9 Komponentensicherheit
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LTT-Schweißzusätze (Low Transformation Temperature) mit niedriger Martensitstarttemperatur reduzieren Schweißeigenspannungen in der Schweißnaht sowie in der angrenzenden Wärmeeinflusszone (WEZ). Dies kann zu einer Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit führen. Zur quantitativen Bewertung wurden Längssteifen aus hochfesten Baustahl als Versuchsproben verwendet. An den Stirnseiten wurden zusätzliche LTT-Schweißnähte aufgetragen. Zusätzlich wurden gehämmerte Proben (HFMI) als Vergleich herangezogen. Diese Proben wurden auf Eigenspannungen und Ermüdungsfestigkeit geprüft. In Abhängigkeit von der Nahtausführung und der XRD-bestimmten Eigenspannungen zeigte sich eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von bis 140% im Vergleich zu Referenzproben mit herkömmlichen Schweißzusätzen. Außerdem stellte sich tendenziell eine lineare Abhängigkeit der Ermüdungsfestigkeit zu den Eigenspannungen heraus. LTT-Schweißzusätze sind somit grundsätzlich geeignet, um die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen zu verbessern.
One approach to increase the service life of welded structures is the use of so-called Low Transformation Temperature (LTT) welding consumables. By reducing the martensite start temperature, the volume expansion from the austenite-martensite transformation is efficiently utilized to reduce residual stresses in weld and heat affected zone (HAZ). This article focuses on the use of LTT in transverse stiffeners. Hardness mapping results showed increased hardness in the LTT weld metal. The residual stress analysis in the HAZ using X-ray diffraction indicated a tendency that the LTT filler could reduce the residual stresses in fatigue test direction. Fatigue tests showed a 50% improvement at 2 million cycles when using LTT welding consumables.
Mikrolegierungselemente wie Niob (Nb) und Titan (Ti) spielen eine entscheidende Rolle bei der Einstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften vergüteter hochfester Feinkornbaustähle mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen der chemischen Zusammensetzung definieren für diese Elemente lediglich Obergrenzen und gewähren den Herstellern damit einen gewissen Spielraum. Bereits geringfügige Abweichungen in den Legierungskonzepten können jedoch die resultierenden mechanischen Eigenschaften erheblich beeinflussen. Infolgedessen wird die zuverlässige Vorhersage der Schweißeignung sowie der Integrität geschweißter Verbindungen aufgrund von Zusammensetzungsvariationen und den damit verbundenen mikrostrukturellen Veränderungen erschwert oder sogar unmöglich. Mögliche nachteilige Effekte umfassen eine Aufweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder umgekehrt lokale Aufhärtungsphänomene. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen werden erstmals verschiedene Mikrolegierungsstrategien mit unterschiedlichen Ti- und Nb-Gehalten systematisch anhand speziell hergestellter, im Labor gegossener Legierungen untersucht. Jeder Legierungsansatz basiert auf dem häufig verwendeten Stahl S690QL, wobei eine konsistente chemische Zusammensetzung sowie identische Wärmebehandlungsparameter beibehalten werden.
Zur Bewertung der Schweißeignung wurden dreilagige Schweißverbindungen mittels Metall-Schutzgasschweißen durchgeführt und kritische mikrostrukturelle Bereiche – insbesondere solche innerhalb der Wärmeeinflusszone (WEZ) mit ausgeprägter Aufweichung oder Aufhärtung – identifiziert. Der Einfluss der aufgeweichten WEZ-Bereiche auf das Versagensverhalten wurde durch Querzugversuche untersucht. Zur In-situ-Analyse lokaler Dehnungsverteilungen in verschiedenen WEZ-Regionen wurde die digitale Bildkorrelation (DIC) eingesetzt. Darüber hinaus wurden Kerbschlagbiegeversuche (Charpy) an Grundwerkstoff, Schweißgut und WEZ durchgeführt, um die Kerbschlagzähigkeit zu bestimmen.
S690 steel is increasingly employed in modern steel construction, including building, plant, and mobile crane applications, due to their high strength and weldability. Submerged arc welding (SAW) is commonly used for these thick-walled structures but poses a risk of delayed hydrogen-assisted cold cracking (HACC). The influence of microstructure-dependent diffusion coefficients (DH) on hydrogen accumulation and distribution during welding and cooling remains poorly understood. In this study, the HACC susceptibility of SAW joints of thermomechanically rolled (MC) and quenched and tempered (Q) variants of S690 steel were compared, followed by electrochemical hydrogen permeation tests to determine the microstructure-specific DH. A numerical model was developed to analyze hydrogen diffusion as a function of temperature, time, and microstructure. Results showed that the MC-grade exhibited slightly faster hydrogen diffusion than the Q-grade. However, simulations indicated that higher welding heat input and increased plate thickness had a significantly greater impact on hydrogen retention than microstructure-dependent diffusion effects. These findings suggest that while differences in hydrogen diffusivity exist between S690MC and S690Q, microstructure-specific diffusion plays a minor role in HACC risk. Instead, proper control of welding parameters is crucial for mitigating HACC, particularly in thick-plate, multi-layer SAW joints.
Microalloying elements such as niobium (Nb) and titanium (Ti) play a crucial role in tailoring the mechanical properties of high-strength, quenched and tempered fine-grained structural steels with yield strengths ≥ 690 MPa. While current standards typically specify only upper limits for these elements, different microalloying strategies provide significant flexibility in alloy design. However, even minor variations in Nb and/or Ti content can substantially alter transformation kinetics, precipitation behavior, and tempering response, thereby significantly affecting weldability.
Against this background, the present study investigates the influence of various microalloying strategies (Nb-microalloyed, Ti-microalloyed, and combined Nb+Ti microalloyed concepts) on the development and interpretative value of welding Continuous Cooling Transformation (weld CCT) diagrams for high-strength structural steels, using an S690QL-type alloy concept as a model system. The objective is to assess the extent to which microalloying-induced differences in phase transformation behavior and precipitation dynamics necessitate alloy-specific adaptation of weld CCT diagrams.
Conventional weld CCT diagrams are typically established for single-pass weld simulations and represent the phase transformation behavior for a defined heat input or cooling time (e.g., Δt8/5-time). In practical applications, however, welded joints are predominantly produced using multi-pass welding procedures, resulting in repeated thermal cycling of the heat-affected zone (HAZ). These complex thermal histories significantly modify phase transformation sequences, tempering reactions, and precipitation phenomena compared to single-pass conditions. Consequently, the direct transferability of classical weld CCT diagrams to real multi-pass welding scenarios is limited and must be critically evaluated.
Pipeline steels are widely applicated for long-distance transmission pipelines. However, the welded joints of these steels can be susceptible to hydrogen-assisted cold cracking (HACC) during welding and after cooling especially in the heat-affected zone (HAZ). HACC in welds basically involves a critical combination of local, mutually dependent parameters consisting of: (1) a crack-critical microstructure; (2) sufficiently high mechanical stress; and (3) a diffusible hydrogen concentration (HD). In this context, thick-walled steel weld joints typically involve multi-layer welding with several passes. This leads to an effective, empirically known reduction in the global HD in the weld seam. This reduction is due to the repeated reheating of subsequently welded beads or layers, which reduces the local HD in the individual weld beads or layers. However, this has not yet been adequately quantified or described. Bead-on-plate tests, such as ISO 3690, cannot correctly reproduce the local HD distribution in individual welding passes (and thus, the global HD in the entire seam). Therefore, these tests lead to an extremely conservative evaluation of hydrogen ingress and the potential for "self-reduction" of HD due to increased interpass temperature during multi-layer welding, which has not yet been adequately addressed in the literature. Ideally, the local HD in each pass and the global (average) HD of the multi-layer weld would be known immediately after welding. For this reason, the study proposes an approach to address the local welding pass and layer-dependent, as well as global HD of multi-layer welds via a modified ISO 3690 test. To this end, representative welding parameter combinations for selected practical welding processes (e.g., SAW, GMAW, or SMAW) will be carried out as conventional bead-on-plate samples. These samples will be systematically extended by an increasing number of welding passes. Several sample series with an increasing number of beads or layers will be examined. Additionally, the initial HD is varied by methods such as targeted shielding gas variation (e.g., addition of hydrogen in GMAW) or moistened flux/coating (e.g., SAW/SMAW). Based on experimental data (temperature field measurements during welding and determination of temperature-dependent HD coefficients), a numerical hydrogen diffusion model is created. This model calculates the local HD (in the beads) and the HD across the weld cross-section. Additional variation calculations represent heat transfer conditions that were not recorded experimentally and their influence on HD distribution. Finally, we investigate the potential use of the modified ISO 3690 multi-layer geometry for application cases such as predicting the effectiveness and necessity of hydrogen removal heat treatment procedures for given welding parameter sets. Finally, an international round robin should be initiated once the concept has been successfully confirmed and verified.
Influence of Residual Stresses and Heat Control on Stress Relief Cracking in a CrMoV Steel Mockup
(2026)
Preventing failures in the manufacture or operation of petrochemical reactors made from creep-resistant, low-alloy steels such as 13CrMoV9-10 still requires research, despite over 60 years of investigation into the field of stress relief cracking. Welding this steel grade requires care. This is due to its low toughness and high strength in the as-welded condition if not heat treated after welding, combined with an increased susceptibility to cracking during stress relaxation.
Previous research on cracking has focused on metallurgical factors; little knowledge has been gained on cracking under real-life restraint conditions. In this work,the influence of welding heat control on cracking was investigated by simulating the manufacturing conditions prevailing in the construction of petrochemical reactors using a weld mockup. Cracks formed during post-weld heat treatment in a temperature range between 300 °C and 500 °C. Compared to small scale samples, the toughness of the restrained welds was significantly lower. SEM and TEM analyses of the samples revealed early ageing due to precipitation of carbides during post-weld heat treatment under restraint. An overview of how a comprehensive assessment of the integrity of submerged arc welded CrMoV steels can be achieved is provided.
Das Forschungsvorhaben adressiert eine zentrale Lücke und damit einhergehende Einschränkung für geschweißte hochfeste Werkstoffe in der aktuellen Normung: Die DIN EN ISO 3690 erlaubt ausschließlich die Bestimmung des diffusiblen Wasserstoffs in einlagigen Prüfraupen und bildet damit die realen Bedingungen in mehrlagigen Schweißnähten hochfester Stähle nicht ab. Durch das mehrfache wiederholte Aufwärmen wird die eingebrachte Wasserstoffkonzentration deutlich unter die konservativen, einlagigen Prüfraupen bereits während des Schweißens abgesenkt. Hierzu fehlt jedoch eine einfache, experimentelle Methoden, um die tatsächliche lokale lagenabhängige bzw. globale Wasserstoffverteilung quantifizieren zu können. Das Vorhaben entwickelt daher erstmals eine Versuchsmethodik, der reale Diffusions- und Entgasungsbedingungen von Mehrlagenschweißungen experimentell reproduziert. Dadurch werden die Nachteile der ISO 3690 (einlagige Prüfraupe, konservative Bewertung) aufgehoben und mit dem Hauptvorteil (robuste, einfache Handhabung) kombiniert. Durch gezielte Variation von Wärmeführung, Zwischenlagentemperaturen und Wasserstoffangebot werden lokale und globale Wasserstoffverteilungen quantifiziert. Ergänzt durch ein numerisches Diffusionsmodell entsteht ein skalierbares Bewertungswerkzeug, das die experimentellen Daten generalisiert und auf reale Schweißnähte überträgt. Die Ergebnisse ermöglichen: (1) eine realitätsnahe Bewertung verbleibender Wasserstoffgehalte, Kaltrisssicherheit, damit die (2) die mögliche Ausweitung der HD Klassifizierung hochfester Schweißzusätze, und (3) die Beurteilung der Effektivität und Notwendigkeit von Wärmenachbehandlungs-maßnahmen (wie „Wasserstoffarmglühen“).
Das Schweißen an druckführenden Leitungen im Betrieb ist beim Erdgas-Fernleitungsnetz Stand der Technik, beispielsweise beim Setzen von Abgängen durch „Hot-Tapping“. Diese Technik wird auch beim zukünftigen Wasserstoff-Kernnetz eine bedeutende Rolle spielen. Verfahrensbedingt ist daher eine bestimmte Wasserstoffaufnahme während des Schweißens unvermeidbar. Aus diesem Grund werden derzeit in mehreren Forschungsprojekten wie umfassende Erkenntnisse zum Schweißen an Rohrleitungen unter Druckwasserstoff gewonnen. Die grundsätzliche Übertragbarkeit des „Hot-Tapping“ auf zukünftige Wasserstoff-Rohrleitungen wurde bereits bestätigt (u. a. DNV-Projekt und HyTap). Allerdings besteht allein das zukünftige Wasserstoff-Kernnetz in Deutschland aus einer Vielzahl von Bestands- und Neuwerkstoffen mit unterschiedlichen Festigkeiten, Durchmessern und Wandstärken. Für diese ist eine umfassende Betrachtung notwendig. In diesem Bereich leistet das Projekt H2-SuD wesentliche Beiträge, insbesondere zur Frage der Anpassung der Mindestwandstärke für sicheres Schweißen. Hierzu bieten die Demonstratoren eine ideale Grundlage zum Screening vieler Schweißparameter-Werkstoff-Kombinationen. Eine erhöhte Wasserstoffkonzentration beim Schweißen wurde experimentell belegt (DNV-Projekt und H2-SuD), allerdings im allgemein nicht als kritisch erachteten Bereich. Zudem wurde eine Wasserstoffversprödung der Schweißnaht während des Schweißens an druckwasserstoffführenden Demonstratoren bisher nicht beobachtet. Dies liegt u.a. an den mechanischen Eigenschaften der Rohrleitungswerkstoffe (gute Dehnfähigkeit, auch im geschweißten Zustand).
Modulare Testplattform für den sicheren Transport von Wasserstoff in neuen und vorhandenen Gasverteilnetzen Die BAM schafft mit der modularen Testplattform ModuH2Pipe erstmals in Europa eine Testinfrastruktur, welche die Betrachtung sicherheitstechnischer Fragestellungen im Realmaßstab und zugleich unter kritischen Bedingungen erlaubt, die sich im Zusammenhang mit Wasserstoff-und Wasserstoff-Erdgas-Pipelines stellen. Ziel ist, Gasnetzbetreibern u. a. ein Dienstleistungsangebot zur Verfügung zu stellen, welches die umfassende Beantwortung dieser und weiterer sicherheitstechnischer Fragestellungen ermöglicht. Die Testplattform ModuH2Pipe wird auf dem BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) stehen und integriert zwei Module, die für die experimentelle Untersuchung von Pipelinesegmenten, -komponenten (Dichtungen, Ventile etc.) und Polymerkomponenten im Originalmaßstab ausgelegt sind. Aber auch digitale Aspekte für Wasserstoffnetze können betrachtet werden.