DE19713701B4

DE19713701B4 - Verfahren zum Entwickeln von Kompressions-Restspannung in korrosionsbeständigen Stählen und Superlegierungen auf Nickelbasis und Verfahren zur Reparatur von Spannungskorrosionsrissen durch Schweißen unter Wasser sowie Vorrichtung zum Unterwasserschweißen

Info

Publication number: DE19713701B4
Application number: DE19713701.6A
Authority: DE
Inventors: Harvey Donald Solomon; Raymond Alan White; Robert Anthony Fusaro jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2017-04-04
Also published as: SE524744C2; SE9701239D0; JP4317598B2; SE9701239L; DE19713701A1; JPH1034374A

Abstract

Verfahren zum Entwickeln von Kompressions-Restspannungen in Metallen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus korrosionsbeständigen Stählen und Superlegierungen auf Nickelbasis, umfassend das Bilden eines Bades aus dem geschmolzenen Metall, Abkühlen des Bades zur Bildung einer metallurgischen Bindung mit benachbartem, ungeschmolzenem Metall und Abschrecken des gebundenen Metalles bis zu einer Umgebungstemperatur unterhalb des Schmelzbereiches des Metalles durch Kontakt mit einem Abschreckmedium.

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung ist auf das Schweißen von korrosionsbeständigen Stählen und Superlegierungen auf Nickelbasis gerichtet. Mehr im besonderen betrifft die Erfindung auch die Anwendung eines Schweißens mit übertragenem Lichtbogen unter Wasser zur Reparatur und zur Verhinderung einer Beschädigung von Strukturen durch Spannungskorrosion und Hitzereissen, die aus rissempfindlichen Legierungen konstruiert
sind
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Thermisches Schweißen schließt das lokale Erhitzen der Verbindungsstelle zwischen den beiden Abschnitten ein, die verbunden werden sollen, und dies verursacht ein lokales Schmelzen der Verbindungsstelle und irgendwelchen Füllstoff-Metalles, das zu der Verbindungsstelle hinzugegeben wird. Die Schweißnaht resultiert aus der Erstarrung dieses geschmolzenen Materials. Dieses lokale Erhitzen verursacht nicht nur ein lokales Schmelzen, sondern auch eine Ausdehnung der Metalle, die benachbart dem Schweißbad liegen. Dieser Ausdehnung folgt ein Zusammenziehen während des Abkühlens. Der beim Schweißen auftretende Temperatur-Gradient führt somit zu einem Gradienten der thermischen Ausdehnung, und dies führt zur Entwicklung von Restspannungen. Diese Spannungen werden als Restspannungen bezeichnet, weil sie als ein Rest der Schweißoperation vorhanden sind. Sie befinden sich in den geschweißten Materialien, d.h., es sind keine äußeren Zugkräfte erforderlich. Diese Spannungen sind in dem erstarrten Schweißmetall und in der die Schweißstelle umgebenden, wärmebeeinflussten Zone (HAZ) vorhanden. In konventionellen Schweißnähten sind diese Spannungen im Allgemeinen Zugspannungen innerhalb der Schweißstelle und der HAZ. Diese werden, weiter von der Schweißstelle entfernt, im Allgemeinen zu Kompressionsspannungen, doch ist die Größe der Kompressionsspannung im Allgemeinen geringer als die Größe der Zugspannung. Die Gesamtkräfte müssen sich ausgleichen, wobei dies dadurch zustande kommt, dass höhere, lokale Zugspannungen durch Kompressionsspannungen ausgeglichen werden, die zwar eine geringere Größe haben, sich aber über ein größeres Volumen erstrecken.
Die Größe und Verteilung dieser Restspannungen wird durch die der Schweißstelle zugeführte Wärme, die Geometrie der geschweißten Abschnitte, die Wärmeeigenschaften der geschweißten Materialien und die Wärmeübertragung aus der Schweißstelle und der HAZ bestimmt. Der genaue Wärmegradient hängt von dem Ausgleich der beim Schweißen zugeführten Wärme und der Rate ab, mit der diese Wärme entfernt wird. Die Grenzbedingung, die beim konventionellen Schweißen in Betracht gezogen wird, geht davon aus, dass diese Wärme durch Leitung in die kälteren Volumina umgebenden Metalles entfernt wird, d.h., solche Volumina, die weiter von der Schweißstelle der geschweißten Materialien entfernt sind.
Bekannt sind daneben aus der DE 34 20 376 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von formgeschweißten Werkstückoberflächen vor und/oder nach dem Schweißpunkt mittels eines Wasser-LuftGemisches, in der Weise, dass eine Dampfentwicklung unterbunden wird. Außerdem beschreibt die DE 29 42 868 B1 eine Vorrichtung zum örtlichen Kühlen der Schweißzone von und/oder nach dem jeweiligen Schweißpunkt mittels fluider und/oder gasförmiger Medien bei durch Auftragschweißung nach dem Unterpulver-Schweißverfahren herstellbaren Großbauteilen, bei der es darum geht, zu verhindern, dass das Schweißpulver mit den beim Kühlen entstehenden Dämpfen in Berührung kommt. Auch gibt es verschiedene Verfahren zum Unterwasserschweißen, etwa Lichtbogenschweißen, Plasmalichtbogenschweißen unter Einsatz von Schutzgas, etc. wie sie beispielsweise in US 3,898,418 A , US 4,039,798 A und US 4,154,999 A beschrieben sind.
In all diesen Druckschriften ist das Problem der beim Schweißen entstehenden Restspannungen in dem Schweißgut nicht weiter behandelt.
Aufgabe der Erfindung ist es, Beschädigungen des Schweißguts zu verhindern, die durch Spannungskorrosionsrisse, Helium-Versprödung und Heißrisse verursacht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Verfahren die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 5 auf, während ein Verfahren zum Reparieren einer Beschädigung durch Spannungskorrosionsrisse in Substraten aus rostfreiem Stahl - und Superlegierungs-Materialien auf Nickelbasis Gegenstand des Patentanspruchs 8 ist. Daneben ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Unterwasserschweißen Gegenstand des Patentanspruchs 12.
Die Erfindung ist auf eine beträchtliche Verringerung der restlichen Zugspannung und eine Förderung restlicher Kompressionsspannung in korrosionsbeständigen Stählen und Superlegierungen auf Nickelbasis gerichtet. Sie betrifft die Anwendung direkten bzw. leitenden Abschreckens, um die Ausbildung restlicher Kompressionsspannung zu fördern, um eine Rissbeschädigung bei Strukturen zu verhindern, die aus rissempfindlichen Legierungen konstruiert sind.
Durch Strahlung aus der Schweißstelle und der HAZ oder durch Leitung durch das Gas wird relativ wenig Wärme entfernt, das mit der äußeren Oberfläche der Schweißstelle und der HAZ in Berührung steht. Die hier offenbarte Erfindung ändert dies und verursacht die Entwicklung relativ großer Kompressions-Restspannungen innerhalb der Schweißstelle und der HAZ. Dies kann durch Ausführen des Schweißens unter Wasser oder einem anderen Medium erfolgen, das zum Abschrecken der Schweißstelle und der HAZ benutzt werden kann. Das Wasser wirkt nun als ein Leitungsmedium, das Wärme sehr wirksam von der Oberfläche der Schweißstelle und der HAZ entfernt. Diese geänderte Wärmeströmung führt zur Entwicklung von Kompressionsspannungen in der Schweißstelle und der HAZ. Dies ist wichtig, weil die Entwicklung dieser Kompressionsspannungen das Hitzereißen oder He-Reißen verhindern kann, das sich beim Abkühlen der Schweißstelle entwickelt, oder die Spannungsrisskorrosion, die nach dem Schweißen auftritt, wenn die Schweißstelle und die HAZ Bedingungen ausgesetzt sind, die ein solches Reißen fördern.
Das Hitzereißen resultiert aus der Einwirkung von Zugspannungen auf die erstarrende Schweißstelle. Eine Schweißstelle erstarrt im Allgemeinen nicht bei einer einzigen, definierten Temperatur. Wenn man nicht mit einem sehr reinen, einzelnen Element oder einzelnen Verbindungsmaterial befasst ist, findet die Erstarrung über einen Temperaturbereich statt. Während der Erstarrung verursacht das Zusammenziehen, dass während der Erstarrung oder aufgrund der Temperaturabnahme auftritt, die Entwicklung von Spannungen. Wenn diese Spannungen auf ein erstarrendes Material einwirken, dann verursachen sie die Entwicklung von Hitzerissen.
Dies ist der Fall, weil die vorhandene Flüssigkeit eine Zugspannung nicht aufnehmen kann. Dieses Reißen kann verhindert werden, wenn statt Zug- Kompressionsspannungen entwickelt werden.
Die Helium-Versprödung tritt auch aufgrund der Einwirkung von Zugspannungen auf, die während des Abkühlens entwickelt werden, und sie kann ebenfalls dadurch verhindert werden, dass Kompressions- statt Zugspannungen entwickelt werden. Die Helium-Versprödung ergibt sich aus der Entwicklung internen Heliums, das durch Kernstrahlung erzeugt wird. Diese Erscheinung verhindert die erfolgreiche Reparatur-Schweißung auf bestrahlten Materialien. Die Entwicklung von Kompressionsspannungen macht diese Reparaturen möglich.
Die Entwicklung von restlichen Kompressionsspannungen kann auch die Spannungsrisskorrosion (See) mildern. Wie der Name sagt, erfordert die Spannungsrisskorrosion die Einwirkung von Spannung, und Restspannung kann eine wichtige Quelle dieser Spannungen sein. SCC entwickelt sich nach dem Schweißen, wenn die Schweißstelle und die HAZ einem geeigneten Medium ausgesetzt sind. Sie kann verhindert werden, wenn man dafür sorgt, dass keine Zugspannungen in Gegenwart dieses Mediums wirken. Die Neigung zur SCC kann daher minimiert werden, wenn statt restlicher Zugspannungen restliche Kompressionsspannungen entwickelt werden.
Es wurde nun festgestellt, dass die Reparatur von Beschädigungen durch Spannungsrisskorrosion durch Plasmaschweißen mit übertragenem Lichtbogen in Wasser ausgesetzten Teilen von Kernreaktoren und ähnlichen Vorrichtungen und Strukturen durch Ausführen des Schweißverfahrens unter Wasser möglich ist. Das Schweißverfahren umfasst das Einrichten der erforderlichen Bedingungen, das Bilden eines Schweißbades aus geschmolzenem Metall, das Abkühlen des Schweißbades zur Bildung einer metallurgischen Bindung zwischen benachbarten, nicht geschmolzenen Zonen und das Abschrecken der Schweißstelle auf eine Umgebungstemperatur unterhalb des Schmelzbereiches. Das Schweißbad kann aus einem verträglichen Legierungs-Füllstoffmetall gebildet werden, das in Pulver- oder Drahtform oder autogen vom reparierten Substrat zugeführt wird. Die Berührung des abkühlenden Schweißbades mit dem umgebenden Wasser schafft Wärmeströmungs-Charakteristika, die Zugspannungen verringern und die Entwicklung von Kompressionsspannungen fördern.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist klar, daß sich zahlreiche Vorteile aus der Entwicklung von Kompressions- statt restlicher Zugspannungen ergeben, und diese Erfindung erzeugt diese günstigen Spannungen. Diese Spannungen werden entwickelt, wenn das Schweißen unter Wasser unter Einsatz einer lokalen Ausschlußvorrichtung ausgeführt wird, die das Wasser von dem geschmolzenen Schweißbad fernhält. Wenn sich der Schweißbrenner bewegt, gibt er die Schweißstelle frei, die zu diesem Zeitpunkt erstarrt ist. Trotzdem wird die Wärmeübertragung weg von der Schweißstelle und der HAZ durch Ausführen des Schweißens unter Wasser geändert, und dies verursacht die Entwicklung der Kompressionsspannungen.
Dieses Schweißen unter Wasser kann in einer geringen oder großen Tiefe ausgeführt werden, weil die Ausschlußvorrichtung auf gerade oberhalb des Umgebungsdruckes gebracht ist. Der Nutzen kann mit oder ohne Einsatz von Füllstoffmetall erzielt werden. Es kann konventionelles Füllstoffmetall oder spezielles Füllstoffmetall eingesetzt werden, das das Hitzereißen, die He-Versprödung oder SCC mildert.
Es wurde nun gefunden, daß das Plasmaschweißen mit übertragenem Lichtbogen (PTA) unter Wasser eingesetzt werden kann, um Kompressionsspannungen zu entwickeln und dadurch Hitzereißen, He-Versprödung zu verhindern und SCC zu mildern. Es wurde eine Ausschlußvorrichtung benutzt, die bis zu einem Niveau unter Druck gesetzt wurde, die etwa 24 m (80 feet) Wasser äquivalent war. Dies erfolgte, um Reparatur-Schweißungen in einem Kernreaktor zu ermöglichen, ohne daß das Wasser abgelassen wird, was die Entfernung des Kernbrennstoffes und die Benutzung einer Abschirmung erfordern würde, um die abschirmende Wirkung des Wassers zu ersetzen. Das Schweißen erfordert die richtige Einrichtung eines Schweißbades, das richtige Verbinden des Schweißbades und der zu verbindenden Materialien und die rißfreie Erstarrung des Schweißbades. Dies unter Wasser auszuführen erfordert den Gebrauch einer lokalen Ausschlußvorrichtung, um Wasser von dem geschmolzenen Schweißbad fernzuhalten, während es sich in flüssigem Zustand befindet. Dieses Schweißbad kann autogen für die verbundenen Materialien oder mit Füllstoffmetall gebildet werden, das in das Schweißbad in Pulver- oder Drahtform oder als ein Blech oder Draht eingeführt werden kann, der vor dem Schweißen in der Verbindungsstelle abgelegt wird.
Das Verfahren dieser Erfindung benutzt die Schmelzschweiß- oder Plattierungstechnik, um Zugspannungen zu verringern und die Bildung restlicher Kompressionsspannungen in dem geschmolzenen und wiedererstarrten Metall und benachbart der wärmebeeinflußten Zone des behandelten Materials zu entwickeln. Bei der Ausführung der Erfindung wird durch eine geeignete Wärmequelle, wie einen Schweißbrenner, innerhalb einer geschützten Ausschlußzone, aus der die Umgebung ausgeschlossen ist, ein lokal geschmolzenes Schweißbad gebildet. Die Ausschlußvorrichtung ist am Brenner oder einer anderen wärmezuführenden Vorrichtung befestigt und bewegt sich damit. Während sich der Brenner und die Ausschlußvorrichtung entlang dem Pfad bewegen, beginnt sich das Schweißbad abzukühlen, und während er sich aus der geschützten Zone bewegt, ist die Schweißstelle der Umgebung ausgesetzt, die als ein Abschreckmedium wirkt. Das Abschreckmedium kühlt die obere Oberfläche der Schweißstelle und die wärmebeeinflußte Zone des behandelten Materials rasch ab. Die Wärme wird aus der geschmolzenen Schweißstelle und dem umgebenden Material durch Leitung über das Abschreckmedium statt durch Konvektion, wie beim konventionellen Luftschweißen, abgeführt. Etwas Wärme wird durch Wärmeströmung innerhalb der behandelten Materialmasse abgeführt. Die hauptsächliche Wärmeströmung für das Verfahren dieser Erfindung erfolgt jedoch durch das Abschreckmedium. Die Wirkung dieser Wärmeströmung ist die Bildung von Kompressionsspannung in der Schweißstelle und der nahen, wärmebeeinflußten Zone.
Figurenliste

1 ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines Brenners und der Flüssigkeits-Ausschlußvorrichtung, die eine Flüssigkeit-Ausschlußzone schafft,
2 ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht eines Pulver-Zerteilers mit einer Entlüftungsröhre,
3 ist eine Gesamtansicht eines Zufuhrsystems für Pulvermaterial,
4 veranschaulicht einen beispielhaften Einsatz der Erfindung und von Bedingungen, die zur Erzeugung beständiger Kompressionskräfte in einer Schweißstelle genügen,
5 ist eine graphische Darstellung der in einer Schweißstelle und umgebendem Material bei unterschiedlichen Abständen von der Schmelzlinie der Schweißstelle in einer Richtung parallel zur Achse der Schweißstelle entwickelten Restspannungen,
6 ist eine graphische Darstellung der in einer Schweißstelle und umgebendem Material in unterschiedlichen Abständen von der Schmelzlinie der Schweißstelle in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Schweißstelle entwickelten Restspannungen und
7 ist eine schematische Zeichnung eines Plasmasystems mit übertragenem Lichtbogen und Drahtzuführung unter Wasser.

Die Zeichnungen zeigen allgemein die Ausrüstung, die benutzt oder modifiziert werden kann, um die Erfindung auszuführen.
1 zeigt einen Schweißbrenner 10, z.B. einen übertragenen Plasma-Lichtbogen, der im folgenden manchmal als ein PTA-Brenner bezeichnet wird, eine Gaslinse 14 und eine Querschnittsansicht einer becherförmigen Vorrichtung 16 zum Ausschluß von Flüssigkeit, die in der vorliegenden Erfindung brauchbar ist.
Brenner mit übertragenem Plasma-Lichtbogen und Gaslinsen sind im Stande der Technik bekannt. Obwohl die Erfindung im Hinblick auf ein Plasmaschweißen mit übertragenem Lichtbogen beschrieben wird, ist das Konzept der Entwicklung von Kompressions-Restspannungen durch Unterwasserschweißen auf andere Arten von Schweißvorichtungen anwendbar, wie Laser-, Wolfram-Inertgas (WIG)- und Metall-Inertgas (MIG)-Schweißen.
Der PTA-Brenner 10 in 1 schließt Elektroden ein, denen für die Aufrechterhaltungeines Schweiß-Lichtbogens geeignete Spannung und Strom zugeführt werden, und einen Gaseinlaß 11 zur Aufnahme einer Gasströmung, die der Regulierung der Gestalt des durch den Lichtbogen entwickelten Plasmas dient. Dieses Gas wird im allgemeinen in eine sogenannte Plasma-Mittelgasströmung um die mittlere Elektrode herum zur Zufuhr von Gas zum Plasma und eine sogenannte Abschirm- bzw. Schutzgas-Strömung unterteilt, die normalerweise die Oxidation des Schmelzbades und der HAZ verhindern soll, und hier zusätzlich Umgebungs-Gase oder Flüssigkeiten bei umgebenden, hydrostatischen Drucken ersetzen und zur Aufnahme des Umfanges des Plasmas dienen soll. Diese Gasströmungen werden durch eine Gaslinse einer kommerziell erhältlichen Art, deren Einzelheiten im allgemeinen für die Ausführung der Erfindung nicht wichtig sind, modifiziert und in die unmittelbare Nähe des Lichtbogen-Plasmas gerichtet. Die Gaslinse ist mit einem (nicht gezeigten) Gewinde versehen, das zu einem Gewinde 15 auf dem PTA-Brenner paßt, um den Ersatz und Austausch zu erleichtern. Schweißmaterialien in Form eines Pulvers können an den Einlässen 12, die Teil des Systems gemäß der Erfindung bilden, die weiter unten detaillierter erläutert werden wird, eingeführt werden.
Die Ausschlußvorrichtung 16 gemäß der Erfindung ist in ähnlicher Weise an Gaslinse oder Brenner mit passendem Gewinde 19, das auf einem Montagekragen 18 ausgebildet ist, befestigt. Der Körper 19 der Ausschlußvorrichtung 16 kann konisch oder allgemeiner zylindrisch sein, wie erforderlich, um eine Endabmessung A von etwa 2,5 bis etwa 7,5 cm (1-3 inches) zu schaffen. Diese Abmessung A schafft eine Ausschlußregion, die größer als die Länge des Schweißbades ist. Die Erstarrung der Schweißstelle sollte innerhalb der Ausschlußregion beginnen. Das Aussetzen der Schweißstelle gegenüber dem umgebenden Wasser tritt nach Beginn der Erstarrung des Schweißbades ein. Die Abmessung A ist daher ein wichtiger Aspekt der Erfindung zur Entwicklung einer Kompressionskraft innerhalb der Schweißstelle.
Hinsichtlich des Ausschlusses von Umgebungs-Flüssigkeiten ist die Abmessung A nicht kritisch, sondern sie sollte, als eine praktische Sache, nicht so groß sein, eine schwere Topologie zu umfassen, an die sich der Rand 20 nicht anpassen kann, oder einen Umfang einer solchen Länge zu schaffen, die eine größere Fläche zum Entweichen von Gas bildet, was größere Gasvolumina erfordern würde, um den Flüssigkeits-Ausschluß aufrechzuerhalten. Die Minimalgröße sollte Beschädigung durch die Hitze des Schweißprozesses und ein zu rasches Abschrecken der Schweißstelle (z.B. den Kontakt der Flüssigkeit mit dem geschmolzenen Schweißbad) vermeiden.
Der Zweck des Körpers 19 der Ausschlußvorrichtung 16 ist es, eine günstige Geometrie auf die Ausschlußregion zu setzen, die sonst gegen die hohen, hydrostatischen Drucke nicht aufrechterhalten werden kann. Bei hohen, hydrostatischen Drucken gestattet das Zusammenfallen von Gasblasen in der Nähe des Lichtbogens ein außerordentlich rasches Eindringen von Flüssigkeit zum Lichtbogen, so daß dieser nicht zuverlässig aufrechterhalten werden kann. Gleichzeitig ist es erwünscht, daß turbulente oder eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Gasströmungen in der Nähe des Lichtbogens und des Werkstückes vermieden werden.
Der Rand 20 kann aus gewebtem Metall bestehen, das am distalen Ende der Ausschlußvorrichtung durch Punktschweißen befestigt ist, um ein Anpassen an die Oberfläche des Werkstückes und die Schweißnaht oder die Plattierung beim Herstellen der Schweißnaht zu gestatten, und das Entweichen von Gasen durch den Körper 19 der Ausschlußvorrichtung 16 mittels relativ kleiner Öffnungen 21 zu gestatten, die gleichmäßig über den Körper 19 verteilt sind. Der Durchmesser der Öffnungen ist nicht kritisch, solange das Entweichen von Gas gegen den hydrostatischen Druck genügend beschränkt ist, um einen Gasdruck innerhalb der Ausschlußvorrichtung aufrechtzuerhalten und die Öffnungen im wesentlichen durch Gasblasen zu füllen. Alternativ kann der Körper 19 aus engen draht- oder faser-förmigen Elementen hergestellt werden, die gewebt oder montiert werden können, und die ein weiteres Anpassen an die Oberfläche des Werkstückes und der Schweißstelle ergeben. Das Entweichen von Gasen durch die Öffnungen oder Räume zwischen Drähten oder Fasern ersetzt Flüssigkeiten, die ansonsten durch den hydrostatischen Druck nach innen gedrückt werden würden. Die Begrenzung des Gases durch die Ausschlußvorrichtung 16 gestattet auch, daß die Ausschlußzone zuverlässig mit einem verringerten Gasströmungs-Volumen aufrechterhalten wird, indem man einen Druck über dem umgebenden, hydrostatischen Druck bis zu Wassertiefen aufrechterhält, die mehr als etwa 24 m (80 Fuß) betragen, indem man die Pfade begrenzt, durch die Gas aus der Ausschlußvorrichtung entweichen kann.
Es sollte auch klar sein, daß, während die Ausschlußregion durch eine Kombination aus dem Plasma-Mittelgas und dem Abschirmgas aufrechterhalten werden kann, das möglicherweise zu einem gewissen Grade durch das Pulver tragende und transportierende Gas ergänzt wird, eine separate Gaszufuhr für die Ausschlußvorrichtung selbst geschaffen werden kann. Der Gebrauch einer Ausschlußvorrichtung, wie oben beschrieben, braucht daher keine besonderen Beschränkungen für die Gaszufuhren zu setzen, die für den Betrieb des Schweißbrenners geschaffen werden. Während der Einsatz eines PTA-Brenners derzeit bevorzugt ist, kann der Gebrauch einer Ausschlußvorrichtung gemäß der Erfindung auch bei irgendeiner anderen Hitzequelle, einschließlich Sauerstoff-, Acetylen- und Kohlenstoff-Lichtbogen-Brennern und Wolfram-Inertgas-Brennern und Gas-Metall-Lichtbogenbrennern sowie oben beschriebenen Plasmabrennern erfolgen. Es sollte jedoch klar sein, daß die grundlegende Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, überhaupt nicht von der Verwendung eines pulverförmigen Schweißmaterials abhängt, wie es oben angegeben ist, und ein bevorzugtes Zufuhrsystem dafür gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiter unten beschrieben, während die Erfindung unter Einsatz konventioneller Schweißstäbe durch kontinuierliche Zufuhr der Schweißlegierung in Draht- oder Pulver-Form oder durch autogenes Bilden des Schweißbades aus den Substraten oder Körpern, die miteinander verschweißt werden, ausgeführt werden kann.
2 zeigt eine modifizierte Y-Vorrichtung 30 als einen Pulver-Zerteiler mit einem oder zwei Zufuhrschläuchen. Die Y-Vorrichtung ist ähnlich Vorrichtungen, wie sie normalerweise am Boden von Pulver-Trichtern mit Schwerkraftzufuhr montiert werden würden, die etwa 90 cm (3 Fuß) oder weniger während des Schweißens über dem Brenner angeordnet sind. Wie gezeigt, ist die Y-Vorrichtung jedoch durch Vergrößern des inneren Hohlraumes 31 und Schaffung eines Loches 32 in der Zufuhrseite der Vorrichtung modifiziert, an der ein Rohr 33 befestigt ist. Diese Modifikationen können erleichtert werden durch Ausbilden der Y-Vorrichtung in zwei Abschnitten 30a, 30b, die, wie gezeigt, aneinandergeschraubt und mit einer O-Ringdichtung 34 abgedichtet sind. Diese modifizierte Y-Vorrichtung wird vorzugsweise dicht oberhalb des Brenners montiert. Pulver kann durch den Schlauch 39, der an mit Widerhaken versehenen Einrichtungen befestigt ist, die am unteren Ende der Y-Vorrichtung montiert sind, dem Brenner zugeführt werden.
Durch den Einsatz einer modifizierten Y-Vorrichtung 30 kann eine kontrollierte Menge der Gasströmung für den Pulvertransport durch das Loch 32 und das Rohr 33 abgelassen werden, was eine sehr viel größere Gas-Strömungsrate für den Pulvertransport als für das in den Brenner eintretende Gas gestattet. Die so geschaffene Schwerkraftzufuhr vom Zerteiler kann zur Zufuhr von Pulver zum Brenner genügen, wenn der Druck innerhalb des Zerteilers den Druck innerhalb des Brenners oder der Ausschlußregion, wie sie durch die Ausschlußvorrichtung 16 gebildet wird, ausgleicht, so daß es einen rückwärtigen Gasstrom vom Brenner zum Zerteiler nicht gibt. Zur Regulierung der Materialströmung wird es jedoch für bevorzugt angesehen, wenn ein relativ geringes Gasvolumen vom Zerteiler zum Brenner gedrückt wird, um die Pulverzufuhr dorthin zu erleichtern. In jedem Falle können das Volumen und die Geschwindigkeit des Gases, das in die Düse gedrückt wird, leicht auf Niveaus verringert werden, die die Hitzequelle nicht signifikant verziehen und das Bilden einer einzelnen Zugnaht gestatten. Es sollte auch klar sein, daß das Prinzip des Ableitens zusätzlicher Gasströmung, das zur Erleichterung des Pulvertransportes benutzt wird, auf einen Trichter irgendeiner Größe angewendet werden kann. Ein kleiner Trichter, der nahe oder auf dem Brenner montiert wird, ist jedoch bevorzugt, da er die Vorteile geringer Abstände zur Schweißstelle und einer größeren, potentiellen Verringerung der Gasströmung zum Brenner in Verbindung mit einer guten Pulverzufuhr und der Möglichkeit aufweist, so konstruiert werden zu können, daß er hohen inneren oder äußeren Drucken widersteht. Die geringe Größe ist besonders geeignet, da die vorhandenen Vorrichtungen modifiziert werden können, die Funktion einer verbesserten Pulverzufuhr ohne eine signifikante Verzerrung der Wärmequelle zu schaffen.
Ein repräsentatives Pulver-Transportsystem ist in 3 veranschaulicht. Pulver-Schweißmaterial wird durch den Schlauch 35 zu dem Verteilungsblock 30, der vorzugsweise in einem Inertgas hohen Druckes und großer Strömungsgeschwindigkeit eingehüllt ist, der Y-Vorrichtung transportiert. Das abgelassene Transportgas, das eine gewisse Menge Pulver enthält, gelangt durch die Entlüftungsleitung 33a zu einem Schwerkraft-Pulverseparator oder -kollektor 36. Die Abtrennung von Restpulver aus dem Gas kann durch den Einbau eines Ablenkbleches 36a verbessert werden. Zur Sicherheit kann auch ein Druckentlastungs-Ventil vorgesehen sein, das zusätzlich einen zu großen Gasdruckaufbau in der Y-Vorrichtung 30 verhindert, der die Gasströmung zum Brenner erhöhen würde. Man läßt abgetrenntes Gas zum oberen Abschnitt des Pulver-Separators und -Kollektors 36 durch einen Wasserdampf-Filter 37 und ein Strömungs-Meßgerät 38 strömen, so daß der Unterschied in der Menge des Transportgases oberhalb der zulässigen, entweichenden Gasmenge reguliert werden kann. Dieser Unterschied zwischen Transport- und AbgasStrömung wird dem Brenner zugeführt, um die Pulverzufuhr und die Aufrechterhaltung der Ausschlußregion zu unterstützen.
Eine Ausschlußregion kann aufrechterhalten werden und Pulver-Schweißmaterial kann einem Brenner zugeführt werden, der bei solchen hydrostatischen Drucken arbeitet, ohne daß die Wärmequelle verzerrt wird, was zu Schweißstellen hoher Qualität führt. Zusätzlich wurde festgestellt, daß das Schweißen unter Wasser, das durch diese Strukturen erleichtert wird, Kompressions-Restspannungen in Schweißstellen erzeugen kann, was das Heißreißen, Helium-Reißen und die Spannungsrißkorrosion verringert. Der Mechanismus der verringerten Reißkraft beruht auf der Existenz beständiger Kompressionskräfte innerhalb der Schweißnaht und benachbarten Regionen des durch die Hitze beeinflußten Materials.
Die zur Entstehung einer Kompressionsspannung erforderliche Hitze ist erwartungsgemäß eine Funktion des Materials und der relativen Abmesungen der Ausschlußvorrichtung. Die Ausschlußvorrichtung, die zur Erzeugung von Kompressionskräften benutzt wurde, wirkt am deutlichsten bei Wärmezufuhren, die allgemein 1,0 kJ/mm der Schweißstelle übersteigen. Diese Wärmezufuhr ist eine Funktion des Durchmessers der Ausschlußvorrichtung.
4 veranschaulicht das Herstellen einer Schweißstelle unter Bedingungen, die zum Erzeugen von Kompressions-Restspannungen und die Verhinderung des Heißreißens und der Spannungsrißkorrosion genügen. Das Schweißen im untergetauchten Zustand ist schematisch durch einen Flüssigkeit enthaltenden Tank 40 ähnlich dem abgebildet, der bei experimentellen Versuchen der Erfindung benutzt wurde, der aber ansonsten für die Ausführung der Erfindung nicht nötig ist. Der Brenner 10 mit der Leitung 11 zu Zufuhr von Inertgas, der Gaslinse 14 und einer Ausschlußvorrichtung 16 ist benachbart der Oberfläche 41 angeordnet, an der die Schweißung vorgenommen werden soll, so daß sich das Plasma 42 bis zu dieser Oberfläche erstreckt. Es sollte klar sein, daß die Ausschlußvorrichtung 16 nicht notwendig ist, ausgenommen in beträchtlichen Tiefen, die großen hydrostatischen Druck verursachen, und daß eine Ausschlußregion von etwa der gleichen Größe 43 durch die Gasströmung allein geschaffen werden könnte. Andererseits könnte der bei den experimentellen Versuchen der Erfindung benutzte Tank unter Druck gesetzt werden, um Tiefen von mehr als etwa 24 m (80 Fuß) zu simulieren, wo die Ausschlußvorrichtung 16 notwendig wäre. Schweißmaterial wird durch den Schlauch 35 dem Verteilungsblock 30 der Y-Vorrichtung zugeführt und abgelassenes Transportgas tritt durch den Schlauch 33a nach Druck- und Strömung-Regulierung und Pulver-Trennung, wie oben erläutert, aus. Pulverisiertes Schweißmaterial wird durch Schläuche 39 zum Brenner 10 transportiert, wie ebenfalls oben erläutert. Unter der Annahme eines Plasmabrenners mit übertragenem Lichtbogen wird elektrische Leistung durch die elektrischen Verbindungen 44 dem Brenner 10 und dem Werkstück 41 zugeführt.
Um eine Schweißstelle herzustellen, wird Inertgas durch den Schlauch 11 zugeführt, um eine Ausschlußregion zu entwickeln, einen Lichtbogen im Brenner 10 zu entzünden, der der Oberfläche 41 Wärme zuführt und ein Bad aus geschmolzenem Metall 45 entwickelt, zu dem pulverisiertes Schweißmaterial und Fließmittel durch die Schläuche 39 hinzugeführt werden. Der Brenner wird dann in die durch den Pfeil 47 angegebene Richtung bewegt, wobei sich das Schweißbad 45 hinter dem Plasma 42 herbewegt. Die Abmessung A der Ausschlußregion wird so ausgewählt, daß A/2 die Länge des Schweißbades 45 übersteigt, so daß die Schweißstelle abgeschreckt wird, kurz nachdem die Erstarrung begonnen hat, wie gezeigt, und es werden beständige Kompressionskräfte in der Schweißstelle 46 entwickelt. Diese Kräfte sind in den 5 und 6 als ein Funktion des Abstandes von der Mittellinie 48 der Schweißstelle in der X- und Y-Richtung, die in 4 angegeben sind, aufgetragen.
In den Fguren 5 und 6 ist die Spannung in einer Platte, die gemäß der Erfindung geschweißt ist, verglichen mit einer Platte, die konventionell in Luft geschweißt ist. Zugspannungen sind als positiv und Kompressionsspannungen als negativ aufgetragen. Die abgebildeten Messungen wurden nach standardgemäßen Röntgenbeugungs-Techniken vorgenommen. Es ist aus 5 ersichtlich, daß das Schweißen in Luft die Entwicklung beträchtlicher Zugkräfte in einer Richtung parallel zur Schweißrichtung verursacht, die sich für einen beträchtlichen Abstand über die Plattenoberfläche erstrekken und diese für Spannungsrißkorrosion empfindlich macht, wobei sie nahe der Mittellinie der Schweißstelle maximiert sind. Für die gleiche in Luft geschweißte Platte werden nur geringe Kompressionskräfte weit entfernt von der Schmelzlinie der Schweißstelle entwickelt, während beträchtliche Zugkräfte innerhalb der Schweißstelle entwickelt werden (5). Im Gegensatz dazu zeigt die gemäß der Erfindung unter Wasser erzeugte Schweißstelle vorherrschend Kompressionsspannungen an der Mittellinie der Schweißnaht und sehr signifikante Kompressionsspannungen in einer Entfernung von 5 mm bis 20 mm von der Mittellinie der Schweißnaht ( 5). Wie in 6 gezeigt, werden sehr signifikante Kompressionsspannungen innerhalb der Schweißstelle entwickelt und setzen sich bei beträchtlichen Niveaus bis zu mindestens 19 mm von der Schmelzlinie fort, wobei relativ geringe Zugkräfte in einigen Proben gelegentlich nahe der Schmelzlinie beobachtet werden.
7 veranschaulicht den Einsatz eines Füllstoff-Drahtes anstelle von Pulver, um das Schweißbad zu bilden. Es ist auch möglich, die Risse enthaltenden Regionen zu schmelzen und dadurch die Reparatur autogen zu erleichtern.
Experimentelles Verfahren
Unter Benutzung von etwa 2,5 cm (1 in) dickem, korrosionsbeständigem Stahl 304 wurden Rißproben hergestellt. Für den PTA-Abschnitt der rißheilenden Untersuchung wurden Risse in einer von zwei Arten simuliert. Entweder wurden Platten Kante an Kante aneinandergefügt und keilförmig geöffnet, um einen etwa 2,5 cm (1 in) tiefen Riß kontrollierter Breite zu erhalten, oder eine Schleifscheibe wurde in die Oberfläche einer Platte versenkt, um einen penny-förmigen Riß zu erzeugen. Im Falle von Proben, die durch Aneinanderlegen der Kanten von zwei Platten hergestellt wurden, wurden die Risse entweder offen gelassen, indem man nur die Endkanten verschweißte und das Oberteil und den Boden des Risses offen ließ, oder sie wurden geschlossen durch vollständiges Verschweißen der keilförmigen Probe an beiden Endkanten und am Boden, um einen verschlossenen Riß zu simulieren. Naturgemäß waren alle penny-förmigen Risse verschlossen. Einige der aneinandergefügten Proben wurden mit einer variablen Breite hergestellt, indem man die Enden bis zu verschiedenen Breiten auseinandernahm, bevor man verschweißte. Dies gestattete eine rasche Bestimmung einer maximalen Breite, die mit einem speziellen Satz von Schweißparametern geschmolzen werden konnte. Eine letzte Rißprobe simulierte zwei seitliche Risse durch sandwichartiges Anordnen einer etwa 3 mm (1/8 in) dicken Platte aus 304 S.S. zwischen zwei aneinandergefügten, etwa 2,5 cm (1 in) dicken Platten. In diesem Falle wurden immer geschlossene Risse hergestellt.
Alle Arbeiten wurden unter Wasser innerhalb eines Tanks ausgeführt, der unter Druck gesetzt werden konnte, um verschiedene Tiefen des Wasserkopfes zu simulieren. Es wurde ein Stellite Starweld PTA-System mit einem modifizierten Brennermodell 610 benutzt. Die Brenner-Modifikationen gestatteten den lokalen Wasserausschluß und die Fern-Pulverzufuhr unter Rückdruck-Bedingungen, die durch die simulierten 24 m (80 Feet) Wassertiefe erzeugt wurden. Brenner und Gasströmungs-Bedingungen wurden innerhalb des begrenzten Umfanges dieser Untersuchung nicht variiert. Diese Parameter sowie Strom, Spannung und Wanderungsgeschwindigkeit wurden bei konstanten Einstellungen im allgemeinen aufrechterhalten. Gelegentlich wurden Strom und Fahrgeschwindigkeit variiert, um die Wärmezufuhr zu erhöhen, um weite oder seitliche Risse zu schließen oder die Eindringtiefe zu erhöhen. Die nominelle Vorrichtung, Gasströmungs- und Leistungs-Parameter sind in Tabelle 1 gezeigt.

Die Auswertungs-Techniken, die zum Charakterisieren der Ergebnisse von Versuchen benutzt wurden, die simulierten Risse zu heilen, waren visuelle Inspektion, metallographische Untersuchung eines Querabschnittes der fertigen Schweißnaht und Messungen der Restspannungen auf einer repräsentativen Probe. Die visuelle Inspektion wurde benutzt, um zu bestimmen, ob der Riß erfolgreich abgedichtet war, und um die Breite der Schweißnaht mit Dickenmessern mit Feineinstellung zu messen. Die Metallurgraphie bestimmte die Eindringtiefe und die Schweißqualität hinsichtlich möglicher Fehler, wie Porosität oder Risse. Tabelle 1

Tabelle nomineller Parameter für die PTA-Rißheilung unter Wasser
Düse	Mittel [etwa 4 mm (5/32")-Öffnung]
Elektrode	etwa 3 mm (1/8") Durchmesser
Brenner-Abstand	etwa 8 mm (5/16")
Mittelgas-Einstellung	65
Pulvergas-Einstellung	115 (bei der Zufuhr von Pulver)
Abgas-Einstellung	20 (bei der Zufuhr von Pulver)
Abschirmgas-Einstellung	130
Strom	110 A
Spannung	30 V (nominell)
Fahrgeschwindigkeit	etwa 12 cm (4")/min
@ Ar-Zufuhr bei 6,3 bar (90 psi), Auslaß zu einer 24 m (80') äquivalenten Wassertiefe
@ Ar-Zufuhr bei 6,3 bar (90 psi), Auslaß zur Umgebung (Entlüftung) oder 24 m (80') Wasser (Abschirmung)

Ergebnisse

Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen die Fähigkeit, simulierte Risse von Breiten hermetisch zu verschmelzen, die solche übersteigen sollten, die bei der intergranularen Spannungskorrosion erwartet werden, und sie zeigen auch eine beträchtliche Eindringtiefe zur verbesserten, strukturellen Integrität. Tabelle 2 führt die Bedingungen, Parameter und gemessenen Schweißnaht-Abmessungen von unter Wasser ausgeführten Versuchen zur PTA-Rißheilung auf. Die ersten zwölf Eintragungen in Tabelle 2 beschreiben vier Proben mit offenen Rissen variabler Breite. Jede wurde in der Mitte der Schweißstelle (mittlere Position) und auf dem halben Weg zwischen dem Beginn und dem Zentrum der Schweißstelle (Start) sowie dem Zentrum und dem Ende der Schweißstelle (Ende) geschnitten. Alle metallographischen Schnitte wurden quer zur Schweißrichtung ausgeführt. Für diese zwölf Eintragungen sind Daten, die sich auf die gesamte Rißprobe beziehen, ohne Klammern gezeigt und Daten, die sich nur auf die spezielle Schnittstelle beziehen, in Klammern gezeigt. Alle anderen Einträge zeigen Abmessungsdaten auf einem einzelnen Schnitt, der im Zentrum der Schweißnaht vorgenommen wurde. Tabelle 3 führt die Ergebnisse der Reststreß-Messungen durch Röntgenbeugung an einer Probe mit einem genügend abgedichteten, etwa 0,25 mm (0,005 in) breiten, etwa 2,5 cm (1 in) tiefen, geschlossenen Riß auf, die mit autogenen Schweiß-Parametern bei nominell 110 A/etwa 10 cm (4 in)/min hergestellt war. Tabelle 2

Parameter und Schweißnaht-Abmessungen bei unter Wasser ausgeführtem PTA-Rißheilen
Versuch Nr.	Pulverzufuhr-Rate (rpm)	Rißtyp	Rißbreite × 2,5 cm (in)	Fahrgeschwindigkeit v × 2,5 cm (in)/min	I (A)	Leistung (kJ/2,5 cm)	Rißtiefe (× 2,5 cm (in))	Maximale Tiefe (× 2,5 cm (in))	Breite (× 2,5 cm (in))	D_(Max)/ Breite
100694-2 (Start)	autogen	offen	0,008-0,023 ( -0,012)	4	110	46,2	(0,050)	(0,050)	(0,325)	(0,154)
100694-2 (Mitte)	autogen	offen	0,008-0,023 ( -0,016)	4	110	46,2	(0,063)	(0,063)	(0,380)	(0,166)
100694-2 (Ende)	autogen	offen	0,008.0,023 (-0,020)	4	110	46,2	(0,061)	(0,061)	(0,375)	(0,163)
100694-3 (Start)	autogen	offen	0,02-0,068 ( -0,034)	4	110	46,2	(0,059)	(0,085)	(0,310)	(0,274)
100694-3 (Mitte)	autogen	offen	0,023-0,068 ( ∼0,045)	4	110	46,2	(0,064)	(0,071)	(0,395)	(0,180)
100694-3 (Ende)	autogen	offen	0,023-0,068 ( ∼0,056)	4	110	46,2	(0,089)	(0,111)	(0,385)	(0,288)
100694-4 (Start)	autogen	offen	0,038-0,112 ( ∼0,057)	4	110	46,2	(0,064)	(0,071)	(0,345)	(0,206)
100694-4 (Mitte)	autogen	offen	0,038-0,112 ( ∼0,075)	4	110	46,2	(0,106)	(0,106)	(0,385)	(0,275)
100694-4 (Ende)	autogen	offen**	0,038-0,112 ( ∼0,094)	4	110	46,2	(0,106)	(0,142)	(0,380)	(0,374)
101194-1 (Start)	autogen	offen	0,038-0,100 (∼0,054)	3	110	61,6	(0,106)	(0,157)	(0,325)	(0,483)
101194-1 (Mitte)	autogen	offen	0,038-0,100 (∼0,069)	3	110	61,6	(0,130)	(0,130)	(0,400)	(0,325)
101194-1 (Ende)	autogen	offen	0,038-0,100 ( ∼0,085)	3	110	61,6	(0,114)	(0,161)	(0,325)	(0,495)

Tabelle 2 (Fortsetzung)

Parameter und Schweißnaht-Abmessungen bei unter Wasser ausgeführtem PTA-Rißheilen
Versuch Nr.	Pulverzufuhr-Rate (rpm)	Rißtyp	Rißbreite × 2,5 cm (in)	Fahrgeschwindigkeit v × 2,5 cm (in)/min	I (A)	Leistung (kJ/2,6 cm)	Rißtiefe (× 2,5 cm (in))	Maximale Tiefe (× 2,5 cm (in))	Breite (× 2,5 cm (in))	D(Max)/ Breite
101194-2	autogen	offen**	1/8	3	175	113,8	0,307	0,307	0,650	0,472
101194-3	autogen	geschlossen	Kontakt	4	110	42,9	0,059	0,071	0,330	0,215
101194-4	autogen	geschlossen	0,005	4	110	42,1	0,071	0,071	0,340	0,209
101194-5	autogen	geschlossen	0,020	4	110	42,9	0,065	0,065	0,355	0,183
101194-6	autogen	geschlossen*	0,040	4	110	44,6	0,059	0,059	0,350	0,169
101294-1	autogen	Penny	0,025	4	110	46,2	0,094	0,094	0,410	0,229
102094-2	autogen	Penny*	0,050	4	110	42,9	0,097	0,102	0,320	0,319
102094-1	autogen	zwei geschlossen	(2); 0,005 1/8" entfernt	4	110	42,1	0,096	0,096	0,305	0,315
102094-2	autogen	zwei** geschlossen	(2); 0,015 1/8" entfernt	3	110	50,0	0,065	0,065	0,355	0,183
102494-1	0,9	zwei geschlossen	(2); 0,005 1/8" entfernt	3	110	66,0	0,118	0,118	0,420	0,281
102494-2	3,0	offen	1/8	2	165	178,2	0,305	0,305	0,650	0,469
Alle Schweißungen wurden auf etwa 2,5 cm (1") dickem 304 S.S. unter Wasser bei einer simulierten Tiefe von 24 m (80 feet) vorgenommen. Inco 82+1% Pd-Pulver [>74/<44 µm (-200/+325 mesh)] wurden bei solchen Schweißungen benutzt, die eine Pzulverzufuhrrate erwähnen. Alle anderen wurden autogen hergestellt. Alle Risse wurden mit einem einzigen Schweißdurchgang erfolgreich geheilt, ausgenommen solche, bei denen ein einzelnes oder doppeltes Sternchen angegeben ist.
* Gaslunker in der Mitte der Schweißnaht
** Gaslunker am Ende der Schweißnaht

Tabelle 2 enthält zwei errechnete Werte, die mit jedem Versuch zur Rißheilung verbunden sind. Die Spalte der Wärmezufuhr-Werte ist die errechnete Energie/2,5 cm (inch), bezogen auf den Ausgangsstrom und die Ausgangs-Spannung, wie auf den Leistungszufuhr-Meßgeräten angezeigt. Die Gleichung, die zum Errechnen dieses Wertes benutzt wird, ist folgende: $Leistung (J/2,5 cm) = \frac{({V (Volt) \times I (Ampere)}}{v (2,5 cm/min)} \times 60 (s/min)$

Die Betriebs-Zufuhrspannung kann aus diesen Werten zurückgerechnet werden. Es wurden auch die Spannungsverluste des etwa 7,5 m (25 foot) langen Kabels, das bei diesem Aufbau benutzt wurde, zu 6,5% bei 110 A und zu 9-9,5% bei 165-175 A gemessen. Die dem Werkstück zugeführte Energie würde, unter Vernachlässigung der Übertragungs-Effizienz, um 6,5-9,5%, in Abhängigkeit vom Strom, geringer sein, als in Tabelle 2 angegeben. Der andere errechnete Wert ist das Aspekt-Verhältnis der Schweißnähte oder die Eindringtiefe, dividiert durch die Breite der Schweißnaht. In diesem Falle wurde die maximale Eindringtiefe benutzt. Tabelle 3

Messungen der Oberflächen-Restspannung auf repräsentativen Proben zur unter Wasser ausgeführten PTA-Rißheilung
Versuch Nr.	Stelle*	Restspannung in 6,9 N/mm² (ksi)		Mittlere Peakbreite (Grad)
Versuch Nr.	Stelle*	X-Richtung	γ-Richtun	Mittlere Peakbreite (Grad)
101794-2 0,125 mm (0,005") breit, 2,5 cm (1") tief	Schweißnahtzentrum	+3,1 (+/-0,4)	-27,4 (+/-0,9)	1,12
101794-2 0,125 mm (0,005") breit, 2,5 cm (1") tief	+0,020	-1,8 (+/-0,6)	-8,0 (+/-0,7)	1,07
„geschlossener Riß“ (110A/28V/10 cm/min)	+0,125	+17,7(+/-1,3)	-0,1 (+/-1,0)	2,33
„geschlossener Riß“ (110A/28V/10 cm/min)		+17,0(+/-1,2)
Autogen bei 24,0 m (80')	+0,400	-54,8 (+/-2,2)	-22,1 (+/-1,5)	2,72
* Die Stellen sind Abstände von der Schmelzlinie der Schweißnaht in 2,5 cm (inches)

Betrachtet man die Daten in den Tabellen 2 und 3 und die visuelle Bewertung der Schweißnähte, dann kann die folgende Liste von Schlußfolgerungen gezogen werden:
Bei den nominellen Parametern von 110 A und 10 cm (4 in)/min Fahrgeschwindigkeit (etwa 1/3 der Nennleistung von 300 A, 32 V bei 60% Arbeitszyklus) ohne Zugabe von Füllmetall: Offene Risse wurden bis zu einer Grenze von etwa 2,5 mm (0,1 in) in der Breite bis zu einer maximalen Eindringtiefe von etwa 3,7 mm (0,15 in) in einem einzigen Schweißdurchgang abgedichtet. Geschlossene Risse mit 0,5 mm (0,020 in) Breite, 2,5 cm (1 in) Tiefe wurden in einem einzigen Durchgang erfolgreich abgedichtet. Die Eindringtiefe betrug etwa 1,6 mm (0,065 in). Eine Probe mit geschlossenem Riß von etwa 1 mm (0,40 in) Breite, 2,5 cm (1 in) Tiefe wurde in einem einzigen Durchgang nicht erfolgreich abgedichtet. Interner Dampfdruck führte zu einem Gaslunker in der Schweißnaht. Ein geschlossener, penny-förmiger Riß von etwa 6 mm (0,025 in) Breite und etwa 0,4 mm (0,23 in) Tiefe wurde in einem einzigen Durchgang erfolgreich abgedichtet. Die Eindringtiefe betrug etwa 2,4 mm (0,094 in). Ein geschlossener, penny-förmiger Riß von etwa 1,2 mm (0,050 in) Breite und etwa 0,5 mm (0,2 in) Tiefe wurde wegen eines Gaslunkers nicht erfolgreich abgedichtet. Zwei parallele, geschlossene Risse im Abstand von etwa 3 mm (1/8 in) jeder von etwa 0,13 mm (0,005 in) Breite und 2,5 cm (1 in) Tiefe wurden in einem einzigen Durchgang bis zu einer Tiefe von etwa 2,4 mm (0,096 in) abgedichtet. Zwei parallele, geschlossene Risse von etwa 0,4 mm (0,015 in) Breite wurden wegen eines Gaslunkers nicht erfolgreich abgedichtet. Bei einer höheren Stromstärke (etwa 60% der Nennleistung) ohne Füllstoffzugabe: Offene Risse von etwa 3 mm (1/8 in) Breite wurden noch immer nicht vollständig abgedichtet, doch erhöhte sich die Eindringtiefe auf etwa 7,5 mm (0,3 in).
Bei höheren Stromstärken (etwa 55% der Nennleistung) mit Füllstoffzugabe: Offene Risse von etwa 3 mm (1/8 in) Breite wurden erfolgreich abgedichtet. Die Eindringtiefe betrug etwa 7,5 mm (0,3 in).
Bei einer durch eine geringere Fahrgeschwindigkeit (7,5 cm (3 in)/min statt 10 cm (4 in)/min) verursachten höheren Wärmezufuhr und Füllmetall-Zugabe: Zwei parallele, geschlossene Risse im Abstand von etwa 3 mm (1/8 in) und etwa 0,13 mm (0,005 in) Breite wurden bis zu einer Tiefe von etwa 2,9 mm (0,118 in) erfolgreich abgedichtet.
Restspannung-Messungen, die in einer repräsentativen Probe mit geheiltem Riß vorgenommen wurden, zeigten vorwiegend kompressive Restspannungen an der Oberfläche. Die Spannungsniveaus waren jedoch etwas höher (weniger kompressiv) als sie typischerweise in autogenen PTA-Schweißnarben gefunden werden, die unter Wasser an festem, 2,5 cm (1 in) dickem 304 S.S. durch etwa 69 bis etwa 104 N/mm² (10-15 ksi) hergestellt werden, was zu einem fast vernachlässigbarem Zugspannungsherd im Zentrum der Schweißnaht (nur X-Richtung) und einer mäßigen Zugspannung bei etwa 3 mm (1/8 in) weg von der Schmelzlinie (nur X-Richtung) führte. Die Restspannungswerte sind noch immer viel geringer als für in Luft hergestellte Schweißnähte.
Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen die Fähigkeit, simulierte Risse mit Breiten, die größer sind als sie durch SCC verursacht werden, unter Anwendung des unter Wasser ausgeführten PTA-Prozesses bei lokalem Wasserausschluß hermetisch abzudichten. Das PTA-Potential unter Wasser zum strukturellen Schweißen wird auch gezeigt durch Schließen von etwa 3 mm (1/8 in) breiten Spalten in aneinandergelegten 304-Platten bis zu Tiefen von etwa 7,5 mm (0,3 in) und Breiten von etwa 16,5 mm (0,65 in) unter Anwendung von nur etwa 60% der verfügbaren Leistung des Systems.

Claims

Verfahren zum Entwickeln von Kompressions-Restspannungen in Metallen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus korrosionsbeständigen Stählen und Superlegierungen auf Nickelbasis, umfassend das Bilden eines Bades aus dem geschmolzenen Metall, Abkühlen des Bades zur Bildung einer metallurgischen Bindung mit benachbartem, ungeschmolzenem Metall und Abschrecken des gebundenen Metalles bis zu einer Umgebungstemperatur unterhalb des Schmelzbereiches des Metalles durch Kontakt mit einem Abschreckmedium.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Bilden des Bades aus geschmolzenem Metall innerhalb einer Ausschlußregion innerhalb eines Volumen des Abschreckmediums und Bewegen der Ausschlußregion, um das abkühlende Metall mit dem Abschreckmedium in Kontakt zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Abschreckmedium Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Bad unter Wasser aus geschmolzenem Metall durch einen Plasma-Schweißbrenner mit übertragenem Lichtbogen gebildet wird, an dem eine Ausschlußvorrichtung befestigt und zusammen mit dem Brenner bewegbar ist, innerhalb der sich das Bad geschmolzenen Metalles bildet.
Verfahren zum Entwickeln von Kompressions-Restspannungen in einem Metallgegenstand, umfassend das Bilden eines Bades aus geschmolzenem Metall auf dem Gegenstand, Abkühlen des geschmolzenen Bades bis zu einer Temperatur unterhalb des beginnenden Schmelzpunktes des Metalles und Abschrecken des erstarrten Metalles durch Kontakt mit einem Abschreckmedium.
Verfahren nach Anspruch 1, worin ein Bad aus geschmolzenem Metall durch eine Schmelzschweiß-Einrichtung gebildet wird, das geschmolzene Bad auf eine Temperatur unterhalb des beginnenden Schmelzpunktes des geschmolzenen Metalles durch Beendigung des Erhitzens abgekühlt wird, und das erstarrende Metall durch Leiten von Wärme aus dem erstarrenden Metall und dem benachbarten, durch Wärme beeinflußten Metall durch ein Abschreckmedium abgeschreckt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Bad aus geschmolzenem Metall unter Wasser durch einen Plasma-Schweißbrenner mit übertragenem Lichtbogen gebildet wird, der mit einer Ausschlußvorrichtung versehen ist, um Wasser auszuschließen, während sich der Brenner über eine Metalloberfläche bewegt.
Verfahren zum Reparieren einer Beschädigung durch Spannungskorrosionsrisse in Substraten aus rostfreien Stahl- und Superlegierungs-Materialien auf Nickelbasis, umfassend die Bildung eines verträglichen Schweißbades aus einem geschmolzenen Metall innerhalb einer Ausschlußvorrichtung an der Stelle der Rißbeschädigung, um den Riß zu füllen, Abkühlen des Schweißbades auf eine Temperatur bei etwa seinem Schmelzpunkt und Abschrecken der Schweißnaht auf die Umgebungstemperatur durch Kontakt mit einem Abschreckmedium, während die Schweißnaht aus der Ausschlußvorrichtung austritt.
Verfahren nach Anspruch 8, umfassend das Abschrecken der Schweißnaht durch Kontakt mit Wasser.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Schweißbad durch Wärme gebildet wird, die durch einen Plasma-Schweißbrenner mit übertragenem Lichtbogen innerhalb einer Ausschlußvorrichtung geliefert wird, die an dem Brenner angebracht ist, und worin das Abschreckmedium Wasser ist.
Unterwasser-Schweißverfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Bilden eines Schweißbades aus geschmolzenem Metall innerhalb einer wasserfreien Ausschlußvorrichtung durch Energie, die durch einen Plasma-Schweißbrenner mit übertragenem Lichtbogen geliefert ist, der an der Ausschlußvorrichtung befestigt ist, Bewegen des Brenners und der Ausschlußvorrichtung entlang einem Pfad zur Bildung einer Schweißnaht und Abschrecken der Schweißnaht durch Kontakt mit Wasser, während die Schweißnaht aus der Ausschlußvorrichtung austritt.
Vorrichtung zum Unterwasserschweißen, umfassend eine Wasser-Ausschlußvorrichtung, die eine wasserfreie Zone bildet, wenn sie auf einer zu schweißenden Oberfläche angeordnet ist, einen Plasma-Schweißbrenner mit übertragenem Lichtbogen, der an der Ausschlußvorrichtung befestigt ist und geeignet ist zur Bildung eines geschmolzenen Schweißbades auf der Oberfläche innerhalb der wasserfreien Zone, eine Einrichtung zum Bewegen der Ausschlußvorrichtung und des Brenners auf der Oberfläche zur Bildung einer Schweißnaht innerhalb der Ausschlußvorrichtung und danach zum Abschrecken der Schweißnaht durch Kontakt mit Wasser.