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Aktuelle Bestrebungen zum Leichtbau sowie zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz führen zum steigenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen. Mit zunehmender Festigkeit steigt die Herausforderung an die schweißtechnische Verarbeitung und Bemessung der Konstruktion infolge engerer Verfahrensgrenzen und hoher Streckgrenzenverhältnisse [1]. Moderne modifizierte Sprühlichtbogenprozesse gestatten neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen gerade im Zusammenhang mit der veränderten Nahtgeometrie, dem reduzierten Schweißnahtvolumen sowie Gesamtwärmeeintrag deutlich geringere schweißbedingte Beanspruchungen. Dadurch erhöht sich die Beanspruchbarkeit hochfester Schweißkonstruktionen. in den Untersuchungen wurde der Einfluss von Schweißprozess und damit verbundener Nahtgeometrie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in hochfesten Schweißverbindungen ermittelt. Mit einer speziellen Prüfanlage (CTW-Test) wurden Proben unter definiertem, bauteilrelevantem Einspanngrad in Nahtquerrichtung mehrlagig geschweißt. Dabei zeigte sich insbesondere für das Nahtvolumen ein signifikanter Einfluss auf die globalen Reaktionsspannungen. Ferner sind die lokalen Zugeigenspannungen im Bereich des Schweißgutes durch den Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse geringer.
Bei Schweißkonstruktionen aus modernen Feinkornbaustählen, wie sie beispielsweise im Hochbau, im Anlagenbau und im Kranbau vorkommen, sind aus folgenden Gründen enge Verfahrensgrenzen für die Wärmeführung zu beachten: das spezielle Gefüge und das vergleichsweise hohe Streckgrenzenverhältnis bzw. die geringen plastischen Verformungsreserven. Zum Einstellen der Gefügeeigenschaften sind mit Hilfe von Vorwärm- bzw. Zwischenlagentemperaturen und Streckenenergien die Abkühlzeiten Δt8/5 möglichst exakt einzuhalten Wie beispielsweise in DIN 1011-2 und SEW 088 nachzulesen ist, basieren Prüfverfahren und empirische Ansätze zum Abschätzen von Schweißwärmezyklen auf dem Kohlenstoffäquivalent. Über die bisherigen Laboruntersuchungen zur Entstehung von Eigenspannungen im unmittelbaren Schweißbereich hinaus muss der Einfluss der Wärmeführung im Zusammenhang mit den Steifigkeitsverhältnissen umgebender Montageteile analysiert werden. Numerische und experimentelle Untersuchungen haben z.B. ergeben, dass eine äußere Schrumpfbehinderung in Nahtquerrichtung durch den Einspanngrad RFy bemessen werden kann. Im Rahmen des Fosta-Forschungsprojekts P 922 wurden Versuchsschweißungen im Stumpfstoß mit V-Naht an den Werkstoffen S690QL, S960QL, S700MC und S960MC mit 8 mm und 20 mm Blechdicke und typischen Schweißparametern aus dem Kranbau durchgeführt. Für S690QL mit 20 mm Blechdicke sind die Ergebnisse wie folgt dargestellt: a) Abkühlzeit in Abhängigkeit von Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie, b) mikroskopische Aufnahme des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone und c) des Schweißgutgefüges (Abkühlzeit Δt8/5=13 s). Mit einer hydraulischen 2-MN-Prüfanlage wurden Schrumpfbehinderung und gleichzeitig Reaktionskräfte gemessen, während des Vorwärmens, des Schweißens und des Abkühlens. Das Ergebnis zeigt, dass die resultierenden mechanischen Beanspruchungen der gesamten Schweißverbindung erheblich von der Höhe der Schrumpfbehinderung und der Wärmeabführung während des Schweißens abhängig sind.
Residual stresses are often the cause for cracks in weld constructions. That is why the residual stress level, induced by manufacturing process, plays a crucial role. The present study aims on the effect of multiple repair weld procedures on a high-strength structural steel S690QL. The widespread technology of carbon arc-air gouging was applied. The weld zone and the heat-affected zone (HAZ) were subjected to multiple thermal cycles by gouging and subsequent repair welding. The investigations were focused on the change of the residuals stresses, the impact on the microstructure and the changes for the mechanical properties of the repair welded joint. The residual stresses were determined by X-ray diffraction. The results have shown a significant dependence for the residual stress levels from the repair cycle. In addition, distinctive changes in microstructures and hence mechanical properties occurred. The fusion line of the repair weld and the adjacent HAZ are the most critical areas. This is where the loss of ductility is most pronounced.
Low transformation temperature (LTT) alloys allow to control residual stresses already during the welding process. Especially high-strength structural steel applications may benefit from the LTT effect as they are sensitive to residual stresses due to a limited ductility. Within this study, two modified LTT alloys were tested concerning their weldability under varying conditions. Beside the transformation behavior, basic material properties were determined from all weld metal. Hot cracking as well as cold cracking susceptibility was evaluated using specific tests. The materials' capability for residual stress control was characterized by online measurements of the occurring loads during double-sided multipass fillet welding in a special test facility. Varying heat control parameters were found to affect the stress buildup significantly. In the specific case, the results revealed that higher working temperatures may favor lower stress buildup despite the higher overall heat input. Local residual stress measurements using X-ray diffraction support this finding.
Neutron radiography and tomography have been used for a time resolved in situ analysis and a 3D mapping of hydrogen diffusion in iron and steel. Samples were electrochemically charged with hydrogen and afterwards neutron transmission images were taken. Hydrogen diffusion coefficients in duplex stainless steel were determined at 623 K by measuring and comparing the sample's mean intensity with a hydrogen-free reference sample and subsequent normalisation to standards with known hydrogen content. In technical iron and in supermartensitic stainless steel the hydrogen distributions have been investigated. The radiographic images in iron show blisters, cracks and the distribution of molecular hydrogen inside cracks. The analysis of the diffusion behaviour of hydrogen out of a blister illustrates the capabilities of the method with respect to time and spatial resolution. The neutron tomography of supermartensitic tensile stressed samples illustrates the capability to visualise hydrogen distributions three-dimensionally. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
On a utilisé la radiographie neutronique et la tomographie pour une analyse in situ à résolution temporelle et une cartographie 3D de la diffusion de l'hydrogène dans le fer et l'acier. On a chargé des échantillons par électrochimie avec de l'hydrogène et ensuite on a pris des images par émission de neutrons. On a déterminé les coefficients de diffusion de lhydrogène dans l'acier inoxydable duplex à 623 K en mesurant et en comparant l'intensité moyenne de l'échantillon avec un échantillon de référence sans hydrogène et une normalisation subséquente à des échantillons références à teneur connue en hydrogène. On a examiné la distribution d'hydrogène dans le fer technique et dans l'acier inoxydable supermartensitique. Les images radiographiques du fer montrent des soufflures, des fissures, et la distribution de l'hydrogène moléculaire à l'intérieur des fissures. L'analyse du comportement de diffusion de l'hydrogène hors d'une soufflure illustre les possibilités de la méthode par rapport à la résolution temporelle et spatiale. La tomographie neutronique des échantillons supermartensitiques chargés en traction illustre la capacité de visualiser les distributions d'hydrogène en trois dimensions.
Neutron tomography has been applied to investigate the mechanism of hydrogen assisted cracking in technical iron and supermartensitic steel. Rectangular technical iron block samples showed blistering due to intense hydrogen charging and the tomographic method revealed in situ the spatial distribution of hydrogen and cracks. Hydrogen accumulated in a small region around cracks and the cracks are filled with hydrogen gas. Cracks close to the surface contained no hydrogen. Hydrogenous tensile test samples of supermartensitic steel were pulled until rupture and showed hydrogen accumulations at the notch base and in the plastically deformed region around the fracture surface.
The application of high-strength fine-grained structural steels with yield stress ≥ 690 MPa permits significant weight reductions and cost savings. Since welding is the major joining technology, e.g. in mobile crane industry, the sustainable and economical application of these grades depends on the load-bearing capacity and safety of the welds. An economical processing of high-strength steels is determined above all by the avoidance of cold cracking, apart from achieving demand-oriented mechanical properlies in the weid area. High tensile residual stresses are disadvantageaus regarding the cold cracking resistance and strength of welded components. Furthermore, high restraints commonly appearing in component welds increase residual stresses. Hence, in this research the influences of heat control on residual stresses and the overall structural Ioad of welded structures were quantified. The relationship between the weid thermal cycle and the resulting residual stress under additional shrinkage restraint was analysed by a successive augmentation of the restraint intensity. This was achieved by systematic low Ioad and component weid tests. lt was observed that the heat control significantly affects the local residual stresses and the overall structural Ioad of welded structures. A high interpass temperature increases the global and local welding stresses in particular. Moreover, the transferability of experimental welding results obtained from small specimens according to applicable codes to real component geometries was investigated. With the help of these findings it is possible to improve existing heat control concepts for high-strength steel welding.
The application of high-strength fine-grained structural steels with yield strengths greater than or equal to 690 MPa expands because of present light weight design trends. The requirements regarding the welded components safety increased due to high loading capacity. This determines a sustainable and economic application as well. However, high welding residual stresses could diminish the components safety, especially due to high restraint conditions in component or repair welds. Therefore, this work is concerned with global and local welding stresses, especially crack-critical welding stresses in the HAZ and while root welding due to the restraint conditions. Restraint intensities of real components were analysed and realised with two different weld tests, alongside two different plate dimensions and steel grades. A comparison of the test results showed several significant effects for heat control and restraint intensity regarding restraint forces and local welding stresses. Among these effects, substantial influences were found for the filler metal selection with partially altered results for root and filler beads. Local stresses of weld seam and HAZ were affected differently.
The objective of the FATWELDHSS project was to study post-weld treatment techniques and their effect on the fatigue life of MAG welded attachments in High Strength Steel (HSS). Fatigue cracks in steel structures often occur at welded joints, where stress concentrations due to the joint geometry and tensile residual stresses are relatively high. Fatigue life improvement techniques, which rely on improving the stress field and/or the surface geometry around the welded joints, are generally known to be beneficial. Therefore, within the framework of this project, the following were examined: diode laser weld toe re-melting; High Frequency Mechanical Impact (HFMI) treatment; Low Transformation Temperature (LTT) filler wires Laser diode re-melting was used to improve the surface profile at the weld toe and thus reduce stress concentrations. HFMI treatment involving high frequency hammering of the weld toe is another technique that can produce a smooth weld toe profile but, more significantly, which also can introduce compressive residual stresses. Lastly, two new LTT filler wires were developed within the project as these can decrease or even remove tensile residual stresses resulting from weld zone shrinkage. An extensive fatigue testing programme was set up to establish the levels of improvement in the fatigue lives of the welded attachments achieved by application of the selected improvement techniques. Furthermore, two industrial demonstrators were selected that could show the project achievements in terms of facilitating the introduction of high strength steels by overcoming the limitations posed by the fatigue properties of the welded joints. In addition, modelling tools were developed to predict the residual stresses at the welded joint. Finally, practical guidelines were developed for enhancing the fatigue strength of HSS welded structures
Aus wirtschaftlichen, konstruktiven sowie ästhetischen Aspekten werden moderne Stahlbaukonstruktionen immer schlanker und leichter ausgeführt. Dazu werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Dehngrenzen ≥ 690 MPa eingesetzt, wodurch eine Gewichtsreduzierung von 30 % bis 50 % und eine Kostenersparnis von 5 % bis 15 % erreicht werden kann.
Das Potential hochfester Feinkornbaustähle ist unter Beachtung der heutigen Richtlinien und Regelwerke jedoch nicht ohne weiteres nutzbar. Durch das Forschungsvorhaben wurde der Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung und Kaltrissbildung unter Berücksichtigung realitätsnaher Steifigkeitsbedingungen untersucht. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein Beitrag zur Verbesserung der Verarbeitungsrichtlinien erarbeitet, welche dem Verarbeiter eine sichere schweißtechnische Verarbeitung bei verbesserter Ausnutzung der Materialeigenschaften ermöglicht. Vor allem die Tragfähigkeit und die Sicherheit der Schweißverbindung bestimmen die Bemessung der Konstruktion und somit den nachhaltigen und ökonomischen Einsatz dieser Güten. Der Zusammenhang zwischen der Höhe der entstehenden Eigenspannungen und der Wärmeführung in realen Konstruktionen ist zurzeit nur qualitativ überschaubar und führt zu einer eher konservativen Auslegung heutiger Schweißkonstruktionen. Die wirtschaftliche Verarbeitung hochfester Stähle wird neben dem Erreichen anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften im Schweißnahtbereich vor allem durch die Vermeidung von Kaltrissen bestimmt. Die diesbezüglichen Empfehlungen in den geltenden Regelwerken beruhen jedoch vornehmlich auf Erkenntnissen aus Laborschweißungen an Kleinproben unter freier äußerer Schrumpfung. Die Hauptursachen für die Entstehung von Eigenspannungen wie inhomogene, lokale Erwärmung und Abkühlung der schweißnahtnahen Bereiche und insbesondere die konstruktive Schrumpfbehinderung infolge umgebender Montagegruppen werden damit jedoch nicht abgebildet. Der Einfluss der Wärmeführung, insbesondere der lokalen Vorwärmung, auf die Eigenbeanspruchung einer Konstruktion ist derzeit weitgehend unbekannt.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenspannungsausbildung in geschweißten Konstruktionen zu quantifizieren sowie Aussagen zur Beeinflussung und Absenkung der Eigenspannungen und somit der Gesamteigenbeanspruchung von Schweißkonstruktionen zu erarbeiten. Dazu wurden durch die sukzessive Steigerung des Einspanngrades der Zusammenhang zwischen Wärmeführung und resultierender Eigenspannung unter zusätzlicher Schrumpfbehinderung geklärt. Ferner wurde die Übertragbarkeit der den Regelwerken zugrundeliegenden Kleinprobenergebnisse auf reale Konstruktionen untersucht. Mithilfe systematischer Klein- und Großlastschweißversuche an definiert schrumpfbehinderten Proben konnte der Einfluss der Wärmeführung sowohl auf die lokalen nahtnahen Eigenspannungen als auch globale Eigenbeanspruchungen durch Reaktionsspannungen analysiert werden. Es zeigte sich, dass eine Reduktion der lokalen Eigenspannungen und der Eigenbeanspruchung von geschweißten Konstruktionen durch eine geringere Wärmeeinbringung möglich ist. Eine Absenkung der Zwischenlagentemperatur erwies sich dabei unter anderem als besonders günstig. Damit ist es möglich vorhandene Wärmeführungskonzepte für hochfeste Stähle zu optimieren und dadurch die Kaltrissbildung zu vermeiden.