University of Oulu

Effect of forced weld cooling on high-strength low alloy steels to interpass temperature

Saved in:
Author: Laitila, Juhani Markus1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Mechanical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 7.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526228150
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-01-25
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 1 February 2021, at 10 a.m.
Tutor: Professor Jari Larkiola
Reviewer: Professor Antti Salminen
Doctor Pekka Nevasmaa
Opponent: Professor Antti Salminen
Docent Mika Lohtander
Description:

Abstract

One of the challenges in welding ultrahigh- and high-strength steels is the effect of limited heat input on the production times. As the cooling times of these steels have to be controlled tightly to achieve the desired weld qualities, such as impact toughness, the allowed heat input is low, which translates to reduced material deposition rates. This means that multipass welding is often required to achieve good weld quality. Because multipass welding is often used, the time spent waiting for the weld to cool to the desired interpass temperature, which is usually 100 °C, is often multiple minutes for each weld pass. The trend so far has been that more efficient welding processes have been developed to maximize the material deposition rates without increasing the heat input. Even with these efforts the use of multipass welding is still required. The use of ultrahigh- or high-strength steels reduces the material cost, allows for lighter and thinner structures while reducing transport costs as well. However, the production cost can negate some of these cost savings because of the wasted time due to the aforementioned problems with multipass welding.

To establish the feasibility of introducing forced cooling to the welding process, the effect of the cooling on the mechanical properties was studied by conducting tensile, impact, and fatigue strength experiments with Gleeble simulated and with welded specimens. Also, the microstructural differences were studied. The tensile properties were improved when forced cooling was used to cool the weld down to the temperature of 100 °C and the impact toughness was also improved or remained unchanged. The cooling also demonstrated that it may have a positive effect on the fatigue strength of the steel. The grain size was usually reduced due to the forced cooling and larger quantities of lower bainite could be seen in some of the experiments. Overall there were no negative effects caused by the forced cooling on the steel.

The external cooling method used was water-cooled copper heat sinks that were placed on top of the steel being welded. This external cooling had the potential to reduce the time it takes for the steel to cool down to 100 °C by 83.6% when 6 mm thick steel was welded. Overall, taking into consideration other processes, such as Setup times, the potential time savings that can be achieved by applying such cooling methods to multipass welding processes is a significant and worthwhile option to consider.

see all

Tiivistelmä

Hitsausprosesseissa yksi merkittävimmistä ongelmista erikoislujilla teräksillä on saavuttaa riittävän nopeat jäähdytysajat sillä hidas jäähtyminen heikentää hitsin lujuutta. Jäähdytysnopeuksien kasvattaminen vaatii lämmöntuonnin vähentämistä, jolloin hitsipalkojen lukumäärää joudutaan vastaavasti kasvattamaan. Hitsipalkon lämpötila pitää olla esim. 100°C ennen kuin seuraava palko voidaan hitsata päälle. Jäähtyminen saattaa kestää kuitenkin useita minuutteja, jolloin tuotannon tehokkuus kärsii palkojen lukumäärän lisääntyessä. Palkojen määrää on pyritty vähentämään kehittämällä tehokkaampia hitsausprosesseja, mutta siitä huolimatta monipalkohitsausta käytetään yleisesti. Hitsausprosessiin käytetty tehollinen työaika kasvaa jäähtymiseen kuluvan ajan vuoksi ja se kumoaa helposti muutoin optimoidut materiaali- ja kuljetuskustannukset.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia nopeutetun eli pakotetun jäähdytyksen vaikutusta erikoislujien terästen mekaanisiin ominaisuuksiin sekä selvittää pakotetun jäähdytyksen aikaansaamiseksi kehitetyn laitteiston suorityskykyä ja vaikutusta tuotannon tehokkuuteen.

Tutkittujen terästen mekaaniset ominaisuudet määritettiin lujuus-, iskusitkeys- ja väsymislujuuskokein. Lisäksi jäähdytyksen vaikutusta teräksen faasirakenteeseen tutkittiin mikrorakennetarkastelujen kautta.

Työssä osoitetaan, että pakotettu jäähdytys paransi hitsien lujuusominaisuuksia kuten myötö- ja murtolujuutta. Lisäksi iskusitkeys kasvoi osalle näytteistä, muiden pysyessä ennallaan. Väsytystestausta tehtiin vain osalle näytteistä mutta niilläkin vaikutus oli positiivinen eli väsymislujuus näytti kasvavan. Teräksen hitsialueen mikrorakenteeseen liittyen, jäähdytys pienensi HAZ-vyöhykkseen raekokoa osassa testeistä, sekä joidenkin terästen kohdalla ala-bainiitin osuus kasvoi selkeästi. Oleellista kokeellisessa osuudessa oli, että jäähdytyksellä ei ollut yhdenkään kokeen kohdalla heikentävää vaikutusta tutkittavan teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin. Jäähdytysajat 6,0 mm:n levylle 100°C:een lyhenivät keskimäärin 83,6% käytettäessä hitsin sivulle asetettuja jäähdytysblokkeja. Tämä on merkittävä tekijä tuotannon tehokkuuden kannalta konepajateollisuudessa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Laitila, J., Larkiola, J., & Porter, D. (2017). Effect of forced cooling on the tensile properties and impact toughness of the coarse-grained heat-affected zone of a high-strength structural steel. Welding in the World, 62(1), 79–85. https://doi.org/10.1007/s40194-017-0532-z

  2. Laitila, J., Larkiola, J., & Porter, D. (2018). Effect of forced cooling after welding on CGHAZ mechanical properties of a martensitic steel. Welding in the World, 62(6), 1247–1254. https://doi.org/10.1007/s40194-018-0617-3

  3. Laitila, J., Larkiola, J., & Porter, D. (2019). Effect of Heat Sinks on Cooling Time to Weld Interpass Temperature. MATEC Web of Conferences, 269, 01007. https://doi.org/10.1051/matecconf/201926901007

  4. Laitila, J., & Larkiola, J. (2019). Effect of enhanced cooling on mechanical properties of a multipass welded martensitic steel. Welding in the World, 63(3), 637–646. https://doi.org/10.1007/s40194-018-00689-7

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  5. Laitila, J., Keränen, L., & Larkiola, J. (2020). Effect of enhanced weld cooling on the mechanical properties of a structural steel with a yield strength of 700 MPa. SN Applied Sciences, 2(11). https://doi.org/10.1007/s42452-020-03695-x

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2815-0
ISBN Print: 978-952-62-2814-3
Issue: 774
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 214 Mechanical engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.