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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.