DE1207187B - Verfahren zur Verbesserung der Schweisseigenschaften von Stiften aus legiertem Stahl, insbesondere von Stiften aus hitzebestaendigem Chromstahl - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verbesserung der Schweißeigenschaften von Stiften aus legiertem Stahl, insbesondere von Stiften aus hitzebeständigem Chromstahl Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das in metallurgischer Hinsicht und festigkeitsmäßig eine gute Schweißverbindung zwischen Stift und Grundmaterial ergibt, wenn die Aufgabe gestellt ist, legierte, insbesondere hochwarmfeste Stahlstifte in etwa den Zusammensetzungen: Kohlenstoff max. 0,12%, Silizium 0,5 bis 1,5%, Chrom 6 bis 30'0/0, Aluminium 0 bis 9 0/0, gegebenenfalls Titan und Rest technisches Eisen auf unlegiertes oder im Vergleich zum Stiftmaterial schwach legiertes Grundmaterial wie z. B. Rohre zu verschweißen. Solche Stifte finden im großem Umfang im Hochleistungskesselbau in den Schmelz- und Brennkammern Verwendung. Hier werden sie in einer Stückzahl, welche teilweise die Millionengrenze überschreitet, eng verteilt auf die Rohre geschweißt, um eine auf die der Feuer-Seite zugekehrte Rohroberfläche aufgetragene feuerfeste Masse, Stampfmasse, mit den Rohren zu verankern, und gleichzeitig zu kühlen, indem sie einen Teil der von der Stampfmasse aufgenommenen Wärme an die Kesselrohre abführen.
• In bekannter Weise geschieht das Aufschweißen der Stifte nach dem Lichtbogenabschmelzverfahren, dem Cyc-Arc-Verfahren und nach dem Widerstandsstumpfschweißverfahren. Aus wirtschaftlichen Gründen dürfte ein Verschweißen der Stifte mittels Zusatzwerkstoff, z. B. nach dem Lichtbogenschweißverfahren, kaum in Frage kommen.
• Für das Widerstandspreßschweißverfahren sind einige Spezialmaschinen entwickelt worden, mit deren Hilfe das Aufschweißen der Stifte maschinell, halbautomatisch und auch vollautomatisch geschieht.
• Nach den genannten Verfahren werden die Stifte ohne Zusatzwerkstoff direkt auf das Grundmaterial, wie z. B. das Rohr, geschweißt.
• Diese legierten Stifte in etwa der angegebenen Zusammensetzung ergeben infolge ihres hohen Chromgehaltes und der höheren Gehalte an Silicium und Aluminium in metallurgischer Hinsicht eine schlechte Schweißverbindung. Die Bindefestigkeit ist gering. Sie genügt aber zunächst noch den Anforderungen.
• Nachteilig wirkt sich die Schweißverbindung des legierten Stahlstiftes mit dem Grundmaterial aus unlegiertem Stahl, z. B. mit dem Rohr, auf die Oberfläche des Rohres aus. Hier bildet sich ein hartes, schlecht verformbares Mischgefüge, welches obendrein bei langzeitiger Temperatureinwirkung oberhalb 400° C, der es im späteren Betrieb unterworfen ist, infolge der bekannten Abwanderung des Kohlenstoffes nach dem Chrom zu Chromkarbidablagerungen an den Korngrenzen und zu der sogenannten Chormstahlversprödung führt. Abgesehen von der schädigenden Aufhärtung der Rohroberfläche und der Kohlenstoffverarmung, verbunden mit einer Festigkeitseinbuße - es handelt sich um Hochdruckkessel mit Betriebsdrücken von bis zu 200 atü und mehr - versprödet die Schweißverbindung derartig, daß die Stifte sich vom Rohrwerkstoff lösen.
• Die Erneuerung solcher abgelöster Stifte im Kessel, verbunden mit der Erneuerung der Stampfmasse, ist wegen der Unzugänglichkeit und weil jetzt die Stifte von Hand auf die Rohre geschweißt werden müssen, mit ungeheuren Kosten verbunden.
• Im Bereich der im Betrieb vorherrschenden Rohrtemperaturen ist die Wärmeleitfähigkeit der legierten Stifte schlecht. Dadurch entstehen an den Verbindungsstellen zwischen Stift und Rohr Temperaturdifferenzen, welche, begünstigt durch die krasse Materialanhäufung durch die Stifte, Spannungen hervorrufen. Diese Spannungen beeinträchtigen zusätzlich die Haltbarkeit der Schweißverbindung.
• Um die bekannten Chromkarbidausscheidungen an den Korngrenzen zu unterbinden, bedient man sich der sogenannten Stabilisatoren. Das sind Legierungszusätze an Titan, Tantal und Niob, meistens Tantal und Niob. Diese Elemente besitzen ebenfalls eine hohe Affinität zum Kohlenstoff. Sie bilden mit dem Kohlenstoff Misch- oder Sonderkarbide. Sie sind schwer löslich und scheiden sich, einmal in Lösung gegangen, schwer wieder aus.
• Karbide erhöhen die Festigkeit eines Werkstoffes. Die Verformbarkeit wird dadurch beeinträchtigt. Da man aber beim Schweißen in den Übergangszonen in die Temperaturgebiete von über 1300° C gelangt, d. h. die Gebiete, in denen die Titan-Tantal-Niob-Karbide in Lösung gehen, kommt es zu Karbidausscheidungen in schmalen Zonen, dem sogenannten Messerlinienangriff. Auch bei Verwendung von Stabilisatoren wird die Auflegierung der Rohroberfläche und eine Aufhärtung derselben nicht verhindert. Ebenso wird die Gefahr der Versprödung der Schweißverbindung nicht gebannt und die geschilderten auftretenden Spannungen werden nicht beseitigt.
• Erfindungsgemäß werden zwecks Vermeidung der geschilderten Nachteile die legierten Stahlstifte an der Stirnfläche, welche mit dem urilegierten oder schwach legierten Stahl-Grundmaterial, z. B. dem Rohr, verschweißt werden sollen, mit einem dem Grundmaterial artgleichen Werkstoff plattiert, über welchen das Verschweißen der Stifte mit dem Grundwerkstoff erfolgt.
• Es ist zwar bereits bekannt, bei Schweißurigen, bei denen an die Festigkeit keine hohen Anforderungen gestellt werden, z. B. bei Auftragsschweißungen, zuerst eine Zwischenschicht, eine sogenannte Pufferschicht, zu legen. Diese Pufferschicht soll bei Stählen, die zur Aufhärtung neigen, die Martensitzone verengen. Da das Material, welches die Pufferschicht bilden soll, im Kohlenstoffgehalt niedrigliegt, kann sich nur im Übergangsgebiet von der Pufferschicht zum höher gekohlten Grundmaterial eine schmale Zone von Martensit bilden. Infolge der Verformbarkeit der Pufferschicht werden die Spannungen, welche sich bei der Auftragsschweißung ergeben, infolge der verbrauchten Verformungsarbeit so weit abgebaut, daß Spannungsrisse nicht mehr zu befürchten sind.
• Mit der erfindungsgemäßen Plattierung der legierten Stahlstifte wird eine andere Aufgabe gelöst.
• 1. Eine in metallurgischer Hinsicht einwandfreie Schweißverbindung läßt sich zwischen dem Grundmaterial und dem hochlegierten Stiftmaterial nicht herstellen.
• Die Plattierung, hinsichtlich der Schweißeigenschaften dem Grundmaterial angepaßt, ermöglicht die Herstellung einer einwandfreien Schweißverbindung zwischen Grundmaterial und Plattierung. Bei dieser Schweißverbindung entsteht weder ein Aufhärtungs- noch ein Versprödungsgebiet. Das Grundmaterial (Rohr) erleidet festigkeitsmäßig keine Einbuße.
• 2. Während des Betriebes entstehen im übergangsgebiet zwischen Grundwerkstoff und dem legierten Stift Temperaturdifferenzen, hervorgerufen durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Stiftes; diese haben Spannungen zur Folge, welche die Festigkeit der Schweißverbindung beeinträchtigen.
• Die Plattierungsschicht dagegen verhindert einen Wärmestau, so daß sich im unmittelbaren Schweißbereich keine festigkeitsbeeinträchtigenden Spannungsanhäufungen bilden können.
• 3. Die elektrische Leitfähigkeit eines legierten Stiftes ist je nach Größe des Chromgehaltes bis zu etwa zehnfach schlechter als die des Grundmaterials des Rohrwerkstoffs.
• Vornehmlich beim Widerstandsstumpfschweißen wird dadurch die Stirnfläche des Stiftes, welche mit dem Grundmaterial verbunden werden soll, bis zum Schmelzen erhitzt, während das Grundmaterial an der Verbindungsstelle nur eine wesentlich geringere Temperatur erreicht. Es kommt dadurch keine innige Schweißverbindung zustande. Da aber mit Hilfe der Plattierungsschicht gleich gut schweißfähiges Material miteinander in Berührung gebracht wird, läßt sich eine einwandfreie und äußerst feste Schweißverbindung herstellen.
• Die Plattierung des Stiftes erfolgt zweckmäßig mittels des Widerstandsstumpfschweißverfahrens. Es sind auch andere Schweißverfahren möglich wie das Preßschweißverfahren, das Abbrennstumpfschweißverfahren oder z. B. das Kaltpreßschweißverfahren. Im übrigen ist es gleichgültig, auf welche Weise und mit welchem Verfahren die Plattierungsschicht hergestellt wird.
• Bei Anwendung des Widerstandsstumpfschweißverfahrens wird zweckmäßig die Verbindung der Plattierungsschicht mit der Stirnfläche des legierten Stiftes derart hergestellt, daß gleichzeitig mit dem Schweißvorgang unter Ausnutzung der Schweißhitze und des Schweißpreßdruckes die Stirnfläche der Plattierung zum Zwecke der späteren Verbindung mit z. B. der Rohroberfläche mittels der als Matrize ausgebildeten Gegenelektrode schweißgünstig geformt wird z. B. als Kalotte, Kegel oder waffelmusterförmig.
• In F i g. 1 und 2 sind beispielsweise die üblichen Stiftformen, wie sie z. B. für die Bestiftung von Schmelzkammerrohren Verwendung finden, dargestellt. Die F i g. 3 und 4 zeigen die gleichen Stiftformen mit der erfindungsgemäßen Plattierung.
• Bei den in F i g. 3 und 4 dargestellten Stahlstiften ist der zylindrische legierte Stift a bzw. c mit ebenen Stirnflächen mit seiner einen Stirnfläche mit der aus dem Grundwerkstoff angepaßten urilegierten oder schwach legierten Stahl bestehenden Plattierung b bzw. d verbunden. Der zylindrische Teil der Plattierung wird so stark gewählt, daß ein Legieren des Stiftwerkstoffes mit dem Grundwerkstoff nicht möglich ist, wobei eine Bemessung dieses Teiles von 1 bis 2 mm angemessen ist.
• Durch die Verwendung von Stiften, deren Schweißeigenschaften mit Bezug auf das Grundmaterial zuvor verbessert wurden, werden die schädigenden Einflüsse auf die Rohroberfläche ausgeschlossen, denn nun werden zwei gleiche oder nahezu gleiche in schweißmäßiger Hinsicht zueinander passende Stähle miteinander verschweißt.
• An der Schweißverbindung zwischen Grundmaterial und Stift wird dieser am stärksten beansprucht, die erfindungsgemäße Plattierung gewährleistet an der Stelle der stärksten mechanischen Beanspruchung des Stiftes eine standfeste Verbindung.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Verbessern der Schweißeigenschaften von Stiften aus legiertem Stahl, insbesondere aus einer Legierung aus max. 0,1211/o Kohlenstoff, 0,5 bis 1,511/o Silizium, 6 bis 30 a:11 Chrom, 0 bis 911/a Aluminium, gegebenenfalls Titan und Rest technisches Eisen, die mit dem Grundmaterial aus schwach oder urilegiertem Stahl verschweißt werden, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Stifte an der zu verschweißenden Stirnfläche mit einem dem Grundmaterial artgleichen Werkstoff plattiert werden, über welchen das Verschweißen der Stifte mit dem Grundwerkstoff erfolgt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der Plattierungsschicht mit der Stift-Stirnfläche mittels des elektrischen Widerstandsstumpfschweißverfahrens erfolgt, und daß dabei die plattierte Stift-Stirnfläche schweißgünstig geformt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1015 301, 1045 210; W. Krauskopf, »Metall- und Legierungsregister«, 1950, S. 115; »Schweißen und Schneiden«, 10 (1958), S.257.