Zur Bewertung der Kaltrisssicherheitvon Schweiverbindungenaus hochfesten Feinkornbausthlen
Dipl.-Ing. Peter Zimmer
BAM-Dissertationsreihe Band 29Berlin 2007
Impressum
Zur Bewertung der Kaltrisssicherheitvon Schweiverbindungenaus hochfesten Feinkornbausthlen
2007
Herausgeber:Bundesanstalt fr Materialforschung und -prfung (BAM)Unter den Eichen 8712205 BerlinTelefon: +49 30 8104-0Telefax: +49 30 8112029E-Mail: [email protected]: www.bam.de
Copyright 2007 by Bundesanstalt frMaterialforschung und -prfung (BAM)
Layout: BAM-Arbeitsgruppe Z.64
ISSN 1613-4249ISBN 978-3-9811655-8-6
Die vorliegende Arbeit entstand an der Bundesanstalt fr Materialforschung und -prfung(BAM).
Zur Bewertung der Kaltrisssicherheit von
Schweiverbindungen aus hochfesten
Feinkornbausthlen
vom Fachbereich Maschinenbau
der Helmut-Schmidt-Universitt
-Universitt der Bundeswehr Hamburg-
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
von:
Dipl.-Ing. Peter Zimmer
aus
Berlin
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmeister Prof. Dr.-Ing. T. Bllinghaus Prof. Dr.-Ing. H. Herold
Tag der mndlichen Prfung: 10. Juli 2007
Hamburg 2007
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand whrend meiner Ttigkeit als wissenschaftlicher Angestell-ter in der Fachgruppe V.5 Sicherheit in der Fgetechnik im Rahmen des Doktorandenpro-gramms der Bundesanstalt fr Materialforschung und -prfung (BAM) in Berlin. Zustzlich wurde die Anfertigung der Dissertation durch ein von der Deutschen Forschungsgemein-schaft gerdertes Forschungsvorhaben ermglicht.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Hoffmeister von der Helmut-Schmidt-Universitt - Universitt der Bundeswehr Hamburg - fr sein Interesse an meiner Disserta-tion und die Bereitschaft der bernahme des Hauptgutachtens.
Fr die bernahme der Zweitgutachten mchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Herold von der Otto von Guericke Universitt Magdeburg sowie bei meinem Fachgruppenleiter Herrn Prof. Dr.-Ing. T. Bllinghaus bedanken.
Darber hinaus danke ich meinem Projektgruppenleiter, Herrn Dr.-Ing. T. Kannengieer, fr die tatkrftige Untersttzung sowie die vielen hilfreichen Anregungen bei der Fertigstellung dieser Arbeit.
Mein Dank gilt weiterhin allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Fachgruppe V.5 Si-cherheit in der Fgetechnik fr die Untersttzung bei der Vorbereitung, Durchfhrung und Auswertung der experimentellen Untersuchungen. Besonders hervorheben mchte ich an dieser Stelle Frau Breu, Herrn Peter Friedersdorf, Herrn Andreas Hannemann, Herrn Thomas Michael, Herrn Michael Richter und Herrn Klaus Scheideck, ohne welche die Durchfhrung der vielfltigen Versuche nicht mglich gewesen wre.
Besonders danke ich meinen Kolleginnen Karen Stelling und Pornwasa Wongpanya sowie den Kollegen Dr.-Ing. Mathias Neuhaus, Dr.-Ing. Dirk M. Seeger, Dr.-Ing. Ekkarut Viyanit und Dr.-Ing. Martin Wolf fr die konstruktive Zusammenarbeit und fr die stndige Bereitschaft, mir mit Rat und Tat zur Seite zu stehen. Weiterhin gilt mein herzlicher Dank allen Praktikanten und Diplomanden, die durch ihre tatkrftige Untersttzung zum Ergebnis dieser Arbeit mageblich beigetragen haben, insbesondere Frau Mercedes Enpinosa-Sanches, Herrn Marco Fiedler, Herrn Daniel Brackrock und Herrn Thomas Mente.
Den Firmen Dillinger Htte, Bhler Thyssen Welding und Messer-Grieheim danke ich fr die Bereitstellung der Grund- und Zusatzwerkstoffe.
Nicht zuletzt danke ich meiner Familie, hauptschlich meiner Frau Claudia und meinem Sohn Robert, ohne deren Verstndnis, Untersttzung und Hilfe diese Arbeit nicht denkbar gewesen wre.
Berlin, Oktober 2007 Peter Zimmer
Zusammenfassung Whrend sich durch den Einsatz niedriglegierter hochfester schweigeeigneter Feinkorn-bausthle mit Streckgrenzen ber 690 MPa in vielen Bereichen der stahlverarbeitenden Industrie einerseits konomische Vorteile ergeben, stellt die schweitechnische Verarbei-tung dieser Werkstoffe mit steigender Festigkeitsklasse eine groe Herausforderung dar, da die bei der Herstellung durch eine gezielte Wrmebehandlung eingestellten gnstigen Eigenschaften des Materials durch weitere thermische bzw. thermomechanische Zyklen beim Schweien nachteilig beeinflusst werden. In Verbindung mit einem Wasserstoffeintrag beim Schweien steigt die Gefahr einer wasserstoffuntersttzten Kaltrissbildung. Diese, lange Zeit aufgrund der Erfahrungen an niederfesten Feinkornbausthlen als beherrschbar angesehene Art der Rissbildung, gewann, wie aktuelle Schadenflle zeigen, in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Besonders die Tatsache, dass die vorhandenen Regel-werke zur schweitechnischen Fertigung den Festigkeitsbereich der eingesetzten Fein-kornbausthle mit Streckgrenzen ber 690 MPa nicht abdecken, stellt vor diesem Hinter-grund ein sicherheitsrelevantes Problem dar.
Die im Rahmen dieser Arbeit an den hochfesten Feinkornbausthlen S690Q und S1100QL ermittelten wasserstoffabhngigen mechanischen Kennwerte weisen auf ein erheblich greres Kaltrissrisiko dieser hochfesten Varianten gegenber Feinkornbausthlen mit niedrigerer Festigkeit hin. Aus den Ergebnissen umfangreicher Zugversuche mit wasser-stoffbeladenen Proben konnte abgeleitet werden, dass sich als Parameter zur Beschrei-bung der Kaltrissempfindlichkeit im Gegensatz zu Festigkeitswerten die wahre Bruchdeh-nung am besten eignet, da sie fr alle untersuchten Gefgezustnde die Effekte des Wasserstoffs ber den gesamten Wasserstoffkonzentrationsbereich am signifikantesten reflektiert. Dieser Parameter ist als Risskriterium nutzbar und wird in Form mathematischer Gleichungen fr zwei reprsentative Werkstoff/Zusatzwerkstoffkombinationen der Festig-keitsklassen S690 und S1100 zur Verfgung gestellt.
Die bertragbarkeit des identifizierten Parameters auf Laborproben wird nachgewiesen und erscheint auf reale Bauteile mglich, wenn die lokale Dehnung an rissgefhrdeten Berei-chen der entsprechenden Konstruktion bestimmt werden kann. Auf Grundlage der bereits fr die Evaluation der wasserstoffuntersttzten Spannungsrisskorrosion erfolgreich einge-setzten Time-Strain-Fracture Diagramme wird diese Vorgehensweise anhand der Werk-stoff/Zusatzwerkstoffkobination S1100QL/UnionX96 unter Anwendung des IRC-Tests gezeigt und fhrte vorerst zu qualitativen Aussagen bezglich des Kaltrissrisikos in Abhn-gigkeit vom Einspanngrad. Die lokale Dehnung im Schweigut wird dabei mittels numeri-scher Simulation bestimmt und den experimentell bestimmten kritischen Dehnungswerten gegenbergestellt.
Abstract Whereas the application of weldable high-strength low-alloyed fine-grained structural steels with yield strengths exceeding 690 MPa offers economic advantages in many sectors of the steels processing industry, welding fabrication presents a major challenge with increasing strength grade of these materials, since their favourable properties obtained by deliberate heat treatment during production are adversely affected by further thermal and thermomechanical cycles during welding. Hydrogen entry during welding involves an increasing risk of hydrogen-assisted cold cracking. This type of cracking, which has long been regarded as controllable based on the experience with low-strength fine-grained structural steels, assumes greater importance in recent years as current damage cases attest. Particularly the fact that the existing codes devoted to welding fabrication do not cover the strength range of the applied fine-grained structural steels with yield strengths exceeding 690 MPa constitutes a safety-relevant problem against this background.
The hydrogen-dependent mechanical characteristics determined within the scope of this study for the high-strength fine-grained structural steels S690Q and S1100QL point to a considerably higher cold cracking risk of these high-strength variants compared to low-strength fine-grained structural steels. From the results of extensive tensile tests using hydrogen-charged specimens it was deduced that the true elongation, in contrast to strength values, is best suitable as parameter for describing the cold cracking susceptibility, since it most significantly reflects the effects of hydrogen over the entire hydrogen concentration range for all investigated microstructure conditions. This parameter can be used as a crack criterion and is provided in the form of mathematical equations for two representative material/filler material combinations of the strength grades S690 and S1100.
The transferability of the identified parameter to laboratory specimens has been proved. Its transferability to real components seems possible if the local strain in crack-prone areas of the respective structure can be determined. Based on the time-strain-fracture diagrams which have already been successfully used for the evaluation of hydrogen-assisted stress corrosion cracking, this procedure is demonstrated using the material/filler material combination S1100QL/UnionX96 in the IRC-Tests. The local weld metal strain is determined by numerical simulation and compared with the critical strain values obtained from the experiments. The results allow first qualitative statements to be made regarding the risk of cold cracking depending on the restraint intensity.
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 15 2 Kenntnisstand 19 2.1 Hochfeste Feinkornbausthle 19 2.1.1 Entwicklung, Herstellung und Eigenschaften 19 2.1.2 Schweitechnische Verarbeitung hochfester Feinkornbausthle 23 2.2 Wasserstoffuntersttzte Kaltrissbildung in hochfesten Feinkornbausthlen 26 2.2.1 Grundlagen und Erscheinungsbild 26 2.2.2 Wasserstofftransport 27 2.2.3 Wirkung des Wasserstoffs auf die mechanischen Eigenschaften
metallischer Werks
