JET 23 JET Volume 14 (2021) p.p. 21-35 Issue 3, November 2021 Type of article 1.01 www.fe.um.si/en/jet.html QUALITY ASSESSMENT OF SINGLE-PASS CORNER STEEL WELDED JOINTS OCENITEV KVALITETE ENOVARKOVNIH JEKLENIH KOTNIH ZVARNIH SPOJEV Zdravko Praunseis 1R , Bojan Stergar 1 , Iztok Brinovar 1 Keywords: welded joints, microstructure, cracks, undercut, main frame Abstract The aim of this paper is to analyse the quality assessment of single-pass corner steel welded joints. The testing revealed the most burdened welded joints, which were cut out of the work- piece and prepared for metallographic macroscopic and microscopic analysis. Thus, for all examinations of single-pass corner steel welded joints, the standard test procedures were used to determine the weldability and quality assessment of base materials and welded joints. Additionally, the effects of various welded defects of single-pass weld material on the bearing strength of corner welded joints will be analysed. Povzetek Bistvo članka je v analizi kvalitete enovarkovnih jeklenih kotnih zvarnih spojev. Preizkušanje za- jema najbolj poškodovane dele zvarnih spojev, iz katerih so bili odvzeti vzorci za mikroskopske in makroskopske analize. Za določitev varivosti in oceno kvalitete osnovnih materialov in zvarnih spoje so bile v raziskavi enovarkovnih kotnih zvarov uporabljene standardne metode. Ugotovljen je bil vpliv različnih va- Ř Corresponding author: Zdravko Praunseis, PhD, Associate Professor, Faculty of Energy Technology, University of Maribor, Tel.: +386 31 743 753, Fax: +386 7 6202 222, Mailing address: Hočevarjev trg 1, Krško, Slovenia, E-mail address: zdravko.praunseis@um.si 1 Faculty of Energy Technology, University of Maribor, Hočevarjev trg 1, Krško, Slovenia 24 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar 2  Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar  JET Vol. 14 (2 02 1)     Issu e 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  1 INTRODUCTION With High‐Strength Low‐Alloyed Steels (HSLA) and their welded joints, the thermal and strain  cycles during welding inevitably bring about metallurgical, mechanical and other heterogeneities.  Fig. 1 and Fig. 2 show a summarised illustration of effects of various characteristics on fracture  joint performance and/or fracture transition behaviours. Almost all of these factors result in the  deterioration of the fracture performance of welded joints, [1,8].        Figu r e  1:  Mechanical characteristics of energy steel welds  Microstructures in welded joints of structural steels can be roughly divided as follows with regard  to the change of material characteristics: (1) welded metal, (2) fusion line, (3) supercritical heat‐ affected zone (HAZ), and (4) subcritical HAZ. There are two main controlling factors that dominate  the fracture performance of welded joints: factors controlling (a) fracture toughness and (b)  deformation behaviour under loading. Although the fracture performance of welds is affected by  various factors and their complex combined incidence, the following two controlling factors of  brittle fracture strength of welds are essential: (I) the embrittlement in HAZ and the weld metal  in the vicinity of pre‐existing defects, and (II) inhomogeneity in strength, such as hardening and  softening in HAZ and matching between the weld metal and base metal. The various factors  control the embrittlement in welds. Mechanical heterogeneity is also a result of the same kind of  controlling  factors,  [6,7].  In  particular,  as  mentioned  above,  the  embrittlement  results  in  problems with the existence of local brittle zones (LBZs) in multi‐pass welds.   JET 25 Quality assessment of single pass steel corner welded joints   Quality assessment of single pass steel corner welded joints    3       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure  2: Summary of various controlling factors on fracture performance of energy steel welds  2 EXPERIMENTAL PROCEDURE AND DISCUSSION Examination of single‐pass corner welded joints of the main frame is carried out using the  following standards methods:  ‐ Surface inspection of welded defects at the single‐pass welded joints (EN ISO 5817).  ‐ Internal inspection of welded defects at the single‐pass welded joints through microstructural  supervision and measurement of microhardness (ISO 9051:2001, EN ISO 15614‐1).  A visual surface inspection of welded defects at the single‐pass welded joints demonstrates the  presence of undercuts at the cap of the weld joints at marked places of the main frame from joint  number 1 to joint number 5, as illustrated in Figures 3, 4 and 5 (see arrows) and Table 1.  The classification of defects (undercuts) in the single‐pass corner welded joint is estimated in  regard to the EN ISO 5817 standard (Tables 1 and 2).  The depths of the undercuts were measured using a laser depth micrometre and the results are  shown in Table 2.    26 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar 4  Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar  JET Vol. 14 (2 02 1)     Issu e 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐                      Figure  3: Inspected mark places of the main  frame (Joints 1, 2 and 3)  Figure  4: Inspected mark places of the main  frame (Joint 4)                    Figure  5: Inspected mark places of the main frame (Joint 5)  Table  1: EN ISO 5817 standard classification of defects (undercuts) in a single‐pass corner  welded joint  Defect  sort  Drawing  Weld  j o i nt  class  D  Weld  joint  class  C  Weld  joint  class  B  Undercut  at the cap  of the  weld joint.            Base material thickness, t,  from 0.5mm to 3.0mm.  A short  undercut  length is  permitted  based on the  total length of  the weld.  h≤ 0.2 t  A short  undercut  length is  permitted  based on the  total length of  the weld.  h≤ 0.1 t  An undercut  length is not  permitted.  The weld joint class is ordered by the constructor (designer) of the welded structure of the  product, based on the estimated  and achieved level of the thermal stresses, residual stresses and  Joint 2  Joint 1  Joint 3  Joint 4  Joint 5  JET 27 Quality assessment of single pass steel corner welded joints   Quality assessment of single pass steel corner welded joints    5       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  loading stresses that pertain to the constructed product. The highest level attained of the thermal  stresses, residual stresses and loading stresses of a welded structure is typical for weld joint class  B, while the lowest level attained of the thermal stresses, residual stresses and loading stresses  of a welded structure is typical for weld joint class D. Thus, the main frame product investigated  meets the standards of weld joint class D.  Table  2: Measured and estimated values of undercuts in single‐pass corner welded joints  Joint  Number  Weld c l as s  D  Weld c l as s  C  Joint 1    Base material thickness, t=3mm  Permitted undercut depth,  ha=0.6mm  Measured undercut depth,   hm=0.2mm  hm=0.2mm≤ ha=0.6mm  Total length of weld, Lw=131mm   Total length of undercut, Lu=12mm   This equates to 9.1% of the total  length of the weld.  A short total undercut length (9.1%) is  permitted in this length of weld.   Permitted  undercut  depth:   ha=0.3mm  hm=0.2mm≤   ha=0.3mm    Joint 2    Base material thickness, t=3mm  Permitted undercut depth,  ha=0.6mm  Measured undercut depth,   hm=0.3mm  hm=0.3mm≤ ha=0.6mm  Total length of weld, Lw=94mm   Total length of undercut, Lu=11mm   This equates to 11.7% of the total  length of the weld.  A short total undercut length (11.7%)  is permitted in this length of weld.   hm=0.3mm≤   ha=0.3mm      To be continued 28 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar 6  Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar  JET Vol. 14 (2 02 1)     Issu e 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Joint 3      Base material thickness, t=3mm  Permitted undercut depth,  ha=0.6mm  Measured undercut depth,   hm=0.2mm  hm=0,2mm≤  ha=0.6mm  Total length of weld, Lw=58mm   Total length of undercut, Lu=6mm   This equates to 10.3% of the total  length of the weld.  A short total undercut length (10.3%)  is permitted in this length of weld.   hm=0.2mm≤   ha=0.3mm    Joint 4    Base material thickness, t=3mm  Permitted undercut depth,  ha=0.6mm  Measured undercut depth,   hm=0.2mm  hm=0.2mm≤ ha=0.6mm  Total length of weld, Lw=91mm   Total length of undercut, Lu=9mm   This equates to 9.8% of the total  length of the weld.  A short total undercut length (9.8%) is  permitted in this length of weld.   hm=0.2mm≤   ha=0.3mm    Joint 5    Base material thickness, t=3mm  Permitted undercut depth allowed,   ha=0.6mm  Measured undercut depth,   hm=0.1mm  hm=0,1mm≤  ha=0.6mm  Total length of weld, Lw=91mm   Total length of undercut, Lu=3mm   This equates to 3.2% of the total  length of the weld.  A short total undercut length (3.2%) is  permitted in this length of weld.   Hm=0.1mm≤   ha=0.3mm      Continuation JET 29 Quality assessment of single pass steel corner welded joints   Quality assessment of single pass steel corner welded joints    7       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  A further stage of examinations involved an internal inspection of welded defects at the single‐ pass  corner  welded  joints  through  microstructural  supervision  and  measurement  of  microhardness.  For this purpose, five samples were cut out from the main frame (Figures 3, 4 and 5 (see arrows))  and marked 1 to 5. Metalographical samples were brushed, polished and etched with 5% nital  (Figure 6). The etched samples were observed using an optical microscope in order to determine  the microstructure and presence of cracks and microcracks and other typical welded defects.  Microhardnes measuring (HV 0.1) was performed according to the ISO 9051:2001 standard with  the aim of determining the local brittle zones (LBZ) with the highest hardness where cracks may  appear.     F igure  6: Metalographical samples used for determination of microstructure and microhardness  measurements at the single‐pass corner welded joints  The results of the tests to measure the microhardness of weld metal and the HAZ at the single‐ pass corner welded joints are shown in the final report (Figure 7).  The highest value of 259 HV 0.1 was measured in the HAZ of the single‐pass corner welded joints  (Figure 7), which is much lower than the maximum permitted microhardness value (340 HV) in  the welded joint with a carbon content lower than 0.22%, according to the EN ISO 15614‐1  standard.    30 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar 8  Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar  JET Vol. 14 (2 02 1)     Issu e 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    F i g u r e  7: Microhardness test results of the weld metal and HAZ at the single‐pass corner welded  joints  Carbon equivalents for theorethical prediction of microcracks and weldability of single‐pass  corner welded joints are calculated according to the EN 1011‐2 standard using the equation (2.1),  in regard to the real chemical composition of the base material (steel tube and steel plate) and  weld metal of the single‐pass corner welded joints, measured using an X‐ray fluorescence  spectrometer XRF (Thermo Scientific Niton XL3t GOLDD+), as illustrated in Table 3.    Ceq C                                                                                               (2.1)        JET 31 Quality assessment of single pass steel corner welded joints   Quality assessment of single pass steel corner welded joints    9       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  Table  3: Real chemical composition of base material (steel tube and steel plate) and weld metal  of single‐pass corner welded joint, measured using an X‐ray fluorescence spectrometer XRF  (Thermo Scientific Niton XL3t GOLDD+) and values of calculated Ceq according to the EN 1011‐2  standard:  Chemical   Compositio n  (%)  C  Si  Mn  P  S  Cr  Ni  Mo  Cu  V  Steel tube    0.169  0.201  1.354  0.129  0.038  ‐  ‐  ‐  ‐  0.021  Steel plate    0.081  0.006  0.732  0.011  0.002  0.018  0.007  0.003  0.006   Consumable  VAC 65  0.078  1.110  1.564  0.020  0.025  0.002       Weld metal  (WM)  0.101  0.184  1.421  0.010  0.029  0.009  0.001  0.002  0.005  0.019  Carbon  equivalent  (Ceq)  CeqBM  (tube)  =  0.398  CeqBM  (plate)  =  0.208  CeqWM  =  0.343            The  values  of  the  calculated  carbon  equivalent  (Ceq)  predict  the  following  appearance of microcracks in single‐pass corner welded joints:  If CeqBM (tube) = 0.398 > CeqWM =  0.343,   cold microcracks may appear in the base material.  If CeqBM (plate) = 0.208 <  CeqWM = 0.343,   cold microcracks may appear in weld metal.  In the event that the calculated CeqBM (tube) = 0.398  and CeqWM = 0.343   is lower than 0.40, this value  guarantees very good weldability of the base material steel plate and tube used for welding of  the main frame.  Due to the possibilty of the appearance of cold microcracks in weld metal and base material, an  investigation into the microstructure of single‐pass corner welded joints was carried out using an  optical microscope (Figures 8, 9, 10, 11, 12 and 13).   Cracks and microcracks  in combination  with undercut  can be  very  dangerous  for the  safe  operation of single‐pass corner welded joints, due to the concentration of stress that can appear  around the profile of undercuts, thus a further investigation into the microstructure of single‐ pass corner welded joints is required.      32 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar 10  Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar  JET Vol. 14 (2 02 1)     Issu e 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure  8: Microstructure without the presence of cracks in the weld metal, and the HAZ of a  single‐pass corner welded joint (sample 1, joint 1), mag(50x).      Figure  9: Microstructure without the presence of cracks in the weld metal, and the HAZ of a  single‐pass corner welded joint (sample 2, joint 2), mag(50x).      Figure  10 : Ferritic‐perlitic microstructure without the presence of cracks in the weld metal of a  single‐pass corner welded joint (sample 3, joint 3), mag(100x).        JET 33 Quality assessment of single pass steel corner welded joints   Quality assessment of single pass steel corner welded joints    11       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐    Figure  11  : Bainitic‐martenzite coarse grain microstructure at the point where the highest level  of microhardness (259 HV) was measured, without the presence of cracks of the HAZ of a single‐ pass corner welded joint (sample 3, joint 3), mag(200x).      Figure  12 : Microstructure without the presence of cracks in the weld metal, and the HAZ of a  single‐pass corner welded joint (sample 4, joint 2), mag(75x).      Figure  13 : Microstructure without the presence of cracks in the weld metal, and the HAZ of a  single‐pass corner welded joint (sample 5, joint 5), mag(50x).  34 JET JET Vol. 14 (2021) Issue 3 Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar 12  Zdravko Praunseis, Bojan Stergar, Iztok Brinovar  JET Vol. 14 (2 02 1)     Issu e 3  ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  The investigations in the microstructure of single‐pass corner welded joints confirmed that in all  single‐pass welded joints, weld metal and the HAZs, cracks and microcracks did not appear due  to the proper selection of base materials, consumables and welding technology.    3 CONCLUSIONS This examination of single‐pass corner welded joints of the main frame resulted in the following  conclusions:  1. Classification of defects (undercuts) in single‐pass corner welded joints was estimated based  on the EN ISO 5817 standard, which permitted existing undercuts in real single‐pass corner  welded joints in the case of weld joint class D and weld joint class C.  2. The highest value of 259 HV 0.1 was measured in the coarse grain heat‐affected zone (CG HAZ)  at the single‐pass corner welded joints (Figure 7), which is much lower than the maximum  permitted microhardness value (340 HV) in the welded joint with a carbon content lower than  0.22%, according to the EN ISO 15614‐1 standard. This value of 259 HV 0.1 guarantees that  dangerous cracks, microcracks or any other typical welded defects do not form in single‐pass  corner welded joints.  3. The investigations into the microstructure of single‐pass corner welded joints confirmed that  in all single‐pass welded joints, weld metal and HAZs, cracks and microcracks, as well as other  typical welded defects, did not appear due to the proper selection of base material, consumables  and welding technology.  Acknowledgements The authors would like to thank the company Skitii d.o.o. Izlake, Slovenia for supplying the  material used for welding.   References [1] Z.  Prau ns eis:  The  influence  of  Strength  Under‐matched  Weld  Metal  containing  Heterogeneous Regions on Fracture Properties of HSLA Steel Weld Joint (Dissertation in  English). Faculty of Mechanical Engineering, University of Maribor, Slovenia, 1998  [2] BS 5762, Methods for crack opening displacement (COD) testing, The British Standards  Institution, London 1979  [3] ASTM E 1152‐87, Standard test method for determining J‐R curves, Annual Book of ASTM  Standards, Vol. 03.01, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1990  [4] ASTM  E  1290‐91,  Standard  test  method  for  crack‐tip  opening  displacement  (CTOD)  fracture  toughness  measurement,  American  Society  for  Testing  and  Materials,  Philadelphia, 1991  [5] GKSS  Forschungszentrum  Geesthacht  GMBH,  GKSS‐Displacement  Gauge  Systems  for  Applications in Fracture Mechanic  [6] Z.  P r a u n s e i s ,  M.  To yod a,  T.  Sundararajan: Fracture behaviours of fracture toughness  testing specimens with metallurgical heterogeneity along crack front. Steel res., Sep. 2000,  71, no.9  JET 35 Quality assessment of single pass steel corner welded joints   Quality assessment of single pass steel corner welded joints    13       ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐  [7] Z.  Praunseis,  T.  S u n d a r a r a j a n ,  M.  Toy oda,  M.  O h a t a : The influence of soft root on fracture  behaviors of high‐strength, low‐alloyed (HSLA) steel weldments. Mater. manuf. process.,  2001, vol. 16, 2  [8] M.  Toy oda:  Fracture  toughness  evaluation  of  steel  welds.  Book  of  Projects,  Osaka  University, 1989