DE2364495C2

DE2364495C2 - Verfahren zum Herstellen von Großbauteilen durch Lichtbogen- oder Plasmaformschweißen

Info

Publication number: DE2364495C2
Application number: DE19732364495
Authority: DE
Inventors: Herbert 4000 Duesseldorf Luckow
Original assignee: THYSSEN AG VORM AUGUST THYSSEN-HUETTE 4100 DUISBURG DE
Current assignee: THYSSEN AG VORM AUGUST THYSSEN-HUETTE 4100 DUISBURG DE
Priority date: 1973-12-24
Filing date: 1973-12-24
Publication date: 1982-08-26
Also published as: DE2364495B1; CA1012611A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Großbauteilen durch Lichtbogen- oder Plasmaformschweißen, bei dem das Schweißgut kontinuierlich zeilen- und schichtweise niedergeschmolzen wird.

Es sind Verfahren zum Auftragsschweißen bekannt, bei denen eine Elektrode od. dgl. kontinuierlich niedergeschmolzen und das Schweißgut auf einem Grundwerkstoff oder einer voraufgehenden Schweißlage bzw. -raupe erstarrt. Auf diese Weise können im Wege des Reparaturschweißens schadhafte Stellen, beispielsweise an der Innenwandung von Stahlwerkskokillen, ausgebessert oder auch verschleißfeste Schichten auf einem Grundwerkstoff mit geringerer Verschleißfestigkeit aufgebracht werden. Schließlich wurde mit der nicht zum Stand der Technik gehörenden deutschen Patentanmeldung P 23 20 186.7-24 auch bereits vorgeschlagen, Großbauteile wie Wellen und Läufer durch kontinuierliches neben- und übereinander erfolgendes Niederschmelzen von Werkstoffsträngen, beispielsweise Draht- oder Bandelektroden, zeilen- und schichtweise aufzubauen. Damit ist der Vorteil verbunden, daß sich stets nur das Schweißgut im Bereich des Schweißpunktes im flüssigen Zustand befindet und auf diese Weise die Vorteile des bekannten Umschmelzverfahrens beim Formschweißen ausgenutzt werden können, um ein homogenes und insbesondere einschluß-, lunker- und seigerungsfreies Gefüge zu erzielen. Auf diese Weise lassen sich Werkstücke mit isotropen Eigenschaften oder auch gewollter Anisotropie bzw. mit zeilen- oder schichtenweise unterschiedlicher Zusammensetzung herstellen.

Bei dem vorerwähnten Verfahren wurde bereits erkannt, daß die Abschmelzgeschwindigkeit, das Wärmeeinbringen, die Vorwärmung und die Kühlung des Werkstücks auf das spezielle Abschmelzverfahren, auf die eingesetzten Werkstücke and auf die sich ändernden

ίο Abmessungen des Werkstücks so abgestimmt werden können, daß über das gesamte Bauteil die geforderten Werkstückseigenschaften eingehalten werden. Bei diesem Formschweißverfahren entstehen jedoch während der Festigung innere Spannungen, die je nach der Festigkeit und Zähigkeit des Schweißguts bis zur Rißbildung gehen können. Diese Spannungen sind durch den Temperaturgradienten zwischen dem Schweißpunkt und den entfernten Stellen des Werkstücks sowie durch Gefügeumwandlungen bedingt.

Da der Gefügezustand die technologischen Eigenschaften bestimmt, und ein Abschrecken aus der Schweißhitze zu hohen inneren Spannungen führt, konnte bisher auf eine besondere Wärmebehandlung nicht in allen Fällen verzichtet werden, die jedoch insbesondere bei Großbauteilen einen erheblichen apparativen und zeitlichen Aufwand erfordert, wenn sie überhaupt möglich ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zu schaffen, das die vorerwähnten Nachteile vermeidet und insbesondere ein im wesentlichen spannungsfreies Werkstück mit vorgegebenem Gefüge ergibt. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, das Werkstück insgesamt spannungsfrei zu halten, ihm im Bereich des Schweißpunktes jedoch eine definierte Ausgangstemperatur für die Abkühlung des Schweißgutes zu geben und das Schweißgut hiervon ausgehend mit der für das gewünschte Gefüge erforderlichen Geschwindigkeit abzuschrecken.

Im einzelnen besteht die Erfindung darin, daß das Werkstück bei dem eingangs erwähnten Verfahren während des Schweißens auf einer Temperatur von 200 bis 650⁰C gehalten und das Schweißgut örtlich unter den Martensitpunkt abgeschreckt wird.

Erfindungsgemäß kann zum Abschrecken des Schweißgutes auch die Schweißzone vor dem jeweiligen Schweißpunkt durch ein Medium örtlich vorgekühlt werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann zusammen mit oder an Stelle des örtlichen Vorkühlens das Schweißgut nach dem Niederschmelzen durch ein Kühlmedium örtlich nachgekühlt werden.

Auf diese Weise kann die Abkühlungsgeschwindigkeit des Schweißgutes bzw. der Schweißraupe auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden; das Werkstückgefüge ergibt sich als Funktion des Vorkühlens, des Nachkühlens, der Haltetemperatur und des Wärmeeinbringens beim Schweißen. Das erfindungsgemäße Einstellen der Ausgangstemperatur und geregelte Abkühlen bzw. Abschrecken des Schweißgutes erlaubt zudem höhere Abschmelzleistungen, weil die Schweißwärme nicht mehr oder mindestens nur zum Teil in das Werkstück abgeleitet wird.

Vorzugsweise wird das Werkstück beim Schweißen auf mindestens 500° C gehalten und das Schweißgut vorteilhafterweise auf 300°C oder darunter, in jedem Falle aber unter den Martensitpunkt Ms abgeschreckt. Besondere Vorteile bietet ein überwiegend bainitisches oder bainitähnliches Gefüge, das sich durch eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit und Zähig-

keit auszeichnet, ohne daß es einer besonderen Wärmebehandlung bedarf. Hinzu icbmmt die Beseitigung der Gefahr der Rißbildung, da die Schweißspannungen durch das erfindungsgemäße Halten abgebaut werden, ohne daß damit die Gefahr eine»- unerwünschten Änderung der Abkühlungsgeschwindigkeit verbunden ist

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einem Schweißgut durchführen, das aus einem S'ahl mit 0,01 bis 0,15%, vorzugsweise 0,10% Kohlenstoff, 0,05 bis 1,0% Silizium und 0,20 bis 2,50% Mangan besteht sowie gegebenenfalls zusätzlich bis 5,0% Chrom, bis 5,0% Nickel, bis 2,0% Molybdän, bis 1,0% Vanadin, bis 0,2% Tantal und/oder Niob, bis 0,50% Titan, bis 1,5% Kupfer, bis 0,5% Aluminium, bis 0,5% Selen und bis 0,5% Zirkonium einzeln oder nebeneinander, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, enthält

Das Vorkühlen im Bereich der jeweiligen Schweißzone und/oder das Nachkühlen des nieHergebrachten Schweißgutes erfolgt vorzugsweise mit einem fluiden Medium, beispielsweise mit verdüstern Wasser, Luft oder Preßluft, während das Werkstück insgesamt durch eine Zusatzbeheizung, beispielsweise Strahlung oder Konvektion, auf der Haltetemperatur gehalten wird. Dies kann jedoch in optimaler Weise ohne Rücksicht auf die für das gewünschte Gefüge erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Schweißgutes geschehen, da die richtige Abkühlungsgeschwindigkeit unabhängig von der Werkstück- bzw. Haltetemperatur durch Abschrecken des Schweißgutes gewährleistet wird. Hierbei erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine automatische Steuerung der Schweißenergie, der Vorkühltemperatur, der Abkühlungsgeschwindigkeit und der Haltetemperatur des Werkstücks, um optimale Bedingungen zu gewährleisten.

Die Vorkühltemperatur und die Abkühlungsgeschwindigkeit lassen sich nicht nur durch die Menge des jeweiligen KüLlmediums und dessen Strömungsgeschwindigkeit, sondern darüber hinaus auch durch den Abstand der beiden Kühlzonen vom Schweißpunkt und deren Ausdehnung auf der Metalloberfläche einstellen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung des näheren erläutert. In der Zeichnung ist schematisch ein zylindrisches Bauteil 1 dargestellt, das insgesamt aus niedergeschmolzenem Schweißgut oder aus einem vorgefertigten Kern und niedergeschmolzenem Schweißgut besteht. Das Bauteil ist in nicht dargestellter Weise eingespannt und rotiert um seine Längsachse, wobei seine Mantelfläche längs einer Schraubenlinie an einem Schweißkopf 2 vorbeigeführt wird. Im Lichtbogen 3 des Schweißkopfes 2 wird das Schweißgut von einer Elektrode 4 abgeschmolzen und in Form einzelner Schweißraupen 5 aufgebracht Die Schweißraupen bilden Schweißlagen 6,7, aus denen sich das Werkstück 1 ganz oder zum überwiegenden Teil zusammensetzt

Vor dem Schweißkopf 2 befindet sich eine Vorkühlzone 8 und hinter dem Schweißkopf 2 eine Nachkühlzone

ίο 9, innerhalb derer umgrenzte Oberflächenbereiche des Werkstücks 1 bzw. der Schv/eißlagen 7, 6 mit Kühlmedien beaufschlagt werden. Im Werkstück selbst stellt sich infolge einer von den Zonen 8, 9 unabhängigen Kühlung oder Erwärmung die Haltetemperatur Th ein. Von dieser Temperatur wird das Bauteil in der Vorkühlungszone 8 auf die Vorkühltemperatur Tv abgekühlt und schließlich im Schweißpunkt auf die Schweißtemperatur Ts erwärmt Von der Schweißtemperatur 7s wird das Werkstück auf die Temperatur Ta abgeschreckt, wobei sich die Abkühlungsgeschwindigkeit aus der Steigung der Abschreckungskurve 5 ergibt. Am Ende der Nachkühlzone 9 erreicht das Scliweißgut die Abschreckungstemperatur Ta, von der es sich allmählich wieder auf die Haltetemperatur Th erwärmt.

Die Abschreckungstemperatur liegt für ein bainitisches Gefüge wenig unterhalb der Temperatut des Martensitpunktes (Ms).

Bei einem Ausführungsbeispiel ergibt sich für eine Wärmeübergangszar 1 in der Vorkühl- und Nachkühlzone 8, 9 von 5000 kcal/m² · h°C bei einer Temperaturleitzahl des Werkstoffs von 0,025 m²/h, einer Schweißgeschwindigkeit von 1 cm/s und einem Wärmeeinbringen von 20 000Ws/cm bzw. 4,78 kcal/cm für eine Abschreckungstemperatur Ta von 200⁰C in der Vorkühlzone 8 eine Kühldauer von acht bis neun Sekunden entsprechend einer Kühlzonenlänge von 8 bis 9 Zentimetern und in der Nachkühlzone 9 eine Kühldauer von etwa 12 Sekunden entsprechend einer Kühlzonenlänge von etwa 12 Zentimetern.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Anwendung bei den üblichen Abschmeizverfahren, insbesondere zum Lichtbogen- und Plasmaformschweißen mit oder ohne Kern von Großbauteilen, die spannungsfrei auf ein betimmtes, vorzugsweise bainitisches Gefüge eingestellt werden. Das Gefüge wird dabei durch Abschrecken eingestellt. Das Abschrecken kann durch bloßes Vorkühlen, d. h. durch Schweißen auf einer kalten Unterlage und/oder Nachkühlen mit einem Kühlmedium erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Großbauteilen durch Lichtbogen- oder Plasmaformschweißen, bei dem das Schweißgut kontinuierlich zeilen- und schichtweise niedergeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während des Schweißens auf einer Temperatur von 200 bis 650°C gehalten und das Schweißgut unter den Martensitpunkt örtlich abgeschreckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzone vor dem jeweiligen Schweißpunkt örtlich vorgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißgut nach dem Niederschmelzen örtlich nachgekühlt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück auf mindestens 500⁰C gehalten wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißgut auf 300° C oder darunter abgeschreckt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißgut auf ein bainitisches Gefüge abgeschreckt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorkühlen und/oder Nachkühlen mit einem fluiden Medium erfolgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück durch eine Zusatzbeheizung auf der Haltetemperatur gehalten wird.