DE1615280A1

DE1615280A1 - Process for welding metallic materials that form sproede, intermetallic phases in the weld pool

Info

Publication number: DE1615280A1
Application number: DE19671615280
Authority: DE
Inventors: Werner Reidelstuerz; Dieter Rodrian; Scheibe Dipl-Phys Willy
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1967-07-18
Filing date: 1967-07-18
Publication date: 1970-05-27

Description

Verfahren zum Verschweißen I metallischer Werkstoffe-, die in der Schweißschmelzespröde, intermetallische Phasen bilden. In der Reaktortechnik werden Zirkon und seine Legierungen wegen der aus gezeichneten Korrosionabeständigkeit gegen heißes Wasser in Drucl-waooorreaktoren und wegen der niedrigen Neutronenabeorption als Hüllmaterial für.Kernbrennstoffstäbe angewandt. Auch Titan und Vanadin und deren Legierungen sind wegen ihres geringen Absorptionsquerschnittes, wegen der günstigen korrosionschemischen Eigenschaften und hinsichtlich der Warmfestigkeit bevorzugte Konstruktionsmaterialien im Reaktorbau.Process for welding I metallic materials that form brittle, intermetallic phases in the weld melt. In reactor technology, zirconium and its alloys are used as a cladding material for nuclear fuel rods because of their excellent corrosion resistance to hot water in pressure reactors and because of their low neutron absorption. Titanium and vanadium and their alloys are also preferred construction materials in reactor construction because of their small absorption cross-section, because of their favorable corrosion-chemical properties and because of their high-temperature strength.

Schon das Verschweißen zweier Legierungen, die sich relativ wenig voneinander unterscheiden, wie etwa das Verschweißen verschiedenartiger Stähle miteinander, ist kompliziert und nur dur ch Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe und Wärmebehandlungsverfahren m5glich. Viel weniger überschaubar und daher wesentlich schwieriger sind die Probleme beim Verschweißen sehr unterschiedlicher Werkstoffe, z.B. von Stählen mit Titan, Zirkon, Niob, Vanadin oder deren LegierungGn. weil-selbst bei einfachen, z.B. binärdn, Systemen und die Zustandsdiagramme dieser Mehrstoffsysteme als bekannt vorausgesetzt, die Mischkristallbildung in der Schmelzzone wegen der sehr unterschiedlichen Abkühlbedingungen - je nach Art des angewendeten Schweißverfahrens - aus den Zustandsdiagranawa nicht abgeleitet werden kann. Mit den konventionellen Schweißverfahren ist die Mischkristallbildung zwar durch 2usatzwerkstoffe im gewissen Sinne zu beeinf lußen, aber fast immer nur in Verbindung mit einer entsprechenden,Wärmebehandlung, was allerdings in der Reaktortechnik aus mehreren Gründen unerwünscht ist.Even welding two alloys that differ relatively little from one another, such as welding different types of steel together, is complicated and only possible through the selection of suitable filler materials and heat treatment processes. The problems associated with welding very different materials, such as steels with titanium, zirconium, niobium, vanadium or their alloyGn, are much less manageable and therefore much more difficult. because-even binärdn in simple, for example, provided systems and the state diagrams of multicomponent systems as known, the mixed crystal formation in the melting zone because of the very different cooling conditions - can not be derived from the Zustandsdiagranawa - depending on the type of the applied welding process. With conventional welding processes, mixed crystal formation can be influenced in a certain sense by additional materials, but almost always only in connection with a corresponding heat treatment, which is undesirable in reactor technology for several reasons.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Mischungsverhältnisse in der Schweiazone derart zu beeinflußen, daß selbst unterschiedliche Werkstoffe, die in der Schweißechmelze zur Bildung spröder intermetallischer Phasen neigen, ohne Benutzung von Zumetzwerkstoffen unter Einhalten der geforderten Reinheitsgrade und.unter Umgehung-von-Wärmevor--und nachbehandlungsverfahren gut verschweißt werden können, sodaß sie rißfreie, duktile und hochbeanspruchbare Schweißverbindungen ergeben.The object of the present invention is the mixing ratios to influence in the welding zone in such a way that even different materials, those in the molten metal to form more brittle intermetallic Phases tend to be without the use of additive materials while adhering to the required Degrees of purity and bypassing heat pre- and post-treatment processes are good can be welded, so that they are crack-free, ductile and highly stressable welded joints result.

Mit verschiedenen Schweißverfahren wurde geprüft, inwieweit der Konzentrationaverlau f in der Schweißnaht und damit das Festigkeitsverlialten beeinflußt werden kann.Various welding processes were used to check the extent to which the concentration was lost f in the weld seam and thus the strength development can be influenced.

Als VersuchsmaterIal werden zunächst zwei Legierungen verwendet, die sich zwar gut.verschweißen lassen, die sich aber mindestens in einem Legierungebestandteil wesentlich unterscheiden, um-Aussagen über die Nischungsverhältnisse in der äufgeschmolzenen Zone machen zu können. Unter diesem Genichtspunkt werdeA die beiden Legierungen CrNi 18 8 (ca. 70 o/o Zisen) und Inconel 600 (ca. 5 0 /o Eisen,) - ausgewählt. Diese Werkstoffe werden alo 0,5 mm ot@rlce Bleche stumpf miteinander verschweißt, und zwar sowohl-n@Ch-dem WIG-Schweiaverfahren als auch nach dem Elektronenstrahlochweißverfahren. Der Konzentrationsverlauf des Eisens und des Nickels in der Schmeläzone.i-jird mit einer Mikrosonde ermittelt. Initially, two alloys are used as the test material, which can be welded well, but which differ significantly in at least one alloy component in order to be able to make statements about the niche conditions in the melted zone. With this in mind, the two alloys CrNi 18 8 (approx. 70 % iron) and Inconel 600 (approx. 5 % iron) - are selected. These materials are butt-welded to each other alo 0.5 mm ot @ rlce sheets, both-n @ Ch-the TIG welding process and according to the electron beam hole welding process. The course of the concentration of iron and nickel in the Schmeläzone.i-j is determined with a microprobe.

Bei den nach dem WIG-Verfahren durchgeführten Schweißungen-ohne Zusatzwerkstoff wurde allgemein festgestellt daß selbst bei Variation der Schweißparameter "Strö'Mstärke"'und "Schweißgesc-hwindigkeit" ein definierter Konzentrationsveriauf nicht zuerzielen war.".-Iie aus Fig. 1 ersichtlich, springt die Eisenkonzentration, welche jeweils M>er die Schweißnahtbreite gemessen wurde. zwischen dem-niedrigsten Eisengebalt beim Inconel 600 und dem höchsten Eisengehalt beim CrNi 18 8 sehr willkürlich; sie geht etwa in der Mitte der 0 Schweißzone auf den Ausgangswert von--5 /o zurück,# während sie nach einem weiteren Anstieg noch einmal deutlich abfällt, ehe sie sich der Konzentration von 70 % auf der Seite des CrNi 18 8-Stahls annähert. Beikleineren Schweißgeschwindigkeiten unter 2 mm/sec. stellt sich bei gleicher Stromstärke ein Plateau mit geringeren Schwankungefi etwa bei 35 % Eisengehalt ein. Es. ist nicht gelungen, die Höhe des Plateaus' reproduzierbar zu verändern.In the performed by the TIG process welding-No extra material 1 has generally been found that even with variation of the welding parameters "Strö'Mstärke '" and "Schweißgesc-hwindigkeit" was not zuerzielen a defined Konzentrationsveriauf. ".- Iie seen from FIG., skips the iron concentration, which in each case it was measured M> the weld width between the-lowest Eisengebalt at the Inconel 600 and the highest iron content in CrNi 18 8 very arbitrary, it is about in the middle of 0 welding zone to the initial value of - 5 /. o back, # while after a further increase it drops again significantly before it approaches the concentration of 70% on the side of the CrNi 18 8 steel. At lower welding speeds below 2 mm / sec., a plateau arises with the same amperage There is less fluctuation at about 35% iron content. It has not been possible to change the height of the plateau in a reproducible manner.

Durch die Anwendung des Elektronenstrahlschweißverfahrens schien die Beeinflußung der Mischungs- und Abkühlbedingungen wegen der 3 4 um den Faktor 10 10 höheren Energiedichte, deren gezielte Aufbringung und der großen Variationsbreite der Schweißparameter wie Beschleunigungsspannung, Strahlstrom, Schweißgeschwindigkeit, Strahlbewegung und Einwir)#ungsda'uer des Strahls. (gepulster Blektronenstrahl) - eher möglich.The use of the electron beam welding process seemed to influence the mixing and cooling conditions because of the 3 4 higher energy density by a factor of 10 10 , its targeted application and the wide range of variation in welding parameters such as acceleration voltage, beam current, welding speed, beam movement and exposure time Beam. (pulsed metal electron beam) - rather possible.

Mit denselben Versuchswerkstoffen CrNi 18 8 und Inconel 600 wurde beim Elektronenstrahlschweißverfahren versucht, den Konzentrationsverlauf zu beeinflußen. Besonders mit einem gepulsten Blektronenstrahl ließ sich der Konzentrationaverlauf in Abhängigkeit von der Auftreffstelle*des Elektronenstrahl unvergleichlich gut und reproduzierbar beherrschen. Fig. 2 zeigt die verschiedenen Auftreffpunkte des Elektronenstrahls. Die strichpunktierte Linie(5)bezeichnet die Stoßfuge der beiden zu verschweißenden Werkstoffe CrNi 18-8 (1) und Inconel 600 (2). Der Elektronenstrahl wurde bei den Probeschweißungen im Abstand von Vielfachen von 0,09 mm parallel zur Stoßfuge(5)aufgebracht, und dazu.der-Konzentrationsverlauf über die Schweißnahtbreite-gemessen. Auf seiten des Inconel 600 (2) wurde die Schweißnaht um 0,18 mm (3) und um 0,09 mm (4) parallel zur Stoßfuge verlegt. Dann wurde eine Schwei Bung durchgeführt, bei welcher der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls in der Stoafuge (5) lag. Auf seiten des 19 a-stahl.9 ti) emrclen die Auftreffpunkte des Elektronenetrnhles um 0,09 M e6), um 0 18 m (7) und um 0, 27 mm (9) yDrDlIel zur StoßfÜge (5) versetzt, zeigt,den Eisen-Konzentrationsverlauf (9) bei einer Elektranenstrahlsch%-jäißüng, wie er bei einer Verlegung des Auftreffpunlztes um o,'IS mm,(3) auf Seiten des Inconel 600 (2) zu beobachten ist3 den Eisen-Kongentrationsverlauf Clo), wie er bei einer Verlegung des Auftreffpunktes in die Stoßfuge (5) auftritt, und den Eisen-Konzentrationsverlauf (11), wie er bei einer Verlegung deo*Auftreffpunktes um 0,27 mm-(8) auf seiten des.CrNi 18 8-Stahls #1) auftritt. Der Nick.el-KenzentratioKsverlauf verläuft jeweils dem Eisen-Konzentrationsverlauf komplementär, ist aber in der Figur aus Gründeri der Übersichtlichkeit nicht wiedergegeben. In Fig. 4 sind für die Fig. 2 dargestellten, verschiedenen Abstände (3-8) der Auftreffpunkte von-der Stoßfu-ge (5) der zu verschweißenden Werkstoffe CrNi 18 8"Stahl (1) und Inconel 600 (2) die Konzentrationskurven linearisiert wiedergegeben, dh. die Konzentrationsschwankungen und unterschiedliche Schweißnaht.#.» biniten wurden nicht berücksichtigt. Aus der Figur ist zu ersähen, daß sich praktisch jeder beliebige Konzentrationsverlauf reproduzierbar erreichen läßt. Sowohl die Höhe der einze in-en Plateaus (12) als auch die Läge und Höhe der Konzentrationssprüge 13, 14 kann-variiert werden. Um den,Verlauf der.Konzäntrati-onskurven übersichtlicher darzustellen, sind die Konzentrationssprünge13 und 14 seitlich versetzt gezeichnet. Die Konzentrationsschwankungen sind hauptsächlich-von der S-chweißgeschwindigkeit und der Strahlführung abhä ngig.-Aufgrund dieser Voruntersuchungen an Modellwerkstoffen, die zwar keine-intermetallischen Phasen* bilden, bei denenaber aufgrund der-gleichartigen, in verschiedenen Konzentrationenvorliegenden'Legierungsbestendteile der Konzentrat ionsverlauf über die Schweißnahtbreite sehr gut untersucht werden konnte, konnten die-theoretischen Grundlagen für die Vera sch-Weißung von-unterschiedlichen Werkstoffen, die -in der Schweiß-.schmelze zur-Bildüng spröder intermetallischer Phasen neigen, gefunden werden. verwendet wird und die Lage des Auftreffpunktes dieses Elektronenstrahls ausserhalb der Stoßfuge der zu verschweißenden Werkstoffe, vorzugsweise in einem- Bereich von 0,07 bi's 0,2 mm von der Stoßfuge entfernt, gewählt . wird, wobei bedeuten. Kit dem erfindungegemäßen Verfahren -lassen sich riafreie und duktile Schweißverbindungen erreichen, wobei die Härtewerte in der aufgeschmolzenen Zone teilweise die der beiden Ausgangsmaterialien nicht Ober chreiten und Biegewinkel bis 180o und-z.T. darüber möglich sind. Die erwähntenwerkstoffkombinationen ließen sich bisher nicht einwandfrei verschweißen. Sie brechen wegen extrem große"r Härtewerte unmittelbar nach dem Schweißen bzw. wiesen Risse auf, wenn sie nach den konventionellen Schweißverfahren oder nach dem Elektrondnstrahlschweißverfahren geschweißt wurden, ohne daßjdie dem erfindungsge-mäßen Verfahren zugrunde liegenden Bedingungen eingehalten wurden.'With the same test materials CrNi 18 8 and Inconel 600 , attempts were made to influence the concentration curve in the electron beam welding process. Particularly with a pulsed tin electron beam, the concentration curve depending on the point of impact * of the electron beam could be controlled incomparably well and reproducibly. Fig. 2 shows the various points of impact of the electron beam. The dash-dotted line (5) denotes the butt joint of the two materials to be welded CrNi 18-8 (1) and Inconel 600 (2). During the test welds, the electron beam was applied at a distance of multiples of 0.09 mm parallel to the butt joint (5), and the concentration curve over the width of the weld was measured. On the Inconel 600 (2) side, the weld seam was laid by 0.18 mm (3) and 0.09 mm (4) parallel to the butt joint. Then a weld was carried out in which the point of impact of the electron beam was in the joint (5) . On the side of a 19-stahl.9 ti) emrclen the incidence of the Elektronenetrnhles by 0.09 M e6) to 0 18 m (7) and by 0, 27 mm (9) offset relative to the shock yDrDlIel joining (5), shows the iron concentration curve (9) in the case of an electron beam, as can be observed when the point of impact is shifted by 0.15 mm, (3) on the side of the Inconel 600 (2) 3 the iron concentration curve Clo), as it occurs when the point of impact is moved in the butt joint (5) , and the iron concentration curve (11) as it occurs when the deo * point of impact is moved by 0.27 mm- (8) on the side of the CrNi 18 8 steel # 1) occurs. The nickel concentration curve is complementary to the iron concentration curve in each case, but is not shown in the figure for reasons of clarity. In FIG. 4, the different distances (3-8) of the points of impact from the butt joint (5) of the materials to be welded CrNi 18 8 ″ steel (1) and Inconel 600 (2) are shown in FIG linearized, i.e. the concentration fluctuations and different weld seams. #. » The figure shows that practically any desired concentration profile can be reproducibly achieved. Both the height of the individual plateaus (12) and the length and height of the concentration jumps 13, 14 can be varied. In order to show the course of the concentration curves more clearly, the concentration jumps 13 and 14 are drawn laterally offset. The concentration fluctuations are mainly dependent on the welding speed and the beam guidance * form, in which, however, due to the -like alloy constituents present in different concentrations, the concentration profile over the width of the weld seam could be investigated very well, the theoretical foundations for the varnish whitening of-different materials that -in the weld-. melt to form brittle intermetallic ic phases tend to be found. is used and the position of the point of impact of this electron beam outside the butt joint of the materials to be welded, preferably in a range of 0.07 to 0.2 mm from the butt joint, selected . will, where mean. Kit of the method according to the invention -ria-free and ductile welded joints can be achieved, the hardness values in the melted zone in some cases not exceeding those of the two starting materials and bending angles of up to 180o and in some cases more being possible. The mentioned material combinations could not be welded properly so far. They break because of extremely large "r hardness values immediately after welding or showed cracks if they were welded by conventional welding method or the Elektrondnstrahlschweißverfahren without daßjdie the erfindungsge- MAESSEN process underlying conditions have been complied with. '

Claims

Father's dance rules: