Vermeidung von Kaltrissen beim Unterpulverschweißen von hochfesten Feinkornbaustählen der Qualität S890QL und S960QL

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1 Vermeidung von Kaltrissen beim Unterpulverschweißen von hochfesten Feinkornbaustählen der Qualität S890QL und S960QL Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Jörg Stefan Baron de Payrebrune Saint Séve aus Düsseldorf Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. U. Dilthey Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Bleck Tag der mündlichen Prüfung: D 82 (Diss. RWTH Aachen)"

2 Jörg de Payrebrune Vermeidung von Kaltrissen beim Unterpulverschweißen von hochfesten Feinkornbaustählen der Qualität S890QL und S960QL. Aachener Berichte Fügetechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. U. Dilthey Band 1/2000 Shaker Verlag D 82 (Diss. RWTH Aachen)

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme de Payrebrune, Jörg: Vermeidung von Kaltrissen beim Unterpulverschweissen von hochfesten Feinkornbaustählen der Qualität S890QL und S960QL / Jörg de Payrebrune. - Als Ms. gedr. - Aachen : Shaker, 2000 (Aachener Berichte Fügetechnik ; Bd. 2000,1) Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 1999 ISBN Copyright Shaker Verlag 2000 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

4 Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren (ISF) der Rheinisch- Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Dem Direktor des Instituts, Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Dilthey, gilt mein Dank für die Unterstützung und Förderung dieser Arbeit. Danken möchte ich auch Herrn Prof. Dr.-Ing. W. Bleck für die Übernahme des Korreferates. Für die kritische Durchsicht des Manuskripts und die angeregten fachlichen Diskussionen danke ich den Herren Dipl.-Ing. M. Kretschmer, Dipl.-Ing. M. Biesenbach und SFM K. Geiersbach. Weiterhin sei allen Mitarbeitern gedankt, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. An dieser Stelle sei auch den Firmen Oerlikon Schweißtechnik GmbH und Thyssen Krupp Stahl AG für die freundliche Bereitstellung von Zusatz- und Grundwerkstoffen gedankt. Meiner Familie möchte ich persönlichen Dank aussprechen: Meinen Eltern, daß sie mir diese Ausbildung ermöglicht haben und vor allem Inga, Annika und Niels, die während der Promotionsvorbereitung viel Geduld und Verständnis für zeitliche Engpässe aufgebracht haben. Die Arbeit erfolgte mit finanzieller Unterstützung der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung.

5 Seite I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...I Abbildungsverzeichnis... V Tabellenverzeichnis... XI Formelzeichen und Abkürzungen... XIII Abstract...XV 1 Einleitung Stand der Technik Stand der Technik beim Unterpulverschweißen Verfahrensvarianten beim Unterpulverschweißen UP-Schweißen mit einer Drahtelektrode UP-Doppeldrahtschweißen UP-Mehrdrahtschweißen Weitere UP-Verfahrensvarianten Zusatzwerkstoffe Drahtelektroden Schweißpulver Schweißstromquellen Abgrenzung zu anderen Hochleistungsschweißverfahren RES-Schweißen EG-Schweißen MSG-Hochleistungsschweißen Anforderungsprofil an hochfeste Feinkornbaustähle Kaltrisse Ursachen für Kaltrisse Wasserstoff in Schweißverbindungen Vermeidung von Kaltrissen Handhabung des t 8/5 -Konzeptes zur Vermeidung von wasserstoffinduzierten Kaltrissen Einfluß der eingestellten t 8/5 Zeit auf die mechanischtechnologischen Eigenschaften der Schweißverbindung Problemstellung und Forschungsziel Versuchseinrichtungen und Versuchswerkstoffe Schweißanlage und Zusatzeinrichtungen Meßtechnik Grundwerkstoffe Zusatzwerkstoffe...40

6 Seite II 5 Untersuchungen zur Rißminimierung beim konventionellen UP-Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen der Qualität S 890QL und S 960QL Untersuchung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von reinem Schweißgut für Stähle der Qualität S 890QL und S 960QL Schweißversuch ohne Vorwärmung (Versuchsreihe A) Beschreibung der Versuchsdurchführung (Probe SG-Pr01) Ergebnisse der Rißprüfung Schweißversuche unter Vorwärmung mit variierter Streckenenergie (Versuchsreihe B) Schweißgutprobe SG-Pr Ergebnisse der Rißprüfungen Ergebnisse der Kerbschlag-Biegeversuche Ergebnisse der Zugversuche Schweißgutprobe SG-Pr Ergebnisse der Kerbschlag-Biegeversuche Ergebnisse der Zugversuche Schweißgutprobe SG-Pr Ergebnis der Kerbschlagbiegeversuche Ergebnisse der Zugversuche Zusammenfassung der Ergebnisse zur Untersuchung des reinen Schweißguts Untersuchungen zum Rißverhalten des Grundwerkstoffes S 890Q / S 960Q Schweißversuche mit V-Nahtvorbereitung Schweißversuche mit 170 C Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur (Versuchsreihe C) Schweißprobe GW-Pr Überwachung der Schweißparameter Riß- und Härteprüfung bei der Probe GW-Pr Vergleichsprobe GW-Pr Rißuntersuchung Vergleichsprobe GW-Pr Rißuntersuchung Vergleichsprobe GW-Pr Rißprüfung Mechanisch-technologische Untersuchungen Schweißversuche mit 250 C Vorwärmund Zwischenlagentemperatur (Versuchsreihe D) Schweißprobe GW-Pr Rißuntersuchungen der Probe GW-Pr

7 Seite III Mechanisch-technologische Untersuchungen der Probe GW-Pr Kerbschlagbiegeversuche der Probe GW-Pr Zugversuch Schweißgut Zugversuch Querzugproben (Flachproben) Chemische Analyse des Schweißgutes Biegeprüfung der Proben GW-Pr04 und GW-Pr Schweißversuche mit 200 C Vorwärmund Zwischenlagentemperatur (Versuchsreihe E) Schweißprobe GW-Pr Kerbschlagbiegeversuche der Probe GW-Pr Zugversuche Schweißgut GW-Pr Zugversuche quer zur Naht der Probe GW-Pr Schweißprobe GW-Pr Härtemessung der Schweißprobe GW-Pr Ergebnisse der Kerschlagbiegeversuche Zugversuche Schweißgut GW-Pr Zugversuche quer zur Naht GW-Pr11 (Rundzugprobe B10x100) Zugversuche quer zur Naht GW-Pr11 (Flachzugprobe) Zusammenfassung der Ergebnisse aus den durchgeführten Zugversuchen Schweißversuche bei einer Zwischenlagentemperatur von 170 C und einer angeschlossenen Wärmenachbehandlung (Versuchsreihe F) Messung des Temperturverlaufs im Blech während der Wärmenachbehandlung Mechanisch technologische Untersuchungen der Probe GW-Pr Härteprüfung der Schweißnaht Kerbschlagbiegeversuche der Probe GW-Pr Ergebnisse der Zugversuche der Probe GW-Pr Ergebnis der Rundzugversuche für das Schweißgut Ergebnis der Querzugversuche (Rundprobe) Ergebnis der Querzugversuche (Flachzugprobe) Schweißversuche mit einer modifizierten Drahtelektrode (Versuchsreihe G) Schweißprobe GW-Pr Vergleich der Ergebnisse der mechanisch-technologischen Untersuchungen Vergleich der Kerbschlagarbeitswerte Vergleich der Ergebnisse der Zugversuche Vergleich der Härte über den Nahtquerschnitt...96

8 Seite IV Schweißprobe GW-Pr Vergleich der Ergebnisse der mechanisch-technologischen Untersuchungen Vergleich der Kerbschlagarbeitswerte Vergleich der Ergebnisse der Zugversuche Vergleich der Härte über den Nahtquerschnitt Bestimmung des Wasserstoffgehaltes in Schweißverbindungen Wasserstoffuntersuchungen für hochfeste Schweißgüter Schweißversuche mit X-Nahtvorbereitung (Versuchsreihe H) Schweißprobe GW-Pr Mechanisch-technologische Untersuchungen Zugversuche Schweißgut GW-Pr Querzugversuche GW-Pr Härteverläufe der Probe GW-Pr UP-Dünndrahtschweißen, alternative Verfahrensvariante zum Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen Verfahrensbeschreibung Vorteile der Dünndrahttechnik beim UP-Prozeß gegenüber dem Einsatz einer konventionellen 4 mm dicken Drahtelektrode Untersuchung des Einflusses des freien Drahtendes auf die Abschmelzleistung beim Dünndrahtschweißen Vergleich der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Dünndrahtschweißungen mit konventionell geschweißten Proben (Versuchsreihe I) Ergebnisse der Zugversuche Rundzugversuche für das Schweißgut Ergebnisse der Querzugversuche Kerbschlagbiegeversuche Vergleich der Härteverläufe Zusammenfassende kritische Bewertung der Ergebnisse und Perspektiven für den Einsatz der UP-Schweißtechnik bei hochfesten Feinkornbaustählen Literaturverzeichnis...123

9 Seite V Abbildungsverzeichnis List of figures Bild 1 Entwicklung der Baustähle in Deutschland...1 Development of construction steels in Germany Bild 2 Verfahrensprinzip des Unterpulverschweißens...4 Graphic representation of submerged-arc-welding process Bild 3 Abschmelzleistung beim UP-Doppeldraht-Schweißen...6 Deposition rate for twin-wire submerged- arc-welding Bild 4 Einfluß des Raupenprofils auf die Heißrißanfälligkeit...7 Influence of bead formation on susceptibility for hot cracks Bild 5 Abhängigkeit der Abschmelzleistung von der Gesamtstromstärke beim Mehrdrahtschweißen...7 Deposition rate as funktion of total welding current Bild 6 Einfluß der einzelnen Drähte beim 5-Drahtschweißen auf den Einbrand, Blechdicke 19 mm...9 Influence of each wire using 5-wire submerged-arc-welding process, wall thickness 19 mm Bild 7 Querschnittsformen von Fülldrahtelektroden...10 Different kinds of flux cored wire Bild 8 Einteilung der Stromquellentypen zum UP-Schweißen...11 Different kinds of power sources for submerged arc welding process Bild 9 Übersicht über die unterschiedlichen Rißtypen...17 Outline of the different crack types Bild 10 Zusammenwirken der kaltrißbestimmenden Einflußgrößen...18 Combined variables for cold cracks Bild 11 Atomistische Anordnung einer Stufenversetzung...21 Atomic disposition of an edge dislocation Bild 12 Mechanisch-technologische Eigenschaften als Funktion der Abkühlzeit t 8/ Mechanical properties as function of cooling time t 8/5 Bild 13 Einfluß der Abkühlzeit t 8/5 sowie der Legierungselemente auf die Härte in der WEZ...29 Influence of cooling time t 8/5 and alloying elements on HAZ hardness Bild 14 Verwendete UP-Anlage...31 Used submerged arc welding equipment Bild 15 Pulvertrichter mit Heizpatronen...32 Flux hopper with electric heating Bild 16 Stromquelle ELMA Analog A Power source ELMA Analog A Bild 17 Transientenrekorder...33 Equipment for recording welding parameters Bild 18 Aufzeichnung der Schweißparameter für die Probe GW-Pr Records of welding parameter for welding sample GW-Pr16

10 Seite VI Bild 19 Mittelwerte von Strom- und Schweißspannung für eine Schweißprobe...35 Average of welding current and arc voltage for one seam Bild 20 Anordnung der Thermoelemente...36 Position of temperature measuring points Bild 21 Temperaturverlauf bei der Schweißprobe Gw-Pr 11 (V-Naht)...36 Temperature gradient of weld Gw-Pr 11 (V-edge preparation) Bild 22 Gerät zur Ermittlung der Abkühlzeiten t 8/ Device for measuring cooling-time t 8/5 Bild 23 Vergleich der Mikroschliffe vor und nach der Wärmebeeinflussung durch den Schweißprozeß...40 Comparison of micro section before (left) and after (right) welding Bild 24 Nahtvorbereitung für die erste Versuchsschweißung ohne Vorwärmung...43 Gap preparation for the first testweld without preheating Bild 25 Zwischenlagentemperatur der einzelnen Raupen für die Probe SG-Pr Starting temperature for each layer of welding test specimen SG-Pr01 Bild 26 Rißverlauf 5 mm unter der Oberfläche...45 Several cracks 5 mm below surface Bild 27 Schematische Darstellung zur Untersuchung der Rißtiefe...45 Pictorial for investigating the crack depth Bild 28 Rißverlauf in verschiedenen Bereichen der Schweißnaht...46 Crack course in different area of the welding seam Bild 29 Gemessene Zwischenlagentemperaturen (SG-Pr02)...49 Starting temperature for each layer (Sg-Pr02) Bild 30 Lagenaufbau der Schweißprobe SG-Pr Layerconstruction of welding test specimen SG-Pr02 Bild 31 Probenplan für die Schweißprobe SG-Pr Plan of test specimen for mechanical-technological-properties of test specimen SG-Pr02 Bild 32 Maße für Kerbschlagbiegeproben (DIN 50115)...50 Dimensions of charpy-v-test specimen (DIN 50115) Bild 33 Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche für die Schweißprobe SG-Pr Results of the charpy-v-tests for welding test specimen SG-Pr02 Bild 34 Probenform der Rundzugproben bei der Schweißprobe SG-Pr Shape of specimen for welding test specimen SG-Pr02 Bild 35 Lagenaufbau für Schweißprobe SG-Pr Layerconstruction for welding test specimen SG-Pr03 Bild 36 Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche für die Schweißprobe SG-Pr Results of the charpy-v-test for welding test specimen SG-Pr03 Bild 37 Mikroschliffe des umgekörnten Schweißgutbereichs...54 Microsection of transformation zone Bild 38 Lagenaufbau für die Schweißgutprobe SG-Pr Layerconstruction for welding test specimen SG-Pr04

11 Seite VII Bild 39 Probenplan für Schweißgutprobe SG-Pr Plan of test specimen for mechanical.technological-proerties of test specimen SG-Pr04 Bild 40 Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche für die Schweißprobe SG-Pr Results of charpy-v test for welding test specimen SG-Pr04 Bild 41 Ergebnis eines Zugversuchs für die Schweißprobe SG-Pr Results of tensile test for welding test specimen SG-Pr04 Bild 42 Nahtgeometrie für die einseitig geschweißten Verbindungen...60 Gap preparation for the one-sided welding Bild 43 Mittelwerte des Schweißstroms für jede Schweißraupe...62 Mean of welding current for each layer Bild 44 Mittelwert der Schweißspannung für jede Schweißraupe...62 Mean of arc voltage for each layer Bild 45 Temperaturverlauf für Probe GW-Pr Course of temperature for weld GW-Pr01 Bild 46 Makroschliff und Härteprofil 5 mm unter der Blechoberfläche...64 Macrosection and hardness distribution curve 5 mm below plate surface Bild 47 Sichtbare Risse in der Schweißprobe GW-Pr Cracks in welding GW-Pr03 Bild 48 Rißverlauf 3, 10, 17 und 27 mm unter der Blechoberseite...67 Course of crack in distance of 3, 10, 17 and 27 mm below plate surface Bild 49 Bruchfläche des Risses am Auslaufstück der Probe GW-Pr Fracture surface of crack between welding plate and run-off-plate Bild 50 Ergebnis der Zugversuche für Schweißprobe GW-Pr Results of tensile test for welding test specimen GW-Pr10 Bild 51 Lagenaufbau der Probe GW-Pr Layer construction of testpiece GW-Pr04 Bild 52 Probenplan für die mechanisch-technologischen Untersuchungen der Schweißprobe GW-Pr Plan of test specimen for mechanical-technological-properties of test specimen GW-Pr04 Bild 53 Ergebnis der Kerbschlagbiegeversuche (Schweißgutmitte)...73 Results of charpy-v test (notch at centre of weldmetal) Bild 54 Ergebnis der Kerbschlagbiegeversuche (Schmelzlinie)...74 Results of charpy-v test (fusionline) Bild 55 Ergebnis der Kerbschlagbiegeversuche (Schmelzlinie +2mm)...74 Results of charpy-v test (notch fusionline +2mm) Bild 56 Biegeprüfung bei Schweißprobe GW-Pr04, Decklage im Zug...78 Bend test welding test specimen GW-Pr04, final lap on tension side Bild 57 Ergebnis der Kerbschlagbiegeversuche (Kerblage Mitte Schweißgut)...79 Results of the charpy-v-tests (nodge at centre of weldmetal) Bild 58 Ergebnis der Zugversuche für Schweißprobe GW-Pr09 (Schweißgut)...80 Results of tensile test welding test specimen GW-Pr09 (weldmetal)

12 Seite VIII Bild 59 Lagenaufbau für die Probe GW-Pr Layer construction for welding test specimen GW-Pr11 Bild 60 Verlauf der Härtekurven bei der Schweißung GW-Pr Hardness distribution curves for welding specimen GW-Pr11 Bild 61 Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche für Schweißprobe GW-Pr Results of charpy-v-test for welding test specimen GW-Pr11 (nodge at centre of weldmetal) Bild 62 Ergebnis der Rundzugversuche für Probe GW-Pr11 (Schweißgut)...84 Results of tensile test for welding test specimen GW-Pr09 (weldmetal) Bild 63 Ergebnis der Rundzugversuche (quer zur Naht) für GW-Pr Results of transverse tensile tests with circular test specimen for GW-Pr11 Bild 64 Temperaturverlauf des Bleches im Ofen...88 Course of test specimen temperature during after weld treatment Bild 65 Härteverlauf der Schweißung GW-Pr12 mit Wärmenachbehandlung...89 Hardness dstribution curve for test specimen GW-Pr12 with after weld heat treatment Bild 66 Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche für die Probe GW-Pr Results of charpy-v-tests for test specimen GW-Pr12) Bild 67 Gegenüberstellung der Werte für die Kerbschlagarbeit für unterschiedliche Prüftemperaturen...94 Comparison of the charpy-v-test results for different testing temperature Bild 68 Vergleich der Ergebnisse aus den Rundzugversuchen für das Schweißgut...95 Comparison of tension tests results with circular test specimen for weldmetal Bild 69 Vergleich der Ergebnisse aus den Querzugversuchen (Rundproben)...95 Comparison of transverse tension test results (circular test specimen) Bild 70 Vergleich der Härteverläufe der Schweißproben GW-Pr09 und GW-Pr Comparison of hardness distribution curves for welding specimen GW-Pr09 and GW-Pr13 Bild 71 Gegenüberstellung der Werte für die Kerbschlagarbeit für unterschiedliche Prüftemperaturen...97 Comparison of the charpy-v-test results for different testing temperature Bild 72 Vergleich der Ergebnisse aus den Rundzugversuchen für das Schweißgut...98 Comparison of tension tests results with circular test specimen for weldmetal Bild 73 Vergleich der Ergebnisse aus den Querzugversuchen (Rundproben)...98 Comparison of transverse tension test results (circular test specimen) Bild 74 Vergleich der Härteverläufe der Schweißproben GW-Pr13 und GW-Pr Bild 75 Analyseapparatur zur Bestimmung des diffusiblen Wasserstoffes in Schweißgütern nach DIN Bild 76 Ergebnis der Wasserstoffuntersuchungen für 60 und 75 cm/min Schweißgeschwindigkeit Results of hydrogen examination for welding speed 60 and 75 cm/min

13 Seite IX Bild 77 Abmessungen der X-Nahtvorbereitung Dimensions for gap preparation Bild 78 Nahtaufbau und Probenlage für die Schweißgutproben GW-Pr Layerkonstruktion and position of test specimen for GW-Pr16 Bild 79 Vergleich der Ergebnisse aus den Zugversuchen für das Schweißgut Comparison of the results for weldmetal tensile tests Bild 80 Vergleich der Querzugproben von GW-Pr16 mit GW-Pr Comparison of transverse tensile tests for GW-Pr09 and GW-Pr16 Bild 81 Härteverläufe über den Nahtquerschnitt bei der Probe GW-Pr Hardness distribution curves for different test positions of GW-Pr16 Bild 82 Abhängigkeit der Abschmelzleistung vom Drahtdurchmesser Dependence between deposition rate and dimension of wire Bild 83 Gegenüberstellung von zwei Schweißungen bei gleicher Schweißgeschwindigkeit (35 cm/min) Comparison of two welds by using same welding speed (35 cm/min) Bild 84 Vergleich zwischen einer Schweißung mit 4 mm und 1,2 mm Drahtelektrode..109 Comparison of two welds using 4 and 1,2 diameter wire Bild 85 Abschmelzleistung in Abhängigkeit des freien Drahtendes für einen 1,2 mm Draht Dependence of deposition rate and stick out by using 1,2 mm wire Bild 86 Lagenaufbau, Makroschliff und Lage der Härtemessreihen der Probe GW-Pr Layer construction, makro sektion and position of hardness measurement for GW-Pr17 Bild 87 Ergebnisse der Rundzugversuche für das Schweißgut Results of circular tensile test for weldmetal Bild 88 Ergebnis der Rundzugprüfungen quer zur Naht Results of cirsular transverve tensile tests Bild 89 Vergleich der Kerbschlagarbeitswerte der Proben GW-Pr17 und GW-Pr Comparison of charpy-v-test for the two welds Gw-Pr17 and GW-Pr11 Bild 90 Vergleich der Kerbschlagarbeitswerte für Kerblage Schmelzlinie und Kerblage Schmelzlinie + 2mm in Richtung Grundwerkstoff Results of charpy-v-tests for notch position fusion line and notch position fusion line +2mm Bild 91 Vergleich der Härteverläufe 5 mm unterhalb der Decklage Comparison of hardness distribution curves 5 mm below surface layer

14 Seite XIII Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen Used formulas and abbreviations A 5 Bruchdehnung... % fracture elongation B Schweißbadbreite...mm width of weld pool c spezifische Wärmeleitfähigkeit des Stahl specific thermal conductivity CET Kohlenstoffäquivalent carbon equivalent d Blechdicke...mm plate thickness DIN Deutsches Institut für Normung German institute of standardization E Streckenenergie... kj/cm heat input per unit length of weld EG Elektro Gas (-Schweißen) Electro gas welding EN Europäische Norm European standard F 2, F 3 Nahtformfaktoren factor of weld shape HD Wasserstoffgehalt im Schweißgut...cm³/100g Schweißgut hydrogen contend in weldmetal... cm³/100g weld metal HV Vickers-Härte Vickers hardness I Schweißstrom... A welding current ISF Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren Welding Institute Aachen University Germany kfz kubisch flächenzentiertes Gitter cubic face centered lattice krz kubisch raumzentriertes Gitter body centered cubic lattice MSG Metall-Schutzgas (-Schweißen) shielded metal arc welding (SMAW) PC Personal Computer Personal computer

15 Seite XIV Q R el RES R m R P0,2 SEW SL T T 0 t 8/5 TM U UP v s WEZ η λ Wärmeeinbringung... kj/mm heat input untere Streckgrenze... MPa lower yield strength Elektroschlackeschweißen Resistance Electro Slag (-Welding) Zugfestigkeit... MPa tensile strength 0,2% Dehngrenze... MPa proof strength (0,2%) Stahl-Eisen-Werkstoffblatt iron - steel material paper Schmelzlinie fusion line Schweißbadtiefe...mm depth of weldpool Arbeitstemperatur... C working temperature Abkühlzeit von 800 C auf 500 C...s cooling time 800 C to 500 C Thermomechanische Behandlung thermomechanical treatment Schweißspannung... V arc voltage Unterpulver (-Schweißen) submerged arc welding (SAW) Schweißgeschwindigkeit... cm/min welding speed Wärmeeinflußzone heat affected zone thermischer Wirkungsgrad für das gewählte Schweißverfahren thermal efficiency of welding process Wärmeleitzahl des Stahles coefficient of thermal conductivity of steel

16 Seite XV Abstract Investigation to reduce hydrogen cracking during submerged arc welding of high strength low alloyed steels S890QL and S960QL Observing the developments in the field of structural steels it can be recognised that more and more high strength low alloyed steels are in use. Steels of grade S890QL and S960QL or higher strength normally are welded by using the gas shielded arc process or stick electrodes. For steelplates up to 12 mm laser beam welding is nowadays an alternative process. For steelplates above 10 mm thickness the volume of edge preparation increases enormously. Due to the relatively low deposition rate of the named welding processes there is a demand for a high output process like submerged arc welding. One problem of submerged arc welding for high strength low alloyed steels is the process conditioned high hydrogen input compared with other welding processes. This is based on the high hygroscopic behaviour of the required fluxes. Aim of this examination was to investigate conditions which make it possible to weld the described steels without hydrogen cracks by sufficient values for yield point, tensile and impact strength. During the investigations different series of welding tests have been carried out. All together 9 different series with variable welding parameters, different preheat temperatures, with or without post weld treatment, modified wires and an new submerged arc welding procedure have been made. The welding parameters and results for each test series are described in the following sections. Test series A welding current: 580 A preheat temperature: no arc voltage: 28 V post weld treatment: no welding speed: 50 cm/min The welding temperature results to 120 C. Several cracks could be found on top of the seam 24 hours after welding so that the following test series have been executed with preheating.

17 Seite XVI Test series B welding current: 580 A preheat temperature: 170 C arc voltage: 29 V post weld treatment: no welding speed: 100 cm/min, 75 cm/min, 50 cm/min The seams of this test series were crack free. The mechanical properties of the investigated weldmetal depend on the heat input per unit length of weld. As expected, the weld with lowest heat input achieved the maximum yield point. All welds had a length of 500 mm. Test series C welding current: arc voltage: 30 V welding speed: 550 A 55 cm/min preheat temperature: 170 C post weld treatment: no For this test series the length of weld increased to 1000 mm and the base metal was an S890QL with a V-gap preparation. Although the welding parameters corresponded to the welding parameters of test series B, several cracks appeared in regular distance on top of the weld. Investigations of the crack showed that they run through the whole weldmetal down to the backing run. Examinations across the gap showed hardness peaks around 450 HV. Obviously the increased longitudinal stresses of the longer seam are the reasons for triggering hydrogen cracks in this case. Test series D welding current: arc voltage: welding speed: 570 A 30 V 55 cm/min preheat temperature: 250 C post weld treatment: no In this series the preheat temperature was raised to 250 C. At this temperature the brought in movable hydrogen normally should leave the weldmetal mostly so that the anger of hydrogen cracks should decrease. Consequently all welds were free of cracks but the mechanical properties, especially the yield point, were not acceptable. Test series E: welding current: 550 A arc voltage: 30 V welding speed: 60 cm/min 75 cm/min preheat temperature: 200 C post weld treatment: no With a preheat and interpass temperature of 200 C a compromise of test series C and D was made. Actually it was possible to obtain crack free welds in sufficient quality for the base material S890QL. A yield point of 960 N/mm 2 could not be reached.

18 Seite XVII Test series F welding current: arc voltage: welding speed: 550 A 30 V 55 cm/min preheat temperature: 170 C post weld treatment: yes In this test series with the same welding parameters as in test series C a post weld treatment at a temperature between 200 C and 250 C was added to the welding process. The seam was without cracks and the mechanical technological properties were sufficient for an S890QL. Test series G: welding current: 550 A arc voltage: 30 V welding speed: 60 cm/min 75 cm/min modified wire preheat temperature: 200 C post weld treatment: no It was possible to get sufficient values for an S960QL with a modified 4 mm-wire and a welding speed of 75 mm/min. The cooling time t 8/5 varied between 11 s and 12,5 s in case of layer position. Test series H: welding current: arc voltage: welding speed: 550 A 30 V 60 cm/min preheat temperature: 200 C post weld treatment: no In this series the gap preparation was changed from V- to X-seam. The welding parameters corresponded to test series E. Test series I: welding current: arc voltage: welding speed: 275 A 36,5 V 75 cm/min preheat temperature: 200 C post weld treatment: no In this series a new variant of submerged arc welding with thin wires and high wire speed, which has been developed at ISF, was investigated. A big advantage of using thin wires can be seen in reduced energy and heat input for same deposition rate compared to a 4 mm wire. In this test series it was possible to reduce the cooling time t 8/5 from 11s (wire Ø 4 mm) to 7s (wire Ø 1,2 mm). This reduction of heat input leads to higher tensile strength and yield point. Most of the tensile test specimen (round and rectangular) broke in the base material.

19 Seite X Tabellenverzeichnis List of tables Tabelle 1 Wirtschaftlichkeitsberechnung beim Einsatz hochfester Feinkornbaustähle...3 Economy aspekts by using high strength low alloyed steels Tabelle 2 Tabelle 3 Tabelle 4 Einflußgrößen für den Temperaturzyklus beim Lichtbogenschweißen...23 Variables of the temperature gradient using arc welding Chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes S690Q für die durchzuführenden Schweißgutuntersuchungen...38 Chemical composition of the base material S690Q for the weld metal tests Chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes für die Schweißversuche am Werkstoff S890QL...39 Chemical composition of the base material S890QL Tabelle 5 Gegenüberstellung der Zugversuche des wärmebeeinflußten und nicht beeinflußten Grundwerkstoffes...39 Comparison of the tensile test results of non influenced and heat influenced base material Tabelle 6 Schweißgutanalyse des Herstellers (Angaben in %)...41 Analysis of weld metal by manufacturer(data in %) Tabelle 7 Ergebnis einer Schmelzanalyse des Drahtes Fluxocord Analysis of molten wire Fluxocord 45 Tabelle 8 Bestandteile des Schweißpulvers in %...42 Components of welding flux Tabelle 9 Schmelzanalyse des modifizierten Drahtes...42 Analysis of molten wire (modified wire composition) Tabelle 10 Schweißdaten für die Probe SG-Pr Welding parameters for welding test specimen SG-Pr01 Tabelle 11 Analyse des reinen Schweißgutes bei Einsatz des Drahtes Fluxocord 45 und OP 41TT nach Herstellerangaben...47 Analysis of welding material by using wire Fluxocord 45 and flux OP 41TT (specification of manufacturer) Tabelle 12 Chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes (S 690 Q) und der Pufferschicht (Herstellerangaben für reines Schweißgut)...47 Chemical composition of the base material (S 690Q) and the buffer coating (information of the producer) Tabelle 13 Ergebnis der Zugversuche für die Probe SG-Pr Results of tensile tests for test specimen SG-Pr02 Tabelle 14 Ergebnisse der Zugversuche für Schweißprobe SG-Pr Results of tensile test for welding test specimen SG-Pr03 Tabelle 15 Ergebnis der Zugversuche SG-Pr Results of tensile test for welding test specimen SG-Pr04 Tabelle 16 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Zugversuchen...59 Results of tensile tests for different test specimen

20 Seite XI Tabelle 17 Analyse des reinen Schweißgutes der einzelnen Schweißgutproben...61 Analysis of weldmetal composition for different test welds Tabelle 18 Analyse des reinen Schweißgutes der einzelnen Schweißgutproben...61 Welding parameter for GW-Pr01 Tabelle 19 Ergebnis der Zugversuche für die Probe GW-Pr Results of tensile tests for welding test specimen GW-Pr10 Tabelle 20 Schweißparameter für GW-Pr Welding parameters of GW-Pr04 Tabelle 21 Ergebnisse der Zugversuche für die Probe GW-Pr04 (Schweißgutproben)...75 Results of the tensile tests for welding test specimen GW-Pr04 (weld metal) Tabelle 22 Ergebnisse der Zugversuche quer zur Naht (Flachzugproben)...76 Results of transverse tensile tests with rectangular test specimen Tabelle 23 Vergleich der chemischen Zusammensetzung des Schweißgutes bei 170 C und 250 C...76 Comparison of the chemical composition for weldmetal at interpass temperature 170 C and 250 C Tabelle 24 Schweißparameter für GW-Pr Welding parameter of GW-Pr09 Tabelle 25 Ergebnis der Zugversuche GW-Pr09 (Schweißgut)...81 Results of tensile tests for welding test specimen GW-Pr09 (weldmetal) Tabelle 26 Ergebnis der Querzugversuche GW-Pr09 (Rundprobe)...81 Results of transverse circular tensile test specimen for welding test specimen GW-Pr09 Tabelle 27 Schweißparameter für GW-Pr Welding parameter of GW-Pr11 Tabelle 28 Gemessene t 8/5 -Zeiten...82 Measured cooling time t 8/5 Tabelle 29 Ergebnisse der Zugversuche quer zur Naht (Flachzugproben)...85 Results of transverse tensile tests with rectangular test specimen Tabelle 30 Zusammenfassung der Zugversuchsergebnisse für die Schweißprobe GW-Pr Results of the tensile tests for welding test specimen GW-Pr11 Tabelle 31 Vergleich der Schweißgutproben für die Schweißproben GW-Pr10 und GW-Pr Comparison of the weldmetal tensile tests for test specimen GW-Pr10 and Gw-Pr12 Tabelle 32 Ergebnis der Querzugproben (Rundprobe) für die Schweißprobe GW-Pr Results of transverse tensile tests with circular test specimen (GW-Pr12)

21 Seite XII Tabelle 33 Ergebnis der Querzugproben (Flachzugprobe) für die Schweißprobe GW-Pr Results of transverse tensile tests with rectangular test specimen for welding test specimen GW-Pr12 Tabelle 34 Schweißparameter für die Probe GW-Pr Welding parameter of GW-Pr14 Tabelle 35 Schweißparameter für Schweißprobe GW-Pr Welding parameters for test specimen GW-Pr16 Tabelle 36 Ergebnis der Flachzugprüfungen für die Schweißprobe GW-Pr Results of transverse tensile test with rectangular test specimen for welding test specimen GW-Pr16 Tabelle 37 Schweißparameter für GW-Pr17 und GW-Pr Welding parameter of GW-Pr17 and GW-Pr11 Tabelle 38 Ergebnis der Flachzugprüfungen für die Schweißprobe GW-Pr Results of transverse tensile test with rectangular test specimen for welding test specimen GW-Pr17 Tabelle 39 Zusammenstellung der Untersuchungsergebnisse für die einzelnen durchgeführten Versuchsreihen Schedule of results for different test series