DE1765306A1 - Schutzgas zum Lichtbogenschweissen - Google Patents

Description

MESSER GHIESHEIM HG

Kennwort: Ar-Np-Schutzgas Erfinder: Dr. Krahl

Schutzgas zum Lichtbogenschweißen

Die Erfindung betrifft ein Schutzgas zum Lichtbogenschweißen von hochlegierten ferritischen Chromstählen, austenitischen Chrom-Nickel- und Chrom-Nickel-Holybdän-Stählen.

Stickstoff kann in fester Lösung und als Nitrid im Stahl vorkommen und dabei gefürchteter Stahlbegleiter, in bestimmten Fällen aber auch gewünschtes Legierungselement sein. In ferritisch-perlitischem Stahl verursacht er als gelöstes Element die als Alterung sowie die als Blausprödigkeit bekannten Eigenschaft sanderungen. Auch auf die Neigung stickstoffhaltiger unlegierter und niedriglegierter Stähle zu interkristalliner Spannungsrißkorrosion sei hingewiesen. AIb Nitrid im S₊ahl enthaltener Stickstoff wirkt kornverfeinernd und erhöht dadurch die Streckgrenze, ohne die Duktilität zu mindern. Pur den Schweißprozess sind die Eigenschaften des Stickstoffes, in Kohlenstoffstählen den Martensitpunkt zu tieferen Temperaturen zu verschieben, die Anlaufzeiten im ZTU-Schaubild zu vergrößern und den Ablauf der Zwischenstufenumwandlung zu verlangsamen, sehr unerwünscht, da sie ein Aufhärten der Värmeeinflußzone und das Entstehen hoher Umwandlungespannungen begünstigen. Da bei stickstoffhaltiger Schweißatmoephäre durch Dissoziation und Ionisation Ib Schweißlichtbogen Stickstoff in besondere großer Menge in die Schmelze gelangt, ist die Gefahr des Entstehens von Poren sehr groß« Das Ausmaß der Porenbildung ist dabei nicht nur vom Stickstoffangebot in der Schweißatmosphäre abhängig, sondern auch von Art und Menge der Legierungselemente in Grund- und Zueatzwerkstoff, die Stickstoff chemisch binden können. Legierungeelemente, die bei hohen Temperaturen bis unter den Schmelzpunkt dee Stahles herab Nitride bilden, wie Titan, Zirkon, Aluminium, liob, Chrom und Silizium, verschieben den Grenzgehalt an Stick-

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stoff für die Porenbildung zu höheren Werten. P. Rupertu3 und Mitarbeiter haben das für Aluminium experimentell gezeigt. V/ie aus Arbeiten von T.M. Slutskaya und Mitarbeitern sowie T. Kobayashi hervorgeht, ist bei ausreichenden Gehalten des Schweißdrahtes an Desoxydations- und Denitrierungsmitteln sogar ein Lichtbogenschweißen ohne Schutzgas in Luft mit angeblich brauchbaren Ergebnissen möglich. Es sei jedoch auf die besonders für den Schweißprozeß wichtige Tatsache hingewiesen, daß die Denitrierungeelemente einen Stahl nur dann vor Porenbildung und Alterung schützen, wenn bei der Abkühlung des Schweißgutes genügend Zeit zur Sondernitridbildung vorhanden ist. Danach dürfte bei dem üblicherweise recht schnell abkühlenden Schweißgut nur mit einer geringen Abbindung des aufgenommenen Stickstoffes durch llitridbildrier im Zusatzwerkstoff gerechnet v/erden können. Außerdem kann ein großer Gehalt an Sondernitriden auch nicht ohne negative Auswirkungen auf die Verformungsfähigkeit des Stahles sein.

Die Ergebnisse systematischer Untersuchungen und die Erfahrungen aus der Dchweißpraxis stimmen in der Peststellung überein, daß die üblichen ferritisch-perlitischen Stähle beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Blankdrahtelektrode bei wirtschaftlichen Schweißgeschwindigkeiten schon auf sehr kleine Stickctoffanteile im Schutzgas sehr empfindlich mit Porenbildung reagieren. Selbst wenn man die Gefahr der Alterung stickstoffbeladenen Schweißgutes ausklammern würde, sind stickstoffhaltige Schutzgase für diese Stahlsorten allein im Hinblick auf die Porenbildung nicht "b a a and era geeignet. Über die Auswirkungen des Stickstoffes beim Lichtbogenschweißen gibt W. Hummitzsch •inen umfassenden überbliok.

Bei den hochlegierten Chrom-Niokel stählen, kann Stickstoff als Legierungselement zur Auetenitstabilisierung eingesetzt werden. Möglichkeiten der Herstellung und Verwendung etiokstofflegierter Stähle gibt V. Nicolas in seiner Auswertung des umfangreichon Schrifttums an. Aus schweißtechnischer Sicht birgt der Stickstoff für die hochlegierten Chrom-Uickel-Stähle weit weniger Gefahren als für Kohlenstoffstahl. Das liegt einmal in der durch die

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Elemente Molybdän, Mangan, Chrom, Niob und Vanadium vergrößerten Aufnahmefähigkeit für Stickstoff begründet, bei austenitischen Stählen außerdem in der hohen Dtickstofflöslichkeit der kubisch-flächenzentrierten ^Modifikation des Eisens. Die austenitischen Chrom-Nilckelstähle behalten ferner selbst bei nennenswerten Nitrideinlagerungen noch ausreichende Duktilität. Aufgrund ihrer großen Aufnahmefähigkeit für Stickrtoff dürften die hochlegierten Chrom-Nickel-Stähle demnach nicht so kritisch wie Kohlenstoffstähle durch Porenbildung auf Sticketoffgehalte in der Schweißatmoephäre reagieren. Dae Problem der Alterung existiert für die hochlegierten Stähle nicht. Pur die geringere Dtickstoff-Porenanfälligkeit der hochlegierten Chrom-Ivickel-Stähle ist letztlich auch die schlechtere Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe verantwortlich, die eine langsamere Abkühlung dee Schweißgutes und somit bessere Entgasung durch Effusion und chemische Abbindung ermöglicht.

Die für hochlegierte Chrom- und ChromnickelstähJLe' im H oidel befindlichen reinen Schutzgase und Schutzgasgemische sind fUr das Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Drahtelektrode nicht zufriedenstellend. Es läßt sich damit entweder die Forderung nach porenfreies Schweißgut nicht erfüllen oder sie verursachen schlechtes Schweißverhalten (Spritzer), ergeben ungünstige Naht- und Einbrandformen, gefährden die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion oder la seen die Kurzlichtbogentechnik nioht zu. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Schutzgas zu schaffen, welches die vorstehend angedeuteten Forderungen erfüllt. Gemäß der Erfindung ist ein solches Schutzgas gekennzeichnet durch ein Gemisch von Argon und Stickstoff, wobei der Stickstoffgehalt 1 bis 20 vorzugsweise I 5 bir 10 Vol.-Prozent beträgt. Bei extrem niedrigen Sohweißge- ?chv.'indigkeiten kann der Stickstoffgehalt 15 bis 20 9» betragen, während sich für wirtschaftliche Schweißgeschwindigkeiten ein Stickstoffgehalt von 5 bis 10 # - Je nach Verwendungszweck empfiehlt.

Es ist zwar bereits ein Argon-Sticketoffgemisch als Schutzgas für metallurgische Zwecke vorgeschlagen worden (Patentanmeldung M 70 092 Vla/I8c). Dieses unterscheidet eioh aber schon daduroh voir. Gegenband der Erfindung, daß im Stiolcetoffanteil reduzierende Ge\,ne gelöst sind, ein Merkmal, das - wie nachstehend näher erläutert - für die Zwecke der Erfindung unerwünscht ist.

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Im übrigen sind aus obigem Vorschlag keine Hinweise auf die Höhe des Stiokstoffanteile zu entnehmen. Die richtige Bemessung des Stickstoffanteilβ ist aber fUr eine erfolgreiche Anwendung der Erfindung sehr wesentlich. Es geigt sich zwar, daß selbst in reiner Stickβtoffatmosphäre niedergeschmolzener Schweißdraht beständig gegen interkristalline Korrosion nach Stahl-Eisen-Prüfblatt 1875-61 blieb. Porenfreiheit war Jedoch günstigstenfalls bei der Elnlagenschweißung bzw. sehr langsamer SohweißbadabkUhlung bei der Hehrlagenschweißung erreichbar. Die Ursache für die Porenbildung bei der Hehrlagenschweißung dürfte in der Tatsache begründet sein, daß der als Nitrid abgebundene Stickstoff in den unteren Lagen duroh Nitridserfall beim überschweißen gasförmig frei wird, nicht mehr bis zur Badoberfläche aufsteigen kann und an den :Elnbrandgrenzen Poren bildet. Wie beim Schweißen der ersten Lage gezeigt werden kann, gelingt es dem näher der Nahtoberfläche im Sohweißbad blasenförmig ausgeschiedenen Stickstoff meist zur Nahtoberfläche aufzusteigen und zu entweichen. Die Abkühlungsgeschwindigkeit des Schweißbadeε hat auf die Porenbildung einen großen Einfluß.

£e let daher erforderlich, duroh ausreichende Verdünnung der Stickstoffechweißatmosphäre mit Argon die Beladung des Schweißgutes mit Stickstoff so zu verringern, daß bei üblichen Sohweißbedingungen keine Poren mehr auftreten. Diesem Ziel kommt die Eigenschaft des Argons entgegen, den Kathodenfall und damit die Stickstoffbeladung des Schwelßbades herabzusetzen.

Wie bereits oben angedeutet, ist es für die Zweoke der Erfindung nioht günstig, dem Schutzgas reduzierende Zusätze beizumengen. Vielmehr schlägt die Erfindung vor, daß den Argon-Stiokstoffgemisoh zusätzlich bis zu 10 Vol.-Prozent Sauer- , stoff zugesetzt 1st. Der Sauerstoff erleiohtert die Sohweißbadentgasung, da er die Oberflächenspannung der Schmelzt senkt und. die Badtemperatur erhöht. Durch die Stickstoff aufnahm· verringert sich bei Schweißgut aus metastabil-austenitisohen Chrom-Nickel-Stählen zwar derc/'-Perritgehalti die Sicherheit gegen Varnrisse bleibt bei Verwendung der empfohlenen Schutzgase jedoch bestehen. Stickstoffhaltige Schutzgase auf Argonbasls ermöglichen sowohl die Sprühlichtbogen- als auoh die Kurz-

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liohtbogentechnik bei hochlegierten Stählen und ergeben bei guter Abschnelzleistung einen günstigen Einbrand und gutes IJahtaussehen,

Bei der genauen Zusammensetzung des Schutzgases innerhalb der erfindungsgemä3en Grenzen ist es ferner zweckmäßig, die Zusammensetzung des zu schweißenden Werkstoffes, insbesondere den jeweiligen Gehalt an Nitridbildnern und desoxydierendon Elementen zu berücksichtigen.

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Claims (3)

Ansprüche

1. Schutzgas zum Lichtbogenschweißen, insbesondere von hochlegierten ferritiechen Chromstählen, auetenltisehen Chrom-Nickel- und Chrom-Nickel-Molybdän-Stählen, gekennzeichnet durch ein Gemisch aus Argon und Stickstoff, Wobei der Stickstoffgehalt 1 bis 20 rorzugsweiee 5 bis 10 Vol.-Prozent beträgt.

φ 2. Schutzgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Argon-Stickstoff-Geaxsoh zusätzlich bis su 10 VoI.-Frozent Sauerstoff-zugesetzt ist.

3. Sohutsgss. naoh Anspruch 2, gekennzeichnet duroh 5 VoI.- Frosent Stlokstoff und 9 Vol.-Prozent Sauerstoff.

4· Schutzgas naoh Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daS die genaue Zusammensetzung desselben tos jeweiligen Gehalt mn Hitridbildnern und desoxydierenden Sleaenten im su eohweiflenden Werkstoff abhingt*

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