November 2010 - Oerlikon | The expert for industrial Welding ......2016/09/30 · November 2010 The...

Welding consumablesfor Grade P92 steel for PowerGeneration Applications

Welding ConsumableOptimisation for the Weldingof High and Very High Yield

Strength Steels

The Influence of ChemicalAnalysis on the Tensile

Strength of Nickel Base WeldMetal for 9% Nickel Cryogenic

Steel Applications

www.oerlikon-welding.com

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The technical journal of Oerlikon welding and cutting expertise.

Das technische Magazin von Oerlikon.Kompetenz für Schweißen und Schneiden.

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Schweißzusätze für P92Stähle für Anwendungen im

Kraftwerksbereich

Optimierung vonSchweißzusätzen für

hochfeste Stähle

Einfluss der chemischenZusammensetzung auf die

Zugfestigkeit von Nickel-Basis-Schweißgütern

bei kaltzähen Anwendungenmit 9% Nickel-Stahl

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Die richtigen Entscheidungen und das konsequente Umsetzen beizukunftsweisenden, innovativen Entwicklungsprojekten werden den Erfolgvon Air Liquide Welding in den kommenden fünf Jahren wesentlichbestimmen. Parallel zu dieser Grundlagenforschung muss aber auch dasumfangreiche Know-how für das bestehende OERLIKON-Programmweiter gepflegt und ausgebaut werden.

Der wachsende Energiebedarf wurde von Air Liquide Welding alsweltweiter Trend erkannt – und das nicht nur in Ländern mit bestehenderhoher Nachfrage. Um diese Situation zu nutzen wird auf verschiedenenGebieten entwickelt: Schweißzusätze, Anlagen und Verfahren. Dabeimüssen Schwerpunkte gesetzt werden.

Es wurde daher ein neues Verfahren für das Innovationsmanagementsowie die Auswahl und Abwicklung von Projekten eingeführt. Wir sinddavon überzeugt, dass wir dadurch die Erwartungen unserer Kundenbesser erfüllen können und in der Lage sein werden, die richtigenEntwicklungsprojekte zu bestimmen und unserem Forschungszentrumpräzise technische Spezifikationen vorzugeben.

In Geschäftsbereichen mit hohem Wachstum, besonders in derEnergiegewinnung, liegen die Entwicklungschancen vor allem in derVerbesserung der Produktivität, der Verringerung des Gewichtsgeschweißter Teile und in der Entwicklung innovativer Zusätze für dasSchweißen neuer Grundwerkstoffe.

Die Entwicklungen von CTAS Mitarbeitern, die in der fünften Ausgabeunserer Zeitschrift “Oerlikon Competence” vorgestellt werden, trageneindeutig zur Verwirklichung der ALW Ziele bei und ich möchte dem Teaman dieser Stelle für seine Arbeit danken. • Der Bau von Kohle- oder Öl-Wärmekraftwerken auf der ganzen Welt, vor

allem in den Schwellenländern und die neuen Umweltrichtlinien führten zurEntwicklung von Schweiß-zusätzen für 9%Cr Stähle wie P92. Hier haben wiruns dafür entschieden, neben den konventionellen Zusätzen (Massivdraht)auch Fülldrahtlösungen für das WIG- und UP-Schweißen zu entwickeln, sodass wir schnell auf eventuelle Änderungen reagieren können, die währenddes Betriebs dieser Kraftwerke notwendig sein könnten.

• Anwendungen mit hochfesten Stählen im Rahmen der immer weiterfortschreitenden Entwicklung, die Blechdicken zu verringern undgleichzeitig Verbindungen mit hoher Festigkeit und Zähigkeit herzustellen.

• Der hohe und wachsende Bedarf an Lager- und Transportmöglichkeiten fürFlüssiggase führte zur Entwicklung von Zusätzen für kaltzäheAnwendungen, insbesondere für das Schweißen von 9% Ni Stählen, die fürdie Herstellung von Behältern zur Lagerung von flüssigem Erdgas eingesetztwerden. Auf die Erfahrung bei der Entwicklung der 9% Ni Zusätze könnenwir aufbauen, um Lösungen für weitere kaltzähe Anwendungen zu finden.

Wir wünschen Ihnen eine interessante Lektüre der Beiträge unserer neuen“Competence”-Ausgabe und hoffen, Ihnen bald mehr zu den neuenEntwicklungsthemen bei Air Liquide Welding berichten zu können.

The decisions that are being made by Air Liquide Weldingregarding the choices regarding innovation for the developmentsto be carried out by its research staff will have an importanteffect on the welding business in the coming five years.

At the same time, Air Liquide Welding must also maintain therecognised and extensive expertise of the global offer fromOERLIKON.

The increasing demand for energy has been identified by AirLiquide Welding as a global trend, not just from those countrieswith an existing high demand. To take advantage of this situation,there are several areas of development for welding consumables,equipment and processes, but ALW must be selective.

This is why ALW has decided to introduce a new process formanaging innovation and the selection and management ofprojects. We believe this will enable us to address ourcustomers’ expectations and requirements more closely and tobe more selective in our development choices and more precisein terms of the technical specifications for our research centre.

In high-growth business segments, particularly those relating toenergy generation, the areas of development are primarily linkedto improving productivity, reducing the weight of weldedassemblies and developing innovative welding consumables forassembling new materials.

The developments presented in this fifth issue of our OERLIKONCompetence magazine by the employees of the CTAS obviouslycontribute to the achievement of ALWs objectives and I wouldlike to take this opportunity to thank them for their work.

• The continuation of the building of thermal power plants usingcoal or oil in all countries, particularly emerging countries,combined with new environmental regulations, has led tothe development of welding consumables that are suitablefor welding 9%Cr steels of the P92 type, where, in additionto conventional products (solid wire), we have decided todevelop cored wire solutions for TIG and SAW in order to beable to adapt very rapidly to any need for change that may benecessary during the operation of these plants.

• Developments of Very High Strength Steels applications areentirely aimed at supporting the strong tendency to reduce thethickness of steel and simultaneously produce high strength,high toughness joints.

• The large and increasing need to store and transport gas in liquidform has led us to develop welding consumables for cryogenicapplications, specifically designed for welding the 9% Ni steelsthat are used to build LNG storage tanks. The experienceacquired for the development of 9% Ni consumables also allowsus to anticipate future cryogenic applications.

We are convinced that you will appreciate these articles in thisnew issue of Competence and we hope to be able to tell youmore about the new subjects of development selected by ourAir Liquide Welding group very soon.

Jean Paul SchmittInnovation Manager - Air Liquide Senior Expert Welding

COMPETENCE Foreword

KOMPETENZVorwort

These technical papers were selected for inclusion in OERLIKONCompetence by the Editorial Panel, comprising: N. Monier, CTAS - C.de Giorgi, ALW-Expert - B. Schlatter, ALW-Expert - D.S. Taylor, ALW.The editor is G. Roure, ALW

November 2010 - November 2010

Competence - Issue 5IntroductionWelcome to the fifth edition of OERLIKON “Competence”, the journal ofOERLIKON welding technology. In this edition, there are three papers,the first article is the third in a trilogy of papers from AL CTAS whichdescribes the development of welding consumables for 9%Cr, 92grade creep resistant steel. The second paper describes consumableoptimisation for the welding of high and very high yield strength steels.The final paper in this issue concerns the influence of chemical analysison the tensile strength of nickel base weld metal for 9% nickel cryogenicsteel applications.

“Welding Consumables for Grade P92 steel for PowerGeneration Applications”In order to increase efficiency in thermal power plants, newmartensitic grades of 9%Cr steels have been developed, such asP91 and P92 grades. These steel grades, especially ASTM Grade92, have high creep resistance with a target maximum servicetemperature of approximately 610 °C for steam tube and pipeapplications. As a consequence the best toughness / creepcompromise has to be obtained to guarantee all the requirements.This article summarises the development of a new range ofwelding consumables for P92 steels which feature an innovativealloying regime utilising 1%Co, which raises the AC1 temperatureand results in enhanced weld metal creep and toughnessproperties. Long term base material, all weld metal and cross weldcreep performance evaluations were performed. As a result of thisprogramme, the welding consumable range developed for P92applications is as follows: SMAW: OERLIKON CROMOCORD 92- GTAW: OERLIKON CARBOROD WF92 - SAW: OERLIKON OPF500/OE CROMO SF92*. As the steam temperature increases inpower plant, it is also necessary to find new materials for castingturbines. In this field of castings materials, various 9-10%Crvariants have been developed and the CB2 grade has shown thebest creep results. The initial results obtained for shielded metalarc welding electrodes (SMAW) are presented in this paper. TheSMAW electrode developed for these CB2 applications isOERLIKON CROMOCORD CB2.

*flux cored SAW wire

“Welding Consumable Optimisation for the Welding of Highand Very High Yield Strength Steels”The welding of high yield strength steel grades is associated withthe risk of hydrogen induced, cold cracking. It is noted that thiscracking is no longer limited to the heat-affected zone, as in moststeels, but can also occur in the deposited weld metal. Theperformance of the following OERLIKON products in this respectare discussed for welding of HYSS, the E11018-G SMAWelectrode TENACITO 80 and the metal cored wires CITOFLUXM550 for the welding of Superelso 500 steel and CITOFLUX M700for the welding of Superelso 702 steel. It is then shown that byprecise optimisation of the nickel, chromium and molybdenumalloying contents, it is possible to meet simultaneously theminimum tensile strength and impact toughness properties in boththe as-welded and stress relieved conditions. Based on thesechemical compositions, different types of flux-wire combinations,as well as rutile flux cored and basic flux cored wires have beendeveloped. The mechanical properties of welds deposited withthese products are reported and open a discussion about thepertinence of using rutile-cored wires for these steel grades.

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Competence - Heft 5 EinleitungHerzlich willkommen zur fünften Ausgabe von "Competence" demOERLIKON Fachmagazin für Schweißtechnik. Diese Ausgabe umfasstdrei Beiträge. Der erste Beitrag ist der dritte einer 3-teiligen Reihe ausdem AL Forschungszentrum CTAS zur Entwicklung von Zusätzen fürwarmfeste 9% Cr Stähle des Typs T/P 92. Der zweite Beitrag behandeltdie Optimierung von Schweißzusätzen für hochfeste Stähle. Der letzteBeitrag beschreibt den Einfluss der chemischen Zusammensetzungauf die Zugfestigkeit von Nickel-Basis-Schweißgut für kaltzähe 9% NiStähle.

“Schweißzusätze für P92 Stähle für Anwendungen im Kraftwerksbereich”Um den Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken zu erhöhen, wurdenneue martensitische Stahltypen mit 9% Cr entwickelt, die Stähle P91und P92. Diese Stahltypen, insbesondere ASTM Typ 92, besitzeneine hohe Zeitstandfestigkeit bei einer angestrebten maximalenEinsatztemperatur um 610°C für Anwendungen an Dampfrohrenund –leitungen. Daher muss ein Kompromiss zwischen Zähigkeitund Zeitstandfestigkeit gefunden werden, um alle Anforderungenbestmöglich zu erfüllen. Die vorliegende Arbeit fasst die Entwicklungder Schweißzusätze für P92 Stähle zusammen. Sie verfügen übereine neue Legierungs-zusammensetzung mit 1%Co, die zu einerErhöhung der AC1-Temperatur führt und damit Zeitstandfestigkeitund Zähigkeit verbessert. Es wurden Langzeittests beimGrundwerkstoff, sowie Zeitstandversuche am reinen Schweißgutund an Schweißverbindungen durchgeführt. Diese Untersuchungenführten zu folgendem Schweißzusatz-Programm für P92-Anwendungen: E-HAND: OERLIKON CROMOCORD 92 - WIG:OERLIKON CARBOROD WF92 -UP: OERLIKON OP F500/OECROMO SF92*. Da die Kraftwerke bei immer höherenDampftemperaturen betrieben werden, müssen auch geeigneteneue Werkstoffe für gegossene Turbinen gefunden werden. Bei denGusswerkstoffen wurden verschiedene Varianten mit 9-10%Crentwickelt, wobei der CB2-Typ die besten Ergebnisse zeigte. Dieersten Ergebnisse für das Schweißen mit Stablelektroden werden indieser Arbeit vorgestellt. Die Stabelektrode für CB2-Anwendungenheißt: OERLIKON CROMOCORD CB2.

*UP-Fülldraht

“Optimierung von Schweißzusätzen für hochfeste Stähle”Das Schweißen hochfester Stahltypen ist immer mit dem RisikoWasserstoff induzierter Kaltrisse verbunden. Die Rissgefahr ist nichtmehr nur auf die WEZ begrenzt, wie dies bisher bei den meistenStahltypen der Fall war, sondern ist auch im Schweißgut vorhanden.Hier werden Eigenschaften der folgenden OERLIKON Produkte beimSchweißen hochfester Stähle betrachtet: E11018-G StabelektrodeTEANCITO 80 und Fülldraht CITOFLUX M550 für das Schweißendes Stahltyps Superelso 500 sowie Fülldraht CITOFLUX M700 fürSuperelso 702. Anschließend wird dargestellt, dass nur durch einepräzise Abstimmung der Legierungselemente Nickel, Chrom undMolybdän die Mindestanforderungen an die Festigkeit und an dieKerbschlagzähigkeit erreicht werden können – sowohl imSchweißzustand als auch spannungsarmgeglüht. VerschiedeneDraht-/Pulverkombinationen sowie rutile und basische Fülldrähte mitentsprechender chemischer Zusammensetzung wurden entwickelt.Die mechanischen Eigenschaften der mit diesen Schweißzusätzenhergestellten Schweißgüter werden diskutiert und dienen alsGrundlage für die Entscheidung, ob auch rutile Fülldrähte für solcheStahltypen geeignet sind.


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“The Influence of Chemical Analysis on the Tensile Strengthof Nickel Base Weld Metal for 9% Nickel Cryogenic SteelApplications”9% nickel cryogenic steels are used for the manufacture oftanks to store liquid natural gas (LNG) at -163 ºC and areusually welded with ErNiCrMo 3, 4 or 6 nickel base fillermaterials because high levels of cryogenic toughness aredifficult to achieve with ferritic filler materials. The correctchoice of welding consumable is driven by the tensile strengthproperties of 9% nickel steels which, according to ASTM,exhibit a minimum level of 690 MPa which corresponds to thehighest range of tensile strength for nickel base alloys. Thisusually results in a discrepancy between the requirements ofwelding specifications and the mechanical properties of fillermaterials. This study investigated the different chemical routesleading to higher ultimate tensile strength of the weld metalproduced with ErNiCrMo6 consumables in order to reliablyattain the strength level of 690 MPa which is typically required.It was demonstrated that substitutional atoms exhibit anegligible effect on mechanical properties. Through anadjustment of the chemical analysis of an ErNiCrMo6 SMAWelectrode it is possible to induce a sufficient level ofprecipitation to strengthen the weld metal without detrimentallyaffecting weld metal toughness. OERLIKON FREEZAL ENi9SMAW electrode has been successfully developed using theprinciples identified in this study and is commercially availableto customers.

Those readers of OERLIKON COMPETENCE who have previouslyregistered will continue to receive future editions by post automatically.Otherwise, please complete the enclosed reply card to register forfuture editions, or visit www.oerlikon-welding.com and register on line.

Thank you,David Taylor - Market Application Manager - Air Liquide Welding

“Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf dieZugfestigkeit von Nickel-Basis-Schweißgütern bei kaltzähenAnwendungen mit 9% Nickel-Stahl”Kaltzähe Stähle mit 9% Nickel werden für die Herstellung vonBehältern zur Lagerung von flüssigem Erdgas bei -163°Ceingesetzt (LNG) und meist mit Nickel-Schweißzusätzen des TypsErNiCrMo 3, 4 oder 6 verschweißt, da eine hohe Zähigkeit bei sehrtiefen Temperaturen mit ferritischen Zusätzen schwer zu erreichenist. Die richtige Auswahl des Zusatzwerkstoffes wird von derZugfestigkeit der 9%-Nickel Stähle bestimmt, die nach ASTM einMindestniveau von 690 MPa haben. Dies entspricht demmaximalen Zugfestigkeitsbereich bei Nickel-Basislegierungen undbedeutet häufig eine Diskrepanz zwischen denSpezifikationsanforderungen und den erreichbaren mechanischenGütewerten der Schweißzusätze. Die Untersuchung beschreibt dieverschiedenen Möglichkeiten über die chemischeZusammensetzung, die Zugfestigkeit von Schweißgütern, die mitErNiCrMo 6 hergestellt wurden, zu erhöhen, um eine Zugfestigkeitvon 690 MPa sicher zu erreichen. Es wurde gezeigt, dass derAustausch von Atomen einen zu vernachlässigenden Effekt auf diemechanischen Eigenschaften hat. Durch die Anpassung derchemischen Zusammensetzung der ErNiCrMo6 Stabelektrode istes möglich, ein ausreichendes Maß an Ausscheidungen zuerzielen, um das Metall zu festigen, ohne die Zähigkeit negativ zubeeinflussen. Ausgehend von dieser Untersuchung wurde dieOERLIKON Stabelektrode Freezal ENi 9 entwickelt, die Kunden imHandel beziehen können.

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Vielen Dank,David Taylor - Market Application Manager - Air Liquide Welding

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Schweißzusätze für P92Stähle für Anwendungenim Kraftwerksbereich.

Um den Wirkungsgrad von Wärmekraftwerken zuerhöhen, wurden in den 90er Jahren neue martensitischeStahltypen mit 9% Cr entwickelt, die Stähle P91 und P92.Sie werden für Dampfrohre und –leitungen in Kraftwerkenmit hoch entwickelten Dampfparametern eingesetzt. DieseStahltypen, insbesondere der ASTM Grade 92, besitzeneine hohe Zeitstandfestigkeit bei einer angestrebtenmaximalen Einsatztemperatur um 610 °C. Auch wenndiese Stähle bei hohen Temperaturen eingesetzt werden,bei denen die Zähigkeit kein Problem darstellt, ist eswichtig, dass die Schweißnähte eine gute Zähigkeit beiRaumtemperatur aufweisen und zwar im Hinblick aufHerstellungs- und Konstruktionsphasen sowie auf Anlauf-/ Abschaltphasen. Daher muss ein Kompromiss zwischenZähigkeit und Zeitstandfestigkeit gefunden werden, umalle Anforderungen bestmöglich zu erfüllen. Dievorliegende Arbeit fasst die Philosophie von Air LiquideWelding bei der Entwicklung der Schweißzusätze für P92Stähle zusammen. Eine optimierte chemischeZusammensetzung mit einem viel versprechendenKompromiss zwischen Zähigkeit und Zeitstandfestigkeitwurde erzielt. Einzelheiten zur Optimierung derchemischen Zusammensetzung auf der Basis des UP-Schweißgutes wurden in den Heften Nr. 3 und Nr. 4von „Competence“ [1, 2] vorgestellt. Danach wurden dieSchweißverbindungen mit den Verfahren WIG (GTAW),Elektrodenhandschweißen (SMAW) und UP (SAW)hergestellt. Die Zeitstandfestigkeit bei kurzen Laufzeitenwurde an Proben aus reinem Schweißgut gemessen,um sicherzustellen, dass die Gewährleistungswerte desGrundwerkstoffes erreicht werden. Außerdem wurdenLangzeittests beim Grundwerkstoff, sowieZeitstandfestigkeitstests am reinen Schweißgut und anSchweißverbindungen durchgeführt.

Da die Kraftwerke immer höhere Dampftemperaturen nutzen,müssen auch geeignete neue Werkstoffe für gegosseneTurbinen gefunden werden. Bei den Gusswerkstoffenwurden verschiedene Varianten mit 9-10%Cr entwickeltundüber mehrere Jahre hinweg im Rahmen des

Welding consumablesfor Grade P92 steelfor Power GenerationApplications.

In order to increase efficiency in thermal powerplants, new martensitic grades of 9%Cr steelshave been developed in the 90’s, such as P91 andP92 grades. They are now being used for steamtubes and pipes in power plant with advancedsteam parameters. These grades, especiallyASTM Grade 92, have high creep resistance witha target of a maximum service temperature around610 °C. Even though these steels are used at hightemperature, where toughness is not a matter ofconcern, it is important that the welded jointsshow a good toughness at room temperature, forfabrication and construction steps and for start up/ shut down considerations. As a consequencethe best toughness / creep compromise has to beobtained to guarantee all the requirements. Thepresent work aims to summarise the philosophy ofdevelopment of welding consumables for P92steels by Air Liquide Welding. An optimisedchemical composition, which features a promisingtoughness / creep compromise, has beenobtained. More detailed considerations about thischemistry optimisation, done with the SAWprocess, were presented in the journal“Competence” N°3 and 4 [1, 2]. Welded jointswere then produced using the gas tungsten arc(GTAW), shielded metal arc (SMAW) andsubmerged arc (SAW) processes. Short termcreep resistance of all weld metal specimens wasmeasured to be within the base materialacceptance criteria. Long term base material, allweld metal and cross weld creep performanceevaluations have been performed.

As the steam temperature increases in the powerplant, it is also necessary to find new materials forcasting turbines. In this field of castings materials,various 9-10%Cr variants have been developed and


tested for many years within the European COSTprogramme, which is an European cooperation inthe field of scientific and technical research. AirLiquide Welding has been active in this programmefor many years. Currently, the programme is COST536 and concerns Alloy development for CriticalComponents of Environmentally Friendly PowerplanT (ACCEPT). Among the materials tested, theCB2 grade shows the best creep results and is nowlikely to be used in real service conditions. The firstresults obtained for shielded metal arc welding(SMAW) products are presented in this paper.

The present paper summarises the results obtainedwith P92 SAW consumables in a first part. Thesecond part is dedicated to the adaptation ofchemical analysis obtained on P92 with the SAWprocess to the other SMAW and GTAW processes.The final section discusses the development of newmaterials for castings and perhaps forgings requiredto improve the efficiency of thermal power plants.

This paper is the last of a trilogy in the OERLIKONjournal “Competence” dedicated to the developmenthistory of the 92 steel grade welding consumables.It closes with some indications for a promising futurefor the 9-10%Cr steels with the CB2 grade. Theseresults were first presented at the IIW Annualassembly in July 2008 and at the conference onNew Developments on Metallurgy and Applications ofHigh Strength Steels in May 2008.

P92 WELDING CONSUMABLES DEVELOPMENT

P92 SAW filler metalThe target when developing the Grade 92 weldingconsumable range was to guarantee at least the basematerial properties (ASTM A-335): Rm ≥ 620 MPa, Rp0.2 ≥440 MPa and A ≥ 20%. The targeted creep properties are inthe scatter band of the base material. Moreover, the boilercode requires toughness V-notch values of 35 J/cm2 at roomtemperature. Generally speaking, elements which increasecreep resistance are detrimental for toughness in weld metal:the challenge is then to achieve the best toughness/creepcompromise, while fulfilling these specifications.

A good starting point is to design the weld metal with achemical analysis within the chemical range of the 92 grade,which is expected to lead to similar creep propertiesto the base material. Fine tuning of alloying additions tothe welding consumables results in weld metal withthe necessary creep enhancing elements. Working with fluxcored wires is an efficient route for stepwise formulation tobe performed more efficiently to develop optimisedconsumables which have to fulfil competing weldmentproperties, simultaneously.

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COST-Programms (europ. Kooperation in wissenschaftlicher undtechnischer Forschung) getestet. Zurzeit wird im Rahmen vonCOST 536 an der Entwicklung von Legierungen für kritischeKomponenten umweltfreundlicher Kraftwerke gearbeitet(ACCEPT). Von den getesteten Werkstoffen zeigt der Typ CB2die besten Zeitstandeigenschaften und wird jetzt wohl unterrealen Betriebsbedingungen eingesetzt. Die ersten Ergebnissefür das Schweißen mit Stabelektroden werden in dieser Arbeitvorgestellt.

Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt die Ergebnisse,die mit P92 UP-Schweißzusätzen erzielt wurden. Im zweiten Teilgeht es um die Anpassung der für das P92 UP-Verfahrenentwickelten chemischen Zusammensetzung an die WIG- undLichtbogenhandschweißverfahren. Der letzte Abschnittschließlich beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuenWerkstoffen für Guss- und Schmiedeteile, die zur Erhöhung desWirkungsgrades von Kraftwerken erforderlich sind.

Diese Arbeit ist der letzte Teil einer dreiteiligen Reihe derOERLIKON "Competence", die sich mit der Geschichte derSchweißzusatzwerkstoffe für Stähle des Typs 92 beschäftigte. Sieschließt mit einigen Hinweisen auf eine viel versprechende Zukunftfür die Stahltypen mit 9-10% Cr des Typs CB2. Die folgendenErgebnisse wurden zum ersten Mal bei der IIW Jahreshaupt-versammlung im Juli 2008 vorgestellt, sowie bei der Konferenz„Neue Entwicklungen in der Metallurgie und der Anwendung vonhochfesten Stählen“ im Mai 2008 (New Developments onMetallurgy and Applications of High Strength Steels).

ENTWICKLUNG VON P92 SCHWEIßZUSÄTZEN

P92 Schweißzusatz für das UP-Schweißen

Bei der Entwicklung von Schweißzusätzen für Stähle des Typs 92 wares das Ziel, mindestens die Eigenschaften des Grundwerkstoffes zugarantieren (ASTM A-335): Rm≥620MPa, Rp0.2≥440MPa undA≥20%. Die angestrebte Zeitstandfestigkeit sollte innerhalb desStreubandes des Grundwerkstoffes liegen. Außerdem verlangen dieVorschriften für Behälter eine Charpy-V-Zähigkeit von 35J/cm² beiRaumtemperatur. Allgemein kann man sagen, dass Elemente, die dieZeitstandfestigkeit erhöhen, sich negativ auf die Zähigkeit imSchweißgut auswirken. Die Herausforderung besteht also darin, denbesten Kompromiss zwischen Zähigkeit und Zeitstandfestigkeit zufinden und dabei die oben genannten Anforderungen zu erfüllen.

Ein guter Ansatzpunkt ergibt sich, wenn das Schweißgut so aufgebautwird, dass die chemische Zusammensetzung innerhalb derchemischen Analyse der Grade-92-Stähle liegt, da ähnlicheZeitstandeigenschaften wie beim Grundwerkstoff erwartet werdenkönnen. Die Zugabe kleinster Mengen an Legierungselementen überden Zusatzwerkstoff ermöglicht eine Schweißgutanalyse mit allenElementen, die zu einer Verbesserung der Zeitstandeigenschaftenführen. Dabei zeigt sich die Bedeutung der Fülldrähte, denn sieerlauben eine effizientere, schrittweise Anpassung der Formel zurOptimierung der Zusatzwerkstoffe, gerade wenn die Elementegegensätzliche Eigenschaften in der Schweißnaht bewirken.


Der Einfluss der verschiedenenLegierungselemente (C, Cr, B, N, W, Ti,O) wurde bereits in den Ausgaben Nr. 3und 4 von „Competence“ beschrieben.Wir haben festgestellt, dass sie starkeAuswirkungen auf das Mikrogefüge(Bildung von Delta-Ferrit) und damit auchauf die mechanischen Gütewerte habenkönnen.

Um die Bildung eines Delta-Ferrit-Netzesmit negativen Auswirkungen auf Zähigkeitund Zeitstandfestigkeit zu vermeiden,muss die chemische Analyse derSchweißzusätze für P 92 Austenitbildnerenthalten. Dafür eignen sich Co und Ni,die in unterschiedlicher Größenordnungim Schweißgut untersucht wurden.Obwohl der Grundwerkstoff einengeringen Anteil an Ni enthält, hat ALWentschieden, Zusätze mit Co- statt Ni-Zulegierungen zu entwickeln, da bei Coebenfalls ein positiver Effekt auf dieZähigkeit festgestellt wurde [3].Außerdem beeinflusst Co die AC1Temperatur im Gegensatz zu Ni nurunwesentlich. Dadurch macht es dieWärmenachbehandlung sicherer undvermeidet eine teilweise Re-Austenitisierung, wenn die PWHT-Temperatur zu hoch ist. DieseEigenschaft kann auch genutzt werden,um die PWHT-Temperatur zurVerbesserung der Zähigkeit zu erhöhen,vorausgesetzt die Temperaturspanne isteng genug, so dass die AC1 Temperaturnicht überschritten wird.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen typischeErgebnisse, die an reinem Schweißgutder Draht-/Pulverkombination OE-Cromo SF92/OPF500 erzielt wurden.Proben des reinen Schweißgutes wurdenmit einem Draht Ø3.2mm und denfolgenden Schweißparametern hergestellt:530A, 29V, 60cm/min, Wärmeeintrag15.4kJ/cm einer Vorwärmtemperaturvon 250 °C und einer Zwischenlagen-temperatur von 250 °C. Wärmenach-behandlung bei 760 °C/4h mit einerAufwärm- und Abkühlzeit von 50 °C/h.

Zeitstandsversuche (85MPa) an reinenSchweißgütern mit unterschiedlicherchemischer Zusammensetzung habenbestätigt, dass sich der Ersatz von0,5%Ni durch 1%Co positiv auf dieZeitstandfestigkeit auswirkt [1] (Bild 1).

Die ALW P92-Zusätze wurden dannbeim Bau der Hauptdampfleitung dessuperkritischen Kraftwerks in Avedore(Dänemark) eingesetzt. Zeitstandver-suche an UP-Zusätzen (bis zu 30000h)bei 600 °C wurden durchgeführt.

The investigations on the influence ofthe different alloying elements (C, Cr,B, N, W, Ti, O) have been alreadypresented in previous “Competence”editions, numbers 3 and 4. We haveseen that they could have strongeffects on micro-structure (formationor not of delta ferrite) and of coursemechanical properties.

To avoid the formation of a delta-ferrite net which will be detrimentalto toughness and creep resistance,austenite forming elements have tobe present in the 92 chemistry. Coand Ni being fit for purpose,variations of these elements in theweld metal deposit have beenstudied. Despite the fact that thebase metal contains a smallamount of Ni, ALW has chosen todevelop products based on theaddition of Co instead of Ni.

A positive effect of Co alloyingon toughness has indeed beenreported [3]. Moreover Co does notsignificantly affect AC1 temperature,unlike Ni. Consequently it givesgreater safety during PWHT,avoiding partial re-austenitisation ifPWHT is performed at too high atemperature. This property canalso be used to raise PWHTtemperature to improve toughness,providing that the temperaturerange is narrow enough not toexceed the AC1 temperature.

Tables 1 and 2 show typical resultsobtained on all-weld metal depositsusing the OE-Cromo SF92/OPF500combination. All-weld metal sampleshave been generated using a 3.2 mmdiameter wire, with the followingwelding parameters: 530 A, 29 V,60 cm/min, heat input 15.4 kJ/cmusing a , a pre-heating temperatureof 250 °C and an interpasstemperature of 250 °C. A Post WeldHeat Treatment 760 °C/4h with aheating and cooling rate of 50 °C/hhas been used.

Isostress (85 MPa) creep rupturetests on all weld metal for variouschemical compositions haveconfirmed that replacing 0.5%Ni by1%Co was beneficial for creepresistance [1] (Figure 1).

ALW consumables for P92 gradehave then been used for assemblingthe main steam piping of thesupercritical power plant in Avedore(Denmark). Long term creep rupture

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Table 1: Chemical composition of all weld metal of OE-Cromo SF92/ OPF500 combination with corresponding specification of T/P 92

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung des GrundwerkstoffesT/P 92 und des reinen Schweißgutes, hergestellt

mit der Draht-/Pulverkombination OE Cromo SF92/OPF 500

ElementsElemente BM P92

OE-Cromo SF92/OPF500 typicalOE-Cromo SF92/OPF500 typische Werte

C % 0.07 0.13 0.10Mn % 0.3 0.6 1.2Si % - 0.5 0.2Cr % 8.5 9.5 8.5Mo % 0.3 0.6 0.42V % 0.15 0.25 0.21

Nb % 0.04 0.09 0.045W % 1.5 2.0 1.5Co % - - 1.0Ni % - 0.4 0.02B ppm 10 60 10N ppm 300 700 420

Table 2: All weld metal characterisation results using OE-CromoSF92/OPF500 combination

Tabelle 2: Eigenschaften des reinen Schweißgutes,hergestellt mit OE-Cromo SF92/OPF500

100 000

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1 000

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1/T (K-1)

Submerged Arc Welding - UP-Schweißen(PWHT 760 °C - 4 h)

log

tr

(h)

0.001100.001080.001060.001040.00102

1% Co 25 ppm B average1% Co 25 ppm B im Mittel

N S Data Package averageN S Data Package Mittelwert

0.5% Ni 25 ppm B average0,5% Ni 25ppm B im Mittel

Fig. 1: Influence of Cobalt and Nickel content on isostress (85MPa)creep resistance in SAW P92, values of base metal are from NipponSteel Data Package [4]

Bild 1: Einfluss von Kobalt und Nickel auf die Zeitstandfestigkeit(85MPa) beim UP-Schweißen von P92, Werte der

Grundwerkstoffe aus: Nippon Steel Data Package [4]

Kv +20 °C(J/cm2) Rm (MPa) Rp0.2 (MPa) A (%) Ac1 (°C)

140 730 588 22 802


Die Ergebnisse sind in Bild 2zusammengefasst, das zeigt, dass dieZeitstandwerte auf dem gleichen Niveauwie beim Grundwerkstoff liegen.

P92 Schweißzusatz für dasLichtbogenhandschweißen(SMAW)

Um eine einheitliche Lösung für den P 92Stahl zu haben und aufgrund der gutenErgebnisse mit der UP-Kombination,entschloss sich ALW, Stablelektroden fürdas E-Hand-Schweißen mit 1% Co statt0.5% Ni zu entwickeln. Die Tabellen 3und 4 zeigen die chemische Zusam-mensetzung und die mechanischenGütewerte zweier reiner Schweißgüter,die mit Stabelektroden Ø 4,0mm dieserbeiden Legierungstypen hergestelltwurden. Vorwärmtemperatur 250 °C undZwischenlagentemperatur 250 °C. Diebeiden Proben wurden bei 760 °C für 4Stunden mit einer Aufwärm- undAbkühlzeit von 50 °C/h nachbehandelt.Der Wärmeeintrag lag zwischen 11 und12kJ/cm.

Beim UP Verfahren wurde mit Co eineVerbesserung der Zähigkeit beobachtetsowie eine Erhöhung der Umwandlungs-temperatur des Schweißgutes (sieheTabelle 4), was eine sichere Wärmenach-behandlung PWHT bei 760 °C erlaubt.

Zeitstandversuche (85MPa) an allenreinen Schweißgütern unterschiedlicherchemischer Zusammensetzung habenebenfalls bestätigt, dass sich dieZulegierung von 1%Co statt 0,5% Nigünstig auf die Zeitstandfestigkeitauswirkt (Bild 3).

Angesichts dieser Ergebnisse wurde dieAnalyse des reinen Schweißgutes allerStabelektrodendurchmesser nachderselben Legierungsphilosophie wiebeim UP-Schweißgut hergestellt. AlleSchweißgutwerte wurden gemäß AWSA5.5 an gepufferten Testblechen mitStabelektroden in den Durchmessern 2,5 /3,2 und 4,0mm ermittelt. FolgendeSchweißparameter wurden verwendet:

• Ø 2,5mm: 95A, 21V, Wärmeeintrag6kJ/cm,

• Ø 3,2mm: 120A, 23V,Wärmeeintrag 8kJ/cm,

• Ø 4,0mm: 160A, 23V, Wärmeeintrag11kJ/cm,

Vorwärmtemperatur: 250 °C;Zwischenlagentemperatur: 250 °C. AlleProben wurden bei 760 °C für 4 Stundennachbehandelt, bei einer Aufwärm- undAbkühlzeit von 50 °C/h.

tests on SAW products (up to 30000 hrs)at 600 °C have been performed.The results are presented in Figure 2,which shows that weld metal creeprupture points are at the same levelas the base material.

P92 SMAW filler metalIn order to get a homogeneouswelding solution for 92 grade anddue to good results obtained withthe SAW combination, ALW hasdecided to develop a SMAW rangecontaining 1% of Co instead of 0.5%of Ni. Tables 3 and 4 presentchemical analyses and mechanicalproperties of two all weld metaldeposits performed using SMAWelectrodes in diameter 4.0 mmfor these two alloying regimes.Preheating temperature of 250 °Cand interpass temperature of 250 °Cwere applied. The two samples werePost Weld Heat Treated at 760 °Cfor 4 hours, with a heating andcooling rate of 50 °C/h. Heat inputranged between 11 and 12 kJ/cm.

As for the SAW process, we observedan improvement in toughness withthe presence of Co and an increase inthe transformation temperature of theweld metal (see Table 4), which safelyallows performing PWHT at 760 °C.

Isostress (85 MPa) creep rupturetests on all weld metal with variouschemical compositions have alsoconfirmed that replacing 0.5%Ni by1%Co was beneficial for creepresistance (Figure 3).

In light of these results, the all weldmetal analysis of all SMAW electrodediameters has been finally designedwith the same alloying philosophyas the SAW weld metal. Allweld metal characterisations wereprepared on buttered test platesusing 2.5, 3.2 and 4.0 mmelectrodes, according to AWS A5.5.

They were performed with thefollowing welding parameters:• Ø 2.5 mm: 95 Amps, 21 V, heat

input 6 kJ/cm,• Ø 3.2 mm: 120 Amps, 23 V, heat

input 8 kJ/cm,• Ø 4.0 mm: 160 Amps, 23 V, heat

input 11 kJ/cm,

Preheating temperature was 250 °C;interpass temperature of 250 °C. Allsamples were post weld heat treatedat 760 °C for 4 hours, with a heatingand cooling rate of 50 °C/h.

10

1 000

10

Time to rupture - Zeit bis zum Bruch (hrs)

600 °C

Str

ess

- S

pan

nung

(MP

a)

1 000 10 000 100 000100

100

P92 SAW all weld metal - P92 UP reines Schweißgut

P92 SAW cross weld - P92 UP Verbindung

2005 ECCC Grade 92

2005 ECCC Grade 92-20%

Fig. 2: Creep rupture characterisation of P92 consumables usedin Avedore power plant

Bild 2: Zeitstandeigenschaften von P92-Zusätzen,die im Kraftwerk Avedore eingesetzt wurden

100 000

10

1/T (K-1)

680 °C

670 °C

Log

tr

(h)

0.00104 0.00106 0.00108 0.001100.00102

10 000

1 000

100 NS Data Package

CROMOCORD 92 (Co)

Al CROMOCORD 92 (Ni)

Fig. 3: Influence of Cobalt and Nickel content on isostress (85 MPa)creep resistance in SMAW P92, values of base metal are fromNippon Steel Data Package [4]

Bild 3: Einfluss des Kobalt- und Nickelgehaltes auf dieZeitstandfestigkeit (85MPa) bei SMAW von P92, Werte des

Grundwerkstoffs aus: Nippon Steel Data Package [4]

Table 3: All weld metal characterisation results using Ni or Coversion of P92 SMAW electrodes in diameter 4.0 mm

Tabelle 3: Analyse des reinen Schweißgutes mit dem Ni- oderCo-Typ der P92 Stabelektrode mit Durchmesser 4.0mm

Kv +20°C (J/cm2) P92 - 0.5% Ni P92 - 1% NiCoElements - Elemente % %

C 0.10 0.10Si 0.17 0.18Mn 1.12 1.09P 0.009 0.009S 0.009 0.010Cr 8.6 8.7Mo 0.53 0.52Ni 0.47 0.06Co 0.01 0.96Nb 0.052 0.049V 0.23 0.25W 1.76 1.66B 0.0040 0.0030N 0.042 0.040

Table 4: All weld metal characterisation results using 0.5% Nior 1% Co alloyed P92 SMAW electrodes

Tabelle 4: Analyse des reinen Schweißgutes mit P92Stabelektroden mit Zulegierung von 0,5% Ni bzw. 1% Co

Kv +20°C(J/cm2)

Kv +20 °C(J/cm2)

Kv 0 °C(J/cm2)

Rm(MPa)

Rp 0.2(MPa)

A(%)

Ac1(°C)

P92 - 0.5%Ni 79 54 747 600 19 795P92 - 1% Co 96 73 729 571 19 822


Table 5 and 6 gather typicalchemical analysis and mechanicalproperties of the all weld metaldeposits. The toughness level iswell above requirements.

P92 results on welded jointsComplementary joint characterisationof ALW consumables welded onP92 grade tubes was run incollaboration with Tenaris, tubularproducts manufacturer and CentroSviluppo Materiali (Italy). The basematerials were ASTM A213T92 ODxWT 44.5 x 7.1 mm and 76x 12.5 mm tubes, supplied byTenaris. The smaller tube wasTIG welded with the CARBORODWF 92. The larger tube was weldedwith CARBOROD WF 92 and OE-CROMOCORD 92 SMAW electrodes.These results were first publishedin a common paper [5].

Joints were performed in the PF(5G1T) position (pipe with fixedhorizontal axis), with an interpasstemperature of 250 °C. A PWHT at760 °C for 4 hours was thencarried out with a heating andcooling rate of 50 °C/h. Heat inputwas in the 7 to 13 kJ/cm range forthe SMAW process, and 26 to45 kJ/cm for the GTAW process,the latter due to a low weldingspeed, particularly for the rootpass. The requirement for UTSof the weld metal was slightlyabove the base material to ensureovermatching of the joint.

All joints successfully passed X-rayradiography controls. An evaluationof mechanical properties at roomtemperature (tensile tests, hardnessand toughness) was carried out.Results are shown in Tables 7 and 8.Mechanical properties in weld metaland HAZ obtained after PWHT withSMAW or GTAW process fulfill theminimum requirements.

P92 ConclusionsAs a result of a study of the effect of chemical elements onthe creep / toughness compromise, an optimised chemicalcomposition for all weld metal was obtained. Based on thischemical composition, Air Liquide Welding developed a fullrange of welding consumables dedicated to Grade 92steels. Alloying with 1%Co is used, for enhanced creep,toughness properties and to raise the AC1 temperature.

All weld metal tests and tube joints characterisation werecarried out, which demonstrated that satisfactory resultsare obtained according to relevant standards.

Die Tabellen 5 und 6 fassen die typischechemische Zusammensetzung undmechanischen Gütewerte des reinenSchweißgutes zusammen. DasZähigkeitsniveau liegt deutlich über denAnforderungen.

P92 Ergebnisse anVerbindungsschweißungenErgänzende Versuche von Schweiß-verbindungen mit P92 Rohren undALW Zusatzwerkstoffen wurden inZusammenarbeit mit dem RohrherstellerTenaris und der Materialentwick-lungsanstalt in Italien (Centro SviluppoMateriali) durchgeführt. Als Grund-werkstoffe wurden verwendet: ASTMA213 T92 ODxWT 44.5 x 7.1mm sowie76 x 12.5mm Rohre, die von Tenarisgeliefert wurden. Das kleinere Rohrwurde im WIG-Verfahren mit CarborodWF 92 geschweißt, das größere Rohr mitCarborod WF 92 und OE-Cromocord 92Stabelektroden. Die Ergebnisse wurdenzunächst in einem gemeinsamen Artikelveröffentlicht [5].

Die Schweißverbindungen wurden inPosition PF (5G1T) (Rohr mit festerhorizontaler Achse) und einer Zwischen-lagentemperatur von 250 °C ausgeführt.Die Wärmenachbehandlung erfolgte dannbei 760 °C über 4h bei einer Aufwärm- undAbkühlzeit von 50 °C/h. Der Wärmeeintraglag beim SMAW-Verfahren zwischen 7 bis13kJ/cm und beim GTAW Verfahrenzwischen 26 bis 45kJ/cm. Letzteres ist aufdie niedrige Schweißgeschwindigkeit vorallem in der Wurzellage zurückzuführen. DieAnforderungen an die Zugfestigkeit desSchweißgutes lagen leicht oberhalbder gewährleisteten Werte des Grund-werkstoffes, um sicherzustellen, dass ein„Overmatching“ in der Verbindung erreichtwird.

Alle Schweißverbindungen durchliefendie Röntgenuntersuchung erfolgreich.Die Ergebnisse der Analyse dermechanischen Gütewerte bei Raum-temperatur (Zugfestigkeit, Härte undZähigkeit) sind in den Tabellen 7 und 8dargestellt. Die mechanischen Gütewerte

im Schweißgut und in der WEZ beim SMAW oder GTAW Verfahrenerfüllen nach Wärmebehandlung die Mindestanforderungen.

P92 SchlussfolgerungenDie Studie führte zu einer optimierten chemischen Zusammensetzungdes reinen Schweißgutes, die den besten Kompromiss zwischenZeitstandfestigkeit und Zähigkeit darstellt. Ausgehend von dieserchemischen Zusammensetzung hat Air Liquide Welding einvollständiges Schweißzusatzwerkstoffprogramm für Stähle des Typs92 entwickelt. Eine Zulegierung von 1% Co dient der Verbesserung der

11

Table 5: Typical chemical composition of all weld metalfor the different diameters of OE-CROMOCORD 92

Tabelle 5: Typische chemische Zusammensetzung des reinenSchweißgutes von OE-CROMOCORD 92

ElementsElemente BM P92

OE-CROMOCORD 92 typicalOE-CROMOCORD 92 typisch

C % 0.07 0.13 0.10Mn % 0.3 0.6 1.1Si % - 0.5 0.2Cr % 8.5 9.5 8.7Mo % 0.3 0.6 0.49V % 0.15 0.25 0.22

Nb % 0.04 0.09 0.040W % 1.5 2.0 1.7Co % - - 1.0Ni % - 0.4 0.06B ppm 10 60 32N ppm 300 700 380

Table 6: All weld metal characterisation results using the differentdiameters of OE-CROMOCORD 92

Tabelle 6: Mechanische Eigenschaften des reinen Schweißguts vonOE-CROMOCORD 92 geschweißt mit verschiedenen Durchmessern

OE-CROMOCORD92

Kv +20 °C(J/cm2)

Rm(MPa)

Rp0.2 (MPa) A (%)

Ø 2.5 mm 110 676 510 20Ø 3.2 mm 93 741 587 21Ø 4.0 mm 96 729 571 19

Table 7: Mechanical properties measured on T92 ODxWT4.5 x 7.1 mm tube

Tabelle 7: Mechanische Gütewerte gemessenam Rohr T92 ODxWT 44.5 x 7.1mm

Test Zone ResultsErgebnisAcceptance criteriaAbnahmekriterien

Tensile at RT (MPa)Zugfestigkeitbei RT (MPa)

CW - UTS>660

Kv at RT (J/cm2)Kv bei RT (J/cm2)

WM 100>35 at RTFL+1 mm 195

BM 165

Hv10 maxWM 245 n/aHAZ 259BM 244 Max 265 Hv

Table 8: Mechanical properties measured on T92 ODxWT 76 x12.5 mm tube

Tabelle 8: Mechanische Gütewerte gemessenam Rohr T92 ODxWT 76 x 12.5mm

Test Zone ResultsErgebnisAcceptance criteriaAbnahmekriterien

Tensile at RT (MPa)Zugfestigkeitbei RT (MPa)

CW UTS 740 UTS>660

Kv at RT (J/cm2)Kv bei RT (J/cm2)

WM 41>35 at RTFL+1 mm 149

BM 197

Hv10 maxWM 252 n/aHAZ 260BM 242 Max 265 Hv


Air Liquide Welding consumables dedicated to T/P92 steelare SMAW electrodes OE-CROMOCORD 92, TIG rodsCARBOROD WF92 and a cored wire/flux combination forSAW OE-CROMO SF92/OP F500.

CB2 FOR CASTING TURBINES

The class of the 9-12% Cr steels offers the highestpotential to meet the required property level (creep andoxidation resistance) for critical components located in thehigh temperature zone. As the steam temperatureincreases in the power plant, it is also necessary to findnew materials for casting turbines. In that case, various 9-10%Cr variants have been developed and tested sincemany years within the COST program. Among thematerials tested, the CB2 grade shows the best creepresults and is now likely to be used in real serviceconditions. This grade contains 9to 10% Cr, as well as Mo, Co, Band N (see Table 9). This kind ofalloy is also studied to performforging pipes in order to replacepotentially in the future the grade92 if the creep properties areimproved sufficiently to compensatefor a slightly higher price.

In order to take full advantage of the properties of this steel,it is necessary to have welding consumables leading to acreep resistance in the weld metal similar to that of the basemetal. Even though this steel is used at high temperatures,in conditions where toughness is not a matter of concern, itis important that the welded joints show a good toughnessat room temperature, for fabrication and constructionsteps and for start up / shut down considerations. Asa continuation of its activities on CrMo steels [2, 7-9],Air Liquide Welding has developed matching filler materialsfor this new grade.

Within the COST program, a chemical composition, calledWB2, suitable to weld CB2 materials was establishedsome years ago. The objective for the development of thissteel grade is to reach steam parameters of 600-620 °C,240-300 bar, while an efficiency of 47% is targeted forpower station applications. As of now, long-term creeptests on various cast steel melts are in progress attemperatures in the 550-650 °C range and the longestfailure time has been obtained at 33100 hours, while thelongest on-going test has run for over 74000 hours. Also,excellent properties on joints has been demonstratedand first applications have been already agreed upon inEurope and the United States, with projects now underconstruction.

Development of SMAW consumablefor CB2 steel castings

Air Liquide Welding has developed a 4 mm diameter SMAWelectrode according to WB2 specification. The toughnessspecification was 27 J at room temperature after PWHT.

All-weld-metal deposits were deposited for differentdiameters with a preheat of 200 °C and an interpass

Zeitstandfestigkeit, der Zähigkeitseigenschaften und der Steigerungder AC1 Temperatur.

Die Analysen umfassten sowohl reine Schweißgüter als auchSchweißverbindungen und haben gezeigt, dass zufriedenstellendeErgebnisse im Vergleich zu den geltenden Normen erzielt wurden.

Zu den Air Liquide Welding Schweißzusätzen für T/P92 Stahl gehören:die Stabelektrode OE-CROMOCORD 92, der WIG-Stab CarborodWF92 sowie die Draht-/Pulverkombination zum UP-Schweißen OE-CROMO SF92/OP F500.

CB2 FÜR TURBINEN AUS STAHLGUSSDie Stähle des Typs 9-12% Cr haben das höchste Potential fürdie Erfüllung der Anforderungen (Zeitstandfestigkeit undOxidationsbeständigkeit) an kritischen Komponenten in Hoch-temperaturbereichen. Da die Dampftemperatur in den Kraftwerkenimmer weiter erhöht wird, müssen auch neue Werkstoffe für

gegossene Turbinen gefunden werden.Dafür werden im Rahmen des COST-Programms seit einigen Jahrenverschiedenen Varianten des 9-10%Cr-Typs entwickelt und getestet. Von dengestesteten Werkstoffen verfügt der TypCB2 über die besten Werte bei derZeitstandfestigkeit und wird

wahrscheinlich jetzt unter realen Betriebsbedingungen eingesetzt.Dieser Werkstofftyp enthält 9 bis 10% Cr sowie Anteile von Mo, Co, Bund N (siehe Tabelle 9). Der Legierungstyp wurde auch für dieRohrherstellung geprüft, um zukünftig eventuell den 92er Typ zuersetzen, wenn die Verbesserung der Zeitstandfestigkeit groß genugist, um einen etwas höheren Preis zu rechtfertigen.

Um die Vorteile dieses Stahltyps voll ausnutzen zu können, werdenSchweißzusätze benötigt, die eine dem Grundwerkstoff ähnlicheZeitstandfestigkeit im Schweißgut erreichen. Auch wenn der Stahl beihohen Temperaturen eingesetzt wird, also unter Bedingungen, beidenen die Zähigkeit kein Problem bereitet, müssen dieSchweißverbindungen dennoch eine gute Zähigkeit beiRaumtemperatur aufweisen und zwar im Hinblick auf Herstellungs-und Konstruktionsphasen sowie auf Anlauf- / Abschaltphasen.Ergänzend zu den Zusätzen für die CrMo-Stähle [2, 7-9] entwickelteAir Liquide Welding auch Schweißzusätze für diesen neuenWerkstofftyp.

Vor einigen Jahren wurde im Rahmen des COST-Programms einZusatz WB2 entwickelt, dessen chemische Zusammensetzung zumSchweißen von CB2 Werkstoffen geeignet war. Ziel bei derEntwicklung dieses Stahltyps für Kraftwerksanwendungen ist dasErreichen von Dampfparametern von 600-620 °C und 240-300 Barbei einem Wirkungsgrad von 47%. Im Augenblick laufenZeitstandversuche mit verschiedenen Schmelzen bei Temperaturen imBereich von 550-650 °C. Die längste Laufzeit bis zum ersten Bruchbetrug 33100 Stunden, während die längste Laufzeit aktuell bei 74000Stunden liegt. Es wurden auch ausgezeichnete Eigenschaften anVerbindungsnähten erzielt und ein erster Einsatz bei geplantenProjekten wurde in Europa und den USA bereits vereinbart.

Entwicklung von SMAW Zusätzenfür CB2 StahlgussAir Liquide Welding hat eine Stabelektrode mit 4mm Durchmesserentsprechend der WB2 Gewährleistungswerte entwickelt. DieZähigkeitsanforderungen betrugen 27J bei Raumtemperatur nachWärmenachbehandlung (PWHT).

12

Table 9: Typical chemical composition (weight%) of studied CB2base material [6]

Tabelle 9: Typische chemische Zusammensetzung(Gewichtsanteil) des überprüften CB2 Grundwerkstoffes [6]

Kv+20° C Si Mn Cr Ni Mo V Nb Co N B

CB2 0.12 0.20 0.88 9.2 0.17 1.49 0.21 0.06 0.98 0.020 0.011


[1] A. Vanderschaeghe, J. Gabrel and C. Bonnet, “Mise au point des consommables et procéduresde soudage pour l’acier grade 92”, AFIAP, 2001.

[2] C. Chovet, E. Galand and B. Leduey, “Effect of various factors on toughness in P92 SAW weldmetal”, International Institute of Welding IIW document II-C-341-07.

[3] A.M. Barnes and D.J. Abson, “The effect of composition on microstructural development andtoughness of weld metals for advanced high temperature 9-13%Cr steels”, 2nd InternationalConference Integrity of High Temperature Welds, 10-12 Nov. 2003, London.

[4] Nippon Steel Corporation: “Data Package for NF616 Ferritic Steel (9Cr-0.5Mo-1.8W-Nb-V)” ;Second edition, March 1994.

[5] E. Bauné, E. Galand, B. Leduey, G. Liberati, M. Engelvaart, S. Caminada, G. Cumino, A. DiGianfrancesco, L. Cipolla, “Advanced Ferritic High Chromium Grades For Power Generation Applications:Similar And Dissimilar Weldability Assessment And Long-Term Performances”, Symposium on HeatResistant Steels and Alloys for USC Power Plants 2007, Jully 3-6, 2007, Seoul, Korea.

[6] T-U. Kern, M. Staubli and B. Scarlin, “The European Efforts in Material Development for 650°CUSC Power Plants – COST 522”, ISIJ International, vol. 42 (2002), n°12, pp. 1515.

[7] E.Bauné, H.Cerjak, S.Caminada, C.Jochum, P.Mayr, J.Pasternak, “Weldability and properties ofnew creep resistant materials for use in ultra supercritical coal fired power plants”, Proceedings ofthe 8th Liege Conference, European Commission, Sept. 2006, Liège, Belgium.

[8] G.Cumino, A.Poli, S.Caminada, E.Bauné, E.Galand, B.Leduey, A.Bertoni, F.Cirilli, A.DiGianfrancesco, ”Grade 23 and 24 tubes, pipes and welded joints production: materials, consumablesand process developments”, EPRI Welding and Repair Conference, June 2006, Florida, USA.

[9] E.Bauné, E.Galand, B.Leduey, G.Liberati, G.Cumino, S.Caminada, A.Di Gianfrancesco, L.Cipolla ;“Grades 23 and 92 : Weldability Assessment& Long-Term Performances for Power GenerationApplications”, International Welding/Joining Conference IWJC-Korea 2007, May 10-12, 2007,COEX, Seoul, Korea.

Reine Schweißgüter wurden mitunterschiedlichen Durchmessern beieiner Vorwärmtemperatur von 200 °C, einerZwischenlagentemperatur von 250 °C undfolgenden Schweißparametern hergestellt:

• Ø 3,2mm: 116A, 22V, Wärmeeintrag8 kJ/cm,



Folgende Wärmenachbehandlungenwurden durchgeführt: 760 °C/2h, 760 °C/4h,750 °C/10h und 730 °C/24h bei einerAufheiz- und Abkühlzeit von 50 °C/h. Dietypische chemische Zusammensetzungdes Schweißgutes ist in Tabelle 10zusammengefasst. Die mechanischenGütewerte für die unterschiedlichenDurchmesser und Wärmenach-behandlungen werden in Tabelle 11gezeigt. Es ergeben sich konformeErgebnisse sowohl bei der Zugfestigkeitals auch bei der Zähigkeit. Bild 4 zeigteinen Mikroschliff des martensitischenMikrogefüges.

Die Ac1 Umwandlungstemperatur desSchweißguts lag bei 830 °C.

CB2 ZusammenfassungDie entwickelten Schweißzusätzeentsprechen den Anforderungen desneuen Werkstofftyps CB 2. Diechemische Zusammensetzung liegt fest,wobei Änderungen zur Anpassung aneine geänderte chemische Analyse derStahlhersteller oder auf besonderenKundenwunsch möglich sind. ZuTestzwecken sind diese Produkte aufNachfrage erhältlich.

temperature of 250 °C. Weldingparameters as follow:

• Ø 3.2 mm: 116 Amps, 22 V, heatinput 8 kJ/cm,



Different types of PWHT wereperformed: 760 °C/2 h, 760 °C/4 h,750 °C/10 h and 730 °C/24 h witha heating and cooling rate of50 °C/h. The typical chemicalcomposition of weld metal ispresented in Table 10. Themechanical properties obtainedwith the different diameters andPWHT are presented in Table 11,showing results which conform torequirements both in terms oftensile properties and toughness.A micrograph of the martensitictype of microstructure is presentedin Figure 4.

The Ac1 transformation temperatureof the weld metal has beendetermined at 830 °C.

CB2 ConclusionsMatching consumables for the newgrade CB2 have been developed.These products show satisfactoryresults. The chemical compositionof these filler materials is nearlyfixed but modifications are stillpossible to take into account anymodification of the chemicalcomposition from the steel makeror special customer requests.These products are available fortesting by fabricators.

13

Table 10: Typical chemical composition of all weld metal for thedifferent diameters of CB2 SMAW electrodes

Tabelle 10: Typische chemische Zusammensetzung des reinenSchweißguts der CB2 Stabelektroden

ElementsElemente

CB2 weld metal typicalCB2 Schweißgut typische Werte

C % 0.11Mn % 0.5Si % 0.2Cr % 9.5Mo % 1.5V % 0.19

Nb % 0.045Co % 0.95Ni % 0.7B ppm 65N ppm 170

Table 11: Mechanical properties of the CB2 SMAW all-weld-metaldeposits

Tabelle 11: Mechanische Gütewerte des reinen Schweißgutshergestellt mit der CB2 Elektrode

Kv + 20 °C(J/cm2)

Rm(MPa)

Rp0.2(MPa)

A(%)

PWHT RequirementsAnforderung >35 - 547 -

760 °C/ 2 h

Ø 3.2 mm 43 788 650 18.5Ø 4.0 mm 43 818 683 18.9Ø 5.0 mm 50 767 626 18.9

760 °C/ 4 h

Ø 3.2 mm 58 757 607 22.6Ø 4.0 mm 66 763 614 19.5Ø 5.0 mm 55 739 595 19.9

730 °C/ 24 h

Ø 3.2 mm 60 781 641 18.5Ø 4.0 mm 54 890 770 15.6Ø 5.0 mm 49 761 623 19.4

750 °C/ 10 h

Ø 4.0 mm 38-36-44(39) 798 660 19.1

Ø 4.0 mm - 427* 407* 12.1*Note: * values obtained at 600 °C (all the other characterisations were performedat room temperature).Anmerkung: * Werte bei 600 °C (alle anderen Bestimmungen bei Raumtemperatur).

Fig. 4: Microstructure of CB2 weld metal

Bild 4: Mikrogefüge des CB2 Schweißguts

BIBLIOGRAPHY: / LITERATURHINWEISE:

C. CHOVET - E. GALAND - G. EHRHART- B. LEDUEYAIR LIQUIDE / CTAS -13 rue d'Epluches, Saint Ouen l'Aumône, 95315 Cergy Pontoise, France.


Welding ConsumableOptimisation for theWelding of High and VeryHigh Yield Strength Steels.

The welding of high yield strength steel grades isassociated with the risk of hydrogen induced, coldcracking. The current performance of weldingconsumables in this respect is discussed in thefirst section of this paper.

It is then shown that by precise optimisation of thenickel, chromium and molybdenum alloyingcontents, is it possible to meet simultaneously theminimum tensile strength and impact toughnessproperties in both the as-welded and stressrelieved conditions.

Based on this chemical composition, differenttypes of flux-wire combinations, as well as rutileflux cored and basic flux cored wires have beendeveloped. The mechanical properties of weldsdeposited with these products are reported andopen to a discussion about the pertinence of usingrutile-cored wires for these steel grades.

INTRODUCTION

The continuous trend to reduce the weight of structureshas caused steelmakers to increase yield strength limits tohigher and higher values. Susceptibility to weldingdifficulties, such as the risk of cold cracking or notachieving the minimum mechanical properties required,increases with each increase in yield strength. The first partof this article illustrates the relationship between the risk ofhydrogen induced cracking and the choice of weldingconsumables, with the level of mechanical properties ofthe steels being welded, by means of implant and Tekkentests. It should also be noted that this cracking mechanismis no longer limited to the heat-affected zone, as in moststeels, but can also occur in the deposited weld metal.

The simultaneous achievement of the required levels ofyield strength and deposit toughness requires precisedefinition of the chemical composition of the weld metal.The second part of this article describes the process ofoptimisation of the chemical composition based on neuralnetwork modelling and the results obtained in terms of thedevelopment of welding consumables for S690 steelgrades (0.2% proof stress at >690 MPa).

Optimierungvon Schweißzusätzenfür hochfeste Stähle.

Das Schweißen hochfester Stahltypen ist immer mitdem Risiko Wasserstoff induzierter Kaltrisseverbunden. Der erste Teil dieser Arbeit behandeltdeshalb den Einfluss von Schweißzusätzen auf dieWasserstoffrissbildung.

Anschließend wird dargestellt, dass nur durch einepräzise Abstimmung der Legierungselemente Nickel,Chrom und Molybdän die Mindestanforderungen andie Festigkeit und an die Kerbschlagzähigkeit erreichtwerden können – sowohl im Schweißzustand als auchspannungsarmgeglüht.

Verschiedene Draht-/Pulverkombinationen sowie rutileund basische Fülldrähte mit entsprechenderchemischer Zusammensetzung wurden entwickelt.Die mechanischen Eigenschaften der mit diesenSchweißzusätzen hergestellten Schweißgüter werdendiskutiert und dienen als Grundlage für dieEntscheidung, ob auch rutile Fülldrähte für solcheStahltypen geeignet sind.

EINLEITUNG

Durch den anhaltenden Trend zur Gewichtsreduzierung im Metallbauwurde in der Stahlherstellung die Streckgrenze immer weiter erhöht.Die möglichen Probleme beim Schweißen, wie z. Bsp. Kaltrisse oderdas Nichterreichen der geforderten mechanischen Gütewerte, steigtmit der Zunahme der Streckgrenze. Im ersten Teil dieser Arbeit wirdauf den Zusammenhang zwischen der Wasserstoffrissgefahr und derFestigkeit der Schweißzusätze und entsprechenden Stähle durchImplant- und Tekken-Tests eingegangen. Außerdem wird gezeigt,dass die Rissgefahr nicht mehr nur auf die WEZ begrenzt ist wiedies bisher meist der Fall war, sondern auch im Schweißgut vorhandenist.

Um sowohl die geforderte Streckgrenze als auch die Zähigkeit desSchweißguts zu erreichen, ist eine exakte Einstellung der chemischenZusammensetzung des Schweißgutes erforderlich. Im zweiten Teilwerden das Verfahren zur Optimierung der chemischenZusammensetzung durch neuronale Netzwerke erklärt, sowie dieErgebnisse der Entwicklung von Schweißzusätzen für Stähle des TypsS690 (0,2% Dehngrenze >690 MPa) beschrieben.

Abschließend wird darauf eingegangen, dass die Weiterentwicklungrutiler Fülldrahtelektroden in den letzten Jahren zu gutenKerbschlagwerten bei niedrigen Temperaturen geführt hat und zwarmit und ohne Wärmenachbehandlung. Daher scheint es an der Zeit,basische Schweißzusätze, die einer fachmännischen Verarbeitung

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bedürfen, durch Produkte auf Rutil-Basis zu ersetzen, die einedeutliche Produktivitätssteigerung möglich machen. Der Einsatz dieserProdukte wird im dritten Teil besprochen.

ENTWICKLUNGSTRENDS BEISCHWEISSZUSÄTZEN FÜR HOCHFESTESTÄHLE IM HINBLICK AUF WASSERSTOFFINDUZIERTE RISSBILDUNG Kaltrisse sind sicher die meist gefürchteten Fehler bei der Verarbeitunghochfester Stähle. Kaltrisse entstehen durch eine Kombination vondrei Faktoren: dem Wasserstoffgehalt im Schweißgut, denanstehenden Spannungen und einem kritischen Mikrogefüge.

Granjon [H. Granjon 84] beschrieb bereits die Wasserstoffdiffusionim Schweißgut und in der WEZ für Stähle mit konventionellenMikrogefügen. Der höchste Wasserstoffgehalt entsteht in denBereichen, die aufgrund der chemischen Zusammensetzung amleichtesten härtbar sind, d.h. in Bereichen, in denen dieUmwandlung von Austenit zu Ferrit zuletzt erfolgt. Das sind auch dieBereiche mit dem größten Martensitanteil. Bei den gängigenBaustählen wird mit Schweißzusätzen gearbeitet, die Schweißgütererzeugen, die weniger härtbar sind als der Grundwerkstoff. Dahertreten die meisten Kaltrissprobleme in der WEZ auf. Im Gegensatzdazu müssen Schweißzusätze für hochfeste Stähle im Schweißguteinen höheren Anteil an Legierungselementen als im Grundwerkstoffaufweisen, um so die Anforderungen an die Streckgrenze und dieKerbschlagzähigkeit zu erfüllen. In diesem Fall wird das Schweißgutzum am stärksten härtbaren Bereich und daher am anfälligstenfür Risse.

Im ersten Teil dieser Veröffentlichung wollen wir das Problem derWasserstoff induzierten Risse in der WEZ hochfester Stähle inAbhängigkeit vom Wasserstoffgehalt in den Schweißzusätzenbetrachten. Danach werden die Tekken-Tests [IS91] besprochen,die an denselben Stahltypen durchgeführt wurden und dieEntwicklung der Stähle aufzeigen, die in jüngster Zeit zu einerVerschiebung der Kaltrisse von der WEZ in das Schweißgut geführthaben.

Die Schweißverfahren und Schweißzusätze wurden so gewählt,dass zwei Größenordnungen an diffusiblem Wasserstoff entstehen.Für ein niedriges Niveau an diffusiblem Wasserstoff wurden diedafür typischen Metallpulverfülldrähte verwendet. Bei dieserUntersuchung lag der Wasserstoffgehalt bei 1 und 1,3ml / 100gSchweißgut. Mit einer basischen Stabelektrode des Typs E11018 Gkonnte im Gegensatz zu den Fülldrähten der Einfluss eines höherenWasserstoffgehalts (4ml / 100g Schweißgut) auf die Kaltrissneigunggezeigt werden.

Verhalten der WEZ hochfester Stählein Abhängigkeit vom Gehalt an diffusiblemWasserstoff in den SchweißzusätzenEine erste Versuchsreihe mit Implant-Tests wurde vom franz.Schweißinstitut (Institut de Soudure) durchgeführt. Durch dieseVersuche konnte die maximale Spannung für eine bestimmteAbkühlzeit zwischen 800 und 500 °C ermittelt werden, in der keineRisse auftreten. Die Testreihe umfasste zwei Kombinationen ausStahl und Metallpulver-Fülldraht mit einer Mindeststreckgrenze von500 MPa und 700MPa (Tabelle 1). Die Ergebnisse wurden ohneVorwärmen erreicht.

Bei der Kombination aus dem Stahl SUPERELSO 500 und dem

Finally, the development of rutile flux cored wires in recentyears has enabled good levels of impact toughness to beobtained at low temperatures both with and without heattreatment. Under the circumstances, it seems attractive toreplace basic welding consumables that require skilledhandling, by rutile-based products, which enable asignificant increase in productivity. The use of theseproducts is discussed in the third and final section.

TRENDS IN WELDING CONSUMABLES FORHIGHER STRENGTH STEELS IN RELATIONTO HYDROGEN INDUCED CRACKING Cold cracking is undoubtedly the defect of primary concernwhen welding high strength steels. Cold cracking is a resultof a combination of three factors: the level of hydrogen in thedeposited weld metal, the imposed stresses and thesusceptibility of the microstructure.

The mode of hydrogen diffusion in the weld metal and in theheat-affected zone was presented by Granjon [H. Granjon84] for steels with conventional microstructures. Themaximum hydrogen level occurs in the most “hardenable”area in terms of chemical composition, i.e., the area wherethe transformation of austenite to ferrite occurs last. This isalso the region with the highest volume fraction ofmartensite. For the most commonly used structural steels,the welding consumables produce a weld deposit that is less“hardenable” than the base metal. This is why the majority ofcold cracking problems occur in the heat-affected zone. Incontrast, in higher strength steels, the welding consumablesmay produce a deposited weld metal whose composition isricher in alloying elements than the base metal in order tosimultaneously ensure compliant levels of both strength andimpact toughness. In this case, it is the weld metal thatbecomes the most “hardenable” area and therefore the mostlikely to be affected by cracking.

The first part of this section will address the problem ofhydrogen induced cracking in the heat-affected zone as afunction of the diffusible hydrogen content of the weldingconsumables. In the second part, Tekken tests [IS91] will bediscussed, that were carried out on the same steel grades,highlighting the development of these steels, which hasrecently lead to a shift in the incidence of cold cracking fromthe heat-affected zone to the weld metal.

The welding processes and consumables were chosen inorder to achieve two levels of diffusible hydrogen. Primarily,it is related to the metal-cored wires. This was due to the lowlevels of diffusible hydrogen associated with this type ofwelding consumable: in this study, they were respectively 1and 1.3 ml / 100 g of deposited weld metal. A basic E11018G-type MMA electrode was used to demonstrate the effectof a higher hydrogen level than that of the flux cored wires,4 ml / 100 g deposited weld metal, on cold cracking.

Characterisation of the behaviour of theheat-affected zone of high strength steelsas a function of the diffusible hydrogen contentattributable to the welding consumables.An initial series of implant tests was conducted by theInstitut de Soudure. These tests enabled the maximumallowable stress to be determined during the cooling period

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April 2009 - April 2009

April 2009 - April 2009

Metallpulverfülldraht OERLIKONCITOFLUX M550 erreichte dieangelegte Spannung die nominaleStreckgrenze von 500MPa ohne Riss-Risiko bei einer Abkühlzeit von über4 Sekunden. Das entspricht einemWärmeeintrag (MAG) von mehr als10kJ/cm bei Grundwerkstoffdicken von>15mm. Der geringe Anteil andiffusiblem Wasserstoff in Zusam-menhang mit diesem Schweißzusatzbedeutet also quasi absolute Sicherheit.

Beim Stahltyp mit der höchstenStreckgrenze (SUPERELSO 702),der mit dem MetallpulverfülldrahtCITOFLUX M700 verarbeitet wurde,zeigten sich bei der nominalenSpannung des Stahls bei Abkühlzeitenvon 800 °C auf 500 °C von über9 Sekunden keine Risse. Ausgehend vondiesen Zeiten ist es möglich, denentsprechenden Wärmeeintrag miteinem Diagramm wie dem des IRSID(Forschungsinstitut für Stahl und Eisenin Frankreich) [IRSID 77] zu ermitteln.Entsprechend wurde festgestellt, dassder Grenzwert für Streckenenergie(MAG) für dicke Materialien bei21 kJ/cm liegt. Niedrigere Spannungenermöglichen eine Verringerung derAbkühlzeit. So sind beiSpannungswerten von 500 MPa und 300MPa Abkühlzeiten zwischen 800 °Cund 500 °C von 8 Sekunden oder4 Sekunden möglich. Bei Metall-pulverfülldrähten und dicken Blechenliegt der Wärmeeintrag bei 20 kJ/cmund 10 kJ/cm. Daraus ergibt sich einegrößere Bandbreite bei der Wahl derSchweißparameter. Es ist interessantfestzustellen, dass Mikrogefüge mithohen Streckgrenzen mit steigenderStreckgrenze immer anfälligergegenüber Kaltrissen werden. AlsBeweis genügt es, die Rissanfälligkeitder SUPERELSO 500 und 702 Stählebei einer Belastung von 500 MPazu prüfen. Wo im ersten Fall keinerleiVorsichtsmaßnahmen erforderlichsind, ist beim zweiten Typ eineMindestabkühlgeschwindigkeit von8 Sekunden erforderlich.

Bisher bezog sich die Betrachtung aufsehr niedrige Gehalte an diffusiblem Wasserstoff, die beiMetallpulverfülldrähten typisch sind. Bild 1 zeigt, dass die zulässigeSpannung sinkt, wenn der vom Schweißzusatz eingebrachteWasserstoffanteil steigt. Bei einer Abkühlzeit von 9 Sekundenzwischen 800 °C und 500 °C wurde bei Verwendung desMetallpulverfülldrahtes die nominale Belastung des Stahls erreicht,während beim Schweißen mit der Stabelektrode TENACITO 80 derzulässige Grenzwert bei nur 415MPa lag. Dieser Rückgang ist auf die

from 800 to 500 °C in which nocracks occur. The tests involvedtwo steel/metal cored wirecombinations, representing minimumyield strengths of 500 MPa and700 MPa, respectively (Table 1). Theresults were obtained withoutpreheating.

For the combination SUPERELSO500 steel and OERLIKON CITOFLUXM550 metal cored wire, the appliedstress reached the nominal yieldstrength of 500 MPa without riskof cracking over a cooling periodthat exceeded 4 seconds. Thiscorresponds to a heat input (MAG)that is greater than 10 kJ/cm for basemetal thicknesses exceeding 15 mm.Thus, the low level of the diffusiblehydrogen associated with the fillerwire gives virtually complete security.

For the steel grade with thehighest yield strength (SUPERELSO702) used with CITOFLUX M700metal cored wire, no cracks wereobserved at the nominal stress ofthe steel for cooling times from800 °C to 500 °C that exceeded9 seconds. Based on these times,it is possible to determine thecorresponding heat input using adiagram such as that of IRSID(French Iron and Steel ResearchInstitute) [IRSID 77]. Accordingly,it was found that the thresholdheat input (MAG) for thicksections is 21 kJ/cm. Lowerstress levels enable a reduction inthe cooling time. Thus, stresslevels of 500 MPa and300 MPa enable cooling timesfrom 800 °C to 500 °C, of 8 secondsand 4 seconds, respectively. Inthe case of metal cored wires andthicker sections, the heat inputsare 20 kJ/cm and 10 kJ/cm,respectively. Accordingly, thisallows for larger freedom in thechoice of welding parameters. It isinteresting to note that themicrostructures associated withhigher yield strengths becomeincreasingly susceptible to coldcracking, the higher the strengthlevel. As proof, it is sufficient tocompare the susceptibility to cracking of the SUPERELSO500 and 702 steels at a stress of 500 MPa. Whereas theformer does not require any precautions to be taken, thelatter will require a minimum cooling rate of 8 seconds.

The discussion so far applies to the very low diffusiblehydrogen levels of the metal cored wires underconsideration. Figure 1 shows that the maximum allowable

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Table 1: Chemical analyses of the base metals and ISO all weldmetals using OERLIKON CITOFLUX M550 and CITOFLUX M700cored wires and OERLIKON TENACITO 80 MMA electrode

Kv SE500 SE702 CF M550 CF M700 TEN 80 C 0.06 0.11 0.07 0.08 0.07

Mn 1.37 0.85 1.08 1.82 1.65Si 0.24 0.26 0.34 0.52 0.4S 0.001 0.0005 0.022 0.017 0.006P 0.005 0.010 0.015 0.013 0.012As 0.015 0.03 - 0.013 -Ni 0.58 1.27 1.61 2.26 1.5Cr 0.13 0.51 0.02 0.025 0.3Mo 0.22 0.48 0.37 0.72 0.4Cu 0.11 0.34 - 0.057 -Al 0.017 0.093 0.013 0.012 -Nb 0.001 0.003 - 0.001 -Ti 0.001 0.005 0.007 0.014 -V 0.049 0.001 - 0.017 -B - 17

4,5ml diffusiblen Wasserstoff pro 100g Schweißgut zurückzuführen.Dabei ist zu bedenken, dass diese beiden Produkte in den meistenNormeinstufungen dieselbe Klassifikation aufweisen, während dierelativen Spannungsgrenzen doch deutliche Unterschiede aufweisen.

Es gibt Bauteile mit Schweißnähten, wo Schweißposition undSchweißdauer zu hohen Abkühlgeschwindigkeiten und Spannungenführen. In solchen Fällen kann die Abkühlzeit durch Vorwärmen oderdurch Nachwärmen erhöht werden. Die weiter oben bereitsangeführte Studie des Institut de Soudure zeigt, dass dieSpannungen, bei denen keinen Risse auftreten bei mit Fülldrahthergestellten Nähten und einem Wärmeeintrag von 5kJ/cm, d.h. beieiner Abkühlgeschwindigkeit Δt(800-500°C) von 6 Sekunden, von415MPa auf 700MPa ansteigen könnten, wenn auf 100°Cvorgewärmt und bei 100 °C für 45 Min. nachgewärmt würde. BeimEinsatz einer Stabelektrode (TENACITO 80) erhöhte sich bei gleichemWärmeeintrag, also bei einer Abkühlgeschwindigkeit Δt (800-500 °C)von 6,5 Sekunden, die kritische Spannung bei ähnlicher Wärme-führung von 300MPa auf 700MPa, wobei allerdings doppelt so langenachgewärmt wurde.

Wasserstoff induzierte Risse im Schweißgut:Einfluss der Schweißzusätze

Die jüngsten Entwicklungen höherfester Stähle haben zu einerVerschiebung der wasserstoffinduzierten Rissbildung von derWEZ in das Schweißgut geführt. Das haben die Tekken-Testsdes Institut du Soudure klar nachgewiesen. Zwei Testreihenwurden durchgeführt. In der ersten Testreihe sollte mit einerY-Nahtvorbereitung eine bestimmte Spannung auf das Schweißgutwirken, während in der zweiten Testreihe mit einer halben V-Naht dieWEZ analysiert werden sollte.

Ohne besondere Vorkehrungen besteht beim Schweißen desStahltyps SUPERELSO 702 mit dem Fülldraht CITOFLUX M700eine Neigung zu Kaltrissen. Der Tekken-Test mit der halbenV-Nahtvorbereitung zeigte, dass für einen effektiven Schutz der WEZein Vorwärmen von 125 °C und ein Nachwärmen bei gleicherTemperatur für mindestens 30 Min. erforderlich ist. Dies wurde unterbesonders kritischen Bedingungen erreicht, da der Wärmeeintragvon 7kJ/cm einer Abkühlgeschwindigkeit Δt (800-500) von2,5 Sekunden entspricht. Unter diesen Bedingungen entstandenRisse in dem mit Y-Nähten geprüften Schweißgut. Bei den gleichenBedingungen für das Abkühlen und Nachwärmen ergaben sich beider Stabelektrode durchweg Risse im Schweißgut, und zwar auchbei der Nahtvorbereitung als halbe V-Naht, die der Analyse der WEZdienen sollte.

Im Allgemeinen werden bei modernen hochfesten Stahltypen dieVorwärm- und Nachwärmtemperaturen sowie deren Dauer vomKaltrissrisiko im Schweißgut bestimmt. Es ist nicht unüblich, dassaufgrund dieser Tatsache die Temperaturen um 50 Grad über denfür den Stahl erforderlichen Wert hinaus erhöht werden. Das kannerhebliche Kosten verursachen und die Arbeit des Schweißerswesentlich erschweren.

Aus diesem Grund wurden für diese Stahltypen Stabelektroden mitsehr geringem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff und wasserdichterVerpackung entwickelt. [Leduey 92]. Der maximale Gehalt andiffusiblem Wasserstoff beträgt dabei 3ml pro 100g Schweißgut(bei Öffnen der Verpackung). Damit wurde erreicht, dass dieVorwärm- und Nachwärmtemperaturen nicht mehr vomSchweißgut allein, sondern praktisch zu gleichen Teilen vomGrundwerkstoff und vom Schweißgut bestimmt werden.

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stress decreases when the hydrogen level contributed by thewelding consumables increases. At a cooling time of 9seconds between 800 °C and 500 °C, the steel's nominalstress was achieved using the metal cored wire, whereaswhen welding was performed using TENACITO 80 MMAelectrodes, the permissible limit was only 415 MPa. Thisdecline is attributable to the 4.5 ml of diffusible hydrogen per100 g of deposited weld metal. It should be noted that formost standards these two products are included under thesame classification, whereas their relative stress limits arequite different.

In a structure, there are welds where the welding positionand the time frame of execution will induce both rapidcooling rates and high levels of stress. In such cases, thecooling time may be increased by means of pre-heat or post-weld heat treatment. The previously referenced studypublished by the Institut de Soudure showed that the crack-free stress tolerated by welds deposited using cored-wires atan heat input of 15 kJ/cm, i.e., at a cooling rate Δt (800-500 °C) of 6 seconds, increased from 415 MPa to 700 MPaby applying a preheat of 100 °C and a post-weld heattreatment of 100 °C for 45 min. For the TENACITO 80 MMAelectrode, using the same heat input so a cooling rate Δt(800-500 °C) of 6.5 seconds, the critical stress increasedfrom 300 MPa to 700 MPa with a similar heat treatment, butallowing double the time for the post-weld heat treatment.

Hydrogen Induced Cracking in the Weld Metal:The Role of Welding ConsumablesThe developments of recent years of high strength steelshave caused a shift in hydrogen induced cracking from theheat-affected zone to the weld-metal. This has been clearlydemonstrated by the Tekken tests conducted by the Institutdu Soudure. Two sets of tests were conducted: the first setwas intended to apply a particular stress in the weld-metalusing a Y-groove geometry, while the second was intendedto test the heat-affected zone using a semi-V groove.

Without taking special precautions, when weldingSUPERELSO 702 steel with CITOFLUX M700 metal coredwire, there is a tendency to cold cracking. The Tekken test ina semi-V groove showed that effective protection of theheat-affected zone required preheating at 125 °C and apost- weld heat treatment at the same temperature for atleast 30 minutes, under particularly severe conditions, as theheat input of 7 kJ/cm corresponded to a Δt (800-500) of 2.5seconds. Under these conditions, the Y-groove testsindicated an occurrence of cracking in the weld metal. Underthe same conditions of cooling and heat-treatment, MMAelectrode welding consistently showed the occurrence ofcracking in the weld metal, including the V-groove geometrythat was intended to test the heat-affected zone.

In general, for modern high yield strength steels, the preheatingand post-weld heat treatment temperatures and times aredetermined by the risk of cold cracking in the weld metal. It isnot uncommon for this to lead to an increase of thistemperature by some fifty degrees above the temperaturerequired for the steel. This may generate significant costs aswell as an uncomfortable working environment for the welders.

This is why MMA electrodes with very low diffusible hydrogen,packaged in watertight containers have been developed forthese types of steel [Leduey 92]. The maximum amount of


OPTIMIERUNG DER CHEMISCHENZUSAMMENSETZUNG VONSCHWEISSZUSÄTZEN FÜR STÄHLEDES TYPS E690

Es gibt viele Schweißzusätze auf dem Markt, die dieAnforderungen an die Mindeststreckgrenze erfüllen – mit oderohne Wärmebehandlung. Es hat sich aber gezeigt, dass man nichtdavon ausgehen konnte, nach dem Spannungsarmglühen einezufrieden stellende Kerbschlagzähigkeit bei -20 °C zu erreichen.Daher wurde der Einfluss der chemischen Zusammensetzunguntersucht, unabhängig davon, ob die chemischen Elementezulegiert wurden oder aus Verunreinigungen von Rohstoffenstammen, die zur Herstellung der Schweißzusätze verwendetwurden.

Es ist bekannt, dass der Einfluss des LegierungselementesKohlenstoff auf die mechanischen Eigenschaften umso größerwird, je härtbarer das Gefüge ist. Silizium trägt bekanntlich zurSteigerung der Festigkeit bei und beschleunigt dieAusscheidungsreaktionen. Mangan wird ebenfalls zum Härtenzulegiert sowie wegen seines positiven Effekts auf die Zähigkeitdes Schweißguts durch Verfeinerung des Mikrogefüges. Allerdingsbeschleunigt es die Versprödung während des Abkühlens nachdem Spannungsarmglühen. Chrom und Molybdän sind wichtig füreine ausreichende Härtbarkeit des Schweißguts, um dieMindestanforderungen an Streckgrenze und Zugfestigkeit zuerfüllen, bei gleichzeitig niedrigem Kohlenstoffgehalt. Während desSpannungsarmglühens können Cr- und Mo-Ausscheidungenentstehen. Nickel erhöht die Zähigkeit, ohne die Gefahr desEntstehens von Versprödungsphasen.

Bei den Verunreinigungen ist Sauerstoff für seine Auswirkungauf die Zähigkeit bekannt – und zwar mit und ohneWärmebehandlung. Stickstoff führt zur Versprödung durchdie Bildung von Einlagerungsmischkristallen. BeimSpannungsarmglühen ist er eines der Elemente, die zuAusscheidungen führen. Schließlich hat die Gruppe Phosphor,Zinn, Antimon und Arsen, wesentlichen Einfluss auf dieAnlassversprödung, vor allem in Bereichen mit einem Mikrogefügein unbehandeltem Zustand. Der Einfluss dieserLegierungselemente wird im Allgemeinen durch den Bruscato-Faktor beschrieben. Dieser Autor hat verschiedene Indizesvorgestellt. Die Indizes für Nickel-Stahl (3,5%), mit Zulegierung vonChrom (1,75%), Molybdän (0,5%) und Vanadium (0,1%) wurdenherangezogen, weil ihre chemische Zusammensetzung am bestenmit den in dieser Arbeit untersuchten Schweißverbindungenübereinstimmt:

Y = (10Sb + 5Sn + 2P + As) / 100 (Konzentrationen in ppm)[BRUSCATO.R.M. 1997]

Die betrachteten chemischen Analyse sind in Tabelle 2 dargestelltund die entsprechenden mechanischen Gütewerte in Tabelle 3.

Die Kerbschlagzähigkeit wurde unter der Decklage geprüft, umProben aus unbehandelten Erstarrungsstrukturen zu haben, dadies gewöhnlich Bereiche mit der niedrigsten Zähigkeit sind. UnterBerücksichtigung der geringen Anzahl an Tests im Vergleich zurAnzahl der Variablen ist es schwierig, sofort die genaue Rolle jedeschemischen Elementes bei den verschiedenen Eigenschaftenfestzustellen. Das gilt besonders für Elemente wie zum BeispielMangan, die entgegengesetzte Auswirkungen auf die erzieltenErgebnisse haben können. Eine häufig eingesetzte Berechnungs-

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diffusible hydrogen obtained is 3 ml per 100 g of depositedweld metal (when the packaging is opened). The objective isachieved that pre-heat and post-weld heat treatmenttemperatures are no longer determined by the weld metalalone, but are almost equally determined by the base metaland the weld metal.

OPTIMISATION OF THE CHEMICALCOMPOSITION OF WELDING CONSUMABLESFOR E690-TYPE STEEL GRADESThere are many commercial products which meet therequired minimum yield strengths, with or without heattreatment. However, it became apparent that obtaining asatisfactory level of impact toughness at -20 °C after astress relief heat treatment could not be taken for granted.This is why a study of the influence of chemical compositionwas carried out, whether this was a function of additions ofalloying elements or of impurities related to the rawmaterials used to manufacture the welding consumables.

Concerning alloying elements, it is well known that theinfluence of carbon on mechanical properties becomesstronger the more the structure is hardenable. Silicon isknown to increase mechanical strength and accelerate thekinetics of precipitation. Manganese is also added forhardening purposes as well as for its positive effect on thetoughness of the weld metal by microstructural refinement.But, it accelerates the process of temper embrittlementduring cooling after stress relief heat treatment. Chromiumand molybdenum are essential for sufficient weld metalhardenability in order to achieve minimum yield strength ortensile strength while maintaining a low carbon content. Crand Mo precipitates may be formed during the stress reliefheat treatment. Nickel increases toughness withoutinvolving the risk of precipitation of brittle phases.

Concerning impurities, oxygen is known to affect thetoughness of the weld metal, with or without heat treatment.Nitrogen causes embrittlement by interstitial solid solutionhardening. During stress relief heat treatments, it is one ofthe elements causing precipitation. Finally, the groupcomprising phosphorus, tin, antimony and arsenic has amarked influence on temper embrittlement, especially inareas with an as-welded microstructure. The influence ofthis group is generally described by the Bruscato index. Thisauthor has proposed several indices. The index of nickelsteels (3.5%), alloyed with chromium (1.75%), molybdenum(0.5%) and vanadium (0.1%) was selected because it isclosest in chemical composition to the welds discussed inthis study:Y = (10Sb + 5Sn + 2P + As) / 100 (concentrations in ppm)[BRUSCATO.R.M. 1997]

The chemical analyses examined are reported in Table 2 andtheir related mechanical properties in Table 3.

The impact test values were recorded under the weld cap inorder to sample as-welded solidification structures, which aregenerally areas with the lowest toughness. Taking intoaccount the small number of tests in relation to the number ofvariables, it is difficult to directly address the precise role ofeach chemical element on the various properties. This isespecially true considering that some elements, such asmanganese, may have contradictory effects on the results


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methode ist die multilineare Regression. Dazu gehören monotone,lineare und kontinuierliche Änderungen der Variablen undErgebnisse. Ein metallurgisches Verfahren aber, das zugleich hoheFestigkeitswerte und eine gute Zähigkeit erzielen soll, ist dasErgebnis unterschiedlicher, oft gegensätzlicher Wirkungen. Daherwurden die Daten mit einer Neural-Network-Software (neuronalesSystem) ausgewertet. Dieser Algorithmustyp kann mit einerGleichung nicht dargestellt werden. Andererseits sind wenigerVersuche notwendig, um zu präzisen Ergebnissen zu kommen under ermöglicht die Simulation komplexer, nicht-linearer und nicht-parametrischer Systeme sowie die Entdeckung von Korrelationen,die durch konventionellere Methoden nicht gefunden werden.

Es ist hier stets zu bedenken, dass die Anzahl der Tests zu geringwar, um ein zuverlässiges Ergebnis zu erhalten, auch bei Einsatzeines neuronalen Systems. Aber auf der Grundlage ähnlicherStudien kann festgestellt werden, dass der Algorithmus robustgenug ist, um als Einstieg für einen Entwicklungsansatz eingesetztzu werden. Die erzielten Ergebnisse machen eine nachfolgende,präzisere Bewertung erforderlich. Die geringe Testanzahl kann durchein Eingrenzen der Bandbreite der Elemente, die eine eindeutigeWirkung auf die mechanischen Eigenschaften haben, ausgeglichenwerden:

• Schweißversuche haben gezeigt, dass ein Siliziumgehalt von unter0,3% die Verarbeitungseigenschaften nicht verschlechtert. Damitwurde auch der Härtungseffekt dieses Elementes sowie seineAuswirkung auf die Kristallisationskinetik absichtlich eingeschränkt,um eine gutes Niveau an Kerbschlagzähigkeit zu halten.

obtained. A frequently-used calculation method is multivariateregression; however, this implies changes of variables andresults that are linear and continuous. A metallurgical processconducive both to high mechanical strength and goodtoughness is the outcome of several often competing effectsthat are definitely non-linear and sometimes discontinuous.This is why data processing was performed using a neuralnetwork-type software. Such an algorithm cannot berepresented by an equation. On the other hand, it requiresfewer tests in order to arrive at a precise answer and allowsmodelling of complex non-linear and non-parametric systemsas well as the identification of correlations that are notdetectable by more conventional systems.

First of all, it should be recalled that the number of tests wassmall to guarantee a

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