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Effect of weld penetration depth on hydrogen-assisted cracking of high-strength structural steels
(2019)
The need for steels with highest mechanical properties is a result of the increasing demands for energy and resource efficiency. In this context, high-strength structural (HSS) steels are used in machine, steel and crane construction with yield strength up to 960 MPa. However, welding of HSS steels requires profound knowledge of three factors in terms of avoidance of hydrogen-assisted cracking (HAC): the interaction of (1) microstructure, (2) local stress/strain and (3) local hydrogen concentration. In addition to the three main factors, the used weld-arc process is also important for the performance of the welded joint, especially when using modern arc variants. In the past, the conventional transitional arc process (Conv. A) was mainly used for welding of HSS grades. In the past decade, the so-called modified spray arc process (Mod. SA) has been used increasingly for welding production. This modified process enables reduced seam opening angles with increased deposition rates compared to the conventional process. Economic benefits of using this arc type are: a reduced number of necessary weld beads and a lower weld seam volume, which result in decreased total welding time and costs. Nonetheless, investigations on a high-strength S960QL showed significantly higher hydrogen concentrations in the weld metal at a reduced seam opening angle with Mod. SA. This indicates an increased susceptibility of the welded component to HAC. Hence, existing recommendations on HAC-avoidance cannot be transferred directly to the Mod. SA-process. In the present study, the susceptibility to HAC of the HSS steel S960QL with same type of filler material was investigated. For that purpose, both Conv. A and Mod. SA were used with same heat input at different deposition rates. For assessment of the HAC susceptibility, the externally loaded implant test was used. Both conducted test series with Conv. A and Mod. SA showed similar crack critical stress of about 280 MPa. Below this value, no delayed fracture appeared. The welds with Mod. SA showed higher hydrogen concentrations. The fracture occurred in the heat-affected zone (HAZ) or in the weld metal (WM). However, the test series with Mod. SA showed a significant extension of the time to failure of several hours compared to tests carried out with Conv. A.
The need for steels with highest mechanical properties is a result of the increasing demands for energy and resource efficiency. In this context, high-strength low-alloyed (HSLA) structural steels are used in machine, steel and crane construction with yield strength up to 960 MPa. HSLA steels enable lightweight construction by thinner necessary plate thickness. However, welding of HSLA steels requires profound knowledge of three factors in terms of avoidance of hydrogen-assisted cracking (HAC): the interaction of (1) microstructure, (2) local stress/strain and (3) local hydrogen concentration. In addition to the three main factors, the used weld-arc process is also important for the performance of the welded joint, especially when using modern arc variants. In the past, the conventional transitional arc process (Conv. A) was mainly used for welding of HSLA grades. In the past decade, the so-called modified spray arc process (Mod. SA) was increasingly used for welding production. This modified arc enables reduced seam opening angles with increased deposition rates compared to the conventional process. Economic benefits of using this arc type are: a reduced number of necessary weld beads and a lower weld seam volume, which result in decreased total welding time and costs. Nonetheless, investigations on a high-strength S960QL showed significantly higher hydrogen concentrations in the weld metal at a reduced seam opening angle with Mod. SA. This indicates an increased risk for the susceptibility of the welded component to HAC. Hence, existing recommendations on HAC-avoidance cannot be transferred directly to the Mod. SA-process.
In the present study, the susceptibility to HAC of the HSLA steel S960QL with same type of filler material was investigated. For that purpose, both Conv. A and Mod. SA were used with same weld heat input at different deposition rates. For assessment of the HAC susceptibility, the externally loaded Implant-test was used. Both conducted test series with Conv. A and Mod. SA showed similar crack critical stress of about 280 MPa. Below this value, no delayed fracture appeared. The welds with Mod. SA showed higher hydrogen concentrations. The fracture occurred in the heat-affected zone (HAZ) or in the weld metal (WM). But in all specimens, cracks initiated at the notch root of the spiral notch of the implants within the coarse-grained HAZ. However, the test series with Mod. SA showed a significant extension of the time-to-failure of several hours compared to tests carried out with Conv. A. The reason is the deeper weld penetration in case of Mod. SA, which causes longer diffusion path for hydrogen. The fracture topography of the ruptured implant specimens with Conv. A was typical ductile in specimen center and quasi-cleavage like at the edge of the specimens. When using Mod. SA, the topography changed to primarily quasi-cleavage fracture topography with shares of intergranular fracture and secondary crack appearance.
Carrier gas hot extraction (CGHE) is a commonly applied technique for determination of hydrogen in weld joints using a thermal conductivity detector (TCD) for hydrogen 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 (ISO 3690 type B and small cylindrical samples), 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 PI-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 to 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 dummy specimens is useful for further data analysis, especially if this data is used for calculation of trapping kinetics by thermal desorption analysis (TDA).
Neutron cameras allow visualizing hydrogen distributions with radiographic or tomographic imaging methods in iron (and steel) and many other metals. The necessary contrast between hydrogen and these metals stems from the high difference in the total neutron cross section of both elements. This allows, e.g., the in situ measurement of hydrogen mass flow inside cm thick metal samples with a temporal resolution of at best 10 s using neutron radiography as well as the quantitative measurement of hydrogen accumulations, e.g., at the crack’s inner surfaces in hydrogen embrittled iron samples with neutron tomography. This new quality of the information on a micrometer scale allows new insights for the analysis of hydrogen-assisted damage mechanisms. Further, this method is non-destructive and provides local information in situ and in three dimensions with a spatial resolution of 20 μm - 30 μm. In this contribution, we give a short historical overview of neutron imaging and show examples that demonstrate the spatial and temporal resolution of the neutron radiography and tomography methods in order to visualize and quantify hydrogen accumulations, absorption processes, and diffusion. The examples are taken from the works of researchers dealing with titanium, palladium, zirconium, and iron or steel. More detailed descriptions of the experimental and analytic procedures are given for hydrogen detection using radiography and tomography on iron and steel samples.
High-strength low-alloyed (HSLA) steels with yield strength ≥ 690 MPa are gaining popularity in civil engineering and construction of heavy vehicles. With increasing yield strength, the susceptibility for degradation of the mechanical properties in the presence of diffusible hydrogen, i.e., hydrogen-assisted cracking (HAC), generally increases. HAC is a result of the critical interaction between local microstructure, mechanical load, and hydrogen concentration. In existing standards for welding of HSLA-steels, recommendations including working temperatures and dehydrogenation heat treatment (DHT) are given to Limit the amount of introduced hydrogen during welding. These recommendations are based on investigations into conventional arc welding processes. In the past decade, modern weld technologies were developed to enable welding of narrower weld seams with V-grooves of 30°, e.g., the modified spray arc process. In that connection, a reduced number of weld runs and weld volume are important technical and, economic benefits. In the present study, the hydrogen distribution in S960QL multi-layer welds with thickness of 20 mm was analyzed. The influence of different weld seam opening angles, heat input, working temperature and DHT were investigated. The results show that weldments with narrow grooves contained an increased amount of diffusible hydrogen. Hydrogen concentration has been reduced by decreasing both the heat input and working temperature. Hydrogen-free weldments were only achieved via subsequent DHT after welding. Furthermore, hydrogen distribution was experimentally determined across the weld seam thickness in HSLA gas metal arc welded multi-layer welds for the first time.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Kaltrissprüfung hochfester Feinkornbaustähle beim Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen
(2019)
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis zu 1300 MPa. Um darüber hinaus Schweißzeit, Schweißnahtvolumina und Schweißkosten zu minimieren, kam es zur Entwicklung moderner Lichtbogenprozesse mit erhöhter Abschmelzleistung, wie bspw. dem modifizierten Sprühlichtbogen (mod. SLB). Dieser Beitrag zeigt Kaltrissuntersuchungen beim Einsatz des mod. SLB unter reduziertem Nahtöffnungswinkel eines Hochfesten S960QL. Mit Hilfe des fremdbeanspruchten Implant-Tests konnte dargelegt werden, dass durch die erhöhte Abschmelzleistung ein tieferes Einbrandprofil entsteht und es dadurch zu einer zeitverzögerten Rissbildung kommt. Ergebnisse des selbstbeanspruchenden TEKKEN-Tests zeigen eine deutliche Rissbildung im Schweißgut unter reduziertem Nahtöffnungswinkel. Durch eine Nachwärmung unmittelbar nach dem Schweißen kann diese Rissbildung minimiert werden.
Kaltrissprüfung hochfester Feinkornbaustähle beim Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen
(2019)
Sind in Stahlkonstruktionen hohe Tragfähigkeiten bei geringem Eigengewicht gefordert, finden hochfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ≥ 960 MPa Anwendung. In der Vergangenheit wurde der konventionelle Übergangslichtbogen (Konv. LB) zur schweißtechnischen Fertigung von hochfesten Stählen eingesetzt. In den letzten Jahren wurde der modifizierte Sprühlichtbogen (Mod. SLB) entwickelt, welcher reduzierte Nahtöffnungswinkel bei erhöhter Abschmelzleistung ermöglicht. Jedoch treten höhere Wasserstoffkonzentrationen verbunden mit Mikro-(Kalt-)rissen unter reduziertem Nahtöffnungswinkel mit Mod. SLB auf. In diesem Beitrag wird die Kaltrissempfindlichkeit des hochfesten Feinkornbaustahles S960QL mit artgleichem Schweißzusatzwerkstoff untersucht.
Der Implant-Test nach ISO 17642-3 gehört zur Gruppe der fremdbeanspruchten Kaltrisstests, bei dem eine äußere Beanspruchung auf einen zylindrischen Stab (Implant-Probe) definiert aufgebracht wird. Mit dieser Kaltrissprüfung wurde vergleichende Analysen zur Kaltrissempfindlichkeit der modernen hochfesten Feinkornbaustähle S960MC und S960QL durchgeführt.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.