DE2041491A1

DE2041491A1 - Verfahren zum Unterpulverschweissen kaltzaeher Nickelstaehle

Info

Publication number: DE2041491A1
Application number: DE19702041491
Authority: DE
Inventors: Hans Dr-Ing Baach; Lothar Faust
Original assignee: Stahlwerke Suedwestfalen AG; Oerlikon Elektrodenfabrik Eisenberg GmbH
Current assignee: Krupp Stahl AG; Oerlikon Elektrodenfabrik Eisenberg GmbH
Priority date: 1970-08-20
Filing date: 1970-08-20
Publication date: 1972-03-23
Also published as: DE2041491C3; NL7111265A; FR2104552A5; BE771558A; DE2041491B2; LU63743A1

Description

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Unser Zeichen St 3470 München, den 20.8.1970

Stahlwerke Südwestfalen Aktiengesellschaft 5930 Hüttental - Geisweid

und

OERLIKON EIEKTRODENi¹ABRIK EISENBERG Gesellschaft- mit beschränkter Haftung "

6719 Eisenberg/Pfalz

Verfahren zum Unterpulverschweißen kaltzäher Nickelstähle

Bie Erfindung betrifft ein. Verfahren zum Unterpulverschwelasen kaltzäher Nickelstähle unter Verwendung besonderer Schweißzusatzwerkstoffe und■Schweißpulver.

Die steigende Anwendung der gesamten Kältetechnik, beispielsweise Verflüssigung von Gasen, einschl. Luft, Transport und Lagerung der verflüssigten Gase und dergl. hat einen erheblich gestiegenen Bedarf an Apparaturen, Behältern, Rohrleitungen usw. aus schweißbaren kaltzähen Stählen zur Folge. Beispiele solcher kaltzähen. Stähle sind u.a. in dem "Werkstoff blatt Stahl und Eisen" Nr. 680-68 zu finden. Insbesondere haben sich eingeführt die Stähle mit der Bezeichnung 12 Ni 19, Werkstoff-Nr. 1.5680 sowie X 8 Ni 9, Werkstoff-Nr. 1.5662. Diese Stähle müssen sowohl in Blech™ oder Rohr-

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form als auch in Schweißverbindungen folgenden Anforderungen genügenί

a) hohe mechanische festigkeit (die Streckgrenze ist bei druckbeanspruchten Gefäßen maßgeblich für die erforderlichen Wandstärken, d.h. Gewichte),

b) hohe Zähigkeit bei Normaltemperaturen,

P c) hohe Zähigkeit bei tiefen Temperaturen (als kaltzäh gelten Stähle allgemein, wenn sie ihre Zähigkeitseigenschaften auch noch bei -10° C bewahren);

die beiden vorgenannten kaltzähen Nickelstähle bewahren jedoch ihre hohe Zähigkeit bis zum Siedepunkt des Stickstoffs, d.h. - 196⁰C.

d) absolut dichte und rißfreie Schweißnähte,

ρ e) möglichst gleichwertige mechanische Gütewerte der Schweißnaht.

Während der Grundwerkstoff seine hohen mechanischen Gütewerte aufgrund einer Vergütungsbehandlung erreicht, die unmittelbar nach dem Warmwalzvorgang stattfinden kann, iat in der Regel eine derartige Vergütungsbehandlung des fertigen Werkstückes nach dem Schweißen nicht mehr möglich.

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Die Schweißnaht muß also im "Schweißzustand" bereits die erforderlichen mechanischen Gütewerte erreichen»

Als Schweißverfahren hat überwiegend die Elektroden-Handschweißung Eingang gefunden. Bei der wachsenden Bedeutung von Apparaturen aus kaltzähen Stählen besteht zwar seit langem der Wunsch, die Schweißverfahren su mechanisieren, zu automatisieren und somit zu höheren Stundenleistungen zu gelangen? eine befriedi- J

gende Lösung wurde jedoch noch nicht gefunden.

Als Zusatzwerkstoffe für alle Arten von Schweißungen kommen die sogenannten "arteigenen Stähle" grundsätzlich bei den kaltzähen Nickelstählen nicht in Betracht. Die Ursache liegt darin, daß z.B. die beiden Stahltypen 12 M 19 und X 8 Hi 9 ihre günstigen Werkstoffeigenschaften erst nach einer Wärmebehandlung erlangen, die sich aber bei dem Schweißmaterial in aller Regel verbietet. Arteigene Schweißzusatzwerkstoffe ergeben also ' ungenügende mechanische Eigenschaften. Als Schweißzusatzwerkstoffe, die auch ohne Wärmebehandlung gute mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei tiefen Temeperaturen aufweisen, werden deshalb vorwiegend Züsatzwerkstoffe auf Nickelbasis eingesetzt, z.B. Typen wie S-NiCr 15 FeNb (15-2096 Gr, 65-75$ Ni, 5-7$ Mn) bzw. Si-NiGr 15 FeTi, die jedoch sehr teuer sind.

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Die mit der Elektroden-Handschweißung erreichten Abschmelzleistungen liegen - je nach Drahtstärke - im Bereich von etwa 1,5 bis 3 kg/h; sie sind in Vergleich zu den mechanisierten Schweißverfahren sehr gering.

Es wurde deshalb verschiedentlich versucht, eines der neueren Schweißverfahren auch für die Schweißung kaltzäher Nickelstähle einzusetzen; hierfür kämen - basierend auf den bei der Verschweißung anderer niedrig legierter Stähle gemachten Erfahrungen - u.a. folgende Verfahren infrage:

Die Schutzgas-Schweißung (MIG und WIG); die Elektroschlackeschweißung oder die Unterpulverschweißung.

Die Versuche mit den Schutzgas-Schweißverfahren, vor allem mit dem MIG-Schweißen, führten zu der Erkenntnis, daß bei den kaltzähen Nickelstählen nur die Kurzlichtbogentechnik bzw. das Impulsverfahren einsetzbar sind, weil nur diese Varianten ein Schweißgut der geforderten mechanischen Eigenschaften ergeben. Leider bringen aber gerade diese beiden Varianten keine wesentliche Steigerung der Abschmelzleistung gegenüber dem Elektroden-Handschweißen.

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Das Elefctrosohlackeverfahren ergibt zwar eine beträchtliche Steigerung der Abschmelzleistung, jedoch sind die mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes nur in den Fällen befriedigend, in denen - wie beim Grundwerkstoff eine Vergütung, d.h. eine Wärmebehandlung, durchgeführt werden kann. Da diese Wärmebehandlungsmöglichkeiten in aller Regel nicht gegeben ist, kann die Präge einer Mechanisierung der Schweißverfahren an kaltzähen Nickelstählen durch die Elektroschlackeschweißung nicht gelöst werden.

Vereinzelt wurde auch schon die Unterpulver-Schweißung bei kaltzähen Nickelstählen versucht. Es wurden wiederum vorwiegend Zusatzwerkstoffe auf Nickerbasis eingesetzt, die jedoch sehr teuer sind. Da sie zudem nur Streckgrenzen von ca. 38 kp/mm bei einer 0,2-Grenze des Grundwerkstoffes von 50 kp/mm erreichen, müssen- bei gleichen j Berechnungsgrundlagen - stärkere Querschnitte eingesetzt werden, Einer gewissen Verbilligung des eigentlichen Schweißvorganges durch die Mechanisierung stehen also an Nachteilen der teure Zusatzwerkstoff und der höhere Materialaufwand entgegen. Im Endeffekt ist deshalb in der Hegel die Elektroden-Handschweißung vorteilhafter, zumal

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es neuerdings gelungen ist, die kaltzähen Nickelstähle auch mit austenitischen S-chweißzusatzwerkstoffen zu verbinden, z.B. der Stahltyp 17 13 Mn 9 W 3 mit ca. 17 # Cr, 13 # Ni, 9 % Mn und 3-4 % W. Der letztgenannte Zusatzwerkatoff hat eine gewisse Verwendung in Form von Elektroden bei der Handschweißung gefunden; er bringt allerdings eine gewisse Verschlechterung der Tieftemperaturzähigkeit (sh. OS 1 533 543), die nur in einigen Anwendungsfällen hingenommen werden kann.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Unterpulverschweißen von vollaustenitischem Zusatzwerkstoff zu ermöglichen, ohne, daß die Gefahr der Bildung von Warmrissen besteht. Dieser vollaustenitische Zusatzwerkstoff ergibt erflndungagemäß ein Schweißgut von so hoher Zähigkeit bei 196⁰G und eine Festigkeit bei Raumtemperaturen, so daß er zur Herstellung von Schweißverbindungen an tieftemperaturzähen Nickelstählen geeignet erscheint.

Überraschenderweise können die Vorteile eines der möglichen mechanisierten Schweißverfahren, nänlich des UnterpulverBChweißverfahrens, mit seiner hohen Abecheelzleistung, seinen geringen Kosten und der hohen Güte der

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Schweißverbindung beim Schweißen kaltzäher Nickelstähle erfindungsgetnäß ausgewertet werden, wenn das Schweißverfahren mit einer Kombination eines vollaustenitischen Zusatzwerkstoffes in der Zusammensetzung

C 0,01 - 0.25 $

Si	0,1	- . 0,8	To
Mn	2,5	- 15,0
Cr	12,0	- 28,0'	*
Ni	10,0	- 20,0	i
Mo	0,1	- 4,0	*
	0,1	- 0,25

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insgesamt max. 3 f° eines oder mehrere der Elemente Al, Bor, Co, Cu, Nb, Ta, Ti, V und ¥ nebst schmelzbedingten Verunreinigungen Rest Eisen mit einem basischen Schweißpulver folgender Zusammensetzung verwendet wird:

1 - 30 $> eines der Oxide von Al, Zr, Ti, Te, Cr, Mn *

8 - 40 <$> CaP₂ ' 30 - 80 i> Erdalkalioxide

1 - 12 io SiO₂, wobei der Anteil der Erdalkalioxide

zweimal größer sein muß als der Anteil der sauren Oxide TiO_n +

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Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsmäßen Verfahrens werden dem Werkstoff der Schweißnaht metallische Anteile aus dem Schweißpulver beigemengt.

Es ist auch vorteilhaft, daß dem Schweißpulver in an
sich bekannter Weise als Desoxydationsmittel metallische Verbindungen, Kohlenstoff oder dergl. beigefügt
werden.

Zur Aufstickung des Schweißgutes können dem Schweißpulver auch stickstoffhaltige Stoffe zugesetzt werden.

Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes folgender
Zusammensetzung:

C	1	0,12	—	0,20
Si		0,30	-	0,60
Mn	1	8,0	-1	2,0
Cr		6,0	-25	,0
Mo	2,5	-	3,5
Ni	4,0	-1	7,0
JMo	0,1	_	0,20

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insgesamt 0,1 - 2,0 $> eines oder mehrerer der Elemente A1, B, Co, Cu, Nb, Ta, Ti, V, W,
Schmelzbedingte Verunreinigungen
Rest Eisen

Zur Erläuterung der Erfindung seien noch folgende Hinweise gegeben: .

a) Unter einem "vollaustenitisc'hen Zusatzwerkstoff" ist \ ein überwiegend austenitischer Gefügezustand nach der Aufmischung mit dem Grundmaterial zu verstehen, der martensitfrei ist und einen Delta-Ferritgehalt von 7 1o aufweist.

b) Das gemäß der Erfindung zu verwendende Schweißpulver ist bereits Gegenstand der Schweizer Patentschrift 455 463 und der korrespondierten deutschen Offenlegungssohrift 1 483 448. Wie aus diesen Schriften her- ^ vorgeht, wurde das Schweißpulver zum Schweißen von unlegierten und niedrig legierten ferritischen Baustählen entwickelt, die ihre Zähigkeitseigenschaften bis -40° C behalten müssen. Überraschenderweise gab die Kombination dieses Schweißpulvers mit dem praktisch vollauatenitischen Zusatzwerkstoff gem. einem

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Merkmal vorliegender Erfindung bei der Verwendung zum Schweißen von kaltzähen Nickelatählen ein Schweißgut mit hoher Rißsicherheit, die gerade bei vollaustenitischen Zusatzwerkstoffen bisher ein Haupthindernis darstellte.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiela für die Schweißverbindung an 9%-igem kaltzähen Nickelstahl, Normbezeichnung X 8 Ni 9> Werkstoff-Nr. 1.5662, näher erläutert:

Beispiel

Die Verbindungsschweißung wurde an einem 14 mm starken Blech durchgeführt. AIa Schweißzusatzwerfcatoff wurde ein Draht, 3 mm 0 folgender Analyse verwendet:

C 0,033 # Si 0,30 # Mn 10,04 # Cr 19,12 * Mo 2,84 % Ni 15,41 # n₂ 0,16 i>

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Als Schweißpulver diente ein agglomeriertes Pulver mit folgender Zusammensetzung;

A120»	20,0
CaF₂	29,5
MgO	33,0
GaO	5,0
SiO₂	7,0
Na₂O	1,0
k₂0	1,0
C	0,5
stickstoffhaltiges
Mn-Meta11	3.0

Es ergibt sich bei der Unter pulver schweißung eine Abschmelzleistung von 7 kg/h; sie ist also ca. 2 1/2 mal so groß wie bei der Handschweißung. Das Schweißgut hat folgende Analyse:

C - 0,15 ?6

Si 0,49 io

Mn 10,24-· io

Cr 18,75 $

Mo 2,70 io

Ni 15,14 ^

N₂ 0,17 io

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Die mechanischen Gütewerte der Schweißnaht an einem X 8 Ni 9-Stahl (14 mm Blechstärke) wurden nach den Richtlinien des technischen Uberwachungsvereins (TÜV) für "Verfahrensprüfungen an kaltzähen Nickelstählen" ermittelt. Sie betrugen:

Streckgrenze (kp/mm ) "56,4

Zugfestigkeit (kp/mm²) 72,3

Dehnung (1 = 5 d) (#) 29,7

Kerbschlagzähigkeit (Charpy-V kpm/cm

bei - 196⁰C)

Kerb:	7,8
Nahtmitte	6,1
Übergangszone

Die Kerbschlagzähigkeitswerte wurden als Mittelwerte aus je 3 Messungen ermittelt; die Festigkeitswerte entetammen Längsrundproben aus der Schweißverbindung.

Die Festigkeitswerte der Flachzugprobe nach DIN 50 betrugen:

Streckgrenze (kp/mm₉) 63,5

Zugfestigkeit (kp/mni ) 74,2

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Die Dehnungsmessungen an den Biegeproben nach DIU 50121 ergeben ausreichende Werte.

Vergleicht man die vorstehend aufgeführten Festigkeitswerte mit bekannten Schweißverbindungen, so erkennt man einen deutlichen Vorteil gegenüber hochnickelhaltigen Zusatzwerkstoffen. Die Zähigkeitswerte liegen vergleichbar gut, jedoch ergibt der e'rfindungsgemäße Zusatzwerkstoff eine höhere Streckgrenze. Die Vorteile für die - ™ bei gleicher Belastungsgrundlage - anzuwendenden Werkstoffquerschnitte sind offensichtlich. Ferner ermöglicht erst die erfindungsgemäße Kombination den Übergang zi dem wirtschaftlichen und arbeitskräftesparenden automatischen Schweißverfahren.

- Patentansprüche -

-'14 -

h.: 11/ ] 4 :ui

Claims

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1. Verfahren zum Unterpulverachweißen kaltzäher Nickelstähle, gekennzeichnet durch die kombinierte Verwendung eines vollaustenitischen Zusatzwerkstoffes folgender Zusammensetzung}

C 0,01 - 0,25 Si 0,1 - 0,8 Mn 2,5 - 15,0 Cr 12,0 -28,0 Ni 10,0 - 20,0 Mo 0,1 - 4,0 n_o 0,1 - 0,25

insgesamt max. 3 $ eines oder mehrerer der Elemente

Al, B, Co, Cu, Nb, Ta, Ti, V, W, Schmelzbedingte Verunreinigungen Rest Eieen

mit einem Schweißpulver folgender Zusammensetzung:

■ι η r, ι'; ι

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1 bis 30 fo eines der Oxide von. Al, Zr, Ti, Pe, Cr, Mn 8 Ms 40 1o GaF₂ (Flußspat)
30 bis 80 $ Erdalioxide
1 bis 12 io SiO₂

wobei der Anteil der Erdalkalioxide 2 mal größer sein muß als der Anteil der sauren Oxide TiO₂ und SiO₂.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß dem Werkstoff der Schweißnaht metallische Anteile aus dem Schweißpulver zugegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schweißpulver in an sich bekannter Weise als
Desoxydationsmittel metallische Verbindungen, Kohlenstoff oder dergleichen beigefügt werden.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1-3» dadurch gekennzeich- \ net, daß dem Schweißpulver in an sich bekannter Weise stickstoffhaltige Produkte zur Aufstickung des Schweißgutes beigefügt werden.

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5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzwerkstoff eine Legierung folgender Zusammensetzung gewählt wirdt

G 0,12 - 0,20 Si 0,30 - 0,60 Mn 8,0 - 12, 0 Cr 16,0 - 25, 0 Mo 2,5 - 3,5 Ni 14,0 - 17,0 No 0,1 - 0,20

insgesamt 0,1 - 2,0 $ eines oder mehrerer

der Elemente

Al, B. Co, Cu, Nb, Ta, Ti, V, W,

schmelzbedingte Verunreinigungen

Rest Eisen

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