Zur Bewertung der Erstarrungsrissneigung hochfester Schweißnähte

Abstract

Das vorliegende Dokument behandelt das Phänomen der Erstarrungsrisse in niedriglegierten, hochfesten Stählen. Diese Form von Heißrissen kann die Sicherheit und Integrität von Schweißungen erheblich beeinträchtigen, da sie sich entlang der gesamten Schweißnaht erstrecken können und häufig unterhalb der Oberfläche entstehen was die Detektion stark erschwert. Selbst kleine Erstarrungsrisse dienen zudem als Ausgangspunkte für weiteres Risswachstum unter Belastung. Im ersten Schritt erfolgt eine Definition des Begriffs „Erstarrungsriss“ sowie eine Abgrenzung zu anderen Heißrissarten. Darauf aufbauend folgt eine ausführliche Analyse der Theorien zur Erstarrungsrissanfälligkeit. Aus diesen theoretischen Grundlagen lassen sich die wesentlichen Einflussfaktoren ableiten. Im Anschluss werden die Auswirkungen von Erstarrungsmodi, Korngröße, Schweißgeschwindigkeit und chemischer Zusammensetzung betrachtet. Basierend auf den identifizierten Faktoren stellt die Arbeit verschiedene Prüfmethoden vor, aus denen vier für die experimentelle Untersuchung ausgewählt wurden. Darüber hinaus hebt die Studie bestehende Forschungslücken hervor, die im weiteren Verlauf gezielt behandelt werden. Der experimentelle Teil konzentriert sich auf vier Bewertungsmethoden: das Kou-Kriterium unter Einbezug des Dihedralwinkels, den modifizierten Varestraint-Transvarestraint-Test, den Controlled Thermal Severity-Test sowie eine neuartige, fremdbeanspruchte, kraftbasierte Auswertung. Die Ergebnisse der einzelnen Testreihen werden jeweils analysiert und anschließend miteinander verglichen. Auf diese Weise lassen sich Aussagen über den Einfluss von Schweißparametern, Einspanngrad, Dehnung und Dehnrate sowie der transversalen relativen Geschwindigkeit (Querflankenbewegung) auf die Erstarrungsrissanfälligkeit der untersuchten Schweißzusätze ableiten. Da in allen Versuchen identische Zusatzwerkstoffe zum Einsatz kommen, lassen sich aussagekräftige Vergleiche ziehen. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile der eingesetzten Prüfmethoden sowie der identifizierten Einflüsse auf die Erstarrungsrissanfälligkeit. Die zuvor genannten Forschungslücken werden schließlich auf Basis der erzielten Ergebnisse adressiert.

This thesis addresses the phenomenon of solidification cracking in low-alloy, high-strength steels. Such hot cracking poses a considerable risk to the safety and integrity of welded joints, as their extent is virtually unlimited and they frequently occur below the surface, which greatly complicates detection. Moreover, even small solidification cracks may act as initiation sites for subsequent crack propagation under mechanical loading. The work first defines the concept of solidification cracking and distinguishes it from other hot cracking mechanisms. Subsequently, existing theories on solidification crack susceptibility are reviewed in detail. From this theoretical basis, the primary influencing factors governing susceptibility are derived. Particular attention is given to the effects of solidification modes, grain size, welding speed, and chemical composition. On this foundation, a range of test procedures for assessing solidification crack susceptibility is presented, from which four methods are selected for experimental application. Furthermore, four research gaps are identified, which are systematically addressed throughout the course of the study. The experimental investigations focus on four test methodologies: the Kou criterion with consideration of the dihedral angle, the modified Varestraint-Transvarestraint test, the Controlled Thermal Severity test, and a novel force-based evaluation approach. The outcomes of each test series are analyzed and critically compared with one another. These investigations provide insights into the influence of welding parameters, degree of restraint, strain and strain rate, as well as transverse relative velocity (sidewall motion speed) on the solidification crack susceptibility of the filler metals under study. The use of identical filler metals across all experiments enables robust and meaningful comparisons. Finally, the advantages and limitations of the applied test methods are summarized, along with the identified effects on solidification crack susceptibility. The previously outlined research gaps are explicitly addressed in light of the experimental findings.