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In modernen Stahlkonstruktionen werden immer häufiger hochfeste Feinkornbaustähle erfolgreich eingesetzt. Dies resultiert aus dem aktuellen Bestreben, leichte Komponenten zu fertigen und damit die Energie- und Ressourceneffizienz zu steigern. Die Herausforderungen an die Auslegung und Herstellung geschweißter Bauteile nimmt jedoch mit steigenden Festigkeiten und abnehmenden Dehnungsreserven der eingesetzten Werkstoffe zu. So können hohe Schweißeigenspannungen die Beanspruchbarkeit und Bauteilsicherheit kritisch herabsetzen. Untersuchungen zeigten bereits deutliche Einflüsse von Werkstoff, Wärmeführung sowie Schweißprozessparametern und der um-gebenden Konstruktion der Schweißnaht auf den Beanspruchungszustand geschweißter Bauteile. Der Einsatz moderner modifizierter Sprühlichtbogenprozesse (mod.SLB) gestattet in diesen Zusammenhang neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen das Schweißen einer deutlich schmaleren Nahtgeometrie. Aufgrund des resultierenden reduzierten Gesamtwärmeeintrages sind deutlich geringere schweißbedingte Beanspruchungen und eine höhere Beanspruchbarkeit hochfester Schweißkonstruktionen erreichbar. Unter Nutzung spezieller Prüfanlagen konnten mehrlagige Schweißexperimente zur Analyse des Einflusses der Nahtgeometrie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung hochfester Schweißverbindungen bei bauteilähnlichen Einspannbedingungen durchgeführt werden. Für die reduzierten Nahtvolumina zeigte sich eine signifikante Absenkung des Beanspruchungsniveaus während des Schweißens und nach der Abkühlung.
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.
Ausgehend vom derzeit vorrangigen Einsatz in Mobilkranen, kommen höherfeste Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen ab 960 MPa zunehmend auch in anderen modernen Stahlkonstruktionen zur Anwendung. Dies ist aufgrund aktueller Forderungen nach Energie- und Ressourceneffizienz im Sinne des konstruktiven Leichtbaus vielfach notwendig. Die Verwendung höherfester Stähle sowie deren schweißtechnische Verarbeitung, insbesondere in sicherheitsrelevanten Tragstrukturen, erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und den nahtnahen Bereichen. Vorwiegend werden höherfeste Güten mittels MAG-Prozess geschweißt. Bedeutende Fortschritte in der Regelungstechnik führten unter den Herstellern von Schweißstromquellen in den letzten Jahren zur Entwicklung zahlreicher modifizierter Sprühlichtbogenprozesse (mod. SLB). Diese Prozesse ähneln sich in ihren Eigenschaften und ermöglichen die bekannten positiven Aspekte, wie Einsparung an Schweißzusatz sowie Schweiß- und Rüstzeit aufgrund der Möglichkeit reduzierter Nahtöffnungswinkel. Der mod. SLB bedingt zusammen mit einer anderen Nahtgeometrie veränderte Naht- und Schweißraupenquerschnitte sowie einen abweichenden Lagenaufbau. Diese wirtschaftlich-technisch attraktive Möglichkeit reduzierter Nahtöffnungswinkel findet in den Regelwerken zur schweißtechnischen Verarbeitung höherfester Feinkornbaustähle unter Vermeidung von Kaltrissbildung bisher keine Berücksichtigung. Dabei gilt es, gerade die Interaktion der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung unter reduziertem Nahtöffnungswinkel zu betrachten. Im Rahmen zweier AiF-Forschungsvorhaben (IGF-Nr. 17.978 N, 18.596 BR) wurde daher der Einfluss der Wärmeführung anhand vergleichender Mehrlagenschweißungen mittels konventionellem Übergangslichtbogen und mod. SLB mit angepasster Nahtkonfiguration auf schweißbedingte Beanspruchungen sowie auf die Wasserstoffkonzentration im Schweißgut untersucht.
High-strength low-alloyed (HSLA) steels with yield strength ≥ 690 MPa have increasing importance in steel construction and civil engineering. However, weld processing of those steels is a major challenge. The susceptibility for degradation of mechanical properties of weld joints significantly increases in presence of hydrogen and can result in hydrogen assisted cracking (HAC). Generally, risk for HAC increases with increasing yield strength of HSLA steels. To minimize the incidence of HAC, it is essential to gain knowledge about both the (1) absorbed hydrogen amount and its distribution in the weld seam and (2) options to lower
the amount of introduced hydrogen. Existing standards recommend heat treatment procedures (interpass temperature or post weld heat treatment) to reduce the diffusible hydrogen concentration in weldments. In this context, different weld seam geometries should be considered. For HSLA steel fabrication weld processing with seam opening angles of 45° to 60° is typical. Modern weld technologies allow welding with seam opening angles of 30° - reduced welding time and costs. In the present study, the hydrogen distribution in multi-layer welds of a 960 MPa HSLA steel was analysed. Influence of different seam opening angles as well as heat input, interpass temperature and post weld heat treatments were investigated. The welded samples were quenched in ice water immediately after welding and subsequently stored in liquid nitrogen. After defined warming up, small specimens were machined from the weld seam by water jet cutting. The diffusible hydrogen concentration was measured by carrier gas hot extraction with coupled mass spectrometer. The results showed, that low heat input and post weld heat treatment procedures can lower hydrogen concentrations in welds. Furthermore, a gradient of the hydrogen concentration was
identified with increasing weld pool depth. By varying the seam opening angles different hydrogen concentrations were
measured.
The increased application of higher-strength steels and filler materials necessitates a more profound understanding of the interactions between the welding process, the heat input, the cooling conditions and the resulting metallurgical processes in the weid and its surroundings. Strategies, which help to improve the strength properties and life-time of welded stmctures to such an extent that the utilisation of higher-strength materials can be justified and their lightweight construction potential can thus be exploited to the füll, can only be derived from the interaction between all the influencing factors. Examples of a few investigations on welded joints between higher-strength fine-grained structural steels with regard to the interactions between the main variables influencing the cold cracking are presented in this article.
Neutron imaging has become a valuable tool for measuring hydrogen distributions qualitatively and quantitatively in metals. Hydrogen mass flow can be measured inside cm thick Steel samples with 10 s temporal resolution. Hydrogen accumulations around craclcs in embrittled iron samples can be visualized three-dimensionally. The gas pressure of hydrogen in crack cavities has been measured to be in the ränge of 5 MPa to 15 MPa. This quality of information allows new insights for the analysis of damage mechanisms on a micrometer scale, e.g., of hydrogen blistering. Further, this method is nondestructive and provides local information in situ and in three dimensions with a spatial resolution of 20 µm - 30 µm.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ableiten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.
As an approach towards more rough industrial laser welding applications, the Nd:YAG laser welding process has been coupled to the plasma powder welding process for the first time. Process stabilities have been achieved by such hybrid welding which are even better than those known from previous coupling of the laser process with gas metal arc welding (GMAW), for instance.
The present contribution focuses on the technology and potentials of the novel laser hybrid welding technique and addresses the realisation and the perspectives for practical applications. The experimental results demonstrate that the new process coupling enables welding of austenitic stainless steels in the thickness range between 3 mm and 8 mm at various weld geometries and joint configurations and at welding speeds exceeding 2 m/min. In addition it has been proven that the laser plasma powder arc welding (LPPAW) technique can also be applied to out-of-position conditions. Continuous advancement of the welding equipment ensures a high gap bridging ability and levelling of misalignment due to higher powder feeding rates. The recent development of a new plasma powder torch even provides a higher efficiency of powder feeding and guarantees smoth weld surfaces. Up to the present, the investigations demonstrated that the novel laser plasma powder hybrid welding technique offers all perspectives for application in pipe fabrication, ship building and offshore as well as transportation industry.
Low Transformation Temperature (LTT) alloys are high alloyed filler materials, which exhibit a martensitic phase transformation at comparatively low temperatures in order to prevent high tensile residual stresses. A number of publications have already shown that even compressive residual stresses can be observed when using LTT filler materials. Up to know it is not clear in which way this it applicable to multi-run welding exhibiting high shrinkage restraint and complex heat input. In this study the potential for stress reduction during welding of LTT alloys was studied by numerical simulation. This allows for evaluation of the stress development in every single weid run. Additionally, the impact of the structural stiffness was incorporated by modelling a special sample geometry exhibiting a high intensity of restraint. The results show that the stress formation in weid longitudinal direction is determined by the phase transformation as high compressive residual stresses were found here independent from the weid run. On the other hand the transformation induced stresses in weid transverse direction are superimposed by tensile stresses originated from shrinkage restraint. With increasing number of runs the tensile residual stress level is raised. The results were confirmed by residual stress measurements using diffraction methods.
The increasing application of supermartensitic steels for welded pipelines is an economical alternative to the hitherto used higher-alloyed materials in the North Sea oil and gas indus-try. Failure in such constructions must at any rate be excluded for economical and ecologi-cal reasons. The application of these steels for the transport of corrosive mixtures may, however, involve hydrogen pickup with subsequent hydrogen-assisted stress corrosion cracking. It is therefore necessary not only to assure the weldability, but particularly to have best possible knowledge of the service behaviour and of the failure risk. In order to ensure the transferability of test results to real joined components, innovative test methods are in-creasingly required to be incorporated into a closed test sequence. It will be demonstrated how it is possible to gain significant advantages from the direct comparison between ex-perimentally determined results from component weld tests on the one hand and material-specific data from small-scale tests on the other hand and numerical simulations. These data that have now been made available are of major importance for industrial applications and are considered to provide a sound basis for realistic lifetime assessments.
This article presents the latest results of an ongoing national research project on improved models for the prediction of welding residual stresses of thick-plated welded I-girders. The experimental program is presented and the importance of different influencing factors on the residual stresses is discussed in detail. All results are compared for mild (S355J2+N) and high strength (S690QL) steel. Finally, conclusions for further works are drawn.
This article addresses the imperfections caused by the weld assembly in I-shape sections made of two structural steel grades. Load influencing imperfections are assumed as deviations from the ideal shape (e.g. bending distortion) and longitudinal residual stresses. The quality of a numerically aided design of components exposed to either compression and/or bending is significantly affected, depending on these parameters. The Eurocode (EC3) provides robust simplified models. As a result, the Ultimate Limit State (ULS) is approached on a conservative basis. The following investigations are aimed at providing further guidance on these values in component-like specimens. The long term goal is an improved understanding of the load-bearing capacity of such sections. As a first step in this process, the experimental and corresponding numerical studies are presented.
A commonly used way of minimizing the occurrence of hot cracks, especially solidification cracks during component welding, is mainly to analyse and vary process parameters such as welding speed and consequently the heat input. Metallurgy and component design are however hardly ever considered due to special production requirements and therefore, restricted flexibility in material selection and design. Such conditions, especially crack-critical welding positions are given by slot-welds or welds near pre-deformed areas, for instance bending edges. Hence, it follows that increased local and global residual component stress caused cracking on reaching a solidification crack critical level, which is characterised by solidification crack initiation.
The application of high-strength fine-grained structural steels with yield stress ≥ 690 MPa permits significant weight reductions and cost savings. Since welding is the major joining technology, e.g. in mobile crane industry, the sustainable and economical application of these grades depends on the load-bearing capacity and safety of the welds. An economical processing of high-strength steels is determined above all by the avoidance of cold cracking, apart from achieving demand-oriented mechanical properlies in the weid area. High tensile residual stresses are disadvantageaus regarding the cold cracking resistance and strength of welded components. Furthermore, high restraints commonly appearing in component welds increase residual stresses. Hence, in this research the influences of heat control on residual stresses and the overall structural Ioad of welded structures were quantified. The relationship between the weid thermal cycle and the resulting residual stress under additional shrinkage restraint was analysed by a successive augmentation of the restraint intensity. This was achieved by systematic low Ioad and component weid tests. lt was observed that the heat control significantly affects the local residual stresses and the overall structural Ioad of welded structures. A high interpass temperature increases the global and local welding stresses in particular. Moreover, the transferability of experimental welding results obtained from small specimens according to applicable codes to real component geometries was investigated. With the help of these findings it is possible to improve existing heat control concepts for high-strength steel welding.
Aktuelle Bestrebungen zum Leichtbau sowie zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz führen zum steigenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle in einer deutlich wachsenden Anzahl von Branchen. Mit zunehmender Festigkeit steigt die Herausforderung an die schweißtechnische Verarbeitung und Bemessung der Konstruktion infolge engerer Verfahrensgrenzen und hoher Streckgrenzenverhältnisse [1]. Moderne modifizierte Sprühlichtbogenprozesse gestatten neben den bekannten wirtschaftlichen Vorteilen gerade im Zusammenhang mit der veränderten Nahtgeometrie, dem reduzierten Schweißnahtvolumen sowie Gesamtwärmeeintrag deutlich geringere schweißbedingte Beanspruchungen. Dadurch erhöht sich die Beanspruchbarkeit hochfester Schweißkonstruktionen. in den Untersuchungen wurde der Einfluss von Schweißprozess und damit verbundener Nahtgeometrie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in hochfesten Schweißverbindungen ermittelt. Mit einer speziellen Prüfanlage (CTW-Test) wurden Proben unter definiertem, bauteilrelevantem Einspanngrad in Nahtquerrichtung mehrlagig geschweißt. Dabei zeigte sich insbesondere für das Nahtvolumen ein signifikanter Einfluss auf die globalen Reaktionsspannungen. Ferner sind die lokalen Zugeigenspannungen im Bereich des Schweißgutes durch den Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse geringer.
Die experimentelle Spannungsanalyse dient einerseits zur Ermittlung von Materialeigenschaften, andererseits erlangt sie gerade für die wirtschaftliche Auslegung und die Integrität von geschweißten Komponenten zunehmend an Bedeutung.
Da die Höhe und Veränderung von Bauteilbeanspruchungen und deren Auswirkung auf die Sicherheit von einer Vielzahl und sich überlagernder werkstofflicher, mechanischer und thermischer Einflussfaktoren (Steifigkeitsverhältnisse, Fertigungsprozesse, Lastwechsel) abhängt, sind fertigungs- bzw. betriebsbegleitende Messungen von mechanisch und thermisch bedingten Dehnungen und daraus ermittelten Spannungen oftmals unumgänglich.
In geschweißten Komponenten sind oft komplexe Spannungs- bzw. Eigenspannungsverteilungen in den verschiedenen Raumrichtungen vorhanden. In Abhängigkeit vom anzusetzenden Tragfähigkeitsnachweis bzw. Berechnungskonzept des Tragwerkes sind sowohl experimentelle Methoden mit hoher Ortsauflösung (lokale Messungen) als auch mehrdimensionale Analysen über weite Bereiche des Bauteils (globale Messungen) von Dehnungen und Spannungen notwendig.
Große Materialstärken und komplexe Strukturen bewirken eine erhebliche Schrumpfbehinderung der Schweißnaht.
Die aus dem Schweißprozess resultierenden multiaxialen Belastungen tragen maßgeblich zur Gesamteigenbeanspruchung einer Schweißkonstruktion bei und lassen sich nur unter realen Fertigungsbedingungen analysieren.
Zur wirklichkeitsnahen Simulation der komplexen Steifigkeitsverhältnisse realer Bauteile wurden hierzu in einer speziellen 3D-Prüfanlage UP-Mehrlagenschweißungen am warmfesten Stahl 13CrMoV9-10 durchgeführt. Während der schweißtechnischen Fertigung sowie der Abkühlung auf Raumtemperatur wurden die Proben an der freien Ausdehnung und Schrumpfung gehindert. Der Einfluss der Wärmeführung, d.h. Streckenenergie (E) und Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur (T(Pli>), auf die resultierende Bauteilbeanspruchung wurde durch in-situ Messungen der Reaktionskräfte (Fy) und Biegemomente (Mx) während des Schweißens und der anschließenden Wasserstoffarmglühung untersucht. Sowohl die Reaktionskräfte als auch die Biegemomente steigen mit zunehmender Vorwärmtemperatur an und somit erhöht sich die Beanspruchung des Wurzelbereiches. Während die Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur einen signifikanten Einfluss auf die resultierenden Reaktionskräfte hat, ist der Einfluss auf die Biegemomente nach Abkühlung auf Raumtemperatur vernachlässigbar. Eine Erhöhung der Streckenenergie wirkt sich nur geringfügig auf die Höhe der Endreaktionskraft aus, beeinflusst aber signifikant das resultierende Biegemoment nach erfolgter Abkühlung auf Raumtemperatur.
Der verstärkte Einsatz höherfester Stähle und Zusatzwerkstoffe erfordert ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Schweißverfahren, Wärmeeinbringung, Abkühlbedingungen sowie den daraus resultierenden metallurgischen Vorgängen in der Schweißnaht und deren Umgebung. Nur aus dem Zusammenwirken aller Einflussfaktoren lassen sich Strategien ablelten, mit deren Hilfe die Festigkeitseigenschaften bzw. die Lebensdauer von Schweißkonstruktionen in einem Maße verbessert werden können, die den Einsatz höherfester Werkstoffe rechtfertigen und somit deren Leichtbaupotenzial voll ausgenutzt werden kann. Vorgestellt werden einige beispielhafte Untersuchungen an Schweißverbindungen aus höherfesten Feinkornbaustählen zu Interaktionen der Haupteinflussgrößen auf die Kaltrissbildung.
In modernen Schweißkonstruktionen des Stahl- und Ingenieurbaus werden zunehmend hochfeste Feinkornbaustähle eingesetzt. Grundsätzlich sind während der schweißtechnischen Verarbeitung hochfester Stahlgüten aufgrund ihres speziellen Gefüges und wegen ihres vergleichweise hohen Streckgrenzenverhältnisses engere Verfahrensgrenzen einzuhalten, als bei Stählen mit niedrigerer Festigkeit. Die Sicherheit von hochfesten Schweißverbindungen erfordert präzise Kenntnisse über die Höhe und Verteilung der schweißbedingten Beanspruchungen, da sie die erreichbare Tragfähigkeit unmittelbar beeinflussen. In den Untersuchungen wurde der Einfluss der Wärmeführung in Form der Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie auf die Eigenspannungsausbildung und Gesamtbeanspruchung in hochfesten Schweißverbindungen ermittelt. Zur Berücksichtigung einer äußeren Bauteilsteifigkeit wurden die Proben in Nahtquerrichtung unter einem definierten Einspanngrad in einer speziellen Prüfanlage (CTW-Test) mehrlagig geschweißt. Es zeigte sich beispielsweise, dass insbesondere die Zwischenlagentemperatur einen direkten Einfluss auf die globalen Reaktionsspannungen hat. Ferner bedingt die Erhöhung der Wärmeführung ein deutliches Anheben der Zugeigenspannungen im Bereich des Schweißgutes.
Energy dispersive synchrotron diffraction for in-situ analyses of hydrogen behavior in steels
(2013)
The extent of hydrogen embrittlement phenomenon is dependent on the interaction of hydrogen with the material i.e. diffusion behavior, lattice distortions, phase transformations and residual stresses developments. For the better understanding of the hydrogen interaction with the metal, possibilities of performing in-situ observations of the mentioned factors has to be accomplished. The EDDI (Energy Dispersive Diffraction) beamline at the BESSY II facility in Berlin provides this possibility and was used in order to investigate the aspects of this phenomenon in in-situ scale.
The energy dispersive method entails a synchrotron X-ray white beam with a wide energy range (20–120 keV) which allows a fixed position of the sample and the detector, and combined with the high photons flux it allows a very short measurement time for obtaining a full scale X-Ray Diffraction patterns.
In this contribution, the successful usage of high energy X-rays, applied for the first time for hydrogen behavior observations, provided the ability for evaluating in-situ the hydrogen diffusion behavior and the hydrogen interaction with stresses fields in the material.
Steel samples were charged with hydrogen and examined by Synchrotron radiation.
Two different methods were used in this research; the first is diffusible hydrogen concentration evaluation extracted from the lattice distortions, i.e. changes of the lattice parameter. The second is calculation of the residual stresses present in the sample and the interaction of hydrogen with them, using the known sin2ψ method.