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Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.
Influence of Residual Stresses on Stress Relief Cracking of Thick Walled Creep Resistant Steel Welds
(2022)
Controlling the residual stress level during welding of creep-resistant Cr-Mo-V steels is crucial to avoid so called stress relief cracking (SRC) during post weld heat treatment (PWHT) of large-scale components. In the present study, a laboratory scale test specimen (400 mm x 400 mm x 25 mm) was used to simulate thick-walled component welds made of 13CrMoV9-10. The aim was to identify the level and distribution of residual stresses to evaluate the suitability of the specimen for laboratory based SRC testing. High restraint was ensured by the specimen geometry with a narrow welding gap in the center. This gap was filled by submerged arc welding in a multi-layer technique. Two specimens were welded with identical parameters and compared in the as-welded state and after PWHT (705 °C for 10 h). Neutron diffraction was used to determine the residual stresses in the weld metal, the heat-affected zone (HAZ) and the base material at different depths longitudinal, transverse, and normal to the welding direction. The experiments were performed on the instrument E3 of the research reactor BERII of HZB Berlin, Germany. Complementarily, laboratory X-ray diffraction was applied to characterize the surface residual stresses. In the welded state, especially in the weld metal and the adjacent HAZ, the residual stress can reach the yield strength of the untreated material. The highest levels occur in the longitudinal direction. The transverse and normal directions are characterized by residual stress of lower magnitude. As expected, the residual stress is almost completely relieved after PWHT.
Die Integrität von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen ist zunehmend durch die Bildung von Heißrissen gefährdet. Aktuell treten Erstarrungsrisse an Konstruktionsmerkmalen auf, obwohl heißrisssichere niedriglegierte Grund- und Zusatzwerkstoffe als auch Schweißprozessbedingungen eingesetzt wurden. Werkstoff- und prozessseitig wurden diese Rissursachen bereits eingehend erforscht. Untersuchungen zum Aspekt der konstruktiv bedingten Heißrissvermeidung, aus denen sich Empfehlungen für ein beanspruchungsgerechtes Gestalten für KMU ableiten lassen, liegen bislang lückenhaft vor bzw. sind veraltet und für hochfeste Leichtbauten kaum zielführend. Konstruktive Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von Erstarrungsrissen liegen oft nicht vor. Das Design und die konstruktiven Randbedingungen beeinflussen die Erstarrungsrisse entscheidend. Um eine schnelle Umsetzbarkeit der Resultate für KMU zu ermöglichen, soll eine einfache und kostengünstige Methodik zur Heißrissbewertung entwickelt werden. Gerade KMU haben einen hohen Nachholbedarf an heißrisssicheren und wirtschaftlichen Leichtbaulösungen. Konstrukteure und Anwender aus KMU würden durch fundierte Kenntnisse über mögliche erstarrungsrisskritische Beanspruchungszustände kostenintensive Qualitätsmängel vermeiden. Das Ziel ist es, Kenngrößen zu identifizieren, die während des Schweißens unter realitätsnahen Bedingungen erfasst werden können. Diese Parameter werden als Transfergrößen genutzt, um eine Heißrissbewertung eines geschweißten Bauteils zu ermöglichen. Anliegen des Vorhabens wird die Prüfung und Bewertung von typischen Beanspruchungszuständen beim Schweißen von Leichtbaustrukturen hinsichtlich ihrer Erstarrungsrissneigung sein. Durch Ableitung klassifizierter Gestaltungshinweise wird ein signifikanter Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit insbesondere für KMU geliefert. Die Ergebnisse werden in Normen zur sicheren schweißtechnischen Fertigung von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen direkt einfließen.
WAAM process influences on local microstructure and residual stresses in high-strength steels
(2021)
High-strength fine-grain structural steels have great potential for weight optimization of many modern engineering structures. Efficient manufacturing can be achieved here above all by Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). First commercial high-strength welding consumables for WAAM are already available. Due to a lack of knowledge and guidelines for the industry regarding welding residual stresses and component safety in manufacturing and operation, their application is still severely limited. Residual stresses play a crucial role here, as the special microstructure of high-strength steels is sensitive to cold cracking.
For this reason, process- and material-related influences, as well as the design effects on residual stress formation, are being investigated in a project funded by the AiF (FOSTA P1380/IGF 21162 BG). This study focuses on determining the interactions between heat control during WAAM process, resulting hardness, microstructure, and residual stresses, analyzed by X-ray diffraction. Welding experiments using geometrically similar AM specimens show that, with regard to the heat input, the energy per unit length in particular leads to significantly affected cooling times and microstructures and causes pronounced localized effects in terms of residual stresses in the upper weld beads.
High-strength fine-grained structural steels have great potential for weight-optimized, efficient structures in many modern steel applications. Further advances in efficiency can be achieved through additive manufacturing and bionic design. Commercial high-strength filler materials for wire arc additive manufacturing (WAAM) are already provided by the consumable producers. Today, application would be strictly limited due to absence of quantitative findings or any guidelines for the industry regarding welding-related stresses and component safety during manufacturing and service. Hence, process- and material-related influences and design-related restraint conditions associated with formation of residual stresses and cold cracking risk are investigated. The aim is the accessibility of special WAAM self-restraining cold cracking tests and easy applicable processing recommendations, enabling an economical, fit-for-purpose and crack-safe WAAM of high-strength steels. This first study focuses on determination of interactions between WAAM process parameters, resulting layer geometry, microstructure and residual stresses, analyzed via X-ray diffraction. Defined reference specimens are automated welded using a special WAAM solid wire (yield strength >820 MPa). Geometric properties can be specifically adjusted by wire feed and welding speed, but cannot be varied arbitrarily, since a high heat input causes local overheating, inadmissible changes of microstructure and mechanical properties, defects and comparable high tensile residual stresses.
Determination of residual stress evolution during repair welding of high-strength steel components
(2022)
During the assembly of steel structures, unacceptable weld defects may be found. An economical solution is local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to high shrinkage restraints of repair weld and sur- rounding structure, high global and local welding stresses superimpose, and may lead to cracking and component failure, especially in connection with the degraded microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. Component-related investigations of high-strength steels (FOSTA P1311/ IGF20162N) focus on welding residual stress evolution during local thermal gouging and rewelding. In this study, repair welding of S500MLO (EN 10225) is carried out using in-situ digital image correlation (DIC) and ex- situ X-ray diffraction (XRD) to analyse strains and stresses. Self-restrained slit specimen geometries were identified representing defined rigidity conditions of repair welds of real components, which were quantified using the restraint intensity concept. The specimens were rewelded with constant welding heat control and parameters. Weld specimens exhibited significantly increased transverse residual stresses with higher transverse restraint intensities, in the weld metal, and in the heat affected zone. Transverse stresses along the weld seam decrease at the weld seam ends leading to different stress state during gouging and welding. XRD analysis of the longitudinal and transverse local residual stresses after cooling to RT showed a good comparability with global DIC analyses.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Darüber hinaus erfolgt die Bestimmung des Einflusses der t8/5-Abkühlzeit auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des speziellen, hochfesten WAAM-Massivdrahts mithilfe von Dilatometeranalysen. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Die Dilatometeranalysen zeigen für den untersuchten WAAM-Schweißzusatzwerkstoff eine großes t8/5-Zeitfenster mit einer vergleichsweise geringen Abnahme der Zugfestigkeit mit zunehmender t8/5-Abkühlzeit. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.
Einfluss der Schweiß- und Prüfparameter bei der Heißrissbewertung hochfester Schweißzusatzwerkstoffe
(2023)
Die Heißrissneigung beim Schweißen kann mittels einer ganzen Reihe von Prüfverfahren ermittelt werden. Eine etablierte Methode ist die sogenannte Varestraint-Prüfung, welche auch an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als modifizierter Varestraint/Transvarestraint-Test (MVT) zum Einsatz kommt. Die Ergebnisse von Varestraint-Prüfungen hängen jedoch stets in unterschiedlichem Maße von der individuellen Prüfmaschinenauslegung und den verwendeten Prüfparametern ab. Dies kann zu einer uneinheitlichen Bewertung des Rissverhaltens führen, wenn die Risslänge konventionell als Kriterium für die Rissneigung herangezogen wird. Scheinbare Abhängigkeiten von Prozessparametern erschweren dann die Interpretation der Ergebnisse. Eine neuartige Bewertungsmethodik entkoppelt den Maschineneinfluss vom Materialverhalten und verwendet die Dehnrate als Risskriterium in Analogie zu Prokhorovs Heißrissmodell. Die neue Auswertung wird anhand einer Studie hochfester Schweißzusatzwerkstoffe vorgestellt, deren Rissverhalten in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung und der Schweißparameter bewertet wird.
In an increasing number of modern steel applications, high-strength structural steel grades are demanded to meet specifications regarding a high load-bearing capacity and a low operating weight. Lightweight design rules enhance the safety requirements, especially for welded joints. Besides a higher cracking risk for high-strength steel welds, the formation of tensile residual stresses might lead to fracture due to overloading or premature failure if not adequately considered. In this study, a stress-strain analysis was conducted at component-related structures from S960QL using digital image correlation while preheating, welding and cooling adjacent to the weld seam. X-ray diffraction analysis of the local residual stresses in the weld seam showed a good comparability with global analyses using either a DIC system or a special testing facility, which allowed in situ measurements of welding loads. By analysing two different seam geometries, it could be shown that lower multi-axial stresses arise if a narrower weld groove is used. Comparative analyses revealed a direct correlation of the local residual stresses in the weld with transverse shrinkage restraint, whereas the residual stress level in the HAZ is significantly affected by the bending restraint of the weld construction and the occurring bending stresses, respectively.