DE2015828A1

DE2015828A1 - Verfahren zum Schweißen von rostfreiem Stahl

Info

Publication number: DE2015828A1
Application number: DE19702015828
Authority: DE
Inventors: John Charles New Kensington Pa.; Yeo Ralph Bertram Grenville Lewiston N.Y.; Majetich (V.St.A.)
Original assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Current assignee: USS Engineers and Consultants Inc
Priority date: 1969-04-03
Filing date: 1970-04-02
Publication date: 1970-10-15
Also published as: AU1304070A; US3584187A; FR2042905A5

Description

Die Erfindung befaßt sich ganz allgemein mit dem Schweißen von rostfreiem Stahl und betrifft insbesondere ein Verfahren dieser Art, dae sich der üblichen Schutzgasschweißprozesse bedient.

Die am meisten bekannten Schweißverfahren für rostfreie Stähle sind die automatisierten Plasma- oder Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißverfahren, bei denen ein Sohutzgas, beispielsweise Argon, Helium, Wasserstoff oder Gemische aus diesen Bestandteilen Verwendung findet. So wird beispielsweise eine beträchtliche Menge em rostfreiem Stahlrohr aus aufgespultem Band von etwa 2,5k am Dicke duroh eine automatisierte Einrichtung hergestellt, die das Band abspult, es in Rohrform bringt und die Naht in einem einzigen

009842/ 1276

Patentanwälte Dipf.-Ing. Martin Licht, Dipt.-Wirtich.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann Oppenau.r Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

Durchgang durch Gas-Wolfram-Lichtbogen (GTA) oder Plasmaschweißung verbindet. Derartige Schweißnähte werden im allgemeinen ohne Verwendung von Flußmittel oder von Zusatzmetall hergestellt.

Rostfreie Stähle zeigen häufig, wenn sie mit den bekannten Verfahren geschweißt werden, eine unterschiedlich stark schlechte Verschweißbarkeit, die sich durch unzureichende Schweißnahteindringung bei der gewöhnlichen Schweißgeschwindigkeit kennzeichnet. D.h., einige rostfreie Stahlchargen lassen sich zufriedenstellend ohne Komplikationen schweißen, während andere nur dann befriedigende Schweißnähte liefern, wenn die Schweißgeschwindigkeit herabgesetzt wird, wodurch auch die Wirtschaftlichkeit des Betriebs sinkt. In extremen Fällen wird auch selbst dann, wenn die S_chweißgeschwindigkeiten sehr stark herabgesetzt werden, noch kein volles Durchdringen der Schweißnaht erzielt. Damit sind die hier aufgeworfenen Probleme nicht nur von ernsthafter Bedeutung, sondern sie sind auch oftmals unüberwindlich»

Obgleich in jUngster Zeit viele Untersuchungen zur Bestimmung der Faktoren durchgeführt wurden, die die Schweißbarkeit von rostfreiem Stahl beeinflussen, wurden die Gründe für die schlechte Verschweißbarket dennoch nicht ermittelt· Einige Fachleute haben die Theorie aufgestellt, daß die Konzentrationsbereiohe der Legierungsbestandteile enger begrenzt werden sollten, damit eine gute Schweißbarkeit sichergestellt wird. Jedoch selbst mit enger begrenzten Konzentrationsbereichen ist die Schweißbarkeit von rostfreiem Stahl in vielen Chargen immer nooh schlecht. Andere Meinungen gingen dahin, daß kleine Mengen an hitzebeständigen Restbestandteilen zur Bildung von hit «beständigen Oxiden führen könnten, die sich miteinander verbinden, um beim Sohweißen hitzebeständig© Schlacken zu bilden. Obgleich natürlich solche

009842/1276 ^{BAD 0RiG}'NAL

Schlacken das Lichtbogenschweißen beeinflussen, hat sich· aber herausgestellt, daß sie nicht allein für die schlechte Schweißbarkeit von rostfreiem Stahl verantwortlich sind, da eine schlechte Schweißbarkeit häufig in Chargen auftritt, die im wesentlichen frei von hitzebeständigen, als gefährlich angesehenen Restbestandteilen sind.

Es wurde nun Überraschend gefunden, und hierauf stützt sich die Erfindung, daß die Schweißbarkeit aller rostfreien Stähle erheblich verbessert werden kann, wenn vor der Schweißung mittels Schutzgasschweißverfahren die Stahloberfläche zunächst mit einem geeigneten Oxidüberzug versehen wird. Der Oxidüberzug ermöglicht das vollständige Durchdringen der Schweißnaht bei erheblich höheren Schweißgeschwindigkeiten· Obgleich sich Oxide des Eisens und Chroms zur Erreichung optimaler Ergebnisse als besonders vorteilhaft erwiesen haben, verbessern die Oxide, von Silizium, Titan, Mangan, Nickel, Kobalt, Molybdän und Kalzium die Schweißbarkeit von rostfreiem Stahl ebenfalls in einem nicht unbeträchtlichen Ausmaß.

Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zum Schweißen von rostfreiem Stahl geschaffen, das sich dadurch kennzeichnet, daß der Stahl entlang dem vorgesehenen Sohweißpfad mit Wenigstems einem Oxid überzogen oder beschichtet wird, das aus der Gruppe der Oxide von Eisen, Chrom, Silizium, Titan, Mangan, Nickel, Kobalt, Molybdän und Kalzium ausgewählt ist. Die Überzüge aus der Öruppe der Oxide von Eisen, Chrcom, Silizium, Titan, Mangan, Nickel, Kobalt werden dabei in einer Menge aufgetragen, die ausreicht, und im Bereich von etwa 0,4 bis. etwa 2,0, multipliziert, mit dem spezifischen Gewicht des Oxids liegt, wobei das Produkt in Milligramm pro Quadratzoll ausgedrückt ist. Das Oxid von Kalzium wird in einer Menge aufgetragen, die ausreicht, um in einen Bereich

009842/1276

zwischen 20 und kO Milligram pro Quadratzoll zu fallen, und danach wird dieser rostfreie Stahl mit dem auf ihm befindlichen Überzug geschweißt.

Wie bereits ausgeführt wurde, besteht der wesentliche Erfindungsgedanke darin, einen geeigneten Oxidliberzug auf der Oberfläche des rostfreien Stahls auszubilden, der die Schweißbarkeit des Stahls verbessert. D„h., der Oxidüberzug fördert das volle Durchdringen der Schweißung bei wesentlich größeren Schweißgeschwindigkeiten. Der Oxidüberzug sollte aus einem oder mehreren Oxiden der Gruppe bestehen, die sich aus den Oxiden von Eisen, Chrom, Silizium, Titan, Mangan, Nickel, Molybdän und Kalzium zusammensetzt. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse werden die Oxide von Eisen und Chrom bevorzugt. Von den übrigen Oxiden werden diejenigen von Silizium, Titan und Mangan gegenüber den Oxiden von Nickel, Kobalt, Molybdän und Kalzium vorgezogen. In der praktischen Anwendung läßt sich zur Aufbringung des Oxidüberzugs jedes geeignete Verfahren anwenden.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Pulver des ausgewählten Oxids oder der ausgewählten Oxide mit einer sich verflüchtigenden Flüssigkeit zu einem Brei vermischt. Der Brei wird dann auf die Oberfläche des rostfreien Stahls entlang dem Schweißpfad aufgebürstet, aufgepinselt oder aufgesprüht und kann dann trocknen. Das Oxidpulver bleibt natürlich an der Stahloberfläche hängen, nachdem die sich verflüchtigende Flüssigkeit verdampft ist. Da die Bindung zwischen dem Oxid und der Metallunterlage offeniiohtlioh nicht sehr fest ist, müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit vermieden wird, daß das Oxidpulver vor dem Schweißen von der Stahloberfläche abgewischt wird.

0098A2/1276

Obgleich jede verdampfbare Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, für das Breimaterial ausreicht, wurde vorzugsweise Azeton verwendet, und zwar weil es schnell trocknet. Bei der Aufbringung eines Siliziumoxidüberzugs hat sich jedoch Wasserglas, also eine wässrige Lösung aus Natriumsilikat MaO-SiO₂₄als am wirkungsvollsten erwiesen. Dadurch wird natürlich ein Oxid des Natriums sowie des Siliziums verwendet, das Natriumoxid ist jedoch nicht schädlich.

Weder die Konzentration des Breis noch die Teilchengröße des Oxids im Brei sind von wesentlicher Bedeutung. In, diesem Zusammenhang reicht der Hinweis aus, daß die Konzentration vorzugsweise groß sein soll, damit ein dicker oder pastöser Brei vorhanden ist, so daß die erforderliche Überzugsmenge, wie unten ausgeführt, in einer möglichst geringen Anzahl Aufbringungsvorgängen abgelagert wird· Die Teilchengröße des Oxids sollte fein genug sein, so daß die Teilchen im Brei suspendiert bleiben, während der Brei aufgetragen wird. Vorzugsweise wurde deshalb im Handel erhältliches Pulver mit einer Korngröße von weniger als 300 Maschen oder feiner verwendet, obgleich auch größere Teilchen, beispielsweise mit einer Korngröße von weniger als 100 Maschen sich als ausreichend erwiesen haben.

Die Stärke des Oxidüberzugs ist sehr wichtig, well weder ein zu dünner noch ein zu dicker Überzug zu einer Verbesserung der Schweißbarkeit führt und sogar die Schweißbarkeit nachteilig beeinflussen kann. Mit Ausnahme von Kalziumoxid CaO liegt die wirksame Oxidüberzugmenge grob gesprochen in dem Bereich, der empirisch durqh folgende Formel festgelegt ist: 0,4 - 2,0 multipliziert mit dem »Pazifischen Gewicht des verwendeten Oxids, wobei das Produkt in Milligramm pro Quadratzoll ausgedrückt ist· Beispielsweise

00,9842/1276 :

hat Pöq^i ^e*^{n s}P^ezifi^scnes Gewicht von 5>24, und wenn nun die obige Formel angewendet wird, dann würde der wirksame Bereich für einen Fe₀O J-Überzug grob zwischen 0,4 χ 5,24 und 2,0 χ 5,24 mg/Zoll² liegen, d.h. also zwischen 2,096 und 10,48 mg/Zoll². Allgemeiner ausgedrückt liegt der wirksame Bereich für Fe₀O- tatsächlich zwiSQhen etwa 2 und etwa 10 mg/Zoll². Wie oben erwähnt wurde, folgb jedoch CaO nicht dieser empirischen Formel. Um für den erfindungsgemäß angegebenen Zweck wirksam zu sein, sollte CaO vielmehr in einem Bereich zwischen 20 ~ 40 mg/Zoll^ liegen.

Wenn die Oberfläche des rostfreien Stahls in der oben beschriebenen Weise mit einem Oxid überzogen worden ist, kann sie gesohwiißt werden, wobei ein beliebiges, bekanntes Schutzgassehweißverfahren angewendet werden kann» Dabei wird eine erheblich bessere Schweißbarkeit festgestellt, ü.h, ein vollständiges Durchdringen der Schweißung läßt sich bei einer größeren Schweißgeschwindigkeit erreichen als dies ohne Oxidüberzug möglich ist. Dazu kommt, daß sich eine schmalere, glattere Schweißraupe ergibt, wenn der Oxidüberzug verwendet wird, woraus ebenfalls die verbesserte Schweißbarkeit deutlich wird.

Da alle rostfreien Stähle im wesentlichen Eisen und Chrom enthalten, kann der Oxidüberzug aus Oxiden von Eisen und Chrom bestehen, die dem Stahl selbst entnommen werden. Damit ergibt sich ein anderes Verfahren zur Aufbringung des OxidUberzugs, das darin besteht, den rostfreien Stahl oder dessen Oberfläche auf eine Temperatur zu erhitzen, die über etwa 7bO°C liegt, und ihn danach einer oxidierenden Umgebung auszusetzen, und zwar solange, bis sioh der gewünschte Oxidüberzug gebildet hat. Ein ausreichender Oxidüberzug kennzeichnet sioh gewöhnlich dadurch, daß er nach dem Abkühlen

KUr
eine blaue Färbung aufweist «/die meisten rostfreien Stähle sollten Zeitspannen zwischen 2 und 15 Minuten ausreichen.

009842/1276 BAD original

Um; die Kennzeichen des hier gemachten Vorschlags im einzelnen beispielshalber anzuführen, sind im folgenden zwei Tabellen angeführt, in denen sich die bisher erreichte Schweißbarkeit rostfreier Stähle und die erfindungsgemäß verbesserte Schweißbarkeit gegenüberstehen. Die Tabelle I zeigt das verbesserte Durchdringen bei einer konstanten hohen Schweißgeschwindigkeit, während die Tabelle II die vergrößerte Schweißgeschwindigkeit für eine konstante, vollständig durchdrungene Schweißung zeigen«

Im einzelnen sind der Tabelle I typische Ergebnisse einiger Versuche zu entnehmen, die zur Bestimmung des Einflusses der Oxidüberzugdicke durchgeführt wurden· Alle Schweißungen in Tabelle I wurden an einer einzigen Charge eines rostfreien Stahls der Type AISI 316 3,05 nun Dicke durchgeführt, und zwar bei identischen Schweißbedingungen mit einer ziemlich großen Schweißgeschwindigkeit von 0,44m/min.

TABELLE I

Einfluß der überzugdicke auf die Schweißbarkelt bei einigen angewendeten Pulvern·

Überzug Gewicht,mg/Zöll Durchdringung

Kein ~v Kein

Fe_o0_ 3,0 vollständig

² 3 I₁₁S vollständig

9,4 - vollständig

10,7 gering

17,3 kein

CaO *,T kein

8,2 kein

9,1 kein

. , 22,4 vollständig

27,0 vollständig

■■'-■-.-■■■ 30,8 ' . vollständig

0098A2/T276

Tabelle I (Fortsetzung) ÜBERZUG Gewicht, mg/zoll² Durchdringung SiO₂ 3,3 vollständig

10,2 kein

10,β kein

Wasserglas 6,9 vollständig

17,4 kein

24,4 kein

Al 0 1,2 kein

³ 2,8 kein

11,ö kein

22,1 kein

33,7 kein

MgO 0,9 kein

4,1 kein

4,7 kein

8,1 kein

10,7 kein

Aus der obigen Tabelle I geht hervor, daß eine Schweißgeschindigkeit von 0,44 m/min, für die nicht mit einem Überzug versehene Probe zu groß ist, um bei dieser Versuchsgeschwindigkeit einen meßbaren Anteil des vollständigen Durchdringen« der Schweißung feststellen zu können. In gleicher Weise führten die OxidliberzUge, die aus dem hier gezogenen Rahmen herausfallen, nämlich AlgO, und Magnesiumoxid, zu keiner Verbesserung der Schweißbarkeit des Stahls. OxidüberzUge, die sich mit den hier gemachten Vorschlägen decken, verbessern jedoch die Schweißbarkeit dieser Stahlcharge in einem so starken Maß, daß ein vollständiges Durchdringen der Sohweißung erreicht wird, wenn die wirksame Menge Oxid vorhanden ist. Ähnliche Ergebnis·· wurden mit anderen Oxidüberzügen der hier beschriebenen Art erzielt, nämlioh mit Fe.O^ und Oxiden ν·η Chrom, Titan, Mangan, Nickel, Kobalt und Molybdän.

009842Π276

ORIGINAL INSPECTED

Die Tabelle II stellt die Wirkung eines "aufgestrichenen'¹ Überzugs aus Fe₃O auf sechs verschiedene rostfreie Stahlchargen gegenüber.. Jede Schweißung wurde so durchgeführt, daß bei mit einem Überzug versehenen und mit keinem Überzug versehenen Proben identische Verfahrensschritte zur Anwendung gelangten. Bei jedem Versuch wurde die Arbeitsgeschwindigkeit in Schritten von 0,064 m/min, gesteigert, bis die maximale Schweißgeschwindigkeit für vollständiges Durchdringen erreicht war.

T A B E L L E II

Wirkung eines ''aufgestrichenen" Überzugs aus einem ΡθόΟ_- Azeton-Brei auf das Durchdringen für verschiedene Typen und Dicken austenitischen, röstfreien Stahls.

AISI Dicke Maximale Arbeitsgeschwindigkeit,die zu

Type mm vollständigem Durchdringen führt(m/min.)

304 3,18

316 3,05

316 2,11

316 2,41

321 3,05

Aus obiger Tabelle II 1st leicht zu erkennenj daß der '•aufgestrichene'¹ Fe_ö0_-Überzng tatsächlich eine wesentliche Verbesserung der Sohweißbarkeit verschiedener rostfreier Stähle bewirkt. Bei einigen Proben ergab sieh eine Verbesserung von bis zu 350 %, Ährtioho Versuche mit anderen Überzügen der hier vorgeschlagenen Art führten zu ähnlichen Verbesserungen.

unbeschichtet 0,25	0,25	beschichtet 0,44	prozentuale Verbesserung 75
0,19 -		0,44	75
0,125		0,57	350
0,19		ö>38	100
0,32	0,44	40

009842/1276

BAD ORIGINAL

Bei allen in den obigen Tabellen als Beispiel angeführten Versuchen wurden dieselben standartisierten Schweißverfahren benutzt. Bei jedem Versuch wurde die Gas-Wolframschweißung
Lichtbogen/mit Argon Schutzgas bei einer Strömungsmenge von 0,42 mfh angewendet. Bei Proben von 1,52 bis 2,26 mm Dicke wurde eine 7,6/81,3 cm Elektrode bei einem Schweißstrom von 200/210 Amp. verwendet. Bei Proben von 2,29 bis 3,30 mm Dicke kau eine 2,54/²⁰»3² cm Elektrode unter einen Schweißstrom von 3OO/3IO Amp· zur Anwendung. FUr alle Proben wurde eine 1 % Thor enthaltende Wolframelektrode bei einem Werkstlickabstand von 1,14 mm und einem Scheitelwinkel von 120° als Spitzenkonfiguration benutzt. Außerdem wurde immer eine waesergefüllte KupferstUtzstange verwendet.

009842/1276

Claims

Pa t e η t a η s ρ r U c h e

^l^^Terfahren zum Schweißen von rostfreiem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl entlang der beabsichtigten Schweißstrecke mit wenigstens einem Oxid tiberzogen wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus den Oxiden des Eisens, Chroms, Siliziums, Titans, Mangans, Nickels, Kobalts, Molybdäns und Kalziums besteht, daß die Überzüge aus der aus den Oxiden des Eisens, Chroms, Siliziums, Titans, Mangans, Nickels, Kobalts und Molybdäns bestehenden Gruppe in einer Menge aufgetragen werden, die so groß ist, daß sie in den Bereich des etwa 0,4 - bis etwa 2,O-fachen spezifischen Gewichts des Oxids fällt, wobei das Produkt in Milligramm pro Quadratzoll ausgedrückt ist, und daß das Oxid des Kalziums in einer Menge aufgetragen wird, die ausreicht, um in den Bereich zwischen 20 bis 40 Milligramm pro Quadratzoll zu fallen, und daß der mit dem Überzug versehene, rostfreie Stahl geschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Überzugs auf die Oberfläche des rostfreien Stahls Wasserglas aufgetragen wird, das danach trocknen kann, u« einen Siliziumdioxid enthaltenden Oxidüberzug auf der Oberfläche abzulagern.

3« Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Beratellung des Überzug· der rostfreie Stahl auf eine Temperatur von über 76O⁰O erwärmt wird, und daß danach der erwärmte Stahl einer oxidierenden Atmosphäre solang· auegesetzt wird, bis sich ein Eisen- und Chromoxidtiberzttg gebildet hat.

0098A2/I.27S

ORIGINAL INSPECTED

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet» daß der erwärmte Stahl für zwei bis 15 Minuten in der oxidierenden Atmosphäre gehalten wird.

5. Verfahren nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Überzugs ein Brei, bestehens aus einer verdampfbaren Flüssigkeit und einem Oxid in Pulverform, hergestellt und auf den rostfreien Stahl aufgetragen wird, und daß danach der Flüssigkeit die Möglichkeit zum Verdampfen gegeben wird, wodurch das Oxid auf der Stahloberfläche abgelagert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Brei auf die Oberfläche des rostfreien Stahls aufgebürstet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Brei auf die Oberfläche des rostfreien Stahls aufgesprüht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß als verdampfbare Flüssigkeit Azeton gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-8» dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidpulver feimer als 100 Maschen ist.

009842/1276