DE2439862A1

DE2439862A1 - Schweissverfahren, abschmelzende elektrode zur durchfuehrung des verfahrens sowie stahllegierung zur herstellung der elektrode

Info

Publication number: DE2439862A1
Application number: DE2439862A
Authority: DE
Inventors: Allan Clark; Philip Robert Kirkwood
Original assignee: British Steel Corp
Current assignee: British Steel PLC
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1975-04-17
Also published as: NO742947L; FR2241623A1; JPS5072840A; IT1016836B; SE410716B; FR2241623B1; NL179982B; NL7410995A; DE2439862C2; NL179982C; BE818983A; NO139311B; GB1475072A; SE7410508L; NO139311C

Description

Sohweißverfahren, abschmelzende Elektrode zur Durchführung des Verfahrens sowie Stahllegierung zur Herstellung der Elektrode

Die Erfindung bezieht sich auf Schweißen, insbesondere Schweißen mit verdecktem Lichtbogen und auf ähnliche Schweißtechniken sowie auf eine Stahllegierung, die zur Verwendung als abschmelzende Elektrode im Schweißverfahren geeignet ist.

Das Schweißen mit einem verdeckten Lichtbogen ist eine gut bekannte Technik, bei der der Schweißlichtbogen zwischen einer abschmelzenden Elektrode und dem Substrat-Metall unter einem Flußmittel erzeugt wird, das dem Schweißvorgang als granuliertes Material zugeführt wird, das jedoch bei den beim Schweißvorgang vorherrschenden Temperaturen geschmolzen wird. Die endgültige Zusammensetzung der Schweißstelle ist hauptsächlich durch die einzelnen Zusammensetzungen der abschmelzenden Elektrode, des. Flußmittels und des verschweißten Metalls bestimmt.

Der wesentliche Faktor ist die Zusammensetzung der abschmelzenden Elektrode, doch erfolgt ein ständiger- Austausch der Elemente

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zwischen dem geschmolzenen Flußmittel und dem Schweiß-Schmelzbad und die dem Schmelzverfahren innewohnende hohe Energiezufuhr ergibt eine Verdünnung des Schweißschmelzbades durch Metall von dem geschweißten Material in einem Ausmaß, das von der Art der Schweißverbindung und der tatsächlich auftretenden Energiezufuhr abhängt.

Ein spezielles Problem beim Schweißen von Stahl mit verdecktem Lichtbogen war die Kerbfestigkeit oder Kerbzähigkeit des erzeugten Schweißmetalls. Die niedrigen Werte der früher erzielbaren Kerbfestigkeit wurden schrittweise durch die Verwendung von vollständiger deoxidierten abschmelzenden Elektroden verbessert, die verschiedene Legierungselemente, beispielsweise Molybdän und Nickel einschlossen· Weiterhin führte die Entwicklung von sauren Flußmitteln, bei denen die Gefahr einer Einführung von Silicium und Mangan in das Schweiß-Schmelzbad bestand, zu vollständig basischen Flußmitteln, die eine sauberere Schmelze mit geringerem Schwefelanteil, Phosphoranteil und Restsauerstoff ergeben.

Trotz dieser Verbesserungen der Schweißverfahren sind die erzielbaren Werte der Kerbzähigkeit nicht in allen Fällen ausreichend, beispielsweise beim Verschweißen von hochfesten mikro-legierten Baustählen, wie z.B. von Stählen vom Typ BS 4j56O Grade 50 D (entspricht im wesentlichen DIN I7IOO st 52-3 jedoch mit heilerem Vanadium- und Niobiumgehalt) bei der Konstruktion von von der Küste entfernten ölplattformen für die Nordsee. Eine Forderung bei dieser Verwendung besteht darin, daß das Metall der Schweißnaht sehr starken Verschlechterungen seiner Eigenschaften während thermischer Nachbehandlungen nach dem Schweißen widerstehen muß, wie z.B. dem Entspannungsglühen (isothermische Behandlung für eine Stunde pro 25,4 mm Dicke bei ungefähr 600°C) oder Normalglühen (austenitisieren bei ungefähr 850⁰C für eine Stunde pro 25,4 mm der Dicke, worauf eine Luftkühlung folgt).

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Verschweißungen, die mit der zur Zeit zur Tirfügung stehenden abschmelzenden Elektroden durchgeführt werden, führen in vielen Fällen zu einer Verschlechterung, insbesondere während des Normalglühens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren, eine abschmelzende Elektrode zur Durchführung dieses Verfahrens sowie eine Stahllegierung zur Herstellung der Elektrode zu schaffen, bei der diese Nachteile vermieden sind.

Erfindungsgemäß wird eine Stahllegierung geschaffen, die zur Herstellung einer abschmelzenden Schweißelektrode geeignet ist und die einen niedrigen Kohlenstoff- und SiIi ciumgehalt aufweist und Titan, Bor und Molybdän als wesentliche Komponenten enthält. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Stahllegierung mit ungefähr der folgenden prozentualen Zusammensetzung geschaffen, obwohl bemerkt sei, daß die nachstehend angegebenen Bereiche in einigen Fällen erweitert werden können:

Kohlenstoff 0.I5 % maximal, vorzugsweise

0.10 % maximal

Mangan 0.5 - I.5 %

Silicium 0,03 - 0.10 %

Molybdän 0,2 - 0.6 %

Aluminium 0.05Ji maximal

Titan 0.03 - 0.05 $

Bor 0.02 - 0.08 %

Schwefel und Phosphor Jeweils 0.04 $> maximal, vorzugsweise

0.03 % maximal Eisen und zufällige
Verunreinigungen Rest.

Die Menge des vorhandenen Mangans ist entsprechend der gewünschten Festigkeit des endgültigen Schweißmetalls gewählt.

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Es kann vorzuziehen sein, einen Molybdän-Anteil von zumindestens 0.3Ji zu haben, um eine ausreichende Wirkung dieses Elementes zu erzielen.

Das Aluminium ist lediglich infolge seiner Verwendung als deoxydierendes Mittel bei der Stahlherstellung vorhanden. Es ist aus diesem Grund normalerweise in einer Menge von zumindestens 0.02$ vorhanden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Aliminiumanteile unterhalb von 0.025$ und Insbesondere von 0.02$ und weniger, bessere Eigenschaften der Schweißstelle ergeben.

Der Titan-Anteil ist sehr wesentlich, weil er eine zusätzliche Deoxydation des Schweiß-Schmelzbades ergibt, die Bildung von kleineren körnigen Einschlüssen fordert und das vorhandene Bor gegen die Wirkung von Sauerstoff und Stickstoff schützt.

Eine gewisse Menge des Bors muß unkombiniert vorhanden sein. Es ist vorzuziehen, daß das unkombinierte oder freie Bor in einer Menge von zumindestens 0.0002$ vorhanden sein sollte. Die tatsächliche minimale Menge des gesamten Bors, das in der Stahllegierung vorhanden sein muß wird daher von der Menge abhängen, die mit Sauerstoff und Stickstoff kombiniert sein wird, es sei Jedoch bemerkt, daß eine minimale Menge von 0.002$ Bor üblicherweise zur Folge hat, daß eine ausreichende freie Bor-Menge in der Stahllegierung verbleibt. Entsprechend sind niedrige Werte von Sauerstoff und Stickstoff in dem Stahl erstrebenswert.

Die Art des Verfahrens zur Herstellung des Stahls wird als unwesentlich betrachtet. Es ist vorzuziehen, eine Stahllegierung herzustellen, in der Aluminium, Titan und Bor fehlen und diese Elemente darauffolgend in dieser Reihenfolge hinzuzufügen. Der Stahl wird beruhigt oder deoxydiert, insbesondere mit Hilfe des Aluminiums, das Titan kann einen großen Teil irgendeines Rest-Sauerstoffs entfernen und Bor wird dann abschließend hinzugefügt.

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Erfindungsgemäß wird weiterhin eine abschmelzende Schweißelektrode geschaffen, die ein Draht oder Stab ist» der aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung hergestellt ist und vorzugsweise mit einem dünnen Kupferüberzug versehen ist· Die abschmelzende Elektrode in der Form eines Drahtes oder Stabes kann in zweckmäßiger Weise an den Schweißplatz gebracht werden. Der Kupferüberzug verbessert den elektrischen Kontakt zwischen dem Draht und der elektrischen Leistungsversorgung und schützt weiterhin den Draht gegen eine Korrosion.

Der Draht weist vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 1 und 8 mm auf. Die Menge des Kupferüberzugs auf dem Draht beträgt vorzugsweise bis zu 0.15 Gewichtsprozente des Drahtes wobei die praktische obere Grenze durch die Menge festgelegt ist, die zur Folge hat, daß die in das Schweißmetall überführte Kupfermenge eine nachteilige Wirkung auf die Eigenschaften des Schweißmetalls ausübt.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Schweißverfahren, insbesondere zum verdeckten Lichtbogenschweißen oder zum Elektroschlacke-Schweißen geschaffen, bei dem die abschmelzende Elektrode aus < der erfindungsgemäßen Stahllegierung besteht oder die Form eines Drahtes oder Stabes aus einer derartigen Stahllegierung aufweist. Das Schweißverfahren ist im übrigen konventionell.

Wenn das verwendete Flußmittel ein saures Flußmittel ist, haben das Titan und das Bor eine Neigung, sich zu oxydieren und das Silicium und das Mangan neigen dazu, von dem Flußmittel in das Schweiß-Schmelzbad überzugehen. Es wird daher ein basisches Flußmittel bevorzugt, um die Oxydation und die Übertragung von Silicium und Mangan zu verringern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen noch näher erläutert, bei denen jeweils zwei Platten aus dem bereits eingangs erwähnten Stahl BS 4360/50 D durch verdecktes Lichtbogen-

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schweißen unter Verwendung eines im Handel erhältlichen basischen Flußmittels miteinander verbunden wurden, das die folgenden .Bestandteile in den nachfolgend angegebenen Prozentzahlen enthält: SiO₂ : 13,7g, MnO : 0,1g, Fe₃O₅ : 1,29g, Al₂O₃ : .19,6g, CaO : 12,58g, MgO : 29,Og, TiO₂ : 0,5g, K₃O : 0,76g, Na₂O : 0,42g, CaFg : l8,0g, LiO₃ : 0,22g, Zr₃O₃ : 1,58g.

Die Plattendicke der Stahlplatten betrug 38,1 mm.

Ein Satz von Verschweißungen wurde mit einem allgemein verwendeten Im Handel erhältlichen Schweißdraht ausgeführt, der als Schweißdraht CA bezeichnet wird und weitere Sätze von Verschwelssungen erfolgten mit AusfUhrungsformen von Schweißdrähten mit der Bezeichnung A, B, C, D, E und F entsprechend der. Erfindung.

Die Bestandteile des Schweißdrahtes CA waren : C : 0,09 - O₄15g, Mn : 1,45 - 1,7g, Si : 0,15 - 0,35g, Mo : 0,15g, Al : 0,02g max, S : 0,03Qg max, P : 0,030g max.

Die Analysen der Schweißdrähte A bis F sind in der Tabelle 1 gezeigt.

Die Zusammensetzung der verwendeten Test-Stahlplatten war: C : 0,145g, Mn : 1,25g, Si : 0,42g, Mo : 0,025g, Nb : 0,031g, S : 0,022g, P : 0,015g.

Typische Untersuchungen und Zusammensetzungen des Metalls der Schweißstelle bei den durchgeführten Verschweißungen sind in Tabelle 2 gezeigt. Alle Schweißvorgänge erfolgten mit einem Gleichspannungs-Lichtbogen wobei die Polarität der abschmelzenden Elektrode positiv war, obwohl Schweißvorgänge mit negativer Elektrode ebenfalls möglich sind. Die Wärmezufuhr betrug 2,83 KJ/mm für die Schweißdrähte A,C,D,E und F und 6,42 KJ/mm für den Schweißdraht B. Die Schweißvorgänge mit dem im Handel erhältlichen Sehweißdraht CA erfolgten in einem Bereich von Wärmezufuhren zwischen 2,8 und KJ/mm»

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TABELLE 2

CM CO. CO

CO CSl

I OO

TYPISCHE ZUSAMMENSETZUNGEN DES METALLS DER SCHWEISS-STELLE

Schweiß draht	C	.13	Si	Mn	Mo	Ti	B	-	Al .	N
CA	.086	.3	1.4	".1	-	.0023	.005	.0082
A	.093	.22	.91	.34	.010 ·	.0014	<.005	.0076
B	.062	.21	.96	.36	.010	.0014	.017	.0075
C	.070	.13	1.08	.52	.013	.0007	.016	.οοεο
D	.066	.24	.99	.18	.005	.001O	.029	.0154
ε	.055	.23	.93	.28	.006	.0005	.024	.0157
F	.13	.81	N.D.	.017	.019	.0079

OO CD O

CD CO

cn

Die mit dem im Handel erhältlichen Schweißdraht CA und mit den Schweißdrähten A, B, C, D und E durchgeführten Verschweißungen wurden auf Kerbfestigkeit (mit Hilfe des Charpyschen V-Kerbverfahrens) im Zustand unmittelbar nach dem Schweißen und im entspannten Zustand untersucht. Mit den Schweißdrähten B und P durchgeführte Verschweißungen wurden außerdem in der gleichen Weise im normalgeglühten Zustand untersueht. Die in der Anlage beigefügten Zeichnungen zeigen graphisch die erzielten Kerbsehlagfestigkeitseigenschaften.

Figur 1 zeigt die Streuung der Ergebnisse für die Schweißdrähte A, B und C verglichen mit der Streuung der Ergebnisse für den Schweißdraht CA nach Aufbringen der Schweißnaht.

Figur 2 zeigt die Streuung der Ergebnisse für die gleichen miteinander verglichenen Schweißdrähte im entspannten Zustand.

Figur 5 zeigt die Streuung der Ergebnisse für die Schweißdrähte D und E verglichen mit der Streuung der Ergebnisse für den Schweißdraht CA im Zustand nach dem Aufbringen der Schweißnaht.

Figur 4 zeigt die Streuung der Ergebnisse für die gleichen verglichenen Drähte in dem entspannten Zustand.

Figur 5 zeigt die mit den Schweißdrähten B und P erzielten Ergebnisse im normalgeglühten Zustand.

Die Unterschiede zwischen den Schweißdrähten A, B und C einerseits und den Schweißdrähten D und E andererseits im Zustand nach dem Aufbringen der Schweißnaht und im entspannten Zustand dürften sich in wesentlichem Ausmaß aufgrund der Tatsache ergeben, daß der Aluminiumanteil der ersteren Drähte nicht mehr als 0,02# beträgt, während der der letzteren Drähte ungefähr bei 0,Q3# liegt.

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Es 1st zu erkennen, daß überragende Ergebnisse mit den erfindungsgemäßen Schweißdrähten erzielt wurden, insbesondere im entspannten und- normalgeglühten Zustand« wobei in diesen Zuständen die Eigenschaften gegenüber dem Zustand nach Aufbringen der Schweißnaht bei allen Testtemperaturen verbessert waren.

Eine gegenwärtig geltende Spezifikation für Verschweißungen auf diesem Material für Nordsee-ölplattformen fordert eine Kerbfestigkeit bei minus 20° von 27 J (20 ft. Ib.). Mit den üblichen Schweißdrähten wird diese Forderung gerade erfüllt und kleine Änderungen oder Fehler könnten zur Zurückweisung der Verschweissungen als unter den Forderungen liegend führen. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schweißdrähte können Werte der Kerbfestigkeit der Verschweißung erzielt werden« die weit über denen der grundlegenden Stahlplatten liegen. Es ist zu erkennen« daß die erfindungsgemäßen Schweißdrähte selbst für die Verwendung bei Tief sttemperaturstählen geeignet sind und zwar aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften der erzielten Verschweißungen bei niedrigen Temperaturen.

Zugfestigkeitseigenschaften einiger der Verschweißungen sind in der Tabelle 3 gezeigt.

Patentansprüche: 509816/06*1

CN
.<£>
OO
CD CO

TABELLE 5

ZUGPESTIGKEITSEIGENSCHAPTEN

Schweiß draht	' .Zustand	0,2$ Prüfbean spruchung (N/mm²)	UTS₉ (N/mr/)	Dehnung {%)	Durchschnitts verminderung
A	nach Schweißen	565	597	24	68
A	entspannt	531	583	26	70
B	nach Schweißen	505	590	23	70
C	nach Schweißen	511	573	26	69
C	entspannt	463	523	28	77
D	nach Schweißen .	487	558	28	68
D	entspannt	531	592	23	65
E	nach Schweißen	538	613	27	64
E	entspannt	426	528	27	69
F	nach Schweißen	450	528	26	73
F	entspannt	432	499	29	75

CO <Ω O

Claims

Patentansprüche

1. Stahllegierung,
gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Kohlenstoff: 0,15$ maximum

Mangan: 0,5 - 1,5#

Silicium: 0,03 - 0,10#

Molybdän: 0,2 - 0,6#

Aluminium: 0,05$ maximum

Titan: 0,03 - 0,05#

Bor: 0,002 - 0,008#

Schwefel: 0,04$ maximum

Phosphor: 0,04$ maximum

Eisen und zufällige
Verunreinigungen: Rest.

2. Abschmelzende Stahlschweißelektrode in Form eines Drahtes oder Stabes, der vorzugsweise mit einem dünnen Kupferüberzug versehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung der abschmelzenden Elektrode folgende Zusammensetzung aufweist:

Kohlenstoff: 0,15# maximum

Mangan: 0,5 - 1,5#

Silicium: 0,03 - 0,10Ji

Molybdän: 0,2 - 0,6#

Aluminium: 0,05# maximum

Titan: 0,03 - 0,05#

Bor: 0,002 - 0,008$

Schwefel: 0,04# maximum

Phosphor: 0,04# maximum Eisen u.zufällige Verunreinigungen: Rest.

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3. Verfahren zum Verschweißen von Stahl mit einer abschmelzenden Schweißelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektrode ein Stahldraht oder -stab mit der folgenden Zusammensetzung ist:

Kohlenstoff: 0,150 maximum

Mangan: 0,5 .- 1*50 .

Silicium: 0,03 - 0,100

Molybdän: 0,2 - 0,60

Aluminium: ' 0,050 maximum

Titan: 0,03 - "0/050

Bor: 0,002 - 0,0080

Schwefel: O,O40 maximum

Phosphor: 0,040 maximum

Eisen und zufällige
Verunreinigungen: " Rest.

4. Verfahren zum verdeckten Lichtbogenschweißen von Stahl,

dadurch gekennzeichnet, daß eine abschmelzende Stahl-Schweißelektrode mit folgender Zusammensetzung

Kohlenstoff: 0,150 maximum

Mangan: 0,5 - 1,50

Silicium: 0,03-0,100

Molybdän: 0,2-0,60

Aluminium: 0,050 maximum

Titan: 0,03 - 0,050

Bor: 0,002 « O,OO80

Schwefel: 0,040 maximum '

Phosphor: 0,040 maximum

Eisen und zufällige Verunreinigungen: Rest, unter einem einem basischen Flußmittel abgeschmolzen wird·

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5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet» daß die hergestellte Verschweißung darauffolgend entspannt oder normal geglüht wird, um die Kerbfestigkeit zu vergrößern.

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