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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.
Three high-strength Nb-,.Ti- and Ti+ V-bearing S690QL steels were welded to investigate and compare the effects of microalloy addition on heat-affected zone (HAZ) toughness. Charpy V notch impact tests from three microalloyed welds under different cooling rates have been performed. Fractographic examination shows that several factors, including large-sized grain, upper bainite or hard second phase, interact to determine brittle fracture and impaired toughness in Nb-bearing weld with high heat input. In contrast to this reduced toughness, Ti-bearing welds exhibits satisfied toughness regardless of at fast or slow cooling. This is attributed to its limited austenite grain and refines favorable intragranular acicular ferrite structure. Moreover, in the case of such refined structure as matrix, TiN particles are found to be irrelevant to the facture process. The crystallographic results also confirm that high-angle boundaries between fine ferrites plates provide effective barriers for crack propagation and contribute to improved toughness.
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.
Chemical compositions of a weld can be varying locally as a result of the welding process. These local variations can be due to the vaporization of individual alloying elements. In this work, tungsten inert gas (TIG) bead-on-plate stainless steel welds of EN grade 1.4404 and 1.4435 were investigated using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) on the completed welds. This study aims to reveal the welding parameters’ influence on the resulting local chemical compositions of the stainless steel welds. We demonstrated Mn vaporize before Cr due to its lower latent enthalpy of vaporization. Hence, Mn accumulates on the heat-affected zone (HAZ) both sides across the weld bead by being swept away through the circulation flow of the welding plasma. Additionally, increasing the heat input tends to enhance the accumulated Mn content on the HAZ as well as increasing the shielding gas flow rate. The results are in good agreement with the literature and proved that LIBS is an effective method to inspect completed welds.
Currently, residual stresses in welded HSLA (high strength low alloyed steels) are considerded by simplified “robust” procedures fixed in common standards (such as Eurocode 3). The models are mostly based on specimens from mild steel with lower strength. For HSLA, necessary material data is less available for realistic assessment of the appearing residual stresses in typical I-girders. Hence, the economic benefit of HSLA steels in scope of load bearing capacity cannot fully be exploit. Thus, the scope of this work is the measurement of weld residual stresses in component-like I-girders S355 and S690 by sectioning method and subsequent verification by global structural welding simulation.
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.
Residual stresses are often the cause for cracks in weld constructions. That is why the residual stress level, induced by manufacturing process, plays a crucial role. The present study aims on the effect of multiple repair weld procedures on a high-strength structural steel S690QL. The widespread technology of carbon arc-air gouging was applied. The weld zone and the heat-affected zone (HAZ) were subjected to multiple thermal cycles by gouging and subsequent repair welding. The investigations were focused on the change of the residuals stresses, the impact on the microstructure and the changes for the mechanical properties of the repair welded joint. The residual stresses were determined by X-ray diffraction. The results have shown a significant dependence for the residual stress levels from the repair cycle. In addition, distinctive changes in microstructures and hence mechanical properties occurred. The fusion line of the repair weld and the adjacent HAZ are the most critical areas. This is where the loss of ductility is most pronounced.
The application of high-strength fine-grained structural steels with yield stress ≥ 690 MPa permits significant weight reductions and cost savings. Since welding is the major joining technology, e.g. in mobile crane industry, the sustainable and economical application of these grades depends on the load-bearing capacity and safety of the welds. An economical processing of high-strength steels is determined above all by the avoidance of cold cracking, apart from achieving demand-oriented mechanical properlies in the weid area. High tensile residual stresses are disadvantageaus regarding the cold cracking resistance and strength of welded components. Furthermore, high restraints commonly appearing in component welds increase residual stresses. Hence, in this research the influences of heat control on residual stresses and the overall structural Ioad of welded structures were quantified. The relationship between the weid thermal cycle and the resulting residual stress under additional shrinkage restraint was analysed by a successive augmentation of the restraint intensity. This was achieved by systematic low Ioad and component weid tests. lt was observed that the heat control significantly affects the local residual stresses and the overall structural Ioad of welded structures. A high interpass temperature increases the global and local welding stresses in particular. Moreover, the transferability of experimental welding results obtained from small specimens according to applicable codes to real component geometries was investigated. With the help of these findings it is possible to improve existing heat control concepts for high-strength steel welding.
For the performance of high-strength steel welds by means of load bearing capacity and safety, the information about stress level and distribution due to welding is needed. The interaction between the filler material grade (strength) and heat input on the reaction stresses in high-strength steels, welded under defined restraint conditions were analysed. Butt welds were joined by a multilayer GMAW process in the Instrumented Restraint Cracking test facility (IRC-test). This test facility allowed a defined restraint and, simultaneously, an in-situ analysis of the reaction stresses while welding and cooling. The reaction force build-up of the weld tests showed a significant influence of the used filler materials according to the heat input. Higher strength filler material grades cause a decrease of the welding stresses compared to lower strength grades, if a low heat input is used. The different stress build-up is described in detail for the root welds, filler layers and subsequent cooling to ambient temperature. Residual stresses in the weld, HAZ and base material were measured in loaded and unloaded condition using the incremental hole drilling method.
Bei Schweißkonstruktionen aus modernen Feinkornbaustählen, wie sie beispielsweise im Hochbau, im Anlagenbau und im Kranbau vorkommen, sind aus folgenden Gründen enge Verfahrensgrenzen für die Wärmeführung zu beachten: das spezielle Gefüge und das vergleichsweise hohe Streckgrenzenverhältnis bzw. die geringen plastischen Verformungsreserven. Zum Einstellen der Gefügeeigenschaften sind mit Hilfe von Vorwärm- bzw. Zwischenlagentemperaturen und Streckenenergien die Abkühlzeiten Δt8/5 möglichst exakt einzuhalten Wie beispielsweise in DIN 1011-2 und SEW 088 nachzulesen ist, basieren Prüfverfahren und empirische Ansätze zum Abschätzen von Schweißwärmezyklen auf dem Kohlenstoffäquivalent. Über die bisherigen Laboruntersuchungen zur Entstehung von Eigenspannungen im unmittelbaren Schweißbereich hinaus muss der Einfluss der Wärmeführung im Zusammenhang mit den Steifigkeitsverhältnissen umgebender Montageteile analysiert werden. Numerische und experimentelle Untersuchungen haben z.B. ergeben, dass eine äußere Schrumpfbehinderung in Nahtquerrichtung durch den Einspanngrad RFy bemessen werden kann. Im Rahmen des Fosta-Forschungsprojekts P 922 wurden Versuchsschweißungen im Stumpfstoß mit V-Naht an den Werkstoffen S690QL, S960QL, S700MC und S960MC mit 8 mm und 20 mm Blechdicke und typischen Schweißparametern aus dem Kranbau durchgeführt. Für S690QL mit 20 mm Blechdicke sind die Ergebnisse wie folgt dargestellt: a) Abkühlzeit in Abhängigkeit von Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie, b) mikroskopische Aufnahme des Schweißguts und der Wärmeeinflusszone und c) des Schweißgutgefüges (Abkühlzeit Δt8/5=13 s). Mit einer hydraulischen 2-MN-Prüfanlage wurden Schrumpfbehinderung und gleichzeitig Reaktionskräfte gemessen, während des Vorwärmens, des Schweißens und des Abkühlens. Das Ergebnis zeigt, dass die resultierenden mechanischen Beanspruchungen der gesamten Schweißverbindung erheblich von der Höhe der Schrumpfbehinderung und der Wärmeabführung während des Schweißens abhängig sind.