DE1508310C3

DE1508310C3 - Lichtbogen-Schweißelektrode

Info

Publication number: DE1508310C3
Application number: DE1508310A
Authority: DE
Inventors: Jarl Allan Avesta Bjoerkroth (Schweden)
Original assignee: AVESTA JERNVERKS AVESTA (SCHWEDEN) AB
Current assignee: AVESTA JERNVERKS AVESTA (SCHWEDEN) AB
Priority date: 1965-07-27
Filing date: 1966-07-26
Publication date: 1975-01-16
Also published as: FI50688B; FR1568735A; US3581054A; NO116045B; DE1508310A1; FI50688C; AT274512B; DE1508310B2; CH500800A; NL6610594A; GB1085967A; BE684675A

Description

13 bis 14% Cr Ferrit-Martensit-Struktur, 17 bis 25% Cr Ferrit-Struktur, 25 Cr/5 Ni/1,5 Mo Ferrit-austenitische Struktur.

Wenn eine geschweißte Anordnung aus Stählen der obigen Gruppe zufriedenstellende mechanische Eigenschäften oder die größtmögliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion aufweisen soll, muß ein Anlassen nach dem Schweißen durchgeführt werden. Im nicht angelassenen Zustand besitzt das Schweißgut dieser Stahlgruppen sehr geringe Kerbschlagzähigkeitswerte, die gelegentlich unter 1,0 kgm/cm² liegen. Ein Anlassen nach dem Schweißen führt zu einem Verbessern der Kerbschlagzähigkeit in einem gewissen Ausmaß, jedoch erreicht selbst das angelassene Schweißgut selten Werte der Kerbschlagzähigkeit von über 2 bis 3 kgm/cm².

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Lichtbogen-Schweißelektrode zu schaffen, die ein Schweißgut mit den eingangs genannten Eigenschaften ergibt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lichtbogen-Schweißelektrode aus 0,01 bis 0,05% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,9% Silizium, 0,2 bis 2,5% Mangan, 14,5 bis 18,0% Chrom, 3,5 bis 6,0% Nickel, 0,1 bis 2,0% Molybdän, 0,02 bis 0,12% Stickstoff, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen besteht, mit der Maßgäbe, daß die Zusammensetzung die Bedingungen

24 5 < (Cr- + Ni-) < 27

und 16 < 1,4 · Crx — Niä < 19,3 erfüllt, wobei Cr^ = % Cr + % Si + % Mo und Ni = % Ni + 0,5

Go (% Mn) + 30 (% C + % N) entspricht.

Im Falle einer umhüllten Lichtbogen-Schweißelektrode besteht dabei die Umhüllung aus Schlackenbildnern, Stabilisierungsmitteln und Flußmitteln, gegebenenfalls zusammen mit den Abbrand ausgleichenden Anteilen an den Legierungsbestandteilen.

Bei Verwendung einer Selenelektrode bestellt der rohrförmige Mantel aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl und die Kernfüllung aus den Legie-

rungsbestandteilen in gekörnter Form, mit der Maßgabe, daß die Zusammensetzung der Elektrode insgesamt der genannten Zusammensetzung entspricht.

Infolge dieses Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lichtbogen-Schweißelektrode weist das Schweißgut im geschweißten oder im geschweißten und angelassenen Zustand Martensit, Ferrit und Austenit auf. Durch Dosieren dieser drei strukturellen Elemente in bestimmter Weise wird ein Schweißgut erhalten, das eine sehr hohe Streckgrenze sowohl im angelassenen als auch im nicht angelassenen Zustand aufweist.

Ferner kann vorteilhaft das Aufheben von Spannungen bei geringeren Temperaturen durchgeführt werden, als dies bei anderen rostfreien Stählen möglich ist. So werden optimale Festigkeitseigenschaften beim Anlassen im Temperaturbereich von 550 bis 650° C erhalten. Dies stellt einen Vorteil bei dem Herstellen von Druckgefäßen, Reaktoren oder anderen geschweißten Anordnungen dar, wo das Aufheben von Spannungen zweckmäßig ist. Durch Anlassen bei den angegebenen Temperaturen wird die Gefahr einer Deformation oder eines Verziehens weitestgehend verhindert. Wenn die Anordnung eine derartige Größe aufweist, daß ein vollständiges Anlassen nicht in Frage kommt, ist es in einem derartigen Fall sehr leicht, ein örtliches Aufheben der Spannungen durch eine geeignete Erhitzungsanordnung, wie z. B. einen Benzinbrenner, vorzunehmen.

Durch den erfindungsgemäß niedrigen Kohlenstoffgehalt des Schweißguts, z. B. unter 0,05%, vorzugsweise unter 0,04%, wird es möglich, eine Kohlenstoffabscheidung beim Anlassen und Abkühlen zu vermeiden. Der Kohlenstoff wird aus der Martensitphase in Form einheitlich verteilter Carbide ausgeschieden, so daß in den Korngrenzen kein Abscheiden oder Ausfällen erfolgt.

Es sind ausgedehnte Untersuchungen bezüglich der

t5 mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes durchgeführt worden. Die im folgenden wiedergegebenen Werte wurden bezüglich vollständig geschweißter Proben der Type 7 C 70 nach SIS 112 113 (The Swedish Standards Association) erhalten, die von geschweißten

ao Verbindungsstellen genommen wurden, wobei man nach IIW-s Document II-C-44-59 (International Institute of Welding) oder DIN 1913 Bl. 2 (Deutsche Industrie-Normen) arbeitet.

	Streckgrenze 0,2 kg/mm²	Zerreißfestigkeit kg/mm²	10 bis 15 16 bis 22	KCV kgm/cm²	HV
Nicht angelassene Probe Angelassene Probe	50 bis 55 52 bis 57	70 bis 85 80 bis 95	4 bis 7 4 bis 7	240 bis 280 290 bis 310

wobei δ 5 die Dehnung einer 5 cm Probe, KCV die Kerbschlagzähigkeit und HV die Vickers Härte darstellen.

Ein Vergleich der entsprechenden Werte bezüglich Schweißgut aus herkömmlichen rostfreien Stählen ist im folgenden wiedergegeben:

Type	Wärme behandlung	Streckgrenze 0,2 kg/mm²	Zerreißfestigkeit kg/mm²	% '5 5	KCV kgm/cm²	HV
18-8 und 18-8 Mo 25-12 und 25-20 14Cr 14 Cr 17 Cr 25 Cr/5 Ni/1,5 Mo	keine keine keine angelassen angelassen angelassen	36 bis 46 35 bis 45 40 bis 50 35 bis 45 32 bis 40 44 bis 54	58 bis 65 57 bis 64 60 bis 75 55 bis 65 52 bis 58 66 bis 75	.38 bis 50 35 bis 46 5 bis 15 20 bis 28 12 bis 25 8 bis 20	9 bis 11 8 bis 11 0,5 bis 1 1 bis 3 1 bis 3 1 bis 2	150 bis 180 140 bis 190 210 bis 250 170 bis 210 160 bis 190 230 bis 250

Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Schweißelektrode einen Kerndraht und eine Elektrodenumhüllung auf. Nach dieser Ausführungsform besitzt der Kerndraht eine Zusammensetzung, die derjenigen des gewünschten Schweißgutes entspricht oder derselben weitestgehend entspricht. Die Umhüllung besteht aus Schlackenbildnern, Stabilisierungsmitteln und Flußmitteln, gegebenenfalls zusammen mit den Abbrand ausgleichenden Anteilen an den Legierungsbestandteilen. Ferner können Legierungselemente, Desoxidationsmittel und Plastifizierungsmittel vorgesehen sein.

Da der Kohlenstoffgehalt des Schweißgutes auf einem niedrigen Wert gehalten und das Verhältnis zwischen Ferrit, Matensit und Austenit innerhalb ziemlich enger Grenzwerte abgeglichen werden muß, wird es jedoch bevorzugt, die Analyse des Kerndrahtes selber der Analyse des Schweißgutes entsprechen zu lassen.

Im Falle einer blanken Lichtbogen-Schweißelektrode entspricht die Zusammensetzung derselben der angestrebten Zusammensetzung des Schweißgutes. Diese Ausführungsform der Erfindung ist von Interesse beim Schweißen in einer inerten Gasatmosphäre.

Ein inertes Gas wird hierbei als Schutzgas angewandt, und zwar vorzugsweise Argon oder Argon im Gemisch mit 1 bis 5 % Sauerstoff. Bei einem Schweißen im Schutzgas unter Anwendung einer Wolframelektrode als Energiezuführung wird der Draht entweder manuell eingeführt oder automatisch von einer Spule aus in die Verbindungsstelle eingeführt. Bei einem anderen Schweißverfahren wird der Lichtbogen zwischen dem Werkstück und dem Draht (die sich verbrauchende Elektrode) gehalten, der automatisch durch den Brenner zugeführt wird. In beiden Fällen ergibt sich auf die Elektrode ein Rückstoß auf Grund des seltenen Inertgases oder des Gasgemisches, wie oben angegeben. Es ist weiterhin möglich, eine reine Drahtelektrode als eine kontinuierliche Elektrode bei einem Tauchlichtbogen-Schweißverfahren anzuwen-

den. Der Lichtbogen wird hierbei zwischen dem Draht und dem Werkstück aufrechterhalten und ist durch eine Schutzabdeckung aus gekörntem Schweißpulver (sogenanntes Flußmittel) bedeckt, das in einer geeigneten Dosierung von dem Lichtbogen nach unten fließt. Das Flußmittel ist dergestalt zusammengesetzt, daß es harmonisch auf die analytische Zusammensetzung des Drahtes abgestimmt ist, d. h., dasselbe sollte eine geeignete Menge an Legierungselementen als Kompensation für den Verlust der Legierungselemente in dem Lichtbogen enthalten.

Der Metallanteil der Schweißelektrode, weiter oben als der Kerndraht bezeichnet, kann aus einem Rohr eines nicht legierten oder niedrig legierten Stahls bestehen, wobei in dem Hohlraum gekörnte Legierungselemente eingebettet sind, und zwar in der Menge und der Art, wie es für das Erzielen der angestrebten Zusammensetzung des Schweißgutes erforderlich ist. Um diesen röhrenförmigen Draht kann dann auch eine Umhüllung angeordnet werden. Diese Umhüllung weist schlackenbildende Mittel und Flußmittel auf.

Weiter unten werden dieselben insgesamt als Flußmittel bezeichnet. Der Zweck der Flußmittel liegt darin, die Elektrode mit guten Schweißeigenschaften zu versehen, und in chemisch-metallurgischer Hinsicht wird hierdurch ein Beitrag zu dem angestrebten Ergebnis geleistet, und zwar einem reinen homogenen Schweißgut.

Die Flußmittel bestehen im wesentlichen aus CaI-ciumcarbonat, Calciumfluorid und Titandioxid. Zusätzlich zu den Flußmitteln wird eine bestimmte Menge an Legierungselementen in die Abdeckung zusammen mit Desoxidationsmitteln eingearbeitet. In den meisten Fällen müssen Legierungselemente vorliegen, um den Verlust an Legierungsgehalt des Kerndrahtes zu kompensieren, wie er bei dem Lichtbogen bedingt wird.

Ferrosilicium, Ferrotitan und Ferromangan haben sich als geeignete Desoxidationsmittel erwiesen. Da diese Ferrolegierungen trotz deren geringstmöglichem Kohlenstoffgehalt zu einer unzweckmäßigen Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes der Schweißstelle führen, sind Ferrosilicium und elektrolytisch abgeschiedenes Manganmetall bevorzugt. Mangan ist ebenfalls ein Legierungselement und wird zugesetzt, um den Verlust an Legierungselementen in dem Lichtbogen zu kompensieren, wie es der Fall bei Ferrochrom, Ferromolybdän und Nickel ist.

ίο Das Umhüllungsmaterial kann auf dem Kerndraht vermittels Eintauchen desselben in eine Suspension der oben beschriebenen und pulverisierten Legierungselemente, einem Bindemittel und Wasser aufgebracht werden. Da das Eintauchen zu zeitraubend ist, wird ein Strangpressen bevorzugt, wobei hier eine bestimmte Menge an Plastifizierungsmitteln in das Überzugsmaterial zusätzlich zu dem Flußmittel, den Legierungselementen und dem Bindemittel eingearbeitet werden muß.

Bestimmte hydratisierte Aluminiumsilikate, wie z. B. Kaolin, Bentonit und Eyrit haben sich als geeignete Plastifizierungsmittel für den Zweck ergeben, eine Konsistenz zu erhalten, die für ein Strangpressen unter hohem Druck geeignet ist. Im allgemeinen weisen die angegebenen Aluminiumsilikate eine nachteilige Wirkung auf die Viskosität der Schweißschlacke auf. Es hat sich somit als zweckmäßig erwiesen, den Gehalt anhydratisierten Aluminiumsilikaten auf etwa 8 Gewichtsprozent des Überzuges zu beschränken.

Durch Einführen einer bestimmten Menge an Zirkonium entweder in Form eines Oxides oder vorzugsweise als ein Silikat wird die nachteilige Wirkung der Plastifizierungsmittel neutralisiert. In diesem Fall muß ein bestimmtes Verhältnis einerseits zwischen der Menge an zusätzlichem zugesetztem Zirkoniumsilikat und dem hydratisieren Aluminiumsilikat vorliegen. Die folgende Tabelle ist ein Beispiel der erfindungsgemäß in Betracht gezogenen Zusammensetzung:

Trockene Bestandteile in Gewichtsteilen

vorzugsweise	insbesondere	Beispiel
innerhalb eines	innerhalb eines
Bereiches von	Bereiches von	35
25 bis 45	30 bis 40	31
20 bis 40	25 bis 35	4
1 bis 10	3 bis 7	5
1 bis 8	2 bis 6	7
1 bis 12	2 bis 9	18
10 bis 30	15 bis 25

Calciumcarbonat

Calciumfluorid

Titandioxid

Kaolin oder Bentonit und Eyrit

Zirkonsilikat

Desoxidationsmittel und Legierungselemente

Die Summe der Gehalte an Calciumcarbonat, Calciumfluorid und Titandioxid sollte 85% nicht übersteigen. Das Verhältnis zwischen der Menge an zuge-

Gewichtsmenge an Zirkoniumoxid Gewichtsmenge an Kaolin oder Bentonit und Eyrit 100

setztem Zirkonium und den Plastifizierungsmitteln läßt sich an Hand der folgenden Gleichung ausdrücken :

= 0,75 bis 2,5 oder vorzugsweise 1,25 bis 2,0.

Es werden zu 100 Gewichtsteilen des oben angegebenen trockenen Pulvergemisches 12 bis 22 Gewichtsteile Wasserglas als Bindemittel zugesetzt. Wasserglas kann lediglich Natriumsilikat ,oder ein Gemisch an Natrium- und Kaliumsilikaten darstellen.

Das molekulare Verhältnis beträgt:

SiO₂ + Na₂O = 2,8 bis 3,3 SiO₂ : K₂O = 2,9 bis 3,4

Die oben beschriebenen Elektroden und Schweißverfahren dienen vor allen Dingen für das Bearbeiten

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eines Grundmetalls als Gußstück, Blech, Stangenstahl, unter Anwenden herkömmlicher Elektroden mit 13 % geschmiedetes Eisen usw. mit Festigkeitseigenschaften Chromstahl hergestellt worden sind.
ähnlich denjenigen des angestrebten Schweißgutes. Unter der Voraussetzung, daß die Korrosionsbedin-Die erfindungsgemäße Schweißelektrode hat sich gungen geeignet sind, können die beschriebenen Elekjedoch ebenfalls als geeignet für Stähle mit 13 bis 14% 5 troden ebenfalls für das Verschweißen anderer Arten Chrom, unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten und rostfreier Stähle oder für Kombinationen für Mateeiner ferritischen-martensitischen Struktur erwiesen. rialien angewandt werden, wo gute mechanische Dabei wird eine Verschweißung erhalten, die bessere Festigkeiten und hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanische Eigenschaften als diejenigen aufweist, die Abrieb vorteilhaft für die Schweißanordnung sind.

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Claims

Patentansprüche:

1. Blanke Lichtbogen-Schweißelektrode zum Verbindungs- oder Auftragsschweißen rostbeständiger Stähle zur Erzielung eines Schweißgutes mit guten mechanischen Eigenschaften, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Abriebfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,01 bis 0,05% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,9% Silizium, 0,2 bis 2,5% Mangan, 14,5 bis 18,0% Chrom, 3,5 bis 6,0% Nickel, 0,1 bis 2,0% Molybdän, 0,02 bis 0,12% Stickstoff, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen besteht, mit der Maßgabe, daß die ZusammensetzungdieBedingungen24,5(CrÄ+NiÄ) 27 und 16 1,4-CrA-NiA 19,3 erfüllt, wobei CrA = % Cr + % Si + % Mo und Νια = % Ni + 0,5 (% Mn) + 30(% C + % N) entspricht.

2. Umhüllte Lichtbogen-Schweißelektrode zum Verbindungs- oder Auftragschweißen rostbeständiger Stähle zur Erzielung eines Schweißgutes mit guten mechanischen Eigenschaften, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Abriebfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndraht die Zu-

■ sammensetzung gemäß Anspruch 1 aufweist und die Umhüllung aus Schlackenbildnern, Stabilisierungsmitteln und Flußmitteln besteht, gegebenenfalls zusammen mit den Abbrand ausgleichenden Anteilen an den Legierungsbestandteilen.

3. Schweißelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndraht aus einem unlegierten oder niedriglegierten Stahl besteht und die Umhüllung sämtliche bzw. die restlichen Legierungsbestandteile in solchen Mengen enthält, daß die Zusammensetzung der Elektrode insgesamt der Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 entspricht.

4. Schweißelektrode nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung im Trockenzustand aus 25 bis 45, vorzugsweise 30 bis 40% Calciumcarbonat, 20 bis 40, vorzugsweise 25 bis 35% Calriumfluorid, 1 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7% Titandioxid, 1 bis 8, vorzugsweise 2 bis 6% Plastifizierungsmittel, 1 bis 12, vorzugsweise 2 bis 9% Zirkonoxid oder Zirkonsilikat, 10 bis 30, vorzugsweise 15 bis 25% Legierungselementen und Desoxidationsmitteln, besteht.

5. Schweißelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Gehalte an Calciumcarbonat, Calciumfluorid und Titandioxid 85% nicht übersteigt.

6. Schweißelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verhältnis zwischen den Anteilen an Zirkoniumoxid bzw. Zirkoniumsilikat und Plastifizieuingsmittel auf 0,75:1 bis 2,5 : 1, vorzugsweise 1,25 :1 bis 2,0: 1 beläuft.

7. Selenelektrode zum Verbindungs- oder Auftrag-Lichtbogenschweißen rostbeständiger Stähle zur Erzielung eines Schweißgutes mit guten mechanischen Eigenschaften, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Abriebfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Mantel aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl und die Kernfüllung aus den Legierungsbestandteilen in gekörnter Form besteht, mit der Maßgabe, daß die Zusammensetzung der Elektrode insgesamt der Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 entspricht.

Die Erfindung betrifft blanke und umhüllte Lichtbogen-Schweißelektroden und Selenelektroden zum Verbindungs- oder Auftrag-Lichtbogenschweißen rostbeständiger Stähle zur Erzielung eines Schweißgutes mit guten mechanischen Eigenschaften, hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Abriebfestigkeit.

Es ist bekannt, daß austenitischer rostfreier Stahl im angelassenen Zustand eine sehr geringe Streckgrenze im Vergleich mit anderen Baustählen aufweist. Diejenigen Gruppen, die allgemein unter der Bezeichnung 18/8 bekannt sind (18% Cr, 9 bis 11% Ni), 18/8 Mo (18% Cr, 11 bis 14% Ni + 1 bis 4% Mo), 25/12 (25% Cr, 12% Ni), 25/20 (25% Cr, 20% Ni und weitere sind hier ebenfalls eingeschlossen. Normalerweise weist das geschmolzene Schweißgut eine geringfügig höhere Streckgrenze in angelassenem Zustand auf, andererseits besitzt es jedoch geringere Dehnung und geringere Kerbschlagzähigkeit als das entsprechende Ausgangsmetall. Nach dem Anlassen vermittels Abschrecken neigen die Eigenschaften des Schweißgutes dazu, denjenigen des Ausgangsmetalls zu ähneln.

Weitere Gruppen rostfreier Stähle besitzen wesent-

lieh höhere Werte der Streckgrenze als die austenitisehen Stähle, andererseits besitzen dieselben jedoch vom Standpunkt des Schweißens aus erhebliche Nachteile. Hierzu gehören die folgenden Gruppen: