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Zum Mehrlagenschweißen mit Hilfe von LTT-Zusatzwerkstoffen unter definierter Schrumpfbehinderung
(2015)
Independent from the interpass temperature residual stresses in longitudinal direction were lower than in transverse direction. This applies for the surface as well as for the bulk of the welds.
Residual stresses in the bulk were in general lower compared to stresses found on the surface.
Compressive residual stresses as a result of the martensite formation were formed in the bulk weld metal, only.
Independent from the LTT filler used high interpass temperatures were beneficial to reduce the stresses mainly in longitudinal direction.
Lower interpass temperatures tend to narrow the tensile zone in the weld metal but they also prevent the formation of compressive residual stresses.
Independent from the interpasstemperature residual stresses in longitudinal direction were lower than in transverse direction. This applies for the surface as well as for the bulk of the welds.
-Residual stresses in the bulk were in general lower compared to stresses found on the surface.
•Compressive residual stresses as a result of the martensite formation were formed in the bulk weld metal, only.
•Independent from the LTT filler used high interpasstemperatures were beneficial to reduce the stresses mainly in longitudinal direction.
•Lower interpasstemperatures tend to narrow the tensile zone in the weld metal but they also prevent the formation of compressive residual stresses.
Bestrebungen zum Leichtbau sowie höhere Anforderungen an das ertragbare Lastkollektiv führen in der Auslegung von Schweißkonstruktionen zunehmend zum Einsatz hochfester Feinkornbaustähle. Ohne Anwendung kostenintensiver Nachbehandlungsverfahren ist die Lebensdauer hochfester Schweißverbindungen unter wechselnder zyklischer Beanspruchung jedoch limitiert. Neben der geometrischen Kerbe sind schweißbedingte Gefügeveränderungen und die Höhe und die Verteilung von Schweißeigenspannungen für die Eigenschaften von Schweißverbindungen von erheblicher Bedeutung. Sogenannte LTT-Zusatzwerkstoffe bieten eine äußerst lukrative Möglichkeit, die resultierenden Schweißeigenspannungen bereits während des Schweißens zu adaptieren. Durch die gezielte Ausnutzung der mit der martensitischen Phasenumwandlung verbundenen Volumenausdehnung können bei hinreichend niedriger Umwandlungstemperatur Druck oder niedrige Zugeigenspannungen induziert werden. Bisherige Untersuchungen konzentrieren sich vorrangig auf die Entwicklung von LTT-Legierungskonzepten sowie dem Nachweis von Druckeigenspannungen, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss der Wärmeführung, vor allem der Zwischenlagentemperatur, oder der Schrumpfbehinderung auf die Beanspruchung von LTT- Mehrlagenschweißverbindungen unter realitätsnahen Fertigungsbedingungen.
Die Interaktion zwischen der martensitischen Phasenumwandlung und den thermischen bzw. den mechanischen Einflussfaktoren auf die Schweißeigenspannungen wurde einleitend durch elementare Schweißversuche analysiert. Mit Hilfe des Temperaturgradienten wurde der Einfluss der behinderten thermischen Schrumpfung auf den Eigenspannungszustand in LTT-Schweißverbindungen erstmalig richtungsabhängig verstanden. Unter der Vorlage eines hohen Einspanngrades wurden Druckspannungen bevorzugt aufgebaut, wenn der Temperaturgradient während der Phasenumwandlung nur schwach ausgeprägt war. Dabei durchgeführte In-situ-Beugungsexperimente haben gezeigt, dass der Einspanngrad nur in Zusammenhang mit der richtungsabhängig vorliegenden behinderten thermischen Schrumpfung zu betrachten ist, um die Beanspruchung einer Schweißverbindung unter konstruktiver Schrumpfbehinderung bauteilübergreifend bewerten zu können.
Anschließend wurden Mehrlagenschweißversuche unter freier Schrumpfung sowie in einer speziellen Prüfanlage unter konstruktiver Schrumpfbehinderung und realistischen Fertigungsbedingungen durchgeführt. Es gelang der Nachweis, dass durch die Verwendung von LTT-Legierungen das Reaktionsmoment Mx gegenüber einer konventionellen Schweißverbindung unabhängig von der Zwischenlagentemperatur reduziert wird. Dennoch nimmt die Reaktionsspannung σ_total mit zunehmender Zwischenlagentemperatur zu. Mit Hilfe des Temperaturgradienten wurde der Einfluss der behinderten thermischen Schrumpfung auf die lokale und die globale Beanspruchung der untersuchten Schweißverbindungen interpretiert. Unabhängig von der genutzten Zwischenlagentemperatur lag für die LTT-Stumpfstoßverbindungen vor allem in Longitudinalrichtung nur eine geringe Schrumpfbehinderung während der martensitischen Phasenumwandlung vor. Dadurch wurden während der Abkühlung vor allem im Volumen Druckspannungen in Longitudinalrichtung aufgebaut. Der Eigenspannungszustand von LTT-Verbindungen wird darüber hinaus durch inhomogene Phasenumwandlung der Schweißnaht infolge von Konzentrationsunterschieden verschiedener Elemente im Schweißgut bestimmt.
The current paper presents residual stress analyses of large scale LTT (Low Transformation Temperature) welds. LTT filler materials are specially designed for residual stress engineering by means of an adjusted martensite phase transformation. Controlling the level of mostly detrimental residual stresses already during the welding process would be highly attractive as time and cost consuming post processing may be prevented. In large scale welds the residual stress state is influenced by the heat control (e.g. interpass temperature) during welding. Therefore, welding residual stresses are studied here putting the focus on the influence of welding process parameters while joining heavy steel sections with a thickness of 25 mm. The residual stress state was determined at the top surface using X-ray diffraction as well as in the bulk by neutron diffraction. The results show that control of the interpass temperature is vital for the residual stresses present in the joints. This accounts for the top surface but is most pronounced for the bulk of the welds. While high interpass temperatures are appropriate to induce compressive residual stresses in the weld metal, low interpass temperatures favor unwanted tensile residual stresses instead.
Residual stresses of welds become more and more important influencing cold cracking as well as the fatigue life of welded components. Low transformation temperature (LTT) filler materials offer the opportunity to alter the residual stresses already during the welding process by means of ad- justed martensite phase transformation temperature (MS). In the current paper, welding residual stresses are studied putting the focus on MS while joining heavy steel sections with a thickness of 20 and 25 mm, respectively. The residual stress state was determined at the top surface using X-ray diffraction as well as in the bulk by neutron diffraction. The results com- pare the residual stresses present in a conventional weld and LTT welds when multi-pass welding of large-scale compo- nents was applied. Repeated phase transformation in the case of the LTT weld is more vital for the residual stresses present in the real-life-like joints. This accounts for the top surface in longitudinal direction but is most pronounced for the bulk of the welds. Detrimental tensile residual stresses are mainly re- duced in the bulk in comparison to a conventional filler wire even in multi-pass welds of thick steel sections.
Modifying the level of mostly detrimental welding residual stresses already during the welding process would be highly attractive as time- and cost-consuming post processing may be prevented. The nature of stress buildup during welding-associated cooling is highly affected by phase transformations. Up to now, it is not clear in which way this is applicable to real component welding exhibiting high shrinkage restraint and complex heat input. In this study, two different low transformation temperature (LTT) alloys have been investigated concerning the stress development in restrained multi-run butt welding in order to evaluate the potential of stress reduction. Pulsed gas metal arc welding (P-GMAW) welding was executed on a testing facility designed to simulate real lifelike restraint conditions of component weldments. The effect of reducedMS-temperatures and the heat control on the globally acting stresses was monitored by in-situ measurement of the reaction forces during welding fabrication. Additional local residual stress measurements allowed analyzing global as well as local loading of the welded construction. Although phase transformation has a significant influence on unloading the joint during each weld pass, the reaction stress upon cooling to room temperature seems to be determined mainly by the heat input. On the surface, low longitudinal residual stresses were observed in case of LTT whereas transverse residual stresses are less affected.
Compared to conventional welding consumables using low transformation temperature (LTT) filler materials is an innovative method to mitigate tensile residual stresses due to delayed martensite transformation of the weld. For the effective usage of LTT filler materials, a deeper understanding of the complex processes that lead to the final residual stress state during multipass welding is necessary. Transformation kinetics and the strain evolution of multi-pass welds during welding were investigated in situ at the beamline HEMS@PETRAIII, Germany. Compared to conventional welds, the total strain was reduced and compression strain was achieved when using LTT filler materials. For an optimal use of the LTT effect in the root of multi-pass welds, the alloying concept must be adapted taking care of dilution.
Low Transformation Temperature (LTT) alloys are high alloyed filler materials, which exhibit a martensitic phase transformation at comparatively low temperatures in order to prevent high tensile residual stresses. A number of publications have already shown that even compressive residual stresses can be observed when using LTT filler materials. Up to know it is not clear in which way this it applicable to multi-run welding exhibiting high shrinkage restraint and complex heat input. In this study the potential for stress reduction during welding of LTT alloys was studied by numerical simulation. This allows for evaluation of the stress development in every single weid run. Additionally, the impact of the structural stiffness was incorporated by modelling a special sample geometry exhibiting a high intensity of restraint. The results show that the stress formation in weid longitudinal direction is determined by the phase transformation as high compressive residual stresses were found here independent from the weid run. On the other hand the transformation induced stresses in weid transverse direction are superimposed by tensile stresses originated from shrinkage restraint. With increasing number of runs the tensile residual stress level is raised. The results were confirmed by residual stress measurements using diffraction methods.
Mikrostruktur- und Härteentwicklung in Schweißnähten mit neuartigen LTT-Schweißzusatzwerkstoffen
(2013)
The use of low transformation temperature (LTT) filler materials represents a smart approach for increasing the fatigue strength of welded high strength steel structures apart from the usual procedures of post weld treatment. The main mechanism is based on the effect of the low start temperature of martensite formation on the stress already present during welding. Thus, compressive residual stress formed due to constrained volume expansion in connection with phase transformation become highly effective. Furthermore, the weld metal has a high hardness that can delay the formation of fatigue cracks but also leads to low toughness. Fundamental investigations on the weldability of an LTT filler material are presented in this work, including the characterization of the weld microstructure, its hardness, phase transformation temperature and mechanical properties. Special attention was applied to avoid imperfections in order to ensure a high weld quality for subsequent fatigue testing. Fatigue tests were conducted on the welded joints of the base materials S355J2 and S960QL using conventional filler materials as a comparison to the LTT filler. Butt joints were used with a variation in the weld type (DY-weld and V-weld). In addition, a component-like specimen (longitudinal stiffener) was investigated where the LTT filler material was applied as an additional layer. The joints were characterized with respect to residual stress, its stability during cyclic loading and microstructure. The results show that the application of LTT consumables leads to a significant increase in fatigue strength when basic design guidelines are followed. This enables a benefit from the lightweight design potential of high-strength steel grades.
Die Verwendung von LTT-Zusatzwerkstoffen stellt einen alternativen Ansatz zu den sonst üblichen Verfahren der Schweißnahtnachbehandlung zur Schwingfestigkeitserhöhung geschweißter Stahlkonstruktionen dar. Der wesentliche Wirkmechanismus beruht auf der Beeinflussung des Eigenspannungszustands durch die niedrige Martensitstarttemperatur bereits während des Schweißens. Dadurch werden die Druckeigenspannungen aus der behinderten Volumenausdehnung infolge Phasenumwandlung voll wirksam. Weiter weist die Schweißnaht eine hohe Härte auf, die die Schwingrissbildung verzögern kann, allerdings auch zu einer niedrigen Kerbschlagarbeit führt.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden grundlegende Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung eines LTT-Zusatzwerkstoffes durchgeführt. Dies beinhaltet die Sicherstellung der Schweißbarkeit sowie die Charakterisierung der Verbindungseigenschaften.
Untersuchungen zur Schweißeignung machten deutlich, dass ein sicherer Einsatz in dem für hochfeste Stähle zur Verfügung stehenden Arbeitsfenster möglich ist. Der verwendete LTT-Zusatz auf Cr-Ni-Basis lässt sich mit hoher Nahtgüte fügen. Auch die mechanischen Eigenschaften erlauben den Einsatz im Bereich hochfester Stähle mit einer Streckgrenze von 960 MPa. Entwicklungspotential gibt es hinsichtlich der Zähigkeit. Die in dieser Arbeit erreichten Kerbschlagwerte liegen deutlich unter denen kommerziell verfügbarer konventioneller Schweißgüter. Die Untersuchungen belegen, dass der Effekt der martensitischen Phasenumwandlung im gesamten Schweißgut zum Tragen kommt. Die angestrebten hohen Druckeigenspannungen finden sich vornehmlich im Schweißgutinnern.
Im weiteren Vorgehen wurden Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Stählen S355J2 und S960Q unter Verwendung konventioneller Zusatzwerkstoffe im Vergleich zum LTT-Zusatz durchgeführt. Die verwendeten Konstruktionsdetails sind ein Stumpfstoß unter Variation der Schweißnahtausführung (DY-Naht und V-Naht), ein Kreuzstoß mit HV-Naht sowie ein Überlappstoß mit einseitig und beidseitig geschweißter Kehlnaht.
Weitergehend wurde eine bauteilähnliche Probe (die Längssteife) untersucht, bei der der LTT-Zusatzwerkstoff als zusätzliche Schweißlage aufgebracht wurde. Neben der Schwingfestigkeit wurden die Schweißnähte hinsichtlich der Eigenspannungen, der Eigenspannungsstabilität im Schwingversuch sowie metallografisch charakterisiert.
Eine generell positive Wirkung des LTT-Zusatzwerkstoffes im Hinblick auf die Schwingfestigkeitssteigerung kann nicht bestätigt werden. Teilweise ist eine Steigerung der Schwingfestigkeit bei Substitution konventioneller Zusatzwerkstoffe zu beobachten, teilweise zeigt sich kein Effekt. Ursächlich hierfür ist die bei manchen Stoßformen mangelnde Steifigkeit quer zur Schweißnaht, die zur Ausbildung hoher Druckeigenspannungen infolge Phasenumwandlung notwendig wäre. Die bauteilähnliche Längssteife bestätigt allerdings das grundlegende Potential der LTT-Zusatzwerkstoffe bei Vorliegen hinreichender Steifigkeit.
Residual stress engineering in welding becomes more and more prominent as the use of tailored materials, e.g., high-strength steels, calls for maximum utilization of the material properties. As a consequence, residual stresses have to be considered as design criterion. Moreover, it may be utilized to improve the material's performance. Low transformation temperature alloys are a smart approach to control the residual stresses already during the welding process avoiding time-consuming postweld treatments. This paper gives an overview about the progress made in research in this topic with special focus on residual stresses. Basics as well as important developments will be addressed.
Die Verwendung von LTT-Zusatzwerkstoffen stellt einen alternativen Ansatz zu den sonst üblichen Verfahren der Schweißnahtnachbehandlung zur Schwingfestigkeitserhöhung geschweißter Stahlkonstruktionen dar. Der wesentliche Wirkmechanismus beruht auf der Beeinflussung des Eigenspannungszustands durch die niedrige Martensitstarttemperatur bereits während des Schweißens. Dadurch werden die Druckeigenspannungen aus der behinderten Volumenausdehnung infolge Phasenumwandlung voll wirksam. Weiter weist die Schweißnaht eine hohe Härte auf, die die Schwingrissbildung verzögern kann, allerdings auch zu einer niedrigen Kerbschlagarbeit führt.
Im ersten Teil dieses Beitrages werden grundlegende Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung eines LTT-Zusatzwerkstoffes präsentiert. Dies beinhaltet zunächst die Sicherstellung der Schweißbarkeit sowie die Charakterisierung der Schweißgefüge und deren Härte mit dem Ziel, reproduzierbare Verbindungseigenschaften für die nachfolgende Schwingfestigkeitsprüfung herzustellen. Der zweite Teil des Beitrages beschäftigt sich mit den dazugehörigen Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Stählen S355J2 und S960Q unter Verwendung konventioneller Zusatzwerkstoffe im Vergleich zum LTT-Zusatz.
Das verwendete Schweißdetail ist eine Verbindungsschweißung am Stumpfstoß unter Variation der Schweißnahtausführung (DY-Naht und V-Naht). Weitergehend wird eine bauteilähnliche Probe (die Längssteife) untersucht, bei der der LTT-Zusatzwerkstoff als zusätzliche Schweißlage aufgebracht wurde. Neben der Schwingfestigkeit werden die Schweißnähte hinsichtlich der Eigenspannungen, der Eigenspannungsstabilität im Schwingversuch sowie metallografisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass LTT-Zusatzwerkstoffe unter Einhaltung wesentlicher Konstruktionsrichtlinien zu einem deutlichen Anstieg der Schwingfestigkeit führen. Dadurch kann das Leichtbaupotential hochfester Stahlgüten genutzt werden.
Residual stresses are crucial when assessing the performance of welded components. The present work deals with the possibilities of transferring the real-life boundary conditions of welding, which influence the residual stress, into the laboratory. The possibilities of a test system specifically developed for this purpose with a maximum capacity of 2 MN are shown. Due to the structural design, global process, geometry and material-dependent stresses are induced, which can be simulated and quantified within the system. Additionally, X-ray diffraction can be applied to determine the resulting local residual stress distribution precisely with high spatial resolution. Two examples are presented how the conditions to be found during production are simulated in the laboratory. It is shown how welding residual stresses in high-strength steels are affected by the heat control. It was possible to clarify why elevated working temperatures significantly increase the bending stresses in the welded joint and therefore the tensile residual stresses in the heat affected zone (HAZ). The effect of a heat treatment applied under mechanical stress resulting from welding is demonstrated by the example of a creep resistant steel. Reheat cracking is significantly increased in this case compared to small scale laboratory based tests.