the bulging region. The insights and methodologies developed in this thesis are valuable for future research and advancements in the application of the laser beam welding technology for joining high-thickness unalloyed steel components.
Bruchmechanik-basierende Methoden können für die Ermüdungsbewertung von mechanischen Bauteilen angewendet werden, die Defekte oder Risse enthalten und zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Kenntnis des Risswachstumsverhaltens für kurze und lange Risse ermöglicht die Bestimmung sowohl endlicher als auch unendlicher Lebensdauer. Ein erstes Problem ergibt sich jedoch aus der empirischen Bestimmung von Ermüdungswerkstoffkennwerten, die je nach Prüfbedingungen, z. B. Prüfmethode, Frequenz und Spannungsverhältnis R, variieren. Dies ist auf die Rissschließeffekte und weitere Umgebungsphänomene zurückzuführen, die das Rissfortschrittsverhalten beeinflussen. Ein zweites Problem ist das Fehlen von Standardversuchsverfahren zur Bestimmung des Schwellenwerts gegen Ermüdungsrissausbreitung ΔKth in Abhängigkeit von der Rissausbreitung. Dies ist problematisch, da ΔKth mit der Zunahme der Rissschließeffekte im Kurzrissbereich zunimmt und seine ungenaue experimentelle Bestimmung zu großen Abweichungen bei der Bewertung und, was noch kritischer ist, zu nicht konservativen Vorhersagen führt. Mit dem Ziel, zuverlässigere und sicherere Bewertungsverfahren bereitzustellen, wird in dieser Arbeit eine Methode vorgeschlagen, die auf effektiven Risswachstumsdaten basiert, die bei hohen Spannungsverhältnissen (R ≈ 0,8) ermittelt wurden. Zur Beschreibung der Entwicklung der Rissschließeffekte wird ein Kurzrissmodell auf der Grundlage von zyklischen R-Kurven und CPLR-Daten verwendet. Die analytischen Vorhersagen werden mit experimentellen Daten verglichen, die zur Validierung des Verfahrens durchgeführt wurden, und die daraus entstandenen Unterschiede werden diskutiert.
Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)
In einem laufenden Kooperationsprojekt zwischen der BAM Berlin und der MPA Stuttgart wird das probabilistische Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 hinsichtlich seiner Übertragbarkeit auf ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (DCI) untersucht. Zielsetzung ist die Bereitstellung einer Vorgehensweise zur Bestim-mung und Bewertung der dynamischen Bruchzähigkeit von DCI im Übergangsbe-reich. In diesem Beitrag wird der Versuchswerkstoff der Festigkeitsklasse GJS-400 näher vorgestellt. Ferner werden erste Ergebnisse von zwei bruchmechanischen Versuchsserien an SE(B)140-Großproben bei Belastungsraten von ca. 6∙104 MPa√ms-1 bei -40 °C und 60 °C präsentiert.
Within fracture mechanics safety assessment for steels in nuclear technology, the probabilistic master curve (MC) concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. However, for ferritic ductile cast iron (DCI), a systematic review of potential modifications to the assumptions and the procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. For this reason, the application of the fracture mechanics MC concept to ferritic ductile cast iron is being investigated in a joint research project between MPA Stuttgart and BAM Berlin. According to IAEA SSG-26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the research project is on brittle fracture. The goal is the establishment of a methodology to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component.
The experimental program uses a DCI material of grade GJS-400, which is generally used for transport and storage containers of radioactive materials. Firstly, a basic mechanical-technological material characterization will be performed consisting of tensile, Charpy and Pellini tests. Following the material characterization, the loading rate relevant for brittle fracture will be determined using instrumented C(T)25-fracture tests at a temperature of -40°C. To be able to transfer the relevant loading rate to other specimen geometries or sizes, the time-dependent course of the Weibull stress is assessed via numerical analyses. With this information an extensive experimental program consisting of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25 and SE(B)140 specimens is performed. These experimental results will be further supported by numerical and fractographic analyses. The empirical experimental database developed for DCI materials will be used to assess the applicability of the MC concept for DCI materials under dynamic loading.
At the current time manufacturing and precracking of test specimens is ongoing. The authors provide first results concerning the mechanical-technological material characterization, the relevant loading rate for brittle fracture determined via C(T)25 tests, and some early results of other specimen types. These experimental results are also supported by preliminary numerical and statistical analyses.
Erstarrungsrisse bilden sich beim Schweißen hinter dem Schmelzbad. Im verwendeten MAG-Schweißverfahren wurden stark eingespannte Schweißungen mit verschiedenen hochfesten Schweißzusätzen durchgeführt. Alle verwendeten Zusätze weisen unter gewöhnlicher Einspannung keine Tendenz zur Erstarrungsrissbildung auf. In Abhängigkeit der verwendeten Schweißparameter und des Einspanngrades konnten Erstarrungsrisse in den Nähten festgestellt werden. Die Versuche zeigen, dass beim Schweißen hochfester und stark eingespannter Kehlnähte eine Kombination von hohen Wärmeeinträgen und Schweißgeschwindigkeiten zu erhöhter Bildung von Erstarrungsrissen führen kann.
Im Rahmen eines Kooperationsprojekts mit der Schottel GmbH wurde eine bauteilnahe Probengeometrie entwickelt, mit der sich unter Verwendung einer einachsigen Prüfmaschine das Spannungstiefenprofil in dem unter überlagerter Biege- und Zugspannung beanspruchtem Querschnitt im Schweißnahtübergang des Bauteils reproduzieren ließ.
Proben dieser Geometrie wurden vom Kooperationspartner im geschweißten bzw. geschweißten und spannungsarmgeglühten Zustand bereitgestellt. An der BAM wurden je Wärmebehandlungszustand mittels Senkerodieren zwei verschiedene künstliche Defektgeometrien im Schweißnahtübergang eingebracht.
Anhand der Proben wurden experimentell für alle vier Probenzustände Wöhlerlinien für ein Spannungsverhältnis von R = 0,1 ermittelt.
Zusätzlich wurde das u.a. an der BAM entwickelte IBESS-Verfahren angewandt, um die Wöhlerlinien analytisch zu bestimmen. Hierbei wurde eine sehr gute Übereinstimmung von Berechnung und Experiment erreicht, wobei die Berechnung zu einer leicht konservativen Lebensdauervorhersage führte.
Controlled Thermal Severity (CTS) tests are known for applicatying high restraint intensity to fillet welds. Due to two different variations of the test it was possible to apply different amounts of restraint intensity to high-strength GMAW fillet welds at a high level of restraint. The results show the effect of heat input, filler material and restraint intensity on solidification cracking susceptibility.
Die Umstellung der Wirtschaft auf wasserstoffbasierte Energieversorgung soll in Deutschland vor allem auf Basis der Umstellung des bestehenden Erdgasnetzes erfolgen. Dabei sollen ca. 90 % dieser Fernleitungsnetze auf dem bestehenden Erdgasnetz basieren. Die Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas als auch der reine Wasserstofftransport werfen jedoch die Frage auf, ob und wie kompatibel die eingesetzten Materialien sind. Die Reparatur- und Erweiterungsfähigkeit von Erdgas-Bestandspipelines ist zu klären, wenn diese auf Wasserstoff umgestellt werden. Denn gerade Gashochdruckleitungen müssen regelmäßig gewartet und erweitert werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Insbesondere das Schweißen unter Betriebsdruck bzw. an in Betrieb befindlichen Gasleitungen ist eine der wichtigsten Instandhaltungstechnologien, unabhängig von der Zusammensetzung des geförderten Mediums. Es ist daher dringend notwendig, eine geeignete Teststrategie zu erarbeiten, welche die nötigen Vorrausetzungen für sicheres Schweißen an in Betrieb befindlichen Druckwasserstoffleitungen schafft und entsprechende Kriterien für die Praxis liefert. Im Projekt H2-SuD - Einfluss des Schweißens auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2-Ferngasleitungen - soll geklärt werden, ob und wie stark mit einer Eigenschaftsdegradation geschweißter Rohrstähle in Gasnetzen in Folge einer Wasserstoffaufnahme zu rechnen ist. Die Präsentation gibt dazu einen kurzen Überblick über den aktuellen Status des Projektes. Die Förderung erfolgt im Rahmen der DVGW-Innovationsprogammes Wasserstoff (Nr. G 202131).