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ThyssenKrupp Steel EuropeThinking the future of steel
VERARBEITUNGSEMPFEHLUNGENPROCESSING RECOMMENDATIONS
Hochfeste Stähle N-A-XTRA®
und XABO®
N-A-XTRA® and XABO®
high-strength steels
Klasse statt Masse
In hochbeanspruchten Stahlkonstruktionen,wie z.B. Druckbehältern, Druckrohrleitun-gen, aber vor allem im Nutzfahrzeug- undMobilkranbau hat das Eigengewicht der Kon-struktion einen wesentlichen Einfluss aufdie Wirtschaftlichkeit. Eine Verringerung desEigengewichts ohne Einbuße der Tragfähig-keit, d.h. der Festigkeit und der Funktionder Konstruktion, steht dabei im Vorder-grund. Diesem Wunsch nach Leichtbau -weise und nach gleichzeitiger Steigerungder Leistungsfähigkeit hochbeanspruchterKonstruktionen sowie Reduzierung derBetriebskosten ist die ThyssenKrupp SteelEurope AG durch Bereitstellung der schweiß-baren wasservergüteten Feinkornbau-stähle N-A-XTRA® und XABO® mit 550 bis1100 MPa Mindeststreckgrenze nachge-kommen. Diese Stähle erfüllen die hohenErwartungen, die vom Kunden an den Werk-stoff Stahl gestellt werden:• problemlose und kostengünstige
Verarbeitung• niedriges Eigengewicht der Konstruktion• universeller Einsatz bei erhöhten und
niedrigen Temperaturen
Ausgehend hiervon verdeutlicht Abb. 1anschaulich die Möglichkeiten zur Gewichts-einsparung im Druckbehälterbau durchVerwendung vergüteter Sonderbaustähleim Vergleich zum S355 (St52-3), wobei dieTragfähigkeit und das Leistungsvermögen
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Inhalt 2 Klasse statt Masse 6 Scheren und Zerspanen 8 Thermisches Trennen 10 Umformen 14 Schweißen 22 Anwendung 24 Ausblick, Schrifttum, Bezugsquellen 27 Ihre Gesprächspartner / Allgemeiner Hinweis
A matter of quality
especially to welding-in tensive structureswhere the ratio of weld metal weight to steelweight is con sid erable. Taking the exampleof mobile crane manufacture, Fig. 2 givesinformation on how the choice of steel influ -ences the prime costs of welded structures.
It shows that a cost saving of 80% isachievable by using the XABO® 960 steelinstead of the classic S355 grade. Thisis possible, on the one hand, as a re sultof the decreased plate thickness and, onthe other hand, through the reduction ofthe weld cross section and, consequent-ly, of the specific weld costs (weldingfiller metals re quirement and weldingcosts).
The N-A-XTRA® and XABO® low-alloy,quenched and tempered struc tural steelsare described in detail in ThyssenKruppSteel Europe data sheets 215, 216, 245and 247. They have a fine marten sitic-bainitic micro structure produced by con-trolled heat treatment and combine highstrength with excellent tough ness and highfatigue resist ance. Ideal ma terials arethereby available for a multitude of appli-cations. Figs. 3 and 4 provide an overviewof the chemical compo si tion and mechani-cal proper ties of the N-A-XTRA® and XABO®
steels.
In highly stressed steel struc tures, such ase.g. pressure vessels, penstocks and also,particularly, commercial ve hicles and mobilecranes, the structure’s dead weight has amajor influence on economic and opera-tional efficiency. Re duction of the deadweight without decreasing the load-bearingcapacity, i.e. strength and function of thestructure, takes on prime importance.ThyssenKrupp Steel Europe has kept pacewith the requirement for lightweight con-struction and, simultaneously, for theen hanced performance of highly-stressedstructures, including reduced operatingcosts, by de veloping its weldable, quenchedand tem pered fine-grained struc tural steelsN-A-XTRA® and XABO® with minimum yieldstrengths between 550 and 1100 MPa.These steels fulfill the high expectationswhich customers have of steel material:• problem-free and low-cost processing• low dead weight of the fabricated
structure• universal use at elevated and low
temperatures
This said, Fig. 1 illustrates the weight-savingpossibilities in pressure vessel manufacturethrough using quenched and temperedspecial structural steels compared withS355 (St52-3), without the strength andperformance of the structure being affected.By doubling the yield strength, e.g.through use of the N-A-XTRA® 700 steelgrade in place of S355 (St52-3), it ispossible to reduce the plate thicknessby as much as 50%. Besides the aspectof completely new technical solutions, theuse of high-strength steels also offersclear economic advantages. This applies
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Contents 3 A matter of quality 7 Shearing and Machining 9 Thermal cutting 11 Forming 15 Welding 23 Application 25 Outlook, Literature, References 27 Please contacts / General note
1. Blechdickenreduzierung durch Einsatz hochfester Stähle im Druckbehälterbau
Plate thickness reduction in pressure vessel manufacturing by using high-strength steels
3. Chemische Zusammensetzung Chemical composition
Bei Einsatz des Stahles XABO® 960 anStelle des klassischen S355 ergibt sichdanach eine Kostenersparnis von 80 %.Dies resultiert zum einen aus der Ver -ringerung der Blechdicke, zum anderenreduzieren sich der Nahtquerschnitt unddamit die spezifischen Schweißnaht -kosten (Aufwand für Schweißzusatz-werkstoffe und Schweißkosten).
Die vergüteten Sonderbaustähle N-A-XTRA®
und XABO® sind in den ThyssenKruppEurope Steel-Werkstoffblättern 215, 216,245 und 247 ausführlich beschrieben. Sieweisen ein durch gezielte Wärmebehand-
lung erzeugtes feines martensitisch-bainiti-sches Gefüge auf, das hohe Festigkeit mitausgezeichneter Zähigkeit und hohemErmüdungswiderstand verbindet. Hierdurchstehen ideale Werkstoffe für eine Vielzahlvon Anwendungsbereichen zur Verfügung.Die Abb. 3 und 4 geben einen Überblicküber die chemische Zusammensetzung unddie mechanischen Eigenschaften der StähleN-A-XTRA® und XABO®.
Im Hinblick auf den effektiven und wirt-schaftlichen Einsatz dieser Stähle sowie zurInstandhaltung von Konstruktionen stehtvor allem das Verarbeitungsverhalten derStähle im Vordergrund. In dieser Druck-schrift werden dazu für die wichtigsten Ver-arbeitungsverfahren Empfehlungen gege-ben, die der Anwender bei der Verarbei-tung von N-A-XTRA®- und XABO®-Stählenbeachten sollte. Dabei wird auf folgendeVerarbeitungsverfahren eingegangen: • Scheren• Zerspanen• Umformen• Kaltbiegen• Abkanten• Thermisches Trennen • Schweißen
Dem Anwender wird darüber hinaus emp-fohlen, insbesondere bei der erstmaligenVerarbeitung der hochfesten wasserver -güteten Stähle, den direkten Dialog mit denGrobblechexperten von ThyssenKrupp SteelEurope zu suchen.
der Konstruktion konstant bleiben. Bei Ver-dopplung der Streckgrenze, z.B. durchVerwendung des Stahles N-A-XTRA® 700an stelle S355 (St52-3), lässt sich dieBlech dicke um bis zu 50 % verringern.Somit ergeben sich neben dem Aspekt,völlig neue technische Lösungen anzu -bieten, auch klare wirtschaftliche Vorteiledurch die Verwendung hochfester Stähle.Dies gilt insbesondere, wenn es sich umschweiß intensive Konstruktionen handelt,bei denen das Verhältnis von Schweißgut-gewicht zu Stahlgewicht beträchtlich ist.Am Beispiel des Mobilkranbaus gibt Abb. 2Auskunft darüber, wie sich die Stahlauswahlauf die Gestehungskosten von Schweiß-konstruktionen auswirkt.
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2. Gestehungskosten von Schweißkonstruktionen im Mobilkranbau Prime costs of welded structures in mobile crane manufacture
Stahlsorte Schmelzenanalyse / Heat analysis [%]Steel grade
C Si Mn P S Cr Mo Ni V
N-A-XTRA®
≤ 0,20 ≤ 0,80 ≤ 1,60 ≤ 0,02 ≤ 0,01 ≤ 1,50 ≤ 0,60 – –N-A-XTRA® M
XABO® 890≤ 0,18 ≤ 0,50 ≤ 1,60 ≤ 0,02 ≤ 0,01 ≤ 0,80 ≤ 0,70 ≤ 2,00 ≤ 0,10
XABO® 960
XABO® 1100 ≤ 0,20 ≤ 0,50 ≤ 1,70 ≤ 0,02 ≤ 0,005 ≤ 1,50 ≤ 0,70 ≤ 2,50 ≤ 0,12
The following techniques are featured here: • Shearing• Machining• Forming• Cold bending• Press-brake bending• Thermal cutting• Welding
Users are also advised to consultThyssenKrupp Steel Europe’s plate ex pertsdirectly, especially if pro ces sing thesehigh-strength quenched and temperedsteels for the first time.
The processing behavior, in particular, iscentral to the effec tive and economical useof these steels and to structure mainten-ance. This publication contains recommen-dations on the most important processingtechniques; users should need these whenprocessing N-A-XTRA® and XABO® steels.
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4. Mechanische Eigenschaften nach Werkstoffblatt Mechanical properties according to data sheet
Stahlsorte Dicke Streckgrenze Zugfestigkeit Bruch- Kerbschlagarbeit in Jdehnung bei Prüftemperatur
Steel grade Thickness Yield Tensile Elongation Impact toughness in Jstrength strength at test temperature
[mm] ReH [MPa] Rm [MPa] A [%] –20 ºC –40 ºC –60 ºC
N-A-XTRA® 550 3 – 50 ≥ 550 640 – 820 ≥ 16 ≥ 35 ≥ 30 ≥ 27
N-A-XTRA® M 5503 – 65 ≥ 550 640 – 820 ≥ 16 ≥ 30 ≥ 27
> 65 – 100 ≥ 530 640 – 820 ≥ 16 ≥ 30 ≥ 27
N-A-XTRA® 620 3 – 50 ≥ 620 700 – 890 ≥ 15 ≥ 35 ≥ 30 ≥ 27
N-A-XTRA® M 6203 – 65 ≥ 620 700 – 890 ≥ 15 ≥ 30 ≥ 27
> 65 – 100 ≥ 580 700 – 890 ≥ 15 ≥ 30 ≥ 27
N-A-XTRA® 700 3 – 100 ≥ 700 770 – 940 ≥ 14 ≥ 35 ≥ 30 ≥ 27
N-A-XTRA® M 7003 – 65 ≥ 700 770 – 940 ≥ 14 ≥ 30 ≥ 27
> 65 – 100 ≥ 650 760 – 930 ≥ 14 ≥ 30 ≥ 27100 – 120 ≥ 630 710 – 900 ≥ 14 ≥ 30 ≥ 27
N-A-XTRA® 800 3 – 50 ≥ 800 840 – 1.000 ≥ 11 ≥ 35 ≥ 30 ≥ 27
N-A-XTRA® M 800≤ 65 ≥ 800 840 – 1.000 ≥ 11 ≥ 30 ≥ 27
> 65 – 100 ≥ 740 840 – 990 ≥ 11 ≥ 30 ≥ 27
XABO® 8903 – 50 ≥ 890 940 – 1.100 ≥ 12 ≥ 30 ≥ 27 *)
> 50 – 100 ≥ 830 880 – 1.100 ≥ 12 ≥ 30 ≥ 27 *)
3 – 50 ≥ 960 980 – 1.150 ≥ 12 ≥ 30 ≥ 27
XABO® 960> 50 – 60 ≥ 920 970 – 1.100 ≥ 12 ≥ 30 ≥ 27> 60 – 80 ≥ 870 920 – 1.070 ≥ 12 ≥ 30 ≥ 27
> 80 – 100 ≥ 850 900 – 1.050 ≥ 12 ≥ 30 ≥ 27
XABO® 1100 4 – 40 ≥ 1100 1.200 – 1.500 ≥ 8 ≥ 27
*) nach Vereinbarung / by arrangementDie Angaben zur Streckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnung und Kerbschlagarbeit beziehen sich auf Querproben. Die Kerbschlagarbeit wird an Charpy V-Proben ermittelt.The mechanical properties relate to samples transverse to the rolling direction. The impact toughness is investigated on Charpy V-notch specimens.
Scheren und Zerspanen
Abb. 6 zeigt den Zusammenhang zwischendem optimalen Schneidspalt, der Zugfestig-keit und der Blechdicke.
Abb. 7 gibt ergänzend Auskunft darüber,wie sich bei den hochfesten wasservergüte-ten Baustählen die beherrschbaren Grenz -blechdicken bezogen auf den Stahl S355J2(St 52-3) darstellen.
Zerspanen
Das Zerspanen der vergüteten Sonderbau-stähle N-A-XTRA® und XABO® kann mitallen gängigen Ver fah ren der Spanungs-technik erfolgen (dazu zählen Drehen, Fräsen, Hobeln, Bohren u.ä.). Wegen derhöheren Festigkeit muss jedoch im Ver-gleich zu den weicheren allgemeinen Bau-stählen wie S355J2 (St 52-3) mit gerin -geren Zerspanungsleistungen gerechnetwerden.
Von besonderem Interesse ist das Bohren.Um hierbei gute Verarbeitungs ergebnisse zuerzielen, muss versucht werden, Vibrationenzu vermeiden oder so weit wie möglich zumini mie ren. Dies wird erreicht, indem man:• das Werkstück möglichst dicht an der
Bohrstelle fest einspannt• das Werkstück und den Bohrkopf so nahe
wie möglich an die Maschinen -säule legt
• kurze Bohrer sowie eine kurze Maschinenspindel benutzt
Für umfangreichere Bohrarbei ten ist derEinsatz kobaltlegierter HSS-Spiralbohrer zu emp feh len. Beim Bohren von XABO®
890/960/1100 haben sich Hartmetallbohrerbewährt, die gleichzeitig höhere Schnitt -geschwindig keiten zulassen. Die Standzeitder Bohrer wird verlängert, wenn als Kühl-mittel Hoch leistungs- Spezial-Schneidöleverwendet werden. An haltswerte zuSchnittgeschwindig keiten (m/min), Dreh -zahlen (Upm) und Vorschub (mm/U) könnender Abb. 8 entnommen werden.
Scheren
Kraft- und Arbeitsaufwand beim Scherenhängen erheblich vom Zustand des Schneid-werkzeugs und von der Größe des Schneid-spaltes ab. Weitere Einfluss grö ßen sind dieSchnittlänge, die Zugfestigkeit und die Dickedes zu schneidenden Werkstückes beimScheren. Der Schneidwinkel sollte 3 bis 5°betragen. Abb. 5 gibt Auskunft über denArbeitsaufwand A in Abhängigkeit von derZugfestigkeit und der Blechdicke. Hierauskann auch die beherrschbare Grenzblech -dicke abgeschätzt werden. Dem Zusammen-hang liegt dabei folgende Formel zugrunde:A in (J) = 0,48 · L · Rm · t2
Dabei entspricht L der Schnittlänge (m), Rm der Zugfestigkeit (MPa) und t der Blech-dicke (mm). Auf die Schnittgüte hat derSchneidspalt Us großen Einfluss. Die opti-male Schneidspaltbreite nimmt danach mitsteigen der Zugfestigkeit des Stahles zu. Allgemein lässt sie sich nach folgender Formel berechnen:Us in (mm) = 0,0067 · t · (√Rm – 10)
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5. Arbeitsaufwand pro Meter beim Scherschneiden [J/m] Energy required per meter for shearing [J/m]
6. Schneidspalt [mm] Shear gap [mm]
Here L is the length of cut (m), Rm the ten-sile strength (MPa), and t the plate thickness(mm). The shear gap Us has a major influen-ce on the quality of cut. The optimum sheargap width increases with increasing tensilestrength of the steel. It can generally be cal-culated according to the following equation:Us in (mm) = 0.0067 · t · (√ Rm – 10)
Fig. 6 shows the correlation between theoptimum shear gap, the tensile strength andthe plate thickness. Fig. 7 gives additionalinformation on controllable plate thickness-es for the high-strength quenched andtempered structural steels in relation to theS355J2 (St52-3) steel grade.
Shearing and Machining
Machining
The N-A-XTRA® and XABO® quenched andtem p ered special structural steels made byThyssenKrupp Steel Europe are suit able formachining by all prevalent methods (includ-ing turning, milling, planing, drilling, andsimilar). Their higher strength, however,means that lower metal removal rates areto be ex pected in comparison with the mildergen eral-purpose struc tu r al steels such asS355J2 (St52-3).
Drilling is of particular interest. To achievegood results in this con nection, it is neces-sary to try to avoid or, as far as possible,minimize vibrations. This is done by:• clamping the workpiece firmly as close
to the point of drilling as possible• positioning the workpiece and the drilling
head as close to the machine column aspossible
• using short drills and a short machinespindle
Where extensive drilling work is involved, itis advisable to use cobalt-alloyed high-speedsteel twist drills. Carbide-tipped drills, whichalso permit higher metal- cutting speeds,have proven suitable for drilling XABO® 890/960/1100. The life of the drills is prolongedby using heavyduty special cutting oils as acoolant. Reference value on cutting speeds(m/min), rotational speeds (Rpm) and feedrates (mm/R) is given in Fig. 8.
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7. Beherrschbare Grenzblechdicken beim Scheren Controllable plate thicknesses for shearing
Stahlsorte Mittlere Zugfestigkeit GrenzblechdickeSteel grade Average tensile strength Controllable plate thickness
[MPa] [mm]
S355J2G3 560 1,0 · t
N-A-XTRA® 550 730 0,86 · t
N-A-XTRA® 620 795 0,83 · t
N-A-XTRA® 700 845 0,81 · t
N-A-XTRA® 800 930 0,78 · t
XABO® 890 1020 0,74 · t
XABO® 960 1065 0,72 · t
XABO® 1100 1300 0,65 · t
t = Blechdicke / Plate thickness
8. Richtwerte für die Zerspanung Guide values for machining
Stahlsorte Schnittgeschwindigkeit Bohrer / Drill Bohrer / Drill Bohrer / Drill Bohrer / DrillSteel grade Cutting speed D = 6 mm D = 8 mm D = 10 mm D = 12 mm
[m/min] Upm/Vorschub [mm/U] / Rpm/feed rates [mm/R]
N-A-XTRA® 550/620 4 – 61) 260/0,08 200/0,10 160/0,15 130/0,20
N-A-XTRA® 700/800 3 – 51) 210/0,05 160/0,08 130/0,10 100/0,15
XABO® 890/960/1100 20 – 252) 1.300/0,05 1.000/0,05 800/0,08 670/0,08
1) HSS-Spiralbohrer / High-speed steel twist drill 2) Hartmetallbohrer / Carbide tipped drill
Shearing
The force and energy required in shearingoperations depend to a significant extenton the state of the cutting tool and on thesize of the shear gap. Other influencingfactors in clude the length of cut, the tensilestrength, and the thickness of the work -piece that is to be cut. The cutting angleshould be 3 to 5°. Fig. 5 gives informationon the required energy A as a func tion ofthe tensile strength and plate thickness.From this it is also possible to estimatethe control lable plate thickness, taking thefollowing equation as a basis:A in (J) = 0.48 · L · Rm · t 2
Thermisches Trennen
druck, erforderlich. Gleichzeitig muss be -achtet werden, dass die Schnittkante eineleichte Oxidschicht aufweist.
Beim thermischen Schneiden hängt dasSchneid ergebnis in starkem Maße von derOberflächen beschaffenheit der zu verarbei-tenden Bleche ab. Das gilt insbesonderefür das Laserstrahlschneiden. Bei die-sem Verfahren lassen sich die bestenSchnittflächen an Blechen mit einergleichmäßigen, dünnen und fest haften-den Zunderschicht erreichen. Die Schnitt-flächenbeurteilung er folgt im Allgemeinennach DIN EN ISO 9013. Auch bei gepri-merten Blechen konnten mit dem beiThyssenKrupp Steel Europe standard -mäßig eingesetzten Zinksilikat-Shop -primer Schnittgüten erreicht werden, diemit Blechen einer gleichmäßig verzun-derten Oberfläche vergleichbar sind.Kriterien sind dabei die Rau tiefe der Schnitt -rillen und eine möglichst bartfreie Ausbil-dung der Unterkante.
Beim thermischen Trennen kommt es anden Schnittkanten kurzzeitig zu sehr hohenTemperaturen und durch die nachfolgendeschnelle Abkühlung zu Werkstoffverände-rungen. Diese äußern sich in einer Auf -härtung. Zur Vermeidung von Rissen beimautogenen Brennschneiden empfiehlt essich, oberhalb einer gewissen Blechdicke(Grenzblechdicke) vorzuwärmen.
Abb. 9 gibt Grenzblechdicken an, bis zudenen üblicherweise auf ein Vorwärmenverzichtet werden kann. Bei Werkstücktem-peraturen unter +5 °C sind die Schnittzonenvon Blechen mit Dicken bis zur jeweiligenGrenzblechdicke in einer Breite von min -destens 100 mm handwarm vorzuwärmen.Bei Blechdicken oberhalb der Grenzblech -dicke ist je nach Stahlsorte ein Vorwärmenauf 75 °C bis 125 °C zu empfehlen. Werdendie Schnittkanten bei der Weiterverarbei-tung kalt umgeformt, ist bei N-A-XTRA®
ab einer Blechdicke von 30 mm, bei denXABO®-Stählen ab 20 mm ein Vorwärmenauf ca. 150 °C empfehlenswert. NähereAngaben zum thermischen Schneiden fin-den sich in den speziellen Schneidempfeh-lungen, die wir bei Bedarf gerne zur Ver -fügung stellen.
Für das thermische Trennen von Blechenaus N-A-XTRA®- und XABO®-Sonderbau-stählen kommen folgende Verfahren inBetracht:• Autogenes Brennschneiden• Plasmaschneiden• Laserstrahlschneiden
Die modernen Plasma- und Laserstrahl -verfahren werden vor allem bei dünnen Blechen zunehmend eingesetzt. Ihre Vor teilegegenüber dem auto genen Brennschneidensind:• höhere Schneidgeschwin digkeit• schmalere Wärmeeinflusszone
an der Schnittkante• geringerer Verzug des Bauteils
In jüngster Zeit tritt das Laserstrahlschnei-den besonders in den Vordergrund. Miteinem 3-kW-CO2-Laser werden heute üblicherweise Blechdicken bis etwa 20 mmverarbeitet. Hohe Schneidgeschwindig -keiten lassen sich beim Laserstrahlbrenn-schneiden mit hoch reinem Sauerstoff er -reichen. Im Hin blick auf die Schnittgüte ist eine exakte Abstimmung der Schneid -bedingungen, wie z.B. Laserleistung,Schneidgeschwin dig keit und Sauerstoff-
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Thermal Cutting
During thermal cutting, very high tempera-tures are reached for a short time at thecut edges, and material changes occur asa result of the subsequent rapid cooling.These manifest themselves in an increasein hardness. To avoid cracking when per-forming oxy-fuel cutting, it is advisable, topreheat the cutting zones for plates abovea certain thickness (controllable plate thick-ness).
Fig. 9 shows controllable plate thicknessesbelow which it is normally possible to dowithout preheating. If the workpiece tem-perature is below +5°C, the cutting zones
of plates that are below the appropriatecontrollable thickness must be preheated tolukewarm temperature over a width of atleast 100 mm. Preheating to between 75°Cand 125°C is advisable for plates exceedingthe limit plate thickness, depending on thesteel grade. If the cut edges are to be cold-formed during downstream processing,preheating to around 150°C is advisable forN-A-XTRA® steels in a plate thickness from30 mm upward and for XABO® steels from20 mm upward. Further details on the topicof thermal cutting can be found in our spe-cial cutting recommendations, which we willgladly make available, if required.
The following techniques are suitable for thethermal cutting of N-A-XTRA® and XABO®
special structural steel plates:• Oxyacetylene flame cutting• Plasma arc cutting• Laser beam cutting
The advanced plasma and laser beamtechniques are finding increasing usechiefly for thin-gauge plates. Their advan-tages over oxyacetylene flame cuttinginclude:• higher cutting speed• narrower heat-affected zone
at the cut edge• smaller amount of component
deformation
Laser beam cutting especially has come tothe fore in very recent times. It is nowadaysstandard practice to cut plates up to around20 mm in thick ness with a 3 kW CO2 laser.High cutting speeds are achiev able by lasercutting with highly pure oxygen. The qua -lity of the cut depends on an exact coordi-nation of the cutting conditions such ase.g. laser power, cutting speed and oxygenpressure. It has to be kept in mind at thesame time that a light oxide layer forms onthe cut edge.
The thermal cutting result depends to astrong extent on the surface condition ofthe plates that are to undergo processing.This applies particularly to the laserbeam cutting method, with which thebest cut faces are achievable on plateswith a uniform, thin and firmly adheringscale layer. Assessment of the cut facesis generally to DIN EN ISO 9013. It hasbeen possible, even on plates primedwith the zinc silicate shop primer usedas standard at ThyssenKrupp SteelEurope, to produce qualities of cutalmost comparable to those on plateswith a uniformly scale-covered surface.The criteria in this respect are the rough-ness depth of the drag lines and a bottomedge as devoid of burrs as possible.
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9. Grenzblechdicke für das thermische Trennen ohne Vorwärmen Controllable plate thickness for thermal cutting without preheating
N-A-XTRA® 550
N-A-XTRA® 620 50 mm
N-A-XTRA® 700
N-A-XTRA® 800
XABO® 890/960 30 mm
XABO® 1100 25 mm
Umformen
Beispielhaft geben die Abb. 10 und 11 denKraftbedarf beim Kaltbiegen und Abkantenvon N-A-XTRA® 700 an. Weiterhin sind dieMindestbiegeradien/Min destabstände derRollen bzw. Mindestmatrizenweiten zu be -achten. Der Kraftbedarf kann allgemein mitfolgenden Näherungsformeln hinreichendabgeschätzt werden:
Kaltbiegen:P in (N) = 0,7 · b · t2 · Rm/w
Abkanten:P in (N) = (1 – (4 · t/w)) · b · t2 · Rm/w
In den Gleichungen bedeutet b die umzu -formende Länge (mm); t die Blech dicke(mm); Rm die Zugfestigkeit (MPa) und wder Abstand der Rollen bzw. die Matrizen-weite (mm).
Kaltumformen
Das Umformen der N-A-XTRA®- und XABO®-Bleche, z.B. zu Rohren oder zu U-Profilen,erfolgt im Allgemeinen kalt, d.h. bei Tempe-raturen unterhalb der höchsten zuläs sigenSpannungsarmglühtemperatur. Die vorherr-schenden Umformverfahren sind das Kalt-biegen auf Dreiwalzen-Biegemaschinen unddas Ab kan ten im 90°-V-Gesenk auf Gesenk -biegepressen. Um die angeführten Arbeitenproblemlos durchführen zu können, ist zubeachten, dass mit steigender Streckgrenzeder Kraftbedarf und die Rückfederungzunehmen. Darüber hinaus muss damitgerechnet werden, dass mit steigenderStreckgrenze das Umformvermögen derStähle abnimmt. Dementsprechend kom-men erhöhte Mindestbiege radien underhöhte Abstände der als Auf lager dienen-den Rollen bei Dreiwalzen- Biege-maschinen bzw. erhöhte Matrizen weiten beiden Gesenken von Gesenkbiegepressen zurAnwendung. Soweit bei einer stärkeren Kalt-umformung eine nachträgliche Wärmebe-handlung zum Abbau der Verfestigung undzum Verbessern der durch das Umformenbeeinträchtigten Zähigkeitseigenschaftenerforderlich wird, genügt im All gemeinenein Spannungsarmglühen. Dabei wird dieAuswirkung des Kaltumformens jedochnicht vollständig aufgehoben.
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Forming
Cold forming
The forming of N-A-XTRA® and XABO® pla-tes into e.g. pipes or U-sections generallytakes place in the cold state, i.e. below themaximum permis sible stress relief anneal-ing temperature. The predominant formingtechniques are cold bending on three-rollbending machines, and press-brake bend-ing in a 90° V-shaped die on press brakes.To be able to carry out this work withoutany problems, it is necessary to take intoaccount that, the higher the yield strength,the greater the force required and thegreater the springback. Further more, theformability of the steels must be expectedto decrease with increasing yield strength.Larger minimum bending radii and greatersupport roll spac ings are consequently usedfor three-roll bending machines, as well asincreased form ing die widths for the pressbrakes. If, after intensive cold forming, heattreatment is necessary to reduce the strain-hardening and improve the toughnessproperties impaired by the form ing, stressrelief annealing is generally sufficient. Thisdoes not, however, completely reverse theeffect of the cold forming.
As an example, Figs. 10 and 11 show theforce required for the cold bending andpress-brake bending of N-A-XTRA® 700.Due consideration must also be given tothe minimum bending radii/minimum rollspacings and, respec tively, minimum diewidths. The required force can, as a rule,be adequately estim ated with the aid of thefollow ing approximation equations:
Cold bending:P in (N) = 0.7 · b · t 2 · Rm/w
Press-brake bending:P in (N) = (1 – (4 · t/w)) · b · t 2 · Rm/w
In the equations, b denotes the length to beformed (mm), t the plate thickness (mm),Rm the tensile strength (MPa), and w theroll spacing or, respect ive ly, die width (mm).
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10. Kraftbedarf beim Kaltbiegen pro Millimeter Force required for cold bending per millimeter
11. Kraftbedarf beim Abkanten pro Millimeter Force required for press-brake bending per millimeter
festigte oder durch thermisches Trennenaufgehärtete Blechkanten abgearbeitetwerden. Die Angaben für die Mindestbiege-radien gelten für den Fall, dass die Biege-achse in Längs-, d.h. in Walzrichtung liegt(ungünstiger Fall). Erfolgt die Umformungquer zur Walzrichtung können die angege-benen Mindestbiegeradien um 0,5 bis 1 · treduziert werden. Die in der Tabelle aus -gewiesenen Werte gelten darüber hinausfür Bie gewinkel ≤ 90°.
Warmumformen
Warmumformen, d.h. Umformen bei Tem-peraturen oberhalb der maximalen Span-nungsarmglühtemperatur, ist grundsätzlichmöglich. Dabei wird der ursprüngliche Ver-gütungszustand auf gehoben, die mecha -nischen Eigenschaften werden stark ver -ändert. Zur Einhaltung der mechanischenEigenschaften ge mäß Werkstoffblatt istnach dem Warm umformen eine erneute,dem Lieferzustand entsprechende Ver -gütung vorzunehmen.
Die in DIN EN 10025, Teil 6, für die hoch-festen vergüteten Feinkornbaustähle an -gegebenen Min destbiegeradien sind auchfür die vergüteten Sonderbaustähle ver-bindlich. Sie berücksichtigen neben demoberen Spektrum der Festig keits werte unddem unteren Spektrum der Bruchdehnungs-werte auch einige Un wägbarkeiten bei derVerarbeitung.
Unter günstigen Bedingungen haben sichfür die vergüteten Sonderbaustähle die inAbb. 12 ausgewiesenen Mindestbiege -radien und Mindestabstände der Rollenbzw. Mindestmatrizenweiten bewährt. Fürdie bessere Handhabbarkeit zeigt Abb. 13,welche Umformgrade sich aus den verschie-denen Biegeradien ergeben. Dabei wirdvorausgesetzt, dass der Umformbereich,insbesondere die Blechkanten, frei vonKerben sind und dass durch Scheren ver-
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12. Mindestbiegeradien beim Kaltumformen1)
Minimum bending radii for cold forming 1)
Stahlsorte Empfohlener kleinster Biegeradius r Empfohlene kleinste RollenabständeSteel grade bzw. Matrizenweiten w
Recommended minimum bending radius r Recommended minimum roll spacings or die widths w
Nenndicke t Nenndicke tNominal thickness t Nominal thickness t
[mm] [mm]
t ≤ 6 6 < t ≤ 16 t ≤ 6 6 < t ≤ 16
N-A-XTRA® 550 2 · t 2,5 · t 10 · t 11 · t
N-A-XTRA® 6202,5 · t 3 · t 11 · t 12 · t
N-A-XTRA® 700
N-A-XTRA® 800 3,0 · t 3,5 · t 12 · t 13 · t
XABO® 890/960/1100 3,5 · t 4 · t 13 · t 14 · t
1) Biegelinie in Walzrichtung / Bending line in rolling directiont = Blechdicke / Plate thickness
tural steels. With a view to better handling,Fig. 13 shows the strain resulting from thediffer ent bending radii. It is presupposed inthis respect that the forming zone, in partic-ular the plate edges, is notch-free and thatplate edges strain-hardened by shearing orhardened by thermal cutting are removed.The given minimum bending radii applyto instances where the bend axis lies inlongitudinal direction, i. e. rolling direction(unfavorable case). If the forming takesplace transverse to the rolling direction, itis possible to reduce the given minimumbending radii by 0.5 to 1 · t. The valuesshown in the table also apply to bendangles ≤ 90°.
Hot forming
Hot forming, i.e. forming above the maxi-mum stress relief an nealing temperature,is possible in principle. This, however,neutralizes the original quenched and tem-pered state, and the mechanical propertiesundergo extensive change. After hot form-ing, it is necessary to carry out quenchingand tempering again to restore the appro-priate as-delivered state so that the mecha-nical properties comply with the materialspecification.
The minimum bending radii given in DIN EN 10025, Part 6, for high-strengthquenched and tem pered fine-grainedstructural steels are also mandatory forThyssenKrupp Steel Europe quenched and tempered special structural steels. Theyalso allow for se v eral processing imponder-ables, in ad dition to the upper spectrum ofstrength values and the lower spectrum ofelonga tion values.
The minimum bending radii and minimumroll spacings and, respectively, the mini-mum die widths shown in Fig. 12 haveproven suitable under favorable conditionsfor quenched and tempered special struc-
13
0
13. Umformgrade beim Kaltumformen Strain during cold forming
Schweißen
Besonders bei dünnen Blechen findetneben den konventio nel len Verfahren dasLaserstrahl schwei ßen zunehmend Anwen-dung, das wegen seiner Flexi bilität, derhohen Schweißgeschwindigkeiten und dergünstigen Ausbildung der Wärmeeinfluss-zone Vorteile bietet. Abb. 15 zeigt beispiel-haft dazu den Quer schliff einer Laserstrahl-schweißverbindung des Stahles N-A-XTRA®
700, die aus 10 mm dickem Blech auf einer12-kW-Laseranlage gefertigt wurde. DieSchweißgeschwindigkeit betrug 100 cm/min.Quer zur Schweißnaht entnommene Zug-proben brachen außer halb der Schmelz zoneim Grundwerkstoff. Trotz einer hohen Härteim Schmelz bereich zwischen 430
und 450 HV 10 und vereinzelten Poren imSchweißgut wurde ein ausgezeichnetesBiegever halten ermittelt. Querbiegeprobender Schweißverbindung bei einem Mindest-Dorndurchmesser von dreifacher Blech -dicke ließen sich anrissfrei verformen (Abb. 16).
N-A-XTRA®- und XABO®-Bleche lassen sichmit allen gängigen Verfahren schweißen.Auskunft über Schweißzusätze die sich beider Verarbei tung ver güteter Sonderbau-stähle bewährt haben, gibt die Abb. 14.Bei hochfesten Stählen werden bevorzugtbasisch umhüllte Stabelektroden bzw. fluoridbasische Schweißpulver verwendet.Aufgeführt ist neben der Markenbezeich-nung auch das Kohlenstoffäquivalent CET,das für die Beurteilung des Kaltrissverhal-tens relevant ist. Bei den XABO®-Stählenwerden das Schutzgas- (MAG-) und dasLichtbogenhandschweißen bevorzugt ein -gesetzt.
14
Welding
N-A-XTRA® and XABO® plates can bewelded by means of all prevalent methods.Fig. 14 contains information on filler metalswhich have proven suitable for weldingquenched and tempered special struc turalsteels. Basic-covered electrodes and fluo-ride-basic welding flux are preferably usedfor high strength steels. Listed, besidesthe brand name, is the carbon equiv alentCET which is relevant for the assessmentof the cold cracking behavior. Gas metal-arc(MAG) and manual arc welding are methodspreferred for the XABO® steels.
Laser beam welding, which presentsadvantages because of its flexibility, highwelding speeds and favorable influence onthe heat-affected zone, is finding increa-sing use alongside conventional methods,particularly for thin-gauge plates. As anexample in this connection, Fig. 15 showsthe transverse microsection of a laser-welded joint fabricated on 10 mm thickN-A-XTRA® 700 steel plate by a 12 kW laserunit. The welding speed was 100 cm/min.Tensile test pieces from locations trans -verse to the weld fractured outside thefusion zone in the parent metal. In spiteof a high hardness between 430 and 450HV 10 in the fusion zone and individualpores in the weld metal, the bending char-acteristics proved to be excellent. It waspossible to deform test pieces from thewelded joint by transverse bending with aminimum mandrel diameter of three timesthe plate thickness without any incipientcracking occurring (Fig. 16).
15
15. 16.
14. Schweißzusätze (Bezeichnung und zugehöriges Kohlenstoffäquivalent CET des Schweißgutes1))
Welding filler metals (Standard designation acc. and accompanyingcarbon equivalent CET of the weld metal 1))
Laserstrahlschweißverbindung des N-A-XTRA® 700 bei einer Blechdicke von 10 mmLaser-welded joint on N-A-XTRA® 700 steel in a plate thickness of 10 mm
Biegeprobe quer zur Laserstrahlschweißnaht bei einem Dorndurchmesser von dreifacher BlechdickeBend test transverse to the laser weld with a mandrel diameter three times the plate thickness
Stahlsorte SchweißverfahrenSteel grade Welding technique
Schutzgas MAG2) E-Hand Unterpulver UP3)
Gas metal-arc 2) Manual arc Submerged-arc 3)
Bezeichnung CET Bezeichnung CET Bezeichnung CETacc. DIN EN ISO 14341 acc. DIN EN ISO 18275 acc. DIN EN ISO 14171
N-A-XTRA® 550 G 62 5 M21 Mn3Ni1Mo 0,26 E 55 52 NioMo B 42 H5 S3Ni1,5Mo 0,30
N-A-XTRA® 620G 69 5 M Mn4Ni1,5CrMo 0,35 E 69 5 Mn 2 NiCrMo B 42 H5 SZ3Ni2,5CrMo 0,37
N-A-XTRA® 700
N-A-XTRA® 800 5) 5) 5)
XABO® 890 G Mn4Ni2CrMo 0,38 E 89 4 Mn 2 Ni 1 CrMo –B 42 H5 0,35
XABO® 960XABO® 11004) G Mn4Ni2,5CrMo 0,41 – –XABO® 13004)
1) CET in % = C + (Mn + Mo) / 10 + (Cr + Cu) / 20 + Ni / 402) mit Schutzgas M21 / with mixed shielding gas M21 3) mit Schweißpulver UV 421 TT / with welding flux UV 421 TT4) zurzeit keine Schweißzusätze gleicher Festigkeit verfügbar / no welding filler metals of equivalent strength
available at present5) weitere Informationen auf Anfrage / further information upon request
stimmt. Dabei wird davon ausgegangen,dass die Eigenspannungen der Streckgrenzedes Grundwerkstoffes bzw. des Schweiß -gutes ent sprechen. Die übrigen zuvor ge -nannten Kenngrößen lassen sich zu einerSummenformel zusammenfassen. Dieseer möglicht es, eine angemessene Vorwärm-temperatur für ein kaltrisssicheres Schwei-ßen zu errechnen. Auch hier waren dieUntersuchungen der ThyssenKrupp SteelEurope AG wegweisend. Die Überlegungenzur Ver meidung von Kaltrissen haben alsCET-Konzept Eingang in das Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 088-1993 und dieDIN EN 1011 gefunden.
Beispielhaft geben die Abb. 18 bis 20Auskunft über die je nach Blechdicke undKohlenstoffäquivalent CET erforderliche Vor-wärmtemperatur beim Schweißen vonStumpfnähten. Zu achten ist dabei auf dieAnnahme des zutreffenden CET. Das CETdes Grundwerkstoffes ist nur dann maß -gebend, wenn es um 0,03 % über demdes Schweißgutes liegt, andernfalls ist dasum einen Sicherheits zuschlag von 0,03 %erhöhte CET des Schweißgutes zu berück-sichtigen. Die Gefahr, dass Kalt risse bevor-zugt im Schweißgut entstehen, ist erfah-rungsgemäß groß, wenn das Schweißgutein vergleichbares oder höheres CET auf-weist als der Grund werkstoff. D.h., dassmit Ausnahme der Schutzgasschweißungder Stähle N-A-XTRA® 550 und N-A-XTRA®
620 grund sätzlich die erhöhten Kohlen -stoffäquivalente der Schweißzusätze fürdie Berechnung der Vorwärmtemperaturmaßgebend sind.
Vermeiden von Kaltrissen
Ein wirksames Mittel zum Vermeiden vonKaltrissen ist das Vorwärmen. Es verzögertdie Abkühlung des Nahtbereiches undbegünstigt damit die Was ser stoff effusion.Die Kaltriss empfindlichkeit eines Stahlslässt sich anhand seiner Zusam men setzungab schätzen. Dazu eignet sich in besonde-rem Maße das aus umfangreichen Kaltriss-untersuchungen abgeleitete Kohlenstoff -äquivalent CET. Abb. 17 weist für die hierbehandelten vergüteten Sonderbaustähletypische CET-Werte aus.
Das Kaltrissverhalten wird neben der chemischen Zusammensetzung des Grund-werkstoffes und des Schweißgutes von derBlechdicke, dem Wasser stoffgehalt desSchweißgutes und durch das Wärmeein-bringen beim Schweißen sowie dem Eigen-spannungszustand im Naht bereich be -
16
17. Typische Kohlenstoffäquivalente zur Berechnung der Vorwärmtemperatur1)
Typical carbon equivalents for calculating the preheat temperature 1)
Stahlsorte CET im Grundwerkstoff [%] CET im Schweißgut2) + 0,03 [%]Steel grade CET in the parent metal [%] CET in the weld metal 2) + 0.03 [%]
Blechdicke / Plate thickness Schweißverfahren / Welding technique
< 20 mm 20 – 40 mm MAG/GMAW E/MMAW UP/SAW
N-A-XTRA® 550 0,29 0,31 0,33
N-A-XTRA® 6200,31 0,33 0,38 0,36 0,40
N-A-XTRA® 700
N-A-XTRA® 800 3) 3) 3)
XABO® 8900,38 0,38
0,41 0,38 –
XABO® 9600,44 – –
XABO® 1100 0,40 0,40
1) CET in % = C + (Mn + Mo) / 10 + (Cr + Cu) / 20 + Ni / 40Für die Festlegung der Vorwärmtemperatur ist entweder der Grundwerkstoff oder das Schweißgut relevant. Bei der Berechnung ist von dem jeweils höheren CET auszugehen.Either the parent metal or the weld metal is relevant for determining the preheat temperature. The higher of the metals’ CET values is to be applied in the calculation.
2) Typische Werte des reinen Schweißgutes der in Abb. 14 aufgeführten Schweißzusätze. / Typical values of the pure weld metal deposited by the filler metals listed in Fig. 14.3) Weitere Informationen auf Anfrage. / Further information upon request.
The cold cracking behavior is governed bythe plate thick ness, the hydrogen contentof the weld metal, the heat input duringwelding, the residual stress state in theweld region, and the chemical compositionof the parent metal and weld metal. It isassumed that the residual stresses arecommensurate with the yield strength ofthe parent metal and weld metal. The othermentioned parameters can be summa-rized in a formula, making it possible tocalculate a suitable preheat temperature forwelding without cold cracking. Here againThyssenKrupp Steel Europe AG has led theway with its research work. These ideas onthe avoid ance of cold cracking have led to
Avoidance of cold cracking
An effective means for avoiding cold crack-ing is preheating. It delays the cooling ofthe weld region and is thereby conducive tohydrogen effusion. A steel’s susceptibility tocold cracking can be estimated on the basisof its chemical composition. Particularlysuitable for this is the carbon equiva lentCET de rived from extensive cold crackingtests. Fig. 17 shows the CET valuestypical of the quenched and temperedspecial structural steels dealt with here.
17
18. Vorwärmtemperaturen beim MAG-Schweißen Preheat temperatures for MAG welding
19. Vorwärmtemperaturen beim Lichtbogenhandschweißen Preheat temperatures for manual arc welding
20. Vorwärmtemperaturen beim Unterpulverschweißen Preheat temperatures for submerged-arc welding
the CET concept adopted in Stahl-Eisenmaterial specification SEW 088-1993 andDIN EN 1011.
Examples in Figs. 18 to 20 give informationon the preheat temperature that is requiredas a function of the plate thickness and car-bon equivalent CET for butt welding. Atten-tion has to be paid in this respect that theappropriate CET is applied. The CET of theparent metal is relevant only if it is 0.03%higher than that of the weld metal; other-
gehalten und dem Wärme einbringen abge-wichen wird. Für die einfache Berechnungder Vorwärmtemperatur und weiterer wichti-ger Kenn größen beim Schweißen stellen wirauf Anfrage interessierten Kunden gernunser Programm „ProWeld“ zur Verfügung(Abb. 21).
Mechanische Eigenschaften vonSchweißverbindun gen
Durch den Temperatur-Zeit-Ver lauf beimSchweißen kann sich, insbesondere in derWär me einflusszone der Schweißnaht, eineVeränderung der Stahl eigenschaf ten er -geben. Als Kenngröße wird allgemein dieAbkühlzeit t8/5 gewählt. Das ist die Zeit, diewährend des Abkühlens nach dem Schwei-ßen einer Raupe benö tigt wird, um denTemperaturbereich von 800 auf 500 °C zudurch laufen. Es ist wichtig, den Abkühl -zeitbereich so vorzu geben, dass für denSchweißnaht bereich anforderungsgerechteEigenschaften zu erwarten sind. Eine zuschnelle Abkühlung der Schweißraupenwirkt sich durch sehr hohe Maximalhärtenungünstig auf das Verformungs verhaltender Verbindungen aus und erhöht außer-dem die Kalt rissgefahr. Eine zu langsameAbkühlung hat dagegen zur Folge, dass dieFestigkeitseigenschaften des Schweißgutesnicht mehr denen des Grundwerkstoffesentsprechen. Es besteht gleichzeitig dieGefahr, dass die Wärmeeinflusszone eineungenügende Zähigkeit aufweist. Auszu -gehen ist bei der Ermittlung der geeignetenAbkühlzeit von der Mindestanforderung andie Zähigkeit und der z.B. gemäß DIN ENISO 15614-1 zu begrenzenden HöchsthärteHV 10. Abb. 22 verdeutlicht diese Zusam-menhänge schematisch. Das zur Ermittlungder Abkühlzeit t8/5 bei der ThyssenKruppSteel Europe AG entwickelte Konzept findetinzwischen weltweit Anwendung.
Der optimale Abkühlzeitbereich t8/5 für diehier betrachteten vergüteten Sonderbau-stähle liegt im Allgemeinen zwischen 5 und25 s. Je nach eingesetztem Schweißverfah-ren und Schweißgut können diese Grenzenetwas aufgeweitet oder eingeschränkt wer-den. Abhängig vom Schweißverfahren sindfür die N-A-XTRA®- und XABO®-Stähle die inAbb. 23 aufgeführten Abkühlzeiten üblich.Ausgehend von der Nahtgeo metrie, derBlechdicke und -temperatur sowie demthermischen Wirkungsgrad des Schweiß -verfahrens kann hieraus die geeigneteStreckenenergie berechnet werden.
Einlagige Kehlnähte können aufgrunddes milderen Spannungszustandes mit biszu 60 °C verminderten Vorwärm- bzw.Zwischenlagentemperaturen ge schweißtwerden. Andere Vorwärmtemperaturenergeben sich auch dann, wenn von den hierals typisch angenommenen Wasserstoff -
18
21. Berechnungsmöglichkeiten mit dem Computer-Programm „ProWeld“ Calculation possibilities with the “ProWeld” computer program
ProWeld ist ein von ThyssenKrupp Steel Europe entwickeltes Anwendungsprogramm für Schweißberechnungen.Die mehrsprachige CD-ROM kann bei ThyssenKrupp Steel Europe kostenfrei angefordert werden kann.ProWeld is a computer software developed by ThyssenKrupp Steel Europe for calculating welding parameters. The multilingual compact disc is available free of charge from ThyssenKrupp Steel Europe.
metal. At the same time there is the riskthat the heat-affected zone will not haveadequate toughness. The minimum tough -ness requirement and the maximum hard-ness HV 10, e.g. conforming to DIN EN ISO15614-1, should serve as the basis whendetermining the appropriate cooling time.Fig. 22 illus trates these cor relationsschemati cally. The concept devel oped atThyssenKrupp Steel Europe AG to deter -mine the cooling time t8/5 mean while findsapplication all over the world.
The optimum cooling time t8/5 for thequenched and tempered special structuralsteels under consider ation here is basicallybetween 5 and 25 s. These limits can bebroadened or narrowed somewhat, depen-ding on the welding technique in use andthe weld metal. The cooling times listed inFig. 23 are normal for the N-A-XTRA® andXABO® steels, as a function of the weldingtechnique. From these it is possible to cal-culate the suitable heat input per unit lengthof weld, taking as a basis the weld geome-try, plate thickness and temperature, andthermal efficiency of the weld ing technique.
wise it is necessary to consider the CET of the weld metal, which is increased by asafety factor of 0.03%. According to experi-ence, the risk of cold cracking tending tooccur in the weld metal is large if the weldmetal has a CET comparable to, or higherthan, that of the parent metal. This meansthat, with the exception of the gas metal-arc welding of the N-A-XTRA® 550 andN-A-XTRA® 620 steels, the increased carbonequivalents of the welding filler metals arebasically of relevance for calculating thepreheat temperature.
Single-pass fillet welds are achievablewith preheat and interpass temperaturesreduced by as much as 60°C because ofthe milder state of stress. Other preheattemperatures also present themselves if thehydrogen contents and heat inputs deviatefrom the levels assumed here as typical.Our pro gram “ProWeld”, which permitsthe simple calculation of the preheat tem-perature and other important welding para -meters, is readily available to interestedcustomers upon request (Fig. 21).
Mechanical properties of welded joints
The temperature-time cycle during weldingcan bring about a change in the steel prop-erties, especially in the heat-affected zoneof the weld. A parameter generally selectedhere is the cooling time t8/5. This is the timethat is necessary to pass through the tem-perature range from 800 to 500°C whilea weld bead cools after deposi tion. It isimportant to select the cooling time rangein such a way that properties suited to therequirements in hand can be expected forthe weld region. Excessively rapid cooling ofthe weld beads has a detrimental effect onthe joints’ deformation behavior, because ofvery high maximum hardnesses, and alsoincreases the risk of cold cracking. Excessi-vely slow cool ing, on the other hand, resultsin the weld metal’s strength properties nolonger corresponding to those of the parent
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22. Begrenzung der Abkühlzeit beim Schweißen (schematisch) Limitation of the cooling time for welding (schematic)
23. Üblicher Bereich der Abkühlzeit t8/51)
Normal range for cooling time t8/51)
MAG-, MIG-Schweißen5 bis / to 15 s
MAG, MIG welding
Lichtbogenhandschweißen8 bis / to 20 s
Manual arc welding
Unterpulverschweißen10 bis / to 25 s
Submerged-arc welding
1) je nach Anforderung an die Schweißverbindung kann dieser Bereich eingeschränkt oder ausgedehnt werden this range can be narrowed or broadened depending on the requirements the weld has to meet
Aus den Abb. 24 bis 26 lässt sich fürStumpfnähte je nach Ver fahren die beieiner bestimmten Blechdicke und Vorwärm-temperatur empfohlene Streckenenergieentnehmen. Dabei ist sicherzustellen, dassdie gewählte Vorwärm- bzw. Zwischenlagen -temperatur ausreicht, um Kaltrisse zu ver-meiden. Kehlnähte lassen aufgrund derstärkeren Wärmeableitung höhere Strecken-energien als Stumpfnähte zu. Bei der Kehl-naht am T-Stoß führt eine etwa um 20 bis40 % höhere Strecken energie zur gleichenAbkühl zeit wie bei der Stumpfnaht.
Beim Lichtbogenhandschweißen lässt sichdie Streckenenergie durch die Vorgabebestimmter Ausziehverhältnisse festlegen.Das geschieht, indem man das Verhältnisvon Raupenlänge zur abgeschmolzenenLänge der Stabelektrode bildet und denentsprechenden Streckenenergiewert ausAbb. 25 entnimmt.
In vielen Fällen kann die Berechnung derAbkühlzeit nicht mit genügender Genauig-keit erfolgen, da die Randbe dingungenbeim Schweißen nicht hin reichend bekanntsind. In diesen Fällen empfiehlt es sich dieAbkühlzeit t8/5 mit einem Abkühlzeitmeter zumessen. Entsprechende Geräte sind imHandel verfügbar.
Der vorstehend beschriebene Zusammen-hang zwischen den Schweißbedingungenund den mechanischen Eigenschaften vonSchweißverbindungen hat Eingang in dasRegelwerk gefunden, u.a. in das Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 088 (1993). Dort findensich zahlreiche nützliche Hinweise für dieAnwendung des Abkühlzeitkonzeptes in derPraxis. All gemeine Empfehlungen für dasLicht bogenschweißen sind in der DIN EN1011 (Teil 1, 2009) enthalten. Weitere Ein-zelheiten zur schweißtechnischen Verarbei-tung finden sich auch in unseren speziellenSchweißempfehlungen, die wir bei Bedarfgerne zur Verfügung stellen.
20
24. MAG-Schweißen MAG welding
25. Lichtbogenhandschweißen Manual arc welding
In manual arc welding, it is pos sible todetermine the heat in put per unit lengthof weld by se lecting certain run-out ratios.This is done by measuring the ratio ofdeposited bead length to consumed elec-trode length and inferring the appropriateheat input value from Fig. 25.
Calculation of the cooling time cannot takeplace with sufficient accuracy in manycases as there is inadequate knowledge ofthe welding boundary conditions. In suchcases it is advisable to measure the cool ingtime t8/5 with a cooling time meter. Suchinstruments are available commercially.
The above-described relation ship betweenthe welding conditions and the mechanicalprop erties of welded joints has be comeaccepted in relevant codes, among themStahl-Eisen ma terial specification SEW 088(1993), where there is much useful adviceon how to apply the cooling time concept inpractice. General re com men dations on arcwel ding are given in DIN EN 1011 (Part 1,2009). Further details on the topic of weld-ing are also to be found in our special weld-ing recommendations, which we will gladlymake available, if required.
Figs. 24 to 26 give the heat input recom-mended for a certain plate thickness andpreheat temperature for butt welds, accord-ing to the technique involved. It has to beensured here that the selected preheat andinterpass temperature is sufficient to avoidcold cracking. Fillet welds permit higherheat inputs than butt welds because ofthe greater dissipation of the welding heat.A roughly 20 to 40% higher heat input fora fillet weld on a tee joint leads to the samecool ing time as for a butt weld.
21
26. Unterpulverschweißen Submerged-arc welding
Anwendung
• Bergbaugeräte, z.B. hydraulische Grubenstempel, Schildausbau
• Zerkleinerungsanlagen, Schrottpressen• Erdbewegungsmaschinen, wie
Schaufelbagger und Planierraupen• Schienengebundene Schwerlastfahrzeuge
Konstrukteure und Stahlbauer machenvon der Möglichkeit erfolgreich Gebrauch,Abmessungen und Gewicht von Bauteilen
oder Bauwerken durch Verwendung wasser-vergüteter Stähle zu begrenzen. In manchenFällen lassen sich technische Grenzen in derBauhöhe erst durch Verwendung dieserStähle über winden. Neben diesen Vorteilendurch Nutzung hoher Festigkeitskennwertekönnen günstige technisch-wirtschaftlicheBedingungen im Hinblick auf eine verlängerteLebensdauer bei Verschleißbeanspruchunggegeben sein.
Der Einsatz der wasservergüteten Sonder-baustähle N-A-XTRA® und XABO® ermög-licht in vielen Fällen die Redu zie rung derBlechdicke und da mit eine Verringerung derMaterial- und Verarbeitungskosten sowieder laufenden Betriebs kosten (vgl. Abb. 1und 2). Das breite Festigkeitsspektrumbietet dem Konstrukteur die Möglichkeit,über Berücksichtigung der Beanspruchungs-und Ferti gungs bedingungen, die optimaleStahlsorte auszuwählen. N-A-XTRA®- undXABO®-Stähle haben sich dadurch ein weitesFeld an Einsatzmöglichkeiten in wichtigenBereichen der Technik geschaffen. TypischeAnwendungs beispiele sind:• Druckbehälter, stationär, zum Teil
in Mehrlagenbauweise• Druckbehälter zum Transport von
verflüssigten Gasen• Druckrohrleitungen für Wasserkraftwerke• Schiffbau, Offshoreplattformen,
Schiffskrane• Straßenfahrzeuge für Schwertransporte• Brückenbauten, Hallenkonstruktionen• Bauteile für Mobilkrane,
z.B. Untergestelle, Drehkränze und Teleskopausleger
22
Application
allow ance for the ser vice and fabri cationconditions. N-A-XTRA® and XABO® steelshave thereby created for themselves abroad range of pos sible applications inimport ant engineering domains. Typical examples of use include:• Stationary pressure vessels, partly in
multi-layer design• Pressure vessels for the transportation
of liquefied gases• Penstocks for hydroelectric power plants• Shipbuilding, offshore platforms,
derricks• Heavy-duty road transport vehicles• Bridge structures, building construction• Components for mobile cranes, e.g.
chassis, live rings and telescopic jibs• Mining equipment, such as hydraulic
pit props, shield-type supports• Mills, crushers, scrap presses• Earthmoving machinery, such as bucket
excavators and bulldozers• Heavy-duty rail vehicles
Design and steel construction engineers aresuccessfully ex ploiting the possibility to limitthe dimensions and weight of componentsor structures by using quenched and tem-pered steels. Technical restrictions on theheight of structures are in many cases sur-mountable only by utilizing these steels.Along with these advantages derived fromhigh strength properties, favorable technicaland eco nomic conditions can be createdwith regard to prolonged life times in wear-exposed service environments.
In many instances the use of N-A-XTRA®
and XABO® quenched and tempered specialstructural steels provides the meansto reduce the plate thickness and thus thematerial and processing costs, as well ascurrent operating expenses (cf. Figs. 1and 2). The broad strength spectrum offersdesign engin eers the possibility to selectthe optimum steel grade while making due
23
Ausblick, Schrifttum, Bezugsquellen
Schrifttum
Die folgenden Druckschriften enthalten weitergehende Informationen zu denbehandelten Themen:
Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 088-93:Schweißgeeignete Feinkorn baustähle,Richtlinien für die Verarbeitung, besondersfür das Schmelzschweißen
DIN EN 10025Warmgewalzte Erzeugnisse aus Bau stählen– Teil 6: Technische Lieferbedingungen fürFlacherzeugnisse aus Stählen mit höhererStreckgrenze im vergüteten Zustand
DIN EN 1011 (Teil 1, 2009)Empfehlungen zum Schweißen metallischerWerkstoffe, Teil 1: Allgemeine Anleitungenfür Lichtbogenschweißen
DIN EN 1011 (Teil 2, 2010)Empfehlungen zum Schweißen metallischerWerkstoffe, Teil 2: Lichtbogen schweißenvon ferritischen Stählen
Merkblatt 381Schweißen unlegierter und niedriglegierterBaustähle, Auflage 1999Stahl-Informations-Zentrum
Kennzeichnung von Schweißtempe ratur -zyklen hinsichtlich ihrer Auswirkung aufdie mecha nischen Eigenschaften vonSchweißverbindungen durch die Abkühl-zeit t8/5 und deren ErmittlungThyssen Technische Berichte (1985) Heft 1, Seite 57 – 73 und IIW-Doc. IX-1336-84
Hochfeste, wasservergütete Stähle für den Kranbau und NutzfahrzeugbauThyssen Technische Berichte (1991) Heft 1,Seite 53 – 62
Empfehlungen für das kalt risssichereSchweißen von BaustählenInformation der Thyssen Stahl AG (1994)
Moderne hochfeste Stähle im Nutzfahr-zeug- und Mobilkranbau – Herstellung,Verarbeitung und AnwendungATZ Automobiltechnische Zeitschrift 100(1998), Nr. 9, S. 664 – 668
Fracture toughness of modern high-strength steels with minimum yieldstrength up to 690 MPaProc. Int. Symposium on Safety in Application of High Strength Steel Trondheim (1997), Session 1.3
Modern high-strength steels with minimum yield strengths up to 690 MPaand high component safetyISOPE-2001, Stavanger (2001), Session 18
GesamtlieferprogrammThyssenKrupp Steel Europe AG
Lagerprogramm Bleche in SonderbaustahlgütenThyssenKrupp Schulte GmbH
Hochfeste Stähle N-A-XTRA® und XABO®
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp Steel Europe CD-ROM„Sonderbaustähle“
Moderne Werkstoffkonzepte für den Nutzfahrzeug- und MobilkranbauVDI Berichte, Nr. 1504, 1999, S. 219 – 228
Der Anreiz zum Einsatz der vergüteten Sonderbaustähle N-A-XTRA® und XABO®
von ThyssenKrupp Steel Europe ist dannbesonders groß, wenn nicht nur die Geste-hungskosten, sondern auch die Betriebs -kosten und die Leistungsfähigkeit einerKonstruktion von der Festigkeit des ver -wendeten Werkstoffes beeinflusst werden.
In den beispielhaft genannten Anwendungs-fällen haben sich diese Stähle trotz derkomplexen und hohen Beanspruchung derKonstruktionen seit vielen Jahren hervor -ragend bewährt. So haben wir bereits seitBeginn der 60er Jahre hochfeste wasser-vergütete Stähle in alle Welt ausgeliefert.
Die bisher sehr positiven Erfahrungen be -rechtigen zu der Annahme, dass die ver -güteten Sonderbaustähle in Zukunft inden beschriebenen Anwendungsgebietenverstärkt eingesetzt werden. Es bestehtweiterhin die Aussicht, zusätz liche Anwen-dungsfelder zu erschließen. Hierzu zählenvor allem Konstruktionen, bei denen dieBetriebskosten vom Eigengewicht bestimmtwerden. Parallel dazu wird intensiv an einerweiteren Qualitäts ver besserung unsererProdukte gearbei tet. Hierbei steht insbeson-dere die Verbesserung des Verarbeitungs-verhaltens durch Optimierung von der Stahl -zusammensetzung und des Fertigungs -weges sowie die Verbesserung der Toleranz -felder für Blechdicke und Ebenheit imVordergrund.
Neben dem bekannten Produktionswegüber die Quartostraße verweisen wir aufdie diesbezüglich be sonders vorteilhafteFertigung der N-A-XTRA®- und XABO®-Grob bleche, geschnitten aus Warmbreit-band. So lassen sich mit Bandblechenengste Dickentoleranzen mit einer Tole-ranzspanne von insgesamt 0,4 mm dar-stellen, die mit Quarto blechen im Allge -meinen nicht erreicht wird.
Detaillierte Liefermöglichkeiten sind demLieferprogramm Grobblech zu entnehmen.
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Outlook, Literature, References
Literature
For further information, please refer to thefollowing bro chures:
Stahl-Eisen Material Specification 088-93:Weldable Fine-Grained Structural Steels,Guidelines for Processing in Particular forWelding
DIN EN 10025Hot rolled products of structural steels –Part 6: Technical delivery conditions for flatproducts of high yield strength structuralsteels in the quenched and tempered con-dition
DIN EN 10111 (Part 1, 2009)Recommendations for welding of metallicmaterials, Part 1: General instructions forarc welding
DIN EN 10111 (Part 2, 2010)Recommendations for welding of metallicmaterials, Part 2: Arc welding of ferriticsteels
Code of Practice 381Welding of Unalloyed and Low-AlloyedStructural Steels, edition 1999Stahl-Informations-Zentrum
Characterization of Weld Thermal Cycles with Regard to their Effect on the Mechani cal Properties of Welded Joints bythe Cooling Time t8/5 and its Determination Thyssen Technical Reports (1985), Volume 1, pp 57 – 73 and IIW-Doc. IX-1336-84
High-strength Quenched and Tem peredSteels for Crane and Commercial VehicleConstructionThyssen Technical Reports(1991) Volume 1, pp 53 – 62
Recommendations for Avoi d ing Cold Cracking when Welding Structural SteelsInformation of Thyssen Stahl AG (1994)
Moderne hochfeste Stähle im Nutzfahr -zeug- und Mobilkranbau – Herstellung,Verarbeitung und AnwendungATZ Automobiltechnische Zeitschrift 100(1998), Nr. 9, pp. 664-668
Fracture toughness of modern high-strength steels with minimum yieldstrength up to 690 MPaProc. Int. Symposium on Safety in Application of High Strength Steel Trondheim (1997), Session 1.3
Modern high-strength steels with minimum yield strengths up to 690 MPaand high component safetyISOPE-2001, Stavanger (2001), Session 18
General Product RangeThyssenKrupp Steel Europe AG
Stock Program Plates made of Special Structural SteelsThyssenKrupp Schulte GmbH
N-A-XTRA® and XABO®
high-strength steelsThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp Steel Europe CD-ROM“Special Structural Steels”
Moderne Werkstoffkonzepte für den Nutzfahrzeug- und MobilkranbauVDI Berichte, Nr. 1504, 1999,pp. 219 – 228
The incentive to utilize N-A-XTRA® andXABO® quenched and tem pered specialstructural steels from ThyssenKrupp SteelEurope is particu larly great if the strengthof the material in use influences not onlythe prime costs, but also the operatingcosts and a structure’s capability.
In the applications cited as ex amples, thesesteels have shown themselves to be out -standing over many years, in spite of thecomplex and heavy loads and stresses towhich the structures are exposed. We havebeen sup plying high-strength quenchedand tempered steels throughout the worldsince the early 1960s.
The very positive experience acquired so far justifies the assumption thatThyssenKrupp Steel Europe quenched andtem pered special structural steels will findincreasing application in future in the descri-bed fields of use. There is also the prospectof additional fields open ing up, this apply-ing espe cially to structures where the deadweight dictates the operating costs. In par-allel with this, in tensive work is in progressto improve the quality of our products fur-ther, focusing in particular on the enhance-ment of the processing behavior throughoptimization of the steel composition andproduction route, and on the improvementof the tolerance bands for plate thicknessand flatness.
In this regard, we draw attention to theextremely advantageous productionmethod of cutting N-A-XTRA® and XABO®
plates from hot-rolled wide strip, besidesthe familiar route through a four-highrolling mill. Plates cut from strip permitvery close thickness tolerances with atolerance band totaling 0.4 mm, some-thing which is generally unachievable withfour-high mill plates.
The plate product mix brochure givesdetails of the supply possibilities.
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References
Stahl-Eisen Material SpecificationsVerlag Stahleisen mbHP. O. Box 10516440042 Düsseldorf, Germany
StandardsBeuth-Verlag GmbHP. O. Box10772 Berlin, Germany
Codes of PracticeStahl-Informations-ZentrumP. O. Box 10484240039 Düsseldorf, Germany
Welding Filler MetalsBöhler Schweißtechnik Deutschland GmbHWilhelmstr. 259067 Hamm, Germany
Bezugsquellen
Stahl-Eisen-WerkstoffblätterVerlag Stahleisen mbHPostfach 10 51 6440042 Düsseldorf
NormenBeuth-Verlag GmbHPostfach10772 Berlin
MerkblätterStahl-Informations-ZentrumPostfach 10 48 4240039 Düsseldorf
SchweißzusätzeBöhler Schweißtechnik Deutschland GmbHWilhelmstr. 259067 Hamm
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General note
All statements as to the prop erties or utilization of the materials and productsmen tioned in this brochure are for the purpose of description only. Guarantees inrespect of the existence of certain proper-ties or utilization of the material mentionedare only valid if agreed upon in writing.
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Schweißtechnik / Welding TechnologyDr.-Ing. IWE Christoph Günster
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