Development and Evaluation of Experimental Metal-Cored Electrodes for Submerged-Arc Welding of HSLA 100 Steel

Abstract

The objective of this investigation was to develop and evaluate experimental electrode wires for joining HSLA 100 steel with particular emphasis on improvement of weld metal toughness properties. The work focused on the development of metal-cored wires with varying carbon and molybdenum contents for submerged-arc (SA) welding.The series of SA welds produced with the metal-cored wires, in combination with a highly basic flux, provided better toughness than achieved using the reference electrode MIL 120 S1.Optimum Charpy notch toughness was achieved with the intermediate carbon and molybdenum contents. In general, the results were attributed to the influence of weld metal chemistry on the final weld microstructure, specifically the formation of a relatively fine bainitic structure with some lath martensite and limited grain boundary ferrite in both the as-deposited and reheated weld metal regions. For increasing weld metal carbon (0.040–0.090%) and molybdenum (0.45–0.700/0) there was an increase in yield strength, hardness and tensile strength. With increasing carbon there was refinement of the microstructure, increased evidence of lath martensite, reduced (to almost no) grain boundary ferrite, and greater carbide precipitation. Changes in microstructure were much less pronounced with variation in molybdenum. In addition, increasing carbon was found to reduce the upper shelf energy, attributed to the high weld metal yield strength and increase in carbide precipitation (enhanced microvoid coalescence). Résumé Le but visé était la mise au point et l' évaluation de fils-électrodes expérimentaux pour le soudage de l'acier à haute résistance faiblement allié 100, en cherchant plus particulièrement à accroître la ténacité du métal fondu. Les travaux ont essentiellement porté sur la fabrication de fils à âme métallique d'une teneur en carbone et en molybdène variable pour le soudage àl'arc sous flux enpoudre.L'emploi de ces fils avec un flux hautement basique a permis d'obtenir des séries de soudures plus résistantes que celles produites avec l' électrode de référence MIL 120 S1. La plus haute résilience d'entaille à l'essai Charpy a été atteinte avec les teneurs moyennes en carbone et en molybdène. En général, les résultats ont été attribués à l'effet de la composition chimique du metal fondu sur la microstructure finale de la soudure, notamment à la formation d'une structure bainitique relativement fine renfermant un peu de martensite en plaquettes et une faible quantité de ferrite aux joints de grain, tant dans les zones de métal fondu brut de soudage qu'après réchauffage. L' élévation de la teneur en carbone (0,040–0,090%) et en molybdène (0,45–0,70%) dans le métal fondu s'est traduite par une augmentation de la limite d' élasticité conventionnelle, de la dureté et de la résistance à la traction. Le renforcement de la teneur en carbone a produit un affinage de la microstructure, une accentuation de la presence de martensite en plaquettes, une diminution (presque totale) de la ferrite aux joints de grain et une plus forte precipitation du carbure métallique. La variation de la proportion de molybdène a entraîné une modification beaucoup moins nette de la microstructure. Ilest apparu également que l'augmentation de la teneur en carbone réduisait l'énergie de la phase supérieure, phénomène attribué à la limite d'élasticité conventionnelle élevée du métal fondu et à l'amélioration de la précipitation du carbure (cupulation améliorée).