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Today’s light weight design trends lead to a growing application of high-strength structural steels (yield strength ≥ 690 MPa). The mechanical properties of the weld and the component safety have to meet the increased requirements of these steel grades. However, high residual stresses in welded components are detrimental to their safety and integrity. Analyses concerning weld stresses in high-strength steels welded under component related restraint conditions revealed that heat control significantly affects global and local stresses. This occurs especially in highly restrained joints due to superimposing local and global stresses and may cause crack-critical stress-levels. In this study weld tests were performed with plates of high-strength steel in a special test facility. The experimental setup allowed transferring defined restraint conditions to the test welds similarly to real components. Temperature and reaction forces due to restraint were observed online while welding and cooling of multilayer-component MAG-welds. Mobile X-ray diffraction was used for local stress determination in the weld seam areas of the restrained specimens. It was found that interpass temperature has a major influence on the local and global welding forces and stresses. Thus, among the analysed results especially transverse residual stresses of the heat affected zone were strongly affected.
Große Materialstärken und komplexe Strukturen bewirken eine erhebliche Schrumpfbehinderung der Schweißnaht.
Die aus dem Schweißprozess resultierenden multiaxialen Belastungen tragen maßgeblich zur Gesamteigenbeanspruchung einer Schweißkonstruktion bei und lassen sich nur unter realen Fertigungsbedingungen analysieren.
Zur wirklichkeitsnahen Simulation der komplexen Steifigkeitsverhältnisse realer Bauteile wurden hierzu in einer speziellen 3D-Prüfanlage UP-Mehrlagenschweißungen am warmfesten Stahl 13CrMoV9-10 durchgeführt. Während der schweißtechnischen Fertigung sowie der Abkühlung auf Raumtemperatur wurden die Proben an der freien Ausdehnung und Schrumpfung gehindert. Der Einfluss der Wärmeführung, d.h. Streckenenergie (E) und Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur (T(Pli>), auf die resultierende Bauteilbeanspruchung wurde durch in-situ Messungen der Reaktionskräfte (Fy) und Biegemomente (Mx) während des Schweißens und der anschließenden Wasserstoffarmglühung untersucht. Sowohl die Reaktionskräfte als auch die Biegemomente steigen mit zunehmender Vorwärmtemperatur an und somit erhöht sich die Beanspruchung des Wurzelbereiches. Während die Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur einen signifikanten Einfluss auf die resultierenden Reaktionskräfte hat, ist der Einfluss auf die Biegemomente nach Abkühlung auf Raumtemperatur vernachlässigbar. Eine Erhöhung der Streckenenergie wirkt sich nur geringfügig auf die Höhe der Endreaktionskraft aus, beeinflusst aber signifikant das resultierende Biegemoment nach erfolgter Abkühlung auf Raumtemperatur.
Die experimentelle Spannungsanalyse dient einerseits zur Ermittlung von Materialeigenschaften, andererseits erlangt sie gerade für die wirtschaftliche Auslegung und die Integrität von geschweißten Komponenten zunehmend an Bedeutung.
Da die Höhe und Veränderung von Bauteilbeanspruchungen und deren Auswirkung auf die Sicherheit von einer Vielzahl und sich überlagernder werkstofflicher, mechanischer und thermischer Einflussfaktoren (Steifigkeitsverhältnisse, Fertigungsprozesse, Lastwechsel) abhängt, sind fertigungs- bzw. betriebsbegleitende Messungen von mechanisch und thermisch bedingten Dehnungen und daraus ermittelten Spannungen oftmals unumgänglich.
In geschweißten Komponenten sind oft komplexe Spannungs- bzw. Eigenspannungsverteilungen in den verschiedenen Raumrichtungen vorhanden. In Abhängigkeit vom anzusetzenden Tragfähigkeitsnachweis bzw. Berechnungskonzept des Tragwerkes sind sowohl experimentelle Methoden mit hoher Ortsauflösung (lokale Messungen) als auch mehrdimensionale Analysen über weite Bereiche des Bauteils (globale Messungen) von Dehnungen und Spannungen notwendig.
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.
Hydrogen embrittlement (HE) is a widely known phenomenon and under investigation already for more than a century. This phenomenon, though thoroughly studied, is not yet completely understood, and so far, there are several suggested mechanisms that try to explain the occurrence of HE. One important factor of understanding the HE phenomenon and predicting hydrogen-assisted failure is the descent knowledge about the hydrogen transport behaviour in the material. Neutron radiography is a proven method for tracking hydrogen diffusion and it was applied successfully in various research studies. In the presented study, we examined the hydrogen effusion behaviour in duplex stainless steel by means of neutron radiography and calculated the effective diffusion coefficient from the obtained transmission images.
High strength structural steels are susceptible to hydrogen embrittlement. A critical combination of stress, amount of diffusible hydrogen and microstructure is believed to cause cold cracking. Especially during welding of high strength structural steels high tensile residual stresses may develop. Therefore, a feasibility study was conducted using synchrotron X-ray diffraction in order to analyze the stress–strain behavior during tensile loading. For that purpose two types of steel showing different hardening mechanisms were used. On the one hand a thermo-mechanically treated S1100MC and on the other hand a quenched and tempered S1300Q were chosen. The samples were electrochemically charged with hydrogen and subsequently stored in liquid nitrogen to prevent effusion. Tensile tests of the samples were conducted in a special load frame allowing for tilting the samples while applying constant loads. High energy synchrotron radiation was used for energy dispersive X-ray diffraction (EDXRD) analysis in transmission geometry. This method offers the possibility for measuring several diffraction lines of all contributing crystalline phases of the material. Strains as well as stresses applying the sin²ψ-method were determined for varying load situations. This feasibility study shows how the interaction of hydrogen and the stress/strain response may be assessed by diffraction methods. Examples are presented showing that hydrogen alters the load distribution as well as the strain behavior between different lattice planes in high strength steels.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The increased utilisation of higher-strength steels and filler materials necessitates more profound understanding of the connections between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weld and its surroundings. Strategies which help to improve the strength properties and service lives of welded structures to such an extent that the utilisation of higher-strength materials can be justified and their lightweight construction potential can thus be exploited to the full can only be derived from the interaction between all the influencing factors. Examples of a few investigations on welded joints between higher- strength fine-grained structural steels with regard to the interactions between the main variables influencing the cold cracking are presented in this article.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ablelten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.
Aus wirtschaftlichen, konstruktiven sowie ästhetischen Aspekten werden moderne Stahlbaukonstruktionen immer schlanker und leichter ausgeführt. Dazu werden zunehmend höherfeste Feinkornbaustähle mit Dehngrenzen von 690 MPa bis 960 MPa in Einzelfällen bis 1100 MPa eingesetzt, Beispiele hierfür sind unter anderem die Dachkonstruktion des Sony-Centers in Berlin sowie Elemente beim Ausleger und die Tragstrukturen von Mobilkranen, die oft aus S960 oder sogar S1100 gefertigt werden, Je nach Ausnutzung der höheren Dehngrenze kann eine Gewichtsreduzierung von 30 % bis 50 % und eine Kostenersparnis von 5 % bis 15 % erreicht werden. Eine Studie der Dillinger Hütte GTS an vergleichenden Unterpulver (UP)-Schweißungen aus verschiedenen höherfesten Stählen verdeutlicht das Einsparungspotential.
In modernen Stahlkonstruktionen werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ab 960 MPa eingesetzt. Die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Stähle wird neben der Erreichung der anforderungsgerechten mechanischen Eigenschaften durch die Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Dabei bedingen hohe Eigenspannungen im Schweißnahtbereich eine Reduzierung der Bauteilsicherheit. Insbesondere bei erhöhter konstruktiver Schrumpfbehinderung können Eigenspannungen risskritisches Niveau erreichen. In einer speziellen 2- MN-Prüfanlage wurden dazu Bauteilschweißversuche mit definierter äußerer Schrumpfbehinderung abgebildet. Während dieser mehrlagigen Schweißversuche war die gleichzeitige Messung von Temperatur und Reaktionskräften beim Schweißen und Abkühlen möglich. Die schweißnahtnahen Eigenspannungen wurden mittels röntgenographischer Eigenspannungsanalyse vor und nach dem Entlasten des Probeblechs in der Prüfanlage ermittelt. Sowohl die globalen als auch die lokalen schweißbedingten Beanspruchungen waren deutlich von der Wärmeführung beeinflusst.-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Modern steel constructions are built increasingly using highstrength fine-grained structural steels with a yield strength of ≥ 960 MPa. The efficient processing of these steels is determined not only by the achievement of the mechanical properties needed but also by the safety requirements of the weld. High stresses in the weld area cause a reduction of the component safety. Residual stresses can reach a critical level at which the material is susceptible to cracking, especially in case of increased constructive restraint. For this purpose, component weld tests with a defined external restraint were reproduced in a special 2-MN-testing facility. During these multi-layer weld tests the simultaneous measurement of the temperature and reaction forces during welding and cooling was possible. The residual stresses of the weld joint area were determined by means of X-ray difraction analysis before and after release of the restraint. The global stresses due to welding as well as the local ones were clearly influenced by the heat control.
The increased application of higher-strength steels and filler materials necessitates more profound understanding of the interaction between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weld and its surroundings. Strategies which help to improve the strength properties and life-time of welded structures to such an extent that the utilisation of higher-strength materials can be justified and their lightweight construction potential can thus be exploited to the full can only be derived from the interaction between all the influencing factors. Examples of a few investigations on welded joints between higher-strength fine-grained structural steels with regard to the interactions between the main variables influencing the cold cracking are presented in this article.
The roles of microalloying niobium, titanium and vanadium for controlling austenite grain growth, microstructure evolution and hardness were investigated at different simulated heat affected zones (HAZ) for high strength low alloy (HSLA) S690QL steel. High resolution FEG-SEM has been used to characterize fine bainitic ferrite, martensite and nanosized second phases at simulated coarse and fine grain HAZs. It was found that for Ti bearing steel (Ti/N ratio is 2) austenite grain had the slowest growth rate due to the presence of most stable TiN. The fine cuboidal particles promoted intragranular acicular ferrite (IGF) formation. Nb bearing steel exhibited relatively weaker grain growth retardation compared with titanium bearing steels and a mixed microstructure of bainite and martensite was present for all simulated HAZs. IGF existed at coarse grain HAZ of Ti+V bearing steel but it was totally replaced by bainite at fine grain HAZs. Hardness result was closely related to the morphology of bainitic ferrite, intragranular ferrite and second phases within ferrite. The microstructure and hardness results of different simulated HAZs were in good agreement with welded experimental results.