DE2255557B2

DE2255557B2 - Schweißpulver zum Auftragschweißen von Bändern aus austenitischem Cr-Ni-Stahl nach dem Unterpulverschweißverfahren

Info

Publication number: DE2255557B2
Application number: DE19722255557
Authority: DE
Inventors: Farouk Barakat; Franz Neff; Hermann Dr. Ornig; Klaus Bruck Winter
Original assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Current assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Priority date: 1972-01-25
Filing date: 1972-11-13
Publication date: 1975-10-23
Also published as: DE2255557A1; FR2169058B1; CS168023B2; DD101116A5; BR7300593D0; FR2169058A1; IT988090B; GB1376269A; NL7216118A; CH578911A5; JPS4886748A; SE401116B; AT316253B; BE794097A

Description

austenitischem Cr-Ni-Stahl nach dem Unterpulver- stoff Bänder aus austenitischem Cr-Ni-Stahl ver-

schweißverfahren, dadurch gekenn zeich- wendet werden. Unter austenitischem Cr-Ni-Stahl

net, daß es aus 36 bis 55 Gewichtsprozent Silizi- sind auch im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl

um, berechnet als Siliziumdioxid, 10 bis 45 Ge- Stähle mit rein austenitischem Gefüge als auch solche

wichtsprozent Erdalkalimetallen, berechnet als io mit höheren Ferritanteilen bis 50% zu verstehen, die

Erdalkalioxide, insbesondere Magnesium und Kai- gegebenenfalls auch noch Mo, Cu, Si, Nb, Mn, Ta, Ti

zium, wobei Magnesium und Kalzium, berechnet und/oder N enthalten.

als MgO und CaO, im Verhältnis 1 : 3 bis 10 : 1 Bei der Schweißplattierung kommt es vor allem stehen, 2 bis 10 Gewichtsprozent Alkalimetallen, darauf an, daß der Einbrand in den Grundwerkstoff vorzugsweise Natrium, berechnet als Alkalioxide, 15 möglichst niedrig gehalten wird, damit nicht durch 1 bis 20 Gewichtsprozent Aluminium, berechnet die Vermischung mit dem Grundwerkstoff die Korroals Aluminiumoxid und 2 bis 10 Gewichtsprozent sionsbeständigkeit der Schweißplattierung vermindert Fluoriden, berechnet als Kalziumfluorid, sowie wird. Ferner muß die Oberfläche der gesamten Schweißunvermeidlichen Verunreinigungen besteht, mit plattierung möglichst glatt sein, da eine Bearbeitung der Maßgabe, daß der maximale Sili/.iumgchalt, ao der großen schweißplattierten Flächen viel zu kosiberechnct als Siliziumdioxid, in Abhängigkeit vom spielig ist. Eine glatte Oberfläche der Plattierung wird Fluorgehalt die Bedingung erreicht, wenn nicht nur die Oberfläche der einzelnen ⁰ SiO max = 68—4 4 ■·- "F Schweißraupen glatt, sondern auch die Übergänge ^{/ü 2} ' ^Λ /o zwischen zwei benachbarten Schweißraupen regellind der minimale Siliziumgehalt, berechnet als 25 mäßig ausgebildet sind, d. h. weder Vertiefungen noch Siliziumdioxid, in Abhängigkeit vom Aluminium- Überhöhungen aufweisen. Letztere Forderung wird gehalt, berechnet als Aluminiumoxid, die Be- am leichtesten erfüllt, wenn die Ränder der einzelnen (dingung Schweißraupen flach und gleichförmig ausgebildet

% SiO, min. = 46—0,68 χ % Al₂O₃ ^sl"^d; ..,-,, »· _{A n} ■ .

oij ₃₀ j^ian _war ursprunglich der Meinung, daß jedes

erfüllt. Schweißpulver, das zur Unterpulverschweißung mit 2. Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch ge- drahtförmigen Elektroden geeignet ist, auch für die kennzeichnet, daß es aus 39 bis 52 Gewichtsprozent Schweißung mit bandförmigen Elektroden eingesetzt Silizium, berechnet als Siliziumdioxid, 20 bis werden kann. Dies hat sich jedoch als irrig erwiesen, 40 Gewichtsprozent Erdalkalimetallen, berechnet 35 weil sich gezeigt hat, daß Schweißpulver, die für das •Is Oxid, insbesondere Magnesium und Kalzium, Verschweißen von Drahtelektroden ausgezeichnete Hvobei Magnesium und Kalzium, berechnet als Eigenschaften besitzen, beim Verschweißen von Band-MgO und CaO, im Verhältnis 1:2 bis 7:1 elektroden oft völlig versagen, weil sich Schweiß-Stehen, 2 bis 10 Gewichtsprozent Alkalimetallen, raupen mit viel zu hohem Einbrand in den Grund-Worzugsweise Natrium, berechnet als Alkalioxid, 40 werkstoff oder völlig unbrauchbarer Oberfläche er-1 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium, berechnet geben.

•ls Aluminiumoxid und 2 bis 10 Gewichtsprozent Für die Unterpulverschweißung mit bandförmigen

Fluoriden, berechnet als Kalziumfluorid, sowie Elektroden aus austenitischem Cr-Ni-Stahl wurden

linvermeidliche Verunreinigungen besteht. gelegentlich Pulver mit einem hohen MnO-Gehalt

5. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 und 2, 45 von 7 bis 50% MnO und etwa 35 bis 50% SiO₂ ver-

»Jadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich bis sucht, wie sie mitunter für die Unterpulverschweißung

$ Gewichtsprozent chemisch gebundenes Mangan, von niedriglegierten Drähten verwendet werden. Diese

gerechnet als MnO enthält. Pulver haben sich aber nicht bewährt, da sie zu

4. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 und 2, schlechter Schlackenentfernbarkeit, Warmrißanfällig-(ladurch gekennzeichnet, daß es bis 10 Gewichts- 5" keit und schlechter Korrosionsbeständigkeit durch firozent Mangan, Nickel und/oder Chrom in hohen Cr-Abbrand führten.

metallischer Form enthält. Für die praktische Anwendung des Plattierens mit

5. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 bis 4, bandförmigen Zusatzwerkstoffen aus austenitischem dadurch gekennzeichnet, daß es bis 5 Gewichts- Cr-Ni-Stahl wurden daher andere Schweißpulver herfrozent Molybdän, Niob und/oder Kupfer in 55 angezogen. Es handelte sich vorwiegend um geschäumte metallischer Form enthält. oder agglomerierte Pulver, die zur Hauptsache aus

6. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 bis 5, Metalloxiden bestehen. Sie hatten meist einen halbdadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich bis zu basischen Charakter und einen SiO₂-Gehalt unter 5 Gewichtsprozent Karbonale, insbesondere CaCO₃ 38%. Metallurgisch hatten diese Pulver den Vorteil, enthält. 60 daß der Abbrand an Cr und der Zubrand an Si gering

war.

Allerdings trat beim Schweißen ein relativ hoher

Einbrand in den Grundwerkstoff aus unlegiertem Stahl auf. Das führte nicht nur durch die Aufnahme

Die Erfindung betrifft ein Schweißpulver zum Auf- 65 von Kohlenstoff zu einer geringeren Korrosionstragschweißen von Zusatzwerkstoffen in Form von beständigkeit der Schweißplattierung, sondern wegen Bändern aus austenitischem Cr-Ni-Stahl nach dem der starken Vermischung mit dem unlegierten Grund-Unterpulverschweißverfahren, werkstoff auch zu eirem Absinken des Cr-Gehaltes

im Schweißgut, der durch Zusatz von metallischem Chrom in das Pulver ausgeglichen werden mußte. Ferner war mit diesen Schweißpulvern nur eine relativ rauhe Oberfläche der Schweißraupen zu erreichen. Die Ränder der Schweißraupen wurden meist ziemlich steil und ungleichmäßig ausgebildet, so daß die Übergänge zwischen zwei Schweißraupen nicht gleichmäßig bzw. glatt wurden und stellenweise Vertiefungen zeigten.

Durch die zunehmende Dicke der zu plattierenden Grundwerkstoffe war es nicht mehr möglich, die Ultraschallprüfung auf fehlerfreie Haftung der Plattierung von der Grundwerkstoffseite aus durchzuführen, sondern es mußte von der Plattieiungsseite her geprüft werden. Die Ultraschallprüfung von der Plattierungsseite her ist aber im unbearbeiteten Zustand nur dann möglich, wenn die Oberfläche der Schweißraupen eine geringe Rauhigkeit aufweist und die Übergänge zwischen den Raupen glatt und ohne Vertiefungen sind.

Diese Forderungen konnten zunächst durch Verwendung eines geschäumten Schweißpulvers erfüllt werden, dessen Zusammensetzung innerhalb der Grenzen: 40 bis 50% SiO₂, 11 bis 17% CaO, 22 bis 28% MgO und 10 bis 16% Fluoride lag.

Der hohe SiO₂-Gehalt des Pulvers führte zwar zu einem erhöhten Abbrand an Cr, der aber durch eine höhere Legierung der bandförmigen Elektrode mit Cr ausgeglichen werden konnte.

Bei genauer Prüfung der Plattierung auf Oberflächenfehler mittels Farbeindringverfahren stellte sich jedoch heraus, daß mit einem solchen Pulver eine große Anzahl sehr feiner Poren im Oberflächenbere;ch der Plattierung (bis etwa 1 mm Tiefe) entstehen. Die Poren haben zumeist einen Durchmesser zwischen 0,1 und 0,5 mm und sind vielfach mit Schlacke gefüllt. Es konnte nachgewiesen werden, daß die Zusammensetzung der Schlacke in den Poren weitgehend mit jener des geschmolzenen Schweißpulvers übereinstimmt. Es lag damit nahe, die Ursache für die Porenbildung beim Schweißpulver zu suchen. Diese Poren verursachten kostspielige und zeitraubende Ausbesserungsarbeiten und machten eine weitere Verwendung des Pulvers praktisch unmöglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Schweißpulver anzugeben, welches die beschriebene Porenbildung mit Sicherheit zu vermeiden gestattet, das eine völlig glatte Oberfläche der Schweißraupen ergibt und auch glatte Übergänge zwischen benachbarten Schweißraupen ermöglicht.

Für die Unterpulverschweißung mit drahtförmiger Elektrode ist bekannt, daß die Porenanfälligkeit dadurch hervorgerufen werden kann, daß der Fluorgehal! des Schweißpulver j zu gering ist, um zusammen mit dem im Pulver vorhandenen SiO₂ genügend SiF₄ lu bilden, um den unvermeidlichen Wasserstoff aus der Feuchtigkeit des Pulvers als HF stabil zu binden. Es wurde daher untersucht, ob mit Pulvern mit einem höheren Fluorgehalt die feinen Poren in den Schweißraupen vermieden werden können.

Dabei stellte sich jedoch entgegen den bisherigen Erfahrungen heraus, daß durch eine Erhöhung des Fluoridgehaltes auf etwa 20% die Zahl der feinen Poren im Schweißgut sogar noch zunahm. Außerdem war die Oberfläche der Schweißraupen rauh und in der Mitte eingefallen. Durch eine gleichzeitige Herabsetzung des SiO₂-Gehaltes auf 34 % konnte zwar die Anzahl der Poren vermindert und die Oberfläche etwas verbessert werden. Es wurden aber dadurch die Ränder der Schweißraupen steil und unregelmäßig sowie die Übergänge zwischen den SchweiSraupen uneben.

Wenngleich durch ein^n Zusatz von Titandioxid die Raupenränder in diesem Fall verbessert werden konnten, haftete jedoch die Pulverschlacke außerordentlich fest an der Raupenoberfläche an; sie war deshalb nur sehr schwer zu entfernen und das Pulver

ίο somit aus diesem Grunde für eine praktische Schweißanwendung ungeeignet.

Die Lösung des außerordentlich schwierigen technischen Problems gelang nun völlig überraschend mit dem erfindungsgemäßen Schweißpulver, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus 36 bis 55 Gewichtsprozent Silizium, berechnet als Siliziumdioxid, JO bis 45 Gewichtsprozent Erdalkalimetallen, berechnet als Erdalkalioxide, insbesondere Magnesium und Kalzium, wobei Magnesium und Kalzium, berechnei als MgO und CaO, im Verhältnis 1 : 3 bis 10 : 1 stehen. 2 bis 10 Gewichtsprozent Alkalimetallen, vorzugsweise Natrium, berechnet als Alkalioxide, 1 bis 20 Gewichtsprozent Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid und 2 bis 10 Gewichtsprozent Fluoriden, berechnet als Kalziumfluorid, sowie unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, mit der Maßgabe, daß der maximale Siliziumgehalt, berechnet als Siliziumdioxid, in Abhängigkeit vom Fluorgehalt die Bedingung

% SiO₂ max. = 68 — 4,4 χ % F

und der minimale Siliziumgehalt, berechnet als Siliziumdioxid, in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt, berechnet als Aluminiumoxid, die Bedingung

% SiO₂ min. = 46 — 0,68 χ % Al₂O₃

erfüllt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das erfindungsgemäße Schweißpulver aus 39 bis 52 Gewichtsprozent Silizium, berechnet als Siliziumdioxid, 20 bis 40 Gewichtsprozent Erdalkalimetallen, berechnet als Oxid, insbesondere Magnesium und Kalzium, wobei Magnesium und Kalzium, berechnet als MgO und CaO, im Verhältnis 1:2 bis 7:1 stehen, 2 bis 10 Gewichtsprozent Alkalimetallen, vorzugsweise Natrium, berechnet als Alkalioxid, 1 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid und 2 bis 10 Gewichtsprozent Fluoriden, berechnet als Kalziumfluorid, sowie unvermeidlichen Verunreinigungen.

Es hat sich gezeigt, daß es beim erfindungsgemäßen Schweißpulver nicht so sehr auf die Art der jeweils verwendeten Fluoride, von denen insbesondere CaF₂, MgF₂, NaF und Na₃AlF₆ zu nennen sind, sondern vorwiegend auf den Einfluß des vorhandenen Fluors ankommt.

Als unvermeidliche Verunreinigungen gelten vor allem ein geringer, im allgemeinen jedoch 3 Gewichtsprozent nicht übersteigender Gehalt an Eisenoxid sowie Gehalte an Phosphor, Schwefel und Kohlenstoff von je max. 0,1 Gewichtsprozent, gegebenenfalls auch noch bis etwa 1 Gewichtsprozent Ti bzw. Zr. Das erfindungsgemäße Schweißpulver kann zur Verminderung des Abbrandes an Mangan bis 3 Gewichtsprozent chemisch gebundenes Mn, berechnet als MnO enthalten. Höhere Gehalte dürfen jedoch nicht vorliegen, weil sie eine schlechte Schlackenentfernbarkeit bewirken.

Zu betonen ist, daß das erfindungsgemäße Schweißpulver grundsätzlich nach allen für diese Technik bekannten Verfahrensarten herge>tellt werden kann, somit also durch Sintern orfei Schmelzen, letzteres gegebenenfalls mit nachfolgendem Schäumen bzw. durch Agglomerieren. Es treten dabei zwar Unterschiede im Schüttgewicht auf, die sich aber bei der praktischen Anwendung kaum auswirken.

Insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Schweißpulver in agglomerierter Form vorliegt, kann es vorteilhaft sein, wenn es einen Zusatz von bis zu 10 Gewichtsprozent Mangan, Nickel und/oder Chrom in metallischer Form enthält, um der Verdünnung des Schweißgutes entgegenzuwirken oder einen Legierungseffekt zu bewirken. Dies gilt ebenso für einen im Schweißpulver enthaltenen Zusatz von bif zu 5 Gewichtsprozent Molybdän, Niob und/oder Kupfer in metallischer Form, während durch einen Zusatz von bis 5 Gewichtsprozent an Karbonaten, insbesondere CaCO₃, und die dadurch bedingte Gasentwicklung beim Schweißvorgang in manchen Fällen eine weitere Verbesserung der Raupenränder und auch der Raupenoberfläche erzielt werden kann.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der folgenden Tabelle 1 sind in verschiedener Weise (gesintert, geschäumt bzw. agglomeriert) hergestellte Schweißpulver nach Jer Erfindung paarweise angeführt.

Tabelle 1

Schweiß-

Herstellungstyp

SiO;. Al₁O₃ Zusammensetzung in Gewichtsprozent MgO CaO Na₂O K₂O MnO

Fluoride CaCO₃

(als
CaFjber.)

Cr.	Schütt
Met.	gewicht
	fkp/1)
_	0,92
—	1,17
	0,83
	0,78
	1,05
2,9	1,19

1	Diese	gesintert	43,5	7,6	30,1	3,7	3,9 -	—	9,5
2	gesintert	44,0	6,1	25,0	4,1	10,0 —	2,0	7,0
3	geschäumt	51,4	4,5	10,5	18,9	6,2 -	—	7,1
4	geschäumt	45,4	6,1	33,6	4,1	5,2 -	—	3,8
5	agglomeriert	44,0	3,0	4,1	4,1	3,0 1,0	—	8,5
6	agglomeriert	41,0	18,0	23,0	4,1	3,0 1,0	—	5,5
Schweißpulver	wurden beispielsweise	wie	getrocknet	und	der K

folgt hergestellt:

Für das gesinterte Pulver Nr. 1 wurden 2167 g Quarzmehl mit 99,2% SiO₂, 253 g Tonerde mit 99,3 % Al₂O₃, 1651 g gebrannter Magnesit mit 90,7% MgO, 1,6% SiO₂, 4,5% CaO und 3,2% Verunreinigungen (insbesondere FeO), 827 g Kalkspat mit 99,1 % CaCO₃ und 466 g Kryolith (98 %ig), alle Substanzen mit einer Korngröße feiner als 0,3 mm, gemischt und 11 Stunden bei 97O⁰C gesintert. Der Sinterkuchen wurde mit einem Backenbrecher zerkleinert und für die Schweißversuche die Korngröße 0,35 bis 2,5 mm ausgesiebt.

Für das geschmolzene und geschäumte Pulver gemäß Beispiel 4 wurden 1357 g Quarzmehl, 153 g Tonerde, 1111 g gebrannter Magnesit, 279 g Kalkspat, 112 g Kryolith und 109 g Soda (Na₈CO₃ techn. rein), alle mit derselben Zusammensetzung und Körnung wie oben, gemischt.

Das Schmelzen des Gemisches erfolgte in einer wassergekühlten Kupferkokille von 145 mm Durchmesser durch Widerstanderhitzung mittels einer 65 mm starken Grafitelektrode mit 900 bis 1000 A und 50 bis 60 V. Die Schmelze wurde innerhalb von 20 Minuten auf 1670⁰C gebracht und dann in kaltes Wasser geschüttet. Das geschäumte Granulat wurde bei 300⁰C getrocknet, zerkleinert und für die Versuche ein Kornanteil von 0,35 bis 2,5 mm ausgesiebt.

Für das agglomerierte Pulver gemäß Beispiel 5 wurden 1000 g Kalifeldspat mit 75% SiO₂, 15% Al₂O₃, 5% Na₂O und 5% K₂O, 2240 g Forsterit mit 41,5% SiO₂, und 47,6% MgO, 540 Magnesit mit 90% MgO und 4,5% CaO, 460 g Wollastonit mit 42,8% SiO₂, 39,4% CaO und 15% CaCO₃,80 g reiner Kalkspat und 425 g reine Flußspat zunächst trocken und dann mit 1160ml N; onwasserglas mit 28% SiO₂ und 8,5% Na₂O naß gemischt, gekörnt und bei 650C 2 Stunden 3,0 -

2,5 mm ausgesiebt.

Zu den Herstellungsangaben sei bemerkt, daß es dabei je nach der Herstellungsart zum Teil zu chemischen Umsetzungen kommt, die auch mit der Freisetzung von Gasen (z. B. CO₂, SiF₄) verbunden sind. Der Verfahrensablauf bei der Herstellung erfindungsgemäßer Schweißpulver muß demnach in an sich bekannter Weise derart erfolgen, daß im Endergebnis ein in seiner Zusammensetzung der Erfindungsdefinition entsprechendes Schweißpulver erhalten wird.

Mit den in Tabelle 1 angeführten Schweißpulvern wurden Schweißversuche in Form von Auftragsschweißungen mit Elektrodenbändern aus austenitischem Cr-Ni-Stahl jeweils auf einem 50 mm starken Blech aus unlegiertem Stahl (0,18% C, 0,23% Si, 0,51 % Mn) mit Gleichstrom durchgeführt, wobei das ßond am Pluspol angeschlossen war.

Die übrigen Versuchsbedingungen waren wie folgt:

Versuch Nr.	2	3
1
Band	b	C
1

Bandabmessung 60 χ 0,5 75 χ 0,5 100 χ 0,4

(mm)

Schweißpulver 13 5

Nr.

Stromstärke (A) 650 720 850

Lichtbogen- 29 29 29

spannung (V)

Schweiß- 11,0 10,5 10,0

geschwindigkeit

(cm/min)

Die verwendeten Elektrodenbänder und das Schweißgut der 1. Lage der Schweißplattierung hatten folgende Zusammensetzung:

Tabelle	2	Zusammensetzung	Si	(Gewichtsprozent)	Cr	Ni	Mo	Nb	Auf-
Versuch		C	0,44	Mn	24,26	10,63			mischung
Nr.		0,017	0,98	2,29	19,26	9,05	—	—	15,0
1	Band a	0,035	0,40	1,15	24,03	11,98	—	0,78
	1. Lage	0,017	1,01	2,06	20,32	10,62	—	0,50	—
2	Bandb	0,037	0,32	1,15	20,40	14,50	2,63	—	11,2
	1. Lage	0,016	0,92	1,74	18,12	13,38	2,41	—	—
3	Band c	0,034		1,06					7,6
	!.Lage

Bei allen diesen Versuchen sowie einer Vielzahl weiterer Erprobungen der erfindungsgemäßen Schweißpulver wurden Schweißraupen erzielt, bei denen nicht nur die gefürchtete Porenbildung zur Gänze beseitigt ist, sondern die auch eine außerordentlich glatte Oberfläche und flache Ränder besitzen, so daß sich sehr ebenmäßige Übergänge zu benachbarten Schweißao raupen ausbilden, wodurch eine Ultraschallprüfung von der Plattierungsseite her ermöglicht ist. Der Einbrand ist beim Schweißen mit diesen Pulvern gering und damit auch die Aufmischung mit dem Grundwerkstoff in den geforderten Grenzen gehalten.

509543/244

Claims

1 2 Die LTnterpulverschweißung mit bandförmigen Elek- PatenU-nsprüche: troden wird in erster Linie für Auftragschweißungen eingesetzt. Die wichtigste Anwendung dieses Ver-

1. Schweißpulver zum Auftragschweißen von fahrens ist die Schweißplattierung von unlegiertem

Zusatzwerkstoffen in Form von Bändern aus 5 oder niedriglegiertem Stahl, wobei als Zusatzwerk-