Combination of self-shielded and gas-shielded flux-cored arc welding

Abstract

This master thesis have consisted of experimental and theoretical studies of the change in microstructure and mechanical properties in intermixed weld metal from self-shielded and gas-shielded flux-cored welding wires. The main objective of the present thesis has been to do detailed metallographic analysis on different weld metal combinations, and find out and give an explanation why satisfying values were achieved or not achieved.

The report is divided into four parts. Part one consists of relevant theory and gives an introduction in current welding wires, weld metal microstructures, mechanical properties of weldments and metallurgical reactions taking place during welding. Part two is a presentation of the experimental work done in this thesis, and consists of welding, mechanical testing and metallographic analysis. The third part is a presentation of the results from the experimental work, while the fourth and last part of the report involves discussions and conclusions from the obtained results.

The wires that were used and combined in this thesis were Innershield NR-460-H incombination with Hyundai SC-80MR and Elga L62, in X-01 and X-02 respectively, and Innershield NR-203Ni1 in combination with Elga L62 in X-03 and Outershield 81Ni1 HSR inX-04. The Innershield wires are of the self-shielded type, and are in addition to the Outershield wire produced by Lincoln Electric.

Microstructure analysis revealed significant differences between primary weld metal of the self-shielded wires and the gas-shielded wire. Primary weld metals of the self-shielded wires consisted solely of coarse side-plate ferrite, while the gas-shielded wires consisted mainly of acicular ferrite and some polygonal ferrite.

Sample X-01, which was a reproduction of the combination with the highest impact toughness values from the testing in the summer of 2010, was also the wire combination with the highest toughness among the combinations tried out in this thesis. The average impact toughness value at -40ºC in this sample was 54J. Lowest impact toughness was found to be in X-03 with12J at the same temperature, this combination had the highest expectations in advance. The Elga L62 did not provide the expected increase in impact toughness.

Scanning electron microscope analysis documented non-metallic inclusions in the fracture surface of X-02, X-03 and X-04. The inclusions were aluminum oxides capsuled nitride, sulphide or oxide compounds of titanium and/or magnesium.

Dislocation locking and atomic lattice tension effects from free nitrogen together with notch and local stress effects due to presence of non-metallic inclusions are the reason lowered toughness in mixed self-shielded and gas-shielded weld metal.

Denne masteroppgaven har bestått av eksperimentelle og teoretiske undersøkelser på endringer i mikrostruktur og mekaniske egenskaper ved blanding av sveismetall fra selvbeskyttende og gassbeskyttende rørtråd. Hovedmålet med denne oppgaven har vært å utføre detaljerte metallografiske analyser av forskjellige sveismetallkombinasjoner, og gi et svar på hvorfor tilstrekkelige verdier oppnås eller ikke oppnås.

Denne rapporten er hovedsakelig delt inn i fire deler. Del én er en gjengivelse av relevant teori og gir en introduksjon av aktuelle sveisetråder, mikrostrukturer i sveismetall, mekaniske egenskaper til sveismetall og metallurgiske reaksjoner som finner sted under sveising. Andre del er en presentasjon av det eksperimentelle arbeidet som er utført i forbindelse med denne oppgaven, og består av sveising, mekanisk testing og metallografiske undersøkelser. Den tredje delen av rapporten er en presentasjon av resultatene fra det eksperimentelle arbeidet. Mens den fjerde og siste delen av rapporten inneholder diskusjoner og konklusjoner fra de oppnådde resultatene.

Rørtrådene som ble kombinert og sveist med i denne oppgaven var Innershield NR-460-H I kombinasjon med henholdsvis Hyundai SC-80MR og Elga L62, i prøve X-01 and X-02. Mens Innershield NR-203Ni1 i kombinasjon med henholdsvis Elga L62 og Outershield 81Ni1 HSRble benyttet i X-03 and X-04. Innershield-trådene er av den selvbeskyttende typen og er i likhet med Outershield-tråden produsert av Lincoln Electric.

Det ble i mikrostrukturundersøkelsene avdekket en stor forskjell i mikrostrukturen til primært sveismetall fra selvdekkende og gassdekkende rørtråd. Primært sveismetall fra de selvbeskyttende rørtrådene bestod utelukkende av grov sideplate-ferritt, mens mikrostrukturen til de gassbeskyttende rørtrådene hovedsakelig bestod av acikulær ferritt og noe polygonal ferritt.

Prøve X-01, som var en retest av den trådkombinasjonen som hadde høyest verdi av kombinasjonene som ble testet sommeren 2010, var også i denne oppgaven den kombinasjonen som hadde høyest slagseighet. Den gjennomsnittlige seighetsverdien til denne prøven ble 54J ved -40 ºC. Den laveste slagseigheten hadde prøve X-03 med 12J i snitt verdi ved den samme temperaturen, dette var den kombinasjonen det var størst forventninger til før testingen startet. Det høye nikkelinnholdet i Elga L62 ga derfor ikke den forventede økningeni seighet.

Undersøkelser i skanning-elektronmikroskop dokumenterte ikke-metalliske inneslutninger i bruddflaten av prøve X-02, X-03 og X-04. Inneslutningene var aluminiumoksider innkapslet av rent eller forbindelser av titan og magnesium.

Dislokasjonslåsing og spenninger i atomgitteret som følge av interstitiell diffusjon av fritt nitrogen til dislokasjoner sammen med bruddanvisningseffekter og lokale stresskonsentrasjoner rundt ikke-metalliske inneslutninger er grunnen til den lave seigheten til sveismetall der selvbeskyttende og gassbeskyttende rørtråd er kombinert.