9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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Die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle hat für viele Anwendungen des Stahlbaus ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen mit ho-her mechanischer Beanspruchbarkeit. Weitere Zugewinne an Effizienz sind durch generative Fertigungsschritte sowie bionische Bauweisen erzielbar. Hierzu stehen bereits kommerzielle hochfeste drahtförmige Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen zur Verfügung. Dem Einsatz stehen noch fehlende quantitative Aussagen zu den fertigungsbedingten Beanspruchungen und der Bauteilsicherheit während Herstellung und Betrieb im Wege. Dies betrifft insbesondere prozess- sowie materialbedingte Einflüsse und die konstruktive Schrumpfbehinderung verbunden mit der Ausbildung hoher Zugeigenspannungen und damit zusammenhängenden Kaltrissbildung.
Hierfür wurden im Projekt detaillierte und anwenderbezogene Kenntnisse zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen Schweißprozess und Wärmeführung während der Fertigung, der metallurgischen Vorgänge und insbesondere der vorliegenden konstruktiven Einflüsse auf die entstehenden Eigenspannungen erarbeitet, um ein frühzeitiges Bauteilversagen aufgrund eines hohen fertigungsbedingten Beanspruchungsniveaus bis hin zu einer Rissbildung während der Fertigung sicher zu vermeiden. Gleichzeitig wurden die Einflüsse auf die mechanisch-technologischen Gütewerte systematisch analysiert. Zudem wurden die Auswirkungen trennender Verfahren durch Entfernen der Substratplatte sowie durch die spanende Bearbeitung der Vorformlinge zu Endbauteilgeometrien geklärt, da diese unmittelbar den Eigenspannungszustand beeinflussen und deutlichen Verzug der Bauteile auslösen.
Für das generative Schweißen konnten Verarbeitungsempfehlungen sowie Normenvorgaben erarbeitet werden. Dies hilft insbesondere KMU eine wirtschaftliche, beanspruchungsgerechte und risssichere generative Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen zu ermöglichen.
WAAM process influences on local microstructure and residual stresses in high-strength steels
(2021)
High-strength fine-grain structural steels have great potential for weight optimization of many modern engineering structures. Efficient manufacturing can be achieved here above all by Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). First commercial high-strength welding consumables for WAAM are already available. Due to a lack of knowledge and guidelines for the industry regarding welding residual stresses and component safety in manufacturing and operation, their application is still severely limited. Residual stresses play a crucial role here, as the special microstructure of high-strength steels is sensitive to cold cracking.
For this reason, process- and material-related influences, as well as the design effects on residual stress formation, are being investigated in a project funded by the AiF (FOSTA P1380/IGF 21162 BG). This study focuses on determining the interactions between heat control during WAAM process, resulting hardness, microstructure, and residual stresses, analyzed by X-ray diffraction. Welding experiments using geometrically similar AM specimens show that, with regard to the heat input, the energy per unit length in particular leads to significantly affected cooling times and microstructures and causes pronounced localized effects in terms of residual stresses in the upper weld beads.
Wire arc additive manufacturing (WAAM) enables the efficient production of weight-optimized modern engineering structures. Further increases in efficiency can be achieved by using high-strength structural steels. Commercial welding consumables for WAAM are already available on the market. Lack of knowledge and guidelines regarding welding residual stress and component safety during production and operation leads to severely limited use for industry applications. The sensitive microstructure of high-strength steels carries a high risk of cold cracking; therefore, residual stresses play a crucial role. For this reason, the influences of the material, the WAAM process, and the design on the formation of residual stresses and the risk of cold cracking are being investigated. The material used has a yield strength of over 800 MPa. This strength is adjusted via solid solution strengthening and a martensitic phase transformation. The volume expansion associated with martensite formation has a significant influence on the residual stresses. The focus of the present investigation is on the additive welding parameters and component design on their influence on hardness and residual stresses, which are analyzed by means of X-ray diffraction (XRD). Reference specimens (hollow cuboids) are welded fully automated with a systematic variation of heat control and design. Welding parameters and AM geometry are correlated with the resulting microstructure, hardness, and residual stress state. Increased heat input leads to lower tensile residual stresses which causes unfavorable microstructure and mechanical properties. The component design affects heat dissipation conditions and the intensity of restraint during welding and has a significant influence on the residual stress.
Additive Manufacturing (AM) of metals has become industrially viable for a large variety of applications, including aerospace, automotive and medicine. Powder bed techniques such as Selective Laser Melting (SLM) based on layer-by-layer deposition and laser melt enable numerous degrees of freedom for the geometrical design. Developing during the manufacturing process, residual stresses may limit the application of SLM parts by reducing the load bearing capacity as well as induce unwanted distortion depending on the boundary conditions specified in manufacturing.
The residual stress distribution in the bulk of IN718 elongated prisms produced by SLM was studied non-destructively by means of neutron diffraction. The samples with different scanning strategies, i.e. hatching length, were measured in as-build condition (on a build plate) and after removal from the build plate.
The absolute values of all stress components decreased after removal from the build plate. Together with surface scan utilizing a coordinate-measuring machine (CMM), it is possible to link the stress release to the sample distortion. Obtained results indicated different residual stress states for each of the transversal, longitudinal and normal component depending on the thermal gradient in the respective direction.
The residual stress distribution in IN718 elongated prisms produced by Selective Laser Melting was studied by means of neutron (bulk) and laboratory X-ray (surface) diffraction.
Two deposition hatch lengths were considered. A horizontal plane near the top surface (perpendicular to the building direction) and a vertical plane near the lateral surface (parallel to the building direction) were investigated. Samples both in as-built (AB) condition and removed (RE) from the base plate were characterized.
While surface stress fields seem constant for AB condition, X-ray diffraction shows stress gradients along the hatch direction in the RE condition. The stress profiles correlate with the distortion maps obtained by tactile probe measurements.
Neutron diffraction shows bulk stress gradients for all principal components along the main sample directions. We correlate the observed stress patterns with the hatch length, i.e. with its effect on temperature gradients and heat flow. The bulk stress gradients partially disappear after removal from the baseplate.
AbstractThe sustainable and resource-efficient production of wind energy plants requires the use of modern high-strength fine-grain structural steels. This applies to both foundation and erection structures, like mobile or ship cranes. During the assembly of steel structures, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area. In most cases, the economical solution would be local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to the high shrinkage restraint of the joint groove in the overall structure, the superposition of global and local welding-induced stresses may lead to crack formation and component failure, particularly in interaction with the degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. However, manufacturers hardly have any information about these issues and there is a lack of recommendations and guidelines to take these safety-relevant aspects into account in adequate repair concepts. The aim of this research is to derive recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved providing a basis for standards and guidelines to avoid cold cracking, damage and expensive reworking especially for high-strength steels. Part 1 of this study involves systematic investigations of influences of shrinkage restraint during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures. The quantification of the shrinkage restraint of repair weld joints was achieved by means of experimental and numerical restraint intensity analysis. In welding experiments with self-restrained slot specimens, restraint intensity and introduction of hydrogen via the welding arc using anti spatter spray were varied systematically to analyse the effect on welding result, residual stresses and cold cracking. It could be shown that increasing restraint intensities result in significantly higher transverse residual stress levels. In the case of hydrogen introduction S500MLO showed no cold cracking independent of the restraint conditions. However, S960QL was found to be considerably cold cracking sensitive if hydrogen is introduced. With increasing restraint intensity length and number of cold cracks increases significantly. Part 2 [1] of this study is focussed on microstructure and residual stresses due to gouging and stress optimization via adequate heat control parameters in repair welding.
Stresses in repair welding of high-strength steels—part 2: heat control and stress optimization
(2024)
In welding of high-strength steels, e.g. for foundations and erection structures of wind energy plants, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area, which should be removed by thermal gouging and subsequent re-welding. High shrinkage restraint of repair welds may lead to crack formation and component failure, predominantly in interaction with degraded microstructures and mechanical properties due to repair cycles. This study aims for elaboration of recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved to avoid cold cracking, damage and expensive reworking. In part 1 [1] of this study, systematic investigations of influences of shrinkage restraint on residual stresses and cold cracking risk during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures were focussed. In this part 2, the microstructure, particularly hardness, and residual stresses due to gouging and influences of heat control parameters in repair welding are analysed. A clear reduction in residual stress after gouging can be observed, especially for the specimens with restrained transverse shrinkage. Gouging to a depth of approx. 2/3 of the seam height does not lead to a complete relaxation of the observed reaction forces. Particularly for the higher strength steel S960QL, there are pronounced areas influenced by the gouging process in which a degradation of the microstructure and properties should be assumed. Overall, the repair welds show a significant increase in the width of the weld and HAZ compared to the original weld, especially in the case of S960QL/G89. The repair welds show higher welding-induced stresses than the original welds, especially in the areas of the HAZ and the base metal close to the weld seam. This behaviour can be attributed overall to increased restraint conditions due to the remaining root weld or shorter gouge grooves. In good agreement with earlier investigations, the residual stresses transverse to the weld can be significantly reduced by upwardly limited working or interpass temperatures, and the reaction stresses resulting from high restraint conditions can be effectively counteracted. The influence of the heat input on the stress formation is low compared to the interpass temperature for both test materials.
High-strength fine-grained structural steels have great potential for weight-optimized, efficient structures in many modern steel applications. Further advances in efficiency can be achieved through additive manufacturing and bionic design. Commercial high-strength filler materials for wire arc additive manufacturing (WAAM) are already provided by the consumable producers. Today, application would be strictly limited due to absence of quantitative findings or any guidelines for the industry regarding welding-related stresses and component safety during manufacturing and service. Hence, process- and material-related influences and design-related restraint conditions associated with formation of residual stresses and cold cracking risk are investigated. The aim is the accessibility of special WAAM self-restraining cold cracking tests and easy applicable processing recommendations, enabling an economical, fit-for-purpose and crack-safe WAAM of high-strength steels. This first study focuses on determination of interactions between WAAM process parameters, resulting layer geometry, microstructure and residual stresses, analyzed via X-ray diffraction. Defined reference specimens are automated welded using a special WAAM solid wire (yield strength >820 MPa). Geometric properties can be specifically adjusted by wire feed and welding speed, but cannot be varied arbitrarily, since a high heat input causes local overheating, inadmissible changes of microstructure and mechanical properties, defects and comparable high tensile residual stresses.
High-strength steels are increasingly applied in modern steel constructions to meet today’s lightweight requirements. Welding of these steels demands a profound knowledge of the interactions between the welding process, cooling conditions, heat input, and the resulting metallurgical occurrences in the weld and its vicinity. Additionally, welding stresses may be detrimental for the safety and performance of high-strength steel component welds during fabrication and service, especially due to the high yield ratio. For a development of strategies to adjust welding heat control, all these effects should be considered, to reach a complete exploitation of the high-strength steel potential. In recent researches at BAM, multilayer GMAW experiments were performed with high-strength steels, in which cooling conditions and resulting microstructure were analyzed for varied heat control parameters. The application of a unique 3d-operating testing facility and X-ray diffraction measurements allowed the analysis of local stresses in the weld while welding and cooling under component relevant shrinkage restraints. As a result, correlations between material behavior, welding, and cooling condition and the arising multi-axial stresses and forces were found. Based on this study, statements for the development of adapted heat control concepts were derived, which are presented by means of specific analysis examples.
For higher operational temperatures and pressures required in petrochemical plants, the modified 13CrMoV9-10 steel was developed providing high resistance against creep and compressed hydrogen. Extreme care during the welding procedure is necessary for this steel, attributed to low toughness, high strength in as-welded state, and increased susceptibility to stress relief cracking (SRC) during post-weld heat treatment (PWHT). Previous research of SRC in creep-resistant steels discussed mainly thermal and metallurgical factors. Few previous findings addressed the influences of welding procedure on crack formation during PWHT considering real-life manufacturing conditions. These investigations focus on effects of welding heat control on stresses during welding and subsequent PWHT operations close to realistic restraint and heat dissipation conditions using a special 3D testing facility, which was presented in parts I and II of this contribution. Part III addresses investigations on residual stress evolution affecting crack formation and discusses the transferability of results from large-scale testing to laboratory-scale. Experiments with test set-ups at different scales under diverse rigidity conditions and an assessment of the residual stresses of the weld-specimens using X-ray (surface near) and neutron diffraction analysis (bulk) were performed. This study aims to provide a way of investigating the SRC behaviour considering component-specific residual stresses via small-scale testing concepts instead of expensive weld mock-ups.
In an increasing number of modern steel applications, high-strength structural steel grades are demanded to meet specifications regarding a high load-bearing capacity and a low operating weight. Lightweight design rules enhance the safety requirements, especially for welded joints. Besides a higher cracking risk for high-strength steel welds, the formation of tensile residual stresses might lead to fracture due to overloading or premature failure if not adequately considered. In this study, a stress-strain analysis was conducted at component-related structures from S960QL using digital image correlation while preheating, welding and cooling adjacent to the weld seam. X-ray diffraction analysis of the local residual stresses in the weld seam showed a good comparability with global analyses using either a DIC system or a special testing facility, which allowed in situ measurements of welding loads. By analysing two different seam geometries, it could be shown that lower multi-axial stresses arise if a narrower weld groove is used. Comparative analyses revealed a direct correlation of the local residual stresses in the weld with transverse shrinkage restraint, whereas the residual stress level in the HAZ is significantly affected by the bending restraint of the weld construction and the occurring bending stresses, respectively.
Today, an expanding application of high-strength steels in modern welded constructions can be observed. The economical use of these steel grades largely depends on the strength and reliability of the weldments. Therefore, the special microstructure and mechanical properties of these grades have to be taken into account by keener working ranges regarding the welding parameters.
However, performance and safety of welded components are strongly affected by the stresses occurring during and after welding fabrication locally in the weld seam and globally in the whole component, especially if the shrinkage and distortion due to welding are restrained. Some extensive studies describe the optimization of the welding stresses and the metallurgical effects regarding an adapted welding heat control. Lower working temperatures revealed to be particularly effective to reduce the local and global welding-induced residual stresses of the complete weld significantly. However, decreased interpass temperatures cause concurrently higher stresses during welding fabrication. This work shows strategies to reduce these in-process stresses.
With help of multi-axial welding stress analyses in component-related weld tests, using a special 2-MN-testing facility, differences in stress build-up are described in detail for root welds, filler layers and subsequent cooling to ambient temperature.
The performance and safety of welded high-strength low-alloyed steel (HSLA) components are substantially affected by the stresses occurring during and after welding fabrication, especially if welding shrinkage and distortion are severely restrained. The surrounding structure of the whole component affects loads in the far-field superimposing with welding stresses in the near-field of the weld. In this study a unique testing facility was used to restrain shrinkage and bending while analyse multiaxial far-field loads (max. 2 MN) during assembly of thick-walled component. A novel approach for the assessment of the in-situ-measured far-field data in combination with the actual weld geometry was elaborated. For the first time, analyses of the global bending moments of restrained welds based on the neutral axis of the actual weld load bearing section were achieved. Hence, far-field measurements offered the possibility to determine critical near-field stresses of the weld crosssections for the entire joining process. This work presents the approach for far-to-near field in-situ determination of stresses in detail for the 2-MN-testing system based on an extensive experimental work on HSLA steel welds, which demonstrates sources and consequences of these high local welding stresses. Thus, it was clarified, why the first weld beads are crucial regarding welding stresses and cold cracking, which is well known, but has never been measured so far. Accompanying analyses using X-ray diffraction (XRD) after welding show effects on local residual stress distributions. These analyses indicated viable prospects for stress reduction during assembly of thick-walled HSLA steel components.
Von der Anwendung ins Prüflabor: Maßstabsgetreues Bewerten von Spannungen in geschweißten Bauteilen
(2019)
Eigenspannungen sind von zentraler Bedeutung für die Performance geschweißter Bauteile. Die Bewertung schweißbedingter Beanspruchungen im Labormaßstab ist oft nicht zielführend. Reale Bauteilschweißungen weisen geometrisch und konstruktiv bedingt meist divergente Wärmeableitungs- und Einspannbedingungen auf. Dadurch lassen sich häufig nur eingeschränkt Aussagen über Eigenspannungshöhen, -verteilungen und die wesentlichen Einflussfaktoren treffen. Dies führt oftmals zur eher konservativen Konstruktionsauslegung und damit zu einer geringerenRessourcen- und Energieeffizienz. Dieser Beitrag widmet sich den Bestrebungen, reale Randbedingungen beim Bauteilschweißen in das Labor zu übertragen. Es werden die Möglichkeiten eines speziell für diesen Zweck an der BAM entwickelten Prüfsystems mit einer maximalen Tragkraft von 2 MN aufgezeigt. Durch die konstruktive Gestaltung der Anlage lassen sich in Schweißversuchen schweißbedingte Beanspruchungen nachbilden und die komplexen Einflüsse und Wechselwirkungen durch Schweißprozess, Bauteilgeometrie und -konstruktion sowie durch die eingesetzten Grund- und Zusatzwerkstoffe quantifizieren. Darüber hinaus können mittels Röntgenbeugung die resultierenden lokalen Eigenspannungen präzise und mit hoher Ortsauflösung bestimmt werden. Anhand von Beispielen wird die Nachbildung realer Produktionsbedingungen im Labor erörtert und gezeigt, wie die Spannungen beim Schweißen hochfester Baustähle von konstruktiven, werkstoff- und prozessseitigen Randbedingungen abhängen.
So wurde geklärt, wie erhöhte Arbeitstemperaturen zum signifikanten Anstieg der Beanspruchungen führen.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Darüber hinaus erfolgt die Bestimmung des Einflusses der t8/5-Abkühlzeit auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des speziellen, hochfesten WAAM-Massivdrahts mithilfe von Dilatometeranalysen. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Die Dilatometeranalysen zeigen für den untersuchten WAAM-Schweißzusatzwerkstoff eine großes t8/5-Zeitfenster mit einer vergleichsweise geringen Abnahme der Zugfestigkeit mit zunehmender t8/5-Abkühlzeit. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Submerged arc welded (SAW) components of creep-resistant low-alloyed Cr-Mo-V steels are used for thick-walled heavy petrochemical reactors (wall-thickness up to 475 mm) as well as employed in construction of modern high-efficient fossil fired power plants. These large components are accompanied by significant restraints during welding fabrication, especially at positions of different thicknesses like welding of nozzles. As a result, residual stresses occur, playing a domi-nant role concerning so-called stress relief cracking (SRC) typically during post weld heat treat-ment (PWHT). Besides specific metallurgical factors (like secondary hardening due to re-precipitation), high tensile residual stresses are a considerable influence factor on SRC. For the assessment of SRC susceptibility of certain materials mostly mechanical tests are applied which are isolated from the welding process. Conclusions regarding the influence of mechanical factors are rare so far. The present research follows an approach to reproduce loads, which occur during welding of real thick-walled components scaled to laboratory conditions by using tests designed on different measures. A large-scale slit specimen giving a high restraint in 3 dimensions by high stiffness was compared to a medium-scale multi-pass welding U-profile specimen showing a high degree of restraint in longitudinal direction and a small-scale TIG-re-melted specimen. The small-scale specimens were additionally subjected to mechanical bending to induce loads that are found during fabrication on the real-scale in heavy components. Results show for all three cases compa-rable high tensile residual stresses up to yield strength with high gradients in the weld metal and the heat affected zone. Those high tensile stresses can be significant for cracking during further PWHT.
Einfluss der Schweiß- und Prüfparameter bei der Heißrissbewertung hochfester Schweißzusatzwerkstoffe
(2023)
Die Heißrissneigung beim Schweißen kann mittels einer ganzen Reihe von Prüfverfahren ermittelt werden. Eine etablierte Methode ist die sogenannte Varestraint-Prüfung, welche auch an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als modifizierter Varestraint/Transvarestraint-Test (MVT) zum Einsatz kommt. Die Ergebnisse von Varestraint-Prüfungen hängen jedoch stets in unter-schiedlichem Maße von der individuellen Prüfmaschinenauslegung und den verwendeten Prüfparametern ab. Dies kann zu einer uneinheitlichen Bewertung des Rissverhaltens führen, wenn die Risslänge konventionell als Kriterium für die Rissneigung herangezogen wird. Scheinbare Abhängigkeiten von Prozessparametern erschweren dann die Interpretation der Ergebnisse. Eine neuartige Bewertungsmethodik entkoppelt den Maschineneinfluss vom Materialverhalten und verwendet die Dehnrate als Risskriterium.
The avoidance of failures during the fabrication or operation of petrochemical reactors made of creep-resistant, low-alloy steels as 13CrMoV9-10 requires still research despite over 60 years of international investigations in the field of stress relief cracking. The quality of modern base materials and filler metals leads to the fact that previously known crack causes, such as impurities of S or P, recede into the background. Rather, the causes are increasingly to be found in the fabrication process. Investigations on the influence of heat control on the stresses in welded components and thus on the stress relief cracking sensitivity under realistic manufacturing conditions are not yet available. This work is subdivided in two parts. Part 1 of this study focused on the effect of heat control during submerged arc welding on the stresses. For this purpose, a testing facility was applied, which allows to observe the forces and moments accumulating during welding or heat treatment in a component-like specimen under shrinkage restraint. The stress acting in the specimen increases with higher preheat/interpass temperatures and higher heat input. During the heat treatment, the stresses are relieved. Nevertheless, cracks are formed already during heating. The total crack length correlates with the heat input.
Welding of 13CrMoV9-10 vanadium steel requires care due to an increased susceptibility to stress relief cracking during post weld heat treatment. Previous research into the crack formation in creep-resistant steels has focused on thermal and metallurgical factors; however, little knowledge has been gathered regarding the crack formation during post weld heat treatment considering real-life restraint conditions. This work is subdivided in two parts. Part I showed that an increasing heat input during submerged arc welding under restraint led to an increasing stress level in the joint prior to the post weld heat treatment. The magnitude of stress relief cracking observed in the heat-affected zone after the post weld heat treatment is affected by the heat input. In Part II of this work, the cracks and the associated microstructure which occurred under restraint were studied. The application of a Special acoustic emission analysis indicated that the cracks formed in a temperature range between 300 and 500 °C during the post weld heat treatment. The toughness in the heat-affected zone of the restrained welds was affected by the welding heat input.
Microstructural analyses of all specimens revealed accelerated aging due to precipitation of carbides during post weld heat treatment under restraint.
Residual stresses are crucial when assessing the performance of welded components. The present work deals with the possibilities of transferring the real-life boundary conditions of welding, which influence the residual stress, into the laboratory. The possibilities of a test system specifically developed for this purpose with a maximum capacity of 2 MN are shown. Due to the structural design, global process, geometry and material-dependent stresses are induced, which can be simulated and quantified within the system. Additionally, X-ray diffraction can be applied to determine the resulting local residual stress distribution precisely with high spatial resolution. Two examples are presented how the conditions to be found during production are simulated in the laboratory. It is shown how welding residual stresses in high-strength steels are affected by the heat control. It was possible to clarify why elevated working temperatures significantly increase the bending stresses in the welded joint and therefore the tensile residual stresses in the heat affected zone (HAZ). The effect of a heat treatment applied under mechanical stress resulting from welding is demonstrated by the example of a creep resistant steel. Reheat cracking is significantly increased in this case compared to small scale laboratory based tests.
Influence of Residual Stresses on Stress Relief Cracking of Thick Walled Creep Resistant Steel Welds
(2022)
Controlling the residual stress level during welding of creep-resistant Cr-Mo-V steels is crucial to avoid so called stress relief cracking (SRC) during post weld heat treatment (PWHT) of large-scale components. In the present study, a laboratory scale test specimen (400 mm x 400 mm x 25 mm) was used to simulate thick-walled component welds made of 13CrMoV9-10. The aim was to identify the level and distribution of residual stresses to evaluate the suitability of the specimen for laboratory based SRC testing. High restraint was ensured by the specimen geometry with a narrow welding gap in the center. This gap was filled by submerged arc welding in a multi-layer technique. Two specimens were welded with identical parameters and compared in the as-welded state and after PWHT (705 °C for 10 h). Neutron diffraction was used to determine the residual stresses in the weld metal, the heat-affected zone (HAZ) and the base material at different depths longitudinal, transverse, and normal to the welding direction. The experiments were performed on the instrument E3 of the research reactor BERII of HZB Berlin, Germany. Complementarily, laboratory X-ray diffraction was applied to characterize the surface residual stresses. In the welded state, especially in the weld metal and the adjacent HAZ, the residual stress can reach the yield strength of the untreated material. The highest levels occur in the longitudinal direction. The transverse and normal directions are characterized by residual stress of lower magnitude. As expected, the residual stress is almost completely relieved after PWHT.
Die Integrität von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen ist zunehmend durch die Bildung von Heißrissen gefährdet. Aktuell treten Erstarrungsrisse an Konstruktionsmerkmalen auf, obwohl heißrisssichere niedriglegierte Grund- und Zusatzwerkstoffe als auch Schweißprozessbedingungen eingesetzt wurden. Werkstoff- und prozessseitig wurden diese Rissursachen bereits eingehend erforscht. Untersuchungen zum Aspekt der konstruktiv bedingten Heißrissvermeidung, aus denen sich Empfehlungen für ein beanspruchungsgerechtes Gestalten für KMU ableiten lassen, liegen bislang lückenhaft vor bzw. sind veraltet und für hochfeste Leichtbauten kaum zielführend. Konstruktive Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von Erstarrungsrissen liegen oft nicht vor. Das Design und die konstruktiven Randbedingungen beeinflussen die Erstarrungsrisse entscheidend. Um eine schnelle Umsetzbarkeit der Resultate für KMU zu ermöglichen, soll eine einfache und kostengünstige Methodik zur Heißrissbewertung entwickelt werden. Gerade KMU haben einen hohen Nachholbedarf an heißrisssicheren und wirtschaftlichen Leichtbaulösungen. Konstrukteure und Anwender aus KMU würden durch fundierte Kenntnisse über mögliche erstarrungsrisskritische Beanspruchungszustände kostenintensive Qualitätsmängel vermeiden. Das Ziel ist es, Kenngrößen zu identifizieren, die während des Schweißens unter realitätsnahen Bedingungen erfasst werden können. Diese Parameter werden als Transfergrößen genutzt, um eine Heißrissbewertung eines geschweißten Bauteils zu ermöglichen. Anliegen des Vorhabens wird die Prüfung und Bewertung von typischen Beanspruchungszuständen beim Schweißen von Leichtbaustrukturen hinsichtlich ihrer Erstarrungsrissneigung sein. Durch Ableitung klassifizierter Gestaltungshinweise wird ein signifikanter Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit insbesondere für KMU geliefert. Die Ergebnisse werden in Normen zur sicheren schweißtechnischen Fertigung von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen direkt einfließen.
Einfluss der Schweiß- und Prüfparameter bei der Heißrissbewertung hochfester Schweißzusatzwerkstoffe
(2023)
Die Heißrissneigung beim Schweißen kann mittels einer ganzen Reihe von Prüfverfahren ermittelt werden. Eine etablierte Methode ist die sogenannte Varestraint-Prüfung, welche auch an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) als modifizierter Varestraint/Transvarestraint-Test (MVT) zum Einsatz kommt. Die Ergebnisse von Varestraint-Prüfungen hängen jedoch stets in unterschiedlichem Maße von der individuellen Prüfmaschinenauslegung und den verwendeten Prüfparametern ab. Dies kann zu einer uneinheitlichen Bewertung des Rissverhaltens führen, wenn die Risslänge konventionell als Kriterium für die Rissneigung herangezogen wird. Scheinbare Abhängigkeiten von Prozessparametern erschweren dann die Interpretation der Ergebnisse. Eine neuartige Bewertungsmethodik entkoppelt den Maschineneinfluss vom Materialverhalten und verwendet die Dehnrate als Risskriterium in Analogie zu Prokhorovs Heißrissmodell. Die neue Auswertung wird anhand einer Studie hochfester Schweißzusatzwerkstoffe vorgestellt, deren Rissverhalten in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung und der Schweißparameter bewertet wird.
Der zunehmende Bedarf an hochfesten Feinkornbaustählen in modernen Schweißkonstruktionen, in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen wie dem Hoch-, Anlagen- und Kranbau, führte in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher Grund- und Zusatzwerkstoffe. Neben der Erreichung anforderungsgerechter mechanischer Eigenschaften wird die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Güten durch hohe Sicherheitsanforderungen an die Schweißnaht bestimmt. Hohe Zugeigenspannungen in der Schweißverbindung können die Beanspruchbarkeit und Sicherheit eines geschweißten Bauteils wesentlich reduzieren. Insbesondere bei einer hohen konstruktiven Schrumpfbehinderung können die Beanspruchungen auch schon während der Fertigung ein risskritisches Niveau erreichen.
Mittels geeigneten Wärmeführungen beim Schweißen und der adäquaten Auswahl von Schweißprozess und Zusatzwerkstoffen ist sowohl eine Minimierung der sich lokal in der Naht bildenden Zugeigenspannungen als auch der globalen infolge von Abstützeffekten auftretenden Reaktionsspannungen und -momente erzielbar. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben IGF.-Nr. 17267 N und 17978 N wurden verschiedene experimentelle Beanspruchungsanalysen durchgeführt, um den Schweißprozess hinsichtlich der resultierenden schweißbedingten Beanspruchungen zu untersuchen. Hierfür war es erforderlich, die Steifigkeitsverhältnisse so wie sie beim Schweißen realer Bauteilstrukturen auftreten, auf Schweißexperimente im Labor zu übertragen.
Dazu wurde bspw. eine an der BAM eigens entwickelte Prüfanlage eingesetzt, mit der die mehraxialen Belastungen analysiert wurden, die mit bis zu 2 MN beim Vorwärmen, Schweißen und Abkühlen auftreten. Die Schweißeigenspannungen wurden mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Zwar zeigten sich für niedrige Arbeitstemperaturen beim Schweißen ein signifikant reduziertes Gesamtbeanspruchungsniveau nach der Abkühlung der gesamten Schweißnaht. Die langen Abkühlphasen während der mehrlagigen schweißtechnischen Fertigung führen jedoch speziell bei den ersten Schweißraupen zu sehr hohen Reaktionsspannungen. Dabei erwiesen sich schmalere Nahtfugen verbunden mit dem Einsatz modifizierter Schweißprozesse und der Einsatz dehnfähiger Schweißzusätze für das Wurzelschweißen als geeignete Mittel, um eine deutliche Absenkung des Beanspruchungsniveaus beim Schweißen unter Schrumpfbehinderung zu erreichen. Ferner ist damit eine weitere wesentliche Reduzierung der Gesamtbeanspruchung und insbesondere der Zugeigenspannungen in der WEZ möglich. Mithilfe dieser Erkenntnisse ist die Optimierung der schweißbedingten Beanspruchungen unter Nutzung einer adaptierten Wärmeführung zur verbesserten Ausnutzung des Festigkeitspotentials höherfester Feinkornbaustähle erreichbar.
Die klassische Beurteilung der Heißrissneigung erfolgt bislang primär über das Prüfen der Schweißeignung des Werkstoffes. Die konstruktiven Bedingungen und bauteilspezifischen Beanspruchungszustände bleiben dabei meist unberücksichtigt. Die Vielzahl an Heißrisstests liefert dabei lediglich werkstoff-spezifische, empiri-sche Heißrissparameter, wie z. B. Gesamtrisslänge oder Gesamtrissanzahl. Eine Bauteilübertragbarkeit ist somit oftmals nicht gegeben, gerade wenn es sich um hochbeanspruchte Konstruktionsmerkmale des Leichtbaus handelt. Folglich sind mechanische Kenngrößen (risskritische Verformungen/Spannungen) zu identifizieren, die sicher und unter realitätsnahen Bedingungen erfasst werden können. Diese dienen als Transfergrößen, um die Heißrissanfälligkeit geschweißter Bauteile mit typischen Konstruktionsmerkmalen zu bewerten.
Influence of Residual Stresses on Stress Relief Cracking of Thick-Walled Creep-Resistant Steel Welds
(2023)
Controlling the residual stress level during welding of creep-resistant Cr-Mo-V steels is crucial to avoid so called stress relief cracking (SRC) during post weld heat treatment (PWHT) of large-scale components. In the present study, a laboratory scale test specimen (400 mm x 400 mm x 25 mm) was used to simulate thick-walled component welds made of 13CrMoV9-10. The aim was to identify the level and distribution of residual stresses to evaluate the suitability of the specimen for laboratory based SRC testing. High restraint was ensured by the specimen geometry with a narrow welding gap in the center. This gap was filled by submerged arc welding in a multi-layer technique. Two specimens were welded with identical parameters and compared in the as-welded state and after PWHT (705 °C for 10 h). Neutron diffraction was used to determine the residual stresses in the weld metal, the heat-affected zone (HAZ) and the base material at different depths longitudinal, transverse, and normal to the welding direction. The experiments were performed on the instrument E3 of the research reactor BERII of HZB Berlin, Germany. Complementarily, laboratory X-ray diffraction was applied to characterize the surface residual stresses. In the welded state, especially in the weld metal and the adjacent HAZ, the residual stress can reach the yield strength of the untreated material. The highest levels occur in the longitudinal direction. The transverse and normal directions are characterized by residual stress of lower magnitude. As expected, the residual stress is almost completely relieved after PWHT.
Additive manufacturing (AM) processes enable the efficient production of advanced constructions. Direct energy deposition processes such as wire and arc-based additive manufacturing (DED-arc) are important methods. The wire filler metals enable a wide range of materials. In addition, the arc process provides a high deposition rate compared to laser and powder-based processes. Furthermore, components can be manufactured near-net-shape, offering significant savings in cost, time, and resources. Combined with the use of high-strength steels to reduce wall or component thicknesses in the context of lightweight design, great opportunities for saving energy and resources can be achieved. In a joint project of BAM and Chemnitz University of Technology, the main influences and complex interactions of material, production process, design and processing steps on the residual stress level are investigated. The aim is to develop processing recommendations and a cold cracking test for economical processing and stress-related design of high-strength steels with DED-arc. This study focuses on residual stress analysis by neutron diffraction (ND) and X-ray diffraction (XRD) on defined test specimens. The ND analysis were performed at the Paul Scherrer Institute (PSI) and the XRD analysis at BAM. The study shows a quantitative and qualitative comparison of the residual stress magnitudes and distribution between the component bulk (ND) and surface (XRD) analyses. The ND analysis reveals that in DED-arc AM walls the residual stresses dominate in the direction of welding and are negligibly small in each case transverse to the direction of welding. The topology of the analyzed residual stresses shows almost identical residual stress maps. In addition, the residual stresses are significantly influenced by the solid phase transformation of the material due to low cooling times in the area of the top layer.
Influence of machining on residual stresses in additive manufactured high-strength steel components
(2024)
This study focuses on the effect of machining on the residual stresses and distortion of WAAM specimens. Defined specimens were welded fully automatically with a special WAAM solid wire (yield strength >820 MPa) with different geometric designs. The residual stresses state before and after cutting of the AM structure from the substrate plate were analyzed by means of X-ray diffraction on the specimen surface and complementary by 3d deformation analyses using photogrammetry. The results reveal significant influences of the geometry on the relaxation and redistribution of residual stresses.
Diese Studie konzentriert sich auf den Einfluss der Bearbeitung auf die Eigenspannungen und den Verzug von WAAM-Proben. Definierte Proben wurden vollautomatisch mit einem speziellen WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >820 MPa) mit unterschiedlichen geometrischen Designs geschweißt. Der Eigenspannungszustand vor und nach dem Abtrennen der AM-Struktur von der Substratplatte wurde mittels Röntgenbeugung an der Probenoberfläche analysiert und durch 3D-Verformungsanalysen mittels Photogrammetrie ergänzt. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Geometrie auf die Relaxation und Umverteilung der Eigenspannungen.
Influence of deposition hatch length on residual stress in selective laser melted Inconel 718
(2018)
The present study aims to evaluate the bulk residual stresses in SLM parts by using neutron diffraction measurements performed at E3 line -BER II neutron reactor- of Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. Together with microstructure characterization and distortion measurements, it is possible to describe the stress state throughout the whole sample. The sample was measured in as-build condition (on a build plate) and after releasing from the build plate. The used material is the nickel based superalloy 718. This alloy is widely used in aerospace and chemical industries due to its superior corrosion and heat resistant properties.
Obtained results indicated different residual stress states for each of the transversal, longitudinal and normal component. The normal and transversal component exhibits a rather compressive behavior while the longitudinal was tensile in the center part of the sample and became compressive towards the tip. As expected, the absolute values of all stress components decreased after releasing the sample from the building plate. A surface scan utilizing a coordinate-measuring machine (CMM) allowed us to present top surface distortion before and after releasing. The top surface showed a distortion around ±80µm after releasing. Microstructure evolution in the scanning-building cross-section is largely dominated by columnar grains. In addition, many small random orientated grains are prominent in the regions of a laser overlap during SLM.
In summary, for the sample of superalloy 718 manufactured by SLM, a small distortion occurred when removing the sample from the build plate whereby the residual stress state decreases. Moreover, the observed columnar grains in the building direction could give a reason for the lowest stress values in that normal direction. However, the most important parameter controlling the residual stresses is the temperature gradient. Hence, future investigations are planned for a different scan strategy to distribute the laser impact in a more homogenous manner.
Determination of residual stress evolution during repair welding of high-strength steel components
(2022)
During the assembly of steel structures, unacceptable weld defects may be found. An economical solution is local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to high shrinkage restraints of repair weld and sur- rounding structure, high global and local welding stresses superimpose, and may lead to cracking and component failure, especially in connection with the degraded microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. Component-related investigations of high-strength steels (FOSTA P1311/ IGF20162N) focus on welding residual stress evolution during local thermal gouging and rewelding. In this study, repair welding of S500MLO (EN 10225) is carried out using in-situ digital image correlation (DIC) and ex- situ X-ray diffraction (XRD) to analyse strains and stresses. Self-restrained slit specimen geometries were identified representing defined rigidity conditions of repair welds of real components, which were quantified using the restraint intensity concept. The specimens were rewelded with constant welding heat control and parameters. Weld specimens exhibited significantly increased transverse residual stresses with higher transverse restraint intensities, in the weld metal, and in the heat affected zone. Transverse stresses along the weld seam decrease at the weld seam ends leading to different stress state during gouging and welding. XRD analysis of the longitudinal and transverse local residual stresses after cooling to RT showed a good comparability with global DIC analyses.