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Hydrogen determination in weld seams is standardized in ISO 3690. In accordance to this standard, a defined time for hydrogen collection has to be anticipated for different extraction temperatures. In other words, the temperature is the most important value that has to be monitored in addition to the aimed hydrogen determination.
The specimen geometry has influence on the real sample temperature during CGHE vs. the adjusted furnace temperature. This presentation gives a short summary on possible influences on the "correct" hydrogen determination temperature during carrier gas hot extraction (CGHE) using infrared radiation driven furnace. The main findings are: (1) specimen surface is important in terms of polished or oxidized condition, (2) specimen geometry is important for fast heating, (3) PID-values of control software are a considerable influence to accelerate the heating process depite thick specimens and (4) independent sample temperature determination before CGHE is strongly recommended.
In vielen Bereichen des modernen Stahlbaus kommen geschweißte Vollwandträger, wie I-Träger zum Einsatz. Im Gegensatz zu Walzprofilen können die Bauhöhe, die Querschnittsform und die Blechdicken an die Beanspruchung angepasst werden, wodurch sich wirtschaftliche Vorteile erzielen lassen. Dabei werden heutzutage immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle mit (Mindest-) Fließgrenzen bis 690 MPa eingesetzt. Zur verbesserten Ausnutzung des Tragfähigkeitspotenzials geschweißter Profile aus diesen Stählen existieren keine geeigneten Modelle zur Erfassung der schweißfertigungsbedingten Eigenspannungen an realen Komponenten. Diese Daten werden durch konservative Annahmen angenähert. Die potentielle Tragfähigkeit geschweißter Konstruktionen wird daher in der Regel unterschätzt. Die Eigenspannungsannahmen in DIN EN 1993 basieren auf starken Vereinfachungen, bspw. im Rahmen sog. „Ersatzstabnachweise“. Diese setzen die Proportionalität der Eigenspannungsamplituden zur Fließgrenze voraus. Vergleichsrechnungen mit einem parametrisierten Eigenspannungsmodell zeigten mögliche Abweichungen in den berechneten Tragfähigkeiten über mehrere Knicklinien. Die Festlegungen hinsichtlich der anzuwendenden Knicklinie beeinflussen jedoch die Blechdicken und somit in erheblichem Maße auch die Fertigungskosten.
Als Optimierungsstrategie wurden in diesem Forschungsprojekt deswegen unterschiedliche anwendungsorientierte Modellansätze entwickelt, welche mithilfe nichtlinearer Traglastberechnungen, die höhere Ausnutzung von Tragfähigkeitsreserven ermöglichen sollen.
Forschungsziel war somit primär die Entwicklung und Bereitstellung entsprechender Berechnungsansätze. Experimentell wurde hierzu der Eigenspannungszustand von konventionell geschweißten Strukturen am Beispiel der im Stahlbau besonders häufig verwendeten I-Träger aus zwei gängigen Baustählen, einem unlegierten Baustahl S355J2+N und einem Feinkornbaustahl S690QL, erfasst und durch numerische Schweißstruktursimulationen ergänzt. Anschließend erfolgte die Ableitung eines vereinfachten Berechnungsmodells zur weiteren Berücksichtigung in nichtlinearen Tragfähigkeitsberechnungen. Die Erkenntnisse sollen in einen entsprechenden Anwenderleitfaden, herausgegeben durch das Technical Committee 8 der Europäischen Konvention für Stahlbau, einfließen und diesbezüglich als Orientierung einer möglichen zukünftigen Anpassung der Knicklinien in DIN EN 1993-1-1 dienen.
Im Projekt wurden die genannten Stähle in zwei typischen Dickenkombinationen von 25/15 mm und 20/10 mm (Gurt- und Stegbleche) zu Großprobekörpern „I-Träger“ unter industrienahen Fertigungsbedingungen mittels Metall-Aktivgasschweißen gefügt. Diese erzeugten die typischen Eigenspannungen, die in solchen Trägern nach der Fertigung vorliegen. Während des Schweißens wurden die Temperaturfelder durch Thermoelemente aufgezeichnet. Die Eigenspannungen wurden nach dem Schweißen experimentell durch eine Kombination aus mechanischem Zerlegen (Zerlegemethode) und anschließender mobiler Röntgendiffraktometrie (XRD) festgestellt. Der Einfluss der industriell üblichen Brennschnittkantenvorbereitung der Bleche auf die finalen
Eigenspannungszustände wurde experimentell zusätzlich an kleinmaßstäblichen Proben untersucht. Metallographische Analysen (Schliffbilder und Härtemessungen) komplettierten das experimentelle Programm der FE 2 (BAM, Berlin).
Die Ergebnisse zeigten, dass beim mechanischen Zerlegen bereits ein Großteil der Eigenspannungen herausgelöst wurde. Eine Aussage zu den nahtnahen Zugeigenspannungen war allerdings erst durch die Überlagerung mit der XRD möglich. Dabei zeigte der S690QL überwiegend ein besseres Verhalten als der S355J2+N, welches sich unter anderem in abgesenkten Zugeigenspannungen im Verhältnis zur jeweiligen Fließgrenze äußerte. Die maximalen Eigenspannungen wurden dabei zumeist in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der Schweißnaht gemessen, unabhängig von der eingebrachten Streckenenergie oder der Festigkeit des Grundwerkstoffs. Die baupraktische Annahme, dass die maximalen Eigenspannungen in Höhe der Fließgrenze vorliegen können, wurde nur in Einzelfällen und nur für den S355J2+N bestätigt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten für die Druckeigenspannungen ebenfalls reduzierte relative Eigenspannungswerte des S690QL. Dies zeigt die notwendige weitere Optimierung bei der Wahl der Bewertungsansätze für Eigenspannungen auf die Tragfähigkeit.
Die erzeugten Messwerte dienten im weiteren Verlauf als Eingangswerte für die Modellentwicklung und die numerischen Simulationen an I-Trägern durch die FE 1 (LSH, Cottbus). Die numerischen Schweißsimulationen erfolgten in Simufact.Welding® für die Simulationsmodelle mit „klassischem“ Schweißsimulationsansatz sowie in Ansys® für vereinfachte Simulationen und Näherungsansätze. Die Modelle lieferten insgesamt vergleichbare Ergebnisse für die Längseigenspannungen mit teils jedoch erheblichen Unterschieden in den Rechenzeiten. Durch eine angepasste Vernetzung konnte die Rechenzeit in allen Fällen deutlich reduziert werden. Aufgrund der verwendeten Bauteilgrößen ist die Anwendung der Modellierung mit Volumenelementen allerdings meistens nicht praktikabel. Für typische Trägerschweißungen bieten stattdessen Querschnittsmodelle mit der Annahme eines verallgemeinerten ebenen Verzerrungszustands eine mögliche Alternative. Der Abgleich der Ergebnisse mit den Experimenten lieferte zusammenfassend überwiegend gute bis befriedigende Übereinstimmungen. Die experimentell festgestellten Tendenzen wurden dabei in allen Fällen richtig vorhergesagt.
Eine umfassende Bewertung der erzielbaren Genauigkeiten war bisher nicht möglich. Dies lag einerseits daran, dass die Datendichte der mit der durch die Zerlegung gewonnen Ergebnisse gering war. Anderseits lieferten die überlagerten Ergebnisse mit der XRD in Teilen, insbesondere in den interessierenden Druckbereichen, widersprüchliche Aussagen zum Eigenspannungseinfluss, was bisher nicht abschließend geklärt werden konnte. Darüber hinaus entstanden etwaige Abweichungen in den Simulationen auch durch die zugrunde gelegten Materialdaten selbst. Diese entsprachen Standarddatensätzen aus Materialbibliotheken. Die Skalierung dieser erfolgte gleichmäßig über den gesamten Temperaturbereich. Insbesondere für den S690QL existierten zu wenige belastbare Materialkennwerte.
Entsprechende Versuche konnten im Rahmen dieses Vorhabens nicht mit durchgeführt werden.
Dennoch konnten hinsichtlich eines vereinfachten Berechnungsvorgehens zur Berücksichtigung der Schweißeigenspannungen in Tragfähigkeitsberechnungen einige wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Auf Basis der in den numerischen Schweißsimulationsmodellen ermittelten plastischen Dehnungsmuster, auch „Eigenspannungsquellen“, wurde eine vereinfachte Simulationsvorgehensweise vorgeschlagen und verifiziert. Die dabei eingeführten Vereinfachungen wurden im Hinblick auf die Berechnung ausschließlich der plastischen Längsdehnungen bzw. der Längseigenspannungen gewählt. Die Anwendbarkeit ist daher auf ausreichend lange Schweißträger mit Längsnähten beschränkt. Einige Modellmodifikationen zur weiteren Vereinfachung bzw. Modellimplementierung in die strukturmechanische Berechnung an großen Komponenten wurden vorgestellt. Abschließend erfolgt die Einstufung in eine mögliche Knicklinie auf Basis eines mittels GMNIA (geometrisch und materiell nichtlineare Analyse mit Imperfektionen) Berechnungen simulierten Streubands der Tragfähigkeiten mittels Abaqus® und Ansys®. Die anfängliche Hypothese einer günstigeren Knicklinie eines S690QL im Vergleich zum S355J2+N wurde dabei rechnerisch bestätigt. Der experimentelle Nachweis mittels entsprechender Trägerfähigkeitsversuche ist allerdings noch ausstehend.
Carrier gas hot extraction (CGHE) is a commonly applied technique for determination of hydrogen in welded joints using a thermal conductivity device (TCD) for quantitative measurement. The CGHE is based on the accelerated hydrogen effusion due to thermal activation at elevated temperatures. The ISO 3690 standard suggests different specimen geometries as well as necessary minimum extraction time vs. temperature. They have the biggest influence on precise hydrogen determination. The present study summarizes the results and experience of numerous test runs with different specimen temperatures, geometries and factors that additionally influence hydrogen determination. They are namely: specimen surface (polished/as-welded), limited TCD sensitivity vs. specimen volume, temperature measurement vs. effects of PID-furnace controller as well as errors due to insufficient data assessment. Summarized, the temperature is the driving force of the CGHE. Two different methods are suggested to increase the heating rate up the reach the desired extraction temperature without changing the experimental equipment. Suggestions are made to improve the reliability of hydrogen determination depended on the hydrogen signal stability during extraction accompanied by evaluation of the recorded data. Generally, independent temperature measurement with calibration specimens is useful for further data analysis, especially if this data is used for calculation of trapping kinetics by thermal desorption analysis (TDA).
A common approach to describe hydrogen traps is by their activation energy that is necessary to release hydrogen from the trap. In the present study, Cr-Mo-V steel T24 (7CrMoVTiB10-10) base material and TIG weld metal were investigated. Electrochemically hydrogen charged specimens were analyzed by thermal desorption analysis (TDA) with different linear heating rates. The results show two different effects. At first, the microstructure effect on trapping is evident in terms of higher hydrogen concentrations in the weld metal and increased activation energy for hydrogen release. Secondly, it is necessary to monitor the real specimen temperature. A comparison between the adjusted heating rate and the real specimen temperature shows that the calculated activation energy varies by factor two. Thus, the trap character in case of the base material changes to irreversible at decreased temperature. Hence, the effect of the experimental procedure must be considered as well if evaluating TDA results.
Hydrogen absorption and diffusion in T24 steel weld joints and effect on mechanical properties
(2018)
The present contribution summarizes results obtained from experiments with low-alloyed boiler steel grades T24 (CrMoV alloy), T22 (CrMo) and thermally simulated T24 HAZ microstructure and pure weld metal. The hydrogen absorption and diffusion behavior was investigated by permeation experiments and thermal desorption analysis (TDA). The results showed significant weld microstructure influence on diffusion by hydrogen trapping. Trapped hydrogen was determined in the T24 BM at temperatures up to 120 °C compared to 75 °C in the T22. In addition, the T24 HAZ showed decreased diffusion coefficients (at room temperature) of approximately one magnitude compared to the BM. For the mechanical properties, tensile tests were conducted with electrochemically hydrogen charged specimens and compared to results obtained from slow strain rate tests (SSRT) in high-temperature water up to 200 °C. The as-welded HAZ had remarkably increased susceptibility compared to the BM already at low hydrogen concentration of 1-2 ppm. The SSRT were conducted for free corrosion and acidic environment and confirmed this behavior at elevated temperatures for both HAZ microstructures of T24 and T22. Summarized, each weld microstructure has specific diffusion coefficients and shows different susceptibility to degradation of the mechanical properties, i.e. delayed hydrogen assisted cracking or stress corrosion cracking.
Hydrogen absorption and diffusion in T24 steel weld joints and effect on mechanical properties
(2018)
The present contribution summarizes results obtained from experiments with low-alloyed boiler steel grades T24 (CrMoV alloy), T22 (CrMo) and thermally simulated T24 HAZ microstructure and pure weld metal. The hydrogen absorption and diffusion behavior was investigated by permeation experiments and thermal desorption analysis (TDA). The results showed significant weld microstructure influence on diffusion by hydrogen trapping. Trapped hydrogen was determined in the T24 BM at temperatures up to 120 °C compared to 75 °C in the T22. In addition, the T24 HAZ showed decreased diffusion coefficients (at room temperature) of approximately one magnitude compared to the BM. For the mechanical properties, tensile tests were conducted with electrochemically hydrogen charged specimens and compared to results obtained from slow strain rate tests (SSRT) in high-temperature water up to 200 °C. The as-welded HAZ had remarkably increased susceptibility compared to the BM already at low hydrogen concentration of 1-2 ppm. The SSRT were conducted for free corrosion and acidic environment and confirmed this behavior at elevated temperatures for both HAZ microstructures of T24 and T22. Summarized, each weld microstructure has specific diffusion coefficients and shows different susceptibility to degradation of the mechanical properties, i.e. delayed hydrogen assisted cracking or stress corrosion cracking.
Submerged arc welded (SAW) components of creep-resistant low-alloyed Cr-Mo-V steels are used for thick-walled heavy petrochemical reactors (wall-thickness up to 475 mm) as well as employed in construction of modern high-efficient fossil fired power plants. These large components are accompanied by significant restraints during welding fabrication, especially at positions of different thicknesses like welding of nozzles. As a result, residual stresses occur, playing a domi-nant role concerning so-called stress relief cracking (SRC) typically during post weld heat treat-ment (PWHT). Besides specific metallurgical factors (like secondary hardening due to re-precipitation), high tensile residual stresses are a considerable influence factor on SRC. For the assessment of SRC susceptibility of certain materials mostly mechanical tests are applied which are isolated from the welding process. Conclusions regarding the influence of mechanical factors are rare so far. The present research follows an approach to reproduce loads, which occur during welding of real thick-walled components scaled to laboratory conditions by using tests designed on different measures. A large-scale slit specimen giving a high restraint in 3 dimensions by high stiffness was compared to a medium-scale multi-pass welding U-profile specimen showing a high degree of restraint in longitudinal direction and a small-scale TIG-re-melted specimen. The small-scale specimens were additionally subjected to mechanical bending to induce loads that are found during fabrication on the real-scale in heavy components. Results show for all three cases compa-rable high tensile residual stresses up to yield strength with high gradients in the weld metal and the heat affected zone. Those high tensile stresses can be significant for cracking during further PWHT.
Die Energiewirtschaft ist bereits jetzt in massivem Umbruch. Herausforderungen der Energiewende sind u.a. die Einbindung von regenerativen Energiequellen und deren Speicherung. Dieses stellt auch die Fügetechnik, als zentrale Produktionstechnologie für die Komponentenfertigung, vor neue Aufgaben. Der Vortrag gibt zu ausgewählten Themen einen kurzen Überblick.
9 %-Cr steel P91 is widely used in power plants due to the excellent creep-resistance. Components of this steel are typically welded and demand for careful welding fabrication, whereas a so-called post weld heat treatment (PWHT), must be conducted to increase the toughness and decrease the hardness of the martensitic as-welded (AW) microstructure. Before the PWHT, a hydrogen removal (or dehydrogenation) heat treatment is necessary as hardened AW martensitic microstructure is generally prone to delayed hydrogen assisted cracking (HAC). The microstructure and temperature dependent hydrogen diffusion is an important issue as it determines how long a potential crack-critical hydrogen concentration could remain in the microstructure. In this context, reliable hydrogen diffusion coefficients of P91 weld metal are rare. Hence, the diffusion behavior of P91 multi-layer weld metal was investigated in two different microstructure conditions: AW and further PWHT (760 °C for 4 h). Two different experimental techniques were used to cover a wide range of hydrogen diffusion temperatures: the electrochemical permeation technique (PT) at room temperature and the carrier gas hot extraction (CGHE) for a temperature range from 100 to 400 °C. From both techniques typical hydrogen diffusion coefficients were calculated and the corresponding hydrogen concentration was measured. It was ascertained that both heat treatment conditions show significant differences in hydrogen diffusivity. The biggest deviations were identified for room temperature. In this case, the AW condition shows significant hydrogen trapping and up to seven times lower diffusion coefficients. Additionally, PT investigations showed a preferred diffusion direction of hydrogen in the weld metal expressed by the diffusion coefficients and the permeability for both heat treatment conditions. The CGHE generally revealed lower diffusion coefficients for the AW microstructure up to 200 °C. In addition, the AW condition showed hydrogen concentrations up to 50 ml/100 g (considering electrochemical charging). Nonetheless, this hydrogen was not permanently (reversibly) trapped. Nonetheless, this temperature is approximately 100 °C below recommended dehydrogenation heat treatment (DHT). This has two main consequences: (I) in case of welding is interrupted or no DHT is conducted, a HAC susceptibility of hardened martensitic P91 weld metal cannot be excluded and (II) DHT can be conducted at temperatures around 200 °C below the recommended temperatures.
Hydrogen was once called “the versatile embrittler” [1], which summarizes very well the effect on reduction of ductility and/or toughness in technical alloys like steel. In that connection, welding is one of the most important component fabrication technologies. During welding, hydrogen can be transferred to the weld pool from manifold sources (like contaminations, residuals at the surface, etc.). As hydrogen embrittles a material, the safety of welded components with hydrogen is always a critical issue. Weld heat input causes additional changes in the microstructure like grain growth or partial dissolution of precipitates and many more. All these things influence the mechanical properties and also represent hydrogen traps. These traps decrease the hydrogen diffusion compared to the ideal lattice. The result can be so-called delayed hydrogen assisted cracking (HAC) of the weld joint due to the significantly decreased diffusivity by trapped hydrogen. This is often an underestimated risk as those cracks can appear in the weld joint even after some days!
It is essential to know about hydrogen ingress during welding and the microstructure specific hydrogen diffusion. Both are depended on weld parameter influence and the chemical composition of the base material and weld metal. For that purpose, gas analytic methods like solid-state carrier gas hot extraction (CGHE) are useful tools to: (1) identify detrimental hydrogen concentrations from weld joints, (2) binding energies from hydrogen traps by thermal desorption analysis or (3) high-temperature diffusion coefficients. Those values are extremely important for welding practice in terms of recommendations on realistic hydrogen removal heat treatment (HRHT) after welding. Considering the increasing use of “digital” experiments, the data is also needed for reliable numerical simulations of HAC process or HRHT-effectiveness.
The present contribution gives an overview on the influence of hydrogen on weld joints, the necessity, methods and standards for hydrogen determination (CGHE) with the aim of fabrication of safe welded and crack-free components.
[1] R. A. Oriani (1987), Corrosion 43(7):390-397. doi: 10.5006/1.3583875