DE1290560B

DE1290560B - Verfahren zur Mehrlagenschweissung von Werkstuecken aus niedrig legiertem Stahl mittels eines ferritischen Schweissstahles

Info

Publication number: DE1290560B
Application number: DE1966G0047336
Authority: DE
Inventors: Baldock Arthur John
Original assignee: GKN Group Services Ltd
Current assignee: GKN Group Services Ltd
Priority date: 1965-07-07
Filing date: 1966-07-01
Publication date: 1969-03-13
Also published as: BE683704A; GB1156351A; LU51498A1; NL6609371A; CH455461A

Description

1 2

Es ist beim Schmelzschweißen im Vorschubverfah- Zeitstandfestigkeit nur durch Gefügearten erreicht ren bekannt, die im Bereich der Schweißnaht auf- werden kann, die sich in einem sehr kleinen Anlaßtretenden Spannungen durch unmittelbar nachfol- temperaturbereich ausbilden. Beim zyklischen Abgende induktive Ausgleichswärmebehandlung zu ver- kühlen und Wiedererhitzen kann ganz allgemein geringern, welche entweder in einem Spannungsfrei- 5 sagt werden: Je höher die erreichte Temperatur über glühen bei 700 bis 750° C oder einem Normalisieren dem kleinen Bereich günstiger Temperaturen liegt, bei 100 bis 1100° C besteht, wobei die gewählte desto schlechter wird die eventuelle Zeitstandfestig-Temperatur einige Zeit, und zwar etwa 2 min auf- keit, und außerdem werden ebenfalls die Wärmerechterhalten wurde, behandlungen, die nötig sind, um dieses Ergebnis

Die Erfindung betrifft demgegenüber ein Verfah- xo umzukehren, sehr viel komplexer und in der Praxis ren zur Mehrlagenschweißung von Werkstücken aus schwieriger ausführbar. Der Erfolg der Erfindung niedrig legiertem Stahl mittels eines ferritischen wird weiterhin durch die Auswahl eines Schweiß-Schweißstahles Und hat sich die Aufgabe gestellt, Stahles unterstützt, der Umwandlungseigenschaften eine gute Zeitstandfestigkeit der Schweißnaht und aufweist, die derart sind, daß er eine relativ lange des gesamten Werkstückes zu erreichen. Zur Lösung 15 Zeit im austenitischen Zustand beharrt und sich wähdieser Aufgabe geht die Erfindung davon aus, daß rend der für die gesamte Schweißung notwendigen beim Zusammenschweißen von Werkstücken großer Zeit nicht in unerwünschte Gefüge umwandelt. Diese Wandstärke, welche eine Schweißung in mehreren Auswahl beruht auf der chemischen Zusammenübereinander angeordneten Schweißlagern erfordern, Setzung des Schweißstahles, wobei diese chemische eine sich wiederholende Abkühlung und Wieder- 20 Zusammensetzung Umwandlungseigenschaften steuerwärmung der bereits gelegten Schweißnähte und ert, die verschieden von denen des Grundwerkstoffes der angrenzenden Zonen in einem Temperaturbereich sein können.

erfolgt, welcher für die Erzielung einer hohen Zeit- Im einzelnen kann das erfindungsgemäße Verfahstandfestigkeit sehr unerwünschte Gefügeumbildun- ren vorteilhaft in der Weise durchgeführt werden, daß gen zur Folge hat, die sich in vielen Fällen nur durch 25 die Werkstücke vor Beginn der Schweißung auf 350 besondere Wärmebehandlungen wieder beseitigen bis 600° C vorgewärmt werden. Nach der dem belassen, endeten Schweißvorgang folgenden Abkühlung der

Infolge dieser= Erscheinungen sah man bisher in Schweißnaht werden die Schweißnaht und die ander Regel davon ab, für Werkstücke großer Wand- grenzenden Werkstückbereiche vorzugsweise minstärke, von denen eine gute Zeitstandfestigkeit ver- 30 destens 4 Stunden hindurch einem Spannungsfreilangt wurde, ein automatisches Schweißverfahren zur glühen bei 600 bis 700° C mit anschließender AbAnwendung zu bringen, sondern bevorzugte hierbei kühlung unterzogen.

die viel Zeit in Anspruch nehmende Handschweißung, Durch Versuche hat sich herausgestellt, daß das er-

bei welcher jedoch die unerwünschten Gefüge- findungsgemäße Verfahren vorteilhaft auf zu ver-

umwandlungen- ebenfalls in merkbarem Umfang ein- 35 schweißende Stähle Anwendung finden kann, die aus

traten. Um dieses Problem bei Werkstücken, bei _nn, ,. _n1t₀/ r¹

denen eine hohe Zeitstandfestigkeit gefordert war, zu JJ'™ ?!^s «'Ι,/ r

lösen, mußten diese entweder besonders für gerin- JJ'r⁵ ?]^s ^₀," Z^'

gere Spannungen oder Belastungen ausgelegt werden, JJ'i? £i^s JJ'' J." ZT⁰'

oder es mußten die tatsächlichen Abmessungen, wie 40 JJ'* ?i^s ητοιλλ

ζ. B. die Wandstärke, vergrößert werden. JJ'* ??^s JJ'' '· £fⁿ'

Die Erfindung geht bei .der Lösung der ihr zu- ^υ'^{υζ Dls} ^Ό>^ό ^{/o v}'

gründe liegenden Aufgabe von der bekannten Rest Eisen und den herstellungsbedmgten Verunreini-

Arbeitsweise aus, bei der die Werkstücke zunächst gungen, unter Verwendung einer Schweißelektrode,

vorgewärmt und nach beendeter Schweißung zusam- 45 die aus

men mit der Schweißnaht auf Raumtemperatur abge- 0,05 bis 0,4% C,

kühlt werden, und besteht zur Lösung ihrer Aufgabe 0,25 bis 1,0% Mn,

im wesentlichen darin, daß während des ganzen 0,1 bis 1,0% Si,

Schweißvorganges von Beginn der ersten bis zum 1,5 bis 5,0% Cr,

Aufbringen der letzten Schweißlage die Schweißnaht 50 0,5 bis 1,5% Mo,

sowie die an die Schweißnaht angrenzende Zone 0,25 bis 1,0% Ni,

durch Dauererwärmung auf eine Temperatur oberhalb 0,1 bis 1,0% V,

Ac₃ ununterbrochen in einem austenitischen Gefüge- 0,001 bis 0,01% B,

zustand gehalten und ihr danach durch langsame Ab- 0 bis 0,5 % Ti,

kühlung auf Raumtemperatur ein Zwischenstuf en-55 _Rest Eisen und den herstellungsbedingten Verunreinigefuge gegeben wird. _besteht

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden

beim Schweißvorgang dadurch, daß die Schweißung Weiterhin kann die Erfindung unter Verwendung

ständig auf einer Temperatur oberhalb Ac₃ gehalten einer gleichartig zusammengesetzten Schweißelek-

wird, um die Schweißung während der gesamten Zeit, 60 trode auch auf zu verschweißende Stähle Anwendung

in welcher der Schweißstahl aufgetragen wird, ständig finden, die aus

im austenitischen Gefügezustand zu halten, der uner- 0 bis 0,7 % C,

wünschte Einfluß auf das Gefüge der Schweißnaht 0,25 bis 1,0% Mn,

und der angrenzenden Gebiete durch das zyklische 0 bis 1,0% Si,

Abkühlen und Erhitzen außerhalb des Temperatur- 65 2,0 bis 2,5% Cr,

bereiches, in dem das gewünschte Gefüge mit der 0,8 bis 1,25% Mo,

optimalen Zeitstandfestigkeit erreicht wird, ver- Rest Eisen und den herstellungsbedmgten Verunreini-

mieden. Es sei hervorgehoben, daß eine optimale gungen bestehen.

Der Ausdruck »Abkühlen« schließt im Sinne der Erfindung nicht Abschrecken in Wasser, öl oder anderen Kühlmitteln ein, mit welchem ein rascher Temperaturabfall erreicht wird, so daß ein unerwünschtes martensitisches Gefüge gebildet wird, sondem umfaßt nur das langsamere Abkühlen, wie z. B. die natürliche Luftabkühlung oder Luftabkühlung, bei welcher Wärme in abnehmendem Maß zur Erzielung einer allmählichen geregelten Temperaturabnahme angewendet wird.

Die beim Legen der Schweißnaht in Frage kommenden Temperaturbereiche und Zeitspannen hängen von vielen Faktoren ab, wovon die hauptsächlichsten die folgenden sind:

1. die Zusammensetzung des als Schweißstahl verwendeten ferritischen Stahls und seine Umwandlungseigenschaften,

2. die Größe der erhaltenen Schweißung,

3. die für den Schweißvorgang angewandte Arbeitsweise.

20

Die Umwandlungseigenschaften des als Schweißstahl verwendeten ferritischen Stahls hängen von der betreffenden chemischen Zusammensetzung des ferritischen Stahls ab. Dieser Stahl muß so gewählt werden, daß seine Umwandlungseigenschaften es ermöglichen, daß die Schweiße während des Schweißvorganges oder des Legens der Schweißnaht im austenitischen Zustand aufrechterhalten und innerhalb des Temperaturbereiches der Schweiße einschließlich ihrer oder der gelegten Schichten gehalten wird. Somit wird durch die Wahl eines geeigneten ferritischen Stahls als Schweißstahl, der in der Schweiße austenitisch bleibt, verhindert, daß sich durch eine wiederholte Erwärmung und Abkühlung der Schweiße unerwünschte Umwandlungsprodukte bilden, die sich nicht erfolgreich durch Wärme behandeln lassen, wie Perlit.

Je nach dem betreffenden Schweißverfahren wird auch der Erhitzungsgrad zur Erhitzung der Schweiße der vorhergehenden Schicht oder Schichten und des Grundwerkstoffes geändert. Die betreffende Temperatur der auf den Grundwerkstoff aufgelegten Schweiße und der vorhergehenden Schweißnähte variieren je nach Stärke der Flamme oder des elektrischen Stromes entsprechend dem jeweilig angewandten Schweißverfahren. Daher ändert sich die Kühlzeit für den Grundwerkstoff und der Schweiße je nach Größe und Form der Schweißung und der Werkstücke, um unerwünschte Umwandlungen zu vermeiden.

Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißen zeitstandfester ferritischer Stähle mit Erfolg Anwendung findet, wenn die Dicke oder Tiefe des zu schweißenden Bereiches 13 mm übersteigt und insbesondere im Bereich von 40 oder 65 mm liegt. Der hier verwendete Ausdruck »verhältnismäßig große Dicke« umfaßt Dicken von etwa 13 mm und darüber. Die maximale Dicke von 150 bis 200 mm ist jedoch von der zum Erhalt der Schweißung — entsprechend den Umwandlungseigenschaften der Schweiße — erforderlichen Zeitdauer bestimmt.

Es wurde gefunden, daß als geeigneter zeitstandfester ferritischer Stahl für den zusammenzuschweißenden Grundwerkstoff ein aus Chrom, Molybdän und Vanadium bestehender Stahl folgender chemischer Zusammensetzung vorteilhaft verwendet wird:

Kohlenstoff 0,06 bis 0,15%,

Chrom 0,25 bis 0,6%,

Molybdän 0,5 bis 0,7%,

Silizium 0,1 bis 0,3%,

Mangan 0,4 bis 0,7%,

Vanadium 0,02 bis 0,3 %,

Rest Eisen und Verunreinigungen.

Ein weiterer geeigneter zeitstandfester ferritischer Stahl für den Grundwerkstoff ist ein aus Chrom und Molybdän bestehender Stahl mit einem Schweißbereich von etwa 55 mm, der die folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Kohlenstoff maximal 0,70%,

Mangan 0,25 bis 1,0%,

Silizium maximal 1,0 %,

.Chrom 2,0 bis 2,5%,

Molybdän 0,80 bis 1,25%,

Rest Eisen und Verunreinigungen.

Ein derartiger Stahl kann auch als Schweißstahl zum Schweißen des vorher erwähnten Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahls verwendet werden.

Fernerhin wurde ein zur Verwendung als Schweißstahl besonders geeigneter ferritischer Stahl entwikkelt, der bei den obigen Beispielen bekannter ferritischer Stähle guter Zeitstandfestigkeit Verwendung finden kann, wobei dieser ferritische Stahl beim Schweißen Umwandlungseigenschaften besitzt, die die Schweißung bei der Temperatur des Schweißvorganges längere Zeit austenitisch bleiben lassen und sich keine unerwünschten Umwandlungsprodukte während der anschließenden Abkühlung der Schweißung bilden.

Die chemische Zusammensetzung dieses als Schweißstahl zu verwendenden ferritischen Stahls ist wie folgt:

Element	»/0
Kohlenstoff Mangan Silizium Chrom	0,05 bis 0,4 0,25 bis 1,0 0,1 bis 1,0 1,5 bis 5,0 0,5 bis 1,5 0,25 bis 1,00 0,1 bis 1,00 0,001 bis 0,01 0,00 bis 0,5
Molybdän Nickel
Vanadium Bor
Titan
Rest Eisen und übliche Verunreini gungen

Bei diesem ferritischen Schweißstahl werden die zur Aufrechterhaltüng des austenitischen Zustandes der Schweiße während einer verhältnismäßig langen Zeit innerhalb eines ziemlich großen Temperaturbereiches erforderlichen Umwandlungseigenschaften hauptsächlich durch die Anwesenheit der Elemente Chrom, Bor, Nickel und Mangan innerhalb der erwähnten Bereiche geregelt.

Andere Elemente üben natürlich beträchtlichen Einfluß sowohl auf die Umwandlungseigenschaften

als auch auf die mechanisch-physikalischen Eigenschaften der Schweiße aus.

Es wurde beispielsweise gefunden, daß, während die Zeitstandfestigkeit der Schweiße nach dem Ausführungsbeispiel durch Mangan, das 1 Gewichtsprozent übersteigt, beeinträchtigt wird, Vanadium innerhalb des Bereiches von 0,1 bis 1% zur Verbesserung der Zeitstandfestigkeit beiträgt, wobei Chrom, Molybdän und Silizium die mechanischen und physikalischen Grundeigenschaften des Stahls auf bekannte Weise verbessern.

Die chemische Zusammensetzung des als Schweißstahl eingesetzten femtischen Stahls wird vorzugsweise auch zur Erzielung einer Zeitstandfestigkeit der Schweiße gewählt, die der des Grundwerkstoffes gleich oder besser als diese ist.

Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik wurde eine Anzahl kurzzeitiger Versuche, deren Ergebnisse weiter unten angeführt sind, durchgeführt. ao

Drei Versuchsreihen wurden in bezug auf den obenerwähnten Chrom und Molybdän enthaltenden, als Schweißstahl verwendeten zeitstandfesten ferritischen Stahl in einer Stärke der Werkstücke von 55 mm durchgeführt. as

In der ersten Versuchsreihe wurde eine Anzahl Versuchsstücke aus einem Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl verwendet, der unter Verwendung von Chrom-Molybdän-Stahl als Schweißstahl in einem Bereich von 55 mm nach einem automatischen Schweißverfahren geschweißt wurde, bei welchem normalerweise die obenerwähnten unerwünschten Umwandlungen eintreten.

Die Versuchsstücke der zweiten Versuchsreihe waren jenen der ersten ähnlich, nur daß jetzt der Schweißvorgang nicht automatisch, sondern manuell durchgeführt wurde.

Bei der dritten Versuchsreihe bestanden die Versuchsstücke aus Kokillengußbarren derselben chemischen Nennzusammensetzung wie der als Schweißstahl bei dem ersten und zweiten Versuch verwendete Chrom-Molybdän-Stahl in einem Bereich von 55 mm, wobei die Versuchsstücke unter Nachahmung der Bedingungen der beim automatischen Schweißen erhaltenen einer Wärmebehandlung unterworfen wurden, und zwar bei einer Temperatur, bei der die erwähnten ungünstigen Umwandlungen bewußt herbeigeführt werden. Das Ziel der dritten Versuchsreihe war, zu ermitteln, ob die mit den Kokillengußbarren erhaltenen Versuchsergebnisse hinsichtlich der Materialbeanspruchung bzw. der Bruchfestigkeit mit den an Hand der schon erwähnten standardmäßig geschweißten Versuchsstücken erhaltenen Versuchsergebnisse vergleichbar sind und mit diesen im Einklang stehen.

Die Versuche der vierten Versuchsreihe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden mit aus Kokillengußbarren bestehenden Versuchsstücken von der chemischen Zusammensetzung des Schweißstahles des vorher erwähnten Beispiels und den gewünschten Umwandlungseigenschaften zur Erprobung der Verwendbarkeit bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren durchgeführt. Diese Versuchsstücke wurden einer die beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren herrschenden Bedingungen simulierenden Wärmebehandlung unterworfen, d. h., sie wurden V₂ Stunde bei 950⁰C erhitzt und dann auf 500⁰C und anschließend langsam auf Zimmertemperatur abgekühlt. Das Ziel dieser vierten Versuchsreihe war die Feststellung verbesserter Eigenschaften hinsichtlich der Bruchfestigkeit und somit der Zeitstandfestigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren erhaltenen Stücke gegenüber den bisher verwendeten herkömmlichen Schweißverfahren.

Bis auf die Versuchsstücke der Versuchsreihe III wurden sämtliche Versuchsstücke getempert bzw. vergütet, indem sie 4 Stunden bei einer Temperatur zwischen 675 und 700⁰C erhitzt wurden, nachdem der Schweißvorgang oder die simulierte Schweißbehandlung beendet war, da die Versuchsstücke nach der Versuchsreihe III schon wärmebehandelt worden waren und eine nochmalige Temperaturbehandlung keine weiteren Veränderungen hervorrufen würde.

Die Versuche hinsichtlich der äußeren Beanspruchung bzw. der Bruchfestigkeit wurden unter identischen Bedingungen für jede Versuchsreihe durchgeführt, und zwar bei einer Temperatur von 621° C und einer Belastung von 8 kg/mm².

Die Einzelheiten und Ergebnisse dieser vier Versuchsreihen sind wie folgt:

Versuchsreihe I
Automatische Schweißung

Schweißstahl Chrom-Molybdänstahl

Grundwerkstoff Platte aus Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl
Schweißnahttiefe 55 mm

Versuch
Nr.

Zeitdauer bis zum Bruch in Stunden

153

100

212V₂

153

250

110

621 ^σΒ/100-250 ° *

Durchschnittliche Zeit bis zum Bruch 163 Stunden

Die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes mit einem Gehalt von Chrom, Molybdän und Vanadium entsprach in diesem Versuch der vorher angeführten Zusammensetzung, während die chemische Zusammensetzung des benutzten Schweißstahles bei sämtlichen Versuchen wie folgt war:

Schweißstahl

Chemische Zusammensetzung	Ka) «/0	Versuche Kb) und 1 (c) %	Kd)₅Ke) und 1 (f) Vo
Kohlenstoff Mangan Silizium Chrom Vanadium Molybdän Rest Eisen und Verunreinigun gen	0,06 0,62 0,44 2,38 0,003 0,94	0,07 0,60 0,43 2,11 0,31	0,065 0,60 0,47 2,24 0,92

Versuchsreihe II Schweißung von Hand Grundwerkstoff und Schweißnahttiefe wie I

Versuch Nr.	Zeitdauer bis zum Bruch in Stunden
2(a) 2(b) 2(c)	390 483 535

Versuchsreihe IV
Kokillengußbarren

Bevorzugter Chrom-Molybdän-Stahl, der einer die beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren herrschenden Bedingungen simulierenden Wärmebehandlung unterworfen wurde

β2ΐ^σΒ/39ο-535 ⁸ kg/mm*

Durchschnittliche Zeit bis zum Bruch 469 Stunden

Die chemische Zusammensetzung des Grundwerk- 15 stoffes jeden Versuchsstückes entsprach jener der Versuchsreihe I, während die chemische Zusammensetzung des verwendeten Schweißstahles wie folgt war:

Versuch ^Nr·	Zeitdauer bis zum Bruch in Stunden bei einer Spannung von 8 kg/mm²
4 (a) 4(b)	7371/2 1239

Schweißstahl

ao

Chemische Zusammensetzung	2(a) «/0	Versuch 2(b) °/o	2(c) «/0
Kohlenstoff , Mangan Silizium Chrom Vanadium Molybdän Rest Eisen und Verunreinigun gen	0,10 0,50/0,60 0,50 max. 2,12 0,017 1,07	0,10 0,50/0,60 0,50 max. 2,10 0,024 1,06	0,10 0,51 0,30 1,60 0,92

Versuchsreihe III Kokillengußbarren

Schweißnahttiefe 55 mm

Grundwerkstoff Chrom-Molybdän-Stahl

Wärmebehandlung unter Bedingungen, die die Bedingungen einer automatischen Schweißung simulierten

Versuch Nr.	Zeitdauer bis zum Bruch in Stunden
3(a) 3(b) 3(c)	291 139V₂ 164 Vi

621^ÖB/193,5-291 ⁸ kg/mm²

Durchschnittliche Zeit bis zum Bruch 198 Stunden

35

40

45

50

Die chemische Zusammensetzung jedes Versuchsstückes war wie folgt: 55

Chemische Zusammensetzung	3(a) o/o	Versuch 3(b) Vo	3(c) Vo
Kohlenstoff Mangan Silizium Chrom	0,07 0,65 0,50 2,40 1,09	0,07 0,67 0,53 2,37 1,00	0,07 0,59 0,50 2,10 0,95
Vanadium Molybdän Rest Eisen und Ver unreinigungen

60

65 Die chemische Zusammensetzung jedes Versuchsstückes war wie folgt:

	4(a)	Versuch	4(b)
Chemische	0/0		Vo
Zusammensetzung

Kohlenstoff

Chrom ,

Molybdän

Mangan

Silizium

Nickel

Vanadium

Bor

Rest Eisen und übliche
Verunreinigungen

0,105

2,07

1,07

0,81

0,11

0,5

0,22

0,003

0,09
2,09
1,08
0,44
0,21
0,48
0,23
0,003

Aus den obigen Versuchsergebnissen ist ersichtlieh, daß die längste Zeitdauer bis zum Bruch die Versuchsstücke der Versuchsreihe IV nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufweisen.

Um die Versuchsergebnisse der Versuchsreihe IV vergleichen zu können, sollen anschließend zunächst die Ergebnisse der Versuchsreihen I, II und III erörtert werden.

Die Versuchsergebnisse der Versuchsreihe I zeigen die verhältnismäßig niedrige Zeitstandfestigkeit bei automatischer Schweißung, während jene der Versuchsreihe II die etwas bessere Zeitstandfestigkeit bei Handschweißung veranschaulichen.

Die Ergebnisse der an Hand der aus Kokillengußbarren mit grundsätzlich dem Schweißstahl der Versuche der Versuchsreihen I und II und insbesondere der Versuche 1 (b), 1 (c), 1 (d), 1 (e), 1 (f) und 2 (c) entsprechenden chemischen Zusammensetzungen durchgeführten Versuche der Versuchsreihe III zeigen, daß die Zeitstandfestigkeit dieser Schweißungen mit der Zeitstandfestigkeit der Schweißungen mit ganz dem Schweißstahl entsprechendem Grundwerkstoff unter den simulierten Schweißbedingungen hergestellten Versuchsstücke vergleichbar ist. Somit ist ein direkter Vergleich zwischen den Versuchsergebnissen der Versuche der Versuchsreihen III und IV mit der Folgerung zulässig, daß unter praktischen Schweißbedingungen ähnliche und vergleichbare Ergebnisse erhalten werden.

Aus dem Vergleich der Ergebnisse der Versuchsreihen III und IV geht eine wesentlich verbesserte Zeitstandfestigkeit bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens klar hervor.

Das Versuchsergebnis des Versuches 4 (b) zeigt in der Tat, daß diese Verbesserung 900 Stunden über

9095Π/1338

der Höchstdauer nach Versuch 3 (a) beträgt, und das Versuchsergebnis des Versuches 4 (a) zeigt eine Verbesserung um mehr als 400 Stunden.

Obwohl das Ergebnis des Versuches 4 (a) wesentlich niedriger als jenes des Versuches 4 ^h) ist, sind ·5 beide Ergebnisse jenen nach dem Stand der Technik nachgearbeiteten Verfahren weit überlegen. Das niedrigere Ergebnis nach Versuch 4 (a) kann durch den Mangangehalt des Stahles erklärt werden, der wesentlich höher ist als jener des Stahles nach Versuch 4 (b), w nämlich 0,81 Gewichtsprozent bei Versuch 4 (a) und 0,44 Gewichtsprozent bei Versuch 4 (b). Ein Mangangehalt über gewissen Grenzen wirkt sich ungünstig auf die Bruchfestigkeit aus, und es mußte daher damit gerechnet werden, daß die Zeitstandfestigkeit bei Versuch 4 (a) infolge des unterschiedlichen Mangangehaltes niedriger als jene bei Versuch 4 (b) ist.

Zum weiteren Nachweis der erzielten Verbesserung der Zeitstandfestigkeit wurden einige weitere Ver

10

Der Stahl des Versuches 4 (a)

Belastung	Zeitdauer bis zum Bruch in Stunden
23,7 kg/mm² 19,75 kg/mm² 15,8 kg/mm²	73 497 2035

Der Stahl des Versuches 4(b)

- Belastung	Zeitdauer bis zum Bruch in Stunden ._;
23,7 kg/mm² 19,75 kg/mm²	176 971

Diese Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung mit den gestrichelten Linien wiedergegeben, wo-

suche der Versuchsreihe V durchgeführt, die. in der 30 bei die betreffenden Stähle angegeben sind.

graphischen Darstellung der F i g. 1 veranschaulicht Aus der graphischen Darstellung der Figur ist er

sichtlich, daß die Ergebnisse der an Hand, der den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißungen entsprechenden Versuchsstücke durch- »5 geführten Versuche den mit den bekannten Schweißverfahren zeitstandfesten Stahls 5 (a) erzielten Ergebnissen weit überlegen sind. - - - ^! '■'-"

Der Unterschied zwischen den mit den Stählen 4 (a) und 4 (b) erzielten Ergebnissen kann wieder wie vor-

bis zum Bruch unter verschiedenen Belastungen .bei 30 her mit dem Unterschied ihres Mangangehaltes er-

575° C. Zwei Sätze Versuchsstücke wurden einer klärt werden.

Wärmebehandlung unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unterworfen, wobei diese Versuchsstücke die bei den Versuchen 4 (a) und 4 (b)

vorhandene Zusammensetzung hatten. Die Versuchsergebnisse dieser Versuche wurden

mit jenen verglichen, die mit einem-zeitstandfesten ferritischen Stahl erhalten worden waren, nämlich einem Chrom^Molybdän-Stahl mit 55 mm Schweißnahttiefe [Stahl 5 (a)], der auf bekannte Weise von Hand geschweißt wurde, wobei die Schweißnaht die

sind, deren Werte bei 575° C Versuchstemperatur erhalten wurden.

Versuchsreihe V

Die Versuche der Versuchsreihe V zeigen die Zeitstandfestigkeit des beanspruchten Versuchsstückes

folgende Zusammensetzung hatte: Stahl 5(a) -

Chemische Zusammensetzung

Kohlenstoff ....... 0,088 «/0,

Mangan 0,56%, ·

Silizium .... 0,38»/»,

Chrom 2,37%,

Vanadium .... 0,06%,

Molybdän ............

Rest Eisen und Verunreinigungen.

Diese auf bekannte Verfahren bezogenen Ergebnisse wurden den solche Schweißungen betreffenden, veröffentlichten Angaben entnommen, die einen Teil Für die praktische Durchführung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens muß der Schweißstahl entsprechend seinen Umwandlungseigenschaften je nach dem anzuwendenden Schweißvorgang gewählt werden.

Zur VeranschauHchung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf das Zusammenschweißen zweier Rohre von 305 mm Durchmesser aus zeitstandfestem

iQ ferritischem Stahl und einer 55 mm betragenden Wändstärke Bezug genommen. .

Rohre mit einem derartigen Durchmesser werden nach den herkömmlichen Verfahren normalerweise nicht mit Hilfe der automatischen Lichtbogenschweißung elektrisch geschweißt, da — wie schon erwähnt — die dabei erhaltenen Schweißungen nicht zufriedenstellend sind. Derart große Rohre werden normalerweise von Hand geschweißt, wofür etwa 1 Woche erforderlich ist.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dagegen kann die automatische Lichtbogenschweißung Anwendung finden» wobei.· die dafür erforderliche Zeit 2 Stunden oder ein wenig mehr beträgt.
Bei der praktischen: Durchführung der Schweißung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Stoßstellen der Rohre auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches von 350 bis 600° C vor Beginn der

Schweißung erhitzt, wobei diese Temperatur während

g der ganzen Schweißung aufrechterhalten wird. Diese

der Arbeit von L. M. T. Hop kin u, a. darstellen, die 6o> Temperatur beträgt vorzugsweise 500° C. Während in The Journal of the Iron and Steel Institute, es sich als notwendig erweisen kann, daß die Schweiß-

August 1965, erschien, wobei diese Angaben in der graphischen Darstellung der vorliegenden Anlage in ausgezogener Linie dargestellt sind.

Nachfolgend sind die Ergebnisse der beiden Versuchsreihen angegeben, die an Hand der Versuchsstücke entsprechend den erfindungsgemäß hergestellten Schweißungen durchgeführt wurden:

stelle und die daran angeschlossenen Teile des.Rohres zwecks Aufrechterhaltung des gewünschten Temperaturbereiches in bezug auf diese Teile erhitzt werden, können diese Teile und die Schweißstelle normalerweise jedoch dank der beim Legen der Schweißnaht hervorgerufenen Erhitzung auf zufriedenstellende Weise der gewünschten Temperatur während des

Schweißvorganges ohne Anwendung äußerer Wärme ausgesetzt werden.

Durch die Aufrechterhaltung dieses Temperaturbereiches für die Schweißstelle und die daran angeschlossenen Abschnitte des Rohres wird die Bildung jeglicher Umwandlungsprodukte in der vorhergehenden Schweißlage oder in den vorhergehenden Schweißlagen während des aufeinanderfolgenden Legens weiterer Lagen verhindert. Die Schweißung wird, mit anderen Worten, während der für das Schweißen erforderlichen Zeit ideal restlos im austenitischen Zustand gehalten.

Die Vorwärmung der Rohre und die Aufrechterhaltung der für die Rohre und die Schweißung gewünschten Temperatur kann durch Mantelerhitzung um die Rohre herum neben der Schweißstelle erfolgen, wobei als Schweißverfahren eine Lichtbogenschweißung mit einer Abschirmung von CO₂-GaS gewählt wird.

Nach Beendigung des Schweißvorganges werden die Schweißstellen und die benachbarten Abschnitte in der Weise gesetzmäßig langsam abgekühlt, so daß sich das Zwischenstufengefüge bilden kann. Die geregelte Abkühlung kann erzielt werden, indem die Mantelerhitzung zum Vorwärmen und zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur für die Schweißung herabgesetzt wird. Die Schweißnaht und die daran angeschlossenen Abschnitte der Rohre können wahlweise auch auf natürliche Weise luftgekühlt oder einer verstärkten Luftkühlung unterworfen werden.

Die Schweißung darf nicht zu rasch abgekühlt werden — was z. B. beim Abschrecken der Fall ist —, da sich dann unerwünschte martensitische Strukturen bilden. Die verhältnismäßig großen Teile und Schweißungen, bei welchen das erfindungsgemäße Schweißverfahren anwendbar ist, kühlen jedenfalls auf natürliche Weise nicht sehr schnell ab, so daß eine solche natürliche Abkühlung gewöhnlich genügend langsam ist, um das Auftreten unerwünschter Gefügeveränderungen zu vermeiden. Die verstärkte Luftkühlung oder geregelte Abkühlung kann in manchen Fällen zur Erzielung der erforderlichen Abkühlgeschwindigkeit und zum Erhalt der gewünschten Umwandlungsgefüge Anwendung finden.

Ein Anlassen und Spannungsfreiglühen können stattfinden, indem die Schweißnaht z. B. vermittels eines elektrischen Heizmantels örtlich erwärmt oder gegebenenfalls das zusammengeschweißte Werkstück in einem geeigneten Ofen erhitzt wird.

Auch wenn sich die metallurgische Struktur des Grundwerkstoffes von der nach dem herkömmlichen Schweißverfahren erhaltenen nicht wesentlich unterscheiden sollte, ist die Zeitstandfestigkeit der Schweißstelle infolge der besseren Gefügeausbildung der Schweißnaht wesentlich erhöht. Falls der Grundwerkstoff hinsichtlich seiner Zeitstandfestigkeit der fertigen Schweißunterlagen sein sollte, wird dies durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung der an die Schweißnaht angrenzenden Zonen ausgeglichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Mehrlagenschweißung von Werkstücken aus niedrig legiertem Stahl mittels eines ferritischen Schweißstahles, wobei die Werkstücke zunächst vorgewärmt und nach beendeter Schweißung zusammen mit der Schweißnaht auf Raumtemperatur abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß während des ganzen Schweißvorganges von Beginn der ersten bis zum Aufbringen der letzten Schweißlage die Schweißnaht sowie die an die Schweißnaht angrenzende Zone durch Dauererwärmung auf eine Temperatur oberhalb Ac₃ ununterbrochen in einem austenitischen Gefügezustand gehalten und ihr danach durch langsame Abkühlung auf Raumtemperatur ein Zwischenstufengefüge gegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke vor Beginn der Schweißung auf 350 bis 600° C vorgewärmt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der dem beendeten Schweißvorgang folgenden Abkühlung die Schweißnaht und die angrenzenden Werkstückbereiche mindestens 4 Stunden hindurch einem Spannungsfreiglühen bei 600 bis 700⁰C mit anschließender Abkühlung unterzogen werden.

4. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 auf zu verschweißende Stähle, die aus

0,06 bis 0,15 »/0 C, 0,25 bis 0,6% Cr, 0,5 bis 0,7% Mo, 0,1 bis 0,3% Si, 0,4 bis 0,7 «/0 Mn, 0,02 bis 0,3 % V,

Rest Eisen und den herstellungsbedingten Verunreinigungen bestehen, unter Verwendung einer Schweißelektrode, die aus

0,05 bis 0,4 «/0 C,

0,25 bis 1,0% Mn,

0,1 bis 1,0% Si,

1,5 bis 5,0% Cr,

0,5 bis 1,5% Mo,

0,25 bis 1,0% Ni,

0,1 bis 1,0% V,
0,001 bis 0,01% B,

0 bis 0,5% Ti,

Rest Eisen und den herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.

5. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 unter Verwendung einer Schweißelektrode nach Anspruch 4 auf zu verschweißende Stähle, die aus

0 bis 0,7% C,

0,25 bis 1,0% Mn,

0 bis 1,0% Si,

2,0 bis 2,5% Cr,

0,8 bis 1,25% Mo,

Rest Eisen und den herstellungsbedingten Verunreinigungen bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen