Short Term Metallurgy and Hot Cracking During Laser Beam Welding of Austenitic Stainless Steels
(2011)
Industrial application of high alloyed austenitic stainless steel laser welding has grown significantly in the recent time due to the continuous improvement of compact and high power density lasers systems. The application of such processes meanwhile ranges from pipeline or railway car body manufacturing to the production of household wares. The largest advantages of the laser application to welding production are much higher welding speeds, reduction or complete exclusion of welding consumables, easy design of the weld joints, decrease of thermal distortions and thus, costs saving. In contrast to arc welding, laser beam welding might particularly be associated with metallurgical defects, like the formation of hot cracks. Such phenomena are related to an order of magnitude higher temperature gradients and cooling rates in the solidification zone, providing rapid solidification kinetics which may cause significant segregation of alloying elements such as Ni and Cr and respective undercooling of the solute at the solidification front. In specific metastable austenitic stainless steels alloys in vicinity of the so called eutectic rim of the Fe-Cr-Ni constitutional diagram, such effects might entail a change of solidification mode from primary ferrite to austenite, providing an increased risk of solidification cracking. Previous studies has shown that the primary solidification mode change during laser beam welding of Cr-Ni austenitic stainless steels such alloys could be effectively influenced by nitrogen absorption as well as by the laser plasma type and also proved the occurrence of metastable primary ferritic solidification. In the present contribution, such results are compared to recent investigations of laser welding newer austenitic Fe-Cr-Mn-Ni steel grades by identification of respective hot cracking critical welding parameter intervals and strain rates in the Controlled Thermal Weldability (CTW) Test.
Aus wirtschaftlich-technischer Perspektive ergeben sich in den letzten zehn Jahren hinsichtlich der Werkstoffinnovation und -auswahl für geschweißte Rohrleitungen im Wesentlichen zwei Entwicklungsrichtungen:
Im Bereich der niedriglegierten Stähle werden immer höher festere Feinkombaustähle mit Streckgrenzen von inzwischen über 900 MPa verwendet. Wirtschaftliches Ziel ist hierbei eine möglichst hohe Kosteneinsparung durch Reduktion der Wanddicke.
Für korrosionsbeanspruchte Komponenten, unter anderem im Petrochemie- und Energieanlagenbau besteht das wirtschaftliche Ziel primär darin, eine höhere Kosteneinsparung durch neue Legierungskonzepte zu erzielen und zwar möglichst so, dass bei mindestens gleicher Festigkeit auf die Verwendung von teuren Elementen, wie beispielsweise Nickel, verzichtet werden kann. Beispiele hierfür sind insbesondere hochlegierte martensitische Cr-V-Stähle, supermartensitische Stähle, Lean-Duplexstähle, superaustenitische Stähle und austenitische Cr-Mn-Stähle.
Für einige der neu eingeführten Grundwerkstoffe sind die Zusatzwerkstoffe noch in der Entwicklung. In jedem Fall stellen diese Werkstoffinnovationen besondere Ansprüche hinsichtlich einer Rissvermeidung während der schweißtechnischen Verarbeitung, um von vornherein riss- bzw. fehlerfreie Rohrleitungen herzustellen, die eine hohe Sicherheit gegen ein Versagen während der Inbetriebnahme und im Verlauf der vorgesehenen Lebensdauer aufweisen. Fast alle dieser neu eingeführten Rohrleitungswerkstoffe weisen eine reduzierte Heiß- oder Kaltrissresistenz vor allem während des Schweißens mit modernen Hochleistungsprozessen, bspw. Laserhybridschweißen, auf. Dabei besteht nach wie vor Forschungsbedarf hinsichtlich der jeweiligen Entstehungsmechanismen. Da es in den letzten zehn Jahren immer häufiger zu Produktionsausfällen und Schadensfällen mit teilweise katastrophalen Konsequenzen gekommen ist, werden die Ursachen und die Vermeidung fertigungsbedingter Heiß- und Kaltrisse im Folgenden zusammengefasst.
Schadensfälle in den letzten zehn Jahren mit teilweise katastrophalen Folgen belegen, dass der Vermeidung von Rissen beim Schweißen von Rohrleitungen besondere Aufmerksamkeit zu schenken ist. In der Analyse solcher Schäden ist zu unterscheiden, ob die Risse bereits während oder kurz nach der schweißtechnischen Fertigung der Rohrkomponenten oder während des anschließenden Betriebes entstanden sind. Im vorliegenden Beitrag wird sich vor allem auf die Vermeidung einer Heiß- und Kaltrissbildung beim Schweißen von Rohrleitungen konzentriert und es werden weitere Forschungsperspektiven abgeleitet.
The present contribution highlights recent trends in investigating hydrogen diffusion and cracking in steel welds. For such studies, supermartensitic stainless steels (SMSS) have exemplarily been selected. These materials have been used for offshore and marine constructions for about two decades now. They present a versatility of improved properties such as high strength to thickness ratio, good weldability and good corrosion resistance. However, as shown by respective failure cases, SMSS welds might become prone to hydrogen assisted cracking and the degradation phenomena are more easily to investigate due to the nearly homogeneous martensitic microstructure than in other materials. Generally, it has to be distinguished between cracking that occurs during or shortly after fabrication welding, or during subsequent operation of SMSS components. In order to achieve crack avoidance during fabrication and service, conclusive test sequences have to be applied, ranging from field tests at real components and full scale tests investigating the materials behavior under real service conditions to basic and small scale tests, such as tensile and corrosion tests, oriented more towards a materials ranking. Considerable testing of SMSS welds has been carried out and the present paper particularly summarizes spotlights on 1:1 scale component testing of welded tubulars, slow strain rate testing and basic tests oriented to elucidate the hydrogen behavior and degradation in SMSS weld microstructures. Also, permeation tests, hydrogen dependent degradation of mechanical properties and thermal desorption spectroscopy are adressed. As a specific item, first results of lately conducted investigations for tracking hydrogen movement in such weld microstructures by using high energy synchrotron radiation are elucidated.
In situ analysis of hydrogen behaviour in stainless steels by high energy synchrotron radiation
(2011)
Hydrogen generally causes lattice distortions and phase transformations when introduced into a metal matrix. The present contribution provides a report of first in situ investigations of hydrogen effects on the lattice of the austenite and the martensite phase in a supermartensitic stainless steel using hard synchrotron radiation for respective energy dispersion diffraction measurements. Lattice distortions, such as the planar spacing expansion, have been monitored during the complete hydrogen effusion process over 24 h and are directly correlated to the dissolved hydrogen in the metal matrix. Among other results, it turned out that hydrogen at the introduced concentration level causes a reversible lattice expansion and after hydrogen effusion the lattice nearly regained its original dimensions. Hydrogen much more significantly affects the austenite phase with respect to lattice expansion than the martensite phase, but no phase transformations occur during the hydrogen desorption process.