Weldability of high-strength steels using conventional welding methods

Abstract

The objective of this thesis was to compare conventional welding methods and their suitability for high-strength steels as alternative choice for laser or laser-hybrid welding. Test welds were evaluated by visual inspections, tensile tests, impact tests and hardness profiles. Test materials were ferritic-bainitic Optim 700 MC Plus and bainitic-martensitic Optim 900 QC. Parameter windows for each welding process were also determined.

In the literature part, the ultra-high-strength steels and how their properties are achieved are discussed. Weldability and transformations in the heat-affected zone, and the effects of cooling time are also discussed. The functionality of conventional welding methods such as metal-active gas welding, plasma arc welding and submerged arc welding are reviewed.

Experimental part of the work consists of sample preparation, consumable selection and test equipment introduction for single-pass butt welded specimens. Mechanical testing and metallography were carried out to determine the effect of heat input on the welded materials.

The studies showed that the conventional welding methods can produce high quality welds if the possibilities and limitations of each welding method are recognized. Mechanical properties of the welded structure are controlled by the heat input, cooling time from 800 ºC to 500 ºC and consumable. Increased heat input is shown to have a drastic effect on the yield and tensile strength, softening in the heat-affected zone and impact toughness. Modifying the joint preparations for single-pass welding, the dilution rate and heat input can be decreased to enhance the mechanical properties of the welded joint.

Tämän diplomityön tavoitteena oli vertailla suurlujuusterästen hitsattavuutta käyttäen perinteisiä liittämismenetelmiä kuten MAG-hitsausta, plasmahitsausta ja jauhekaarihitsausta. Testihitsien soveltuvuutta arvioitiin silmämääräisellä tarkastuksella, vetokokein, iskukokein ja mikrokovuus -mittausten perusteella. Tutkittavat materiaalit olivat ferriittis-bainiittinen Optim 700 MC Plus ja bainiittis-martensiittinen Optim 900 QC.

Kirjallisuusosassa käsitellään suurlujuusteräksiä ja miten niiden ominaisuudet ovat saavutettu. Materiaalien hitsattavuutta, mikrorakennemuutoksia ja jäähtymisajan vaiku-tusta muutosvyöhykkeessä tarkastellaan yksityiskohtaisemmin. Perinteisten hitsausme-netelmien käytettävyyttä on lisäksi arvioitu.

Kokeellisessa osassa käsitellään hitsattavien koekappaleiden esivalmistelua, lisäainevalintoja sekä testilaitteiston esittely päittäisliitoksille. Lämmöntuonnin vaikutusta suurlujuusteräksille arvioidaan hitsattujen koekappaleiden osalta mekaanisella aineenkoetuksella ja metallografisella tutkimuksella.

Tutkitut hitsausmenetelmät soveltuvat suurlujuusterästen yksipalkohitsaukseen, kun niiden rajoitukset ovat tunnistettu. Hitsatun liitoksen mekaaniset ominaisuudet ovat erittäin riippuvaisia lämmöntuonnista, jäähtymisajasta 800 ºC - 500 ºC ja lisäainevalinnoista. Suurella lämmöntuonnilla on merkittävä vaikutus liitoksen myötö- ja murtolujuuteen, muutosvyöhykkeen pehmenemiseen ja iskusitkeyteen. Liitoksen mekaanisia ominaisuuksia voidaan parantaa oikealla lisäainevalinnalla, vähentämällä lämmöntuontia sekä muuttamalla railogeometriaa hitsauslisäaineen ja perusaineen sekoittumisen vähentämiseksi.