DE1228496B - Schweisszusatzwerkstoff zum Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweissen ferritischer Nickelstaehle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B23k

Deutsche KL: 49 h-36/01

Nummer: 1228 496

Aktenzeichen: J 24433 VI a/49 h

Anmeldetag: 18. September 1963

Auslegetag: 10. November 1966

Die Erfindung bezieht sich auf zum Schweißen von Werkstücken aus ferritischen Nickelstählen, die vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, verwendbare Zusatzwerkstoffe.

Ferritische Nickelstähle, d. h. Stähle, in denen Nickel das einzige wesentliche Legierungsmetall ist, bestehen aus 8 bis 20°/» Nickel, 0,03 bis 0,2 % Kohlenstoff und im allgemeinen geringen Gehalten an Silizium und Mangan sowie als Rest — von Verunreinigungen abgesehen — Eisen. Ein gemeinhin als 9 °/o-Nickelstahl bezeichneter Stahl enthält 8 bis 10% Nickel und 0,03 bis 0,15% Kohlenstoff. Dieser Stahl wird in großem Maße für die Herstellung von Kesseln und anderen Geräten verwendet, die bei besonders niedrigen Temperatüren Verwendung finden. So können beispielsweise Behälter für Flüssiggase aus 9%-Nickelstahlblechen hergestellt werden. Bei der Herstellung von Behältern ist es erforderlich, einzelne Bleche zusammenzuschweißen; falls der Behälter gewölbte oder zylindrische Wände hat, werden gewöhnlich Teile dieser Wände vorgeformt und dann an ihren Kanten miteinander verschweißt.

Obwohl die genannten Nickelstähle zum Gebrauch bei niedrigen Temperaturen besonders geeignet und auch schweißbar sind, hat sich gezeigt, daß sie sich mit Hilfe von Zusatzwerkstoffen praktisch gleicher Zusammensetzung nur sehr schwer schweißen lassen. Anfänglich hat man sich bemüht, den 9%-Nickelstahl mit einem ferritischen Zusatzwerkstoff gleicher Zusammensetzung zu verschweißen, dabei hat sich jedoch ergeben, daß das Zusatzmetall während des Schweißens zur Rißbildung neigt oder keine genügende Kerbschlagfestigkeit ohne nachfolgende Wärmebehandlung erlangt, die bei der Herstellung großer Werkstücke nur schwer oder gar nicht durchzuführen ist. Aus. diesen Gründen werden zur Zeit diese ferritischen Nickelstähle entweder mit austenitischen Stählen anderer Zusammensetzung oder mit einer Legierung verschweißt, die etwa 15% Chrom, 7% Eisen und außerdem im wesentlichen nur Nickel enthält. Das mit solchen Elektroden niedergelegte Schweißgut besitzt keine besondere Festigkeit, seine Zugfestigkeit liegt wesentlich unter der der 9%-Nickelstähle. Im allgemeinen liegt die Zugfestigkeit des Schweißwerkstoffs bei 63 kg/mm² und ist damit geringer als die der abgeschreckten und vergüteten 9 %-Nickelstahlbleche, die gewöhnlich bei 84 kg/mm² liegt. Das bedeutet, daß die Festigkeit der Bleche bei geschweißten Kesseln nicht voll ausgenutzt werden kann, da die Festigkeit des Kessels im ganzen durch die Festigkeit der Schweißnähte begrenzt ist. Außerdem ist die bisher übliche Verwen-

Schweißzusatzwerkstoff zum Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißen ferritischer Nickelstähle

Anmelder:

International Nickel Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:

Norman Stephenson, Birmingham;

David Edmund Jordan,

Sutton Coldfield, Warwickshire (Großbritannien); James Vincent Peck, Plainfield, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 21. September 1962
(36020),

dung von auf Nickelbasis aufgebauten Legierungen als Zusatzwerkstoff teuer.

Nach der Erfindung werden Teile aus ferritischem Nickelstahl mit 8 bis 20% Nickel und 0,03 bis 0,2% Kohlenstoff durch Lichtbogenschweißen unter Schutzgas mit einem Schweißzusatzwerkstoff verbunden, der aus 11 bis 15% Nickel, 0,001 bis 0,07% Kohlenstoff, 0 bis 1% Silizium, 0 bis 6% Magan, 0 bis 0,15% Aluminium, höchstens 0,02% Schwefel, höchstens 0,02% Phosphor, 0 bis 0,3% Molybdän, Rest — abgesehen von Verunreinigungen — Eisen besteht. Der Zusatzwerkstoff kann bei Verwendung für das Kurzlichtbogenschweißen außerdem zusätzlich noch 0,05 bis 0,15% Titan enthalten. Wenn das Schweißen unter neutralem Schutzgas im Metall-Lichtbogenverfahren durchgeführt wird, überschreitet der Titangehalt normalerweise nicht 0,05 % und kann infolgedessen als Verunreinigung angesehen werden. Es sei bemerkt, daß die Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffs unter den weiten Begriff der ferritischen, Nickel enthaltenden Stahllegierungen fällt, daß sie sich aber von bekannten Legierungen insofern unterscheidet, als sie wesentlich weniger Kohlenstoff enthält als diese Legierungen -mit 11 bis 15% Nickel.

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Wenn höchste Schlagfestigkeit bei sehr tiefen Temperaturen erzielt werden soll, ist es wichtig, die Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffs sorgfältig zu überwachen. Besonders wichtig ist, daß der Gehalt an gelösten Gasen niedrig ist, d. h. daß der Schweißdraht nicht mehr als 0,02Vo Sauerstoff, höchstens 0,01«/» Stickstoff, und höchstens 0,0003 % Wasserstoff enthält. Vorzugsweise soll der Sauerstoffgehalt 0,01% nicht überschreiten.

Der niedrige Gasgehalt kann durch Schmelzen im Vakuum erreicht werden, besonders wenn die Schmelzenmengen klein gehalten werden.

Bei der Herstellung des Zusatzwerkstoffs ist neben dem Erschmelzen im Vakuum eine Desoxydation durch Aluminium wünschenswert. Aluminium scheint nicht nur bei der Herstellung der Schweißdrähte, sondern auch in der von einem solchen Draht niedergeschmolzenen Schweiße desoxydierend zu wirken. Der Schweißdraht enthält darum vorteilhaft 0,01 bis 0,05% Aluminium. Andererseits setzt ein übermäßig hoher Gehalt an Aluminium in der Schweißnaht die Zähigkeit herab, vermutlich durch Ausscheidung von spröde machendem Aluminiumnitrit an den Korngrenzen. Insoweit ist es vorteilhaft, den Aluminiumgehalt im Zusatzwerkstoff auf hochstens 0,03% zu begrenzen.

Phosphor und Schwefel bilden schädliche Verunreinigungen, die die Rißbildung in der Schweißnaht fördern und sowohl einzeln als auch zusammen einen starken Abfall der Zähigkeit herbeiführen, wenn der jeweilige Gehalt im Zusatzdraht größer als 0,01% ist. Um größere Sicherheit bezüglich der Schweißnahteigenschaften zu erlangen, ist es mit Rücksicht auf die Neigung handelsüblichen 9°/o-Nickelstahlblechs, in die Schweißnaht abzuschmelzen, außerordentlich wünschenswert, sicherzustellen, daß die Gehalte an Phosphor und Schwefel je 0,005% nicht übersteigen.

Silizium ist ein besonders wichtiges Element, das zwar bis zu Gehalten von 1 % vorhanden sein kann; vorzugsweise soll jedoch der Siliziumgehalt 0,02% nicht überschreiten, da sich ergeben hat, daß höhere Siliziumgehalte dann eine Rißbildung in der Schweißnaht hervorrufen können, wenn der Schweißzusatzwerkstoff Schwefelgehalte im Bereich des Maximums von 0,02% enthält,-oder bei Schweißnähten, in die größere Mengen handelsüblichen 9%-Nickelstahls mit hohem Schwefelgehalt eingeflossen sind. Es wurde festgestellt, daß Silizium im Zusammenwirken mit Schwefel das Schweißgut in unerwünschter Weise schädlich beeinflußt. Wenn der Schwefelgehalt des Schweißdrahtes sehr niedrig ist (nicht mehr als 0,005%), ist ein Siliziumgehalt bis 0,05% oder möglicherweise sogar bis 0,10% zulässig. Es ist jedoch vorzuziehen, daß der Siliziumgehalt 0,02% nicht übersteigt bzw. den Siliziumgehalt des Schweißdrahtes auf einem möglichst niedrigen Wert zu halten.

Antimon, Arsen und Zinn sollen durch Auswahl geeigneter Rohstoffe, durch Vakuumschmelzen oder durch beide Maßnahmen ausgeschlossen werden.

Der Nickelgehalt beträgt vorteilhaft 11,5 bis 13,5% und soll möglichst nahe bei 12,5% liegen. Es wurde festgestellt, daß Schweißungen, die mit einem erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoff mit einem in diesem Bereich liegenden Nickelgehalt durchgeführt werden, beim Charpy-Kerbschlagversuch 100% faserige Brüche ergeben, während Schweißungen unter Verwendung eines sonst identischen, aber nur 9% Nickel enthaltenden Zusatzwerkstoffs einen spröden Bruch ergeben, das aber ist unerwünscht, auch wenn die Charpy-Werte sonst befriedigend sind. Andererseits ist, wenn der Nickelgehalt 13% übersteigt, die Festigkeit der Schweißnaht verringert.

Die Wirkung des Kohlenstoffs ist nicht leicht zu ermitteln; es wurde jedoch beobachtet, daß Schweißnähte, die mit Zusatzwerkstoff mit weniger als 0,03 % Kohlenstoff hergestellt wurden, bei —196° C weniger zäh waren als Schweißnähte mit einem Zusatzwerkstoff, der einen Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,07*/o und — noch besser — 0,05 bis 0,07% aufwies. Es zeigte sich, daß Risse in der Schweißnaht auftreten, wenn der Zusatzwerkstoff mehr als 0,07% Kohlenstoff enthält.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Schweißdraht der vorerwähnten allgemeinen Zusammensetzung, der im Vakuum erschmolzen ist. Vorzugsweise besteht der Schweißdraht jedoch aus 11,5 bis 13,5% Nickel, 0,03 bis 0,07'% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,8% Mangan, 0,01 bis 0,05% Aluminium, bis 0,05% Titan, höchstens 0,1% Silizium, höchstens 0,01% Phosphor, höchstens 0,01% Schwefel, bis 0,02% Sauerstoff, bis 0,01% Stickstoff, bis 0,0003% Wasserstoff, Rest — von Verunreinigungen abgesehen — Eisen.

Ein besonders guter Schweißdraht besteht aus 12,5% Nickel, 0,05% Kohlenstoff, 0,65% Mangan, 0,02% Aluminium, höchstens 0,05 % Titan, höchstens 0,01% Silizium, höchstens 0,005% Phosphor, höchstens 0,005% Schwefel, bis 0,01% Sauerstoff, bis 0,005% Stickstoff, bis 0,0002% Wasserstoff, Rest — abgesehen von Verunreinigungen — Eisen.

Das Schweißen wird unter Schutzgas im Metall-Lichtbogen durch Abschmelzen der Elektrode durchgeführt, wobei das Kurzlichtbogenschweißen besonders gute Ergebnisse liefert. Bei diesem Schweißverfahren entsteht kein frei fliegender Metallstaub von der Zusammensetzung des Schweißdrahtes, denn der Lichtbogen ist extrem kurz, und unter entsprechender Steuerung des Schweißstroms kommt die Schweißdrahtspitze, sobald sie zu schmelzen beginnt; in Berührung mit dem flüssigen Schweißbad. Dabei wird ein Kurzschluß hervorgerufen, und der schnelle Anstieg des Schweißstroms bewirkt ein schnelles Abschmelzen und Abfließen von Schweißmetall von der angeschmolzenen Drahtspitze, das unmittelbar in das Schweißbad gelangt.

Geschweißt wird unter neutralem Schutzgas, beispielsweise Argon oder Helium mit niedrigem .Taupunkt und von hoher Reinheit.

Mit dem Zusatzwerkstoff nach der Erfindung hergestellte Schweißnähte besitzen ein sehr komplexes Feingefüge, von dem anzunehmen ist, daß es sich um niedriggekohlten Martensit mit Spuren von Ferrit, Bainit und Austenit handelt.

Es ist allgemein üblich, Schweißnähte durch Wärmebehandlung spannungsfrei zu machen. Eine solche bei 565° C während einer Dauer von etwa 5 Minuten pro Millimeter Querschnitt durchgeführte Behandlung scheint den Gehalt an Austenit im Schweißmetallgefüge bis auf annähernd 5 % zu steigern, wie im Röntgenbeugungsversuch festgestellt werden konnte. Diese Gefügeveränderung ist begleitet von einer Steigerung der Charpy-Kerbschlagwerte auf etwa 0,7 bis 1,4 kgm bei —196° C und einem erhöhten Formänderungswiderstand bei Raumtempe-

ratur, wie im Zugversuch gemessen werden konnte, sowie von einer Verminderung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur. Die Steigerung der Kerbschlagwerte, die sich beim Spannungsfreiglühen ergibt, ist so gering, daß es unnötig ist, eine solche Wärmebehandlung anzuwenden, um eine Charpy-Kerbschlagfestigkeit von wenigstens 3,5 kgm zu erreichen.

Beispielsweise wurde eine einfache V-Stoßnaht an etwa 16 mm dickem 9°/o-Nickelstahlblech unter Schutzgas nach dem Wolframlichtbogenverfahren geschweißt und. dabei ein Schweißdraht von 0,42 mm Durchmesser verwendet, der aus 0,056¹⁰Zo Kohlenstoff, 0,27% Silizium, 0,47% Mangan, 11,85% Nickel, weniger als 0,01% Molybdän, 0,044% Aluminium, 0,007% Schwefel und 0,002% Phosphor, Rest Eisen bestand. Diese Legierung wurde im Vakuum erschmolzen; das daraus niedergeschmolzene Schweißgut enthielt festgestelltermaßen 0,00018% Wasserstoff, 0,02% Sauerstoff und 0,016% Stickstoff. Die Schweiße wurde untersucht und ergab die in folgender Tabelle angegebenen Werte:

Wärmebehandlung

Streckgrenze
(0,2 o/o) in
kg/mm²

Zugfestigkeit

in kg/mm² Dehnung in %
50-mm-Probe 13-mm-Probe

Charpy-Kerbschlagzähigkeit in kgm

-40° C -196° C

Keine

lstündiges Glühen bei 565° C

71,7
71,6

84,1 84,3 13,0
16,5

4,0
6,0

10 13

7,5; 6,6; 6,9 5,8; 6,5; 6,6

In beiden Fällen brachen die Proben etwa 13 mm neben der Schweißnaht.

Bei einem anderen Beispiel wurde im Vakuum eine Legierung mit 0,05% Kohlenstoff, 0,025% Silizium, 0,62% Mangan, 12,50% Nickel, 0,017% Aluminium, 0,005% Phosphor, 0,002% Schwefel, 0,007% Sauerstoff, 0,001% Stickstoff, 0,0003% Wasserstoff, Rest Eisen erschmolzen. Aus dieser Legierung wurden Schweißstäbe von etwa 4,0 mm Durchmesser hergestellt und zum Schweißen von 9 %-Nickelstahl mit einer Wolframelektrode unter Argon als Schutzgas verwendet. Die resultierende Schweiße wurde bei —196° C im Charpy-Kerbschlagversuch untersucht, wobei die Kerbschlagenergie bei drei Proben 9,3, 9,7 und 9,6 kgm betrug.

Eine weitere Probe einer im Vakuum erschmolzenen Legierung bestand aus 0,05 % Kohlenstoff, weniger als 0,01% Silizium, 0,59% Mangan, 12,50 % Nickel, 0,01% Aluminium, 0,002% Phosphor, 0,003% Schwefel, 0,12% Titan, 0,00314% Sauerstoff, 0,00024% Stickstoff, Wasserstoff in einer nicht feststellbaren Menge, Rest Eisen. Schweißdrähte von 0,075 mm Durchmesser wurden daraus hergestellt und zum Schweißen von Blechen aus 9%-Nickelstahl verwendet. Schlagversuche bei —196° C ergaben einen Energieverbrauch von 6,2, 6,2 und 5,8 kgm.

Im allgemeinen wird eine Zähigkeit von mindestens 3,4 kgm verlangt. Dieser Wert kann mit einem an Luft erschmolzenen erfmdungsgemäßen Schweißwerkstoff erreicht werden, wie sich aus folgendem Beispiel ergibt:

Ein Schweißdraht von etwa 0,4 mm Durchmesser mit 0,04% Kohlenstoff, 0,30% Silizium, 0,51% Mangan, 0,006% Aluminium, 12,05% Nickel, 0,009% Schwefel, 0,007% Phosphor, Rest Eisen wurde verwendet, um 9%-Nickelstahlbleche von 16,0 mm Dicke zu schweißen. Die Schweißnaht enthielt 0,00004% Wasserstoff, 0,018% Sauerstoff und 0,007% Stickstoff. Prüfungen der Schweißnaht unter —196° C ergaben eine Zugfestigkeit von 82,6 kg/mm² und bei drei Versuchen Charpy-Kerbschlagzähigkeitswerte von 6,3, 6,1 und 5,8 kgm. Die Schweißnaht konnte in einem Winkel von 180° um einen Stab vom vierfachen Durchmesser der Probendicke gebogen werden, ohne zu reißen.

Daß Zusatzwerkstoffe von höchster Reinheit wünschenswert sind, zeigt ein Vergleich zwischen einer an Luft und einer im Vakuum erschmolzenen Legierung. Die an Luft erschmolzene Legierung war aus schwedischem Stabeisen hergestellt und bestand aus 0,033% Kohlenstoff, 0,17% Silizium, 0,35% Mangan, 0,026% Aluminium, 11,92% Nickel 0,011% Schwefel und 0,003% Phosphor, Rest im wesentlichen Eisen. Die Charpy-Kerbschlagwerte bei — 196° C betrugen 4,3, 4,7 und 3,0 kgm. Die im Vakuum erschmolzene Legierung war aus Karbonyleisen hergestellt und bestand aus 0,018% Kohlenstoff, 0,14% Silizium, 0,33% Mangan, 0,018% Aluminium, 11,80% Nickel, 0,002% Schwefel und 0,001% Phosphor, Rest im wesentlichen Eisen. In diesem Fall betrugen die Charpy-Kerbschlagwerte bei -196° C 16,8, 15,5, 12,7, 12,7 und 12,5 kgm.

Im Vergleich dazu ergab eine andere im Vakuum erschmolzene Legierung von im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie 9%-Nickelstahl, die infolgedessen nicht der Erfindung entsprach, wesentlich niedrigere Kerbschlagwerte. Dieser nicht zum Gegenstand der Erfindung gehörende Zusatzwerkstoff war gleichfalls aus Karbonyleisen hergestellt und bestand aus 0,21% Aluminium, 0,044% Kohlenstoff, 0,29% Silizium, 0,76% Mangan, 8,95% Nickel, 0,004% Schwefel und 0,001% Phosphor, Rest im wesentlichen Eisen. Die Charpy-Kerbschlagwerte bei -196⁰C betrugen 3,6, 3,2 und 3,6 kgm.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schweißzusatzwerkstoff für das Metall-Lichtbogenschweißen unter Schutzgas von Werkstücken aus ferritischen Nickelstählen mit 8 bis 20% Nickel und 0,03 bis 0,2% Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 11 bis 15% Nickel, 0,001 bis 0,07% Kohlenstoff, 0 bis 1%, vorzugsweise bis 0,02% Silizium, 0 bis 6% Mangan, 0 bis 0,15%, vorzugsweise 0,01 bis 0,05% Aluminium, höchstens 0,02%, vorzugsweise höchstens 0,005% Schwefel, höchstens 0,02%, vorzugsweise höchstens 0,005% Phosphor, 0 bis 0,3% Molybdän, Rest — abgesehen von Verunreinigungen — Eisen besteht.

2. Zusatzwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumgehalt 0,03 % nicht übersteigt.

3. Zusatzwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er höchstens 0,02%, vorzugsweise bis 0,01% Sauerstoff,

höchstens 0,01% Stickstoff und höchstens 0,0003 % Wasserstoff enthält.

4. Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für das Kurzlichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß er noch 0,05 bis 0,15% Titan enthält.

5. Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er im Vakuum erschmolzen ist.

6. Zusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 11,5 bis 13,5% Nickel, 0,03 bis 0,07% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,8% Mangan, 0,01 bis

0,05% Aluminium, bis 0,05% Titan, bis 0,10% Silizium, bis 0,01% Phosphor, bis 0,01% Schwefel, bis 0,02% Sauerstoff, bis 0,01 % Stickstoff, bis 0,0003% Wasserstoff, Rest — abgesehen von Verunreinigungen — Eisen besteht.

7. Zusatzwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 12,5% Nickel, 0,05% Kohlenstoff, 0,65% Mangan, 0,02% Aluminium, bis 0,05% Titan, bis 0,01% Silizium, bis 0,005% Phosphor, bis 0,005% Schwefel, bis 0,01% Sauerstoff, bis 0,005% Stickstoff, bis 0,0002% Wasserstoff, Rest — abgesehen von Verunreinigungen — Eisen besteht.

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