DE2106600C3

DE2106600C3 - Verfahren zur Vermeidung der Rißbildung beim Spannungsarmglühen von Plattierungen und Verbindungsschwei ßen

Info

Publication number: DE2106600C3
Application number: DE19712106600
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Detert
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-02-12
Filing date: 1971-02-12
Publication date: 1981-04-23
Also published as: DE2106600A1; DE2106600B2; NL7201803A; IT947509B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs J.

Beim Plattieren und Verbindungsschweißen von niedrig legierten Stiihlen sind häufig in den wärmebeeinflußten Zonen mit martensitischem Umwandlungsgefüge nahe der eigentlichen Schweißnaht mit der Schmelzzone feine Risse zu beobachten. Untersuchungen haben ergeben, daß diese Risse beim Spannungsarmglühen (etwa 600°C) entstehen. Diese Erscheinung ist bekannt und wird im angelsächsischen Sprachgebrauch als »stress relief cracking« bezeichnet (Document No. 1IW-IX-648-69, Document No. IIW-X-531-69 at 1969 Meeting of International Institute of Welding).

Es gehört zum Stand der Technik, daß man das martensitische Umwandlungsgefüge, in dem das Auftreten der Risse beim Spannungsarmglühen beobachtet wird, durch eine langsame Abkühlung vermeiden kann. Es ist beispielsweise bekannt. Bauteile vor dein Schweißen auf Temperaturen zwischen etwa 40 und 650⁰C vorzuwärmen, um Schrumpfspannungen. Kaltrisse sowie Aufhärtungen zu vermeiden; es kann dabei das gesamte Bauteil oder nur örtlich der Schweißbereich vorgewärmt werden; es ist auch bekannt, daß durch Anwendung einer Vorwärmung die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen verringert wird (Welding Metallurgy, Bd. 2, 1967, S. 142/143). Es ist auch ebenfalls bekannt. Bauteile mittels an diese angelegter elektrischer Heizplatten vor dem Schweißen auf 250 bis 300°C vorzuwärmen und nach dem Schweißen die Temperatur der Heizplatten derart zu erhöhen, daß die durch die Heizplatten bedeckten Bereiche auf eine Temperatur von 600⁰C aufgeheizt werden (US-PS 31 25 804). Es ist ferner bekannt, einem Verschleiß ausgesetzte Bauteile mit besonders harter und spröder Oberfläche zwecks Vermeidung der Rißbildung nach dem Schweißen auf Temperaturen zwischen 360 und 48O⁰C zu erwärmen, um so eine allmähliche Abkühlung zu erzielen (US-PS 21 89 595). Schließlich ist ein Reparatur-Schweißverfahren bekannt, bei welchem fehlerhafte Bereiche aus dem Werkfioff entfernt und eine Schweißfuge geschaffen wird, worauf das Werkstück in einem Ofen auf Temperaturen zwischen 250 und 480⁰C vorgewärmt und dann eine erste Lage in die Fuge geschweißt und danach bei einer Temperatur von 700⁰C spannungsarm geglüht wird; danach wird die Temperatur auf 400⁰C erniedrigt und eine zweite Lage geschweißt und wieder zwecks Spannungsarmglühen die Temperatur auf 700° C

ίο erhöht usw., bis die Fuge durch die Schweißlagen gefüllt ist. In mehreren Lagen wird geschweißt urd zu jeder spannungsarm geglüht, um Risse zu vermeiden, die nach dem Schweißen beim Abkühlen auftreten können (US-PS 31 03 065).

H Bei einer Schweißung oder Plattierungsbehandlung wird der Werkstoff nur örtlich hoch erhitzt, so daß durch die Wärmeableitung in die Umgebung eine rasche Abkühlung eintritt Es ist nicht üblich, bei solchen Schweißarbeiten für eine langsame Abkühlung im erforderlichen Maß zu sorgen. Man müßte dazu das Bauteil auf unzulässig hohe Temperaturen erwärmen. Man beschränkt sich beim Vorwärmen der einzelnen Teile auf Temperaturen von etwa 200⁰C maximal. Eine nachträgliche Glühung der Schweißnaht auf Temperatüren oberhalb der Spannungsarmglühtemperatur ist ebenfalls nicht üblich. Sie würde auch nur bei einer besonders raschen Aufheizung zum gewünschten Ergebnis führen.

Das martensitische Gefüge muß mit Sicherheit vermieden werden; dazu sind Temperaluren zwischen 400 und 600⁰C erforderlich. Eine derartige Vorwärmung unler Anwendung dieser Temperaturen bewirkt eine Festigkeitsminderung und Verwerfung im Bauteil. Die vorgenannten Verfahren sind entwickelt worden, um Kaltrisse und Aufhärtungen zu vermeiden, jedoch nicht um Rißbildung beim Spannungsarmglühen zu verhindern.

Durch die Zeitschrift »Schweißen und Schneiden«, 1963, Heft 7, S. 345 bis 347, ist es bekannt, daß bei niedrig

<o legierten Stählen die Gefügeausbildung im Übergangsgebiet von Schmelzzone und Grundwerkstoff von der Abkühlungsgeschwindigkeit und damit vom Querschnitt des Bauteils abhängt; wird zu schnell abgekühlt, so entsteht ein grobkörniges martensitisches Gefüge und es ergeben sich Zugspannungen, so daß Unternahtrisse entstehen können. Als Mittel zur Verringerung der Abkühlungsgeschwindigkeit wird die Vorwärmung des Werkstückes zwischen 100 und 400° C während des Schweißvorganges erwähnt. Um die Schweißspannungen abzubauen, soll ein Spannungsarmglühen bei 600 bis 650⁰C erfolgen. Hingewiesen ist auch auf eine Normalisierungsglühung und eine Vergütungsbehandlung, wodurch das grobkörnige Gefüge des Übergangsgebietes durch Umkörnung beseitigt wird. Beim Normalisierungsglühen zwischen etwa 800 und 950⁰C muß das gesamte Bauteil erwärmt werden; durch die hohe Erwärmung ergibt sich neben der Gefügeveränderung auch eine Veränderung der Festigkeitseigenschaften des Grundwerkstoffes in der Regel zu verminderten Werten hin. Ist eine hohe Belastbarkeit des Bauteils gefordert, so scheidet ein Normalisierungsglühen aus. Bei einer Vergütungsbehandlung zwischen 450 und 65O°C muß ebenfalls der gesamte Bauteil erwärmt werden und es wird erreicht, daß die Härte teilweise abgebaut und die gewünschte Festigkeit erhalten wird. Durch die Zeitschrift »Schweißen und Schneiden«, 1956, Heft 11, S. 448, ist es bekannt, die durch den Schweißvorgang hervorgerufene Rißempfindlichkeit

beim Lichtbogenschweißen dadurch zu vermindern, daß der Abkühlungsvorgang bei etwa 500° C mittels eines dem Schweißbrenner nachlaufenden GlOhbrenners für eine bestimmte Zeit aufgehalten wird, in welcher die Umwandlung erfolgt, so daß die nachfolgende Abkühlung keinen Einfluß mehr auf das Gefüge hat. Durch die Zeitschrift »Schweißen und Schneiden«, 1960, Heft 2, S. 61 bis 68, ist es bekannt, durch den Schweißvorgang hervorgerufene Gefügeänderungen in der Wärmeeinflußzone durch Normalisieren der gesamten Verbindung zu beseitigen; um ein grobkörniges Gefüge der Schweißnaht zu vermeiden, kann ein Mehrlagenschweißen angewendet werden, wobei alle Lagen bis auf die Decklage durch das Mehrlagenschweißen normalisiert werden. Bei einer derartigen Behandlung des Schweißgutes wird die Wärmeeinflußzone nicht vollständig mit einbezogen, so daß die Grobkornbereiche der Wärmeeinflußzonen der einzelnen Lagen teilweise grobkörnig bleiben; dagegen wird der Grobkornbereich der Wärmeeinflußzone der Decklage von der Normalisierung überhaupt nicht erfaßt. Durch eine wiederholte Erwärmung wirken sich die Temperaturfelder der einzelnen Lagen auch auf die nahe der Schweißnaht liegenden Gebiete des Grundwerkstoffes aus, so daß in diesen Dehnungswechselververformungen und Eigenspannungen entstehen. Die Zeitschrift »Schweißen und Schneiden«, 1959, Heft 2, S. 39 bis 46, behandelt kaltzähe Stähle und das Verhalten der kaltzähen Schweißverbindungen, die durch Gasschmelzschweißen hergestellt werden können, wobei zwecks Umkörnung des Schweißgefüges ein Normalglühen oder eine Nachbehandlung mit einem Gasbrenner erfolgen soll; auf die Aufhärtung in der Übergangszone von Schweißung zum Grundwerkstoff wird verwiesen, ebenso auf das Spannungsarmglühen bei 600 bis 65O⁰C zwecks Abbau v> der Schweißspannungen und auf eine Normalisierungsbehandlung, wenn eine Warmformgebung geschweißter Nähte erfolgte; durch das sich über mehrere Stunden erstreckende Normalglühen vermindert sich die Festigkeit des Bauteils. Aus dem »Taschenbuch für Eisenhüttenleute«, 1961, S. 192 bis 197, si.id die verschiedensten Warmbehandlungen von Stahl, wie beispielsweise Glühen, Härten, Anlassen und Vergüten, bekannt unter Angabe der erzielbaren Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von den angewandten Temperaturen und deren Verläufe. Durch das Such »Schweißen der Eisenwerkstoffe«, 1948, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf, 2. Aufl., S. 211 bis 216, ist die Vermeidung der beim Schweißen auftretenden Überhitzungserscheinungen in der Schweißnaht und der Übergangszone durch Normalglühen bekannt; es ist auch auf das Spannungsarmglühen bei 600 bis 650⁰C hingewiesen, wodurch die Schweißverbindung entspannt wird. Durch die Zeitschrift »Stahl und Eisen«, 1965, Heft 20, S. 1229 bis 1240, ist es bekannt, durch bestimmte Wärmebehandlungen von Stählen deren mechanische Eigenschaften zu beeinflussen.

Die vorstehend genannten Druckschriften beziehen sich auf die Vermeidung des Wärmeeinflusses der Schweißhitze auf das Gefüge der Wärmeeinflußzone und/oder des Schweißgutes mit den dadurch nach dem Schweißen beim Abkühlen des Werkstückes auftretenden Schrumpfrissen bzw. auf die Warmbehandlung von Stählen, jedoch nicht auf das Problem der Rißbildung beim Spannungsarmglühen von Verbindungsschwei-Bungen und Plattierungen.

In der zuerst zitierten Veröffentlichung wird erwähnt, daß das Auftreten der Risse beim Spannungsarmglühen vermieden werden kann, wenn eine kurzzeitige Glühbehandlung bei etwa 900°C nach dem Abkühlen vor dem Spannungsarmglühen erfolgt, die durch Umkörnung das martensitische Gefüge verfeine^rt

Dieses Verfahren ist jedoch ohne zusätzliche Maßnahmen nicht für Schweißkonstruktionen geeignet und führt auch nicht ohne weitere zusätzliche Einschränkungen bei der Wärmebehandlung zum gewünschten Erfolg.

Bei den dieser Veröffentlichung zugrunde liegende Untersuchung werden Proben mit relativ kleinen Abmessungen verwendet, die vor der Wärmebehandlung mit 900° C eigenspannungsfrei sind und in ihrer Gesamtheit auf die angegebene Temperatur erwärmt werden. Damit wird auch das Gefüge der gesamten Probe umgekörnt Erst danach erfolgt in einem Relaxations-Test die Einbringung der Probe in einen verspannbaren Rahmen (Fig. 22 und S. 9, Abs. 3), durch weiche die Probe mechanisch verspannt wird, wodurch die in der Probe nicht vorhandenen Eigenspannungen simuliert werden sollen, anschließend wird die Probe auf etwa 600° C erwärmt.

In der Praxis liegen nun gänzlich andere Verhältnisse vor. Beispielweise in der Kernreaktortechnik besteht die Aufgabe, dickwandige Bauteile großer Flächenabmessungen zu verschweißen oder zu plattieren, die wegen der Abmessungen nicht vollständig vor dem Spannungsarmglühen glühbehandelt werden können. Selbst wenn dies möglich wäre, muß mit Verwerfungen und Eigeiispannungsumlagerungen des Bauteils gerechnet werden. Derartige, nach konventionellen Verfahren geschweißte Bauteile sind ferner keineswegs vor dem Stoßglühen spannungsfrei wie die Proben der Veröffentlichung, sondern weisen in der Schweißwärmeeinflußzone Zugspannungen auf, die beim Spannungsglühen zur Rißbildung in dieser Zone führen können. Bei einer kurzzeitigen Erwärmung eines derartigen Bauteiles auf etwa 900°C vor dem Spannungsarmglühen ist demnach zu erwarten, daß beim Durchfahren des kritischen Temperaturbereiches von etwa 600⁰C an dem unter Spannung stehenden Bauteil in der Wärmeeinflußzone Risse entstehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vor dem Spannungsarmglühen von Verbindungsschweißungen und Schweißplattierungen unter Vermeidung der Rißbildung eine Umkörnung des in der Wärmeeinflußzone liegenden, bei etwa 600⁰C rißempfindlichen Grobkorngefüges zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnah men gelöst.

Es werden Wärmequellen verwendet, die sich für eine örtliche und rasche Aufheizung der Nachbarbereiche eignen, wie geeignet ausgebildete Brenner, Induktionsspulen für Mittel- und Hochfrequenz, Strahlungsheizelemente oder es kann auch eine direkte Strombeheizung zur Anwendung kommen.

Eine nachträgliche Erwärmung dieser Art kann auch durch ein erneutes Aufschmelzen beispielsweise bei einer erneuten Plattierungsschweißung erzielt werden, wenn gesichert ist. daß die zweite Erwärmung der wärmebeeinflußten Zone der ersten Schweißung 700⁰C übersteigt, jedoch 950 bis 1000° C nicht überschreitet.

Überraschend hat sich gezeigt, daß an nach dem Verfahren behandelten Verbindungsschweißungen und Plattierungen beim Durchfahren des zur Rißbildung neigenden Temperaturbereichs von etwa 600⁰C keine Risse in der Wärmeeinflußzone entstehen, da in dieser

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Zone durch die örtliche rasche Aufheizung für die Dauer erzeugte grobkörnige Gefüge der Wärmeeinflußzone

des Durchfahrens der für die Rißbildung kritischen vor dem Spannungsarmglühen in ein feinkörniges

Temperatur Drucjceigenspannungen erzeugt werden. Gefüge umgewandelt wird, so daß beim anschließenden

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht Spannungsarmglühen bei etwa 600⁰C mit Sicherheit in

insbesondere darin, daß mit einfachen Mitteln bei 5 der Wärmeeinflußzone keine Risse mehr entstehen

dickwandigen, großflächigen und unter Eigenspannun- können,
gen stehenden Bauteilen das durch den Schweißvorgang

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Vermeidung der Rißbildung beim Spannungsarmglühen von Schweißplattierungen und Verbindungsschweißungen niedrig legierter Stähle, wobei der Werkstoff nach der Abkühlung der Schmelzzone und vor dem Spannungsarmglühen auf eine die Umwandlung des grobkörnigen Gefüges der Wärmeeinflußzone bewirkende Temperatur oberhalb 700 bis 950⁰C rasch und örtlich erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur die unmittelbaren Nachbarbereiche der Schmelzzone im Grundwerkstoff bis etwa 10 mm Entfernung von der Schmelzzone mittels Brennern, Induktionsspulen, Strahlungsheizelementen oder direkter Strombeheizung ördich erwärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißplattieren an Stelle der Wärmequellen die Erwärmung der Nachbarbereiche durch Auftragen einer weiteren Schweißplattierungslage derart vorgenommen wird, daß die zweite Erwärmung der Wärmeeinflußzone der ersten Schweißplattierungslage bis zu einem Abstand von 10 mm von der Schmelzzone der ersten Schweißplattierungslage erfolgt.