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SCHWEIßEIGNUNGSUNTERSUCHUNGEN an hochfesten Feinkornbaustählen beim Einsatz modifizierter Sprühlichtbogenprozesse A. Pittner, C. Heinze, Th. Michael, M. Rethmeier

Fachbereich 9.3: Schweißtechnische Fertigungsverfahren

2. Ilmenauer schweißtechnisches Symposium 13.10.2015

Vorführender

Präsentationsnotizen

Auf Einleitung und Vorstellung durch Session-Leiter achten

23.10.2015 2. Ilmenauer schweißtechnisches Symposium 2 2

Gliederung

Ziele des Vorhabens

Versuchsdurchführung

Ergebnisse

Zusammenfassung

Nachuntersuchungen

23.10.2015 2. Ilmenauer schweißtechnisches Symposium 3 3

Ziele des Vorhabens

Verständnis für Einsatz von modifizierten Sprühlichtbogenprozessen (modSLB)

Reduktion Zusatzwerkstoffverbrauch und Schweißzeit

Herausstellung der Unterschiede zu einem Referenzfall (konventioneller Sprühlichtbogenprozess)

Umfangreiche Charakterisierung von Versuchsschweißungen (Temperaturfeld, Metallografie, mech.-tech. Kennwertbestimmung)

Erweiterung Wissensstand beim Einsatz von modifizierten Sprühlichtbogen zum Schweißen hochfester Feinkornbaustähle

23.10.2015 2. Ilmenauer schweißtechnisches Symposium 4

Modifikation der Projektinhalte durch PbA:

Anpassung der Projektziele Konzentration auf Analyse der Mikrorissbildung

Festlegung der Stromquellen für modSLB und Referenz

Maßnahmen zur Mikrorissvermeidung: Lagenaufbau, Nahtvorbereitung untersuchen

Bauteilähnliches Prüfstück (Demonstrator) = Rohr-Rohr-Verbindung mit Ziel der Lagenoptimierung und der Reduzierung an Zusatzwerkstoff unter Anwendung modSLB

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Ziele des Vorhabens

23.10.2015 2. Ilmenauer schweißtechnisches Symposium


Bisher untersuchte Aspekte:

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Schweißeignung Werkstoff



Untersuchte Aspekte im Bereich Schweißeignung: Verschiedene Grundwerkstoffe (S690QL, S960QL)

Zwei unterschiedliche Chargen S690 QL

Drei Schweißzusatzwerkstoffe darunter auch Fülldrähte

Vorwärmtemperatur (RT bis 150 °C)

Mikrorisse konnten nicht vermieden werden

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Schweißsicherheit Konstruktion



Untersuchte Aspekte im Bereich Schweißsicherheit: Unterschiedliche Blechbreiten (Einspanngrad)

Freie Schrumpfung, festere Einspannung, Aufschweißen des Probeblechs auf Grundblech

Nahtöffnungswinkel variiert (30 ° - 60 °)

DV-, V-Fuge // symmetrische und unsymmetrische DV-Fuge

Lagenaufbau (2 - 4 Raupen)


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Schweißmöglichkeit Fertigung



Untersuchte Aspekte im Bereich Schweißmöglichkeit: Verschiedene Lichtbogenarten (ILB, SLB, modSLB)

Nahtvorbereitung: Brennschnitt / mechanisch

Schweißparametervariation (Schweißgeschwindigkeit, Schutzgas, Brenneranstellwinkel)


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Werkstoff: S960QL, t = 20 mm

Chemische Zusammensetzung im Rahmen der Norm


Funken-Emissions-Spektroskopie (FES)

Angaben in Masseanteil

C Si Mn Cu P S Cr Mo Ni Fe

Charge 0,16 0,31 0,94 - 0,011 0,001 0,55 0,30 1,00 Rest

DIN EN 10025-6 Max.-Werte 0,22 0,86 1,8 0,55 0,025 0,012 1,6 ≥ 0,01 2,1 Rest



Zusatzwerkstoff: Festigkeitsniveau 900 - 960 MPa

Bezeichnung GW C Ni Mn Cu Cr Mo Si S P V Carbofil 2NiMoCr* M 960 0,09 1,27 1,26 0,15 0,19 0,52 0,70 0,010 0,058 0,001

Z 0,09 2,20 1,79 0,03 0,31 0,52 0,77 0,012 0,010

Union X90* M 960 0,1 1,31 1,22 0,19 0,22 0,59 0,79 0,005 0,048 0,001

Z 0,1 2,26 1,79 0,03 0,35 0,64 0,84 0,010 0,009 0,010

ED-FK 1000* M 960 0,09 2,09 1,70 0,11 0,34 0,56 0,75 0,011 0,012 0,001

Z 0,09 2,19 1,76 0,36 0,58 0,81 0,011 0,012

Aristorod 89* M 960 0,08 2,19 1,71 0,02 0,39 0,56 0,79 0,005 0,004 0,004

Z 0,06 2,22 1,75 0,12 0,41 0,53 0,80 0,003 0,010 0,070

DIN EN ISO 16834 Mn4Ni2CrMo 0,12 1,8 -

2,3 1,6 - 2,1 0,30 0,2 -

0,45 0,45 -

0,7 0,6 - 0,9 0,015 0,018 0,03

*Rest = Eisenanteil, M = Messung, Z = Zeugnis


Nahtvorbereitung: DV-Naht

Gesamtöffnungswinkel 30° - 40° (modSLB) + 40° - 60° (Referenz)

Brennschnitt

Technischer Nullspalt (0,1 mm - 0,5 mm traten auf)

Bleche geheftet an beiden Blechenden

13

modSLB Referenz


13


Schweißparameter Verfahrensprüfung 20 mm:

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Referenz (ILB + SLB)

modSLB

Nahtöffnung 60° 40° Raupenzahl 4 2

Vorwärmtemperatur 100 °C 100 °C Zwischenlagentemp. 100 °C 100 °C

Schweißgeschwindigkeit 40 cm/min 35 cm/min Drahtvorschub 9 m/min /11,5 m/min 11,5 m/min Stromstärke 240 A / 330 A 340 A Spannung 30 V / 32,5 V 32,5 V

Abkühlzeit t8/5 5 s – 7,5 s 8,5 s – 10 s


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Makroschliffuntersuchungen:

Keine Unregelmäßigkeiten erkennbar

15

modSLB (2-lagig) Referenz (4 Raupen)

Ergebnisse – S960QL

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Härte – modSLB: Härte des GW liegt bei ca. 360 – 370 HV10 Maximalhärte in WEZ bei 400 HV10 Härte im SG 250 – 325 HV10

16

Ergebnisse

16


Härte – Referenz: Härte GW ca. 350 HV10 Maximalhärte in WEZ bei ca. 420 HV10 Härte im SG ca. 280 – 310 HV10

17

Ergebnisse

17


Kerbschlagbiegeprüfung: S960QL, 20 mm

Kerbschlagwerte erfüllen die Anforderungen

Probe Kerblage Prüftemp. in °C Mittelwerte in J

Proben modifizierter Sprühlichtbogen M1-4 SG -40 46

M5-8 WEZ -40 52

Proben Referenzschweißung R1-4 SG -40 51

R5-8 WEZ -40 57

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Anforderungen laut DIN EN ISO 10025-6 längs: 30 J // quer: 27 J

Ergebnisse

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Querzugprüfung: Prüfmaschine Schenck 1 MN Prüfgeschwindigkeit = 0,1 mm/s Prüftemperatur 22 °C

Alle Proben erfüllen die Normanforderung

S960QL - 20 mm Rm in MPa Bruchlage

4-lagig Referenz 1063* Naht/WEZ+GW

2-lagig modSLB 1027* Naht/WEZ

Normvorgabe 980 – 1150

19

*Mittelwert aus 2 Proben pro Blech


19


Erscheinungsbild - Lage der Mikrorisse

20


Ergebnisse

20


Ergebnisse

Auswertung vollständig faktorieller 2k-Versuchsplanung: Auswertung der einzelnen Lagen und Gesamtrissanzahl Einfluss der einzelnen Faktoren auf die Mikrorissanzahl Konturplots zur Darstellung der Wechselwirkung und des Optimums

bezogen auf eine minimierte Mikrorissanzahl und den untersuchten Parameterraum

21

Faktor Name Kürzel Niveaus

Einheit -1 0 1 Δ

A Schweißgeschwindigkeit vs 35 40 45 5 cm / min

B Drahtvorschub vd 11 12 13 1 m / min

C Nahtöffnungswinkel α 30 35 40 5 °

D Vorwärmtemperatur T0 50 75 100 25 °C

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Ergebnisse

Getrennte Betrachtung der Ergebnisgröße Mikrorissanzahl in der 1. Lage und 2. Lage

1. Lage - keine signifikante Einflussgröße 2. Lage - Schweißgeschwindigkeit signifikant

22

A: Schweißgeschwindigkeit B: Drahtvorschub C: Nahtöffnung D:Vorwärmtemp.

A: Schweißgeschwindigkeit B: Drahtvorschub C: Nahtöffnung D:Vorwärmtemp.

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23.10.2015 58. Sitzung der AG V 2.4


Konturplot: Mikrorissanzahl der beiden Lagen

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Ergebnisse

Mikrorissanzahl im Verlauf in Schweißrichtung:

Rissanzahl nimmt entlang der Naht zu (vor allem 2. Lage) Rissanzahl 2. Lage höher als 1. Lage

24 24


Erscheinungsbild - Lage der Mikrorisse

25

Ergebnisse

25


Erscheinungsbild - Lichtmikroskop: Beispielhafter Mikroriss

26

Ergebnisse

26


Ergebnisse

Erscheinungsbild - REM – Querschliff 2:

27 27


Ergebnisse

Erscheinungsbild - REM: Riss – Korngrenzen – Zusammenhang

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Ergebnisse

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Elektronenstrahlmikroanalyse:

Seigerungen erkennbar

Interdendritischer Raum

Gleichsinniges Seigerungsverhalten

Lokale Aufhärtung möglich

Verändertes Schmelzverhalten

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AES – Ergebnis der Analyse: Element-Mapping

Ergebnisse

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Schwefel und Mangan im Riss und unmittelbar davor Hinweis auf Einfluss von Schwefel / Sulfiden (MnS)

256 x 256 pixel 20 µm x 20µm

Schwefel Mangan

30


Ergebnisse

Versuchswerkstoff FG 90 (Rohr/Demonstrator) - Bereitstellung durch Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH Länge: 2000 mm, Außenrohrdurchmesser: 419 mm, Wandstärke: 36 mm

FGS90CV / S890QL

31

C Si Mn V Cu Cr Mo Ni Fe

0,18 0,28 0,98 ≤ 0,04 0,08 0,61 0,46 1,24 Rest

Messung FES, Angaben in Masseanteil

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Ergebnisse

Versuchsaufbau Vorwärmung mit Heizmatten Schweißung in PA

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Ergebnisse

Versuchsparameter: 2 mm – 3mm Spalt Zusatzwerkstoff: G4Si1, X90 mit Durchmesser 1,2 mm Schutzgas M21 mit 15 l/min Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur = 150 °C 1. Raupe (auch 2. Raupe für 30°) mit ILB Restliche Füll-/Decklagen mit modSLB

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Raupe LB-Art Parameter

1 (1+2) ILB vs = 35 cm/min, vD = 8,5 – 9,5 m/min

2-15 (13) modSLB vs = 35 – 50 cm/min, vD = 10,5 – 12 m/min

Werte in Klammern – Nahtöffnungswinkel 30°

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Ergebnisse

Makroschliffe – Rohrschweißungen:

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R1 – 40° R2 – 30°

15 Raupen 13 Raupen

Deutliche Reduktion der Raupenanzahl

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Ergebnisse

Äußeres Erscheinungsbild – Rohrschweißungen:

Nahtoberraupen R2 – 30°

Qualität konform zu Vorgaben nach DIN EN ISO 5817:2003

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Ergebnisse

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R1 – 40° R2 – 30°

Härte HV5 – Rohrschweißungen:

Härte kleiner als 430 HV5, GW-Härte ca. 300-350 HV5 Qualität konform zu Vorgaben der DIN EN ISO 15614-1

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Zusammenfassung

Charakterisierung der Schweißnähte Sichtprüfung + Durchstrahlungsprüfung Makroschliffuntersuchung Elektronenstrahlmikroanalyse

Schweißversuche

Schweißversuche an S960QL Position PA als Stumpfnaht mit 20 mm (PbA-Beschluss) Probenvorbereitung mittels Brennschneiden Nahtöffnungswinkel DV-Fuge bis 30° reduzieren Variation Lichtbogenlänge, Brennerstellung Vergleich zu Referenz-Schweißung

37 37


Zusammenfassung

Ermittlung der mechanisch-technologischen Nahteigenschaften Vorgehen nach DIN EN ISO 15614-1 Blech 20 mm Stumpfnaht

mech.-tech. Eigenschaften können gewährleistet werden

Reduzierung Nahtöffnungswinkel, Schweißzeit, Materialeinsatz erreicht

Demonstrator: Rohr-Rohr-Verbindung mech.-tech. Eigenschaften können gewährleistet werden

Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Lagenanzahl, Schweißzeit aufgezeigt

38 38


Mikrorisse JA, treten auf! Aber wo ordnet man sie ein????

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Mikrorissuntersuchungen

Liegt ein wasserstoffunterstützter Kaltriss vor?

40 40


Mikrorissuntersuchungen

Liegt ein Heißriss vor?

41 41


Nachuntersuchungen

Schweißversuche Zweite Werkstoffcharge für S960QL (Weldox 960E) Abbrandverhalten von Legierungselementen Wasserstoffeintrag über Schutzgas


Nachuntersuchungen

Schweißversuche Zweite Werkstoffcharge für S960QL (Weldox 960E)

Vergleich mit S960 QL der Hauptversuche


Charge 0,17 0,23 1.27 - 0,006 0,001 0,19 0,6 0,05 Rest



Weldox 960E 0,17 0,23 1.27 - 0,006 0,001 0,19 0,6 0,05 Rest

S960QL 0,16 0,31 0,94 - 0,011 0,001 0,55 0,30 1,00 Rest



Schweißversuche Vergleich der Legierungselemente

Unterschiede in den Legierungselementen Weldox 960E weniger Cr (Faktor 2,9)

Weldox 960E weniger Ni (Faktor 20)

Nickelanteil > 1% teilweise als heißrisskritisch in Literatur definiert:

Jones, P. W.: An investigation of hot cracking in low-alloy steel welds, Brit. Weld.J., 1959, June, S. 282-290.


Weldox 960E 0,17 0,23 1.27 - 0,006 0,001 0,19 0,6 0,05 Rest

S960QL 0,16 0,31 0,94 - 0,011 0,001 0,55 0,3 1,00 Rest

Faktor ~1 1,34 0,74 - 1,83 1 2,9 0,5 20 -

Nachuntersuchungen


Schweißversuche Analoge Versuchsschweißungen wie für S960QL (30° DV, M21, FK 1000)

Schweißparameter v_s = 40 cm/min v_d = 12,5 m/min Temperatur der Vorwärmung/

Zwischenlagen: 100 °C U = 33,4 V I = 392 A E = 1,96 kJ/mm

Mikrorisse konnten signifikant reduziert werden!

Nachuntersuchungen


Schweißversuche Analoge Versuchsschweißungen wie für S960QL (30° DV, M21, FK 1000)

Schweißparameter v_s = 50 cm/min v_d = 13 m/min Temperatur der Vorwärmung/

Zwischenlagen: 100 °C U = 34 V I = 389 A E = 1,59 kJ/mm

Mikrorisse treten bei erhöhten v_s erneut auf!

Nachuntersuchungen


Nachuntersuchungen

Schweißversuche Abbrandverhalten von Legierungselementen Schweißgutproben aus Weldox 960E, t = 30 mm

ÜLB vd = 8 m/min

vs = 35 cm/min E = 1,2-1,4 kJ/mm

Puls vd = 8 m/min

vs = 35 cm/min E = 1,1-1,3 kJ/mm

mod. SLB vd = 12,5 m/min vs = 40 cm/min

E = 1,5-1,9 kJ/mm


Nachuntersuchungen

Schweißversuche Abbrandverhalten von Legierungselementen Funkenemissionsspektroskopie

ÜLB Puls mod. SLB

R1 R2 R3


Nachuntersuchungen

Schweißversuche Abbrandverhalten von Legierungselementen Funkenemissionsspektroskopie C Si Mn P S Cr Mo Ni

ÜLB 0,096 0,715 1,588 0,013 0,010 0,366 0,585 2,053

Puls 0,097 0,703 1,568 0,013 0,010 0,364 0,584 2,062

mod. SLB 0,107 0,706 1,520 0,013 0,010 0,373 0,578 2,008

FK 1000 (Z) 0,090 0,810 1,760 0,012 0,011 0,360 0,580 2,190

R1

Keine signifikanten prozessbedingte Variationen


Nachuntersuchungen

Schweißversuche Wasserstoffeintrag über Schutzgas (5% H2 in Ar) Weldox 960E, t = 20mm, 30°-DV, ZSW: FK1000

Schweißparameter v_s = 40 cm/min v_d = 12 m/min Temperatur der Vorwärmung/

Zwischenlagen: 100 °C U = 36 V I = 320 A E = 1,73 kJ/mm

Keine Erhöhung der Rissanfälligkeit!


Resümee der Nachuntersuchungen

Schweißversuche Zweite Werkstoffcharge: S960QL versus Weldox 960E

Werkstoff- (Chargen-) –einfluss auf Rissneigung erkennbar

Mikrorissbildung bei erhöhten Schweißgeschwindigkeiten

Abbrandverhalten von Legierungselementen Keine Auffälligkeit zwischen unterschiedlichen Prozessvarianten

Wasserstoffeintrag über Schutzgas Keine Erhöhung der Rissneigung

Tendenz der Mikrorissbildung korreliert mit Hauptversuchen Vermeidung nicht vollst. möglich Definition der Mikrorisse als Heißrisse!



Kennzeichnung der Heißrissproblematik Charakteristik der Rissoberflächen (Anschmelzungen)

Rissanordnung (Interdendritische Räume)

(Mangan)-Sulfide auf Rissoberfläche Korrelation mit thermodynamischen Berechnungen

Hohe Stromstärke bei mod.SLB Erstarrungsverhalten/Seigerungen

Geringes Nahtbreite/Nahtdicke-Verhältnis komplexer 3D Spannungszustand, insbesondere Spannungsaufbau in Nahtdickenrichtung

Vermeidung der Mikro(Heiß)-rissbildung DVS Merkblatt 0916 „MSG-Schweißen von Feinkornbaustählen“

Flache Raupen bei Mehrlagentechnik

Mikrorisse reproduzierbar vermeidbar durch

Erhöhung Raupenzahl Erhöhung Öffnungswinkel

ILB mit verringertem vd und vs



Forschungsbedarf Mechanisch-technologische Prüfung i.O. Einfluss der Mikrorisse auf

Schwingfestigkeit? (Geometrische Kerbe dominant !?)

Effizienzsteigerung Weitere Verfahrensmöglichkeiten

Eindraht Pulsprozess Eindraht mod. SLB Tandemverfahren

Drahtvorschub: 8,5 m/min Drahtvorschub: 12 m/min Drahtvorschub: 24 m/min Anzahl Raupen: 25 Anzahl Raupen: 12 Anzahl Raupen: 21

Abschmelzrate: 4.5 kg/h Abschmelzrate: 6.4 kg/h Abschmelzrate: 12.8 kg/h

10 mm

Hohes Potenzial der MSG-Tandemtechnolgie Energieeffizient Wirtschaftlich Geringe Streckenenergie

Vergleich der Verfahrensvarianten

Eindraht Puls (Standard)

Eindraht mod. SLB

Zweidraht Tandemverfahren

Zeit in min pro Meter Schweißnaht 60 35 20

Schweißgeschwindigkeit in m/min 0.4 0.4 0,5 - 2

Gemittelte Lichtbogenleistung in kW 8.4 12 18

Streckenenergie in kJ/mm 1.3 1.8 0,6 - 2


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Fachbereich 9.3: Schweißtechnische Fertigungsverfahren

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