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Die Erfindung betrifft Verfahren
zum Herstellen von höchstfesten
Schweißkonstruktionen
mit Schweißmetallen
mit exzellenter Cryo-Temperatur-Bruchfestigkeit. Insbesondere betrifft
diese Erfindung Verfahren zum Herstellen höchstfester Schweißkonstruktionen
mit Schweißmetallen
mit exzellenter Cryo-Temperatur-Bruchfestigkeit für höchst-feste
niederlegierte Stähle.
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Zahlreiche Begriffe werden in der
folgenden Beschreibung definiert. Aus Gründen der Einfachheit, wir hier
ein Glossar der Begriffe angefügt,
unmittelbar vor den Patentansprüchen.
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Oft besteht eine Anforderung zum
Speichern und Transportieren von komprimierten flüchtigen
Fluiden bei Cryo-Temperaturen, d.h. bei Temperaturen von weniger
als –40°C (–40°F). Beispielsweise
besteht eine Anforderung für
Containerbehälter
zum Speichern und Transportieren von komprimiertem verflüssigtem
Erdgas (Engl.: pressurized liquified natural gas, PLNG) bei Drucken
in einem breiten Bereich von ungefähr 1035 kPa (150 psia) bis
ungefähr
7590 kPa (1100 psia) und bei Temperaturen von mehr als ungefähr –123°C (–190°F). Es besteht
auch eine Anforderung für
Container zum sicheren und wirtschaftlichen Speichern und Transportieren
anderer komprimierter Fluide, wie Methan, Ethan und Propan bei Cryo- Temperaturen. Für die Konstruktion
derartiger Container aus geschweißtem Stahl muß der Stahl
und seine Schweißkonstruktionen
(vgl. Glossar) ausreichende Festigkeit aufweisen, um dem Fluiddruck
zu widerstehen, sowie eine adäquate
Festigkeit/Fähigkeit
zum Vermeiden des Auslösens
eines Bruchs, d.h. eines Fehlereignisses bei den Betriebsbedingungen.
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Für
die mit dem Stand der Technik Vertrauten ist bekannt, daß der Charpy
V-Kerbtest (CVN)-Test verwendet werden kann, und zwar zum Zweck
der Bruchfestigkeits-Qualitätsprüfung und
der Bruchsteuerung für den
Entwurf von Speichercontainern zum Transportieren von komprimierten,
Cryo-Temperaturfluiden wie PLNG, insbesondere durch Verwendung der
Resthaltetemperatur (DBTT). Die DBTT unterscheidet zwei Bruchbereiche
in Konstruktionsstellen. Bei Temperaturen unterhalb der DBTT tritt
tendenziell ein Fehler bei dem Charpy-V-Kerbtest durch einen Sprödbruch in
der Energie auf, wohingehend bei Temperaturen oberhalb der DBTT
ein Fehler tendenziell durch einen Verformungsbruch hoher Energie
auftritt. Speicher- und Transportbehälter, die aus geschweißten Stählen konstruiert
sind, und zwar für
die zuvor erwähnten
Cryo-Temperaturanwendungen
und für
andere lastaufnehmende, Cryo-Temperaturdienste,
müssen
DBTT-Werte aufweisen, wie sie durch den Charpy-V-Kerbtest bestimmt
sind, die deutlich unterhalb der Diensttemperatur der Struktur liegen,
damit ein Sprödbruch
vermieden wird. In Übereinstimmung
mit dem Entwurf, den Dienstbedingungen und/oder den Anforderungen
für den
annehmbaren Klassifzierungsverband kann die erforderliche DBTT Temperaturverschiebung
(d.h., wie weit die DBTT unterhalb der beabsichtigten Diensttemperatur
liegen muß)
in dem Bereich von 5°C
bis 30°C
(9°F bis
54°F) unterhalb
der Diensttemperatur liegen.
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Stähle mit Nickel, die üblicherweise
für Cryo-Temperatur-Strukturanwendungen
verwendet werden, z.B. Stähle
mit Nickelgehalten von mehr als ungefähr 3 Gew.%, weisen einen niedrigen
DBTT-Wert auf, jedoch haben sie auch relativ hohe Zugfestigkeiten.
Typischerweises haben kommerziell verfügbare 3 Gew.% Ni, 5.5 Gew.%
Ni, und 9 Gew.% Ni Stähle
DBTT-Werte von ungefähr –100°C (–150°F), –155°C (–250°F) und –175°C (– 280°F), sowie
Zugfestigkeiten von bis zu ungefähr
485 MPa (70 ksi), 620 MPa (90 ksi) und 830 MPa (120 ksi). Zum Erzielen
dieser Kombinationen aus Stärke
und Festigkeit werden diese Stähle
allmählich
einer kostspieligen Verarbeitung unterzogen, z.B. einer doppelten
Abkühlbehandlung.
Im Fall der Cryo-Temperaturanwendungen nützt die Industrie momentan
diese kommerziellen Stähle
mit Nickelgehalt, aufgrund ihrer guten Festigkeit bei niedrigen
Temperaturen, jedoch ist eine Entwurfsumgehungslösung aufgrund deren relativ
niedrigen Zugfestigkeiten erforderlich. Die Entwürfe erfordern allgemein übermäßige Stahldicken
für lastabnehmende
Cryo-Temperaturanwendungen.
Demnach ist die Verwendung dieser Stähle mit Nickeln in lastaufnehmenden
Cryo-Temperaturanwendungen
tendenziell teuer, und zwar aufgrund der hohen Kosten des Stahls
in Kombination mit den erforderlichen Stahldicken.
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Momentan vorliegende kommerzielle
Speichercontainer zum Transportieren von verflüssigtem Erdgas bei –162°C (–260°F) und Luftdruck
(LNG) sind typischerweise aus den oben erwähnten kommerziellen Stählen mit
Nickel konstruiert, sowie austenitischen Stählen oder Aluminium. Bei LNG
(Engl.: liquid natural gas, verflüssigtes Erdgas) Anwendungen
unterscheiden sich die Stärke
und Festigkeitsanforderungen für
derartige Materialien und für
Schweißverbindungen
derartiger Materialien in besonderem Umfang von denjenigen für den PLNG
Fall (pressurized liquified.natural gas, komprimiertes verflüssigtes
Erdgas) Fall. Beispielsweise erfolgt ein Auflisten bei der Diskussion
des Schweißens
von 2 ¼ Gew.%
bis 9 Gew.% Nickelstählen
für Cryo-Zwecke
in G.E. Linnert, "Schweißmetallurgie
C Welding metallurgy ",
American Welding Society, 3rd Ed., Bd.
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2, 1967, Seiten 550–570, der
Charpy-V-Kerbfestigkeit (siehe Glossar)-Anforderungen für derartige Schweißkonstruktionen
in dem Bereich von ungefähr
20 J bis 61 J, gemessen bei der Diensttemperatur. Die durch Linnert
angegebenen Anforderungen lassen sich nicht direkt auf die Konstruktion
von Containern für
den Transport von PLNG (oder anderen komprimierten Cryo-Fluiden) anwenden,
da der PLNG Einschließdruck von
typischerweise ungefähr
2760 kPa (400 psia) signifikant höher ist als für die üblichen
Verfahren zum Transportieren von LNG, was allgemein, bei oder in
der Nähe
des Luftdrucks erfolgt,. Für
PLNG Speicher und Transportbehälter
besteht eine Anforderung für
striktere Festigkeitsanforderungen, und demnach eine Anforderung für Schweißkonstruktionen
mit besseren Festigkeitsanforderungen als diejenigen, die zum Konstruieren
von LNG Speicherbehältern
verwendet werden.
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Basisplattenmaterial
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Speicherbehälter für komprimierte Cryo-Temperatur-Fluide,
beispielsweise PLNG, sind vorzugsweise aus diskreten Platten aus
niedrig legiertem Höchstfestigkeitsstahl
konstruiert.
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Andere geeignete Stähle sind
in der am 5. Februar 1997 veröffentlichten
europäischen
Patentanmeldung beschrieben, die die folgende Internationale Veröffentlichungsnummer
aufweist: PCT/JP96/00157, sowie die Internationale Veröffentlichungsnummer
WO 96/23909 (08.08.1996 Gazette 1996/36) (derartige Stähle enthalten
vorzugsweise einen Kupfergehalt von 0.1 Gew.% bis 1.2 Gew.%).
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Schweißen
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Derartige Stähle lassen sich miteinander
zum Bilden von Speichercontainern verbinden, und zwar für komprimierte
Cryo-Temperaturfluide
wie PLNG, durch ein Schweißverfahren,
das sich zum Erzeugen einer Schweißkonstruktion eignet, das eine
adäquate
Stärke
und Bruchfestigkeit für
die beabsichtigte Anwendung gewährleistet.
Ein derartiges Schweißverfahren
enthält
vorzugsweise einen geeigneten Schweißprozess beispielsweise ohne
Einschränkung
Gasmetall-Lichtbogenschweißen (gas
metal arc welding, GMAW), Wolfram-Inertgas (tungsten inert gas, TIG) Schweißen, oder
Unterpulverschweißen
(submerged arc welding, SAW); zudem erfordert es einen geeigneten
selbstverzehrenden Schweißdraht;
ein geeignetes verbrauchbares Schweißgas (sofern erforderlich);
ein geeignetes Schweißmittel
(sofern erforderlich); geeignete Schweißprozeduren – beispielsweise,
ohne Einschränkung – Vorwarmtemperaturen
und Schweißwärmeeingaben. Eine
Schweißkonstruktion
bzw. eine Schweißstelle
ist eine geschweißte
Verbindung, mit: (i) dem Schweißmetall,
(ii) dem Wärmeeinflussbereich
(heat-affected zone, HAZ), und (iii) dem Basismetall in der "nahen Umgebung" der Wärmeeinflußzone. Das
Schweißmetall
ist der verbrauchbare Schweißdraht
(und das Schweißmittel,
sofern verwendet), wie es auf dem Abschnitt der Basismetallplatte
abgeschieden und aufgelöst
ist, der während
dem Durchführen
des Schweißprozesses
geschmolzen wird. Der Wärmeeinflußbereich
HAZ ist der Abschnitt des Basismetalls, der während dem Schweißen nicht
schmilzt, bei dem sich jedoch die Mikrostruktur und die mechanischen
Eigenschaften durch die Wärme
des Schweißprozesses ändern. Der
Abschnitt des Basismetalls, der als "in der nahen Umgebung" der Wärmeeinflußzone liegend
angesehen wird, und demnach als ein Teil der Schweißkonstruktion,
variiert in Abhängigkeit
von Faktoren, die für
den mit dem Stand der Technik Vertrauten gekannt sind, beispielsweise,
ohne Einschränkung,
der Breite der Schweißkonstruktion,
den Abmessungen der Basismetallplatte, die geschweißt wird,
und die Distanzen zwischen den Schweißkonstruktionen.
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Gewünschte Eigenschaften
der Schweißkonstruktionen
für PLNG
Anwendungen
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Zum Zwecke des Konstruierens von
Speichercontainern für
PLNG und andere komprimierte Cryo-Temperaturfluide ist es wünschenswert,
ein Schweißverfahren
zu haben, und zwar mit einem selbstverzehrenden Schweißdraht,
einem selbstverzehrenden Schweißgas,
einem Schweißprozeß und Schweißprozeduren,
die die Schweißkonstruktionen
mit Zugfestigkeiten und Bruchfestigkeiten erzielen, die sich für die beabsichtigte
Cryo-Anwendung eignen, gemäß bekannten
Prinzipien der Bruchmechanik, so wie sie hier beschrieben sind.
Insbesondere ist es für
die Konstruktion von Speicherbehältern
von PLNG wünschenswert,
ein Schweißverfahren
zu haben, das zu Schweißkonstruktionen
mit Zugfestigkeiten von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi) führt, sowie
zu einer Bruchfestigkeit, die sich für die PLNG Anwendung eignet,
gemäß den bekannten
Prinzipien der Bruchmechanik, so wie hier beschrieben. Die Zugfestigkeit
derartiger Schweißkonstruktionen
ist bevorzugt größer als
ungefähr
930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt größer als ungefähr 965 MPa (140
ksi), und noch weiter bevorzugt mindestens ungefähr 1000 MPa (145 ksi). Momentan
kommerziell verfügbare
Schweißverfahren
unter Heranziehung kommerziell verfügbarer selbstverzehrender Schweißdrähte sind
nicht in der Lage, ein Schweißen
mit der zuvor erwähnten
hohen Festigkeit bei niederlegierten Stählen zu ermöglichen, und zudem Schweißkonstruktionen
mit den gewünschten
Eigenschaften für
kommerzielle Tiefsttemperaturanwendungen mit Überdruck bereitzustellen.
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Die
US
3,097,294 betrifft einen selbstverzehrenden Schweißdraht der
neben Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom und Molybdän noch Legierungsbestandteile
von Phosphor, Schwefel, Vanadium, Aluminium und Kupfer enthält. Der
Schweißdraht
zeichnet sich durch eine hohe Zugfestigkeit und gute Kerbschlagzähigkeit
bei geringen Temperaturen aus.
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US
5,523,540 beschreibt Schweißelektroden für niederlegierte
Stähle
mit einem Kohlenstoffanteil bis etwa 0,05 Gew.%. Die Schweißelektroden
enthalten Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom, Molybdän sowie
Kupfer, Titan und Aluminium. Die Schweißnähte besitzen gute Eigenschaften
im Hinblick auf den Widerstand gegen Wasserstoffversprödung und
lassen sich ohne Vorwärmen
des Materials insbesondere im Schiffbau einsetzen. Die mit den Schweißelektroden
erhaltenen Schweißnähte weisen
eine bainitische-ferretische Mikrostruktur auf und besitzen eine
Zugfestigkeit zwischen 80 ksi und 150 ksi.
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Aus der
US 4,068,113 ist eine weitere Schweißelektrode
bekannt, die bei einem Schutzgasschweißen eingesetzt wird und eine
Legierung aus Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Titan und einem weiteren
Vertreter aus der Gruppe Nickel, Chrom und Molybdän besteht.
Die daraus erhaltene Schweißnaht
besitzt hohe Festigkeit bei geringer Temperatur.
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Aus der
US 3,745,322 ist ein Verfahren zum
Schweißen
eines Basismetalls zum Erzeugen einer Schweißkonstruktion bekannt, wobei
unter Schutzgas und einem selbstverzehrenden Schweißdraht geschweißt wird.
Der das Schweißmetall
zuführende
Schweißdraht
enthält
Eisen sowie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom und Molybdän. Das Schweißmaterial
eignet sich hochfeste Tieftemperatur geeignete Schweißungen.
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Demnach bestehen die technischen
Probleme der vorliegenden Erfindung in der Verbesserung der Schweißtechnologie
nach dem Stand der Technik für
die Anwendbarkeit auf höchstfeste
Stähle
mit niedriger Legierung zum Erzielen eines Schweißverfahrens,
das Schweißkonstruktionen
erzeugt, die Zugfestigkeiten von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi) aufweisen,
sowie eine Bruchfestigkeit, die sich für die beabsichtigte Cryo-Anwendung
eignet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zum Schweißen
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Schweißkonstruktion
mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wird ein Schweißverfahren
(mit einem selbstverzehrenden Schweißdraht, von einem Schweißprozesstyp
und mit der Auswahl bestimmter Schweißparameter und Praktiken) vorgesehen,
das sich zum Verbinden von höchstfesten
niederlegierten Stählen
mit exzellenter Cryo-Temperatur-Bruchfestigkeit für Cryo-Anwendungen verwenden
lässt.
Das Schweißverfahren
dieser Erfindung ist so ausgebildet, dass es eine Mikrostruktur
mit einer Gruppe mechanischer Eigenschaften erzeugt, die sich für die strikten
Anwendungen bei komprimierten Cryo-Temperatur-Fluidanwendungen, beispielsweise der
PLNG-Anwendung, eignet. Das Schweißverfahren erzeugt ein Schweißmetall,
das durch eine sehr feingekörnte
körperzentrierte
kubische (body centered cubic, BCC) Kristallstruktur dominiert ist.
Das Schweißverfahren
erzeugt auch Schweißmetall
mit einem niedrigen Verunreinigungsgehalt, und demnach mit einem
niedrigen nicht-metallischen Einschlußgehalt, und zusätzlich erzeugt
es einzelne Einschlüsse,
die eine geringe Größe aufweisen.
Die Grundwirkungen der feinen Korngröße auf die Festigkeit und Zähigkeit
der Konstruktionsstähle
sowie die grundlegenden Wirkungen des geringen Einschlußgehalts
auf die Festigkeit sind für
die mit dem Stand der Technik Vertrauten gut bekannt. Jedoch sind
Techniken zum Erzielen derartiger Eigenschaften bei Schweißmetallen
mit der Eignung für
die PLNG Anwendung nicht allgemein bekannt. Die Schweißkonstruktion,
die sich aus der Anwendung des Schweißverfahrens dieser Erfindung
ergibt, weist eine Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa
(130 ksi) auf und eine Bruchfestigkeit, die sich für die PLNG
Anwendung eignet, in Übereinstimmung
mit bekannten Prinzipien der Bruchmechanik.
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Die Vorteile der vorliegende Erfindung
lassen sich besser unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung
und die angefügte
Zeichnung verstehen. Es zeigen:
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1A eine
Darstellung einer kritischen Defektgröße für eine gegebene Defektlänge als
Funktion der CTOD Bruchfestigkeit und einer Restspannung; und
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1B die
Geometrie (Länge
und Tiefe) eines Defekts.
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Während
die Erfindung im Zusammenhang mit ihren bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wird, ist zu erkennen, daß die Erfindung nicht hierauf
beschränkt
ist. Im Gegensatz hierzu wird beabsichtigt, daß die Erfindung sämtliche
Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdeckt, die von
dem Sinngehalt und Schutzbereich der Erfindung umfaßt sind,
wie er durch die angefügten
Patentansprüche
definiert ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Schweißverfahren
für die
Verwendung zum Verbinden höchst-fester
niedriglegierter Stähle,
wodurch die sich ergebenden Schweißkonstruktionen eine Höchstfestigkeit
und eine exzellente Cryo-Temperaturfestigkeit
aufweisen. Diese wünschenswerten
Eigenschaften werden primär
durch zwei auf Mikroebene eingebaute Aspekte des Schweißmetalls
erzielt. Das erste Merkmal betrifft eine sehr fein gekörnte körperzentrierte
kubische (BCC) Kristallstruktur, und das zweite Merkmal betrifft
einen niedrigen nicht-metallischen Einschlußgehalt, derart, daß die einzelnen
Einschlüsse
eine geringe Größe aufweisen.
Das Schweißverfahren
enthält
einen selbstverzehrenden Schweißdraht,
einen Schweißprozeßtyp, und
die Auswahl bestimmter Schweißparameter
und Praktiken. Die bevorzugten Schweißprozesse für das Schweißverfahren
dieser Erfindung sind irgendwelche Schutzgasprozesse, wie Gasmetall-Lichtbogenschweißen (gas
metal arc welding, GMAW), Wolfram-Intertgas-Schweißen (tungsten inert gas welding,
TIG), Plasmaschweißen
(plasma arc welding, PAW) und deren Derivate. Bevorzugte Schweißparameter
und Praktiken sowie Wärmeeingabe
und Zusammensetzung des Abschirmgas sind hier nachfolgend beschrieben.
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Chemische Zusammensetzung der Schweißmetalle
Bei einer Ausführungsform
enthält
die chemische Zusammensetzung des Schweißmetalls gemäß der vorliegenden
Erfindung Eisen und Legierungselemente in ungefähr denjenigen Mengen, die in
Tabelle I und nachfolgend angegeben sind.
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Bevorzugt beträgt der obere Grenzwert für den Nickelgehalt
ungefähr
4.00 Gew.%.
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Die Wirkung der feinen
Korngröße
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Die feine Korngröße in der Mikrostruktur eines
Schweißmetalls,
das gemäß dieser
Erfindung hergestellt ist, erhöht
die Festigkeit der Schweißkonstruktion
durch Versetzungsblockade. Die feine Korngröße erhöht die Sprödfestigkeit durch Verkürzen der
Länge der
Versetzungsanhäufungen,
wodurch die maximal mögliche Spannungsintensität bei dem
Kopf jedwedger einzelnen Anhäufung
verringert ist. Hierdurch wird das Auslösen eines Mikrorisses weniger
wahrscheinlich. Die niedrigere Anordnungsintensität verbessert
auch die Verformungsbruchfestigkeit durch Reduzieren lokaler Mikrospannungen,
wodurch das Initiieren eines Mikrohohlraums weniger wahrscheinlich
wird. Zusätzlich
erhöht
die feine Korngröße die global
betrachtete Festigkeit durch Bilden vieler "Straßensperren" gegenüber einer Rissausbreitung.
(Siehe das Glossar für
die Definitionen von Versetzungsblockade, Sprödbruchfestigkeit, Versetzungsanhäufung, Mikroriss,
Mikrospannung und Mikrohohlraum).
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Erzielen der Mikrostruktur
und Korngröße
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Die feingekörnte BCC-Struktur wird vorzugsweise
durch selbsttemperiertes Maschenmartensit (Engl.: lath martensite)
dominiert, d.h. sie enthält
mindestens ungefähr
50 Volumenprozent, ebenso bezeichnet als Volumenanteil von 50%,
bevorzugt mindestens etwa 70 Volumenprozent und weiter bevorzugt
mindestens 90 Volumenprozent selbsttemperiertes Maschenmartensit.
Jedoch können
auch erhebliche Mengen von unterem Bainit vorliegen, beispielsweise
von bis zu ungefähr
49 Volumenprozent. Kleinere Bestandteile, wie nadelkristallförmiges Ferrit,
polygonales Ferrit und oberes Bainit (oder andere degenerierte Formen
des Bainits) können ebenso
in geringen Mengen vorliegen, bilden bevorzugt jedoch nicht die
dominante Morphologie. Die gewünschte
martensitische Mikrostruktur bzw. die Zwischenstufen-Mikrostruktur (Engl.:
biainitic microstructure) wird durch Verwendung einer geeigneten
chemischen Zusammensetzung des Schweißmetalls und einer genauen
Steuerung der Schweißmetallabkühlrate erzielt.
Mehrere Beispiele zum Diskutieren chemischer Eigenschaften sind
nachfolgend vorgesehen. Eine geringe Eingangswärme zum Schweißen wird
so verwendet, daß sich
das Schweißmetall
schneller abkühlt,
als es dies üblicherweise
bei höheren
Eingabewärmen
tun würde. Die
Eingabewärme
ist definiert als Schweißspannung
multipliziert mit dem Schweißstrom
und geteilt durch die Schweißfortschreitgeschwindigkeit,
d.h. die Bogenenergie. Das im Rahmen dieser Erfindung verwendete Schweißverfahren
mit niedriger Eingangsschweißwärme weist
Bogenenergien von vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 0.3 kJ/mm
bis ungefähr
2.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 63.5 kJ/inch) auf, weiter bevorzugt in dem
Bereich von ungefähr
0.5 kJ/mm bis ungefähr
1.5 kJ/mm (12.7 kJ/inch bis 38 kJ/inch). Es lassen sich mehrere
unterschiedliche Pegel der "Korngröße" in der gewünschten
Mikrostruktur beschreiben, und die Zielsetzung der Schweißtechnik
mit niedriger Eingangsenergie besteht in der Reduzierung der Größe jeder
Einheit. Eine niedrige Schweißeingangswärme hilft
bei der Bildung einer kleinen säulenförmigen bzw.
stengelförmigen Korngröße, einer
kleinen voraustenitischen Korngröße, einer
kleinen martensitischen/Bainit-Paketgröße und einer schmalen martensitischen
oder Bainitmaschenbreite. Wie hier unter Bezug auf die Struktur
verwendet, bedeutet "fein-gekörnt", daß die säulenförmige Korngröße bzw.
Stengelkorngröße (Breite)
vorzugsweise weniger als ungefähr
150 Mikrometer beträgt,
und bevorzugt weniger als 100 Mikrometer; daß die voraustenitische Korngröße vorzugsweise
weniger als 50 Mikrometer ist, weiter bevorzugt weniger als ungefähr 35 Mikrometer,
und zusätzlich
weiter bevorzugt weniger als ungefähr 20 Mikrometer; und daß die martensitische/Bainit-Paketgröße vorzugsweise
weniger als ungefähr
20 Mikrometer ist, weiter bevorzut weniger als ungefähr 15 Mikrometer
und zusätzlich
weiter bevorzugt weniger als ungefähr 10 Mikrometer. So wie hier
verwendet, bedeutet "Korngröße" die Korngröße, wie
sich durch das Linieninterceptverfahren bestimmt ist, wie es für die mit dem
Stand der Technik Vertrauten bekannt ist.
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Die Wirkung
eines niedrigen Einschlußgehalts
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Der niedrige Einschlußgehalt
führt tendenziell
zu einer Erhöhung
der Bruchfestigkeit durch Eliminieren potentieller Bruchriß-Initiierungsstellen
und/oder durch Reduzieren der Zahl von Stellen mit konzentrierten
Mikrospannungen. Der niedrige Einschlußgehalt führt tendenziell zum Erhöhen der
Verformungs-Bruchfestigkeit durch Reduzieren der Zahl von Initiierungsstellen
für Mikrohohlräume.
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Die gemäß dieser Erfindung hergestellten
Schweißkonstruktionen
weisen bevorzugt einen niedrigen Einschlußgehalt auf, sie sind jedoch
nicht einschlußfrei.
Einschlüsse
können
signifikant zum Erzielen von optimalen Schweißmetalleigenschaften beitragen.
Erstens wirken sie als Desoxidator in dem Becken für das geschmolzene
Schweißmetall.
Ein niedriger Sauerstoffgehalt in dem Abschirmgas ist zum Herstellen
der Schweißkonstruktionen
gemäß dieser
Erfindung vorzuziehen, so daß die
Anforderung für
ein Desoxidieren verringert ist; jedoch ist immer noch ein gewisses
Desoxidationspotential in dem Becken für geschmolzenes Schweißmetall
vorzuziehen. Zweitens können
die Einschlüsse
beim Steuern des Stengel und voraustenitische Kornwachstums durch
Korngrenzen-Pinning nützlich
sein. Das Begrenzen des Kornwachstums bei erhöhten Temperaturen fördert eine
geringe Raumtemperatur-Korngröße. Da jedoch
die niedrige Eingangswärme
zum Herstellen von Schweißkonstruktionen
gemäß dieser
Erfindung zum Einschränken
der Korngröße nützlich ist, läßt sich
der Einschlußgehalt
auf einen Pegel reduzieren, der die Festigkeit fördert, jedoch immer noch zu
nützlichen
Korngrenzen-Pinneffekten führt.
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Die gemäß diese Erfindung hergestellten
Schweißkonstruktionen
erzielen eine hohe Festigkeit, wie zuvor erwähnt. In dem Fall, von Schweißmetallen
mit niedrigerer Festigkeit besteht oft ein Entwurfsmerkmal im Erzeugen
eines signifikanten Volumenanteils von Ti-basierten Einschlüssen zum
Zweck einer Kern- bzw. Keimbildung für nadelkristallförmiges Ferrit.
Für derartige
Schweißkonstruktionen
geringerer Festigkeit ist ein nadelkristallförmiges Ferrit die bevorzugte
Mikrostruktur aufgrund seiner Festigkeit und Brucheigenschaften. Für die vorliegenden
Erfindung besteht jedoch aufgrund der verfolgten höheren Festigkeit
ein absichtliches Merkmal darin, daß ein großer Volumenanteil von Einschlüssen vermieden
wird, der zur Keimbildung von nadelkristallförmigem Ferrit führt. Anstelle
hiervon ist es vorzuziehen, eine Mikrostruktur zu bilden, die durch
Maschenmartensit dominiert ist.
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Erzielen der gewünschten
Einschlußgröße/des gewünschten
Einschlußgehalts
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Der bevorzugte niedrige Einschlußgehalt
für Schweißkonstruktionen
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird durch Auswahl und Abgabe eines geeigneten Abschirmgases
erzielt, sowie durch Aufrechterhalten einer guten Schweißreinheit
und durch Verwenden eines selbstverzehrenden Schweißdrahts
mit geringen Mengen an Schwefel, Phosphor, Sauerstoff und Silizium.
Die spezifische chemische Zusammensetzung des selbstverzehrenden
Schweißdrahts
ist so entworfen, daß die
gewünschte
chemische Zusammensetzung des Schweißmetalls erzielt wird, die
wiederum auf der Grundlage der gewünschten mechanischen Eigenschaften ausgewählt ist.
Die gewünschten
mechanischen Eigenschaften hängen
von dem spezifischen Containerentwurf ab; diese Erfindung deckt
einen Bereich von chemischen Zusammensetzungen des Schweißmetalls
mit der Fähigkeit
zum Abdecken eines Bereichs von Entwürfen ab. Bei Verwendung des
Schweißverfahrens
dieser Erfindung wird das Hauptschweißmetall minimal durch das Basismaterial
gelöst,
und demnach ist die chemische Zusammensetzung des selbstverzehrenden
Schweißdrahts
nahezu gleich der chemischen Zusammensetzung des Schweißmetalls,
wie hier beschrieben. Gemäß der erfindungsgemäßen Schweißtechnik
wird für
das Verdünnen
erwartet, daß es
weniger als ungefähr
15% beträgt,
jedoch oft weniger als ungefähr
10%. Für
Bereiche in der Nähe
des Zentrums des Schweißmetalls
wird für
das Verdünnen
erwartet, daß es
weniger als ungefähr
5% ist. Unter Verwendung irgendeines gut bekannten Umkehr-Verdünnungs-Berechnungsverfahrens
kann der mit dem Stand der Technik vertraute die chemische Zusammensetzung
des selbstverzehrenden Schweißdrahts
für die
Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
berechnen, um die gewünschte chemische
Zusammensetzung des Schweißmetalls
zu erhalten. Das Abschirmgas weist vorzugsweise einen niedrigen
CO2 und/oder O2-Gehalt
auf. Bevorzugt enthält
das Abschirmgas weniger als ungefähr 10 Vol%, weiter bevorzugt
weniger als ungefähr
5 Vol%, und zudem weiter bevorzugt weniger als ungefähr 2 Vol%
von CO2 und/oder O2.
Die Hauptkomponente des Abschirmgas ist vorzugsweise Argon; zudem
enthält
das Abschirmgas vorzugsweise ungefähr 80 Vol% (bzw. Volumengehalt)
oder mehr von Argon, und weiter bevorzugt mehr als ungefähr 90 Vol%.
Es läßt sich
Helium den Abschirmgas in Größen von
ungefähr
12 Vol% hinzugeben, zum Verbessern der Bogenbetriebseigenschaften
oder der Schweißraupen-Einbrandtiefe sowie
des Schweißraupenprofils.
Sofern erforderlich, lassen sich für einen spezifischen Speichercontainerentwurf
Verunreinigung von dem Abschirmgas, die tendenziell zu einer nichtmetallischen
Einschlußbildung
in dem Schweißmetall
führen,
wie für
die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt ist, ferner durch
Abgabe des Gases durch ein nano-chemisches Filter reduzieren, eine
Einrichtung, die für
die mit dem Stand der Technik des Präzisions-TIG-Schweißens Vertrauten
bekannt ist. Um das Erzielen eines niedrigen Schweißmetall-Einschlußgehalts
in dem Schweißmetall
zu unterstützen,
weisen vorzugsweise der selbstverzehrende Schweißdraht und das Basismaterial
selbst einen niedrigen Anteil an Sauerstoff, Schwefel und Phosphor
auf. Die obigen Merkmale des Schweißverfahrens dieser Erfindung
erzeugen ein Schweißmetall,
das vorzugsweise weniger als ungefähr 150 ppm an P enthält, jedoch
weiter bevorzugt weniger als 50 ppm an P, weniger als 150 ppm an Schwefel,
jedoch weiter bevorzugt weniger als 30 ppm an Schwefel, und weniger
als ungefähr
300 ppm an Sauerstoff, jedoch weiter bevorzugt weniger als ungefähr 250 ppm
an Sauerstoff. Für
bestimmte Cryo-Speichercontainerentwürfe wird der Sauerstoffgehalt
des Schweißmetalls
vorzugsweise zu weniger als ungefähr 200 ppm gesteuert.
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Im Hinblick auf die Einschlußgröße wird
die niedrige Eingangswärme
zum Schweißen,
die zum Herstellen der Schweißkonstruktionen
gemäß dieser
Erfindung bevorzugt wird, so ausgewählt, daß ein begrenztes Überhitzen
und eine schnelle Abkühlrate
erzielt wird, wodurch die Wachstumszeit der Einschlüsse in dem
Becken des geschmolzenen Schweißmetalls
begrenzt wird. Zusätzlich
lassen sich geringe Mengen von Al, Ti und Zr (weniger als ungefähr 0.015
Gew.% von jedem Element) einzeln oder in Kombination hinzufügen, zum
Bilden kleiner Oxide. Diese Elemente werden aufgrund ihrer bekannten
hohen Affinität
für Sauerstoff
ausgewählt. Im
Hinblick auf Ti sollte die Menge dieses Elements niedrig gehalten
werden, vorzugsweise niedriger als ungefähr 0.10 Gew.%, damit eine zu
starke Keimbildung für
stengelförmiges
Ferrit vermieden wird. Die gemäß dieser
Erfindung erzeugten Einschlüsse
weisen im Durchschnitt einen Durchmesser von weniger als ungefähr 700 nm
auf, jedoch bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 200 nm
bis ungefähr
500 nm. Die Zahl der nichtmetallischen Einschlüsse pro Einheitsfläche, z.B.,
der Oberfläche
einer Scheibe des gemäß dieser
Erfindung erzeugten Schweißmetalls,
die einen Durchmesser von mehr als 1000 nm aufweisen, ist vorzugsweise
niedrig, d.h. vorzugsweise niedriger als ungefähr 250 pro mm2.
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Der Ausgleich
zwischen der Vorwärme
und der Eingangswärme
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Die PLNG-Anwendung erfordert einen
hochfesten Stahl, der in gewissem Umfang ein Vorwärmen zum Vermeiden
einer Schweißrißbildung
erfordern kann. Das Vorwärmen
kann die Schweißabkühlrate (höheres Vorwärmen zum
Unterstützen
eines langsameren Abkühlens) ändern, und
eine Aufgabe dieser Erfindung besteht im Erzielen eines Ausgleichs
zwischen dem Vorwärmen
und der Eingabe der Schweißwärme, derart,
daß (1)
eine Schweißrißbildung
verhindert wird und (2) eine feingekörnte Mikrostruktur erzeugt
wird. Das Vorwärmen
erzeugt vorzugsweise zwischen Raumtemperatur und ungefähr 200°C (392°F). Wie jedoch
für die
mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt, wird die spezifische
Vorwärmtemperatur
vorzugsweise unter Berücksichtigung
der Materialschweißbarkeit
und der Schweißwärmeeingabe
gewählt.
Die Materialschweißbarkeit
läßt sich
unter Verwendung eines von mehreren Testverfahren beurteilen, die
für den
mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt sind, beispielsweise
dem gesteuerten thermischen Härtetest,
dem Y-Nuttest, oder dem Test des Kanadischen Schweißinstituts. "Nachbildungen" können ebenso
diesem Zweck dienen, wobei Schweißkonstruktionen der tatsächlichen
Basis und Schweißmetalle
unter Verwendung von möglichen
Herstellungsprozeduren verbunden werden. Die Nachbildungen weisen
vorzugsweise eine ausreichende Größe auf, damit derjenige Umfang
an Dämmung
auferlegt wird, der bei dem tatsächlichen
Speicherbehälter
auftritt.
-
Pulsierende
Energieversorgung
-
Allgemein läßt sich eine pulsierende Energieversorgung
mit jedwedger Form der gasabgeschirmten Prozesse verwenden, die
für die
Anwendung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens
bevorzugt sind. Verluste im Hinblick auf die Bogenstabilität oder Eindringfähigkeit
aufgrund der Auswahl der chemischen Zusammensetzung des Drahts/Gas
lassen sich bis zu einem bestimmten Umfang unter Heranziehen einer
gepulsten Einlaßversorgung
ausgleichen. Beispielsweise in dem Fall, in dem diese Erfindung
praktisch unter Verwendung eines TIG-Schweißens mit niedriger Eingangswärme und
einem selbstverzehrenden Draht mit niedrigem Schwefelgehalt verwendet
wird, läßt sich
das Schweißraupeneindringen
durch Verwendung einer pulsierenden Energieversorgung verbessern.
-
Bruchsteuerung
-
Wie für die mit dem Stand der Technik
Vertrauten bekannt, enthalten die Betriebsbedingungen, die bei dem
Entwurf von Speichercontainern betrachtet werden, die aus geschweißtem Stahl
zum Transportieren von komprimiertem Cryo-Fluiden konstruiert sind,
neben anderen Dingen den Betriebsdruck und die Betriebstemperatur,
sowie zusätzliche
Spannungen, die wahrscheinlich auf den Stahl und die Schweißkonstruktionen
ausgeübt
werden. Standard-Bruchmechanik-Meßvorgänge wie (i) kritischer Spannungsintensitätsfaktor
(KIC) als Messung einer ebenen Spannungs-Bruchfestigkeit
und (ii) Rißspitzen-Öffnungsversetzung (Engl.: crack
tip opening displacement, CTOD), die sich zum Messen der elasto-plastischen
Bruchfestigkeit verwenden lassen, und die beide den mit dem Stand
der Technik Vertrauten bekannt sind, können zum Bestimmen der Bruchfestigkeit
des Stahls und der Schweißkonstruktionen
verwendet werden. Es können
Industriecodes verwendet werden, die allgemein für einen Stahlstrukturentwurf
akzeptierbar sind, beispielsweise wie in der BSI-Veröffentlichung "Leitfaden für Verfahren
zum Bewerten der Akzeptanz von Defekten in schmelzgeschweißten Strukturen "(Guidance on methods
for assessing the acceptalility of flans in fusion wekled struktures)
dargestellt, oft als "PD6493:
1991" bezeichnet,
und zwar zum Bestimmen der maximal zulässigen Defektgrößen für die Container
auf der Grundlage der Bruchfestigkeit von Stahl und der Schweißung (einschließlich der
Wärmeeinflußzone, HAZ)
und den ausgeübten
Spannungen bei dem Behälter.
Ein mit dem Stand der Technik Vertrauter kann ein Bruchsteuerprogramm
entwickeln, zum Abschwächen
der Bruchinitiierung durch (i) geeigneten Behälterentwurf zum Minimieren
der ausgeübten
Spannungen, sowie (ii) geeignete Herstellungsqualitätssteuerung
zum Minimieren von Defekten, (iii) geeignete Steuerung der Lebenszykluslasten
und Drücke,
die auf den Behälter
ausgeübt
werden, und (iv) mit einem geeigneten Inspektionsprogramm zum zuverlässigen Detektieren
von Störungen
und Defekten in einem Container. Eine bevorzugte Entwurfs-Philosophie
für Speicherbehälter, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung geschweißt
werden, besteht in einem "Lecken
vor dem Auftreten eines Fehlers",
wie für
die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt. In Bezug auf diese Betrachtungen
erfolgt hier als "Bekannte
Prinzipien der Bruchmechanik".
-
Nun folgt ein nichteinschränkendes
Beispiel für
die Anwendung dieser bekannten Prinzipien der Bruchmechanik im Rahmen
einer Prozedur zum Berechnen einer kritischen Defekttiefe für eine vorgegebene Defektlänge zum
Verwenden bei einem Bruchsteuerplan zum Vermeiden einer Bruchinitiierung
in einem Druckgefäß oder -behälter.
-
Die
1B zeigt
einen Defekt mit einer Defektlänge
315 und
einer Defekttiefe
310. Es wird PD6493 zum Berechnen der
Werte der Darstellung der kritischen Defektgröße verwendet, wie sie in
1A gezeigt ist, auf der
Grundlage der folgenden Entwurfsbedingungen:
Behälterdurchmesser: | 4.57
m (15 Fuß) |
Behälterwanddicke: | 25.4
mm (1.00 Inch) |
Entwurfsdruck: | 3445
kPa (500 psi) |
Zulässige Umfangsspannung: | 333
MPa (48.3 ksi). |
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Für
den Zweck dieses Beispiels wird von einer Oberflächendefektlänge von 100 mm (4 Inch) ausgegangen,
beispielsweise einem axialen Defekt/Riß, der in einer Nahtschweißung (Engl.:
seam weld) vorliegt. Unter Bezug auf die 1A zeigt die Darstellung 300 den
Wert für
die kritische Defektlänge
als eine Funktion der CTOD-Bruchfestigkeit
und einer Restspannung, für
Restspannungspegel von 15, 50 und 100% der Streckgrenze. Restspannungen
entstehen durch das Herstellen und das Schweißen; nach PD6493 wird die Verwendung
eines Restspannungswerts von 100% der Streckgrenze bei Schweißnähten (einschließlich dem Schweißwärmeeinflußbereich
HAZ) empfohlen, sofern nicht die Schweißnähte entspannt werden, und zwar unter
Verwendung von Techniken bei einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Engl.:
post weld heat treatment, PWHT) oder einem mechanischen Entspannen.
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Auf der Grundlage der CTOD-Bruchfestigkeit
des Druckbehälterstahls
bei der minimalen Diensttemperatur läßt sich die Behälterherstellung
so angleichen, daß die
Restspannungen reduziert sind, und es läßt sich ein Inspektionsprogramm
(sowohl für
die Anfangsinspektion als auch für
die Inspektion während
dem Dienst) implementieren, damit Störungen für einen Vergleich gegenüber einer
kritischen Störungsgrößen detektiert
und gemessen werden. In diesem Beispiel ist dann, wenn der Stahl
eine CTOD-Festigkeit von 0.025 mm bei der minimalen Tiefsttemperatur
(gemessen unter Verwendung von Laborproben) aufweist und die Restspannungen
zu 15% der Stahlstreckgrenze reduziert sind, dann der Wert für die kritischen
Defekttiefen näherungsweise
4 mm (siehe Punkt 320 in 1A).
Unter Heranziehung ähnlicher
Berechnungsprozeduren, wie sie für
die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt sind, lassen sich
kritische Defekttiefen anhand zahlreicher Defektlängen sowie
zahlreicher Defektgeometrien bestimmen. Unter Verwendung dieser
Information läßt sich
ein Qualitätssteuerprogramm
und Inspektionsprogramm (Techniken, detektierbaren Defektabmessungen,
Frequenz) so entwickeln, daß das
Detektieren von Defekten und deren Beheben vor dem Erreichen der
kritischen Defekttiefe oder vor der Anwendung der Entwurfslasten
gewährleistet
ist. Auf der Grundlage veröffentlichter
empirischer Korrelationen zwischen CVN, KIC und
der CTOD-Bruchfestigkeit ist die 0.025 mm CTOD-Festigkeit allgemein
zu einem CVN-Wert von ungefähr
37 J korreliert. Dieses Beispiel soll nicht die Erfindung in irgendeiner
Weise einschränken.
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BEISPIELE
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Bei den folgenden Beispielen wird
ein Schweißverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Schweißen
eines Basisstahls verwendet.
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Für
den Zweck dieser Beispiele enthält
der Basisstahl: 0.075 Gew.% Kohlenstoff, 1.70 Gew.% Mangan, 0.075
Gew.% Silizium, 0.40 Gew.% Chrom, 0.2 Gew.% Molybdän, 2.0 Gew.%
Nickel und 0.05 Gew.% Nb, und andere Legierungselemente einschließlich einem
Minimum von 0.008 Gew.% bis ungefähr 0.03 Gew.% Titan, von ungefähr 0.001
Gew.% bis ungefähr
0.05 Gew.% Aluminium, und von ungefähr 0.002 Gew.% bis ungefähr 0.005
Gew.% Stickstoff. Zusätzlich
werden Restanteile vorzugsweise im wesentlichen in dem Basisstahl
minimiert, z.B. der Phosphor-(P)-Gehalt ist vorzugsweise niedriger
als ungefähr
0.01 Gew.%; Der Schwefel-(S)-Gehalt
ist vorzugsweise niedriger als ungefähr 0.004 Gew.%; und der Sauerstoff-(O)-Gehalt
ist vorzugsweise niedriger als ungefähr 0.002 Gew.%. Eine Stahlbramme
(Engl.: steel slab) mit dieser chemischen Zusammensetzung wird zum
Herstellen einer höchstfesten
Doppelphasenstahlplatte vorbereitet, mit einer Mikrostruktur mit
ungefähr
10 Vol% bis ungefähr
40 Vol% einer ersten Phase von im wesentlichen 100 Vol% ("im wesentlichen") Ferrit und ungefähr 60 Vol%
bis ungefähr
90 Vol% einer zweiten Phase vorwiegend aus feingekörntem Maschenmartensit,
feingekörnten
unteren Bainit und Mischungen hiervon. Etwas detaillierter wird der
Basisstahl für
dieses Beispiel hergestellt, indem eine Bramme der gewünschten
Zusammensetzung gebildet wird, wie oben beschrieben; ferner durch
Erwärmen
der Bramme auf eine Temperatur von ungefähr 955°C bis ungefähr 1065°C (1750°F – 1950°F); Warmwalzen der Bramme zum
Bilden einer Stahlplatte in einem oder mehreren Durchgängen zum
Erzielen einer Reduktion von ungefähr 30 Prozent bis ungefähr 70 Prozent
in einem ersten Temperaturbereich, in dem Austenit rekristallisiert,
d.h. ungefähr
oberhalb der Tnr Temperatur, ferner Warmwalzen
der Stahlplatte in einem oder mehreren Durchgängen zum Erzielen einer Reduktion
von ungefähr
40 Prozent bis ungefähr
80 Prozent in einem zweiten Temperaturbereich unterhalb der Tnr Temperatur und oberhalb ungefähr der Ar3 Transformationstemperatur, und abschließendes Walzen
der Stahlplatte im Rahmen eines oder mehrerer Durchgänge zum
Erzielen einer Reduktion von ungefähr 15 Prozent bis ungefähr 50 Prozent
in dem zwischenkritischen Temperaturbereich unterhalb der Ar3 Transformationstemperatur und oberhalb
der Ar1 Transformationstemperatur. Die warmgewalzte
Stahlplatte wird anschließend
mit einer Kühlrate
von ungefähr
10°C pro
Sekunde bis ungefähr
40°C pro
Sekunde (18°F/sec – 72°F/sec) auf
eine geeignete Abschreck-Stopptemperatur
(Engl.: Quench Stop Temperature, QST) abgeschreckt, die vorzugsweise
unterhalb ungefähr
der MS-Transformationstemperatur
plus 200°C
(360°F)
liegt, und zu diesem Zeitpunkt wird das Abschrecken beendet. Die
Stahlplatte kann nach dem Beenden des Abschreckens an der Luft auf
Umgebungstemperatur abkühlen.
(Siehe das Glossar für Definitionen
der Tnr Temperatur, und der Ar3,
Ar1 und MS-Transformationstemperaturen.)
-
BEISPIEL 1
-
Bei einem ersten Beispiel des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung wird der Gasmetall-Lichtbogenschweiß-(GMAW)-Prozeß verwendet,
zum Herstellen einer chemischen Zusammensetzung eines Schweißmetalls
mit Eisen und ungefähr
0.07 Gew.% Kohlenstoff, ungefähr
2.05 Gew.% Mangan, ungefähr
0.32 Gew.% Silizium, ungefähr
2,20 Gew.% Nickel, ungefähr
0.45 Gew.% Chrom, ungefähr
0.56 Gew.% Molybdän,
weniger als ungefähr
110 ppm Phosphor und weniger als ungefähr 50 ppm Schwefel. Das Schweißen erfolgt
auf einem Stahl, beispielsweise dem oben beschriebenen Basisstahl,
unter Verwendung eines Argonbasierten Abschirmgas mit weniger als
1 Gew.% Sauerstoff. Die Schweißwärmeeingabe
liegt in dem Bereich von ungefähr
0.3 kJ/mm bis ungefähr
1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch). Das Schweißen mit
diesem Verfahren führt
zu einer Schweißkonstruktion
mit einer Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi), vorzugsweise
mehr als ungefähr
930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt mehr als ungefähr 965 MPa
(140 ksi), und zusätzlich
weiter bevorzugt von mindestens ungefähr 1000 MPa (145 ksi). Ferner
führt das
Schweißen
mit diesem Verfahren zu einem Schweißmetall mit einem DBTT-Wert
unterhalb ungefähr –73°C (–100°F), vorzugsweise
unterhalb ungefähr –96°C (–140°F), weiter
bevorzugt unterhalb von ungefähr –106°C (–160°F), und zudem
weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –115°C (–175°F).
-
BEISPIEL 2
-
Bei einem anderen Beispiel für das Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird der GMAW-Prozeß zum Herstellen einer chemischen
Zusammensetzung eines Schweißmetalls
verwendet, mit Eisen und ungefähr 0.10
Gew.% Kohlenstoff (vorzugsweise weniger als ungefähr 0.10
Gew.% Kohlenstoff, weiter bevorzugt von ungefähr 0.07 bis ungefähr 0.08
Gew.% Kohlenstoff), ungefähr
1.60 Gew.% Mangan, ungefähr
0.25 Gew.% Silizium, ungefähr
1.87 Gew.% Nickel, ungefähr
0.87 Gew.% Chrom, ungefähr
0.51 Gew.% Molybdän,
weniger als ungefähr
75 ppm Phosphor und weniger als ungefähr 100 ppm Schwefel. Die Schweißwärmeeingabe
liegt in dem Bereich von ungefähr
0.3 kJ/mm bis ungefähr
1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch), und ein Vorwärmen auf
ungefähr
100°C (212°F) wird verwendet.
Der Schweißvorgang
erfolgt auf Stahl, beispielsweise dem oben beschriebenen Basisstahl,
unter Verwenden eines Argonbasierten Abschirmgas mit weniger als
ungefähr 1
Gew.% Sauerstoff. Das Schweißen
mit diesem Verfahren führt
zu einer Schweißkonstruktion
mit einer Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi), vorzugsweise
mehr als ungefähr
930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt mehr als ungefähr 965 MPa
(140 ksi), und zudem weiter bevorzugt mindestens ungefähr 1000
MPa (145 ksi). Ferner führt
das Schweißen
mit diesen Verfahren zu einem Schweißmetall mit einem DBTT-Wert
unterhalb von –73°C (–100°F), bevorzugt
unterhalb von ungefähr –96°C (–140°F), weiter
bevorzugt unterhalb von ungefähr –106°C (–160°F), und weiter
bevorzugt unterhalb ungefähr –115°C (–175°F).
-
BEISPIEL 3
-
Bei einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Wolframintergasschweiß-(TIG)-Prozeß zum Herstellen
einer chemischen Verbindung des Schweißmetalls verwendet, die Eisen
enthält,
sowie ungefähr
0.07 Gew.% Kohlenstoff (vorzugsweise weniger als ungefähr 0.07
Gew.% Kohlenstoff), ungefähr
1.80 Gew.% Mangan, ungefähr
0.20 Gew.% Silizium, ungefähr
4.00 Gew.% Nickel, ungefähr 0.5
Gew.% Chrom, ungefähr
0.40 Gew.% Molybdän,
ungefähr
0.02 Gew.% Kupfer, ungefähr
0.02 Gew.% Aluminium, ungefähr
0.010 Gew.% Titan, ungefähr
0.015 Gew.% Zr, weniger als ungefähr 50 ppm Phosphor und weniger
als ungefähr
30 ppm Schwefel. Die Schweißwärmeeingabe
liegt in dem Bereich von ungefähr
0.3 kJ/mm bis ungefähr
1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch), und es wird ein Vorwärmen auf
ungefähr
100°C (212°F) verwendet.
Das Schweißen
erfolgt auf einem Stahl wie dem oben beschriebenen Basisstahl unter
Verwendung eines Argonbasierten Abschirmgas mit weniger als ungefähr 1 Gew.%
Sauerstoff. Das Schweißen durch
dieses Verfahren führt
zu einer Schweißkonstruktion
mit einer Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi), vorzugsweise
mehr als ungefähr
930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt mehr als ungefähr 965 MPa
(140 ksi), und zudem weiter bevorzugt mindestens ungefähr 1000
MPa (145 ksi). Ferner führt
das Schweißen
mit diesem Verfahren zu einem Schweißmetall mit einem DBTT-Wert
unterhalb von ungefähr
73°C (–100°F), weiter
bevorzugt unterhalb von ungefähr –96°C (–140°F), weiter
bevorzugt unterhalb von ungefähr –106°C (–160°F) und weiterhin
weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –115°C (– 175°F).
-
Ähnliche
chemische Zusammensetzungen des Schweißmetalls, wie sie in den Beispielen
erwähnt sind,
lassen sich unter Verwendung entweder der GMAW oder der TIG-Schweißprozesse
herstellen. Jedoch wird für
die TIG-Schweißungen
erwartet, daß sie
einen niedrigeren Verunreinigungsgehalt und eine höher verfeinderte
Mikrostruktur als GMAW-Schweißungen
aufweisen, und demnach eine verbesserte Niedertemperaturfestigkeit.
-
Während
die vorliegende Erfindung im Hinblick auf eine oder mehrere bevorzugte
Ausführungsformen beschrieben
ist, ist zu erkennen, daß andere
Modifikationen durchgeführt
werden können,
ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie in den
folgenden Patentansprüchen
herausgestellt ist. Das Schweißverfahren
dieser Erfindung läßt sich
im Zusammenhang mit vielen Stählen
verwenden, zusätzlich
zu den höchstfesten
niederlegierten Stellen, die hier beschrieben sind, und die lediglich
für den
Zweck eines Beispiels vorgesehen sind.
-
Glossar der Begriffe:
-
- Ar1 Transformationstemperatur
Die Temperatur, bei der die Transformation von Austenit zu Ferrit
oder zu Ferrit plus Cementit während
dem Abkühlen
abgeschlossen ist;
- Ar3 Transformationstemperatur die Temperatur,
bei der die Transformation von Austenit zu Ferrit während dem Abkühlen beginnt;
- BCC: Engl.: body-centered cubic bzw. körperzentrierter Raum bzw. Kubus;
- Charpy (Charpy V-Kerb)- Die Energie in ft-lbs. oder Zähigkeit
bzw. Festigkeit: Joule, gemessen beim Brechen einer Charpy-V-Kerbprobe;
- Spaltfestigkeit: Der Widerstand von Stahl gegenüber einem
Spaltbruch; diese Eigenschaft (beispielsweise ohne Einschränkung) läßt sich
unter Verwendung des CTOD-Tests messen oder sie läßt sich
unter Verwendung des DBTT aus der Gruppe von Charpy-V-Kerbtests nachweisen;
- Kühlrate:
Kühlrate
bei der Mitte oder im wesentlichen bei der Mitte der Plattendicke;
- Cryo-Temperatur: Jedwedge Temperatur niedriger als ungefähr –40°C (–40°F);
- CTOD: Rißspitzen-Öffnungsverschiebung (Engl.:
crack tip opening displacement);
- CVN: Charpy-V-Kerbe;
- DBTT (Riflhaltetemperatur bzw. dient zum Beschreiben der DTT-Temperatur)
beiden Bruchbereiche für
Baustahl bzw. Konstruktionsstahl; bei Temperaturen unterhalb der
DBTT tritt ein Fehler tendenziell bei einem Spalt-(Spröd-)-Bruch
mit geringer Energie auf, wohingehend bei Temperaturen oberhalb
der DBTT ein Fehler tendenziell bei einem Verformungsbruch mit hoher
Energie auftritt;
- Versetzung: eine lineare Unvollkommenheit in einem Kristallfeld
von Atomen;
- Versetzungsblockade: ein Phänomen,
bei dem ein Hindernis (beispielsweise eine Korngrenze, oder eine Ausfällung bzw.
eine Absetzung) die Bewegung von Versetzungen in einem Metall verhindert
oder behindert;
- Versetzungsanhäufung:
diese tritt dann auf, wenn mehrere Versetzungen, die sich entlang
derselben oder nahezu entlang derselben Verschiebungsebene bewegen,
in ein Hindernis laufen und sich nahe zueinander aufstapeln;
- Im wesentlichen: Im wesentlichen 100 Vol%;
- Feinkörnige
Struktur: Dies bedeutet, daß die
säulenartige
bzw. stengelige Korngröße (Breite)
vorzugsweise bei weniger als 150 μm
liegt, und weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr 100 μm; ferner daß die Voraustenit-Korngröße vorzugsweise
weniger als ungefähr
50 μm ist,
weiter bevorzugt weniger als ungefähr 35 μm, und zudem weiter bevorzugt
weniger als 20 μm;
und daß die
Martensit/Bainit-Paketgröße vorzugsweise
niedriger als ungefähr
20 μm ist,
weiter bevorzugt weniger als 15 μm,
und zudem weiter bevorzugt weniger als ungefähr 10 μm;
- GMAW: Gasmetall-Lichtbogenschweißen (Engl.: gas metal arc welding);
- Korngröße: Durch
das Linieninterceptverfahren bestimmte Korngröße;
- HAZ: Wärmeeinflusszone
bzw. -bereich;
- Zwischenkritischer Temperaturbereich: Dieser geht von ungefähr der Ar3 Transformationstemperatur zu der Ar1 Transformationstemperatur beim Abkühlen;
- KIC : Kritischer Spannungsintensitätsfaktor;
- kJ: Kilojoule;
- kPa: Kilopascal;
- ksi: Tausend Pfund pro Quadratinch;
- Niedrig legierter Stahl: Ein Stahl mit weniger als insgesamt
10 Gew.% Legierungszusätzen;
- Schweißen
mit Eingangswärme:
niedriger Schweißen
mit Bogenenergien von vorzugsweise innerhalb dem Bereich von ungefähr 0.3 kJ/mm
bis ungefähr
2.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 63.5 kJ/inch), jedoch bevorzugt im Bereich
von ungefähr
0.5 kJ/mm bis ungefähr
1.5 kJ/mm (12.7 kJ/inch bis 38 kJ/inch);
- Niedriger nicht-metallischer Einschlußgehalt: Die Zahl nicht-metallischer
Einschlüsse
pro Einheitsbereich, z.B., der Oberfläche einer Scheibe des erfindungsgemäß erzeugten
Schweißmetalls,
die größer als
ungefähr 1000
nm im Hinblick auf den Durchmesser und vorzugsweise geringer als
ungefähr
250 pro mm2 sind;
- Maximal zulässige
Defektgröße: Kritische
Defektlänge
und Tiefe;
- Mikroriß:
bzw. mikroskopische Risse Der erste Anschein einer Materialtrennung
am Anfang des Sprödbruchbeginns;
- Mikrospannungen: Spannungen, die in einem Subkornbereich im
Umfeld einer einzelnen (oder einer Gruppe von) Diskontinuität (oder
Diskontinuitäten)
auftritt, die beispielsweise einen Einschluß enthalten, oder eine Ausfällung oder
einen kleinen Bereich einer zweiten Phase;
- Mikrohohlraum: Ein in der Nähe
einer Diskontinuität
in einer Stahlmatrix auftretender Hohlraum, wie ein Einschluß, eine
Ausfällung
oder ein kleiner Bereich einer zweiten Phase;
- MPa: Eine Million Pascal;
- MS Transformationstemperatur: Die Temperatur,
bei der die Transformation von Austenit zu Martensit während dem
Abkühlen
startet;
- ppm: ppm, Parts per Million;
- Abschrecken: Im Sinne der Beschreibung der vorliegenden Erfindung
verwendet für
ein beschleunigtes Abkühlen
durch jedwedges Mittel, wodurch ein aufgrund seiner Tendenz zum
Erhöhen
der Abkühlrate
des Stahls ausgewähltes
Fluid verwendet wird, im Gegensatz zu einer Luftabkühlung;
- Abschreck-Stopptemperatur (Engl.: Quench Stop Temperature):
Die höchste
oder im wesentlichen die höchste Temperatur,
die bei der Oberfläche
der Platte nach dem Beenden des Abschreckens erreicht wird, aufgrund einer Wärmeübertragung
von der Mittendicke der Platte;
- Bramme: Ein Stück
von Stahl mit irgendwelchen Abmessungen;
- Zugfestigkeit: Beim Zugversuch das Verhältnis der maximalen Last zu
dem ursprünglichen
Querschnittsbereich;
- TIG Schweißen:
Wolfram-Intertgas-Schweißen;
Tnr Temperatur: Die Temperatur, unterhalb
der Austenit nicht rekristallisiert bzw. wieder auskristallisiert;
- USPTO: Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten; und
- Schweißkonstruktion
bzw. Schweißstelle:
Eine geschweißte
Verbindung einschließlich
dem (i) Schweißmetall, (ii)
der Wärmeeinflußzone (HAZ),
und (iii) dem Basismetall in der "unmittelbaren Nachbarschaft" der Wärmeeinflußzone. Der
Abschnitt des Basismetalls, der als in der "nahen Nachbarschaft" des Wärmeeinflußbereichs liegend angesehen
wird und demnach ein Teil der Schweißkonstruktion darstellt, variiert
in Übereinstimmung mit
Faktoren, die für
den für
den Stand der Technik Vertrauten bekannt sind, beispielsweise – ohne Einschränkung – der Breite
der Schweißkonstruktion,
der Größe des geschweißten Gegenstands,
der Zahl von Schweißvorgängen, die
zum Herstellen des Gegenstands erforderlich sind, und der Distanz
zwischen den Schweißkonstruktionen.