Weld Transformations in the - CCCTC

Slide 1  Slide 2  Slide 3 
     

  Heat Affected Zone Welding Heat Affected Zone Welding
  Concerns Concerns

Cooling Transformations in the  • Changes in Structure Resulting
Weld in Changes in Properties

• Cold Cracking Due to Hydrogen

     

     
 
Let us now start to investigate concerns in the true heat affected zone.  This is the  Two major concerns occur in the heat affected zone which effect weldability these 
region where melting does not occur, but temperatures reach high enough values  are, a.) changes in structure as a result of the thermal cycle experienced by the 
for phase changes or changes in structure and properties to occur.  Before we look  passage of the weld and the resulting changes in mechanical properties coincident 
at the exact changes in structure and properties, and weld deficiencies which  with these structural changes, and b.) the occurrence of cold or delayed cracking 
might result from these changes, we need to review the thermal cycles which  due to the absorption of hydrogen during welding.  A separate section is 
resulted in these changes, and categorize the types of deficiencies which might  presented below for each of these occurrences. 
occur. 
 
 
  
  

Slide 4  Slide 5  Slide 6 
     

Look At Two Types of Alloy Systems

     

     

First let’s review the thermal cycles experienced in the heat affected zone as a  There are two types of alloy systems which we will consider, those which do not  Note that the heat of welding has effected the structure of this material even 
result of the passage of the weld.  The figure illustrated here shows the  have an allotropic phase change during heating like copper, and those which have  though there are no allotropic transformations.  Recall that cold worked structures 
temperature vs time curve at various distances from the weld metal.  We have  an allotropic phase change on heating like steel.  We will first consider those  undergo recovery, recrystalization and grain growth when heated to ever 
seen similar thermal cycles in the heat transfer section above.  As the welding arc  materials which do not have an allotropic phase change.  The top schematic  increasing temperatures.  So it is in this material.  As we traverse from the cold 
passes by the plane of reference and heat from the molten pool is conducted  illustrates this type of material.  There are several ways that materials without any  worked elongated grains in the unaffected base metal, we come to a region where 
outward from the weld into the Heat Affected Zone, the temperature increases to  allotropic phase changes can be strengthened.  Two typical methods are cold  the cold worked grains undergo recovery and then shortly there after they 
a maximum temperature until the arc is past, and then heat continues to flow  working and precipitation strengthening (review the section on material  recrystalize into fine equiaxed new grains.  Traversing still closer to the weld region 
outward cooling each location.  Points closest to the weld fusion line reach the  strengthening if you are not familiar with these types).  We will first consider that  we note grain growth where the more favorably oriented grains consume 
hottest maximum temperatures while points removed from the fusion line do not  this material has been cold worked (note the elongated cold worked grains  neighboring grains and grain growth occurs.  The grains within the weld epitaxially 
reach as high a temperature and the maximum temperature occurs at a slightly  present in the base material (region A)).  The weld metal is represented by region  nucleate from the grains in the heat affected zone at the fusion boundary, and 
later time than that near the fusion line. Note that almost every thermal cycle  C, and the heat affected zone is region B.  grain growth continues into the solidifying weld metal making very large grains. 
imaginable occurs over this short distance of the heat affected zone.  Thus a 
variety of structural and property variations are expected. In the next section we     
will examine some of the structural changes expected (they are dependent upon 
the type of material welded and the prior processing of the material) and the       
resulting property changes. 

 

  

Slide 7  Slide 8  Slide 9 
     

Cold Worked Alloy Without Allotropic Transformation

Welding Annealed upon
Precipitation Cooling
Hardened Alloys
Without Allotropic
Phase Changes

Welded In:
• Full Hard
Condition
• Solution
Annealed
Condition

 Introductory Welding Metallurgy,  Introductory Welding Metallurgy,  
AWS, 1979 AWS, 1979
 
   
When welding on the already aged (full hard) material, the unaffected base metal 
One of the factors that occur when cold worked grains recrystalize and grain  A second way of strengthening materials without allotropic phase changes is by  will have aged precipitates that are just the right size for strengthening.  The heat 
growth occurs we have already discussed, and that is the material softens.  Thus  precipitation strengthening.  Recall that in precipitation strengthening, the base  affected zone, on the other hand, will experience some additional heating.  In the 
the heat affected zone and weld metal will not hold the same strength level as the  metal is solutionized, rapidly cooled and then aged at some moderately elevated  region farthest from the weld the heat will be sufficient to overage the 
cold worked base metal.  Another consequence of increased grain size is perhaps  temperature to promote precipitate formation.  There are two ways that  precipitates with the resulting loss in strength.  In regions closer to the weld, the 
equally important and that is that the larger grains are more brittle.  A “Charpy”  precipitation hardened material can be welded.  One is to weld on the full hard,  heat will be so excessive that the temperature will exceed the two phase region 
impact test (we will discuss this more later) is used to determine how much  that is the already aged base metal.  The second is to weld on material which has  and the single phase solutionizing region on the phase diagram will be entered.  
impact energy a structure will absorb over various temperature ranges.  This is  been solution annealed and rapidly cooled, but not yet given the ageing heat  Again, a loss in strength will occur, but this region at least might be able to be re‐
illustrated in the figure where the large grains illustrated by curve 4 will only  treatment.  In either case, when welding, the heat affected zone will see some  aged to recover some strength. 
absorb high energy at very high temperatures above about 100 degrees  additional time at temperature (varied temperature over the distance of the HAZ) 
Fahrenheit.  At lower temperature like at freezing, they absorb very little energy.   as illustrated above, and this will effect the aged or overaged condition of the   
Contrast this with the cold worked grains as illustrated by curve 1 where even  precipitates. 
down to minus 100 degrees a large amount of energy is still absorbed.  Materials    
that do not absorb large amounts of energy are said to be brittle and they can   
fracture with only slight impacts by foreign objects.  Thus the weld region is 
subject to impact fracture with these type materials.      

 

  

Slide 10  Slide 11  Slide 12 
     

Precipitation Hardened Alloy Welded in Full Hard Condition Precipitation Hardened Alloys Welded in Solutioned Condition

 Introductory Welding Metallurgy,  Introductory Welding Metallurgy,  
AWS, 1979 AWS, 1979
 
   
Let us now turn our attention to the materials which do have an allotropic phase 
Here are presented hardness traverses of welds made in the pre‐weld full hard  On the other hand, welding precipitation hardened material in the solution  change during heating.  A typical material like steel is ferrite at low temperatures 
material.  Curves for the as welded condition and a subsequent hardening heat  condition with a low heat input, only slightly ages the material in the heat affected  and transforms to austenite when heated.  Each time the material goes through 
treatment after welding are presented, and also curves for low heat input and  zone.  Subsequent post‐weld ageing strengthens the entire weld region (only a  one of these phase changes, new finer equiaxed grains grow starting from the 
high heat input conditions are presented.  Note the softening as mentioned  slight overaging occurs in the slightly ages regions from the weld).  With high heat  grain boundaries of the previous grains present.  So in the case of cold worked 
previously in the as‐welded condition.  Note that heat input also has an effect on  input, however, the case is somewhat different as moderate aging occuring on  steels in the base metal, the elongated cold worked grains will undergo recovery, 
the extent of softening in the as welded condition.  In some cases, a post‐weld  welding and post‐weld treatment only serve to accentuate the overaging process.   recrystalization and grain growth just as discussed above.  But now the 
aging treatment can restore hardness in some of the regions of this weld, but it  So care must be exercised when establishing a welding procedure for welding the  recrystallized grains at higher temperature will undergo the allotropic phase 
never fully erases the effect of the weld overaging.  precipitation hardened alloys.  change, reducing the grain size again which then is followed by grain growth at 
still higher temperature (nearer the weld).  This variation in grain structure is 
    schematically shown in the lower figure above. 

       

  

Slide 13  Slide 14  Slide 15 
     

Steel Alloys With Allotropic Transformation

 Introductory Welding Metallurgy,    Introductory Welding Metallurgy,
AWS, 1979 AWS, 1979
 
   
We have already seen that the cooling rate from welding can vary depending upon 
This illustration shows the various regions in the heat effected zone and what  a number of weld variables.  The two most important are preheat and heat input.   As we have learned before, the cooing rate from austenite can effect the room 
microstructure would be predicted as related to the iron‐carbon phase diagram.   The cooling rate is fastest when no preheat and low heat input are used to make  temperature structure as defined by the continuous cooling transformation 
Note that at the far extent of the weldment in the base metal, ferrite and  the weld.  On the other hand, the cooling rate is slowest when high preheat and  diagram.  Rapid cooling results in non‐equilibrium hard brittle martensite.  Slow 
cementite are expected.  Closer to the weld some dual phase ferrite austenite will  high heat input are employed.  cooling results in some higher temperature transformation products such as 
occur at temperature of welding.  Closer yet we would expect single phase  bainite, ferrite and pearlite which tend to be softer.  Examining two welding 
austenite, and then maybe some austenite of delta ferrite and liquid mixtures    procedures here, one with no preheat (number 1) and the other with preheat 
until at the maximum temperature the liquid phase would be present as the  (number 2) we find some differences in structure.  The no preheat weld has a 
welding arc traverses.  These are the structures at temperature, but we now must     narrower HAZ and rapid cooling and the austenite transforms to martensite on 
consider what happens during cooling.  cooling giving a hard martensite peak near the fusion line.  The weld with preheat 
has a wider HAZ, a slower cooling rate producing ferrite pearlite and bainite and 
  the fusion line peak is softer.  There is also more outer HAZ region grain growth 
and overaging so that the softening in the HAZ is greater.  Thus, once again, 
   welding procedures have to be carefully tailored for the material being welded. 

 

  

Slide 16 
 

Stainless Steel

Knife‐Line Attack in the HAZ

HAZ • CHrA2Z3C6 precipitate in 
Weld – Band where peak 
Knife‐line attack temperature is 800‐
1600°F

• Can occur even in 
stabilized grades
– Peak temperature 
dissolves titanium 
carbides
– Cooling rate doesn’t 
allow them to form again

 

 

Finally, a defect called knife‐line corrosion attack can occur in some stainless steel 
heat affected zones. A discrete band in the heat affected zone of the austenitic 
stainless steel welds experiences peak temperatures in the 800°‐1600°F 
temperature range associated with sensitization. Chromium carbide precipitation 
in this region can lower the chromium content near the grain boundaries to less 
than 12%, thereby causing sensitization. 
Stabilized grades can also suffer from knife‐line attack.  Elevated temperatures in 
the heat‐affected zone can dissolve titanium and niobium carbides.  The fast 
cooling rates in the welded joint do not allow these carbides to reform.  This 
leaves excess free carbon, which can then form chromium carbides.