Degradation von Werkstoffen
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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.
The weldability of stainless steels is largely controlled by the chemical composition, and alloys with ferritic or ferritic-austenitic solidification show the highest resistance to hot cracking. As the resulting phase balance also
affects the final properties, it may be beneficial to both foresee and measure the weld metal ferrite content. The WRC ’92 constitution diagram is currently the most accurate prediction tool available, but it does not take the cooling rate into consideration and the precision may be less accurate for stainless steels with high ferrite numbers (FN). This study aims to validate the reliability of the WRC ’92 diagram for weld metals with FN > 50. The chemical composition was altered through gas tungsten arc welding (GTAW) of UNS S32205 with ER347 filler wire that had been PVD-coated with either niobium (Nb), copper (Cu), nickel (Ni), manganese (Mn), carbon (C), or silicon (Si). The actual ferrite content was assessed using image analysis, FERITSCOPE® and X-ray diffraction (XRD). While the WRC ’92 diagram predictions were deemed accurate to acceptable for Ni, Si, and Mn, notable deviations were observed for Nb, Cu, and C. The FeriteScope exhibited a consistent trend with image analysis, though the values were higher, and scatter was wider, and the conversion factor is open for discussion. The lowest accuracy and largest spread were obtained using non-contact XRD, rendering it unsuitable for ferrite measurements of welds.
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.
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods, or jackets. These components are typically constructed using submerged arc welding (SAW) with high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen-assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicates the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam/layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled with over 20 passes and a seam length of 1000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to achieve critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of up to 48 h after the completion welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modeling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. No noticeable HAC occurrence was identified and confirms the high cracking resistance of the investigated material. Finally, the applicability of the MWT concept should be critically discussed.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
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 contribution describes a newly developed software tool for crack identification and selection in Modified Varestraint Transvarestraint (MVT) testing. From the digital crack information, in addition to the classical results, such as Total Crack Length (TCL) and Maximum Crack Length (MCL), advanced evaluations can be applied, taking into account the loading and welding parameters. A numerical parameter study is conducted to demonstrate how the isolated variation of individual welding and loading parameters, affects the crack lengths that can potentially be expected based on the machine specifics. An alternative crack criterion is presented that evaluates the crack formation in relation to the machine behavior. Some examples demonstrate the possibilities and limitations of the approach. The criterion can be used to compare and transfer the results of different varestraint test variants.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Die schädigende Wirkung von Wasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften von Stählen ist zwar bekannt, aber noch immer nicht ausreichend erforscht. Die schnelle und sichere Markteinführung von Wasserstofftechnologien macht es erforderlich, dieses Thema genauer zu untersuchen. Im Allgemeinen wird dies oft als Wasserstoffversprödung bezeichnet. Daher ist es wünschenswert, eine Prüfmethode zu entwickeln, die auf einfache Weise die Materialeigenschaften unter Wasserstoffatmosphäre ermitteln kann. Derzeit werden mechanische Prüfungen unter Wasserstoffatmosphäre in Autoklaven durchgeführt. Für diese Technik ist eine aufwendige Hardware erforderlich, daher sind die Prüfungen teuer und die Prüfkapazitäten nur in geringem Umfang verfügbar. Die hier vorgestellte Prüfmethode verspricht einen zukunftsweisenden Ansatz zur Reduzierung von Kosten und Bearbeitungszeiten durch die Verwendung von Hohlkörpern, d.h. die Probe selbst stellt den Autoklav dar.
It was found that there is a systematic dependence of the crack growth on the welding parameters as well as on the load. Decreasing welding speeds with simultaneously higher heat input promote crack formation with increasing strain rate.
Based on the results, a new crack criterion was finally selected which allows an extended assessment of the material behavior during the MVT-test. The threshold introduced can quantify the dependencies of the crack formation on the welding and testing parameters, which could not be comprehensively described with the conventional evaluation. In principle, the evaluation routine can also be transferred to other Varestraint or externally loaded hot cracking tests.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicate the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam / layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled more than 20 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to stimulate critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of 48 h after welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
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.
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.
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.
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.
The triaxial distribution of the residual stress in laser powder bed fused austenitic steel 316L was determined by X-ray and neutron diffraction. The residual stress analysis results were linked to the thermal history of the specimens, which were manufactured with varying inter-layer-times and scanning velocities. A clear link between the in-process temperature of the specimens and the residual stress was found, based on in-situ monitoring data.
Phase Transformation and Strain Evolution during Welding of Low Transformation Temperature Alloys
(2021)
In this work, the phase and strain formation in multipass welding of LTT gas metal arc welds were observed under realistic restraints by means of time resolved angular-dispersive synchrotron X-ray diffraction at the High Energy Materials Science beamline HEMS at PETRA III (DESY), Hamburg Germany. It was shown that the strain evolution during cooling correlates with the amount of martensite formed. Both, the strain of martensite and austenite are affected during phase transformation. Even though dilution processes limit the LTT effect in the root compared to the top layer, the strains are significantly reduced compared to the conventional weld metal. The observed effects are found for both Ni and Mn based LTT filler metals regardless of their respective Ms temperature.
This study reports on the stress relaxation potential of stress-relieving heat treatments for laser powder bed fused 316L. The residual stress is monitored non-destructively using neutron diffraction before and after the heat treatment. Moreover, the evolution of the microstructure is analysed using scanning electron microscopy. The results show, that a strong relaxation of the residual stress is obtained when applying a heat treatment temperature at 900°C. However, the loss of the cellular substructure needs to be considered when applying this heat treatment strategy.
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.
Laser based powder bed fusion additive manufacturing offers the flexibility to incorporate standard and userdefined scan strategies in a layer or in between the layers for the customized fabrication of metallic components. In the present study, four different scan strategies and their impact on the development of microstructure, texture, and residual stresses in laser powder bed fusion additive manufacturing of a nickel-based superalloy Inconel 718 was investigated. Light microscopy, scanning electron microscopy combined with electron backscatter diffraction, and neutron diffraction were used as the characterization tools. Strong textures with epitaxially grown columnar grains were observed along the build direction for the two individual scan strategies. Patterns depicting the respective scan strategies were visible in the build plane, which dictated the microstructure development in the other planes. An alternating strategy combining the individual strategies in the successive layers and a 67◦ rotational strategy weakened the texture by forming finer microstructural features. Von Mises equivalent stress plots revealed lower stress values and gradients, which translates as lower distortions for the alternating and rotational strategies. Overall results confirmed the scope for manipulating the microstructure, texture, and residual stresses during laser powder bed fusion additive manufacturing by effectively controlling the scan strategies.
Laser powder bed fusion (LPBF) of Ni-based superalloys shows great potential for high temperature applications, for example, as a burner repair application for gas turbines where the thin-walled structure is important. It motivates this work to investigate the evolution of microstructure and the anisotropic mechanical behavior when plate-like specimens are built with a thickness from 4 mm down to 1 mm. By performing texture analysis using neutron diffraction, a clear transition in fiber texture from <011> to <001> is indicated when the specimen becomes thinner. The residual stress shows no thickness dependence, and at the subsurface the residual stress reaches the same level as the yield strength. Due to the rough as-built surface, a roughness compensation method for mechanical properties of thin-walled structures is outlined and demonstrated. Tensile tests from room temperature up to 700 ◦C have been carried out. Anisotropic mechanical behavior is found at all temperatures, which is strongly related to the anisotropic texture evolution. Stronger texture evolution and grain rotations are discovered when the tensile loading is applied along the building direction. The mechanical behavior has been compared to a wrought material, where the high dislocation density and the subgrain structure of the LPBF material result in a higher yield strength. Combining the statistical texture analysis by neutron diffraction with mechanical testing, EBSD grain orientation mapping and the investigation of dislocation structures using transmission electron microscopy, this work illustrates the significance of texture for the thin-wall effect and anisotropic mechanical behavior of LPBF materials.
As opposed to reviewing results on experimental determination of residual stress by diffraction, this paper discusses the open issues when dealing with residual stress determination in additive manufactured parts, in particular those manufactured with laser powder bed fusion techniques. Three points are addressed in detail: (a) the proper determination of the strain-free reference d0, (b) the problem of the determination of the principal axes, and (c) the use of the correct diffraction elastic constants. It is shown that all methods to determine the strain-free reference d0 suffer from caveats, and care must be taken in evaluating the most suitable for the problem being tackled. In addition, it is shown that, in some systems, the principal axes do correspond to the geometrical axes of the specimen, but this needs to be systematically checked, especially in the case of uni- or bidirectional hatching strategies. Finally, the need to experimentally determine the proper diffraction elastic constants is underlined, especially in the case of strongly textured specimens, which again depends on the deposition strategy.
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.
The use of low transformation temperature (LTT) filler materials represents a smart approach for increasing the fatigue strength of welded high strength steel structures apart from the usual procedures of post weld treatment. The main mechanism is based on the effect of the low start temperature of martensite formation on the stress already present during welding. Thus, compressive residual stress formed due to constrained volume expansion in connection with phase transformation become highly effective. Furthermore, the weld metal has a high hardness that can delay the formation of fatigue cracks but also leads to low toughness. Fundamental investigations on the weldability of an LTT filler material are presented in this work, including the characterization of the weld microstructure, its hardness, phase transformation temperature and mechanical properties. Special attention was applied to avoid imperfections in order to ensure a high weld quality for subsequent fatigue testing. Fatigue tests were conducted on the welded joints of the base materials S355J2 and S960QL using conventional filler materials as a comparison to the LTT filler. Butt joints were used with a variation in the weld type (DY-weld and V-weld). In addition, a component-like specimen (longitudinal stiffener) was investigated where the LTT filler material was applied as an additional layer. The joints were characterized with respect to residual stress, its stability during cyclic loading and microstructure. The results show that the application of LTT consumables leads to a significant increase in fatigue strength when basic design guidelines are followed. This enables a benefit from the lightweight design potential of high-strength steel grades.
Solidification Cracking Assessment of LTT Filler Materials by Means of Varestraint Testing and μCT
(2020)
Investigations of the weldability of metals often deal with hot cracking, as one of the most dreaded imperfections during weld fabrication. The hot cracking investigations presented in this paper were carried out as part of a study on the development of low transformation temperature (LTT) weld filler materials. These alloys allow to mitigate tensile residual stresses that usually arise during welding using conventional weld filler materials. By this means, higher fatigue strength and higher lifetimes of the weld can be achieved. However, LTT weld filler materials are for example, high-alloyed Cr/Ni steels that are susceptible to the formation of hot cracks. To assess hot cracking, we applied the standardized modified varestraint transvarestraint hot cracking test (MVT), which is well appropriate to evaluate different base or filler materials with regard to their hot cracking susceptibility. In order to consider the complete material volume for the assessment of hot cracking, we additionally applied microfocus X-ray computer tomography (μCT). It is shown that by a suitable selection of welding and MVT parameter the analysis of the complete 3D hot crack network can provide additional information with regard to the hot cracking model following Prokhorov. It is now possible to determine easy accessible substitute values (e.g., maximum crack depth) for the extent of the Brittleness Temperature Range (BTR) and the minimum critical strain Pmin.
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.
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.
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.
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 with a load capacity of 2 MN specifically developed for online monitoring of stress formation and cracking are shown. Due to the structural design, global process, geometry and material-dependent stresses are induced, which can be quantified in-situ during welding and post weld heat treatment. 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. Elevated working temperatures significantly increase the tensile residual stresses in the heat affected zone (HAZ). The effect of mechanical stresses resulting from welding on stress relief cracking is demonstrated by the example of a creep resistant steel. Reheat cracks were monitored online during post weld heat treatment.
Welding residual stress engineering by means of an adjusted martensite phase transformation would be highly attractive as detrimental tensile residual stresses may be prevented already during welding without time and cost intensive post processing. The present study shows a synchrotron diffraction analysis of a martensitic steel subjected to thermo-mechanical load cycles. Experiments were conducted regarding the microstructural strain response during the austenite to martensite transformation. The strains are a function of the temperature and the specific loads applied during cooling. The relation between the transformation plasticity of the material, the amount of martensite formed and the arising strains can thus be assessed. The lattice plane specific strains were compared to experimental findings from (macro) dilatation tests. It is shown that the microscopic material behavior differs remarkably from the one observed on the macroscopic scale, what leads to characteristic residual stresses in the material.
Welding residual stress engineering by means of an adjusted martensite phase transformation would be highly attractive as detrimental tensile residual stresses may be prevented already during welding without time and cost intensive post processing. The present study shows a synchrotron diffraction analysis of a martensitic steel subjected to thermo-mechanical load cycles. Experiments were conducted regarding the microstructural strain response during the austenite to martensite transformation. The strains are a function of the temperature and the specific loads applied during cooling. The relation between the transformation plasticity of the material, the amount of martensite formed and the arising strains can thus be assessed. The lattice plane specific strains were compared to experimental findings from (macro) dilatation tests. It is shown that the microscopic material behavior differs remarkably from the one observed on the macroscopic scale, what leads to characteristic residual stresses in the material.
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.
Over the past years economic and environmental considerations have led to a markedly increased demand for efficiency and flexibility in petrochemical plants. The operational temperatures and pressures required today can only be achieved by using new creep-resistant grades of steel. The modified 13CrMoV9-10 vanadium steel shows a good resistance against creep and compressed hydrogen and has been in use for the construction of petrochemical reactors since the mid-1990s. Nevertheless, processing of this type of steel requires extreme care during the welding procedure. This is due to its low toughness and high strength in the welded state when not post weld heat treated combined with increased susceptibility to cracking during stress relaxation. Previous research into crack formation in creep-resistant steels has largely focused on thermal and metallurgical factors; however, little knowledge has been gathered regarding the influence of the welding procedure on crack formation during post weld heat treatment considering real-life manufacturing conditions. The influence of heat control on the mechanical properties has been investigated by simulating the welding and subsequent post weld heat treatment operations during the construction of petrochemical reactors using a special 3-D testing facility on the laboratory scale.
This work is subdivided in two parts. In part I of this study the stresses resulting from preheating, welding, dehydrogenation heat treatment and the final post weld heat treatment were analyzed during experiments under varied heat control. In all experiments stress relief cracks formed during post weld heat treatment could be observed. The total crack lengths correlated with the welding induced stresses.
Part II of this work is dedicated to the characterization of the cracks and the microstructure. The application of a special acoustic emission analysis indicated that the cracks formed in a temperature range between 300 °C and 500 °C during the post weld heat treatment. In comparison to small scale specimens welded without additional shrinkage restraint, the toughness of the restrained welds was significantly decreased. SEM and TEM analyses of all samples revealed accelerated aging due to early precipitation of special carbides during post weld heat treatment under component relevant restraint.
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.
Wirtschaftliche und ökologische Aspekte führten in den letzten Jahren zu deutlich gesteigerten Anforderungen an die Effizienz und die Flexibilität petrochemischer Anlagen. Die heutzutage geforderten Prozesstemperaturen und -drücke lassen sich nur durch den Einsatz neuer warmfester Stahlgüten erreichen. Der mit Vanadium modifizierte Stahl 13CrMoV9-10 weist eine bessere Kriech- und Druckwasserstoffbeständigkeit auf und wird seit Mitte der 90er Jahre im petrochemischen Reaktorbau eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Zähigkeit und hohen Festigkeit des Schweißgutes im geschweißten, nicht spannungsarm geglühten Zustand sowie einer erhöhten Sensitivität gegenüber Spannungsrelaxationsrissen bedarf dieser Stahl allerdings einer äußerst sorgfältigen schweißtechnischen Verarbeitung. Bisherige Untersuchungen zur Rissentstehung in warmfesten Stählen konzentrierten sich vorrangig auf thermische und metallurgische Einflussfaktoren, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss des Schweißprozesses auf die Rissbildung beim Spannungsarmglühen unter Berücksichtigung realitätsnaher Fertigungsbedingungen.
Im ersten Teil wurde zunächst der Einfluss der Wärmeführung auf die mechanischen Eigenschaften anhand von frei schrumpfenden Laborproben untersucht. Während sich die Wärmeführung wesentlich auf die Schweißnahtstruktur auswirkte, war ein signifikanter Effekt auf die mechanischen Eigenschaften nicht nachweisbar. Auch traten infolge der Wärmenachbehandlung der frei schrumpfend geschweißten Proben keine Spannungsrelaxationsrisse auf.
Der zweite Teil umfasste die realitätsnahe Abbildung der Fertigungsbedingungen im petrochemischen Reaktorbau. Zu diesem Zweck wurden die konstruktiven Randbedingungen während des Vorwärmens, Schweißens, des Wasserstoffarmglühens und der abschließenden Wärmenachbehandlung realitätsnah in einer speziellen 3-D-Prüfanlage zur Simulation von Bauteilschweißungen abgebildet. Unter konstruktiver Schrumpfbehinderung gelang der Nachweis der unterschiedlichen Wirkung von Vorwärm- / Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie auf die resultierenden Kräfte, Momente und Spannungen. Die Gesamtreaktionsspannung nach dem Schweißen wurde innerhalb des untersuchten Parameterfeldes maßgeblich durch die Streckenenergie beeinflusst.
Ein möglichst geringer Gesamtwärmeeintrag hat die niedrigste Bauteilbeanspruchung zur Folge. Während der Wärmenachbehandlung kam es in allen Versuchen zu Spannungsrelaxationsrissen. Deren kumulierte Länge korrelierte mit den ermittelten schweißbedingten Reaktionsspannungen.
Die Detektion der Risse während der Wärmenachbehandlung im Bauteilversuch erfolgte erstmalig in-situ mittels Schallemissionsanalyse. Die Rissinitiierung fand nachweislich im Temperaturbereich von 300 °C bis 500 °C statt. Die Reaktionsspannungen nach der Wärmenachbehandlung lagen unabhängig von der Ausgangsbelastung auf einem vergleichbaren Niveau. Die Zähigkeit der Schweißverbindung nahm klar gegenüber den frei schrumpfend geschweißten Proben ab.
Mittels REM- und TEM-Analysen an vergleichbaren belasteten und unbelasteten Proben wurde eine beschleunigte Alterung, durch das frühzeitige Ausscheiden von Sonderkarbiden während der Wärmenachbehandlung unter definierter Einspannung (d. h. unter Belastung), nachgewiesen. Die verstärkte Korngrenzensegregation korrelierte mit der signifikanten Abnahme der Kerbschlagarbeit der unter Einspannung geschweißten Proben.
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, see Fig. 1a. The reason is the deeper weld penetration in case of Mod. SA (Fig. 1b and Fig. 1c), 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.
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 ersten Teil dieses Beitrages werden grundlegende Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung eines LTT-Zusatzwerkstoffes präsentiert. Dies beinhaltet zunächst die Sicherstellung der Schweißbarkeit sowie die Charakterisierung der Schweißgefüge und deren Härte mit dem Ziel, reproduzierbare Verbindungseigenschaften für die nachfolgende Schwingfestigkeitsprüfung herzustellen.
Der zweite Teil des Beitrages beschäftigt sich mit den dazugehörigen Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Stählen S355J2 und S960Q unter Verwendung konventioneller Zusatzwerkstoffe im Vergleich zum LTT-Zusatz.
Das verwendete Schweißdetail ist eine Verbindungsschweißung am Stumpfstoß unter Variation der Schweißnahtausführung (DY-Naht und V-Naht). Weitergehend wird eine bauteilähnliche Probe (die Längssteife) untersucht, bei der der LTT-Zusatzwerkstoff als zusätzliche Schweißlage aufgebracht wurde. Neben der Schwingfestigkeit werden die Schweißnähte hinsichtlich der Eigenspannungen, der Eigenspannungsstabilität im Schwingversuch sowie metallografisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass LTT-Zusatzwerkstoffe unter Einhaltung wesentlicher Konstruktionsrichtlinien zu einem deutlichen Anstieg der Schwingfestigkeit führen. Dadurch kann das Leichtbaupotential hochfester Stahlgüten genutzt werden.
Additive Manufacturing (AM) through the Selective Laser Melting (SLM) route offers ample scope for producing geometrically complex parts compared to the conventional subtractive manufacturing strategies. Nevertheless, the residual stresses which develop during the fabrication can limit application of the SLM components by reducing the load bearing capacity and by inducing unwanted distortion, depending on the boundary conditions specified during manufacturing.
The present study aims at characterizing the residual stress states in the SLM parts using different diffraction methods. The material used is the nickel based superalloy Inconel 718. Microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were characterized. For the residual stress analysis, X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The measurements were performed at BAM, at the EDDI beamline of -BESSY II synchrotron- and the E3 line -BER II neutron reactor- of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin.
The results reveal significant differences in the residual stress states for the different characterization techniques employed, which indicates a dependence of the residual state on the penetration depth in the sample. For the surface residual stresses, longitudinal and transverse stress components from both X-ray and synchrotron agree well and the obtained values were around the yield strength of the material. Furthermore, synchrotron mapping disclosed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. On the other hand, lower residual stresses were found in the bulk of the material measured using neutron diffraction. The longitudinal component was tensile and decreased towards the boundary of the sample. In contrast, the normal component was nearly constant and compressive in nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers. Further investigations are planned to study the phenomenon in detail.
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.
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.
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.
Compared to conventional welding consumables using low transformation temperature (LTT) filler materials is an innovative method to mitigate tensile residual stresses due to delayed martensite transformation of the weld. For the effective usage of LTT filler materials, a deeper understanding of the complex processes that lead to the final residual stress state during multipass welding is necessary. Transformation kinetics and the strain evolution of multi-pass welds during welding were investigated in situ at the beamline HEMS@PETRAIII, Germany. Compared to conventional welds, the total strain was reduced and compression strain was achieved when using LTT filler materials. For an optimal use of the LTT effect in the root of multi-pass welds, the alloying concept must be adapted taking care of dilution.
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 ersten Teil dieses Beitrages werden grundlegende Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung eines LTT-Zusatzwerkstoffes präsentiert. Dies beinhaltet zunächst die Sicherstellung der Schweißbarkeit sowie die Charakterisierung der Schweißgefüge und deren Härte mit dem Ziel, reproduzierbare Verbindungseigenschaften für die nachfolgende Schwingfestigkeitsprüfung herzustellen. Der zweite Teil des Beitrages beschäftigt sich mit den dazugehörigen Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Stählen S355J2 und S960Q unter Verwendung konventioneller Zusatzwerkstoffe im Vergleich zum LTT-Zusatz.
Das verwendete Schweißdetail ist eine Verbindungsschweißung am Stumpfstoß unter Variation der Schweißnahtausführung (DY-Naht und V-Naht). Weitergehend wird eine bauteilähnliche Probe (die Längssteife) untersucht, bei der der LTT-Zusatzwerkstoff als zusätzliche Schweißlage aufgebracht wurde. Neben der Schwingfestigkeit werden die Schweißnähte hinsichtlich der Eigenspannungen, der Eigenspannungsstabilität im Schwingversuch sowie metallografisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass LTT-Zusatzwerkstoffe unter Einhaltung wesentlicher Konstruktionsrichtlinien zu einem deutlichen Anstieg der Schwingfestigkeit führen. Dadurch kann das Leichtbaupotential hochfester Stahlgüten genutzt werden.
Additive Manufacturing (AM) through the Selective Laser Melting (SLM) route offers ample scope for producing geometrically complex parts compared to the conventional subtractive manufacturing strategies. Nevertheless, the residual stresses which develop during the fabrication can limit application of the SLM components by reducing the load bearing capacity and by inducing unwanted distortion, depending on the boundary conditions specified during manufacturing. The present study aims at characterizing the residual stress states in the SLM parts using different diffraction methods. The material used is the nickel based superalloy Inconel 718. Microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were characterized.
For the residual stress analysis, X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The measurements were performed at BAM, at the EDDI beamline of -BESSY II synchrotronand the E3 line -BER II neutron reactor- of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. The results reveal significant differences in the residual stress states for the different characterization techniques employed, which indicates the dependence of the residual state on the penetration depth in the sample. For the surface residual stresses, longitudinal and transverse stress components from X-ray and synchrotron agree well and the obtained values were around the yield strength of the material. Furthermore, synchrotron mapping disclosed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. On the other hand, lower residual stresses were found in the bulk of the material measured using neutron diffraction. The longitudinal component was tensile and decreased towards the boundary of the sample. In contrast, the normal component was nearly constant and compressive in nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers. Further investigations are planned to study the phenomenon in detail.
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 load 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. 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 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.
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 dominant role concerning so-called stress relief cracking (SRC) typically during post weld heat treatment (PWHT). Besides specific metallurgical factors (like secondary hardening due to reprecipitation), 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-remelted 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 comparable 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.
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 ersten Teil dieses Beitrages werden grundlegende Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung eines LTT-Zusatzwerkstoffes präsentiert. Dies beinhaltet zunächst die Sicherstellung der Schweißbarkeit sowie die Charakterisierung der Schweißgefüge und deren Härte mit dem Ziel, reproduzierbare Verbindungseigenschaften für die nachfolgende Schwingfestigkeitsprüfung herzustellen.
Der zweite Teil des Beitrages beschäftigt sich mit den dazugehörigen Schwingfestigkeitsuntersuchungen an den Stählen S355J2 und S960Q unter Verwendung konventioneller Zusatzwerkstoffe im Vergleich zum LTT-Zusatz. Das verwendete Schweißdetail ist eine Verbindungsschweißung am Stumpfstoß unter Variation der Schweißnahtausführung (DY-Naht und V-Naht). Weitergehend wird eine bauteilähnliche Probe (die Längssteife) untersucht, bei der der LTT-Zusatzwerkstoff als zusätzliche Schweißlage aufgebracht wurde. Neben der Schwingfestigkeit werden die Schweißnähte hinsichtlich der Eigenspannungen, der Eigenspannungsstabilität im Schwingversuch sowie metallo-grafisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass LTT-Zusatzwerkstoffe unter Einhaltung wesentlicher Konstruktionsrichtlinien zu einem deutlichen Anstieg der Schwingfestigkeit führen. Dadurch kann das Leichtbaupotential hochfester Stahlgüten genutzt werden.
Additive Manufacturing (AM) through the Selective Laser Melting (SLM) route offers ample scope for producing geometrically complex parts compared to the conventional subtractive manufacturing strategies. Nevertheless, the residual stresses which develop during the fabrication can limit application of the SLM components by reducing the load bearing capacity and by inducing unwanted distortion, depending on the boundary conditions specified during manufacturing. The present study aims at characterizing the residual stress states in the SLM parts using different diffraction methods. The material used is the nickel based superalloy Inconel 718. Microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were characterized. For the residual stress analysis, X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The measurements were performed at BAM, at the EDDI beamline of -BESSY II synchrotronand the E3 line -BER II neutron reactor- of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. The results reveal significant differences in the residual stress states for the different characterization techniques employed, which indicates the dependence of the residual state on the penetration depth in the sample. For the surface residual stresses, longitudinal and transverse stress components from X-ray and synchrotron agree well and the obtained values were around the yield strength of the material. Furthermore, synchrotron mapping disclosed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. On the other hand, lower residual stresses were found in the bulk of the material measured using neutron diffraction. The longitudinal component was tensile and decreased towards the boundary of the sample. In contrast, the normal component was nearly constant and compressive in nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers. Further investigations are planned to study the phenomenon in detail.
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.
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.