Effect of various Factors on Toughness in P92 SAW Weld Metal

Effect of various Factors on Toughness in P92 SAW Weld Metal

May 2009 - Mai 2009
N°4
The technical journal of Oerlikon welding and cutting expertise.
Das technische Magazin von Oerlikon.
Kompetenz für Schweißen und Schneiden.
Effect of various
Factors on Toughness
in P92 SAW Weld Metal 5
Welding Consumables
Development for High
Strength Steel Joints for
Oil & Gas Applications 13
Laser and Hybrid
Welding of Ultra High
Strength Steels 26
Einflussfaktoren auf die
Zähigkeitseigenschaften
des UP-Schweißguts bei
P92-Werkstoffen 5
Schweißzusätze
zum Schweißen
hochfester Stähle in der
Öl- und Gasindustrie 13
Laser- und
Hybridschweißen
ultrahochfester stähle 26
www.oerlikon-welding.com
May 2009 - Mai 2009
COMPETENCE
KOMPETENZ
Foreword
Vorwort
In CTAS, the AIR LIQUIDE Technical Centre for welding & cutting
applications, our main objective is to provide the OERLIKON brand with
innovative solutions, giving a significant competitive edge to our
customers through a comprehensive range of welding consumables and
welding and cutting equipment for manual and automated installations.
Driven by the industrial fabrication markets, the R&D teams regularly
introduce new products using a short product-development cycle
ensuring both increased performance and product quality. To meet
this need, these well motivated teams are developing new applications
and new technologies in order to be at the forefront of innovation.
CTAS is well equipped with the most advanced analytical equipment,
so that complete product characterisations are performed in house.
Increasingly, the industrial success of an innovative product is the
result of a series of coordinated actions between AL and the final user.
This is the reason that ALW develops solutions in direct cooperation
with our industrial and academic partners.
This close relationship with steel makers for example, allows ALW to
monitor materials trends very closely. As steels are developed with
increased strength, corrosion resistance, creep resistance and other
performance enhancements, welding these new steels often becomes
more challenging. The ALW response is to provide industrial solutions.
Collaborations with end-users creates the opportunity of meaningful
technological developments, through a better understanding of
industrial needs, by preparing for the future together.
We also investigate the most fundamental topics for future
applications in collaboration with academic partners such as colleges
and some of the most prestigious universities.
Our final objective is to ensure that these ingredients are combined to
generate creativity and reactivity in our customer service.
This fourth issue of OERLIKON Competence highlights our latest
developments with a special focus on the energy industry with the
development of welding consumables for steel grade 92, dedicated to
fabrication applications in fossil fuelled thermal power plants. Potential
savings are anticipated by utilising these new materials.
High strength X100 and X120 steel grades for oil & gas applications
are an area of increased industrial activity and various aspects of the
development of a new range of welding consumables are described.
OERLIKON products have been well recognised for a long time in
these energy related applications.
The third article investigates laser and laser hybrid welding of Ultra
High Strength Steels (UHSS) in automotive fabrication. The laser-MIG
hybrid gave the best compromise. This research-oriented process
development of this new welding technology for full scale production
has been identified as important for the near future.
During the “Schweissen and Schneiden” international welding and
cutting exhibition in September 2009, we will be pleased to welcome
you at the ALW booth to discuss the relevance of these developments,
how they may be applied to your activities and to discuss our latest
innovations with you.
We hope you will enjoy reading these technical papers in this new
edition of OERLIKON “Competence”.
In den Mittelpunkt der vierten Ausgabe des OERLIKON
Competence Journals haben wir die neusten Entwicklungen von
Schweißzusatzwerkstoffen für den Energiesektor gestellt. Wir
berichten über Schweißzusätze für P 92 Werkstoffe die
insbesondere bei den mit fossilen Brennstoffen betriebenen
Wärmekraftwerken verarbeitet werden und dem Anwender eine
Reihe von Vorteilen bieten. Auch an hochfesten X100 und X120
Stählen, die in der Öl- und Gasindustrie verstärkt zum Einsatz
kommen, hat Air Liquide Welding Untersuchungen durchgeführt
und Produkte auf den Markt gebracht, die sich speziell für diese
Stähle eignen.
Das Laser-Hybridschweißen gilt in vielen Teilen der
metallverarbeitenden
Industrie
als
zukunftsweisender
Schweißprozess. Unser dritter Beitrag beschäftigt sich daher mit
dem Laser- und Laser-Hybridschweißen (Laser-MIG-Verfahren)
ultrahochfester Stähle (UHSS) in der Automobilindustrie.
Sehr viele der neu entwickelten Produkte entstehen oft in sehr
enger Kooperation mit den Kunden unserer Zusatzwerkstoffe.
Aber auch durch die Zusammenarbeit mit den weltweit
wichtigsten Stahlherstellen gelingt es uns, zeitnah für die
neusten Trends aus der Stahlindustrie den geeigneten
Zusatzwerkstoff zu präsentieren. Darüber hinaus arbeitet unser
Entwicklungszentrum CTAS in Paris eng mit institutionellen
Partnern wie renommierte Universitäten für Materialforschung
oder anwendungsbezogenen Akademien zusammen. Damit
möchten wir sicher stellen, schnell und kreativ auf die
Bedürfnisse unserer Kunden zu reagieren.
Im September 2009 findet in Essen die 17. internationalen
Fachmesse „Schweißen und Schneiden“ statt. Schon heute
möchten wir Sie auf diese für die Schweißtechnik bedeutende
Messe hinweisen. Auf unserem Stand der Air Liquide Welding
Nr. 204 in Halle 3 freuen wir uns, Ihnen unsere neusten
Entwicklungen hautnah präsentieren zu können.
Wir würden uns freuen, wenn auch Sie in dem vierten
OERLIKON “Competence” interessante Impulse für Ihre
schweißtechnischen Aufgaben finden und begrüßen Sie schon
jetzt herzlichst auf unserem Messestand in Essen.
These technical papers were selected for inclusion in OERLIKON
Competence by the Editorial Panel, comprising:
- N. Monier, CTAS
- C. de Giorgi, ALW- Expert
- B. Schlatter, ALW - Expert
- D.S. Taylor, ALW
The editor is G. Roure, ALW
B. Leduey
Director of R&D - Welding
Consumables Programme
3
May 2009 - Mai 2009
Competence - Issue 4
Competence - Heft 4
Introduction
Einleitung
Welcome to the fourth edition of OERLIKON “Competence”, the journal
of OERLIKON welding technology. In this edition, there are three papers,
the first article is the second in a trilogy of papers from AL CTAS which
describes the development of welding consumables for 9%Cr, 92 grade
creep resistant steel. The second paper concerns welding consumable
developments for high yield strength steels, mainly for applications in the
oil and gas industry. The final paper in this issue describes leading edge
process development for increasing welding productivity in the
automotive industry when welding higher strength steels.
"Herzlich willkommen zur vierten Ausgabe von “Competence”, dem
OERLIKON Fachmagazin für Schweißtechnik. Diese Ausgabe umfasst drei
Beiträge. Der erste Beitrag ist der zweite einer 3-teiligen Reihe aus dem AL
Forschungszentrum CTAS zur Entwicklung von Zusätzen für warmfeste
9% Cr Stähle des Typs T/P 92 . Der zweite Beitrag stellt die Entwicklung
von Schweißzusätzen für hochfeste Stähle vor, die hauptsächlich in der Ölund Gasindustrie Anwendung finden. Der dritte beschreibt die
Entwicklung von Verfahren zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beim
Schweißen von höherfesten Stählen in der Automobilindustrie."
“Effect of Various Factors on Toughness in P92 SAW Weld Metal”
by C. Chovet, E. Galand, B. Leduey, AL CTAS. This is the second
in a trilogy of papers presented in this OERLIKON journal,
"Competence", dedicated to the development history of welding
consumables for steel grade 92. The development of OERLIKON
OE CROMO SF 92/OP F500 submerged arc wire/flux combination
is described, part of the complete range of welding consumables
for the material P/T 92, OERLIKON OE CARBOROD 92 TIG rod
and OE CROMOCORD 92 MMA electrode. It is the continuation of
chemistry optimisation and homogenisation of the range, based on
the previous work published in the OERLIKON journal
“Competence” issue 3. This paper was first presented at the IIW
Annual assembly in July 2007.
“Einflussfaktoren auf die Zähigkeitseigenschaften des UPSchweißguts bei P92-Werkstoffen” von C. Chovet, E. Galand, B.
Leduey, AL CTAS. Dies ist der zweite Beitrag unserer “Competence”
Reihe zur Entwicklung der Schweißzusätze für P92 Werkstoffe. Dieser
Artikel geht auf die Drahtpulverkombination OERLIKON OE CROMO
SF 92/OP F500 ein, die Teil einer kompletten Reihe von Zusätzen für
den Werkstoff P92 ist, zu der auch der WIG-Stab OERLIKON OE
CARBOROD 92 und die Stabelektrode OE CROMOCORD 92
gehören. Aufbauend auf dem Artikel in der 3. Ausgabe werden die
weitere chemische Optimierung und Vereinheitlichung der
Produktreihe beschrieben. Dieser Beitrag wurde zum ersten Mal bei
die IIW Annual Assembly im Juli 2007 vorgestellt.
“Welding Consumables Development for High Strength Steel
Joints for Oil and Gas Applications” by A-E.Traizet, E.Galand, C.
Chovet, B.Leduey. AL CTAS. Higher strength steels are increasingly
being used in the oil and gas industry for a wider range of
applications. High strength line pipe grade X100, and potentially
X120, are currently being evaluated for high volume, high pressure
gas line applications, where the thinner pipe wall sections also bring
weight reduction advantages during pipe lay. 690MPa and 830MPa
minimum yield steels are also being increasingly specified for
offshore structures, especially jack-up rigs. Complete welding
consumable packages have been developed for 690MPa &
830MPa yield steels and the following products are specifically
described: for 690MPa steels - OERLIKON FLUXOCORD 42/OP
121TTW SAW wire/flux combination and TENACITO 80CL MMA
and for 830MPa yield steels - OERLIKON FLUXOCORD 83/OP
121TTW SAW wire/flux combination and TENACITO 83 MMA.
4
“Schweißzusätze zum Schweißen hochfester Stähle in der Öl- und
Gasindustrie ” von A-E.Traizet, E.Galand, C. Chovet, B.Leduey. AL
CTAS. Höherfeste Stähle werden in der Öl- und Gasindustrie
verstärkt für ein breites Anwendungsspektrum eingesetzt. Zurzeit
wird der Einsatz hochfester Rohre aus X100, und eventuell X120
Werkstoffen für große Hochdruckgasleitungen geprüft, wo die
geringere Rohrwandstärke auch beim Verlegen Gewichtsvorteile
bringt. Stahltypen mit 690MPa und 830MPa Streckgrenze werden
vermehrt für Offshore-Konstruktionen, besonders für Hubbohrinseln
eingesetzt. Für die Stahltypen mit 690MPa & 830MPa Streckgrenze
wurden für alle Prozesse Schweißzusätze entwickelt. Hier werden
folgende Produkte beschrieben: für 690MPa Stahl Draht/Pulverkombination OERLIKON FLUXOCORD 42/OP 121TTW
und die Stabelektrode TENACITO 80CL, für 830MPa Streckgrenze Draht/Pulverkombination OERLIKON FLUXOCORD 83/OP 121TTW
und die Stabelektrode TENACITO 83.
“Laser and Hybrid Welding of Ultra High Strength Steels” by
F. Briand, O. Dubet, P. Lefebvre, G. Ballerini. AL CTAS. Automotive
manufacturers are rapidly increasing their use of Ultra High Strength
Steels (UHSS), yield strength >550MPa, sometimes known as very
high strength steels (VHSS) in order to achieve weight savings and
improve crash resistance. This paper investigates laser and laser
hybrid welding of these steels and the control of weld hardness. The
use of laser-TIG is considered, but the laser-MIG hybrid gave the
best hardness/productivity balance when compared with laser
welding, based on the ability to modify the chemical analysis of the
weld deposit through tailored welding wires.
“Laser- und Hybridschweißen ultrahochfester Stähle ” von
F. Briand, O. Dubet, P. Lefebvre, G. Ballerini. AL CTAS. In der
Automobilindustrie werden vermehrt ultrahochfeste Stähle (Ultra
High Strength Steels = UHSS) eingesetzt, um Gewicht zu sparen
und das Crash-Verhalten zu verbessern. In dieser Arbeit wird das
Schweißen dieser Stähle mit Laser- und Laserhybridverfahren und
der Einfluss auf die Härte der Schweißverbindung untersucht.
Gegenüber dem Laser-WIG-Schweißen konnte mit dem Laser-MIGHybridverfahren der beste Kompromiss zwischen Härte und
Produktivität im Vergleich zum reinen Laserschweißen erzielt werden.
Dies ist auf die Möglichkeit zurückzuführen, die Zusammensetzung
des Schweißgutes durch maßgeschneiderte Drähte zu beeinflussen.
Those readers of OERLIKON COMPETENCE who have previously
registered will continue to receive future editions by post
automatically. Otherwise, please complete the enclosed reply card to
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erhalten die zukünftigen Ausgaben weiterhin automatisch per Post. Wenn
Sie noch kein Abonnent sind, füllen Sie bitte anliegende Antwortkarte aus
oder melden Sie sich unter www.oerlikon-welding.com für die
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Thank you,
David Taylor - Industrial Brands Manager - Air Liquide Welding
Vielen Dank,
David Taylor - Industrial Brands Manager - Air Liquide Welding
May 2009 - Mai 2009
Effect of various
Factors on Toughness
in P92 SAW Weld Metal.
In order to increase efficiency in thermal power
plants, new grades of 9%Cr steels have been
developed and are now being used. Even though
these steels are used at high temperature, where
toughness is not a matter of concern, it is
important that the welded joints show a good
toughness at room temperature, for fabrication
and construction steps and for start up / shut
down considerations. As a consequence the best
toughness / creep compromise has to be obtained
to guarantee all the requirements.
The present work aims at evaluating the effect of
various chemical elements on weld metal
toughness in P92 steels. All weld metal
characterizations using the submerged arc process
were done. Chemical elements which were varied
are Carbon, Chromium,
Key words
Nitrogen and Tungsten.
• Filler Materials
Variations of W, C and Cr
• High Alloy Cr Mo Steels within the base material
• Creep Strength
range did not significantly
• Impact Toughness
affect toughness of the
• SA Welding
weld metal. However
• Power Stations
Nitrogen content has a
great influence on toughness level, decreasing N
content resulting in a toughness improvement. The
detrimental effect of B and Ti on toughness of weld
metal for P92 steels has also been confirmed. An
optimised chemical composition has been defined
on the basis of this work. This solution features a
promising toughness / creep compromise, as very
good toughness at room temperature and
satisfactory creep behaviour have been obtained.
This paper is the second of a trilogy in the
OERLIKON journal "Competence" dedicated to the
development history of the 92 steel grade welding
consumables. It was first presented in the IIW
Annual assembly in July 2007. It is the continuation
of chemistry optimisation and homogenisation of
the range, based on the previous work published
in the OERLIKON journal “Competence” 3.
Einflussfaktoren auf die
Zähigkeitseigenschaften
des UP-Schweißguts bei
P92-Werkstoffen.
Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von Wärmekraftwerken
wurden neue Stahltypen mit 9%Cr entwickelt, die jetzt verstärkt
eingesetzt werden. Obwohl diese Stahltypen bei hohen
Temperaturen Anwendung finden, wo die Zähigkeit kein
Problem darstellt, ist es wichtig, dass die Schweißverbindungen
gute Zähigkeitswerte bei Raumtemperatur aufweisen und zwar
vor allem während der Fertigung sowie beim An- und Abfahren
des Apparates. Es muss also ein Kompromiss zwischen
optimalen Zähigkeits- und Zeitstandswerten erzielt werden, um
allen Anforderungen gerecht zu werden.
Der folgende Artikel beschäftigt sich mit dem Einfluss
verschiedener chemischer Elemente auf die Zähigkeit des
Schweißguts von P92 Stahl. Alle Versuche wurden im UPVerfahren durchgeführt. Zu den chemischen Elementen, die
verändert wurden, gehörten Kohlenstoff, Chrom, Stickstoff und
Wolfram. Veränderungen bei W, C und Cr innerhalb der
Grundwerkstoffgrenzwerte hatten keinen wesentlichen Einfluss
auf die Zähigkeit des Schweißgutes. Stickstoff hingegen
beeinflusst die Zähigkeit signifikant, wobei ein niedriger
Stickstoffgehalt die Zähigkeitswerte verbessert. Die negativen
Auswirkungen von B und Ti auf die Zähigkeit von P92Schweißgut haben sich ebenfalls bestätigt. Auf der Grundlage
dieser Arbeit konnte eine optimierte chemische
Zusammensetzung definiert werden. Die Lösung bietet einen
viel vielversprechenden Kompromiss zwischen Zähigkeits- und
Zeitstandeigenschaften,
da
bei
Raumtemperatur
ausgezeichnete Zähigkeitswerte und zufrieden stellende
Zeitstandeigenschaften erzielt wurden.
Dieser Artikel ist der zweite einer dreiteiligen Reihe in
OERLIKON-Competence, der die Entwicklungsgeschichte der
P92 Zusatzwerkstoffe bei ALW beschreibt. Er wurde erstmals
bei der IIW Annual Assembly im
Schlüsselwörter
Juli 2007 veröffentlicht und zeigt
• Zusatzwerkstoffe
weitere Optimierungsmaßnahmen • hochlegierte Cr Mo
und die Vereinheitlichung der
Stähle
Produktreihe in Fortsetzung des • Zeitstandfestigkeit
Artikels aus der vorhergehenden • Kerbschlagzähigkeit
Ausgabe
von
OERLIKON • UP Schweißen
• Kraftwerke
Competence (Nummer 3).
5
May 2009 - Mai 2009
INTRODUCTION
EINLEITUNG
To increase thermal efficiency and decrease emissions of
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Verringerung des
carbon dioxide, thermal power plant designers wish to raise
Kohlendioxidausstoßes sucht man bei der Konstruktion von Kraftwerken
the operating temperature and pressure of boilers. This drives
nach Möglichkeiten, die Betriebstemperatur und den Druck der Kessel zu
the development of new creep resisting steels. Table 1 shows
erhöhen. Das führt zur Entwicklung von neuen kriechfesten Stählen.
the various grades that are now being used in thermal power
Tabelle 1 zeigt die verschiedenen Typen, die zurzeit in Wärmekraftwerken
plant. 9% Cr martensitic creep resisting steels are of particular
eingesetzt werden. Martensitische, warmfeste Stähle mit 9%Cr sind
interest because they show a better oxidation resistance
dabei von besonderem Interesse, da sie gegenüber Oxidation
than 21/4 Cr steels and a superior creep resistance. For these
widerstandsfähiger sind als 2¼Cr-Stähle und bessere
two main reasons, 9% Cr steels allow increased steam
Zeitstandeigenschaften erreichen. Dies sind die beiden Hauptgründe
parameters up to supercritical values (300 bar, 600 °C), thus
dafür, dass 9%Cr Stähle es ermöglichen, die Dampfparameter bis
leading to increased efficiency and equivalent reduction of CO2
auf äußerst kritische Werte zu erhöhen (300 bar, 600 °C), womit eine
emissions of 30% [1]. The
höhere Leistung und eine
Table 1: Chemical composition of creep resisting grades, as per ASTM A335
use of P92 steels rather
entsprechende Verringerung des
Grades C
Mn
P
S
Si
Cr
Mo
V
Nb
W
Ni
B
N
than P91 allows increasing
CO2 Ausstoßes von 30% erreicht
Typ
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
% ppm ppm
admissible stress by 30%.
wird [1]. Durch die Verwendung
0.05 0.3
1.9 0.87
P22
0.15 0.6 0.025 0.025 0.5 2.6 1.13
The further benefit is a
von P92- anstelle von P91-Stahl
0.04 0.1
1.9 0.05 0.20 0.02 1.45
5
significant weight reduction
kann eine 30%ige Erhöhung der
P23
0.10 0.6 0.030 0.010 0.5 2.6 0.30 0.30 0.08 1.75
60 300
and therefore reduced
zulässigen Spannung erzielt
0.08 0.3
0.2 8.0 0.85 0.18 0.06
300
P91
fabrication costs.
werden. Weitere Vorteile sind
0.12 0.6 0.020 0.010 0.5 9.5 1.05 0.25 0.10
0.4
700
0.07 0.3
8.5 0.30 0.15 0.04 1.50
0.4 300
eine wesentliche Reduzierung
P92
In order to take full
0.13 0.6 0.020 0.010 0.5 9.5 0.60 0.25 0.09 2.00 0.4 60 700
des Gewichts und damit eine
advantage of the properties
Tabelle 1: Chemische Analyse warmfester Stähle nach ASTM A335
Senkung der Herstellungskosten.
of these steels, it is
necessary to have welding consumables leading to similar
Um die Vorteile dieser Stahltypen richtig nutzen können, ist es notwendig,
creep resistance in the weld metal than in the base metal.
Schweißzusätze einzusetzen, deren Schweißgut ähnliche warmfeste
Even though these steels are used at high temperatures,
Eigenschaften aufweist wie der Grundwerkstoff. Auch wenn diese Stähle
where toughness is not a matter of concern, it is important
bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, wo die Zähigkeit kein
that the welded joints show a good toughness at room
Problem darstellt, ist es doch wichtig, dass die Schweißnähte gute
temperature, for fabrication and construction steps and for
Zähigkeitswerte bei Raumtemperatur aufweisen, weil diese während der
start up / shut down considerations. The present work aims
Herstellung und beim An- und Abfahren herrscht. Die vorliegende Arbeit
at evaluating the effect of various chemical elements on
beschäftigt sich mit der Wirkungsweise verschiedener chemischer
weld metal toughness in P92 steels.
Elemente auf die Schweißgutzähigkeit von P92-Stahl.
In 9%Cr steels, the creep resistance is due to Cr, Mo, V and
Nb which act as precipitation strengtheners. Fine carbides
and nitrides precipitates form during tempering and give to
the material its creep resistance [1]. In T/P 92, the addition
of W further improves creep resistance by strengthening the
material, mainly through Laves phase precipitation during
creep. Addition of a small amount of B also improves creep
resistance [2]. These elements which increase creep
resistance are known to be detrimental for toughness in
weld metal. The challenge is then to achieve the best
toughness / creep compromise.
The effect of Ti and Al which can be considered as
impurities coming from raw material of flux cored wire has
been studied [3]. The authors showed that Ti and Al have a
detrimental effect on toughness, whereas Ti can
intentionally be added to slightly improve creep resistance.
Die Zeitstandsfestigkeit der Stahltypen mit 9%Cr ist auf die
Legierungselemente Cr, Mo, V und Nb, die als Ausscheidungshärter
wirken, zurückzuführen. Während des Anlassens bilden sich feine Karbidund Nitridausscheidungen und verleihen dem Material seine
Kriechfestigkeit [1]. Beim T/P 92 wird die Kriechfestigkeit durch die Zugabe
von W weiter verbessert, und zwar im Wesentlichen durch die Bildung von
Laves-Phasen während des Kriechens. Der Zusatz einer kleinen Menge B
verbessert die Kriechfestigkeit ebenfalls [2]. Es ist bekannt, dass diese
Elemente, die zur Verbesserung der Kriechfestigkeit beitragen, sich
gleichzeitig negativ auf die Zähigkeit des Schweißgutes auswirken. Die
Herausforderung besteht also darin, den bestmöglichen Kompromiss
zwischen Zähigkeit und Kriechfestigkeit zu erreichen.
Die Wirkung von Ti und Al, die als Verunreinigungen aus dem
Grundwerkstoff betrachtet werden können, wurde ebenfalls untersucht
[3]. Die Autoren haben gezeigt, dass Ti und Al sich negativ auf die
Zähigkeit auswirken, wobei Ti zugegeben werden kann, um die
Zeitstandsfestigkeit zu verbessern.
PREVIOUS WORK
During a previous work [4], presented in “Competence”
number 3, which dealt with the development of welding
consumables for P92 steels, we already investigated the
effect of some chemical elements in the weld metal.
• As can be seen in Table 1, P92 steel is alloyed with a small
amount of Ni. In our first trials, the welding consumables
were designed to give 0.5% Ni in the weld metal. Isostress
(85 MPa) creep rupture tests on various chemical
compositions showed that replacing 0.5% Ni by 1% Co
was beneficial for creep resistance. A positive effect of Co
alloying on toughness has also been reported [5].
6
VORAUSGEHENDE UNTERSUCHUNGEN
Bei den vorausgehenden Untersuchungen [4] zur Entwicklung von
Zusätzen für P92-Stähle, vorgestellt in der 3. Ausgabe von “Competence”,
wurden bereits die Auswirkungen bestimmter chemischer Elemente im
Schweißgut betrachtet.
• Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, ist P92 Stahl leicht Ni-legiert. In den ersten
Versuchen wurden die Zusatzwerkstoffe so ausgelegt, dass im
Schweißgut 0,5% Ni enthalten waren. Zeitstandversuche mit
verschiedenen chemischen Zusammensetzungen bei identischer
Spannung (85MPa) zeigten, dass sich der Zusatz von 1%Co anstelle
von 0,5%Ni günstig auf die Zeitstandfestigkeit auswirkte. Außerdem
May 2009 - Mai 2009
ergab sich ein positiver Effekt der Co-Zulegierung auf die Zähigkeit [5].
Hinzu kommt, dass Co im Gegensatz zu Ni die AC1 Temperatur nicht
wesentlich beeinflusst. Daraus ergibt sich eine höhere Sicherheit bei der
Wärmebehandlung (PWHT), da eine Teil-Austenitisierung vermieden wird,
die bei zu hoher Temperatur bei der Wärmebehandlung entsteht. Diese
Eigenschaft kann für eine Erhöhung der Wärmebehandlungstemperatur
genutzt werden, um die Zähigkeit zu verbessern, allerdings unter der
Voraussetzung, dass der Temperaturbereich eng genug ist, damit die AC1
Temperatur nicht überschritten wird. Die Air
Fig.1a: Influence of Oxygen content
Liquide Welding UP-Kombination enthält 1%Co
160
als Legierungselement.
Mn: 1.19-1.47 / Si: 0.21-0.35 / Co: 0.95-1.18
Although the weld metal toughness
conformed to minimum requirements of
construction codes, we continued the
development to further increase the
toughness values.
EXPERIMENTAL PROCEDURE
All weld metal characterizations using
the submerged arc process were done.
A basic flux combined with a flux cored
wire diameter 2.4 or 3.2 mm were
welded to generate weld metal
featuring different chemical analyses.
Chemical elements which were varied
are Carbon, Chromium, Nitrogen
and Tungsten. Elements were varied in
a range close to the base material
Cr: 8-9.8 / Mo: 0.48-0.71 / Nb: 0.039-0.083
V: 0.18-0.23 / W: 1.35-1.98 / N: 0.043-0.055
B < 15 ppm
300 A
380 A
460 A
350
400
450
500
550
600
650
Bild 1a: Einfluss des Sauerstoffgehalts
Fig.1b: Influence of Boron content on weld metal
toughness
Flux cored wire: 2.4 mm
160
flux OP F 500 - I = 460 A
140
U = 30 V - Ws = 56 cm/min
Interpass T°: 250 °C
120
PWHT: 760 °C/4h
100
80
60
40
20 Mn: 0.8-1.4 / Si: 0.2-0.35 / Cr: 8-9.8 / Mo: 0.45-0.68
Nb: 0.04-0.08 / V: 0.18-0.26 / W: 1.35-2 / N: 0.043-0.054
0
0
5
10
15
20
25
30
Toughness at room
temperature (J/cm2)
This study led to the development of a
complete range of welding consumables
for P92 steels. The creep properties of
these consumables have been
assessed by isostress (85 MPa) creep
rupture tests. These consumables have
then been used for assembling the
main steam piping of the supercritical
power plant in Avedore (Denmark).
Long term creep rupture tests (up to
35000 hrs) at 550, 600 and 650°C
have been performed and are still
on-going. The results are presented in
Figure 2. The creep behaviour of these
consumables is satisfactory, since the
weld metal creep rupture points are at
the same level than the base material.
The base metal curve is taken from the
new ECCC P92 creep data sheet [6].
140
120
100
80
60
40
20
0
350
Oxygen (ppm)
Boron (ppm)
Bild 1b: Einfluss des Bor-Gehalts auf die
Schweißgutzähigkeit
Fig.1c: Influence of Boron content on isostress
(85 MPa) creep resistance in SAW P92
100 000
Time to rupture (hrs)
• The influence of Boron content was
also studied, by varying the B content
in SAW wire. Figure 1-b) illustrates
the detrimental effect of Boron on
toughness. However, Boron is
essential for creep properties, its
removal leading to a sharp decrease
of creep properties (Figure 1-c).
10 000
1000
1% Co 25 ppm B
1% Co 0 ppm B
Nippon steel data package
100
10
0.00102
0.00104
0.00106
0.00108
0.00111
1/T (K-1)
Bild 1c: Einfluss des Bor-Gehalts auf die
Zeitstandfestigkeit bei konstanter
Spannung (85MPa) bei P92-UP-Schweißgut
Fig.2: Creep rupture characterisation of P92
consumables used in Avedore power plant
Creep rupture tests ALW P92 weld metal status Feb. 2008
1000
Means that test symbolized by symbol below is in progress
Stress - (MPa)
• This first study also highlighted the
effect of O content on toughness in
weld metal. Figure 1-a) confirms that
weld metal toughness decreases as
O content increases. It is then
important to minimize the oxygen
content in weld metal through the
choice of flux and wire and also a
control of welding current.
Toughness at room
temperature (J/cm2)
Moreover Co does not significantly affect the AC1
temperature, unlike Ni. Consequently it gives greater safety
for PWHT, avoiding partial re-austenitisation if PWHT is
performed at too high a temperature. This property can also
be used to raise PWHT temperature to improve toughness,
providing that the temperature range is narrow enough not
to exceed the AC1 temperature. The Air Liquide Welding
SAW combination is then alloyed with 1%Co.
100
SAW - pure weld SAW - cross weld SMAW - pure weld
2005 ECCC Grade 92
2005 ECCC Grade 92 - 20%
10
32
33
34
35
36
37
38
39
Larson-Miller Parameter. LMP = (T+273) x [36 + log(t)]
Bild 2: Zeitstandeigenschaften der im Kraftwerk in
Avedore eingesetzten P92 Zusatzwerkstoffe
• Die erste Untersuchung behandelte auch die
Auswirkung des Sauerstoffgehalts (O) auf die
Zähigkeit des Schweißgutes. Bild 1-a)
bestätigt, dass die Schweißgutzähigkeit mit
steigendem O-Gehalt abnimmt. Es ist daher
wichtig, den O-Gehalt im Schweißgut durch
die Auswahl von Pulver und Draht sowie die
Kontrolle des Schweißstroms so gering wie
möglich zu halten.
• Schließlich wurde der Bor-Gehalt im UP-Draht
verändert, um seine Wirkung zu untersuchen.
Bild 1-b) zeigt die negativen Auswirkungen von
Bor auf die Zähigkeit. Andererseits ist Bor für
die Zeitstandeigenschaften von großer
Bedeutung und ein Verzicht auf Bor führt zu
einer deutlichen Verschlechterung der
Zeitstandeigenschaften (Bild 1-c).
Diese Untersuchung führte zur Entwicklung
eines vollständigen Zusatzwerkstoffprogramms
für P92-Stahl. Die Kriechfestigkeit der
Zusatzwerkstoffe wurde durch Zeitstandversuche
unter konstanter Spannung (85MPa) getestet.
Eingesetzt wurden diese Zusatzwerkstoffe beim
Bau der Hauptdampfleitung des Kraftwerks in
Avedore in Dänemark. Versuche zur Ermittlung
von Langzeitwerten (bis zu 35000 h) bei 550, 600
und 650°C wurden begonnen und dauern noch
an. Die vorliegenden Ergebnisse sind in Bild 2
zusammengefasst. Die Zeitstandeigenschaften
der Zusatzwerkstoffe sind zufriedenstellend, da
die Schweißgutproben auf demselben Niveau
wie die des Grundwerkstoffes liegen. Die
Grundwerkstoffkurve wurde aus dem neuen
Zeitstanddatenblatt ECCC P92 übernommen [6].
Obwohl die Schweißgutzähigkeit die
Mindestanforderungen der Bauvorschriften
erfüllte, wurden die Entwicklungsarbeiten mit
dem Ziel die Zähigkeit zu verbessern fortgesetzt.
VERSUCHSAUFBAU
Alle Schweißgutuntersuchungen wurden an
Proben aus UP-Schweißungen vorgenommen.
Ein basisches Pulver wurde mit Fülldrähten in
den Durchmessern 2,4 oder 3,2 verschweißt,
um Schweißgut mit unterschiedlicher
chemischer Analyse herzustellen. Folgende
chemische Elemente wurden untersucht:
Kohlenstoff, Chrom, Stickstoff und Wolfram.
Die Veränderung der Elemente erfolgte in
enger Anlehnung an den Grundwerkstoff
7
May 2009 - Mai 2009
range (Table 2). Indeed,
(Tabelle 2), denn zunächst
Table 2: Chemical range of the all weld metals
development of the filler
war die Entwicklung der
C
Mn
Si
Cr
Mo Co
V
Nb
W
Ni
B
N
metal has been targeted
Zusatzwerkstoffe
darauf
%
%
%
%
%
%
%
%
%
% ppm ppm
within
the
chemical
ausgerichtet, die chemische
Chemical range 0.07 1.2 0.13 8.0 0.41 0.93 0.18 0.031 1.28 0.02 10 400
Chem. Analyse 0.12 1.35 0.34 9.6 0.68 1.12 0.24 0.063 1.74 0.04 25 480
analysis of the base
Analyse des Grundwerkstoffes
material, expected to
abzubilden, um so dieselben
Tabelle 2: Chemische Analyse des reinen Schweißgutes
result in the same
Zeitstandeigenschaften und
properties of creep and oxidation resistance.
dieselbe Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation zu erreichen.
Two wire diameters were welded with such parameters to
provide a similar heat input. 2.4 mm diameter wires were
welded with 460 Amps, 30 V and 56 cm/min welding speed.
3.2 mm wire, where welded with 530 Amps, 29 V and 60 cm/min
welding speed. These two parameter sets result in a heat input
of 14.8 kJ/cm and 15.4 kJ/cm respectively. The toughness
notch is positioned in a reheated zone of the all weld metal,
that is to say a zone which is re-austenitized by the following
runs. In that case, difference in run shape or size due to the
wire diameter is not expected to have a noticeable influence.
Interpass temperature was set to the range 230-250 °C. A
lower interpass temperature is beneficial for toughness but not
realistic from an industrial point of view [4]. A preheat
temperature of 150 °C was used. The all weld metal was not
allowed to cool to room temperature, but kept at 250 °C during
3 hours to allow potential hydrogen to escape from the joint.
All samples were post weld heat treated at 760 °C during
4 hours, to improve the toughness level and decrease
hardness of the all weld metal.
Die zwei Drahtdurchmesser wurden mit Parametern verschweißt, die
einen ähnlichen Wärmeeintrag gewährleisten. Draht mit 2,4 mm
Durchmesser wurde bei 460 A, 30 V und einer Schweißgeschwindigkeit
von 56 cm/min verarbeitet. Schweißdraht mit 3,2 mm Durchmeser bei
530 A, 29 V und einer Schweißgeschwindigkeit von 60 cm/min. Diese
Parameterkombinationen führen zu einem Wärmeintrag von 14,8 kJ/cm
bzw. 15,4 kJ/cm. Die Kerbe der ISO-V-Probe befindet sich in der wieder
erwärmten Zone des Schweißguts, d.h. in der Zone, die durch die
folgenden Lagen angelassen wird. In diesem Fall ist nicht zu erwarten,
dass unterschiedliche Nahtformen oder –größen aufgrund der
verschiedenen Drahtdurchmesser einen erkennbaren Einfluss haben.
Die Zwischenlagentemperatur lag bei 230-250 °C. Eine niedrige
Zwischenlagentemperatur wirkt sich günstig auf die Zähigkeit aus, ist
aber aus praktischer Sicht unrealistisch [4]. Die Vorwärmtemperatur
betrug 150 °C. Das reine Schweißgut kühlte nicht bis auf
Raumtemperatur ab, sondern wurde 3 Stunden auf 250 °C gehalten, um
eventuell in der Naht vorhandenen Wasserstoff ausgasen zu lassen.
Alle Proben wurden bei 760 °C für 4 Stunden nachbehandelt, um das
Zähigkeitsniveau zu verbessern und die Härte des Schweißguts zu verringern.
WIRKUNG DER LEGIERUNGSELEMENTE ZUR
VERBESSERUNG DER ZEITSTANDEIGENSCHAFTEN
Bor
EFFECT OF CREEP ENHANCERS
Influence of Boron
Toughness (J)
Although the effect of B has already been proved [4], we tried
to precise its influence. A baseline wire containing
Obwohl der Einfluss von B bereits nachgewiesen wurde [4], sollte seine
13 ppm Boron was compared to a modified wire in which B
Wirkung genauer beschrieben werden. Ein Basisdraht mit 13 ppm
has been removed from the formula.
Bor wurde mit einem modifizierten Draht ohne
Fig.3: Effect of B on Charpy transition curve
Figure 3 shows the two transition curves.
B verglichen. Bild 3 zeigt die beiden
Transition curve: effect of B
The 50 J transition temperature is
Übergangskurven. Beim Schweißgut ohne Bor
decreased by about 25 °C for the weld
sank die 50J Übergangstemperatur um ca.
180
160
metal without Boron. 50 J level was
25 °C. Das 50J Niveau wurde ausgewählt, um
140
chosen to have a safety margin versus
eine entsprechend große Reserve gegenüber
120
usual requirements (27 J at room
den üblichen Anforderungen zu haben (27J bei
100
80
temperature).
Raumtemperatur).
60
Da B dem Grundwerkstoff wegen der
As B is added in the parent material for
40
13 ppm B
Zeitstandfestigkeit zugesetzt wird, wurde davon
4 ppm B
creep purposes, we considered that it
20
ausgegangen, dass es trotz seines negativen
cannot be removed from the formula,
-60
-20
0
20
60
100
140
180
Einflusses auf die Zähigkeit in der Formel nicht
despite its detrimental influence on
Temperature (°C)
entfallen kann. Die B-Gehalte des Schweißguts
toughness. The B range of the weld
Bild 3: Wirkung von B auf die Charpy Übergangskurve
wurde deshalb im unteren Bereich des
metal has been chosen in the lower
Grundwerkstoff-Streubandes gewählt.
range of the base metal.
Fig.4: Influence of Nitrogen on toughness at room T°
Toughness evolution versus N ppm in all weld metal
Influence of Nitrogen
8
Stickstoff
120
Kv +20 °C (J)
Due to its strong austenite former effect
and its ability to form precipitates,
Nitrogen is highly susceptible to play a
role on toughness. Effect of Nitrogen
amount in weld metal has thus been
investigated as a potential way to
improve toughness values at room
temperature. Nitrogen has been
kept comfortably over the minimum
level of the base material to safely
guarantee creep resistance. As can be
seen in Figure 4, in a narrow range
140
100
80
60
40
20
0
400
420
440
460
N (ppm)
480
500
Bild 4: Einfluss von Stickstoff auf die Zähigkeit
bei Raumtemperatur
Da Stickstoff ein starker Austenitbildner ist
und die Eigenschaft hat, Ausscheidungen
auszubilden, ist davon auszugehen, dass er
auch die Zähigkeit beeinflusst. Daher wurde
die Wirkung des Stickstoffanteils im
Schweißgut untersucht und als potentielle
Möglichkeit gesehen, die Zähigkeitswerte bei
Raumtemperatur zu verbessern. Der
Stickstoffgehalt wurde sicher über dem
Mindestniveau des Grundwerkstoffs gehalten,
um die Zeitstandeigenschaften einhalten zu
können. Wie in Bild 4 erkennbar, verschlechtert
May 2009 - Mai 2009
400-500 ppm included in the base material range, Nitrogen
rapidly deteriorating toughness values. The deterioration is
particularly sensitive above 450 ppm.
Nitrogen is prone to combine with B to form Boron nitrides
BN. At these levels of B and N, coarse BN are likely to form
[7]. These Boron nitrides may be the reason for deteriorated
toughness values. On the other hand, very low N levels will
certainly induce an increase of delta ferrite content. We thus
considered that the N level should be kept below 450 ppm
but above 400 ppm.
Stickstoff in einem engen Bereich von 400-500 ppm stark die
Zähigkeitswerte. Der negative Einfluss wird bei Werten über 450 ppm
besonders augenfällig.
Influence of Tungsten
Wolfram
Tungsten is added in P92 steel to give improved creep
resistance and high temperature strength. It has been
shown that W-containing welds have a consistently worse
toughness than W-free welds [5].
Wolfram wird P92 Stahl zulegiert, um die Zeitstandeigenschaften und
die Warmfestigkeit zu verbessern. Es hat sich gezeigt, dass
Schweißnähte mit W eine deutlich schlechtere Zähigkeit aufweisen als
Schweißnähte ohne W. [5].
Allerdings gibt es in einem Bereich von
1,2-1,8 % Wolfram keine klar erkennbare
Auswirkung eines erhöhten Wolfram-Anteils auf
die Zähigkeit bei Raumtemperatur (Bild 5).
Unter Berücksichtigung der vorangegangen
Untersuchungen zum Stickstoff wurden die
Daten in zwei Gruppen aufgeteilt. Wieder ist die
Wirkung von Stickstoff auf die Zähigkeit
erheblich, auch wenn angemerkt werden muss,
dass der Bereich des Wolframgehalts, in dem
sich die beiden Datengruppen überlappen,
ziemlich klein ist (1.35-1.5%).
Fig.5: Influence of %W on toughness at room
temperature, for different N levels
Toughness evolution versus W % in all weld metal
140
N 400 - 450 ppm
N 450 - 500 ppm
120
Kv +20 °C (J)
However, in the 1.2-1.8% Tungsten
range, no clear effect of Tungsten
increase on room temperature
toughness appears (Figure 5). Data
have been split in two sets considering
previous observations of Nitrogen
effect. Again, effect of this Nitrogen on
toughness level is important, even if
one must note that the range of
Tungsten in which two data sets are
overlapping is quite small (1.35-1.5%).
Stickstoff neigt dazu, Verbindungen mit Bor zu Bor-Nitriden (BN)
einzugehen. Bei diesem Gehalt an B und N ist es wahrscheinlich, dass
sich grobe BN bilden [7]. Diese Bor-Nitride könnten die Ursache für die
Verschlechterung der Zähigkeitswerte sein. Andererseits führt ein
geringer N-Gehalt sicher zu vermehrten Bildung von Delta-Ferrit. Es
wurde daher davon ausgegangen, dass der N-Wert zwischen max. 450
ppm und min. 400 ppm liegen sollte.
100
80
60
40
20
Tungsten being a ferrite stabilizer, it
seems anyway judicious not to increase
Tungsten too much in the weld metal
deposit, even if up to 1.8%, no adverse
effect is seen on the toughness level.
0
1.20
1.30
1.40
1.50
1.60
1.70
1.80
W%
Bild 5: Einfluss des %W auf die Zähigkeit bei RT
bei unterschiedlichem N-Gehalt
Da Wolfram ferritstabilisierend wirkt, ist es
ohnehin vernünftig, den Anteil im Schweißgut
nicht zu stark zu erhöhen, auch wenn bis zu
1,8% keine nachteilige Wirkung auf die Zähigkeit
zu beobachten ist.
Influence of Titanium
Titan
Titanium addition to the weld metal deposit has proven to
be a good creep enhancer but detrimental for toughness [3].
In order to assess this behaviour, a level of 160 ppm has
been targeted in the weld metal, base level being 40 ppm.
Der Zusatz von Titan zum Schweißgut hat sich als positiv für die
Zeitstandfestigkeit, aber negativ für die Zähigkeit erwiesen [3]. Um
dieses Verhalten zu bewerten wurde ein Anteil von 160 ppm im
Schweißgut angestrebt. Der Grundwerkstoff liegt bei 40 ppm.
Toughness level is deteriorated by this small addition of
Titanium (Figure 6). 50 J toughness level
Fig.6: Effect of Ti on Charpy transition curve
is obtained at -20 °C for the deposit
bearing 40 ppm Ti and +35 °C for the
Transition curve: effect of Ti
deposit containing 160 ppm Ti.
180
160
140
120
100
80
60
40
20
Toughness (J)
Tensile properties are greatly increased
by a 160 ppm Titanium addition, UTS
from 730 MPa to 818 MPa, YS from
588 MPa to 699 MPa, elongation
decreasing from 22.3% to 16.3%. This
increase in tensile properties has
obviously an adverse effect on
toughness values. However the effect
of Titanium on microstructure has not
been investigated during this study.
-40
-20
Der Zähigkeitswert wird durch diese geringe
Titanzugabe verschlechtert (Bild 6). 50J
werden vom Schweißgut mit 40 ppm Ti bei
-20 °C erreicht und vom Schweißgut mit 160
ppm Ti bei +35 °C.
40 ppm Ti
160 ppm Ti
0
20
40
60
80
100
Temperature (°C)
Bild 6: Einfluss von Ti auf die Charpy Übergangskurve
Die Festigkeit wird durch die Zugabe von 160
ppm Titan deutlich erhöht, UTS von 730 MPa
auf 818 MPa, YS von 588 MPa auf 699 MPa;
die Bruchdehnung sank von 22,3% auf 16,3%.
Diese Erhöhung der Zugfestigkeitseigenschaften
hat offensichtlich eine entgegengesetzte
Wirkung auf die Zähigkeitswerte. Allerdings
wurde der Einfluss von Titan auf das
Mikrogefüge in dieser Studie nicht untersucht.
EFFECT OF CARBON AND CHROMIUM
KOHLENSTOFF UND CHROM
C and Cr content were also varied, as they were expected to
influence the toughness level. Carbon varied from 0.07% to
0.12% and Chromium from 8.0% to 9.6%. Figures 7 and 8
illustrate the effect of Cr and C respectively, for two Nitrogen
levels. It appears that variation of Cr through the range 8.0 –
9.6% has no influence on the toughness level. The main impact
Der C und Cr Gehalt wurde ebenfalls variiert, da erwartet wurde, dass
er die Zähigkeit beeinflusst. Kohlenstoff wurde von 0,07% auf 0,12%
und Chrom von 8,0% auf 9,6% erhöht. Bild 7 und 8 zeigen jeweils die
Wirkung von Cr und C bei zwei verschiedenen Stickstoffwerten. Die
Erhöhung des Chrom-Gehalts im Rahmen von 8,0 – 9,6% zeigt keinen
Einfluss auf die Zähigkeit. Der wesentliche Einflussfaktor auf die
9
May 2009 - Mai 2009
The variation of chemical elements as
performed during this study is likely to
have an effect on microstructure. In
particular, Cr as a strong ferrite former
will tend to increase delta ferrite. On
the contrary N will act as an austenite
former and a decrease in N will
increase delta ferrite. Chromium
equivalent parameter Creq (Equ. 1)
can be used as an indicator of the
susceptibility
of
the
chemical
composition to form delta ferrite.
Values of Creq were then determined
for each deposit and microstructural
examinations were performed for
different Creq values.
Equation 1:
N 400 - 450 ppm
N 450 - 500 ppm
120
100
80
60
UNTERSUCHUNG DES
MIKROGEFÜGES
40
20
0
7.8
8.3
8.8
9.3
9.8
Cr %
Bild 7: Einfluss des Cr-Gehaltes auf die Zähigkeit bei
Raumtemperatur, bei unterschiedlichem N-Niveau
Fig.8: Influence of % C on toughness at room
temperature, for different N levels
Toughness evolution versus C % in all weld metal
140
N 400 - 450 ppm
N 450 - 500 ppm
120
100
80
Bei Veränderungen der chemischen
Elemente wie hier in dieser Studie erfolgt,
ist davon auszugehen, dass dies sich auf
das Mikrogefüge auswirkt, Vor allem Cr als
starker Ferritbildner wird die Bildung von
Deltaferrit anregen. Andererseits wirkt N als
Austenitbildner und eine Verringerung des
N-Gehalts führt zu einer Erhöhung des
Deltaferrits. Das Chromäquivalent Creq
(Equ. 1) kann als Indikator für die Neigung
der chemischen Zusammensetzung,
Deltaferrit zu bilden, herangezogen werden.
Das Creq wurde für jedes Schweißgut
bestimmt und Untersuchungen des
Mikrogefüges wurden für verschiedene
Creq Werte durchgeführt.
60
40
Equ. 1:
20
Creq [8] = %Cr + 6%Si + 4%Mo
+ 1.5%W + 11%V + 5%Nb
+ 12%Al + 8%Ti - 40%C
- 2%Mn - 4%Ni - 2%Co
- 30%N - %Cu
Cross sections were cut in
the all-weld-metal deposits
in as-welded conditions and
prepared by metallography.
The samples were etched
with Vilella’s reagent and
examined
by
optical
microscopy. Microstructures
in the as-solidified zones
are presented in Figure 9.
All
deposits
show
a
predominantly martensitic
structure. In the case of
all-weld-metal with Creq
below 8, almost no delta
ferrite can be observed. The
deposit having a Creq of 8.8
shows a high quantity of
blocky delta ferrite. These
observations confirm that
almost no delta ferrite
develops for Creq <8.
Toughness evolution versus Cr % in all weld metal
140
Kv +20 °C (J)
MICROSTRUCTURAL
EXAMINATION
Zähigkeit (Bild 7) ist Stickstoff (N). Bild 8
hingegen zeigt, dass Stickstoff eine stärkere
Wirkung hat als Kohlenstoff. Allerdings ist
mit steigendem C-Gehalt bei höheren
Stickstoffgehalten ein leichter Rückgang
der Zähigkeit bei Raumtemperatur zu
beobachten.
Fig.7: Influence of % Cr on toughness at room
temperature, for different N levels
Kv +20 °C (J)
on the toughness level in Figure 7 is
Nitrogen. Figure 8 in turn shows that
Nitrogen has a greater effect than
Carbon. However a slight decrease of
toughness at room temperature can be
observed as C content increases, for
higher N contents.
0
0.07
0.08
0.09
0.1
0.11
0.12
0.13
C%
Bild 8: Einfluss des C-Gehaltes auf die Zähigkeit bei
Raumtemperatur bei unterschiedlichem N-Niveau
Creq [8] = %Cr + 6%Si + 4%Mo
+ 1,5%W + 11%V + 5%Nb
+ 12%Al + 8%Ti - 40%C
- 2%Mn - 4%Ni - 2%Co
- 30%N - %Cu
Fig.9: Examples of microstructures obtained in as-solidified zones in the
as-welded condition for weld metal showing various Creq level. Vilella’s reagent
a) Creq 5.1
b) Creq 6.2
c) Creq 7.7
d) Creq 8.8
Bild 9: Mikrogefüge aus den nicht angelassenen Zonen bei unbehandeltem
Schweißgut mit unterschiedlichem Creq Wert. Vilella-Ätzung
10
Querschliffe wurden aus dem
reinem Schweißgut entnommen
und metallographisch untersucht.
Die Muster wurden nach einer
Vilella-Ätzung mikroskopisch
untersucht. Bild 9 zeigt
Mikrogefüge in den nicht
angelassenen Zonen. Alle
Schweißgüter
weisen
im
wesentlichen eine martensitische
Struktur auf. Beim reinen
Schweißgut mit Creq < 8 ist fast
kein Deltaferrit festzustellen.
Schweißgut mit Creq von 8,8
zeigt einen großen Anteil an
blockartigem Deltaferrit. Diese
Beobachtungen
bestätigen,
dass bei Creq <8 fast kein
Deltaferrit entsteht.
May 2009 - Mai 2009
In reheated zones (Figure
10), the microstructure is
also martensitic, with carbides
at prior austenite grain
boundaries. In the case of
the high Creq deposit,
narrow bands of delta
ferrite can be observed at
austenite grain boundaries
and triple points.
Fig.10: Examples of microstructures obtained in reheated zones in the
as-welded condition for weld metal showing various Creq level. Vilella’s reagent
a) Creq 5.1
b) Creq 8.8
SELECTED
CHEMICAL
COMPOSITION
Supported by the previous
study on chemical composition
influence on toughness value,
a seamless flux cored wire for
submerged arc welding has
been developed by Air
Liquide Welding, combined
with a basic submerged arc
flux. The range of Nitrogen
level is 400-450 ppm. The C
content was set in the middle
of the base metal range
and B content close to the
lower bound of base metal
composition 10-20 ppm. No
particular Ti addition was made.
In den angelassenen Bereichen
(Bild 10) ist das Mikrogefüge
ebenfalls martensitisch mit
Karbiden an den primär
austenitischen Korngrenzen.
Im Falle eines Schweißguts
mit hohem Creq können
schmale Delta-Ferrit-Bänder an
austenitischen Korngrenzen und
Dreiphasenpunkten beobachtet
werden.
AUSGEWÄHLTE
CHEMISCHE
ZUSAMMENSETZUNG
c) Creq 5.1 (higher magnification)
(stärkere Vergrößerung)
d) Creq 8.8 (higher magnification)
(stärkere Vergrößerung)
Bild 10: Beispiele von Mikrogefügen in angelassenen Bereichen, bei
unbehandeltem Schweißgut mit unterschiedlichem Creq Wert. Vilella Ätzung
Table 3: All weld metal deposit chemical analysis
C
%
0.10
Si
%
0.21
Mn
%
1.20
Cr
%
8.5
Mo
%
0.42
Co
%
1.03
Nb
%
0.045
V
%
0.21
W
%
1.38
B
%
0.001
N
ppm
421
Tabelle 3: Chemische Analyse des reinen Schweißguts
Basierend auf der Untersuchung
zum Einfluss der chemischen
Zusammensetzung auf die
Zähigkeit, entwickelte Air Liquide
Welding einen nahtlosen Fülldraht
zum UP-Schweißen in Kombination
mit einem basischen Pulver. Der
Stickstoff-Wert lag bei 400-450
ppm. Der C Gehalt wurde so
gewählt, dass er in der Mitte des
Grundwerkstoffbereiches lag und der
B Gehalt lag am unteren Ende der
Grundwerkstoffzusammensetzung
bei 10-20 ppm. Keine beabsichtigte
Zugabe von Ti.
Table 4: All weld metal deposit mechanical properties
Das Schweißgut wurde mit
The all weld metal deposit
Kv +20 °C
Rm (MPa)
Rp 0.2 (MPa)
A (%)
Ac1 (°C)
einem 3,2mm Draht und den
was generated using a
116 - 111 - 109 (112)
730
588
22.3
802
folgenden Schweißparametern
3.2 mm diameter wire, with
the
following
welding
hergestellt: 530 A, 29 V, 60
Tabelle 4: Mechanisches Eigenschaften des reinen Schweißguts
parameters: 530 Amps, 29 V,
cm/min. Vorwärmtemperatur
60 cm/min. Preheating temperature was 250 °C, the sample
250 °C, die Probe wurde nach dem Schweißen 3 Stunden auf
was maintained at 250 °C during 3 hours after welding.
250 °C gehalten. Zwischenlagentemperatur 230-250 °C.
Interpass temperature is 230-250 °C.
Alle Proben wurden 4 Stunden bei 760 °C
Tables 3 and 4 gather chemical
analysis and properties. The toughness
level at room temperature is very good.
AC1 temperature has also been
measured (with 100 °C/h heating rate)
and is high enough (802 °C) to avoid
problems with the PWHT at 760 °C.
Short term creep test specimens have
been generated in the all weld metal
deposit (Figure 11). Weld metal creep
strength reaches the level of the Grade
92 base material.
Fig.11: Creep rupture characterisation of new P92
SAW all-weld-metal
Creep rupture tests ALW P92 weld metal
1000
Stress (MPa)
All samples were post weld heat
treated at 760 °C during 4 hours.
100
new P92 SAW - pure weld
2005 ECCC Grade 92
2005 ECCC Grade 92 - 20%
10
32
33
34
35
36
37
38
39
Larson-Miller Parameter. LMP = (T+273) x [36 + log(t)]
Bild 11: Zeitstandeigenschaften des neuen P92 UP
Schweißguts
nachbehandelt.
Tabelle 3 und 4 beschreiben die
chemische Analyse und die mechanischen
Eigenschaften.
Die
Zähigkeit
bei
Raumtemperatur ist ausgezeichnet. Die
AC1 Temperatur wurde ebenfalls gemessen
(bei 100°C/h Aufheizgeschwindigkeit) und
ist ausreichend hoch (802 °C), um Probleme
mit der Wärmenachbehandlung (PWHT) bei
760 °C zu vermeiden.
Proben für Kurzzeitversuche wurden dem
reinen Schweißgut entnommen (Bild 11).
Die Zeitstandwerte erreichen das Niveau
des Grundwerkstoffs P92.
CONCLUSIONS
SCHLUSSFOLGERUNGEN
The effect of various chemical elements on toughness has
been investigated. For this purpose all-weld-metal were
generated using a seamless flux cored wire with SAW, with
different levels of C, Cr, W and N. Variations of W, C and Cr
within the base material range did not significantly affect
toughness of the weld metal. However Nitrogen content has
Der Einfluss verschiedener chemischer Elemente auf die Zähigkeit
wurde untersucht. Zu diesem Zweck wurden mit einem nahtlosen
Fülldraht in UP-Technik reine Schweißgüter mit unterschiedlichem
Gehalt an C, Cr, W und N hergestellt. Veränderungen des W-, C- und
Cr-Gehalts zeigten keine wesentlichen Auswirkungen auf das
Schweißgut. Der Stickstoffgehalt hingegen beeinflusst den
11
May 2009 - Mai 2009
a great influence on toughness level, decreasing N content
resulting in a toughness improvement. Furthermore the
detrimental effect of B and Ti on toughness was also
confirmed during this study. Despite the adverse effect of
Nitrogen and Boron on toughness, minimum values have
been set in the weld metal in order to match creep
properties of the base material.
As a result of this work, Air Liquide Welding developed an
optimized seamless flux cored wire for SAW, combined with
a basic flux (OERLIKON OE CROMO SF 92/OP F500). This
solution features a promising toughness / creep compromise,
as very good toughness at room temperature and
satisfactory creep behaviour have been obtained. This study
will now be pursued by a wider characterisation of this SAW
solution. Mechanical properties and creep rupture tests will
be performed on real joints.
In addition, Air Liquide Welding has also developed SMAW
and GTAW to weld T/P92 steels to offer a full range of
solutions to weld tubes and pipes (OERLIKON
CROMOCORD 92 and CARBOROD 92). The full P92
welding consumables range will be presented in a third
Competence publication.
Zähigkeitswert stark, wobei ein geringerer Stickstoffgehalt die
Zähigkeit verbessert. Daneben bestätigte sich bei dieser Studie der
negative Effekt von B und Ti auf die Zähigkeit. Trotz der negativen
Auswirkungen von Stickstoff und Bor auf die Zähigkeit, wurden
Mindestwerte für das Schweißgut festgelegt, um die Zeitstandeigenschaften des Grundwerkstoffes zu erfüllen.
Als Ergebnis aus dieser Untersuchung entwickelte Air Liquide Welding
einen optimierten nahtlosen UP-Fülldraht, der mit einem basischen
Pulver kombiniert wird (OERLIKON OE CROMO SF 92/OP F500).
Diese Lösung bietet einen viel versprechenden Kompromiss zwischen
Zähigkeits- und Zeitstandeigenschaften, da ausgezeichnete
Zähigkeitswerte bei Raumtemperatur und zufrieden stellende
Zeitstandeigenschaften erzielt wurden. Weitere Versuche zur
Optimierung der Draht/Pulver-Kombination werden folgen.
Mechanische Eigenschaften und Zeitstandeigenschaften werden an
echten Schweißverbindungen geprüft.
Darüber hinaus entwickelte Air Liquide Welding auch Lösungen für
das Metall-Lichtbogenschweißen mit umhüllter Elektrode (SMAW)
und das WIG-Schweißen (GTAW) für T/P92 Werkstoffe, um ein
komplettes Angebot für das Schweißen von Rohren bieten zu
können (OERLIKON CROMOCORD 92 und CARBOROD 92). Alle
P92 Zusatzwerkstoffe werden in einem dritten Beitrag in OERLIKON
Competence vorgestellt.
C. CHOVET - E. GALAND - B. LEDUEY
AIR LIQUIDE / CTAS -13 rue d'Epluches, Saint Ouen l'Aumône, 95315 Cergy Pontoise, France.
BIBLIOGRAPHY: / LITERATURHINWEISE:
[1] J. Hald – Microstructure and long-term creep properties of 9-12%Cr steels – ECCC Creep
conference, 12-14 Sept. 2005, London
[2] J.C. Vaillant, B. Vandenbergue, B. Hahn, H. Heuser and C. Jochum – T/P23, 24, 911 and 92:
new grades for advanced coal-fired power plants – properties and experience - ECCC Creep
conference, 12-14 Sept. 2005, London.
[3] D.J. Abson – The influence of Ti and Al on the toughness and creep rupture strength of grade
92 steel weld metal - TWI Confidential Members Report No. 833/2005.
[4] A. Vanderschaeghe, J. Gabrel and C. Bonnet – Mise au point des consommables et procédures
de soudage pour l’acier grade 92 – ESOPE Conference, 23-25 Oct. 2001, Paris
12
[5] A.M. Barnes and D.J. Abson - The effect of composition on microstructural development and
toughness of weld metals for advanced high temperature 9-13%Cr steels - 2nd International
Conference Integrity of High Temperature Welds, 10-12 Nov. 2003, London.
[6] ECCC P92 data sheet www.ommi.co.uk/etd/eccc/open.htm
[7] F. Abe – Advanced ferritic steels for thick section boiler components in USC plants at 650°C ECCC Creep conference, 12-14 Sept. 2005, London
[8] P. Patriarca – US advanced materials development program for steam generators – Nuclear Tech
1976 28(3) 516-536
May 2009 - Mai 2009
Welding Consumables
Development for High
Strength Steel Joints
for Oil & Gas Applications.
Schweißzusätze
zum Schweißen
hochfester Stähle in der
Öl- und Gasindustrie.
Evolution towards high or very high strength steels
is a constant matter of preoccupation for
designers and constructors in order to decrease
thickness of structural parts and thus to generate
cost reduction. For example, gas and petroleum
companies show a great interest in X100 materials
for construction of long distance pipelines, and
X120 steel grade appears in the pipe mills and pipe
laying industry. E690 steel is also used for offshore
structures, especially jack-up rigs. To be able to
take advantage of the properties of these very high
strength materials, a full range of welding
consumables as well as recommendations on the
welding of high strength steel structures have to be
developed for the steel and welding communities,
as well as for fabricators.
Die Entwicklung von hochfesten Stählen ist ein Thema
von großer Aktualität für die Verantwortlichen in
Konstruktion und Bauwesen, weil die Dicke der
Bauteile verringert und damit Kosten gesenkt werden
können. Gas- und Erdölunternehmen zum Beispiel
haben großes Interesse an X100 Werkstoffen zum Bau
von Langstreckenpipelines, und X120 Stähle werden
in Rohrwerken und bei der Rohrverlegung eingesetzt.
E690 Stahl kommt bei Offshore Konstruktionen zum
Einsatz, vor allem bei Bohrplattformen. Um die Vorteile
der hochfesten Stähle nutzen zu können, bedarf es eines
kompletten Angebots an Schweißzusätzen und
Empfehlungen zum Verschweißen von hochfesten
Werkstoffen und zwar sowohl für die Stahlverarbeitungsund Schweißindustrie als auch für die Hersteller.
General considerations
Key words
regarding welding of high
• High strength steels
strength steels (HSS) are
• Structural steels
presented. The paper
• Welding consumables
outlines the strategy
• Cold cracking
followed
to
develop
submerged arc welding (SAW) and shielded metal
arc welding (SMAW) consumables dedicated to
the welding of high strength steels, with a special
highlight on offshore structure applications.
Solutions to weld high thickness E690 and E830
steels are presented.
In diesem Artikel werden zunächst die hochfesten
Stähle (HSS = high strength steels) im vorgestellt,
danach wird die Vorgehensweise beschrieben, nach
der Zusatzwerkstoffe zum UP-und Schutzgasschweißen
entwickelt wurden. Bei den speziell für das Schweißen
von hochfesten Stählen ausgelegten Materialien wurde
besonderes Augenmerk auf
Offshore-Anwendungen Schlüsselwörter
gelegt. Außerdem werden • Hochfeste Stähle
• Baustähle
Lösungen zum Verschweißen
• Schweißzusätze
von E690 und E830
• Kaltrisse
Stählen großer Wanddicke
vorgestellt.
INTRODUCTION
EINLEITUNG
High strength steels, featuring a yield strength above
500 MPa, involve a growing number of applications. In oil &
gas applications especially, they are of particular interest for
offshore structures [1] as well as for pipelines [2]. In the case
of pipeline applications, the use of steels featuring higher
strength levels can allow the thickness of the pipe to be
reduced. For example, for a pipe working at 170 bar
pressure [3], the use of X65 base metal leads to 29 mm wall
thickness, whereas the use of X100 grade would lead to
only 19 mm wall thickness, thus reducing by 35% the pipe
Hochfeste Stähle mit einer Streckgrenze von mehr als 500MPa
werden immer häufiger eingesetzt. Vor allem für die Öl- und
Gasindustrie und besonders im Offshore-Bereich [1] und im
Pipelinebau [2] sind sie von großem Interesse. Im Pipelinebau kann
der Einsatz von Stählen mit höherer Festigkeit dazu beitragen, die
Rohrwanddicke zu verringern. Bei Rohren für einen Druck von 170
bar zum Beispiel beträgt die Wandstärke bei der Verwendung von
X65 als Grundwerkstoff 29 mm, beim Einsatz von X100 Stahl wäre
eine Wandstärke von 19mm ausreichend und das Rohrgewicht
würde um 35% sinken. Diese potenzielle Gewichtsreduzierung bei
13
May 2009 - Mai 2009
weight. This potential reduction of pipe weight leads to
reduction of transportation and manufacturing costs. For
long distance pipelines, the interest for gas transmission
companies is even greater, because the use of HSS can
allow operation at higher service pressures (2000 to
2500 psi instead of 1000-1500 psi). According to pipe
manufacturers, the development of X80 is finished and is
considered to be the present state of the art [4]. Nowadays
gas and petroleum companies show a great interest in X100
materials for construction of long distance pipelines, and
X120 steel grade starts to appear in the pipe mills and pipe
laying industry.
Among the various types of offshore structures, jack-up rigs
are of particular interest regarding high strength steels. Up
to 150m deep, these mobile drilling rigs are used to extract
the oil. They are designed to move from place to place and
anchor by deploying their legs. Energy demand is increasing
drastically, the number of rigs under construction increased
by 77% between 2005 and 2009. From 2009 to 2010, more
than 100 new jack-up rigs should be built. In the structure,
420 to 460 MPa yield strength steels are currently used. But
for jack-up rig legs, due to the weight of the structure to be
supported, very high thickness plates are necessary. Then
690 MPa yield strength steels find a very interesting
application, since it allows the weight of the structure to
be reduced E690 steels are very often used. Steels up to
830 MPa have even been developed for this application,
although they are not yet widely used. In this field, arc
welding processes, such as SMAW or flux cored arc
welding (FCAW) are used for root beads and the SAW
process is used to fill the joint. In this paper, we will focus on
welding of high thickness joints of high strength steels in the
case of offshore structure construction.
High strength steels are manufactured according to two
different routes: Thermo Mechanical Controlled Process
(TMCP) steels or quench and temper steels. For low to
moderate wall thickness, high strength steels can be
manufactured by TMCP, as it is for example the case for
pipes [5]. But for offshore structures, the heavy wall
thickness does not allow the manufacture of the steels by
thermomechanical processing. Therefore, quench and
temper steels are used. These steels show a good
combination of strength and toughness. Quench and
tempered HSS feature a moderate Carbon level (0.12% to
0.18%), in order to be weldable. To reach high strength
levels, these grades are micro-alloyed with Titanium,
Niobium, Vanadium or Boron, which will form carbides or
nitride precipitates. Alloying elements such as Chromium
and Molybdenum are also added. It has to be noted that for
a given steel grade, the chosen chemical composition can
vary from one producer to another or simply from one heat
to another. This parameter has to be taken into account in
the definition of welding conditions and choice of welding
filler material.
For each application, adapted solutions need to be available
for the welding operation. In this paper, the development of
Air Liquide Welding solutions for the welding of HSS for
offshore structures, particularly filler materials, will be
discussed. The first part will deal with the necessary
precautions to be taken when welding high strength steels.
Then, Air Liquide Welding (ALW) solutions to weld E690 and
E830 steels will be presented.
14
den Rohren spart auch Transport- und Herstellkosten. Bei
Langstreckenpipelines ist der Nutzen für die Energiegesellschaften
sogar noch höher, da die Verwendung von HSS einen höheren
Betriebsdruck [3] möglich macht (2000 bis 2500psi statt 1000 bis
1500psi). Rohrherstellern zufolge ist die Entwicklung des X80 Stahls
beendet und stellt den derzeitigen Stand der Technik dar . Zurzeit
sind Gas- und Erdölunternehmen stark an X100 Werkstoffen für den
Bau von Langstreckenpipelines interessiert und in Rohrwerken und
bei der Rohrverlegung findet man die ersten X120 Stähle.
Unter den verschiedenen Offshore-Konstruktionen sind
hochfeste Stähle für Hubbohrinseln von besonderem Interesse.
Diese mobilen Plattformen werden bis zu 150m Tiefe zur
Erdölförderung eingesetzt. Sie sind so konstruiert, dass sie an
verschiedene Standorte gebracht und dort durch das
Ausklappen der Beine verankert werden können. Da sich der
Energiebedarf drastisch erhöht, stieg die Anzahl dieser
Bohrinseln zwischen 2005 und 2007 um 77%. Von 2007 bis
2010 sollen mehr als 100 neue Plattformen gebaut werden. Für
den Aufbau werden zurzeit Stähle mit einer Streckgrenze von
420 bis 460MPa verwendet. Aber für die Beine sind wegen des
zu tragenden Gewichts des Aufbaus sehr große Wandstärken
notwendig. Daher ergibt sich hier ein interessantes
Anwendungsgebiet für Stähle mit einer Streckgrenze von
690MPa, da das Gewicht des Aufbaus reduziert werden kann.
E690 Stähle werden sehr oft eingesetzt. Stähle mit einer
Streckgrenze bis zu 830MPa wurden bereits entwickelt, haben
aber noch keine breite Anwendung gefunden. Auf diesem
Gebiet werden Lichtbogenschweißverfahren wie das
Stabelektrodenschweißen (SMAW) oder Fülldrahtschweißen
(FCAW) für Wurzelschweißungen und die UP-Schweißtechnik für
die Füll-Lagen eingesetzt. In vorliegender Arbeit konzentrieren
wir uns auf Verbindungen von hochfesten Stählen mit großer
Wandstärke im Offshore-Bereich.
Hochfeste Stähle werden in zwei unterschiedlichen Verfahren
hergestellt: Thermo-mechanisches Verfahren (Thermo
Mechanical Controlled Process (TMCP) und Vergütung. Für
geringe bis mittlere Wandstärken können hochfeste Stähle nach
dem thermo-mechanischen Verfahren TMCP hergestellt werden,
wie zum Beispiel bei Blechen für die Rohrherstellung [5]. Für OffShore-Konstruktionen aber ist die Herstellung nach dem thermomechanischen Verfahren aufgrund der großen Wandstärken
nicht mehr möglich. Daher werden Vergütungsstähle eingesetzt,
die einen guten Kompromiss zwischen Streckgrenze und
Zähigkeit aufweisen. Vergütete hochfeste Stähle haben einen
moderaten Kohlenstoffanteil (0,12% bis 0,18%), um die
Schweißbarkeit nicht zu beeinträchtigen. Um hohe Festigkeit zu
erreichen, werden diese Stähle mit Titan, Niob, Vanadium oder
Bor mikrolegiert, die Karbid- und Nitridausscheidungen bilden.
Weitere Elemente wie Chrom und Molybdän werden ebenfalls
zulegiert. Es ist anzumerken, dass die chemische Zusammensetzung
eines bestimmten Stahltyps von Hersteller zu Hersteller oder
unter Umständen von Schmelze zu Schmelze variieren kann. Diese
Parameter müssen bei der Bestimmung der Schweißbedingungen
und der Auswahl der Schweißzusatzwerkstoffe berücksichtigt werden.
Für jede Anwendung kann eine entsprechende Anpassung der
Schweißtechnologie notwendig sein. In vorliegender Arbeit wird
über die Entwicklung von Air Liquide Welding Lösungen
berichtet, wobei besonders die Zusatzwerkstoffe zum
Schweißen von hochfesten Stählen im Off-Shore-Bereich
betrachtet werden. Im ersten Teil geht es um die notwendigen
Vorkehrungen beim Schweißen von hochfesten Stählen. Danach
werden die Air Liquide Welding (ALW) Empfehlungen zum
Schweißen von E690 und E830 Stählen vorgestellt.
May 2009 - Mai 2009
KEY ISSUES IN WELDING
OF HIGH STRENGTH STEELS
WESENTLICHE ASPEKTE BEIM SCHWEIßEN
HOCHFESTER STÄHLE
Two main metallurgical issues remain concerning welding of
high strength steels: cold cracking susceptibility and
mechanical properties in heat affected zone (HAZ) and in
weld metal (combination of strength and toughness).
Beim Schweißen hochfester Stähle sind zwei wesentliche
metallurgische Gesichtspunkte zu beachten: Kaltrissempfindlichkeit
und mechanische Eigenschaften in der Wärmeinflusszone (WEZ)
sowie im Schweißgut (Kombination von Streckgrenze und Zähigkeit).
The occurrence of cold cracking is
linked to three factors: diffusible
hydrogen content in weld metal, brittle
microstructure, and residual stresses.
Diffusible hydrogen comes mainly from
the filler material and from atmospheric
conditions during welding for SMAW.
The brittleness of the microstructure is
linked to the chemical composition of
the weld metal and of the base metal
and to the thermal cycle during welding.
For a given chemical composition, the
microstructure will be harder as the
thermal cycle gets faster, as shown in
Figure 1.
Fig.1: Evolution of hardness as function of ∆t800500 (cooling time between 800 °C to 500 °C in a
welding cycle)
Hadrness HV
Härte HV
Hvmax
C
C, Mn, Si, Cr, Mo
Cooling time - Abkühlzeit
Das Auftreten von Kaltrissen ist auf drei
Faktoren zurückzuführen: diffusibler Wasserstoff im Schweißgut, sprödes Mikrogefüge
und Restspannungen. Diffusibler Wasserstoff
entsteht meist aus den Zusatzwerkstoffen
und den atmosphärischen Bedingungen
beim Stabelektrodenschweißen (SMAW).
Die Sprödigkeit des Mikrogefüges hängt mit
der chemischen Zusammensetzung des
Schweißguts und des Grundwerkstoffs
sowie mit den Abkühlbedingungen beim
Schweißen zusammen. Bei einer bestimmten
chemischen Zusammensetzung wird das
Mikrogefüge durch eine beschleunigte
Abkühlung härter (siehe Bild 1).
Bild 1: Härte in Abhängigkeit von ∆t800-500
Applied Stength
Applied Stength
Bei Stählen mittlerer Festigkeit werden
In medium strength steels, filler materials
(Abkühlzeit zw. 800°C - 500°C
Zusätze verwendet, die im allgemeinen
generally generate weld metal that is
in einem Schweißzyklus)
weniger Legierungselemente enthalten als
less alloyed than the base metal. In this
der Grundwerkstoff. In diesem Fall liegen die Kaltrisse meist in der
case, cold cracking is located in the HAZ, as the brittle
WEZ, da die größte Sprödigkeit sich gewöhnlich in dieser Zone
microstructures are likely to form in that zone. Welding filler
ausbildet. Schweißzusatzwerkstoffe für hochfeste Stähle enthalten
materials developed for HSS generally have a higher quantity
normalerweise einen höheren Anteil an Legierungselementen als
of alloying elements than the corresponding base material.
der entsprechende Grundwerkstoff. Das Schweißgut besitzt dann
The weld metal then has a higher hardenability than the base
eine höhere Härtbarkeit als der Grundwerkstoff, wodurch Kaltrisse
metal, thus leading to the possibility of having cold cracks in
im Schweißgut entstehen können. Aus diesem Grund sind
the weld metal. That is why high strength steels weldments
Schweißverbindungen bei hochfesten Stählen sowohl in der
are susceptible to cold cracking, in the HAZ as well as in the
WEZ als auch im Schweißgut kaltrissempfindlich [6]. Die
weld metal. Cracks can be longitudinal in weld metal or
Kaltrissempfindlichkeit kann mit speziellen Tests, wie zum Beispiel
transverse in the HAZ [6]. Cold cracking susceptibility can be
Implantversuchen, bestimmt werden. Mit diesen Tests können die
studied with particular tests, such as implant tests. These
Auswirkungen der Wärmeführung auf einen bestimmten
tests allow investigation of the effect of thermal cycle for a
Grundwerkstoff bei einem bestimmten Gehalt an diffusiblem
given base metal and diffusible hydrogen content. For
Wasserstoff geprüft werden. Bild 2 z. Bsp. zeigt die Implantkurve
instance, Figure 2 shows the implant curve obtained with a
eines
Stahls
mit
einer
690 MPa yield strength steel,
Fig.2: Implant curve for a S690 steel
Fig.3: Implant curve for a S690 steel
Streckgrenze von 690MPa,
welded with a filler material
welded with a low diffusible hydrogen
welded with an SMAW electrode
verschweißt
mit
einem
giving a diffusible hydrogen
flux cored wire (1.3 ml/100g dm)
(4 ml/100g dm)
Zusatzwerkstoff, der zu einem
content of 1.3 ml / 100 g
750
750
diffusiblen Wasserstoffgehalt
deposited weld metal. This
Metal cored
Metal cored
700
700
von 1,3ml/100g im Schweißgut
figure
shows
that
the
650
650
führt. Hier wird deutlich, dass
occurrence of cold cracking
1.3 ml /
600
600
100 g DM
das Auftreten von Kaltrissen is a function of thermal cycle
Cracking
Cracking
550
550
bei einem bestimmten Gehalt
and stress, for a given
4 ml / 100 g DM
500
500
an diffusiblem Wasserstoff
diffusible hydrogen content
450
450
Electrode
und
einem
bestimmten
and a given base material. In
400
400
Grundwerkstoff – von den
Figure 3, the curve is
350
350
Abkühlbedingungen und der
obtained with a welding filler
300
300
No cracking
No cracking
Spannung abhängig ist. Bild 3
material giving 4ml/100g
250
250
2
4
6
8
10
12
2
4
6
8
10
12
zeigt einen Zusatzwerkstoff
deposited weld metal. In this
Cooling time Δ - Abkühlzeit Δ (800 - 500 °C)
Cooling time Δ - Abkühlzeit Δ (800 - 500 °C)
mit
4ml/100g
diffusiblem
case the stress that can be
Bild 2: Implantkurve S690 Stahl,
Bild 3: Implantkurve S690 Stahl,
Wasserstoff im Schweißgut. In
supported by the structure
verschweißt mit Fülldraht mit niedrigem
verschweißt mit Stabelektrode
diesem Fall ist die Spannung,
without cracking is much
H2-Gehalt (1,3 ml/100g dm)
(4 ml/100g dm)
die das Gefüge aushalten kann
lower than with a product
ohne zu reißen, viel geringer als bei einem Produkt mit einem
having a lower level of diffusible hydrogen.
niedrigen Gehalt an diffusiblem Wasserstoff.
Due to this cold cracking susceptibility, HSS have to be
Aufgrund dieser Kaltrissempfindlichkeit müssen beim Schweißen von
welded with some precautions. Welding conditions are also
hochfesten Stählen besondere Vorkehrungen getroffen werden. Die
a key point in avoiding cold cracking as a high cooling rate
15
May 2009 - Mai 2009
lead to a harder microstructure, which will be more
susceptible to cold cracking. Preheat and interpass
temperature have to be respected. A post-heating can be
used in some cases to remove hydrogen from the structure
before complete cooling to ambient temperature. From the
fabricators point of view, the first precaution lies in the
choice of the welding consumables: filler materials giving
low diffusible hydrogen content have to be chosen, as for
example basic SMAW electrodes and seamless flux cored
wire. The welding consumables have to be carefully stored
and they may have to be dried or re-dried when they are
used, according to the conditions given by the consumable
manufacturer. Vacuum packaging for coated electrodes are
used very conveniently because it allows use of the
electrodes without drying, provided that the pack is not
damaged. The same concept exists for SAW welding fluxes,
OERLIKON DRYBAG.
Schweißbedingungen sind dabei ein Schlüssel zur Vermeidung von
Kaltrissen, da eine hohe Abkühlrate zu einem härteren Mikrogefüge
führt, das gegenüber Kaltrissen anfälliger ist. Vorwärm- und
Zwischenlagentemperaturen müssen eingehalten werden. Eine
Wärmenachbehandlung kann in manchen Fällen sinnvoll sein, um
den Wasserstoff im Bauteil zu verringern, bevor es vollständig auf
Raumtemperatur abkühlt. Aus Herstellersicht besteht die erste
Maßnahme in der richtigen Wahl der Schweißzusätze. Diese dürfen
nur einen geringen Gehalt an diffusiblem Wasserstoff erzeugen, wie
zum Beispiel basische Stabelektroden oder nahtlose Fülldrähte. Die
Zusatzwerkstoffe müssen sorgfältig gelagert und vor Gebrauch
gemäß Herstellerangaben getrocknet werden. Vakuumverpackungen
für Stabelektroden sind sehr hilfreich, da die Elektroden bei
unbeschädigter Verpackung ohne Rücktrocknung einsatzfähig sind.
Dasselbe Prinzip gibt es für Schweißpulver OERLIKON DRYBAG.
(MPa)
Der zweite Aspekt betrifft die mechanischen Gütewerte der
Schweißverbindung. Die Wärmeführung beim Schweißen kann zu
einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften in der
The other issue is related to mechanical properties in the
WEZ und im Schweißgut führen. Beim Grundwerkstoff besteht das
weld. Welding thermal cycle may engender degradation of
Hauptrisiko in einer Verschlechterung der Streckgrenze durch
mechanical properties in the HAZ and in the weld metal. For
Gefügeveränderungen in der WEZ. Die Wärmeführung beim
base metal, the main risk is a decrease of the yield strength
Schweißen kann auch die Zähigkeit in der WEZ beeinträchtigen. Die
in the HAZ due to metallurgical transformation. Toughness in
Verschlechterung der Zähigkeit in der WEZ hängt von der
the HAZ can also be impaired by the welding thermal cycle.
chemischen Zusammensetzung des Stahls ab. Es ist bekannt, dass
The degradation of toughness in the HAZ will depend on
Werkstoffe mit Vanadium-Mikrolegierungen diesem Phänomen
the chemical composition of the steel. Steels micro-alloyed
gegenüber anfälliger sind. Dadurch werden die Toleranzen für die
with Vanadium are known to be more susceptible to
Schweißparameter immer enger. Das hochfeste Schweißgut reagiert
this phenomenon. Due to these facts, welding parameter
aufgrund des höheren Gehalts an
tolerances
become
progressively
Fig.4: Evolution of YS and UTS as a function of heat
Legierungselementen empfindlicher auf
tighter. Concerning weld metal, due to
input for 690 MPa electrode (electrode 2) and 890 MPa
Änderungen der Schweißparameter als das
the higher level of alloying elements, the
electrode (electrode 1). Properties in all weld metal.
Schweißgut für weichere Stähle. Eine zu
HSS weld metal is more sensitive to
1100
langsame Abkühlung kann bei einem
welding parameter variations than
bestimmten Legierungstyp zu einer weicheren
standard grades. In fact a too slow
1000
Mikrostruktur führen als erwartet. Die
thermal cycle can lead to a softer
900
Abkühlungsbedingungen des Schweißguts
microstructure than expected for a
800
hängen mit dem Wärmeeintrag, der
given consumable. The thermal cycle
YS electrode 1
700
UTS electrode 1
Zwischenlagentemperatur und der Dicke
is linked to heat input, interpass
YS electrode 2
600
des Grundwerkstoffes zusammen. Die
temperature and thickness of the base
UTS electrode 2
Streckgrenze kann unter die Gewährleismetal. The yield strength can be lower
500
0
10
20
30
40
50
tungswerte abfallen, wenn der Wärmeeintrag
than the required one, if a too high
Heat input - Wärmeeintrag (kJ/cm)
zu hoch ist oder eine zu hohe Zwischenlagenheat input or a too high interpass
Bild 4: Entwicklung von YS und UTS in Abhängigkeit
temperatur verwendet wird. Bild 4 zeigt,
temperature are for example used.
vom Wärmeeintrag bei einer 690MPa Elektrode
dass bei einem sehr hohen Wärmeeintrag
Figure 4 shows that when a very high
(Elektrode 2) und einer 890MPa Elektrode
die Streckgrenze des Produkts nicht mehr
input is used, the yield strength of the
(Elektrode 1). Eigenschaften des reinen Schweißguts.
garantiert werden kann.
product can no longer be guaranteed.
16
WELDING SOLUTIONS
FOR 690 MPa STEELS
SCHWEIßTECHNISCHE LÖSUNGEN
FÜR 690 MPa STAHL
The challenge for welding consumables producers is to
develop consumables which give the adequate combination
of strength and toughness. High levels of strength can easily
be achieved in weld metal. But in order to have a satisfactory
level of toughness, the main chemical balance has to be
optimized. Moreover, when the weld metal is reheated due to
multipass welding, several embrittlement mechanisms can
occur: Nitrogen combines with Niobium, Vanadium and
Titanium to form precipitates, that lead to embrittlement of
the structure, especially in the root pass. Phosphorus, Tin,
Antimony and Arsenic are also known to have an adverse
effect on toughness. These mechanisms have to be taken
into account during the development of the weld metal. The
welding procedure also has a significant influence on the
structure and the chemical composition of the joint.
Die Herausforderung für die Zusatzwerkstoffhersteller besteht darin,
Werkstoffe zu entwickeln, die eine geeignete Kombination aus
Streckgrenze und Zähigkeit darstellen. Es ist leicht, eine hohe
Streckgrenze zu erreichen. Um aber gleichzeitig zufrieden stellende
Zähigkeitswerte zu erzielen, muss eine geeignete chemische
Zusammensetzung gefunden werden. Außerdem können verschiedene Versprödungsmechanismen auftreten, wenn das
Schweißgut beim Mehrlagenschweißen wieder erwärmt wird.
Stickstoff verbindet sich mit Niob, Vanadium und Titan und bildet
Ausscheidungen, die zu Gefüge-Versprödungen vor allem im
Wurzelbereich führen. Phosphor, Zinn, Antimon und Arsen wirken
sich ebenfalls negativ auf die Zähigkeit aus. Diese Mechanismen
müssen bei der Entwicklung des Schweißguts berücksichtigt werden.
Auch das Schweißverfahren hat wesentlichen Einfluss auf das Gefüge
und die chemische Zusammensetzung der Schweißverbindung.
May 2009 - Mai 2009
Optimisation of these different parameters is discussed
below, in particular welding procedure, chemistry balance
and impurity level control.
Auf die Optimierung all dieser Parameter wird weiter unten
eingegangen, speziell auf das Schweißverfahren, die chemische
Zusammensetzung und die Kontrolle der Verunreinigungen.
Cold cracking being a major issue when welding high
strength steels, flux cored wires for SAW and FCAW
designed for these applications are seamless technology
wires. The powders constituting the core of the wire are thus
not subjected to moisture pick-up. Moreover, raw materials
constituting the flux are selected for their low moisture
content, resulting in low diffusible hydrogen products.
Lastly, the selection of basic filler materials is also motivated
by the low diffusible hydrogen level guaranteed by this
product family. Similar considerations as low moisture pickup raw materials and basic products selections are applied
to SMAW electrodes and submerged-arc flux.
Da Kaltrisse ein Hauptrisiko beim Schweißen hochfester Stähle
sind, werden für das UP(SAW)- und Fülldrahtschweißen (FCAW)
bei diesen Anwendungen nahtlose Fülldrähte eingesetzt. Die
Füllpulver in Innern des Drahtes sind dadurch keiner
Feuchtigkeitsaufnahme ausgesetzt. Darüber hinaus werden nur
Rohstoffe mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt zur Füllpulverherstellung
verwendet, so dass wenig diffusibler Wasserstoff gebildet wird.
Auch bei Stabelektroden und Schweißpulvern wird durch den
Einsatz von feuchteunempfindlichen Rohstoffen auf ein niedriges
Niveau an diffusiblem Wasserstoff geachtet.
Air Liquide Welding hat ein Programm an Zusatzwerkstoffen für
hochfeste Stähle entwickelt, das aus Stabelektroden,
Fülldrähten und Draht-/Pulverkombinationen besteht. Die ersten
Schritte bei dieser Entwicklung bestanden in der Untersuchung
der chemischen Zusammensetzung des reinen Schweißguts.
Danach wurden Schweißverbindungen hergestellt, um das
Produktverhalten an 690MPa Stählen zu prüfen. Abschließend
werden Erfahrungsberichte aus industriellen Anwendungen
vorgestellt.
Air Liquide Welding has developed a range of welding
consumables for HSS, constituted of SMAW electrodes, flux
cored wires and flux cored wire/flux combination. The first
step of the development of these filler materials consisted of
an investigation of the all weld metal deposit chemistry.
Welded joints were then generated to evaluate the
behaviour of products on 690 MPa steels. Lastly, results
from industrial experience are reported.
Schweißgut für 690 MPa
The tempering induced by the
following adjacent weld pass causes a
microstructural refinement in the
reheated areas. This structural change
has a pronounced effect on toughness.
If the notch of the Charpy-V sample is
mainly positioned in the reheated
areas, then the absorbed energy is
higher than the energy absorbed when
the notch is located in the as-solidified
areas (Figure 6). In contrast, as the
section of the tensile specimen covers
a wide zone, no differentiation is
possible between as-solidified and
reheated areas.
Fig.5: Macrography of a joint welded with flux-cored
wire / flux OP 121TTW in P690 steel
(60° V-groove, 30 mm thickness)
“as solidfied”
areas
wie erstarrte
Zone
“reheated”
area
angelassene
Zone
Bild 5: Makroschliff einer Schweißnaht, hergestellt
mit Fülldraht / Pulver OP 121TTW an P690 Stahl
(60° V-Naht, 30mm Dicke).
Fig.6: Influence of the notch position of the Charpy-V
specimens in pure weld metal of flux-cored wire
MOD 78 / OP 121TTW
Influence of notch position
Einfluss der Kerblage
Toughness - Zähigkeit (J)
690 pure weld metal
All weld metal characterizations were
made with the following welding
parameters: 42 cm/min travel speed,
1.9 m/min wire feed rate, 29 V, 525 A,
DC+, heat input of 21.8 kJ/cm and
interpass temperature of 150 °C. Wire
diameter is 3.2 mm.
In the macro section showing the bead
sequence in the joint (Figure 5), the
areas of the weld metal affected by a
subsequent deposited weld bead
(reheated areas) and not affected
areas (as-solidified areas) can be
distinguished.
140
120
100
80
60
40
20
0
-100
as solidified
reheated
-80
-60
-40
Temperature - Temperatur (°C)
Alle Schweißgüter wurden mit folgenden
Parametern
hergestellt:
42cm/min
Schweißgeschwindigkeit,
1,9m/min
Drahtvorschub, 29V, 525A, DC+,
Wärmeeintrag
21,8kJ/cm
und
Zwischenlagentemperatur
150°C.
Drahtdurchmesser: 3,2 mm.
Der Makroschliff zeigt den Lagenaufbau
der Schweißverbindung (Bild 5). Man
kann die Zonen des Schweißguts, die von
einer danach geschweißten Raupe
beeinflusst werden (angelassene Zonen =
reheated areas) und die Zonen, die
unbeeinflusst bleiben (Zonen wie erstarrt
= as solidified) unterscheiden.
Das Anlassen durch die folgenden bzw.
angrenzenden Schweißraupen führt zu
einer Verfeinerung des Mikrogefüges in
den erneut erwärmten Zonen. Diese
Änderung im Gefüge hat erhebliche
Auswirkungen auf die Zähigkeit. Wenn die
Kerbe für die Charpy-V Probe
hauptsächlich in angelassenen Zonen
liegt, ist die Energieabsorption höher als
bei Kerben in den unbeeinflussten “wie
erstarrten” Zonen (Bild 6). Da die
Zugfestigkeits-Probe im Gegensatz dazu
ein breiteres Gebiet umfasst, ist eine
solche Differenzierung beim Zugversuch
nicht möglich.
Filler material compositions have been
Bei der Entwicklung der Zusatzwerkstoffe
Bild 6: Einfluss der Kerb-Position der Charpy-V
designed to generate the best
wurde die bestmögliche chemische
Proben im reinen Schweißgut beim Fülldraht MOD
chemical balance to match 690 MPa
Zusammensetzung zum Erreichen der
78 / OP 121TTW
while having a sufficient level of
Streckgrenze
von
690MPa
bei
toughness. Strength level is easily reached with an addition
ausreichendem Zähigkeitsniveau gewählt. Die Streckgrenze wird
of alloying elements. General information about the effects
durch Zugabe entsprechender Legierungselemente leicht erreicht.
17
May 2009 - Mai 2009
of alloying elements is given in Table 1. Molybdenum in
particular, is very efficient to strengthen the weld metal. As
the effect is adverse on toughness, alloying additions have
to be fine tuned to obtain the right toughness/yield strength
balance. Silicon level plays an important role in the product
operational performance. Its wetting characteristics will
smooth the weld bead/ weld metal interface and ease the
slag detachability.
Table 1 - Effect of different alloying elements in high yield strength steels
Alloying Element
Positive action
Negative action
C
Hardening
Carbo-nitrides & Precipitation
Si
Hardening & wetting
Precipitation kinetic
Temper embrittlement kinetic after
Mn
Hardening
post weld heat treatment (PWHT)
Cr
Hardening
Carbo-nitrides & Precipitation
Mo
Hardening
Carbo-nitrides & Precipitation
Ni
Hardening & toughness
Experimental results (Table 2) highlight that Nickel increases
yield strength but has also a positive effect on the
toughness level. As a result, a chemistry with a low Carbon
(0.06% versus of 0.08%) and high Nickel (2.5% versus
2.1%) has been preferred.
Table 2 - Chemical composition and mechanical properties of the pure SAW
welds of flux cored wires with OP 121TTW
Formula
MOD 76
MOD 76B
MOD 78
%C
0.078
0.059
0.062
%Si
0.4
0.36
0.31
%Mn
1.45
1.58
1.43
%Cr
0.26
0.47
0,36
%Mo
0.47
0.36
0,44
%Ni
2.1
2.5
2.6
O / N (ppm)
240 / 39
270 / 50
280 / 49
Rp 0.2 (MPa)
729
743
769
Rm (MPa)
802
822
809
A%
20.3
18.8
20
-40 °C - as
108
85
-40 °C - rh
114
133
Kv (J)
-60 °C - as
75
50
77
-60 °C - rh
86
108
125
Note: for toughness, “as” corresponds to the as solidified area, “rh” to the reheated area.
Allgemeine Informationen dazu sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Molybdän ist besonders effizient zur Verbesserung der
Streckgrenze des Schweißguts, wirkt aber negativ auf die Zähigkeit.
Die Legierungselemente müssen also fein abgestimmt werden, um
die richtige Balance zwischen Zähigkeit und Streckgrenze zu
erreichen. Der Siliziumgehalt hat einen großen Einfluss auf die
Schweißeigenschaften des Produkts. Seine Benetzungseigenschaften
verbessern das Nahtaussehen und das Anfließen des Schweißguts an
den Grundwerkstoff und erleichtern die Schlackentfernbarkeit.
Tabelle 1 - Wirkung verschiedener Legierungselemente bei hochfesten Stählen
Legierungselement
C
Si
Positive Wirkung
Härte
Härte & Benetzung
Mn
Härte
Cr
Mo
Ni
Härte
Härte
Härte & Zähigkeit
Negative Wirkung
Carbo-Nitride & Ausscheidungen
Ausscheidungskinetik
Anlassversprödung, Kinetik nach
Wärmenachbehandlung (PWHT)
Carbo-Nitride & Ausscheidungen
Carbo-Nitride & Ausscheidungen
Die Testergebnisse (Tabelle 2) zeigen, dass Nickel die Streckgrenze
erhöht und gleichzeitig positiv auf die Zähigkeit wirkt. Daher wurde
einer chemische Zusammensetzung mit niedrigem Kohlenstoff(0,06% zu 0,08%) und hohem Nickelgehalt (2,5% zu 2,1%) der
Vorzug gegeben.
Tabelle 2 - Chemische Zusammensetzung und mechanische Güteeigenschaften
des UP Schweißguts einer UP-Fülldraht-Kombination mit dem Pulver OP 121TTW
Formula
MOD 76
MOD 76B
MOD 78
%C
0.078
0.059
0.062
%Si
0.4
0.36
0.31
%Mn
1.45
1.58
1.43
%Cr
0.26
0.47
0,36
%Mo
0.47
0.36
0,44
%Ni
2.1
2.5
2.6
O / N (ppm)
240 / 39
270 / 50
280 / 49
Rp 0.2 (MPa)
729
743
769
Rm (MPa)
802
822
809
A%
20.3
18.8
20
-40 °C - as
108
85
-40 °C - rh
114
133
Kv (J)
-60 °C - as
75
50
77
-60 °C - rh
86
108
125
Anmerkung: bei der Zähigkeit entspricht “as” der unbeeinflussten (as solidified)
und “rh” der angelassenen Zone (reheated area).
Toughness - Zähigkeit (J)
Generally speaking, low Oxygen content is favourable
Allgemein kann man sagen, dass ein niedriger Sauerstoffgehalt
for good toughness in the weld deposit. Oxygen is present
eine gute Zähigkeit im Schweißgut begünstigt. Sauerstoff ist in
in raw material powders as oxides.
Rohstoffen und Pulvern als Oxid enthalten.
Fig.7: Influence of Oxygen level on toughness in pure
Optimized deoxidation is set up in the
Eine optimierte Desoxidation soll zur
SAW welds of flux cored wires with OP 121TTW
consumables to lower oxygen level in
Senkung des Sauerstoffgehalt im
the weld metal, while keeping good
Schweißgut beitragen, wobei die Nahtform
140
weld
bead
shape
and
slag
und die Schlackelöslichkeit nicht
120
detachability. Deoxidation is provided
beeinträchtigt werden sollen. Die
100
by the basic character of the filler
Desoxidation erfolgt durch den basischen
Kv -40 °C (J) - as
80
materials. A decrease in Oxygen
Charakter der Zusatzwerkstoffe. Eine
Kv -40 °C (J) - rh
content results in an increase in
60
Senkung des Sauerstoffgehalts führt zu
220
240
260
280
300
320
340
toughness (Figure 7). The low value
einer höheren Zähigkeit (Bild 7). Der
Oxygen - Sauerstoff (ppm)
obtained in the reheat zone when
niedrige Wert in der angelassenen Zone
Oxygen is at 240 ppm may be due to
Bild 7: Einfluss des Sauerstoffgehalts auf die
bei 240 ppm Sauerstoff könnte auf den
Zähigkeit im Schweißgut einer UP-Fülldrahtthe comparatively low Nickel content
relativ niedrigen Nickelgehalt in dieser
Kombination mit OP 121TTW
(2.1% versus 2.4%) of this sample.
Probe zurückzuführen sein (2,1% zu 2,4%).
An important key issue in the development of welding
consumables has been to decrease impurities in the weld
metal. Arsenic, Antimony, Tin, Phosphorus and Sulphur are
seen as impurities in raw material powders, strip and steel
rod. All these elements are not favourable for toughness.
Consequently, special care was taken in developing
products with as low levels of impurities as possible. This
18
Ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung der Schweißzusatzwerkstoffe
war, die Verunreinigungen im Schweißgut so gering wie möglich zu
halten. Arsen, Antimon, Zinn, Phosphor und Schwefel sind als
Verunreinigungen in Rohstoffen, Bändern und Stäben enthalten.
Diese Elemente wirken sich ungünstig auf die Zähigkeit aus. Daher
wurde bei der Entwicklung darauf geachtet, Produkte mit so wenig
Verunreinigungen wie möglich herzustellen, was durch eine
May 2009 - Mai 2009
could be achieved through a careful control of the purity of
raw material powders, strip and steel rods used for the
production of the welding products.
sorgfältige Kontrolle der Reinheit von Rohstoffen, Bändern und
Stäben für die Herstellung der Zusatzwerkstoffe erreicht wurde.
Vanadium und Stickstoff können ebenfalls als Verunreinigungen in
Rohstoffen vorliegen und werden bei der Auswahl der Rohstoffe
entsprechend betrachtet. Außer dem Grundwerkstoffeinfluss sind die
Schweißbedingungen wie Lichtbogenstabilität und Lichtbogenlänge
die wesentlichen Parameter, die den Vanadium- und Stickstoffgehalt
in den Schweißverbindungen bestimmen.
Vanadium and Nitrogen can also be raw material impurities,
and are treated as such by selecting pure raw materials.
However, contribution of the base material, welding
conditions such as arc stability and arc length are the main
parameters controlling Vanadium and Nitrogen levels in
the joints.
Untersuchung von Verbindungen für 690 MPa
Zur Festlegung der Air Liquide Welding Empfehlung wurden
Schweißverbindungen an P690 Stahl im UP-Verfahren hergestellt.
Folgende Schweißparameter wurden verwendet: 42cm/min
Schweißgeschwindigkeit, 1,9m/min Drahtvorschubgeschwindigkeit,
29V, 525A, DC+, Wärmeeintrag 21,8kJ/cm und Zwischenlagentemperatur 150°C. Drahtdurchmesser 3,2mm.
Discussion of 690 joints
Joints on P690 steel were realized in SAW to characterize
the Air Liquide Welding solution. The following welding
parameters were used: 42 cm/min travel speed, 1.9 m/min
wire feed rate, 29 V, 525 A, DC+, heat input of 21.8 kJ/cm
and interpass temperature of 150 °C. Wire diameter is 3.2 mm.
The fused weld metal chemical composition in a welded
joint is defined not only by the welding consumables but
also by the plate material. In our example, the solidified
metal in the root area consists of more than 50% of fused
plate material (Figure 5). As such, the root pass chemical
composition shows a contamination by Vanadium and
Carbon coming from the plate and a severe loss of Nickel
(Table 3). The top part of the weld has a composition closer
to the pure weld metal; nevertheless the Vanadium
content is greater than the all weld metal sample.
The increase of the carbon concentration increases the
tensile strength.
Die chemische Zusammensetzung in einer Schweißnaht wird
nicht nur durch die Zusatzwerkstoffe, sondern auch durch den
Grundwerkstoff bestimmt. In unserem Beispiel besteht die
Schweißnaht im Wurzelbereich zu mehr als 50% aus
aufgeschmolzenem Grundwerkstoff (Bild 5). Dadurch zeigt
die Wurzelnaht eine Vermischung mit Vanadium und Kohlenstoff
aus dem Grundwerkstoff und einen starken Verlust an Nickel
(Tabelle 3). Der obere Teil der Naht hat eine Zusammensetzung,
die dem reinen Schweißgut nahe kommt. Trotzdem ist der
Vanadiumgehalt höher als bei der Probe des reinen Schweißguts.
Der Anstieg des Kohlenstoffgehalts erhöht die Zugfestigkeit.
Tabelle 3 - Einfluss der chem. Zusammensetzung des Grundwerkstoffs auf die
Nahteigenschaften (Nahtvorbereitung wie in Bild 5)
Table 3 - Influence of base metal chemical composition on joint properties
(weld preparation as in Figure 5)
Base metal
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
V
O/N
Strength
Toughness
(J)
0.123
0.3
0.81
0.63
0.43
0.9
0.053
23 / 53
Ts (MPa)
Ys (MPa)
A%
-20 °C
-60 °C
-80 °C
Pure
all weld metal
0.062
0.31
1.4
0.25
0.44
2.62
0.004
280 / 49
809
769
20
77
55
Joint
cap
0.068
0.35
1.43
0.36
0.48
2.43
0.015
261 / 53
root
0.082
0.32
1.12
0.45
0.47
1.87
0.028
229 / 58
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
V
O/N
835
762
17.5
90
92
59
Streckgrenze
54
59
44
Zähigkeit
(J)
Note: notch position of the Charpy-V specimens always in the as solidified area.
Welded joints were also prepared on
P690QL plates using SMAW electrodes
in the PF position. As such, a first joint
was prepared using the L-037
Ø 3.2 mm and the L-036 Ø 4 mm
electrodes, according to the bead
sequence described in Figure 8.
Welding parameters were 90 / 120 A for
Ø 3.2 / 4 mm electrodes, 17-25 kJ/cm
welding energy, preheating temperature
of 120 °C, interpass temperature of
150 °C and soaking at 150 °C.
As seen in Table 4, the chemical
compositions of pure weld metal
samples and the corresponding joints
Grundwerkstoff
0.123
0.3
0.81
0.63
0.43
0.9
0.053
23 / 53
Ts (MPa)
Ys (MPa)
A%
-20 °C
-60 °C
-80 °C
60° V-groove
550 mm length
n°8.3 Ø4.0
n°8.2 Ø4.0
n°8.1 Ø4.0
n°7.3 Ø4.0 n°7.2 Ø4.0
n°7.1 Ø4.0
n°6.3 Ø4.0
n°6.2 Ø4.0 n°6.1 Ø4.0
n°5.2 Ø4.0
n°5.1 Ø4.0
n°4.2 Ø4.0
n°4.1 Ø4.0
n°3 Ø4.0
P690 STEEL
n°2 Ø3.2
n°1 Ø3.2
110 mm
Verbindung
Deckl.
Wurzel
0.068
0.082
0.35
0.32
1.43
1.12
0.36
0.45
0.48
0.47
2.43
1.87
0.015
0.028
261 / 53
229 / 58
835
762
17.5
90
54
92
59
59
44
Anmerkung: Position der Charpy-V Proben immer in der unbeeinflussten Zone
(as solidified).
Fig.8: Layer build-up / electrode sequence of 1st joint
using 690MPa electrodes
30 mm
thickness
Reines
Schweißgut
0.062
0.31
1.4
0.25
0.44
2.62
0.004
280 / 49
809
769
20
77
55
3 mm root face
4 mm gap
Bild 8: Lagenaufbau / Elektrode Folge von 1.
Verbindung mit 690MPa Elektroden
Weitere Verbindungen wurden mit
Stabelektroden in PF Position an P690QL
Blechen hergestellt. Eine erste Naht
wurde mit einer Elektrode in Ø3,2mm
Formel L-037 geschweißt und einer
Elektrode in Ø4mm Formel L-036, in der
Lagenfolge wie in Bild 8 beschrieben.
Schweißparameter: 90 / 120A bei
Ø3,2 / 4mm Elektroden, 17-25kJ/cm
Schweißenergie, Vorwärmtemperatur
120°C, Zwischenlagentemperatur 150°C
und Wärmebehandlung 150°C.
Wie
aus
Tabelle
4
ersichtlich,
unterscheidet sich die chemische
Zusammensetzung der Proben des
19
May 2009 - Mai 2009
are significantly different. Again, dilution of the base metal
into the weld pool partly explains such differences. The
increase of Vanadium in the root pass accounts for the
dilution originating from the base metal. When comparing
the chemical analysis of the root zone with that of the cap
zone, it can be seen that the dilution in the cap is lower.
reinen Schweißguts deutlich von der Analyse der entsprechenden
Schweißverbindungen. Auch hier erklären sich die Unterschiede
zum Teil aus der Aufmischung des Grundwerkstoffs. Der Anstieg
des Vanadiumgehalts in der Wurzellage ist auf die Verunreinigung
aus dem Grundwerkstoff zurückzuführen. Beim Vergleich der
Zusammensetzung von Wurzel- und Decklage erweist sich die
Decklage als weniger verunreinigt.
Table 4: Influence of base metal chemical composition on weldment properties,
from all weld metal samples to welded joints using SMAW Ø 4 mm L-036, L-039 and L-078 formulae
C
L-037
L-036 Ø 4 mm
Ø 3.2 mm
First joint
Base
Pure all
Pure all
Erste Naht
metal
weld metal weld metal
Reines
Reines
GrundCap
Root
werkstoff Schweißgut Schweißgut Deckl.
Wurzel
0.123
0.056
0.056
0.08
0.077
L-039 Ø 4 mm
Pure all
weld metal
Reines
Schweißgut
0.064
L-078 Ø 4 mm
Second joint
Zweite Naht
Cap
Middle
Root
Deckl.
Mitte
Wurzel
0.074
0.07
0.067
Pure all
weld metal
Reines
Schweißgut
0.062
Cap
Deckl.
-
Third joint
Dritte Naht
Middle
Root
Mitte
Wurzel
0.087
-
Si
0.29
0.37
0.38
0.41
0.3
0.38
0.42
0.4
0.34
0.4
-
0.44
-
Mn
0.81
1.43
1.3
1.35
1.27
1.31
1.36
1.3
1.32
1.42
-
1.54
-
Cr
0.64
0.27
0.26
0.28
0.3
0.27
0.27
0.28
0.33
0.26
-
0.3
-
Mo
0.42
0.39
0.42
0.43
0.41
0.43
0.41
0.43
0.39
0.40
-
0.42
-
Ni
0.96
2.34
2.56
2.71
2.17
2.67
2.63
2.53
2.08
2.56
-
2.51
-
V
0.051
0.01
0.01
0.011
0.015
0.01
0.013
0.01
0.015
0.009
-
0.013
-
-
380
390
310
390
360
330
330
390
340
290
310
340
88
69
110
113
140
90
113
121
200
O (ppm)
N (ppm)
Strength
As welded
Streckgrenze
unbehandelt
Toughness (J)
As welded
Zähigkeit (J)
unbehandelt
49
77
78
Ts (MPa)
811
788
130
814
784
801
786
822
Ys (MPa)
779
732
749
719
732
719
764
A%
17.4
18.4
16.2
20
18.6
20
18.5
-20 °C
-
-
-
68
-
88
-
77
-
92
116
75
-40 °C
114
96
61
47
98
66
98
54
91
61
89
51
-60 °C
91
53
44
37
76
34
-
37
80
46
66
19
-80 °C
73
-
29
-
69
-
-
-
56
43
42
21
Tabelle 4: Einfluss der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs auf die Eigenschaften der Schweißverbindung,
Vergleich reines Schweißgut zu Verbindungen hergestellt im Elektrodenhandschweißverfahren (SMAW) mit Ø4mm L-036, L-039 und L-078 Formel
20
The Carbon content measured over the first joint is
unexpectedly high compared to the all weld metal sample,
remaining almost unchanged from the root to the cap region.
The PF/3G1 position of the joint required a lower current than
the PA/1G position of the pure weld metal (120 A vs. 160 A).
This lower current was responsible for the increase in carbon
transfer in the weld metal. Consequently, formulation changes
were made to L-036 formula to reduce its sensitivity to current
variations, resulting in the L-039 formula.
Der Kohlenstoffgehalt, der in der ersten Verbindung gemessen
wurde, ist im Vergleich zum reinen Schweißgut unerwartet hoch
und bleibt von der Wurzel bis zum Deckbereich fast unverändert.
Die PF/3G1 Position macht einen niedrigeren Strom erforderlich
als die PA/1G Position beim Erstellen des reinen Schweißguts
(120A zu 160A). Der niedrigere Strom war verantwortlich für den
stärkeren Kohlenstofftransfer in das Schweißgut. Deshalb wurde
die Formel L-036 modifiziert, um sie beständiger gegen
Stromänderungen zu machen. Daraus entstand die L-039 Formel.
The PF position is also the reason for higher Nitrogen
concentrations in the first joint. The reverse side of the
penetration pass in the root region is only hardly protected
by gases generated by the electrode coating fusion. The
Nitrogen level, therefore, becomes higher due to a dilution
effect from the penetration pass up to the cap region. Also,
contact with the ambient air unavoidably induces Nitrogen
pick-up throughout the joint preparation as a chimney effect
takes the protective atmosphere away from the metal. As a
consequence, Nitrogen pollution in the weld metal
decreases the toughness level. In contrast, in the flat
position (PA, PB) the Nitrogen pick-up would be lower and
hence the toughness higher. The PF position chosen here
thus appears as a worst-case scenario. For the second and
third joint, a modified welding sequence was run to create
more re-heated weld metal. The re-heated weld metal
exhibits indeed better toughness than the as solidified one
(Figure 9).
Die PF Position ist auch die Ursache für höhere Stickstoffkonzentrationen in der ersten Verbindung. Die Unterseite der Wurzellage
wird kaum von Gasen geschützt, die beim Verbrennen der
Elektrodenumhüllung entstehen. Der hohe Stickstoffgehalt in der
Wurzel führt aufgrund der Aufmischung auch noch im
Decklagenbereich zu leicht erhöhten Stickstoffwerten im Vergleich
zum reinen Schweißgut. Außerdem führt Kontakt mit der
Umgebungsluft unweigerlich zu einer Stickstoffaufnahme während
des gesamten Lagenaufbaus, da ein Kamineffekt das Schutzgas
von der Naht wegzieht. In der Folge senkt der zunehmende
Stickstoffgehalt im Schweißgut die Zähigkeit. Im Gegensatz dazu
ist die Stickstoffaufnahme in normaler Position (PA, PB) geringer
und die Zähigkeit entsprechend höher. Die hier gewählte PF
Position stellt also den ungünstigsten Zustand dar. Für die zweite
und dritte Verbindung wurde ein anderer Lagenaufbau gewählt,
um einen höheren Anteil an angelassenem Gefüge zu erzielen. Das
erneut erhitzte Schweißgut hat tatsächlich bessere Zähigkeitswerte
als das unbeeinflusste (as solidified) (Bild 9).
May 2009 - Mai 2009
The composition of the second joint
Die Zusammensetzung der zweiten
Fig.9: Layer build-up / electrode sequence of 2nd and
3rd joints using 690 MPa electrodes
exhibits Carbon concentrations of
Verbindung weist Kohlenstoffkonzen0.067-0.074% compared to 0.075trationen von 0,067-0,074% im Vergleich
60° V-groove
0.080% for the first one, demonstrating
zu 0,075-0,080% in der ersten auf und
700 mm length
the improvement of the L-039 formula
zeigt damit die Formelverbesserung der
compared to the L-036 through flux
L-039 im Vergleich zur L-036 durch
ingredients adjustments in the electrode
Anpassung der Rohstoffe in der
coating. An improvement of mechanical
Elektrodenumhüllung. Eine Verbesserung
30 mm
thickness
properties could also be obtained in
der mechanischen Eigenschaften konnte
the second joint, particularly in the root
bei der zweiten Verbindung ebenfalls
region. Interestingly also, the value
erreicht werden und zwar vor allem im
P690 STEEL
3 mm root face
obtained in the mid-thickness region is
Wurzelbereich. Interessant ist auch, dass
significantly
higher
than
those
der Wert im Bereich der Nahtmitte
4 mm gap
110 mm
measured both in the root and the cap
deutlich höher ist als im Wurzel- und
Bild 9: Lagenaufbau / Elektroden Folge von 2.
regions, particularly in the as-welded
Deckbereich, vor allem in unbehanund 3. Verbindung mit 690MPa Elektroden
condition. The presence of a higher
deltem Zustand. Das Vorliegen eines
proportion of reheated structure in the mid-thickness region,
größeren Anteils an angelassenem Gefüge in der Nahtmitte, wie
as shown in Figure 9, is undoubtedly of prime importance to
in Bild 9 zu sehen, ist zweifellos die Erklärung einer solchen
explain such an increase in toughness.
Steigerung der Zähigkeit.
n°8.3 Ø4.0
n°7.2 Ø4.0
n°8.2 Ø4.0
n°8.1 Ø4.0
n°7.3 Ø4.0
n°7.1 Ø4.0
n°6.2 Ø4.0
n°6.1 Ø4.0
n°5.2 Ø4.0
n°5.1 Ø4.0
n°4.2 Ø4.0
n°4.1 Ø4.0
n°3.2 Ø3.2
n°3.1 Ø3.2
n°2 Ø3.2
n°1 Ø3.2
The latest formula L-078 presented in Table 4 was
developed targeting a reduction in weld metal oxygen
content and an increase in Mn%. The lower value observed
in the root area is probably due to the high Nitrogen
contamination.
Die neueste Formel L-078 aus Tabelle 4 wurde mit dem Ziel
entwickelt, den Sauerstoffgehalt im Schweißgut zu senken und
den Mn-Anteil zu erhöhen. Die niedrigeren Zähigkeitswerte im
Wurzelbereich sind wahrscheinlich auf eine höhere
Verunreinigung mit Stickstoff zurückzuführen.
This study of chemical variations makes it possible to
improve the existing formulation for SMAW electrodes and
wire/flux combination for P690QL steel. A good level of
mechanical properties is obtained, providing that the layer
built-up guarantees a maximum of re-heated weld metal
and that care is taken to maintain as short an arc as
possible in order to minimize Nitrogen pick-up, in particular
when welding out-of-position is to be performed.
Diese Untersuchung der verschiedenen Legierungen
ermöglichte die Verbesserung bestehender Formeln für
Stabelektroden und Draht-/Pulverkombinationen für P690QL
Stahl. Die mechanischen Eigenschaften erreichen ein gutes
Niveau, vorausgesetzt der Lagenaufbau garantiert einen
maximalen Anteil an angelassenem Gefüge und es wird darauf
geachtet, den Lichtbogen so kurz wie möglich zu halten, um die
Stickstoffaufnahme zu minimieren, vor allem wenn in
Zwangslagen geschweißt wird.
SAW welding of jack-up rig legs
Jack-ups consist of toothed racks
with reinforcements in the shape of
half-shells welded on each side of the
toothed rack faces. Welding thus
appears as a critical operation in the
manufacture of these sections. Chord
to rack and rack to rack welding have
been realized with the Fluxocord 42 /
OP 121TTW combination. The highly
pure and basic flux provides a low
Oxygen/low impurity weld deposit. A
diffusible hydrogen of typically 2.5 ml /
100 g deposit metal leads to crackfree weld metal.
Fig.10: Rack to chord weld location
Chord
Rack
Rack to chord weld
Bild 10: Schweißnaht Blech-Versteifung
Fig.11: Rack to chord weld preparation
3 mm
The chord to rack joint is designed with
a A517F CR base material, thicknesses
127 mm and 193.5 mm. Welding
parameters were 53 cm/min travel
speed, 29 V, 570 A, DC+, heat input of
19 kJ/cm, interpass temperature of
170 °C, preheating temperature of
125 °C and a post-heating of 200 °C /
2 hours. The welding is done in the 1G
position. Weld location and joint
preparation are given in Figures 10 and
Figure 11.
15°
127 mm
40°
193.5 mm
Bild 11: Nahtvorbereitung Blech-Versteifung
UP-Schweißen der Standbeine
von Hubbohrinseln
Hubbohrinseln bestehen aus gezahnten
Blechen, die beidseitig mit aufgeschweißten Halbschalen verstärkt werden.
Das Schweißen ist also ein kritisches
Verfahren beim Bau dieser Komponenten.
Das Verbinden der Versteifungen mit den
Blechen und der Bleche untereinander
wurde mit der Draht-/Pulverkombination
Fluxocord 42 / OP 121TTW ausgeführt.
Das hochreine basische Pulver erzeugt ein
Schweißgut mit niedrigem Sauerstoffgehalt
und geringer Verunreinigung. Der übliche
Gehalt an diffusiblem Wasserstoff von
2,5ml/100g Schweißgut führt zu rissfreiem
Schweißgut.
Der für Versteifung und Blech verwendete
Grundwerkstoff entspricht der Qualität
A517F CR, Dicke 127mm und 193,5mm.
Schweißparameter: 53cm/min Schweißgeschwindigkeit, 29V, 570A, DC+,
Wärmeeintrag 19kJ/cm, Zwischenlagentemperatur 170°C, Vorwärmtemperatur
125°C und Nachbehandlung bei 200°C für
2 h. Schweißposition: 1G. Schweißstelle
und Nahtvorbereitung sind in Bild 10 und
Bild 11 dargestellt.
21
May 2009 - Mai 2009
Non destructive testing is an 100% ultrasonic
control. Transverse tensile specimen, toughness
samples and hardness measurement
were performed on the joint. The transverse
tensile specimen broke in the base material
zone. Toughness sampling and results at
-60 °C as well as hardness values are given in
Figure 12, Table 5 and Table 6.
FL+5
FL+5
FL
WM
Root
FL
WM
Table 5 - Toughness values at -60 °C
Cap
Die Naht wird durch Ultraschall zu 100% geprüft.
Querproben für die Zugfestigkeit, Proben für
Zähigkeits- und Härtemessungen wurden an der
Naht entnommen. Die Zugproben brechen
im Grundwerkstoffbereich. Die Lage der
Kerbschlagproben und Ergebnisse bei -60°C
sowie die Härtewerte sind in Bild 12, Tabelle 5 und
Tabelle 6 zusammengefasst.
Fig.12: Toughness sampling
scheme
Tabelle 5 - Zähigkeit bei -60°C
FL+5
Position
WM
Single values (J)
100
96
106
Average (J)
101
FL
95
72
90
86
FL + 2
135
100
115
117
FL + 5
91
92
86
90
WM
89
80
70
80
FL
106
94
106
102
FL + 2
85
95
150
110
FL + 5
50
50
55
52
Probenlage
WM
FL+2
Bild 12: Probenlage der
ISO-V-Proben
Deckl.
Fig.13: Rack to rack weld
preparation
Wurzel
3
Einzelwert (J)
100
96
106
Mittelwert (J)
101
FL
95
72
90
86
FL + 2
135
100
115
117
FL + 5
91
92
86
90
WM
89
80
70
80
FL
106
94
106
102
FL + 2
85
95
150
110
FL + 5
50
50
55
52
1
Table 6 - Hardness values Hv10
Tabelle 6 - Härtewerte Hv10
Position
BM
HAZ
WM
HAZ
BM
Probenlage
BM
HAZ
WM
HAZ
BM
Cap
1mm below
cap surface
274
264
254
360
410
413
317
309
309
383
390
357
297
285
292
Deckl.
1mm unter
oberer Decklage
274
264
254
360
410
413
317
309
309
383
390
357
297
285
292
Root
1mm above
root surface
270
250
274
376
345
336
330
330
317
309
330
317
281
279
274
Wurzel
1 mm unter
unterer Decklage
270
250
274
376
345
336
330
330
317
309
330
317
281
279
274
2
4
Bild 13: Blech-Blech
The rack to rack joint is designed with a SE700
Für die Blech-Blech-Verbindung wird ein SE700
Verbindung
base material, thickness 210 mm. Welding
Grundwerkstoff, Dicke 210mm, verwendet. Schweißparameters were 55cm/min travel speed, 30parameter: 55cm/min Schweißgeschwindigkeit,
30-31.5V, 550-700A, DC+, Wärmeeintrag 18-24kJ/cm,
31.5 V, 550-700 A, DC+, heat input of 18-24 kJ/cm, interpass
Zwischenlagentemperatur 200°C, Vorwärmtemperatur 100°C und
temperature of 200 °C, preheating temperature of 100 °C
Wärmenachbehandlung bei 200°C für 2 h. Schweißposition: 1G.
and a post-heating of 200 °C / 2 hours. The welding is done
Die Naht wurde mit ca. 150 Lagen fertig gestellt (Bild 13).
in the 1G position. The joint was completed with about 150
runs (Figure 13).
Die Querzugproben brechen im Grundwerkstoffbereich.
The transverse tensile specimen broke in the base material
Längsproben wurden aus dem Schweißgut der Decklage und
zone. Longitudinal tensile specimens were machined in the
bei ¼ Stärke der Naht hergestellt. Die Werte lagen bei Rp0.2
weld metal, in the cap area and 1/4 thickness area. Results
800MPa, Rm 880MPa und Rp0.2 790MPa, Rm 850MPa. Die
are respectively Rp0.2 800 MPa, Rm 880 MPa, and Rp0.2
Zähigkeit bei -60°C und die Härte sind in Tabelle 7 und Bild 14
790 MPa, Rm 850 MPa. Toughness results at -60 °C and
zusammengefasst.
hardness profile are given in Table 7 and Figure 14.
Das Air Liquide Welding Produktprogramm zum Schweißen von
The Air Liquide Welding product range for HSS welding is
hochfesten Stählen wird vervollständigt durch die Stabelektrode
completed by an SMAW electrode Tenacito 80CL and a flux
Tenacito 80CL und den Fülldraht Fluxofil 42LT.
cored wire Fluxofil 42LT.
Cap
T/4
T/2
22
Tabelle 7 - Zähigkeit bei -60°C
Fig.14: Hardness profile Hv10
Table 7 - Toughness values at -60 °C
Position
WM
Single values (J)
86
96
74
Average (J)
85
FL
124
112
92
109
FL + 2
104
106
112
107
FL + 5
146
120
88
118
WM
118
156
132
135
FL
152
152
176
160
FL + 2
122
134
170
142
FL + 5
82
66
66
71
WM
66
66
62
65
FL
62
48
54
55
FL + 2
118
84
82
95
FL + 5
62
56
50
56
Probenlage Einzelwert (J)
WM
86 96 74
430
410
390
Deckl.
370
350
330
T/4
310
290
270
250
0
20
40
60
80
100
Distance - Verlauf (mm)
Bild 14: Härteprofil Hv10
T/2
Mittelwert (J)
85
FL
124 112
92
109
FL + 2
104 106 112
107
FL + 5
146 120
88
118
WM
118 156 132
135
FL
152 152 176
160
FL + 2
122 134 170
142
FL + 5
82
66
66
71
WM
66
66
62
65
FL
62
48
54
55
FL + 2
118
84
82
95
FL + 5
62
56
50
56
May 2009 - Mai 2009
WELDING SOLUTIONS
FOR 830 MPa STEELS
SCHWEIßTECHNISCHE LÖSUNGEN
FÜR 830MPa STÄHLE
As discussed in the previous part, 690 MPa steels are currently
used in the manufacture of jack-ups for self-lifting platforms in
offshore oil exploration. In order to further increase the
performance of the steel for structural applications, Industeel
has developed a new steel, Superelso 830, with a yield
strength over 830 MPa, for as-welded applications [7].
Interestingly, this new quenched-tempered, hot rolled steel
features a level of toughness of 50J at -60 °C throughout the
whole thickness of the plate (89 and 160 mm thicknesses). A
collaboration between Industeel / Air Liquide Welding was
established to develop a welding solution adapted to this steel
and meet the performance requirements of designers. Two
solutions are proposed: SAW and SMAW, a solution consisting
of a consumable and a welding procedure. This collaboration
led to the characterization of a submerged-arc flux cored
wire/flux combination and covered electrodes specifically
developed and adapted to the new 830 MPa steel grade. The
weldability of the material was then characterized in order to
make sure the implementation and welding of these new
products were feasible in comparison with the traditional
procedure using the former steel of lower strength.
Wie im oberen Teil dargestellt, werden zurzeit 690MPa Stähle für
den Bau von Hubbohrinseln für die Offshore-Ölförderung
verwendet. Um die Stähle für den Stahlbau noch effizienter zu
machen, hat Industeel einen neuen Stahltyp entwickelt:
Superelso 830, mit einer Streckgrenze von über 830MPa, für
Anwendungen, bei denen nicht geglüht wird. Interessanterweise
besitzt dieser vergütete, warmgewalzte Stahl über die gesamte
Blechdicke (89 und 160mm Dicke) ein Zähigkeitsniveau von 50J
bei -60°C. Eine Kooperation Industeel / Air Liquide Welding
wurde gebildet, um eine schweißtechnische Lösung zu
entwickeln, die diesem Stahl angepasst ist und die
Anforderungen der Konstrukteure erfüllt. Zwei Lösungen wurden
vorgeschlagen: UP- und Elektrodenhandschweißverfahren,
wobei jede Lösung sowohl den Zusatzwerkstoff als auch das
Verfahren beschreibt. Die Zusammenarbeit führte zu einer
entsprechenden UP-Draht-/Pulverkombination und einer
Stabelektrode zum Schweißen des neuen 830MPa Stahltyps. In
der Folge wurden die Verarbeitungseigenschaften dieser
Produkte geprüft, um sicherzustellen, dass das Verschweißen der
neuen Materialien, im Vergleich zum traditionellen Verfahren mit
dem früheren Stahltyp mit geringerer Streckgrenze, machbar ist.
SAW solution
Air Liquide Welding has developed a flux cored wire and a
welding procedure for the welding of the Industeel steel,
Superelso 830. The key issues in the development of a
welding consumable adapted to a 830 MPa steels are about
the same as for the 690 MPa steels. Alloying elements
(Nickel, Chromium, Molybdenum) are added to increase the
mechanical properties of the weld. In return toughness
values are degraded. Chemical composition has to be
optimized to obtain the right toughness / yield strength
balance and special care must be taken to ensure an
adequate toughness level, as detailed in the first part (to use
a highly basic flux to ensure a low Oxygen level, to
guarantee a low hydrogen level, ...).
UP-Lösung
Air Liquide Welding hat einen Fülldraht entwickelt und die
Technologie zum Schweißen des Industeel Superelso 830
festgelegt. Die wichtigsten Punkte bei der Entwicklung eines
Schweißzusatzwerkstoffes, der dem 830MPa Werkstoff angepasst
ist, entsprechen im Wesentlichen denen, die für den 690MPa
galten. Bestimmte Elemente (Nickel, Chrom, Molybdän) werden
zulegiert, um die Festigkeitseigenschaften der Schweißnaht zu
verbessern, was meist zu einer Verschlechterung der Zähigkeit führt.
Die chemische Zusammensetzung muss dann optimiert werden,
um die bestmögliche Zähigkeit bei ausreichender Streckgrenze zu
erzielen. Wie ein gutes Zähigkeitsniveau zu erreichen ist, wurde
bereits im ersten Teil genauer beschrieben (Verwendung eines
basischen Pulvers, um einen niedrigen Sauerstoffgehalt zu erzielen
einen niedrigen Wasserstoffgehalt zu garantieren, etc. ).
A flux cored wire, Fluxocord 83, has been developed in
diameter 3.2 mm. An all weld metal and a joint have been
welded with this wire and with the same basic flux as for
690 MPa steels, OP121TTW.
They were made with the following welding parameters:
55 cm/min travel speed, 30 V, 550 A, DC+, heat input of
18.1 kJ/cm, preheat temperature of 120 °C, interpass
temperature of 170 °C and soaking treatment 250 °C / 2h.
The dimensions of the plates were 1000 x 350 x 160 mm.
Die Entwicklung führte zum Fülldraht Fluxocord 83 im
Durchmesser 3,2mm. Es wurden ein Schweißgut und eine
Verbindung mit diesem Draht hergestellt und zwar mit demselben
basischen Pulver wie beim 690MPa Stahl: OP121TT/W.
Schweißparameter: 55cm/min Schweißgeschwindigkeit, 30V,
550A, DC+, Wärmeeintrag 18.1kJ/cm, Vorwärmtemperatur
120°C, Zwischenlagentemperatur 170°C und Nachbehandlung
bei 250°C für 2h. Blechabmessungen: 1000 x 350 x 160mm.
The chemical analysis is given in Table 8. It can be noted
that the balance of chemical analysis is not the same as with
consumables for 690 MPa steels. A higher yield strength is
obtained due to a higher nickel content.
Tabelle 8 zeigt die chemische Analyse. Es ist festzustellen, dass
die Einstellung der chemischen Analyse eine andere ist als bei
den Zusätzen für 690 MPa Stähle. Durch den höheren
Nickelgehalt wird eine höhere Streckgrenze erreicht.
Table 8 - Chemical analysis of base material and pure all weld metal for SAW
on E830 steel
Tabelle 8 - Chemische Analyse von Grundwerkstoff und reinem Schweißgut, UPVerfahren an E830 Stahl.
Base metal
C
Si
Mn
P
S
Cr
0.141
0.18
1.30
0.007
0.001
0.31
Pure all
weld metal
0.063
0.42
1.49
0.011
0.004
0.25
Base metal
Mo
Ni
V
Nb
O/N
0.57
4.26
0.031
0.001
-
Pure all
weld metal
0.49
2.84
0.004
0.001
300 / 81
C
Si
Mn
P
S
Cr
Grundwerkstoff
0.141
0.18
1.30
0.007
0.001
0.31
Reines
Schweißgut
0.063
0.42
1.49
0.011
0.004
0.25
Mo
Ni
V
Nb
O/N
Grundwerkstoff
0.57
4.26
0.031
0.001
-
Reines
Schweißgut
0.49
2.84
0.004
0.001
300 / 81
23
May 2009 - Mai 2009
Table 9 summarizes mechanical properties obtained in the
joint in comparison with those of the pure weld metal. One
can note that a yield strength well above 830 MPa was
guaranteed in the weld metal, as well as an ultimate tensile
strength above 870 MPa and an average toughness level
above 47 J at -60 °C.
Tabelle 9 stellt die mechanischen Gütewerte aus der
Schweißverbindung denen des reinen Schweißguts gegenüber.
Man kann sehen, dass eine Streckgrenze von deutlich über
830MPa im Schweißgut gewährleistet ist und eine Zugfestigkeit
von über 870MPa erreicht wird. Die durchschnittliche Zähigkeit
liegt über 47J bei -60°C.
Interesting to note is that toughness values are higher for
the root pass of the 830 MPa joint than for the root pass of
the 690 MPa joint. This can be explained by a different
chemical composition of the base material. The Nickel
content is very high (4.26%) so the dilution does not
decrease its content in the weld metal. The Vanadium
content is lower (0.031% against 0.053%) and the impurities
level is low.
Interessant ist, dass die Zähigkeitswerte der Wurzelschweißung
am 830MPa Stahl höher sind als die am 690MPa Stahl. Dies
erklärt sich durch die unterschiedliche Zusammensetzung des
Grundwerkstoffs. Der Nickelgehalt ist sehr hoch (4,26%), so
dass die Aufmischung den Gehalt im Schweißgut nicht
verringert. Der Vanadium-Gehalt ist niedriger (0,031% zu
0,053%) und auch das Niveau an Verunreinigungen ist niedrig.
Tabelle 9 - Gegenüberstellung der mechanischen Gütewerte des reinen
Schweißguts und der Schweiß-verbindung, UP-Verfahren an E830 Stahl
Table 9 - Mechanical properties of the pure all weld metal vs joint for SAW on
E830 steel
Joint
Pure all weld metal
Cap
Root
Ts (MPa)
903
956
Strength
Ys (MPa)
867
901
As welded
A%
17.5
18.0
-40 °C -as
84
-40 °C -rh
104
Toughness (J) -60 °C -as
67
61
85
-60 °C -rh
89
As welded
-80 °C -as
48
-80 °C -rh
66
Note: for toughness “as” corresponds to the as solidified area, “rh” to the reheated area.
Reines Schweißgut
Verbindung
Deckl.
Wurzel
956
901
18.0
-
Ts (MPa)
903
Ys (MPa)
867
A%
17.5
-40 °C -as
84
-40 °C -rh
104
Zähigkeit (J)
-60 °C -as
67
-60 °C -rh
89
unbehandelt
-80 °C -as
48
-80 °C -rh
66
Anmerkung: bei der Zähigkeit entspricht “as” der unbeeinflussten
der angelassenen Zone (reheated area).
Streckgrenze
unbehandelt
61
85
(as solidified) und “rh”
SAW solution
Lösung zum Schweißen mit Stabelektrode
Air Liquide Welding also proposes a solution to weld
Air Liquide Welding bietet für das Schweißen des Stahls
the steel Superelso 830 with covered electrodes. A
Superelso 830 auch eine Stabelektrode an. Ein reines Schweißgut
pure weld metal and a joint have been welded with the
und eine Schweißverbindung wurden mit der Stabelektrode
electrode Tenacito 83 (diameter 3.2 and 4 mm) in PC/2G
Tenacito 83 (Durchmesser 3,2 und 4 mm) in Position PC/2G
welding position (Figure 15). The welding parameters were
hergestellt (Bild 15). Schweißparameter: 10-20cm/min
the following: 10-20 cm/min travel speed, 110-150 A,
Schweißgeschwindigkeit,
110-150A,
DC+, heat input of 15.9 kJ/cm,
Fig.15: Figure 15: Macrography of the joint welded
DC+, Wärmeeintrag 15.9kJ/cm, Vorwärmpreheat temperature of 120 °C,
with Tenacito 83 electrodes in Superelso 830 steel
temperatur 120°C, Zwischenlageninterpass temperature of 150 °C and
(10° K-joint, 160mm thickness).
temperatur 150°C und Wärmenachsoaking treatment 250 °C / 2h. The
behandlung bei 250°C für 2h.
dimensions of the plate were 1500 x
Blechabmessungen: 1500 x 350 x 160mm.
350 x 160 mm.
Toughness values measured from weld
metal to base plate on both sides and
centre of joint are represented in Figure 16.
This figures show that toughness
values in the HAZ and in the base
material are good. Chemical analysis
and mechanical properties obtained in the
joint are reported in Table 10 and
Table 11, in comparison with those of
the pure weld metal.
24
Fig.16: Toughness profile from weld metal to base
plate in joint prepared in Superelso 830 steel
200
Kv -60 °C (J)
Table 10 - Chemical analysis of the base material
and the pure all weld metal for SMAW on E830 steel
Pure all
Base metal weld
Joint
metal*
C
0.141
0.047
0.048
Si
0.18
0.36
0.34
Mn
1.30
1.36
1.32
P
0.007
0.007
0.010
S
0.001
0.007
0.007
Cr
0.31
0.039
0.029
Mo
0.57
0.54
0.52
Ni
4.26
4.83
4.94
V
0.031
0.013
0.010
Nb
0.001
< 0.001
0.002
O / N (ppm)
330 / 65
398 / 75
* Ø 4 mm electrode
Bild 15: Makroschliff der mit Tenacito 83
Stabelektroden an Superelso 830 Stahl
hergestellten Naht (10° K-Naht, 160mm Blechdicke).
150
100
Cap 1st side - Decklage 1. Seite
1/2 thickness - 1/2 Blechdicke
Cap 2nd side - Decklage 2. Seite
50
0
Weld metal Fusion line FL
Schweißgut Schmelzlinie
FL + 2 mm
FL + 5 mm
FL + 20 mm
Bild 16: Zähigkeitsprofil vom Schweißgut zum
Grundwerkstoff der Naht an Superelso 830 Stahl
Die Zähigkeit wurde im Schweißgut und im
Übergang zum Grundwerkstoff oben und
unten und in der Blechmitte gemessen und
ist in Bild 16 dargestellt. Die Ergebnisse
zeigen gute Zähigkeitswerte in der WEZ und
im Grundwerkstoff. Die chemische Analyse
und die mechanischen Eigenschaften
sind in Tabelle 10 und Tabelle 11
zusammengefasst und den Werten des
reinen Schweißguts gegenübergestellt.
Tabelle 10 - Chemische Analyse Grundwerkstoff und
reines Schweißgut, E-Handschweißen (SMAW) E830 Stahl
GrundReines
Verbinwerkstoff Schweißgut* dung
C
0.141
0.047
0.048
Si
0.18
0.36
0.34
Mn
1.30
1.36
1.32
P
0.007
0.007
0.010
S
0.001
0.007
0.007
Cr
0.31
0.039
0.029
Mo
0.57
0.54
0.52
Ni
4.26
4.83
4.94
V
0.031
0.013
0.010
Nb
0.001
< 0.001
0.002
O / N (ppm)
330 / 65
398 / 75
* Ø 4 mm Elektrode
May 2009 - Mai 2009
Table 11 - Mechanical properties of the pure all weld metal vs joint for SMAW
on E830 steel
As welded properties
Strength
Toughness
(J)
Hardness
HV5kgf
Ts (MPa)
Ys (MPa)
A%
TS (MPa)
-50 °C
-60 °C
weld metal
base metal
HAZ
Pure
all weld
metal*
888
856
17.0
96
87
-
Tabelle 11 - Gegenüberstellung der mechanischen Gütewerte von reinem
Schweißgut und Verbindung, E-Handschweißen (SMAW) an E830 Stahl
Joint
Cap
1 side
885
854
14.8
st
1/ th.
2
st
1/ th.
4
nd
Cap
2 side
892
859
17.6
Unbehandelt
nd
1 side 2 side
889
924
849
888
18.2
14.2
Transverse: 863 to 861
73
80
71
326
314
310
285
277
280
372
372
391
Streckgrenze
Zähigkeit
(J)
Härte
HV5kgf
Ts (MPa)
Ys (MPa)
A%
TS (MPa)
-50 °C
-60 °C
Schweißgut
Grundwerkstoff
HAZ
Verbindung
Reines
1/
1/
Schweiß- Deckl.
Deckl.
2.
4.
gut * 1. Seite 1. Seite 2. Seite 2. Seite
888
885
889
924
892
856
854
849
888
859
17.0
14.8
18.2
14.2
17.6
Quer: 863 bis 861
96
87
73
80
71
326
314
310
285
277
280
372
372
391
* Ø 4 mm electrode
* Ø 4 mm Elektrode
These results are in agreement with the targeted values
(Ys > 830 MPa; Ts > 870 MPa; Kv-60 °C > 50 J). It can be
noted that the chemistry chosen for the SAW and SMAW
solutions were not the same. In particular the nickel content
is significantly higher for SMAW than for SAW.
Diese Ergebnisse stimmen mit den gesetzten Zielen überein
(Ys>830MPa; Ts>870MPa; Kv 60°C>50J). Festzuhalten ist, dass
die chemische Zusammensetzung für das UP-Verfahren und das
Stabelektrodenschweißen nicht gleich ist. Vor allem der
Nickelgehalt ist beim E-Hand-Schweißen (SMAW) deutlich höher
als beim UP-Schweißen.
Schweißversuche an mehrlagigen Verbindungen zeigen, dass die
Zusätze für die UP- und E-Hand-Verfahren die Streckgrenze von
830MPa dieses neuen Stahls mehr als erfüllen und dabei
Zähigkeitswerte von über 50J bei -60°C garantieren.
Weldability tests performed in multi-pass joints
demonstrated the conformity of SAW and SMAW products
to overmatch the 830 MPa strength level of this new steel,
while guarantying a toughness level above 50 J at -60 °C.
CONCLUSIONS
SCHLUSSFOLGERUNG
As illustrated in this paper, welding of HSS requires some
precautions. Strength level is obtained due to alloying
element additions to the weld metal, providing that the
thermal cycle is well adapted. Products are optimized in
terms of the impurity level to guarantee good toughness in
multilayer joint welding or in pressure vessel applications
where PWHT is required. Special care must be taken by
fabricators to optimize welding procedure in order to reach
satisfactory toughness values. This can be done thanks to
maximization of the reheated zone, optimized dilution and
low Nitrogen contamination. All products are low hydrogen in
order to avoid cold cracking. Air Liquide Welding offers a full
range of welding consumables dedicated to HSS
applications. Examples of solutions adapted to the welding
of E690 (with TENACITO 80CL for SMAW, FLUXOFIL 42LT
for FCAW and FLUXOCORD 42/OP 121TTW for SAW) and
Superelso 830 (with TENACITO 83 for SMAW and
FLUXOCORD 83/OP 121TTW for SAW) were presented in
this paper.
Wie in dieser Arbeit gezeigt, macht das Schweißen von hochfesten
Stählen einige Vorsichtsmaßnahmen erforderlich. Die Streckgrenze
wird durch die Zugabe bestimmter Legierungselemente im
Schweißgut erreicht, sofern die Wärmeführung gut abgestimmt ist.
Die Zusatzwerkstoffe sind hinsichtlich der Verunreinigungen
optimiert, um gute Zähigkeitswerte beim mehrlagigen Schweißen
und bei der Herstellung von Druckbehältern zu erreichen, bei
denen eine Wärmenachbehandlung erforderlich ist. Die Hersteller
müssen eine optimierte Schweißtechnologie anwenden, um die
Voraussetzungen für zufrieden stellende Zähigkeitswerte zu
schaffen. Dazu zählen ein möglichst großer Bereich von
angelassenem Gefüge, eine angepasste Aufmischung mit dem
Grundwerkstoff und eine geringe Stickstoffaufnahme. Alle
Zusatzwerkstoffe haben einen niedrigen Wasserstoffgehalt, um
Kaltrisse zu vermeiden. Air Liquide Welding bietet ein komplettes
Programm an Schweißzusatzwerkstoffen für Anwendungen mit
hochfesten Stählen an. Lösungsbeispiele für die Stahltypen E690
(mit TENACITO 80CL beim SMAW, FLUXOFIL 42LT beim FCAW
und FLUXOCORD 42/OP 121TTW beim SAW) und Superelso 830
(mit TENACITO 83 beim SMAW und FLUXOCORD 83/OP
121TTW beim SAW) wurden vorgestellt.
A-E.TRAIZET - E.GALAND - C. CHOVET, - B.LEDUEY ([email protected])
AIR LIQUIDE / CTAS -13 rue d'Epluches, Saint Ouen l'Aumône, 95315 Cergy Pontoise, France.
This paper is the written article of a publication given by the authors during the conference:
The New Developments on Metallurgy and Applications of High Strength Steel, organised by SAM
(Asociacion Argentina de Materiales) in Buenos Aires, May 26 to May 28, 2008.
BIBLIOGRAPHY: / LITERATURHINWEISE:
[1] J. Hammond “Deep water oil and gas development and gas transmission – the technical frontier
challenges”, Conference Richard Dolby Metals joining technology where next ? November 17-18,
2003, London, UK.
[2] J. Healy and J. Billingham “Increased use of high strength steels in offshore engineering”
Welding and Metal Fabrication, July 1993
[3] M. Hudson, L. Di Vito, G. Demofonti, R. Aristotile, B. Andrews, S. Slater “X100 - girth welding, joint
properties and defect tolerance” Super High Strength Steels Conference, November 2-4, 2005, Rome,
Italy.
[4] H.G. Hillebrand , A. Liessem, K. Bierman, C.J. Heckmann, V. Schwinn “Development of grade
X120 pipe material for high pressure gas transportation lines” 4th International Conference on
Pipeline Technology, May 9-12, 2004, Ostend, Belgium.
[5] F. Grimpe, S. Meimeth, C.J. Heckmann, A. Liessem, A. Gehrke “Development, production and
application of heavy plates in grades up to X120” Super High Strength Steels Conference, November
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[6] F. Maltrud, “Soudabilité métallurgique des aciers 650 à 890 MP” Matériaux 2006 Conference,
November 13-17, 2006, Dijon, France
[7] D. Cardamone and G. Pont “Aciers à très haute limite élastique pour jambes de plateformes
auto-élévatrices - Superelso 830” Matériaux 2002 Conference, October 21-25, 2002, Tours, France.
25
May 2009 - Mai 2009
Laser and Hybrid
Welding of Ultra High
Strength Steels.
Laser- und
Hybridschweißen
ultrahochfester stähle.
The use of High Strength Steel grades for automotive
manufacturing is rapidly increasing since the end of the
nineties. After an evaluation in research programs and on
prototypes, car makers include more and more of these new
technologies on high volume car models [1].
Der Einsatz hochfester Stähle im Fahrzeugbau steigt seit Ende der
90er Jahre stark an. Nach Untersuchungen in Forschungsinstitutionen
und an Prototypen, setzen die Automobilhersteller diese neuen
Technologien immer stärker bei Fahrzeugmodellen mit hohen
Stückzahlen ein. [1].
The terms used for the steel grades considered are mixed
up in the literature. Several conventional high strength steels
with yield strengths up to 500 MPa were already introduced
in car manufacturing since the eighties. More recent steel
grades with yield strength greater than 500 MPa are called
UHSS (Ultra High Strength Steel). Some steel makers use
the term VHSS (Very High Strength Steel) for the same
range of yield strength.
In der Literatur finden sich unterschiedliche Bezeichnungen für die in
Betracht kommenden Stahltypen. Einige konventionelle hochfeste
Stähle mit Streckgrenzen bis zu 500 MPa wurden schon in der 80er
Jahren in der Fahrzeugherstellung eingeführt. Neuere Stahltypen mit
Streckgrenzen von über 550 Mpa werden UHSS (Ultra High Strength
Steel = ultrahochfeste Stähle) genannt. Manche Stahlproduzenten
verwenden auch den Begriff VHSS (Very High Strength Steel = sehr
hochfeste Stähle) für denselben Steckgrenzenbereich.
% Body strucutre
Bild 1 zeigt, wie sich der Einsatz dieser Stahltypen im Vergleich zu
Figure 1 illustrates the evolution of the use of these steel
konventionellem Stahl entwickelt hat. Die Zahlen beziehen sich auf
grades compared to conventional steels. It refers to a
ein Standardmodell (Yr2000) als Bezugsgröße und verschiedene
standard reference car model (Yr2000) and different
Entwicklungen der Projekte ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body =
evolutions of the ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body) and
ultraleichte Stahlkarosserie) und USLABUSLAB-AVC (Ultra Light Steel Auto
Fig.1: Material evolution
AVC (Ultra Light Steel Auto BodyBody- Advanced Vehicle Concept)
Advanced Vehicle Concept = ultraleichte
projects.
Percent body structure
Stahlkarosserie – weiterentwickeltes
Karosserieanteil
The motivation for the use of UHSS
Fahrzeugkonzept).
100
steels for car manufacturing is
UHSS
Im Wesentlichen sind es zwei Aspekte, die für
essentially seen in two ways: weight
HSS
80
die Verwendung der UHSS Stähle im
reduction and crash resistance. Some
Mild
Fahrzeugbau sprechen: Gewichtsreduzierung
figures are given about the admitted
60
und gutes Crash-Verhalten. Nachstehend
supplementary costs for weight
einige Zahlen zu zulässigen Zusatzkosten für
reduction [2]:
40
die Gewichtsreduzierung [2]:
• Renault: 3 c more costs admitted
• Renault: 3€ Mehrkosten zulässig pro kg
per kilogram weight-saving.
20
Gewichtseinsparung.
• Pechiney: 2 - 5 c more costs
• Pechiney: 2 - 5€ Mehrkosten zulässig pro
admitted per kilogram weight0
kg Gewichtseinsparung.
saving.
ULSAB-AVC ULSAB
Yr2000 Ref Material strength
Body mass
218 kg
203 kg
270 kg
• Audi: 100kg Gewichtseinsparung, um
• Audi: 100 kg weight-saving to
den Kraftstoffverbrauch um 0,6l/100km
achieve 0.6 l / 100 km less of fuel
Bild 1: Entwicklung Materialeinsatz
zu senken.
consumption.
Different research programs [3, 4, 5] were launched to
develop light weight steel bodies, essentially driven by
European steelmakers to counter the use of aluminum for
weight reduction. These projects allow a generic view on the
future applications of UHSS.
ULSAB-AVC is the most recent chapter of the initiative of
steel makers, following the ULSAB program (results
announced worldwide in 1998). In this program, new steel
grades appear instead of conventional steels and the
reported data illustrate that the body structure of ULSABAVC designs use approximately 85% of Ultra High Strength
Steels, with the clear majority of components being
designed using dual phase steels (73%).
Later on, Thyssen recently started a new project resulting in
a new concept. The repartition of joining technologies,
26
In verschiedenen Forschungsprogrammen [3, 4, 5] sollten leichte
Stahlkarosserien entwickelt werden, vor allem auf Initiative der
europäischen Stahlhersteller, um den Einsatz von Aluminium zur
Gewichtsreduzierung zu begrenzen. Diese Projekte geben einen
allgemeinen Überblick über zukünftige Einsatzmöglichkeiten von
UHSS.
Mit ULSAB-AVC wurde die jüngste Entwicklungsinitiative der
Stahlhersteller nach dem ULSAB Programm (weltweite
Bekanntmachung der Ergebnisse 1998) gestartet. Hier tauchen
neue Stahltypen anstelle der konventionellen Stähle auf und die
angegebenen Daten zeigen, dass bei der Karosseriestruktur der
ULSAB-AVC Konstruktionen ultrahochfeste Stähle ca. 85%
ausmachen, mit einem deutlichem Übergewicht an Teilen, die aus
Dualphasenstahl (73%) hergestellt werden.
Wenig später startete Thyssen ein weiteres Projekt, das vor kurzem
May 2009 - Mai 2009
materials and manufacturing concepts is reported as
follows:
in ein neues Konzept mündete. Die Verteilung der Fügetechniken,
Werkstoffe und Herstellverfahren sieht wie folgt aus:
Joining technology
Materials
Process
Fügetechnik
Werkstoff
Verfahren
69% Laser welding
7% PM
45% Plates
69% Laserschweißen
7% PM
45% Bleche
3% Bonding
15% CP
9% Tailored Blanks
3% Kleben
15% CP
9% Tailored Blanks
14% Resistance welding
8% TRIP
7% Double-plates
14% Widerstandsschweißen
8% TRIP
7% Doppelbleche
2% MIG-brazing
16% mild steel
17% IHU profiles
2% MIG-Löten
16% weicher Stahl
17% IHU Profile
6% MAG-welding
12% micro alloyed
20% Rolled profiled
6% MAG-Schweißen
12% mikrolegiert
20% Walzprofile
42% DP
2% DA VEX profiles
6% Laser-Löten
42% DP
2% DAVEX Profile
6% Laser-brazing
72% multi-phase steels
72% Mehrphasenstahl
In the above table PM, CP, TRIP and DP grades belong
to the family of new multiphase UHSS. The table shows
in parallel, that the application of new materials is
accompanied by a change in joining and manufacturing
technologies: more joining tasks are shifted prior to the
press-forming steps (e.g. laser-welding of tailored blanks
and tubes for hydro-forming).
In der obigen Tabelle gehören die Typen PM, CP, TRIP und DP zur
Familie der neue Multiphasen-UHSS. Gleichzeitig zeigt die Tabelle,
dass der Einsatz der neuen Werkstoffe mit einer Veränderung der
Füge- und Herstellungstechniken einhergeht. Es werden mehr
Fügeaufgaben vor den Verformschritten ausgeführt (z. Bsp.
Laserschweißen von Tailored Blanks und Rohren für das HydroForming).
Consistent with the terminology adopted for ULSAB, HighStrength Steels (HSS) are defined as those steels with yield
strengths from 210-550 MPa ; Ultra High-Strength Steels
(UHSS) are defined as steels with yield strengths greater
than 550 MPa. The yield strengths of Advanced HighStrength Steels (AHSS) overlap the range of strengths
between HSS and UHSS, as shown in figure 2.
In Übereinstimmung mit der ULSAB-Terminologie haben hochfeste
Stähle (high-strength steels (HSS) Streckgrenzen von 210-550
MPa und ultrahochfeste Stähle (ultra high-strength steels (UHSS)
Streckgrenzen von über 550 MPa. Die Streckgrenzen von
weiterentwickelten hochfesten Stählen (advanced high-strength
steels (AHSS) überschneiden den Streckgrenzenbereich zwischen
HSS und UHSS, wie in Bild 2 dargestellt.
Bild 2: Verhältnis Streckgrenze-Verformbarkeit bei weichen,
konventionellen HSS und AHSS Stählen
Fig.2: Strength-Formability relationships for mild, conventional HSS,
and Advanced HSS steels
70
70
Low strength
steels (< 210 MPa)
60
IF
Mild
IS
30
Dehnung (%)
Conventional HSS
AHSS
BH
DP, CP TRIP
CMn
20
ultrahochfeste Stähle
(> 550 MPa)
hochfeste Stähle
50
IF
40
niedrigfeste Stähle
(< 210 MPa)
60
High strength steels
50
Elongation (%)
Ultra high strength
steels (> 550 MPa)
IF
konventionelle hochfeste Stähle
40
Mild
30
IF
IS
weiterentwickelte hochfeste Stähle
BH
CMn
20
HSLA
DP, CP TRIP
HSLA
10
10
MART
0
MART
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Lower yield strength (MPa)
0
200
400
600
800
1000
1200
Streckgrenze (MPa)
The principal differences between conventional HSS and
AHSS are due to their microstructures. AHSS are multiphase steels, which contain martensite, bainite, and/or
retained austenite in quantities sufficient to produce unique
mechanical properties. Compared to conventional microalloyed steels, AHSS exhibit a superior combination of high
strength with good formability. This combination arises
primarily from their high strain hardening capacity as a result
of their lower yield strength (YS) to ultimate tensile strength
(UTS) ratio.
Die grundlegenden Unterschiede zwischen konventionellen HSS
und AHSS Stahltypen liegen im Mikrogefüge. AHSS sind
Multiphasenstähle, die Martensit, Bainit und/oder Restaustenit in
ausreichenden Mengen enthalten, um beste mechanische
Eigenschaften zu erreichen. Im Vergleich zu konventionellen
mikrolegierten Stählen verfügen die AHSS über eine bessere
Kombination aus Hochfestigkeit und guter Verformbarkeit. Diese
Kombination ergibt sich in erster Linie aus den hohen
Kaltverfestigungseigenschaften aufgrund des niedrigeren
Verhältnisses zwischen Streckgrenze (YS) und Zugfestigkeit (UTS).
The multi-phase AHSS family includes dual phase (DP),
transformation induced plasticity (TRIP) and complex phase
(CP), products. Figure 2 shows the relative strengths and
formability (measured by total elongation) of conventional
strength steels, such as mild (Mild) and interstitial free (IF)
steels ; conventional HSS such as carbon-manganese
(CMn), bake hardenable (BH), isotropic (IS), high-strength IF
(IF), high-strength low alloy (HSLA). The figure also shows
advanced high-strength steels (AHSS) such as dual phase
(DP), transformation induced plasticity (TRIP), complex
phase (CP), and martensite (Mart) steels.
Zur Multiphasen-AHSS-Familie gehören Dualphasenstähle (DP),
Stähle mit transformationsinduzierter Plastiztität (TRIP) und
Komplexphasenstähle (CP). Bild 2 zeigt die Streckgrenze und
Verformbarkeit (gemessen an der Bruchdehnung) von konventionellen
hochfesten Stahltypen, weichen Stählen (mild) und die von IF –Stählen
(interstitial free), konventionellen HSS wie zum Beispiel KohlenstoffMangan-Stahl (CMn), Bake-hardening-Stahl (BH), isotropischer Stahl
(IS), hochfester IF-Stahl (IF), hochfester niedrig legierter Stahl (HSLA).
Bild 2 zeigt auch weiterentwickelte hochfeste Stähle (AHSS) wie
Dualphasenstahl (DP), Stahl mit transformationsinduzierter Plastizität
(TRIP), Komplexphasenstahl (CP) und martensitischen (Mart) Stahl.
27
May 2009 - Mai 2009
All UHSS are produced by controlling
the cooling rate from the austenite or
austenite plus ferrite phase, either on
the runout table of the hot mill (for hot
rolled products) or in the cooling
section of the continuous annealing
furnace (continuously annealed or hot
dip coated products). UHSS cooling
patterns and resultant microstructures
are schematically illustrated on
the continuous cooling-transformation
diagram (Figure 3).
Fig.3: Cooling patterns and microstructure evolution
in the production of UHSS
Austenite
Temperature (°C)
800
Ferrite
Pearlite
600
400
Bainite
Ms
200
Die Kontrolle der Abkühlrate von der
austenitischen zur austenitisch-ferritischen
Phase erfolgt bei der Herstellung aller
UHSS entweder am Ausgang der
Warmwalze (bei warm gewalzten Typen)
oder
an
der
Kühlstrecke
des
Durchlaufglühofens
(geglühte
oder
feuerverzinkte Typen). UHSS Abkühlmuster
und die sich daraus ergebenden
Mikrogefüge sind auf dem Zeit-TemperaturUmwandlungsschaubild
schematisch
dargestellt. (Bild 3).
Martensite
Time
LASER WELDING OF ULTRA
HIGH STRENGTH STEELS
Mart
DP
TRIP
CP
LASER-SCHWEISSEN VON
ULTRAHOCHFESTEN STÄHLEN
(UHSS)
As indicated previously, laser welding
Microstructure key
is widely used in the automotive
Wie
bereits
gezeigt,
wird
das
Austenite
Bainite
industry and one of the major issues
Ferrite
Martensite
Laserschweißen in der Automobilindustrie
when dealing with laser welding of
häufig eingesetzt. Eines der Hauptprobleme
HSS is the extremely high hardness of
Bild 3: Abkühlmuster und Entwicklung der
beim Laserschweißen von HSS ist die
Mikrogefüge bei der Herstellung von UHSS
the weld. This hardness is generally
extreme Härte der Schweißnaht. Die Härte
not
adapted
to
the
required
erfüllt nicht die geforderten mechanischen
mechanical properties of the joint where good ductility is
Gütewerte der Naht, wo im Allgemeinen eine gute Plastizität
generally needed, specially when the weld must be
erforderlich ist, vor allem wenn der Werkstoff verformt werden
stamped.
muss.
To understand this process, AL CTAS carried out bead on
plate CO2 laser welding trials on different HSS grades
coming from different steelmakers.
Um diesen Prozess besser zu verstehen, haben wir Versuche
durchgeführt, bei denen mit dem CO2-Laser Schweißraupen auf
HSS Bleche verschiedener Stahlhersteller aufgetragen wurden.
In table I, the different chemical compositions of these
steels are indicated. It is clear that to reach the same
tensile or yield strengths, steelmakers do not use the
same strategy. Particularly, Thyssen steels are made with
a high level of aluminium while Arcelor uses silicon. The
carbon and manganese contents are similar for both
steelmakers. Both elements are used to help the creation
of residual austenite. This choice is reported not to
influence the microstructure but rather the surface
structure and the compliance to coatings and weldability.
Silicon seems to have a negative influence on the coating
ability whilst aluminum may cause excessive hardening by
welding.
Tabelle I zeigt die unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen
der Stahltypen. Um dieselbe Zugfestigkeit oder Streckgrenze zu
erreichen, gehen nicht alle Stahlhersteller nach derselben Strategie
vor. Vor allem Thyssen-Stähle werden mit einem hohen
Aluminiumanteil hergestellt, während Arcelor eher Silizium
verwendet. Der Kohlenstoff- und Mangangehalt ist bei beiden
Herstellern ähnlich. Beide Elemente werden eingesetzt, um die
Bildung von Restaustenit zu fördern. Die Wahl dieser Elemente soll
keinen Einfluss auf das Mikrogefüge haben, sondern vielmehr auf
die Oberflächenstruktur und die Kompatibilität mit Beschichtungen
und Schweißarbeiten. Silizium scheint sich negativ auf die
Beschichtungseigenschaften auszuwirken, während Aluminium zu
übermäßiger Härte beim Schweißen führen kann.
Table I
Tabelle I
ARCELOR
Mn
Si
Al
B
S
Materialtyp
P
DP500
0.112 1.50 0.048 1.26 0.0003 0.001 0.016
DP600
0.122 1.46 0.055 1.27 0.0003 0.001 0.013
THYSSEN
C
Dual phase
Gütegrad
Chemische Analyse
C
Mn
Komplexphasen- CP-W800 0.115 1.77
stahl
High Strength
Low Alloyed
FB450
Chemical composition
Si
Al
B
S
P
0.142 0.682 0.008 0.042 0.0002 0.005 0.12
Transformation
induced plasticity
TRIP800 0.21
1.69
1.68 0.039 0.0002 0.002 0.014
Complex phase
CP1000
1.64
0.26 0.033 0.0019 0.002 0.03
0.14
P
0.122 1.46 0.055 1.27 0.0003 0.001 0.013
CP-W800 0.115 1.77
Mn
S
DP600
Complex phase
C
B
Dualphasenstahl
TRIP Stahl
Grades
Al
0.112 1.50 0.048 1.26 0.0003 0.001 0.016
TRIP700 0.225 1.75 0.052 1.55 0.0006 0.001 0.014
0.65 0.031 0.0003 0.001 0.013
Si
DP500
Transformation
induced plasticity
Material type
28
Grades
ARCELOR
THYSSEN
Material type
Chemical composition
TRIP700 0.225 1.75 0.052 1.55 0.0006 0.001 0.014
Materialtyp
Gütegrad
Hochfester niedrig
legierter Stahl
FB450
0.65 0.031 0.0003 0.001 0.013
Chemische Analyse
C
Mn
Si
Al
B
S
P
0.142 0.682 0.008 0.042 0.0002 0.005 0.12
TRIP Stahl
TRIP800
0.21
1.69
1.68 0.039 0.0002 0.002 0.014
Komplexphasenstahl
CP1000
0.14
1.64
0.26 0.033 0.0019 0.002 0.03
May 2009 - Mai 2009
In table II, weld hardness values of the melted zone are
reported for different HSS grades, laser power and welding
speed. It is seen that the hardness values are very
important (more than 400-500 Hv with requirements usually
being around 300-350 Hv), that the higher the carbon
content the higher the hardness, and that reduction of
welding speed and laser power seem to have an influence
on the hardness level of the weld (although to a reasonable
extent).
Tabelle II zeigt die Härtewerte der aufgeschmolzenen Zone
für
verschiedene
HSS-Typen,
Laserleistungen
und
Schweißgeschwindigkeiten. Es ist deutlich zu erkennen, dass die
Härtewerte sehr hoch sind (über 400-500Hv bei Anforderungen
von normalerweise ca. 300-350Hv), dass die Härte mit
steigendem Kohlenstoffanteil größer wird und dass eine
Verringerung der Schweißgeschwindigkeit und der Laserleistung
sich auf die Härte der Schweißnaht auszuwirken scheint (wenn
auch nur mäßig).
Table II
Tabelle II
1.2
DP600
1.0
TRIP700
2.0
CP-W800
1.5
Grades
Thickness
(mm)
Laser
power
(kW)
5.5
melted zone
4
3
433 - 415
8
8
425 - 412
4
3
413 - 404
8
7
490 - 484
4
4
470 - 450
8
6
435 - 439
4
3
469 - 462
Laser
power
(kW)
8
melted zone
base metal
Hardness (Hv 0.3)
413 - 437
base metal
196
196
THYSSEN
DP500
Welding
speed
(m/mn)
8
SchweißLaserHärte (Hv 0.3)
Gütegrad Stärke geschwindigkeit leistung
(mm)
(m/mn)
(kW) Schmelzzone Grundwerkstoff
8
5.5
413 - 437
DP500
1.2
196
4
3
433 - 415
DP600
1.0
223
TRIP700
2.0
281
CP-W800
1.5
FB450
2.0
Welding
speed
(m/mn)
7
414
170
TRIP800
2.0
6
7
530
280
CP1000
2.0
7
8
446 - 453
334
Hardness (Hv 0.3)
ARCELOR
ARCELOR
THYSSEN
Grades
Thickness
(mm)
8
8
425 - 412
4
3
413 - 404
8
7
490 - 484
4
4
470 - 450
8
6
435 - 439
4
3
469 - 462
196
223
281
SchweißLaserHärte (Hv 0.3)
Gütegrad Stärke
leistung
(mm) geschwindigkeit
(m/mn)
(kW) Schmelzzone Grundwerkstoff
FB450
2.0
7
8
414
170
TRIP800
2.0
6
7
530
280
CP1000
2.0
7
8
446 - 453
334
These results are generally interpreted by the very hard
Diese Ergebnisse sind im Allgemeinen auf den sehr harten
thermal cycle of the laser weld which together with the
thermischen Zyklus des Laserschweißens zurückzuführen, der chemical analysis of the steel gives the microstructure. As
zusammen mit der chemischen Zusammensetzung des Stahls - die
indicated in figure 4, the weld hardness is strongly
Struktur des Mikrogefüges bestimmt. Wie Bild 4 verdeutlicht, wird die
influenced by the welding energy (or the ∆T°800/500
Härte der Schweißnaht erheblich von der Schweißenergie
cooling time). For lower welding energies (small
beeinflusst (oder der ∆T°800/500 Abkühlzeit). Bei geringer
Streckenenergie (kleine ∆T°800/500) ist das
∆T°800/500), the microstructure is fully
Fig.4: Effects of welding energy and alloying
Mikrogefüge voll martensitisch. Unter diesen
martensitic. In these conditions, the
elements on HAZ hardness
Bedingungen hängt die Härte im
hardness is essentially linked to the
Wesentlichen vom Kohlenstoffgehalt ab.
carbon content. Above threshold (∆E
Hardness HV
Über dieser Schwelle (∆Ε, Bild 4) ist das
in figure 4), the microstructure is no
Härte
Mikrogefüge nicht mehr voll martensitisch
longer fully martensitic and other
und andere Gefügetypen (Bainit, körniger
microstructures
appear
(bainite,
Hvmax
Bainit, …) mit geringerer Härte bilden sich.
granular bainite, …) with reduced
C
Diese Entwicklung, die ∆E Schwelle sowie
hardnesses. This evolution, and then
C, Mn, Si, Cr, Mo
die fallende Härtekurve hängen mit den
the ∆E threshold, and then the falling
Härtbarkeitseigenschaften des Stahles
slope of the hardness curve, is related
zusammen, und dabei vor allem mit den
to the steel hardenability and
darin enthaltenen Legierungselementen.
particularly to the alloying elements
Anders ausgedrückt: Aufgrund der hohen
included in the steel. In other words,
Welding energy
Schweißgeschwindigkeit beim Laserbecause of the high welding speeds of
Streckenergie
schweißen ist die Streckenenergie gering
the laser weld, the welding energy is
Bild 4: Einfluss der Streckenenergie und der
und bei hohem Kohlenstoffgehalt im Stahl
lower and if the carbon level of the
Legierungselemente auf die Härte in der WEZ
ergibt sich eine Härte, wie sie für
steel is high, the resultant hardness is
martensitische Strukturen typisch ist.
typical of a martensitic structure.
Hence, one option to be considered to reduce the hardness
is to increase the welding energy. With laser welding this is
not easy to do because the only possibility is to reduce
drastically the welding speed (as shown in table II, the
hardness remains high even if the welding speed is cut by 2)
which is, generally speaking, not acceptable for most
laser users. Another idea is to combine the laser with a
welding arc without sacrifying too much on the welding
speed…
Ein Weg, die Härte zu verringern ist daher die Erhöhung der
Schweißenergie. Bei reinem Laserschweißen ist das problematisch,
weil die einzige Möglichkeit darin besteht, die Schweißgeschwindigkeit drastisch zu senken (wie aus Tabelle II zu ersehen,
bleibt die Härte hoch, selbst wenn die Schweißgeschwindigkeit
halbiert wird) und das ist für die meisten Laser-Anwender
inakzeptabel. Eine andere Lösung wäre eine Kombination aus
Laser—und Lichtbogenschweißen, ohne zu viel an Schweißgeschwindigkeit einzubüßen.
29
May 2009 - Mai 2009
LASER-TIG HYBRID
WELDING OF ULTRA
HIGH STRENGTH STEELS
LASER- WIG HYBRIDSCHWEISSEN VON
ULTRAHOCHFESTEN
STÄHLEN
Fig.5: Examples of weld macrographies for laser and laser-TIG welding
This laser/TIG hybrid welding
Das Laser/WIG-Hybridschweißprocess is relatively new and
verfahren ist relativ neu und die
the first evidence of the
ersten Berichte dazu gehen auf die
process has been reported
frühen 70er Jahre zurück. Es erlaubt
in the early seventies.
eine höhere Montagetoleranz der
It allows increasing the fit-up
TRIP700 4kW
TRIP700 4kW 200A
Naht und in einigen Fällen eine
tolerances of the joint and,
höhere Schweißgeschwindigkeit
in some cases, allows higher
als beim reinen Laserschweißen. Die
welding
speeds
when
zusätzliche Energie durch den
compared with laser alone.
Lichtbogen ergibt ein größeres
The
additional
energy
Schweißbad und einen tieferen
brought by the arc increases
Einbrand. Das erhöht die Flexibilität
the weld pool size and the
bei der Schweißgeschwindigkeit und
penetration depth, giving
der
Positionierung des Werkstücks.
more flexibility of the welding
CPW800 6kW
CPW800 6kW 300A
Im Allgemeinen wird auch über
speed and the workpiece
Bild 5: Beispiele von Makroschliffen für das Laser- und Laser-WIG-Schweißen
bessere Benetzung der Nahtvorderpositioning. Better wetting
und rückseite berichtet. Bild 5 zeigt Makroschliffe von Schweißraupen, die
on the front and the backside of the weld are generally also
in CO2-Lasertechnik und in Hybridtechnik auf Bleche zweier
reported. In figure 5, macrographies of bead on plate CO2
ultrahochfester Stahltypen aufgebracht wurden.
laser and hybrid welds on two UHSS grades are shown.
In Table III, results of hardnesses in the melted zone are
shown for different conditions of welding speed, laser power
and arc currents. It is seen that depending on the alloys; the
hardness can be significantly reduced when compared with
the results indicated in Table II. Significant weld softening
can be reached with the laser/TIG process. For other
grades, particularly those with a high carbon level and
consequent alloying, the additional energy brought by the
arc produces little effect on the bead hardness.
Tabelle III fasst die Härtewerte der Naht bei unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten, Laserleistungen und Lichtbogenstromstärken
zusammen. Daraus ist zu erkennen, dass abhängig von den Legierungen,
die Härte im Vergleich zu den Werten in Tabelle II deutlich verringert
werden kann. Mit dem Laser-WIG-Verfahren können wesentlich weichere
Schweißnähte erreicht werden. Bei anderen Typen, vor allem Stählen mit
hohem Kohlenstoffgehalt und entsprechenden Mengen an
Legierungselementen, hat die vom Lichtbogen eingebrachte zusätzliche
Energie nur geringe Auswirkungen auf die Härte.
Table III
Tabelle III
Current
(A)
DP500
1.2
DP600
1.0
TRIP700
2.0
CP-W800
1.5
Grades
Thickness
(mm)
Welding
speed
(m/min)
Laser
power
(kW)
FB450
2.0
7
8
TRIP800
2.0
CP1000
2.0
6
5
5
7
7
6
6
8
To better visualize the effects, figure 6
shows the hardness level versus the
welding energy for laser/TIG welding
and laser alone The welding energy has
been calculated with:
Welding energy (J.cm-1.mm-1) =
75%Plaser (W) + 60%Uarc (V) Iarc (A)
Wspeed (cm.s ) x Thickness (mm)
-1
This takes into account the energy
efficiency of the laser and TIG processes,
and the welding energy has been
normalized with the thickness of the
workpieces.
30
300
200
150
300
200
300
200
THYSSEN
Current
(A)
Mean
Hardness
(Hv 0.3)
356
299
331
436
401
422
402
Mean
Hardness
(Hv 0.3)
362
325
318
290
510
500
480
430
150
200
250
300
300
150
300
200
SchweißLaserGütegrad Stärke
leistung
(mm) geschwindigkeit
(m/min)
(kW)
8
5.5
DP500
1.2
4
3
DP600
1.0
4
3
8
7
TRIP700
2.0
4
4
8
6
CP-W800
1.5
4
3
SchweißLaserGütegrad Stärke
leistung
(mm) geschwindigkeit
(m/min)
(kW)
ARCELOR
Thickness
(mm)
Laser
power
(kW)
5.5
3
3
7
4
6
3
FB450
2.0
TRIP800
2.0
CP1000
2.0
Fig.6: Hardness level versus the welding energy
for different UHSS grades
550
DP500
Hardness - Härte (Hv0.3)
ARCELOR
THYSSEN
Grades
Welding
speed
(m/min)
8
4
4
8
4
8
4
500
DP600
TRIP700
450
CP-W800
7
8
6
5
5
7
7
6
6
8
Strom(A)
300
200
150
300
200
300
200
Strom
(A)
150
200
250
300
300
150
300
200
Durchschnittl.
Härte
(Hv 0.3)
356
299
331
436
401
422
402
Durchschnittl.
Härte
(Hv 0.3)
362
325
318
290
510
500
480
430
Um diese Effekte besser darstellen zu
können, haben wir in Bild 6 die Härtewerte in
Abhängigkeit zu der Steckenenergie beim
Laser-WIG-Verfahren und beim reinen
Laserverfahren eingetragen.
TRIP800
400
FB450
CP1000
350
300
250
150.0
Streckenenergie (J.cm-1.mm-1) =
75%Plaser (W) + 60%Uarc (V) Iarc (A)
Wspeed (cm.s-1) x Stärke (mm)
250.0
350.0
450.0
550.0
Welding energy - Streckenenergie (J.cm-1.mm-1)
Bild 6: Härte in Abhängigkeit von der
Streckenenergie bei unterschiedlichen UHSS Typen
Der Wirkungsgrad des Wärmeeintrages bei
Laser- und WIG-Verfahren wurde ebenso
berücksichtigt wie die Werkstückdicke.
May 2009 - Mai 2009
As it can be seen, FB450, DP500 and DP600 hardnesses
are dramatically affected by the welding energy increase,
while TRIP800 or CP1000 remain relatively unaffected.
Other grades exhibit a mitigated hardness decrease.
These results fit very well with the previous interpretation.
For moderate carbon and alloying element content the
additional energy increase decreases the hardness because
the microstructure is largely modified. In this case the
productivity remains high because no welding speed
reduction is needed. For high hardenability grades this
energy increase is not high enough to induce significant
modifications of the microstructure. Actually if the welding
energy was still increased on these grades the hardness
would be lower and so, higher welding energy processes,
like MIG welding, should be used. With the TIG combination
or laser alone, the only possibility would be to decrease the
welding speed, to enlarge the focus spot, or both.
LASER-MIG HYBRID WELDING
OF ULTRA HIGH STRENGTH STEELS
Another option to be considered to reduce the hardness is
to modify the chemical composition of the fusion zone by
adding a well chosen filler material. Usually it is done with
the laser wire process where the filler wire is melted into the
welding pool. The only drawback of this process is the
consequent welding speed reduction (to compare with laser
alone) because energy is needed to melt the wire. To some
extent it is also not easy to adjust with accuracy the wire
position ahead of the small melted pool.
To retain acceptable welding speeds, we have used the
laser-MIG hybrid process. In this process the laser is
combined with a MIG arc in the same melted pool. This
process is known to give very good flexibility in terms of joint
bridgeability to compare with laser single or even with the
laser-TIG hybrid process. Another advantage of this process
is its unique ability to modify the welding joint composition
through the use of a wire (whose composition can be
changed) with at least the same welding speed than laser
alone. By allowing a metal cored wire to be mixed with the
base metal, significant modifications of the weld
microstructure can be achieved.
In this experiment we have used the TRIP800 grade
galvanized steel (10 µm) from Arcelor whose composition is
indicated in table IV. These steels (1.2 mm thick) have been
CO2 laser welded with an He/Ar/O2 mixture and with a metal
cored wire whose composition is indicated on table V.
Wie die Darstellung zeigt, wirkt sich die Erhöhung der Streckenenergie
erheblich auf die Härtewerte von FB450, DP500 und DP600 aus,
während TRIP800 oder CP1000 relativ unbeeinflusst bleiben. Andere
Typen zeigen einen geringeren Einfluss auf die Härte.
Diese Ergebnisse bestätigen die vorherige Interpretation. Bei
mäßigem Gehalt an Kohlenstoff und Legierungselementen bringt die
Erhöhung der Schweißenergie eine Verringerung der Härte, weil das
Mikrogefüge stark verändert wird. In diesem Fall bleibt die
Produktivität hoch, da die Schweißgeschwindigkeit nicht verringert
werden muss. Bei Typen mit hohen Härtbarkeitseigenschaften ist die
Energiesteigerung nicht groß genug, um wesentliche Veränderungen
des Mikrogefüges herbeizuführen. Würde die Schweißenergie bei
diesen Typen noch weiter erhöht, ergäbe sich zwar eine geringere
Härte, aber es müssten Schweißverfahren mit höherem
Energieeintrag eingesetzt werden wie z.B. das MIG-Verfahren. Mit
der WIG-Kombination oder dem reinen Laserverfahren, gibt es nur
die Möglichkeit, die Schweißgeschwindigkeit herabzusetzen oder
den Brennfleck zu vergrößern, oder beides.
LASER- MIG HYBRIDSCHWEISSEN
VON ULTRAHOCHFESTEN STÄHLEN
Eine weitere Option, die zur Härte-Verringerung in Betracht gezogen
werden kann, ist die Veränderung der chemischen Zusammensetzung
des Schweißgutes durch einen ganz bestimmten Zusatzwerkstoff.
Diese Methode wird beim Laserdrahtverfahren schon eingesetzt, wo
der Zusatz im Schmelzbad aufgeschmolzen wird. Der einzige Nachteil
dieses Verfahrens ist die sich daraus ergebende geringere
Schweißgeschwindigkeit (im Vergleich zum reinen Laserschweißen),
da für das Aufschmelzen des Drahtes Energie benötigt wird.
Manchmal ist es auch nicht ganz einfach, die Drahtposition vor dem
kleinen Schweißbad genau einzustellen.
Um akzeptable Schweißgeschwindigkeiten beizubehalten, haben wir
das Laser-MIG-Hybridschweißverfahren eingesetzt. Bei diesem
Verfahren wird der Laser mit einem MIG-Lichtbogen im gleichen
Schmelzbad kombiniert. Dieses Verfahren ist bekannt für seine hohe
Flexibilität bei der Spaltüberbrückung im Vergleich zum Laserschweißen
oder selbst zum Laser-WIG-Hybridverfahren. Ein weiterer Vorteil des
Verfahrens ist die Möglichkeit, die Schweißnahtzusammensetzung
durch die Verwendung eines Drahtes (dessen Zusammensetzung
veränderbar ist) zu modifizieren und das bei fast identischer
Schweißgeschwindigkeit wie beim Laserschweißen. Durch die
Möglichkeit einen Metallpulverfülldraht einzusetzen, können erhebliche
Veränderungen im Mikrogefüge der Schweißverbindung erzielt werden.
Bei diesem Versuch haben wir galvanisierten (10µm) TRIP800 S
Stahl von Arcelor verwendet (Zusammensetzung siehe Tabelle IV).
Diese Stahltypen (1,2 mm stark) wurden im CO2 Laserverfahren mit
einer He/Ar/O2-Mischung und einem Metallpulverdraht
(Zusammensetzung siehe Tabelle V) geschweißt.
Tabelle IV
Table IV
Grade
TRIP800
C
0.21
Mn
1.69
Chemical composition
Si
Al
B
S
P
Cr
Ni
1.68 0.039 0.0002 0.002 0.014 0.027 0.023
Gütegrad
TRIP800
C
0.21
Mn
1.69
Si
1.68
Chemische Analyse
Al
B
S
P
Cr
Ni
0.039 0.0002 0.002 0.014 0.027 0.023
C
1.69
Mn
1.68
Tabelle V
Table V
Grade
Ø
(mm)
MC025
0.21
C
1.69
Chemical composition
Mn
Cr
Si
S
Al
Ti
1.68 0.039 0.0002 0.002 0.014 0.027
The experiments have been carried out with a different laser
power and the wire was behind the laser spot (3 mm). In this
case it was not possible to use the wire in the leading position
(although it is known to give the best results in terms of joint
bridgeability) because the Zn vaporization was so strong that
Gütegrad
Ø
(mm)
MC025
0.21
Chemische Analyse
Cr
Si
S
Al
Ti
0.039 0.0002 0.002 0.014 0.027
Das Experiment wurde mit unterschiedlichen Laserstärken durchgeführt,
wobei sich der Draht hinter dem Laserpunkt (3mm) befand. In diesem
Fall war es nicht möglich, den Draht in der führenden Position zu
verwenden (obwohl dies bekanntlich zu den besten Ergebnissen bei der
Spaltüberbrückung führt), da die Zn-Verdampfung so stark war, dass die
geschmolzenen Tropfen zurück oder zur Seite geschleudert wurden und
31
May 2009 - Mai 2009
the melted droplets were pushed back or aside and thus
could not mix within the melted pool. With the arc on the trail,
the laser vaporizes the Zn coating and the MIG transfer
becomes efficient. The results indicated in figure 7 show the
weld hardness profiles within the TRIP800 welds at different
welding energies for laser alone, MIG single and two hybrid
MIG with different set of parameters. It is shown that when
using the hybrid MIG process the melted zone hardness is
dramatically reduced: between 290 and 340 HV depending
on the parameters, compared with more than 550 HV for
laser alone. However the HAZ is still hard.
sich nicht mit der Schmelze vermischten. Wenn der MIG-Prozess hinter
dem Laser gefahren wird, verdampft der Laser die Zinkbeschichtung
und der MIG-Tropfenübergang verläuft normal. Die Ergebnisse in Bild 7
zeigen die Härteprofile der Schweißnähte am TRIP800 Stahl, die mit
unterschiedlichen Streckenenergien und Schweißverfahren (reines
Laser- und reines MIG-Verfahren, sowie zwei hybride MIG-Verfahren mit
unterschiedlichen Parametern) hergestellt wurden. Es wird deutlich, dass
beim Einsatz des hybriden MIG-Verfahrens die Härte der Schweißnaht
erheblich sinkt und zwar, in Abhängigkeit von den Parametern, auf Werte
zwischen 290 und 340 HV im Vergleich zu 550HV beim reinen
Laserverfahren. Trotzdem ist die WEZ noch immer hart.
Fig.7: Laser, MIG and Hybrid MIG weld hardnesses on TRIP800 steel
600
Hardness - Härte (Hv0.3)
500
MG: EL = 140 kJ/m
Laser: EL = 56 kJ/m
Hybrid T58: EL = 137 kJ/m
Hybrid T56: EL = 90 kJ/m
400
MG: EL = 140 kJ/m
Laser: EL = 56 kJ/m
Hybrid T58: EL = 137 kJ/m
Hybrid T56: EL = 90 kJ/m
350
200
100
0
-4
-3
-2
-1
1
2
0
Distance to the melted zone axis - Abstand zur Nahtmitte (mm)
3
4
Bild 7: Laser, MIG und Hybrid MIG: Schweißnahthärte an TRIP800 Stahl
In figure 8 a typical macrograph is
shown. In this case, because of the
small thickness of the pieces the shortarc transfer mode was used. Of
course, depending on the laser power,
welding speed and wire feed speed,
the reinforcement, both on the top and
bottom of the weld, may vary
accordingly.
These results are interpretated on the
basis of figure 4. The real composition
to be taken into account into the
melted zone is a mix of the base metal
composition and the wire composition.
Hence, with the MC025 wire where the
carbon and alloying element levels are
very low, significant improvements are
made into the melted zone and its
hardenability is dramatically reduced.
Moreover, as shown in figure 9, the
microstructure of the melted zone is of
the acicular ferrite type because in this
case the titanium and oxygen within
the wire have played their role. It
should be mentioned however that
these results are very sensitive to the
dilution which determines the chemical
analysis of the melted zone. The mix
homogeneity between the wire and the
melted pool is also a concern and if not
done properly could lead to a hardness
gradient within the weld.
Within the HAZ however, as illustrated
in figure 9, nothing can be done. The
32
Fig.8: Macrography of the T56 trial
(4 kW, 4 m/min welding speed, 4 m/min wire feed speed)
Bild 8: Makroschliff des Versuchs mit T56 (4kW, 4m/min
Schweißgeschwindigkeit, 4m/min Drahtvorschub)
Fig.9: T56 microstructures of the melted zone (left)
and the HAZ (right)
Bild 9: T56 Mikrogefüge der Schweißnaht (links)
und der WEZ (rechts)
Bild 8 zeigt einen typischen Markoschliff.
Aufgrund der geringen Materialstärke wurde
hier der Short-arc Tropfenübergang gewählt.
Natürlich können die Schweißgeschwindigkeit
und die Drahtvorschubgeschwindigkeit
sowie die Überwölbung an der Nahtober- und
Unterseite in Anhängigkeit von der
Laserleistung variieren.
Diese Ergebnisse werden auf der Grundlage
von Bild 4 interpretiert. Die tatsächliche
Zusammensetzung der Schweißnaht ist eine
Mischung aus Grundwerkstoff- und
Drahtzusammensetzung. Daher wurden mit
dem MC025-Draht, dessen Gehalt an
Kohlenstoff und Legierungselementen
gering ist, wesentliche Verbesserungen in
der Schmelzzone erzielt und die Härtbarkeit
wurde drastisch gesenkt. Außerdem hat das
Mikrogefüge, wie in Bild 9 zu erkennen, eine
Nadelferritstruktur, denn hier haben Titan
und Sauerstoff im Draht die entsprechende
Wirkung gezeigt. Allerdings ist zu bedenken,
dass die chemische Zusammensetzung
der Schweißnaht sehr stark durch die
Aufmischung beeinflusst wird. Die
Homogenität der Mischung von Draht und
Grundwerkstoffschmelze ist ebenfalls ein
Problem und kann, wenn sie nicht gut ist, zu
Härteunterschieden
innerhalb
der
Schweißnaht führen.
Wie in Bild 9 gezeigt, kann innerhalb der WEZ
nichts erreicht werden. Das Mikrogefüge ist
noch immer voll martensitisch und zeigt,
dass auch mit der Hybridtechnik die
May 2009 - Mai 2009
microstructure is still fully martensitic and it demonstrated
that even with the arc, the welding energy is too small to
adapt to the high hardenability of the parent metal.
In conclusion, it has been shown that laser welding of Ultra
High Strength Steels gave very hard welds as a
consequence of the laser thermal cycle combined with the
chemical analysis of these steels usually rich in carbon and
alloying elements. The only way to reduce the hardness is to
increase the welding energy, thus to decrease the welding
speed which is very often not acceptable. Another option is
to use the laser – TIG hybrid process where the arc/laser
combination allows a welding energy increase without
sacrificing the welding speed. However, depending on the
UHSS chemical analysis, this last option might not give a
substantial hardness decrease. The use of the laser – MIG
hybrid process, and particularly its unique ability to modify
the chemical analysis of the weld through the use of welding
wires whose composition can be tailored, gives the best
results in terms of hardness reduction. However, depending
of the applications, the process window is narrow and the
reinforcement may be a problem.
Streckenenergie immer noch zu schwach ist, um die starke Neigung
des Grundwerkstoffes zum Aufhärten zu reduzieren.
Es wurde gezeigt, dass das Laserschweißen von ultrahochfesten
Stählen aufgrund der Abkühlungsbedingungen und der
chemischen Zusammensetzung dieser Stahltypen zu sehr harten
Schweißnähten führt, die gewöhnlich einen hohen Gehalt an
Kohlenstoff und Legierungselementen haben. Die einzige
Möglichkeit, die Härte zu reduzieren, besteht in einer Erhöhung der
Streckenenergie durch eine Senkung der Schweißgeschwindigkeit,
die meist nicht akzeptiert wird. Eine weitere Option ist der Einsatz
von Laser-WIG Hybridverfahren mit höherer Streckenenergie bei
gleicher Schweißgeschwindigkeit. Allerdings kann letztere Lösung
in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der
ultrahochfesten Stähle nicht immer zu einer wesentlichen Senkung
der Härte beitragen. Mit dem Einsatz des Laser-MIGHybridverfahrens erzielt man die besten Ergebnisse bei der
Reduzierung der Härte. Dies ist vor allem auf die Möglichkeit
zurückzuführen, die chemische Zusammensetzung der
Schweißnaht durch den Schweißdraht, dessen Zusammensetzung
maßgeschneidert werden kann, zu beeinflussen. Allerdings kann je
nach Anwendung das Verfahrensfenster sehr eng sein und die
Nahtüberhöhung ein Problem darstellen.
F. BRIAND - O. DUBET - P. LEFEBVRE - G. BALLERINI
AIR LIQUIDE / CTAS -13 rue d'Epluches, Saint Ouen l'Aumône, 95315 Cergy Pontoise, France.
The authors would like to thank Arcelor for providing the workpieces.
Die Autoren danken Arcelor für die Bereitstellung der Proben.
BIBLIOGRAPHY: / LITERATURHINWEISE:
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[2] Vision of Materials & Process in Automotive Industrie, Conference Berlin Nov. 2002.
[3] ULSAB-AVC – PES Engineering Report, Materials and Processes, Oct. 2001.
[4] ULSAB-AVC – TTD #6 – Appendix III, Jun. 2001.
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hoeherfester mehrphasiger Staehle. In Duennblechverarbeitung, Conference SLV Munich 03.2003.
[6] P. Cordini, PhD Thesis Hybridschweissen von verzinktem Stahlfeinblech, Hannover
Universität, 2003
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