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Organisationseinheit der BAM
The successful energy transition in Germany will require offshore wind turbines with outputs >10 MW in the future. To achieve these high outputs, turbines far from coast are required with large subsea jacket structures (30 m up to 50 m) and tall towers (up to 200 m). High-strength steels with a yield strength up to 500 MPa and wall thicknesses up to 150 mm are increasingly being used for these structures. This plac-es high demands on welding manufacturing, especially for high-strength offshore steels. During the manu-facturing process detected defects by NDT require localized repair of welds by gouging and rewelding. Due to a lack of investigations, there are no repair concepts and information in standards and guidelines, par-ticularly for high-strength thick plate joints made of high-strength offshore steels. However, these are ur-gently needed to enable manufacturers, especially SMEs, to carry out safe and economical repairs. There-fore, BAM started the FOSTA project P1629 (IGF 01IF22746N) to investigate the stress-optimized repair (local gouging and welding) of high-strength thick plate joints made of offshore grades in the yield strength range off 355 to 460 MPa and similar weld metal with controlled high-performance GMAW pro-cesses and optimized narrow gouging grooves. The experimental analyses take into account the complex interaction of process, material, and design-related influences on the formation of weld induced stresses and the special microstructure of high-strength fine-grain structural steels. Welding-related material degra-dation and crack-critical residual tensile stresses need to be avoided to ensure high component safety and performance. A reduction in residual stress in the presence of high restraint conditions can be achieved by adapted heat control (if no disassembly measures are possible). The repair process involves manual thermal gouging, which allows the groove configuration to be modi-fied. Modern welding processes using high frequency arc control provide deep root penetration and focused energy input capable of welding narrow seams. A comparison was made between the traditional weld con-figuration with a wide 45° groove and transition arc welding and a narrow 30° groove with modern welding process. Even in the case of free shrinkage specimens, the narrow groove weld exhibits a significant reduc-tion of residual stresses, cf. Figure 1, especially in the HAZ and toward the adjacent base material. This can be attributed to the lower weld metal volume needed and the reduction of heat input per layer due to the controlled arc process. For the purposes of this comparison, the same weld seam build-up (but different number of layers) has been applied to both seam configurations. Note that in industrial application (manu-al welding), the wider groove would be welded with several off-center weld beads with conventional weld-ing process. In this analysis this would cause asymmetric effects regarding the residual stress state, diffi-cult to compare to each other. Component-related welding experiments on special testing equipment, adapted process and heat control concepts along with variable groove configurations will be developed and recommendations for guidelines elaborated. This is the prerequisite for fully utilizing the strength potential of high-strength steels and making a valuable contribution to the energy transition in Germany, especially for steel-processing SMEs.
Low Transformation Temperature (LTT) Schweißzusätze erzeugen während der Abkühlung Druckeigenspannungen in die Schweißnaht und Wärmeeinflusszone durch eine Volumenexpansion, wodurch die Ermüdungsfestigkeit erhöht werden kann. Um das Potential dieser neuartigen Schweißzusätze besser zu quantifizieren, wurden konventionelle Längssteifen als Probenkörper verwendet, welche an den Stirnseiten mit einer LTT-Zusatznaht geschweißt wurden. Durch Variation der Schweißparameter konnten unterschiedliche Nahtformen realisiert werden. Es konnte, je nach Nahtausführung, eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit bei 2 Millionen Lastwechsel von 64 MPa bis 100 MPa in Gegensatz zu konventionellen Proben festgestellt werden. Somit sind LTT-Zusätze grundsätzlich geeignet, um die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen.
Wechselwirkung zwischen Nahtgestaltung und Ermüdungsfestigkeit in LTT-geschweißten Längssteifen
(2025)
Schweißzusätze mit niedriger Martensitstarttemperatur (Low Transformation Temperature, LTT) induzieren während der Abkühlphase infolge einer volumeninduzierten Martensitumwandlung Druckeigenspannungen in der Schweißnaht sowie in der angrenzenden Wärmeeinflusszone (WEZ). Diese Spannungen können zu einer signifikanten Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit führen. Zur quantitativen Bewertung des Potenzials dieser innovativen Werkstoffe wurden konventionelle Längssteifen als Versuchsproben herangezogen, bei denen an den Stirnseiten Schweißnähte unter Verwendung von LTT-Zusatzwerkstoffen appliziert wurden. Durch gezielte Variation der Schweißparameter konnten unterschiedliche Nahtgeometrien realisiert werden. In Abhängigkeit von der Nahtausführung zeigte sich bei einer Belastungszahl von 2 Millionen Zyklen eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit im Bereich von 64 MPa bis 100 MPa im Vergleich zu Referenzproben mit herkömmlichen Schweißzusätzen. Die Ergebnisse belegen, dass der Einsatz von LTT-Schweißzusätzen grundsätzlich geeignet ist, die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen zu verbessern.
LTT (Low Transformation Temperature) - Schweißzusätze stellen eine Alternative zur Verfügung, um die Schwingfestigkeit in Schweißnähten zu erhöhen. Ziel dieses Vortages ist es zum einem die Thematik der LTT - Schweißzusätze, insbesondere in hybrider Ausführung zu erläutern, Zum anderen werden die Ergebnisse der Vorversuche präsentiert.
Low Transformation Temperature (LTT) welding consumables represent an innovative approach to realize compressive residual stress in weld and HAZ. LTT welding consumables use the volume-expanding martensitic phase transformation near room temperature to generate compressive residual stress during cooling. This article focusses on the weld geometry of LTT welding consumables and their influence on residual stress reduction. For this purpose, LTT layers were additionally applied to the front sides of conventionally welded longitudinal stiffeners. By varying parameters such as offset and welding speed, different weld geometries could be realized. These were analyzed for geometric parameters, chemical composition and residual stress using X-ray diffraction and fatigue testing. While the chemical composition was only slightly influenced by parameters changes, a clear influence was observed regarding to weld geometry and residual stress. The conventionally weld was characterized by tensile residual stress of ≈350 MPa at the weld toe, the additional LTT weld bead exhibits compressive and tensile residual stress of ≈-150MPa to ≈+150MPa depending to the parameter variation.
Low Transformation Temperature (LTT)-Schweißzusätze stellen einen innovativen Ansatz zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit geschweißter Konstruktionen dar. LTT-Schweißzusätze zeichnen sich durch eine martensitische Phasenumwandlung nahe der Raumtemperatur aus, welche Druckeigenspannungen in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone (WEZ) generieren.
Dieser Vortrag fokussiert sich auf die gezielte Einbringung zusätzlicher LTT-Lagen an ermüdungskritischen Stellen von konventionell geschweißten Verbindungen. Dies ermöglicht eine ökonomische Anwendung, ohne dass die Schweißnahtintegrität zu stark beeinflusst wird. Die Auswirkungen zusätzlicher LTT-Lagen wurden anhand geschweißter Längssteifen aus hochfestem Stahl hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Eigenspannungen untersucht. Unter Variation der Schweißgeschwindigkeit und Abstand zur konventionellen Naht konnten 3 unterschiedliche Nahtausführungen des Chrom-Nickellegierten LTT-Zusatzes bewertet werden.
Die chemische Zusammensetzung wurde mittels OES-Analysen untersucht. Dabei stellte heraus, dass die Aufmischung in allen Varianten sehr ähnlich war trotz teils unterschiedlicher LTT-Volumina. Härtebestimmungen ergaben in allen 3 Varianten eine ähnliche Härte. Daraus lässt sich annehmen, dass die Martensitstarttemperatur bei allen Nahtvarianten ähnlich ist.
Röntgenografische Eigenspannungsmessungen belegen, dass die Eigenspannungen am versa-genskritischen Nahtübergang bei Einsatz von LTT-Schweißzusätzen deutlich abgesenkt werden. Während die konventionelle Schweißnaht Zugeigenspannungen von ca. 350 MPa aufweist, können an den LTT-Nähten teilweise Druckeigenspannungen von bis zu -150 MPa nachgewiesen werden. Je höher der Abstand zur konventionellen Naht und je größer das eingebrachte LTT-Volumen ist, umso stärker sind die Eigenspannungsreduzierungen am Nahtübergang. Da in allen 3 Varianten eine ähnliche Martensitstarttemperatur angenommen werden kann, ist somit die Geometrische Komponente der LTT-Zusatzlage ein entscheidender Faktor für die Eigenspannungsreduzierung.
Through a hybrid use of Low Transforamtion Temperature welding filler, fatigue strength of welds should be increased. Through the hybrid use of LTT welding filler the Integrity of a weld will be less affected. By creating several variants of LTT weld geometries an idea of the optimum residual stress reduction is given.
Low transformation temperature (LTT) welding consumables offer an innovative approach to increase the fatigue strength of welded high-strength steel structures. LTT welding consumables are characterized by a martensitic phase transformation near ambient temperature, which generates compressive residual stresses in the weld and heat affected zone (HAZ). The aim is to achieve a weld geometry, which generate high compressive residual stresses at the fatigue crack critical weld toe.
Longitudinal stiffeners were gas metal arc welded using a conventional welding consumable; the base material was a high strength steel S700M. A chromium-nickel alloyed LTT consumable was deposit subsequently just on front sides of the stiffeners. Different welding parameters led to varying cross sections of the weld. The residual stresses were determined using X-ray diffraction (XRD) in the crack critical HAZ.
When using only the conventional, the HAZ is characterized by high tensile residual stresses. The additional application of the LTT alloy leads to a significant reduction of the tensile residual stresses. Depending on the weld geometry, even compressive residual stresses can be observed at the weld toe
Low transformation temperature (LTT) filler metals are an innovative approach to reduce tensile residual stress in weld seams and the surrounding heat affected zone (HAZ). The reduced tensile stress leads to an improvement in the fatigue strength of welded components. LTT filler metals are characterized by a reduced martensite start temperature (Ms), which is close to room temperature because of their chemical composition. This paper focuses on the hybrid use of LTT filler metals, where the LTT filler is applied as an additional layer to conventional welds on fatigue-critical spots. Conventional gas metal arc welded longitudinal stiffeners are used as specimens and at the face ends of the stiffeners, a second LTT layer was added with various weld modifications. These modifications were achieved by changing the welding parameters such as welding speed and offset to the first layer. These samples were used to analyze shape, dilution and resulting Ms, residual stress and fatigue strength. The dilution and dilatometer verified Ms did not change significant, although the surface of the 2nd LTT weld seam was varying clear with each modification. However, the weld modification had a significant effect on the residual stress state and the fatigue strength. The X-ray determined residual stress in the HAZ became lower when the weld toe of the LTT layer was further away from the stiffener. The Fatigue strength is clearly dependent on the residual stress state. The lower the residual stress at weld toe, the higher the fatigue strength. All samples with LTT weld exhibit significantly higher fatigue strength values than conventionally single and double-layer welded samples. The results show that on the one hand LTT filler metals increase the fatigue strength, and on the other hand the impact of LTT fillers materials is not restricted to the dilution and Ms, the shape of the weld seam must also be considered.
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).