Innovative low transformation temperature (LTT) welding filler materials are featuring a characteristic chemical composition which favors the formation of martensite at comparatively low temperatures. This permits deliberate adjustment of welding residual stresses. Even though numerous investigations can be found in the literature on this issue, they provide only little insight into the interaction between phase transformation and resulting welding residual stresses. For this purpose, a component weld test was performed in a special large-scale testing facility. The results illustrate that the desired residual stress control by using LTT alloys is actually feasible. With increasing shrinkage restraint, however, higher tensile residual stresses are formed in transverse direction of the weld. By contrast, the residual stress level in longitudinal weld direction is nearly independent of the restraint conditions. On-line stress analysis revealed that the amount of stress reduction during cooling of the individual weld runs is dependent on the weld volume undergoing phase transformation. Overall, evidence was furnished that the approach of residual stress engineering by LTT alloys is suitable even in the case of large-scale multilayer welding.
The results reported in this research study are part of a larger EU RFCS (Research Fund for Coal and Steel) project where the aim is to study the fatigue behavior of improved welds in high strength steels by utilizing different improvement techniques. In this particular study LTT (Low Transformation Temperature) weld filler material have been investigated and their possibility to improve the fatigue strength. The characteristic of these filler material is that they undergo phase transformation at temperature close to room temperature which will reduce the tensile residual stress in the weld and in some cases result in compressive residual stresses. Two different LTT alloy compositions have been developed, with different Ms (Martensite Start) temperatures in order to study the amount of tensile/compressive residual stresses produced by these wires. Welding residual stress measurements were carried out by X-ray diffraction technique. Plates with welded longitudinal attachments were fabricated in 700 MPa and 960 MPa steel grades using different LTT filler materials. These specimens were fatigue tested in constant and variable amplitude loading and the fatigue test results were compared with results from specimen welded with conventional weld filler material.
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.
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.
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 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.