DE19713300C1 - Schutzgas-Orbitalschweißverfahren zur Erzeugung von Druckspannungen bei Verbindungsschweißungen - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft ein Schutzgas-Orbitalschweißverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Verbindungsschweißungen von Stahlteilen können in der Schweißnaht und in der an die Schweißnaht angrenzenden sogenannten Wärmeeinflußzone (WEZ) Zugspannungen auftreten, die Spannungsrißkorrosion fördern können. Dies ist insbesondere bei austenitischen Rohrleitungen in Kernkraftwerken ein Problem. Besonders kritisch sind Zugspannungen im Wurzelbereich der Schweißnaht, der wesentlich zur Stabilität einer Verbindungsschweißung beiträgt.

Zur Vermeidung solcher Zugspannungen sind Verfahren vorgeschlagen worden, mit Hilfe derer zumindest in einem Teilbereich der Schweißnaht und in der WEZ Druckspannungen erzielt werden, um der Gefahr einer Rißbildung entgegenzuwirken.

Ein derartiges Verfahren ist das optimierte Engspaltschweißen (DVS-Berichte Band Nr. 176, S. 64-72). Bei diesem Verfahren wird, verglichen mit dem normalen Engspaltschweißen, durch eine Verringerung der Spaltbreite und damit des Schweißvolumens, ferner einer Reduzierung des Wärmeeintrags und einer Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit erreicht, daß der axiale Schrumpf möglichst gering gehalten werden kann. Dadurch können im Wurzelbereich der WEZ von austenitischen Verbindungsschweißungen Druckspannungen erzeugt werden. Jedoch sind bei Verbindungen, die mit diesem Verfahren geschweißt worden sind, für den Bereich unmittelbar um die Schweißnahtmitte herum keine Spannungswerte dokumentiert, die im Druckspannungsbereich lägen (vgl. a.a.O.).

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Erzeugung von Druckspannungen werden die Schweißungen mit Innenkühlung vorgenommen. Diese Kühlung kann in Form von Wasserkühlung oder CO₂-Kühlung vorgenommen werden. Die Wasserkühlung ist jedoch aufwendig und kompliziert, da ein Wasserkreislauf beispielsweise in einem zu verschweißenden Rohr nötig ist und die gewünschten Druckspannungen nur bei einer gleichmäßigen Kühlung erreicht werden. Auch bei der CO₂-Kühlung muß eine dazu verwendete Sonde innerhalb des Rohres geführt werden, was eines sehr aufwendigen Steuervorgangs bedarf.

Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schutzgas-Orbitalschweißverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache, kostengünstige und wenig zeitaufwendige Weise im gesamten Bereich der Schweißnaht Druckspannungen erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst bei dem nach dem Aufbringen einer gewählten Anzahl von Lagen der Wasserstoffanteil des Schutzgases für das Aufbringen weiterer Lagen erhöht wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird einerseits erreicht, daß im Wurzelbereich der Schweißnaht aufgrund des geringen oder überhaupt nicht vorhandenen Wasserstoffgehalts des Schutzgases die WEZ klein gehalten bzw. wenig sensibilisiert wird. Dadurch wird das Ausmaß der zu Zugspannungen führenden Schrumpfung gering gehalten. Bei diesem Verfahrensabschritt muß, wie dies beim Wurzelschweißen die Regel ist, die Schweißgeschwindigkeit klein gehalten werden, um eine ausreichende Güte der Schweißnahtwurzel zu gewährleisten. Durch den Schutzgaswechsel wird jedoch erreicht, daß sich die Temperatur des Werkstoffs schneller erhöht, weshalb die Schweißgeschwindigkeit vergrößert werden kann. Gleichzeitig wird durch die Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit dafür gesorgt, daß eine geringe Wärmeeinbringung erfolgt und somit die Schrumpfkräfte klein bleiben und die Verweilzeiten im kritischen Temperaturbereich kurz gehalten werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Schutzgas-Orbitalschweißverfahren kann es sich beispielsweise um ein Wolfram-Inertgas-Orbitalschweißverfahren handeln.

Vorzugsweise ist die Summe der Dicken der Lagen, die unter Verwendung des Schutzgases mit geringerem Wasserstoffanteil aufgebracht werden, kleiner ist als die Summe der Dicken der Lagen, die unter Verwendung des Schutzgases mit höherem Wasserstoffanteil aufgebracht werden.

Für die zuerst aufgebrachten Lagen kann als Schutzgas z. B. reines Argon oder ein Argon/Wasserstoff-Gemisch mit 0 bis 3% Wasserstoffanteil und für die folgenden Lagen ein Argon/Wasserstoff-Gemisch mit 0,5 bis 20% Wasserstoffanteil verwendet werden. Vorzugsweise wird für die folgenden Lagen ein Argon/Wasserstoff-Gemisch mit 3 bis 10% Wasserstoffanteil verwendet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für die zuerst aufgebrachten Lagen als Schutzgas ein Gemisch aus 98% Argon und 2% Wasserstoff und für die folgenden Lagen ein Gemisch aus 95% Argon und 5% Wasserstoff verwendet. Dieses Schutzgas hat gegenüber Schutzgas, das aus 100% Argon besteht, den Vorteil, daß die Schweißgeschwindigkeit bzw. die Umlaufgeschwindigkeit eines verwendeten Orbitalschweißkopfes höher sein kann. Dadurch und aufgrund des intensiven Lichtbogens wird die WEZ nur relativ wenig erwärmt. Infolge des 2%igen Wasserstoffanteils schmilzt die Wärme des intensiven Lichtbogens das Schweißgut nur bis zu einer Tiefe von ca. 2 mm auf. Nach dem Schutzgaswechsel kann die Schweißgeschwindigkeit aufgrund des größeren Wasserstoffanteils erhöht werden, was sich günstig hinsichtlich einer möglichst geringen Wärmeeinbringung auswirkt, und damit auch hinsichtlich einer Minderung der gesamten Schrumpfkräfte.

Die Anzahl der Lagen, die unter Verwendung des Schutzgases mit dem geringeren Wasserstoffanteil aufgebracht werden, kann beispielsweise vier bis sechs betragen. Im genannten Fall der Verwendung von Schutzgasgemischen von 98% Argon und 2% Wasserstoff bzw. 95% Argon und 5% Wasserstoff ist es vorteilhaft, nach der sechsten Lage das Schutzgas zu wechseln. Dieser Wechsel ist jedoch jeweils abhängig von der Gesamtdicke der Lagen.

Zugspannungen können ferner weiter dadurch abgebaut werden, daß durch mehrlagiges Decklagenschweißen möglichst beidseitig der Schweißnaht Oberflächenraupen gelegt werden, die im wesentlichen parallel und axial versetzt zu der Schweißnaht verlaufen. Vorzugsweise überlappen sich die Oberflächenraupen, wobei eine Überlappung von etwa 50% besonders günstig ist. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Oberflächenraupen zusammen einen Oberflächenbereich der zu verbindenden Teile abdecken, der sich auf jeder Seite von der Sehweißnahtmitte erstreckt. Die Länge dieser Erstreckung beträgt vorzugsweise mindestens ca. 10 mm auf jeder Seite.

Ferner ist zur Erzielung einer optimalen Schweißnahtgüte wichtig, daß vor dem Aufbringen einer weiteren Lage innerhalb des Spaltes die unmittelbar darunter befindliche Lage eine Temperatur zwischen 50°C und 150°C aufweist. Denn unterhalb 50°C sind Schrumpfkräfte nicht mehr abführbar, und oberhalb von 110°C können während des Aufbringens einer weiteren Lage die Temperaturspitzen so hoch werden, daß Schrumpfkräfte auftreten, die auch durch das mehrlagige Decklagenschweißen nicht mehr kompensiert werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zur Herstellung ferritischer als auch austenitischer Schweißverbindungen, wobei ihm gerade in bezug auf letztere für den Einsatz in Kernkraftwerken besondere Bedeutung zukommt.

Bei dem Schutzgas kann auch Helium in reiner Form bzw. anteilmäßig verwendet werden. Ferner ist auch zu sehen, daß der Wasserstoffanteil des Schutzgases mehrfach heraufgesetzt werden kann.

Im folgenden wird das erfindungsgemäßen Verfahren anhand eines Beispiels einer mit dem Verfahren hergestellten Schweißnaht erläutert. Dabei wird auf die einzige Zeichnung Bezug genommen, in der Eigenspannungswerte aufgetragen sind, die in Abhängigkeit vom Abstand von der Schweißnahtmitte gemessen worden sind.

Bei der Schweißnaht handelt es sich um eine Rohrverbindungsschweißnaht, bei der die ersten sechs Lagen in dem Rohrspalt unter Verwendung eines Schutzgasgemisches von 98% Argon und 2% Wasserstoff und weitere Lagen unter Verwendung eines Schutzgasgemisches von 95% Argon und 5% Wasserstoff aufgebracht worden sind. Ferner sind Oberflächenraupen mit einer 50%igen Überlappung mit einer Gesamtbreite von 60 mm symmetrisch zur Schweißnahtmitte gelegt worden. Die Lagen wurden unter Einhaltung eines Temperaturbereichs von 75°C bis 100°C für die jeweils vorhergehende Lage aufgebracht.

Zur Messung der Eigenspannung wurde die Rohrverbindung in vier gleich große, im Querschnitt die Form eines Kreisviertels aufweisende Segmente zertrennt, an denen anschließend mittels Röntgendiffraktometrie getrennt gemessen wurde. Das Meßergebnis zeigt, daß im gesamten Bereich der Schweißnaht und der WEZ die Eigenspannungswerte deutlich kleiner als 40 MPa sind und in drei Segmenten sogar ausschließlich im negativen Spannungsbereich, d. h. im Druckspannungsbereich liegen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß diese gemessenen Druckwerte in ihrer absoluten Größe nach oben zu korrigieren sind da durch die Zertrennung der Rohrverbindung Verluste bei den Druckspannungen entstanden sind. Die korrigierten Eigenspannungswerte (nicht gezeigt) sind alle kleiner als -30 MPa und liegen somit deutlich im Druckspannungsbereich.

Darüber hinaus zeigt das Meßergebnis einerseits, daß der Spannungsverlauf sehr symmetrisch zur Schweißnahtmitte ist und andererseits, daß die Spannungswerte auch für alle vier Segmente eng beieinander liegen, also die Spannungen auch sehr rotationssymmetrisch verteilt sind.

Claims (9)

1. Schutzgas-Orbitalschweißverfahren zum Verbindungsschweißen, insbesondere zum Herstellen von Rohrverbindungen, bei dem ein Zusatzwerkstoff in mehreren Lagen in den Verbindungsspalt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen einer gewählten Anzahl von Lagen für das Aufbringen weiterer Lagen dem Schutzgas ein Wasserstoffanteil zugesetzt bzw. der Wasserstoffanteil des Schutzgases erhöht wird.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Dicken der Lagen, die unter Verwendung des Schutzgases mit geringerem Wasserstoffanteil aufgebracht werden, kleiner ist als die Summe der Dicken der Lagen, die unter Verwendung des Schutzgases mit höherem Wasserstoffanteil aufgebracht werden.

3. Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der gewählten Anzahl zuerst aufgebrachter Lagen als Schutzgas 100% Argon oder ein Argon/Wasserstoff- Gemisch mit 0 bis 3% Wasserstoffanteil und bei den weiteren aufgebrachten Lagen ein Argon/Wasserstoff-Gemisch mit 0,5 bis 20% Wasserstoffanteil verwendet werden.

4. Schweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der gewählten Anzahl zuerst aufgebrachter Lagen ein Schutzgasgemisch bestehend aus 98% Argon und 2% Wasserstoff und bei den weiteren aufgebrachten Lagen ein Schutzgasgemisch bestehend aus 95% Argon und 5% Wasserstoff verwendet wird.

5. Schweißverfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, nachdem durch Aufbringen der Lagen eine Schweißnaht hergestellt worden ist, durch mehrlagiges Decklagenschweißen ein- oder beidseitig der Schweißnahtmitte Oberflächenraupen gelegt werden, die im wesentlichen parallel zur Schweißnaht und axial zu dieser versetzt verlaufen.

6. Schweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Oberflächen­ raupen überlappen.

7. Schweißverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der Oberflächenraupen einen Bereich abdeckt, der sich axial auf jeder Seite von der Schweißnahtmitte erstreckt.

8. Schweißverfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen einer weiteren Lage die unmittelbar darunter befindliche Lage eine Temperatur zwischen 50°C und 150°C aufweist.

9. Schweißverfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Teile aus austenitischem Stahl sind.