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Im Beitrag werden Ergebnisse aus Versuchen mit dem Controlled Thermal Severity (CTS)-Test vorgestellt, der für sehr stark eingespannte Kehlnähte bekannt ist. Niedriglegierte Schweißungen an hochfesten Stählen sind nicht anfällig für Erstarrungsrissbildung. Unter dem besonderen Einfluss eines hohen Einspanngrades wurde die Erstarrungsrissneigung durch Abmessen der Rissflächen als Funktion der Schweißparameter und des Einspanngrades für vier hochfeste Schweißzusätze im MAG-Schweißen untersucht. Die Tests zeigen, dass sowohl eine Erhöhung des Einspanngrades als auch eine Änderung der Schweißparameter (hinsichtlich Streckenenergie und Geschwindigkeit) zu mehr Erstarrungsrissfläche führen. Besonders die Kombination aus sehr hohem Einspanngrad und hoher Streckenenergie plus hoher Schweißgeschwindigkeit sollte im Sinne der Erstarrungsrissminimierung vermieden werden.
Challenges for testing hydrogen-assisted cold cracking in weld seams of high-strength steel grades
(2024)
Hydrogen can cause weld cold cracking even days after fabrication. In this respect, higher strength steels present a challenge to established cold crack testing. In general, the tolerable hydrogen concentration for crack prevention decreases with increasing material strength. In addition, advanced welding processes require changes in weld geometry and heat input. This directly influences the formation of crack-critical microstructures, e.g. in hardened areas of the heat-affected zone. The limits of use and application of modern cold cracking tests are evaluated by (1) the externally loaded Implant-test and (2) the self-restraint Tekken-test. In particular, external mechanical stresses, which cause additional mechanical loads on the components during welding, must be considered due to the component-specific stiffness of high-strength steels. Accompanying test methods for
determining hydrogen concentration and diffusion in welds are presented, such as carrier gas hot extraction for determining hydrogen concentration (ISO 3690) or temperature-dependent diffusion coefficients. These values are of great importance for a holistic approach to the evaluation of the cold cracking sensitivity of high strength steels.
Microalloying elements such as Nb and Ti are essential to increase the strength of quenched and tempered high-strength low alloy (HSLA) structural steels with nominal yield strength ≥ 690 MPa and their welded joints. Standards such as EN 10025–6 only specify limits or ranges for chemical composition, which leads to variations in specific compositions between steel manufacturers. These standards do not address the mechanical properties of the material, and even small variations in alloy content can significantly affect these properties. This makes it difficult to predict the weldability and integrity of welded joints, with potential problems such as softening or excessive hardening of the heat-affected zone (HAZ). To understand these metallurgical effects, previous studies have investigated different microalloying routes with varying Ti and Nb contents using test alloys. The high-strength quenched and tempered fine-grained structural steel S690QL is the basic grade regarding chemical composition and heat treatment. To evaluate weldability, three-layer welds were made using high-performance MAG welding. HAZ formation was investigated, and critical microstructural areas were identified, focusing on phase transformations during cooling and metallurgical precipitation behavior. Isothermal thermodynamic calculations for different precipitations were also carried out. Mechanical properties, especially Charpy notch impact toughness, were evaluated to understand the influence of different microalloys on the microstructure of the HAZ and mechanical properties.
Die Beschaffung und Verarbeitung von Werkstoffen für hochbelastete Komponenten sind meist kostenintensiv. Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz führen zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen, sodass additive Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind additive und abtragende Fertigungsschritte komplementär und gezielt aufeinander abzustimmen, um beanspruchungsgerechte Funktionsflächen herzustellen. Hinsichtlich Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und Eigenschaften sowie fertigungsbedingter Beanspruchungen sind für den wirtschaftlichen Einsatz bei KMU, gerade für drahtbasierte Fertigungsverfahren und Wechselwirkungen nachfolgender Zerspanung dieser schwer spanbaren Werkstoffe noch viele Kenntnisse notwendig. Deshalb sind Untersuchungen zu diesen Einflüssen und Wechselwirkungen unter Nutzung innovativer Ansätze durchgeführt worden. Mit typischen kostenintensiven Ni- und Co-Cr-Legierungen wurden additive Bauteile, Auftrag- und Reparaturschweißungen hergestellt und Schweißzusätze für das PTA-Verfahren modifiziert, um die Erstarrungsmorphologie und das Eigenschaftsprofil zu optimieren. Die Übertragung auf MSG-Verfahren sicherte einen breiten industriellen Einsatz für hohe Auftragraten ab. Dies geschah mithilfe von modifizierten Fülldrähten sowie beschichteten Massivdrähten. Die wirtschaftliche spanende Bearbeitbarkeit wurde mit Zerspanbarkeitsanalysen für Schlichtfräsen und vergleichend für ultraschallunterstütze Fräsprozesse sichergestellt. Instrumentierte Experimente und Werkstoffanalytik hinsichtlich der Einflüsse auf Schmelzbad, Gefüge und Ausscheidungen sowie auf Randzoneneigenschaften und Eigenspannungen ermöglichten umfassende Erkenntnisse zur kombinierten additiven und abtragenden Fertigung. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe eine Homogenisierung der Mikrostruktur bedingt, welche wiederum den Zerspanprozess stabilisiert und letztendlich zu reduzierten Zerspankräften führt. Ferner wurde festgestellt, dass der ultraschallunterstützte Fräsprozess im Vergleich zum konventionellen Fräsprozess eine signifikante Reduzierung der Zerspankraft sowie eine höhere Oberflächenintegrität bedingt. Insbesondere die Induzierung oberflächennaher Druckeigenspannungen ist dabei hervorzuheben. Durch Bauteilversuche und -prüfungen, erfolgreiche Übertragbarkeitsstudien weiterer innovativer Werkstoffe verbunden mit Handlungsempfehlungen und der Zusammenarbeit mit den jeweiligen Normungsgremien, profitieren KMU von einer hochwirtschaftlichen Herstellung und Reparatur kostenintensiver Komponenten.
Low Transformation Temperature (LTT)-Schweißzusätze sind ein innovativer Ansatz, um Eigenspannungen in Schweißnähten zu reduzieren. Dieser Vortrag behandelt neben den Einfluss der LTT-Schweißzusätze auch deren Naht-Ausführungen. Die unterschiedlichen LTT-Nahtgeometrien haben einen signifikanten Einfluss auf den Eigenspannungsabbau in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ).
Stresses in repair welding of high-strength steels—part 2: heat control and stress optimization
(2024)
In welding of high-strength steels, e.g. for foundations and erection structures of wind energy plants, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area, which should be removed by thermal gouging and subsequent re-welding. High shrinkage restraint of repair welds may lead to crack formation and component failure, predominantly in interaction with degraded microstructures and mechanical properties due to repair cycles. This study aims for elaboration of recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved to avoid cold cracking, damage and expensive reworking. In part 1 [1] of this study, systematic investigations of influences of shrinkage restraint on residual stresses and cold cracking risk during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures were focussed. In this part 2, the microstructure, particularly hardness, and residual stresses due to gouging and influences of heat control parameters in repair welding are analysed. A clear reduction in residual stress after gouging can be observed, especially for the specimens with restrained transverse shrinkage. Gouging to a depth of approx. 2/3 of the seam height does not lead to a complete relaxation of the observed reaction forces. Particularly for the higher strength steel S960QL, there are pronounced areas influenced by the gouging process in which a degradation of the microstructure and properties should be assumed. Overall, the repair welds show a significant increase in the width of the weld and HAZ compared to the original weld, especially in the case of S960QL/G89. The repair welds show higher welding-induced stresses than the original welds, especially in the areas of the HAZ and the base metal close to the weld seam. This behaviour can be attributed overall to increased restraint conditions due to the remaining root weld or shorter gouge grooves. In good agreement with earlier investigations, the residual stresses transverse to the weld can be significantly reduced by upwardly limited working or interpass temperatures, and the reaction stresses resulting from high restraint conditions can be effectively counteracted. The influence of the heat input on the stress formation is low compared to the interpass temperature for both test materials.
AbstractThe sustainable and resource-efficient production of wind energy plants requires the use of modern high-strength fine-grain structural steels. This applies to both foundation and erection structures, like mobile or ship cranes. During the assembly of steel structures, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area. In most cases, the economical solution would be local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to the high shrinkage restraint of the joint groove in the overall structure, the superposition of global and local welding-induced stresses may lead to crack formation and component failure, particularly in interaction with the degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. However, manufacturers hardly have any information about these issues and there is a lack of recommendations and guidelines to take these safety-relevant aspects into account in adequate repair concepts. The aim of this research is to derive recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved providing a basis for standards and guidelines to avoid cold cracking, damage and expensive reworking especially for high-strength steels. Part 1 of this study involves systematic investigations of influences of shrinkage restraint during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures. The quantification of the shrinkage restraint of repair weld joints was achieved by means of experimental and numerical restraint intensity analysis. In welding experiments with self-restrained slot specimens, restraint intensity and introduction of hydrogen via the welding arc using anti spatter spray were varied systematically to analyse the effect on welding result, residual stresses and cold cracking. It could be shown that increasing restraint intensities result in significantly higher transverse residual stress levels. In the case of hydrogen introduction S500MLO showed no cold cracking independent of the restraint conditions. However, S960QL was found to be considerably cold cracking sensitive if hydrogen is introduced. With increasing restraint intensity length and number of cold cracks increases significantly. Part 2 [1] of this study is focussed on microstructure and residual stresses due to gouging and stress optimization via adequate heat control parameters in repair welding.
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.
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. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikrogefüge erschwert bis unmöglich. Unerwünschte Nebeneffekte sind die mögliche Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) als auch der gegenteilige Effekt der Aufhärtung. Vor diesem Hintergrund werden erstmals systematisch die unterschiedlichen Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti und Nb-Gehalten an Versuchsschmelzen untersucht. Die Stahlgüte S690QL bildet dabei die Grundlage der chemischen Zusammensetzung sowie der entsprechenden Wärmebehandlung. Zur Untersuchung der jeweiligen Schweißeignung wurden Dreilagen-Schweißungen mittels moderner MAG-Hochleistungsschweißprozesse durchgeführt und kritische Gefügebereiche mit hoher Erweichung/Aufhärtung identifiziert. Der Fokus der analytischen Betrachtungen lag hier auf der Identifikation der Phasenumwandlungen beim Abkühlen und auf dem metallurgischen Ausscheidungsverhalten. Zusätzlich wurden isotherme und nicht-isotherme Phasenberechnungen mit der Software Thermo-Calc durchgeführt. 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.
The ISO 3690 standard “Determination of hydrogen content in arc weld metal” requires a thermal activation of the diffusible hydrogen in a piece of weld metal for the subsequent ex situ concentration measurement by carrier gas hot extraction CGHE or thermal desorption spectroscopy (TCD). Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) offers a time and spatially resolved, almost non-destructive, in situ measurement of hydrogen at surfaces without sample preparation. We measured hydrogen in steels, which were charged either electrochemically or by high-pressure hydrogen gas, and compared the results. Further, the feasibility of quantitative hydrogen line scan measurements with LIBS was demonstrated by measuring hydrogen at water jet cut surfaces. The hydrogen concentrations measured with the help of LIBS were compared with CGHE measurements. It was observed that hydrogen can be reliably measured with LIBS for concentrations larger than 2 wt.-ppm. The maximum hydrogen concentration achieved using electrochemical charging was 85.1 ppm. The results show that LIBS is a promising technique for time- and spatially resolved measurements of hydrogen in steels.