DE2458634A1

DE2458634A1 - Verfahren zum schweissen eines niedrig legierten niobiumhaltigen stahls

Info

Publication number: DE2458634A1
Application number: DE19742458634
Authority: DE
Inventors: Jun James Mumford Sawhill
Original assignee: Amax Inc
Current assignee: Cyprus Amax Minerals Co
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1975-10-09
Also published as: NL7503979A; SE7500660L; FR2272786A1; US3860777A; JPS50131640A; GB1490772A; ATA253275A; CA1022778A

Description

Verfahren zum Schweißen eines niedrig legierten niobiumhaltigen Stahls

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines metallischen Grundwerkstoffes in Form eines niedrig legierten niobiumhaltigen Stahls*

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet für, aber nicht notwendigerweise beschränkt auf ein Verfahren zum Schweißen von hochfesten niedrig legierten niobiumhaltigen Stählen,die für die Herstellung von Rohren für den Transport von Rohöl, Raffinerieprodukten,Erdgas und dergleichen geeignet sind. Die in der letzten Zeit entwickelten hochfesten mit Molybdän legierten Stähle, die Niobium enthalten, sind besonders für die Herstellung von Rohren für Transportleitungen geeignet, da sie eine ausgezeichnete Streckgrenze zusammen mit hoher Zähigkeit bei tiefen Temperaturen aufweisen (yield strength and toughness). Typisch für solche niedrig legierten Stähle sind die sogenannten Perlit-reduzie*rten Molybdän-

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Niobium-Stähle, die etwa 0,08 % Kohlenstoff, 1,45 % Mangan, o,2 % Molybdän und o,o5 % Niobium enthalten. Diese Stähle, sind gekennzeichnet durch eine feinkörnige polygonale Ferrit-Mikrostruktur, die kleine Bereiche von Perlit und Hochbainit (upper bainite) aufweist, welche zu der ausgezeichneten Streckgrenze beitragen. Allgemein ist die Streckgrenze größer als 7o.ooo PSI. Andere derartig niedrig legierte Stähle sind die sogenannten Perlit-freien Mangan-Molybdän-Niobium-Stähle, die in etwa o,o5 % Kohlenstoff, 1,8 % Mangan, o,3 % Molybdän und 0,06 % Niobium enthalten und durch eine im wesentlichen azirkulare Ferrit-Matrix und durch eine gewisse Menge feinkörniger polygonaler Ferrite gekennzeichnet sind, wobei die Struktur von den besonderen Bedingungen bei der Herstellung des Grundwerkstoffes abhängt. Streckgrenzen im Bereich von 7o.ooo PSI bis über 9o.ooo PSI sind für solche niedrig gekohlte Mangan-Molybdän-Niobium-Stähle typisch, wobei die einzelne Streckgrenze von der Warmwalz-Geschichte und dem nachfolgenden Altern oder Expandieren bei der Herstellung des Rohrmaterials abhängig ist. Niedrig legierte Stähle der vorstehend genannten Art mit einer azirkularen Ferrit-Mikrostruktur sind genauer in der amerikanischen Patentschrift 3 726 7 23 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung beschrieben und ihr Inhalt wird hiermit zum Teilinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Trotz der extrem guten mechanischen Eigenschaften derartiger mit Molybdän legierter warmgewalzter niedrig legierter Stähle mit einem gewissen Niobiumgehalt für die Herstellung von Rohren für Transportleitungen ist der Einsatz dieser Grundwerkstoffe doch

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jbeschränkt, da das Vorhandensein des Niobiums in dem Grundstahl

beim Aufbau einer Schweißverbindung zu einer Versprödung des jSchweißguts führt, so daß ein Einsatz derartiger Stähle in noch !größerem Umfange bisher nicht möglich war. Die negative Auswirkung des Niobiums in der Schweißraupe bei dem beschriebenen iStahl, aber auch bei anderen niobiumhaltigen Stählen, tritt normalerweise dann auf, wenn die Niobium-Konzentration größer wird als ungefähr o,ol %., und führt zu einer signifikanten Verringerung der ;Zähfestigkeit der Schweißverbindung bei niedrigen Temperaturen, was von einem Anstieg der Temperatur des Streckbar-Spröde-Übergangs (ductile-to-brittle transition) bei Schlagbeanspruchung begleitet ist. Die auftretenden Probleme werden immer schwerer, wenn Schweißverfahren mit hoher Wärmezufuhr verwendet werden, bei denen der Grundwerkstoff in größerem Maße erschmolzen wird und die letztlich erreichte Schweißraupe in hohem Maße mit dem niobiumhaltigen Grundstahl verdünnt wird.

Der besondere Mechanismus, nach dem das Niobium ein Verspröden

;der Schweißraupe bzw. der Ausschweißung hervorruft, stellt keinen

!Teil der Erfindung dar; es wird jedoch angenommen, daß der Versprödungseffekt in erster Linie aus einer Modifikation der Mikrojstruktur der Schweißraupe besteht. Eine Möglichkeit ist darin j zu sehen, daß das Niobium zu einer Ausscheidungshärtung führt j und das sich daraus ergebene Anwachsen der Härte von einer Abnahme der Zähfestigkeit begleitet ist. Andererseits ist es möglieh, daß die Anwesenheit des Niobiums zu einer Vergröberung der Bainit-Struktur führt, die eine niedrigere Zähigkeit als '

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die feine Bainit-Struktur ohne Niobium aufweist.

Unabhängig von dem besonderen Mechanismus ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das das Auftreten einer schädlichen Niobium-Versprödung, die bei dem Verschweißen niedrig legierter niobiumhaltiger Stähle bisher aufgetreten ist, vermeidet, so daß Schweißverbindungen und verschweißte Gefüge auf ökonomische Weise hergestellt werden können, die überragende mechanische Eigenschaften aufweisen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der mehr als ungefähr o,o2 % Niobium enthaltende metallische Grundwerkstoff in dem Schweißverbindungsbereich erwärmt wird derart, daß wenigstens ein teilweises Schmelzen des Grundmetalls und die Bildung von flüssigem Schweißgut erfolgt, und daß in das flüssige Schweißgut in einer zu einer Legierungsbildung führenden Weise ein zusätzliches Metall aus der Gruppe: Titan, Vanadium oder Mischung derselben eingeführt wird, wobei das zusätzliche Metall in einer Menge eingesetzt wird, die für eine verbleibende Konzentration in der erzeugten und erhärteten Ausschweißung (Schweißraupe) im Verhältnis zu dem in der Ausschweißung vorhandenen Niobium gemäß·folgender Beziehung ausreicht:

2,5 χ %Ti + o,i* χ %V = (o,5 bis 2,o) χ %Nb.

Auf diese Weise werden Ausschweißungen bzw. Schweißraupen möglich, die eine erhöhte Festigkeit und Zähigkeit im Vergleich zu den aus den bisherigen Verfahren bekannten Schweißraupen aufwei-

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sen. Für das Verfahren ist das Einbringen genau überwachter Mengen von Titan oder Vanadium oder Mischung der beiden Metalle in das geschmolzene Schweißgut wesentlich, wobei die Zugabe in genauer Beziehung zur Konzentration des vorhandenen Niobiums steht, so daß der schädliche Versprödungseffekt des Niobiums überwunden wird. Die Art und Weise, wie das zusätzliche Titan und/oder Vanadium in das Schwoißgut eingeführt werden, kann in Abhängigkeit von der verwendeten Schweißtechnik variieren, um die Zugabe möglichst einfach zu gestalten und eine wirtschaftliche Herstellung der Schweißverbindungen zu ermöglichen.

Vorzugsweise werden die beiden zusätzlichen Elemente zusammen mit anderen .Legierungsbestandteilen in einem erschmelzbaren Schweißdraht bzw. in einer solchen Elektrode eingebaut, von der ein Teil erschmolzen urid vollständig mit einem Teil des metallischen Grundwerkstoffes legiert wird, so daß die Zusammensetzung der verfestigten Schweißraupe sowohl von dem Grundwerkstoff als auch dem Zusatzwerkstoff bestimmt wird. Die Konzentration der Zusatzmetalle: Vanadium und/oder Titan in dem Zusatzwerkstoff wird gesteuert unter Berücksichtigung des Ausmaßes der Verdünnung des Zusatzwerkstoffes durch den Grundwerkstoff und die tatsächliche Ausbeute der Zusatzmetalle als metallische Legierungsbestandteile in der fertigen Schweißraupe.

Die Konzentration von Vanadium kann in dem weiten Bereich von ungefähr dem 1,2-bis zum fünffachen des Prozentsatzes des in der Schweißraupe vorhandenen Niobiums variiert werden, während die

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Titan-Konzentration im Bereich von ungefähr dem o, 2-fachen bis zum 0,8-fachen des vorstehend genannten Niobiumprozentsatzes . variiert werden kann. Dies ergibt sich aus der vorstehend aufgeführten' Gleichung, wenn eines der beiden Zusatzmetalle Titan und Vanadium nicht eingesetzt und danach die verbleibenden Vorfaktoren umgerechnet werden derart, daß der Prozentsatz des Zusatzmetalls den Vorfaktor 1 bekommt.

Weitere auf das Verfahren gerichtete Unteransprüche betreffen
besondere Ausgestaltungen des Verfahrens.

Die Erfindung ist also nicht nur auf das Verfahren, sondern auch auf das Verfahrensprodukt, d.h. auf ein zusammengeschweißtes Gefüge gerichtet; darüber hinaus richtet sich die Erfindung aber auch auf Zusammensetzungen für erschmelzbare Schweißelektroden oder Schweißdrähte, die insbesondere für den Einsatz bei Schweißtechniken mit verdecktem Lichtbogen und ein oder mehreren Elektroden geeignet sind, bei denen die Verdünnung der Schweißraupe
durch den metallischen Grundwerkstoff normalerweise im Bereich von 6o % bis ungefähr 7o % liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben werden. Es zeigt:

Figur 1 einen vertikalen Teillängsschnitt durch eine Anordnung zum Verschweißen zweier Metallplatten aus dem

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Grundwerkstoff in einem Schweißverfahren mit verdecktem Lichtbogen längs, der Linie 1 - 1 in Figur 2,

Figur 2 einen vertikalen Teillängsschnitt durch die miteinander zu verschweißenden Grundplatten gemäß Figur 1 längs der Linie 2-2 in Figur 1 und

Figur 3 einen vertikalen Teilschnitt durch die beiden miteinander verschweißten Grundplatten und die ausgebildete Schweißraupe gemäß Figur 1 längs der Linie 3-3 in Figur 1.

Die verschiedenen Zusammensetzungen der Grundplatte, des Elektroden- oder Füllmaterials, des geschmolzenen Schweißguts und der letztendlich erhaltenen verfestigten Aussschweißung sind in folgenden in Gewichtsprozenten der einzelnen Bestandteile bezogen auf die Gesamtzusammensetzung angegeben, solange nicht das Gegenteil angezeigt ist.

In den Figuren ist eine Anordnung für ein zweistufiges (doublepass) verdecktes Lichtbogenschweißen mit einer einzigen Elektrode dargestellt, von der festgestellt wurde, daß sie für das Verschweißen von hochfesten niedrig legierten Grundmetallen mit einem Niobiumgehalt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Es sollte aber klar sein, daß jede beliebige Schweißtechnik, bei der eine gewisse Menge des Grundmetalls erschmolzen wird, auch mit Vorteil bei der Durchführung des erfindungsgemäßen

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Verfahrens eingesetzt werden kann. Als typische dieser anderen ebenfalls zufriedenstellend arbeitenden Schweißtechniken sollen hier erwähnt werden: Gasmetallichtbogenschweißung (entweder automatisch oder halbautomatisch), Schutzgaslichtbogenschweißung, Schweißen mit Seelendrähten oder dergleichen. Das zweistufige Schweißen mit verdecktem Lichtbogen führt insbesondere dann zu zufriedenstellenden Ergebnissen, wenn Längs- oder Spiralschweißverbindungen bei der Herstellung von Rohrfernleitungen aufgebaut werden sollen. Da der Begriff "pipeline" auch in den deutschen Sprachgebrauch eingegangen ist, wird im folgenden dieser Ausdruck verwendet.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist (vergleiche insbesondere Figur 2) werden die aneinanderstoßenden Kanten zweier miteinander zu verschweißender Grundplatten Io und 12 abgeschrägt wie es durch das Bezugszeichen 14 dargestellt ist, so daß eine sich in Längsrichtung erstreckende Nut von V-förmigem Querschnitt gebildet wird. Das freie Ende einer abschmelzenden Schweißelektrode 16 bzw. eines solchen Schweißdraht erstreckt sich in eine Lage, die von den Schrägflächen 14 der Nut einen gewissen Abstand besitzt. Zwischen dem Grundmetall und der Elektrode baut

18 ! sich ein in den Figuren 1 und 2 dargestellter Lichtbogen auf, der gleichzeitig das Grundmetall und das Elektrodenfüllmetall schmilzt, so daß sich das in der Figur 1 mit 2o bezeichnete erschmolzene Schweißgut bildet. Die Schweißelektrode 16 ist von einem .Schweißelektrodenhalter 22 gehalten, der die Elektrode während ihrer ,

! Bewegung von links nach rechts in Pfeilrichtung in der Figur 1

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abstützt. Es ist natürlich klar, daß mehrere Baugruppen bestehend aus Schweißelektrodenhalter und Schweißelektrode in Längsrichtung auf Abstand angeordnet eingesetzt werden können, bei denen entweder Gleich- oder Wechselstrom zum Aufbau der Lichtbögen verwendet, wird, um ein geschweißtes Gefüge mit den gewünschten Eigenarten und eine gewünschte Fabrikationsgeschwindigkeit zu erzielen.

Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen wird das untere Ende der Elektrode als auch der gesamte Bereich der Schweißverbindung von einem pulverförmigen Flußmittel 24 (particulated flux) überdeckt, in dem der Lichtbogen und das erschmolzene Schweißgut eingetaucht sind, um eine Oxidation der Metallbestandteile bei den hohen Temperaturen zu verhindern, wie sie bei dem Schweißen auftreten. Ein Teil des Flußmittels sintert bei den hohen Temperaturen zu einer Schlaekenschicht 26 zusammen, wie sie in den Figuren 1 und 3 dargestellt ist; diese Schlackenschicht schützt das erschmolzene Schweißgut, bis sich dieses zu einer Ausschweißung bzw. Schweißraupe 28 verfestigt hat. Danach wird die Schlackenschicht 26 von der Oberfläche der Schweißverbindung entfernt. Nach dem Aufbau der Schweißraupe auf der einen Seite der Grundplatte Io und 12 wird in einem nächsten Schweißgang auf der anderen Seite der beiden Platten Io und 12, an denen entsprechende Schweißkanten 14 ausgebildet sind, eine zweite Schweißraupe ausgebildet, die mit der Schweißraupe 28 vergleichbar ist. Diese zweite Schweißraupe ist nicht dargestellt.

- Io -

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- Io -

Es wird aus den Figuren klar, daß die Schweißraupe von einer Legierung gebildet wird, die aus den in dem Grundwerkstoff vorhandenen Bestandteilen und den Bestandteilen besteht, die in der schmelzbaren Elektrode bzw. dem Zusatzwerkstoff vorhanden sind. Die durch den elektrischen Bogen in dem erschmolzenen Schweißgut 2o ausgelösten Turbulenzen führen zu einer Schweißraupe, die über ihr ganzes Volumen eine im wesentlichen gleichmäßige Legierungszusammensetzung aufweist. Typischerweise führt das Schweißen mit verdecktem Lichtbogen gemäß der in den Figuren gezeigten Anordnung dazu, daß die Schweißraupe ungefähr 60 bis 7o % des Grundwerkstoffes, üblicherweise 65 % enthält, und der Rest vom Zusatzwerkstoff gebildet wird.

Der Zusatzwerkstoff kann ein beliebiger hochfester niedrig legierter Stahl sein, der Niobium in einer solchen Konzentration enthält , daß während des Schweißens der Grundwerkstoff den eingesetzten Zusatzwerkstoff in einem solchen Maße verdünnt, daß die fertige Schweißraupe wenigstens o,ol % Niobium enthält. Die Niobium-Konzentration in der Schweißraupe als Ergebnis der Verdünnung des Grundwerkstoffes kann bis zu o,12 % und mehr betragen, wobei der vorhandene Wert von der Art des eingesetzten niedrig legierten Stahls und der verwendeten Schweißtechnik abhängt. Jedenfalls wurde festgestellt, daß Niobium-Konzentrationen größer als o,ol % in der Ausschweißung zu schadhafter Versprödung und zum Festigkeitsverlust in dem geschweißten Gefüge führen, was aber durch die Zugabe von überwachten Mengen von Titan und/oder Vanadium als Funktion des Niobium-Gehalts vermieden werden kann.

- U-

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Während bereits insAuge fallende Verbesserungen bei einem Stahl mit einem Niobiumgehalt von o,o2 % erzielt werden, treten die Vorteile der Erfindung ganz besonders dann deutlich hervor, wenn als Grundwerkstoff ein Stahl mit o,o5 % Niobiumgehalt und mehr verwendet wird.

Hochfeste niedrig legierte Stähle mit einem Niobiumgehalt von o,o5 % und mehr sind besonders für die Herstellung von Rohren für Pipelines geeignet. So ist dann auch die Erfindung insbesondere auf das Verschweißen von Rohren aus derartigen Stählen gerichtet, da die so aufgebaute Pipeline hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist.

Bei der Durchführung der Erfindung wird also ein hochfester niedrig legierter niobiumhaltiger Stahl zusammen mit einem Zusatzwerkstoff verschweißt derart, daß eine Schweißraupe aufgebaut wird, die die in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführten Bestandteile aufweist:

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TABELLE 1

Zusammensetzung der Schweißraupe

Gewichtsprozent

Bestandteil	möglicher	Bereich	bevorzugter Bereich
Niobium	o,öl -	o,12	o,öl - o,o8
Mangan	ο,5	3,ο	1,2 - 2,2
Molybdän	ο,Ι -	1,5	o,3 - ο ,6
Kohlenstoff	o,o2 -	o,15	o,o5 - o,l
Titan/Vanadium	(a)		(b)
Nickel	bis zu	3,ο	0,75 - 1,75
Kupfer	bis zu	o,6	bis zu ο,4
Silizium	bis zu	o,6	bis zu o,4
Chrom	bis zu	l,o	bis zu o,4
Phosphor	bis zu	o,o3	weniger als o,ol
Schwefel	bis zu	o,o3	weniger als o,ol

Eisen

Rest

2,5 χ %Ti + ο,4 χ %V = (ο,5 bis 2,ο) χ %Nb
2,5 χ %Τχ + ο,4 χ %V = (ο,75 bis 1,5) χ %Nb

Zusätzlich zu dem aus dem Grundwerkstoff stammenden Niobium enthält die Schweißraupe bzw. Ausschweißung weiterhin genau vorgegebene Mengen an Mangan, Molybdän, Kohlenstoff über die zusätzlichen Metalle Titan und/oder Vanadium hinaus, wobei der Rest im
wesentlichen aus Eisen und aus geringen Mengen an Kupfer,

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Silizium, Chrom, Phosphor und Schwefel zusammen mit den üblichen Resten und zufälligen Verunreinigungen besteht, die in normalen Mengen vorhanden sind. Die Konzentration an Titan und Vanadium in Übereinstimmung mit der möglichen und bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Tabelle 1 sind durch die Zusammensetzungsgleichungen (a) bzw. (b) bestimmt.

Der Mangan-Bestandteil verhindert Warmrißbildung im Schweißgut (weld metal hot cracking). Mengen von weniger als ungefähr o,5 % führen dazu, daß bei einem bestimmten Verunreinigungspegel in dem Schweißgut Warmrißbildung auftritt, während Mengen über ungefähr 3,o % dazu führen, daß das erkaltete Schweißgut extrem hart wird und an Zähigkeit verliert. Vorzugsweise wird der Mangangehalt in einem Bereich von ungefähr 1,2 % bis 2,2 % gehalten.

Der Molybdän-Bestandteil trägt zur Festigkeit und Zähigkeit der Schweißraupe bei. Bei einem Anteil von weniger als ungefähr o,l% verliert die Schweißraupe an Festigkeit und Zähigkeit, während Mengen oberhalb" von ungefähr 1,5 % zu einer großen Härte und zu einem Verlust an Zähigkeit in der Schweißraupe führen. Vorzugsweise wird daher der Molybdän-Gehalt in einem Bereich von ungefähr o,'3 % bis ungefähr o,6% gehalten.

Der Nickel-Bestandteil trägt sowohl zur Festigkeit als auch zur Zähigkeit bei und wird daher in einem Bereich bis zu 3 % gehalten; bevorzugt aber wird der Bereich von ungefähr o,75 % bis ungefähr 1,75 %. Ein Nickelgehalt von größer als 3 % ist für das Er-

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reichen einer guten Zähigkeit nicht erforderlich und kann vielmehr die Gefahr der Warmrißbildung in der Ausschweißung vergrößern .

Der Kohlenstoff-Gehalt in der Schweißraupe kann im Bereich von ungefähr o,o2 % bis herauf zu o,15 % betragen. Er wird vorzugsweise im Bereich von ungefähr o,o5 % bis o,l % gehalten. Die Steuerung des Kohlenstoffgehalts in der Schweißraupe in den vorstehend erwähnten Bereichen führt zu einer ausreichenden Härt barkeit der Ausschweißung ohne Verlust an Zähigkeit.

Die Kupfer-, Silizium- und Chrom-Bestandteile sind als normale Reste vorhanden und stellen keine wesentlichen Legierungsbestand teile der Schweißraupe dar. Die Phosphor- und Schwefel-Bestandteile stellen zufällige Verunreinigungen dar und können bis zu den angegebenen Werten geduldet werden; sie werden aber vorzugsweise im Hinblick auf die allgemein anerkannten Stahlerzeugungspraktiken so niedrig wie möglich gehalten.

Die zusätzlichen Bestandteile in Form von Titan und/oder Vanadium sind in der Ausschweißung in Abhängigkeit von der vorhandenen Niobium-Menge eingesetzt. Die Beziehung zwischen der relativen Wirksamkeit der Titan- und Vanadium-Bestandteile relativ zur vorhandenen Niobiummenge sind in der Zusammensetzungsgleichung Ca) dargestellt. In der Zusammensetzungsgleichung (b) ist eine bevorzugte Beziehung dieser beiden Metalle untereinander relativ zu dem Niobium-Bestandteil erfaßt. Eine besonders

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zufriedenstellende Kombination der in Rede stehenden Elemente wird durch die folgende Zusammensetzungsgleichung (c) gekennzeichnet:

2,5 χ %Ti * o,4 χ %V = %Nb (_c)

Die Zusammensetzungsgleichung (c) stellt eine Beziehung dar, bei der das Verhältnis der Summe der Produkte: Titanprozentsatz χ 2,5 and Vanadiumprozentsatz χ ο,¹+ zum Prozentsatz des Niobiums 1 ist.

Wenn nur Titan zur Verhinderung der durch den Niobium-Anteil hervorgerufenen Versprödung eingesetzt wird, wird die Beziehung zwischen diesen beiden Legierungsbestandteilen im weitmöglichsten Bereich durch die Zusammensetzungsgleichung (d) dargestellt:

Ti = (o,2 bis o,8) χ %Nb (d)

Aus diesem Bereich wird der folgende bevorzugt:

Ti = (o,3 bis o,6) χ %Nb (e)

Ganz besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die folgende Zusammensetzungsgleichung (f) berücksichtigt wird.

Ti = o,H χ %Nb (f)

Wenn Vanadium ohne Titan eingesetzt wird, kann die Zugabe allgemein gemäß der folgenden Zusammensetzungsgleichung (g) erfolgen

V = (1,2 bis 5,o) χ %Nb (_g)

■ . - 16 -

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■- 16 -

Eine bevorzugte Beziehung zwischen Vanadium und Niobium wird durch die folgende Zusammensetzungsgleichung (h) umrissen:

V = (1,9 bis 3,75) χ %Nb (h)

Ganz besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn das Vanadium gemäß der Zusammensetzungsgleichung (i) eingesetzt wird:

V = 2,5 χ %Nb (i)

Zusätzlich zu den besonderen in der Tabelle 1 aufgeführten Legierungsbestandteilen, kann die Schweißraupe auch noch minimale Mengen anderer Legierungsbestandteile enthalten, die entweder aus dem Grundwerkstoff oder dem Zusatzwerkstoff stammen und von der Art sind und in solchen Mengen vorhanden sind, daß sie die angestrebte hohe Festigkeit und Zähigkeit der Schweißraupe, insbesondere bei niedrigen Temperaturen nicht negativ beeinflussen.

Die Art und Weise, in der die zusätzlichen Metalle Titan und/oder Vanadium in das Schweißgut eingeführt werden, ist nicht wichtig und kann in Abhängigkeit von den verwendeten Schweißtechniken und der Art des zusammenzuschweißenden Gefüges variiert werden. Z.B. können die zusätzlichen Metalle Titan und /oder Vanadium in die abgeschrägte Nut eingebracht werden, die die aufzubauende Schweißverbindung definiert. Dabei kann dies in Draht- oder · Pulverform erfolgen, wobei wiederum im wesentlichen reine oder vorlegierte Metalle verwendet werden können. Auch können die zusätzlichen Metalle mit dem Flußmittel verwendet werden, wie dies ; bei der Schweißtechnik mit verdecktem Lichtbogen gemäß den Fi-

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guren vorzuziehen ist. Vorzugsweise können die zusätzlichen Metalle aber zusammen mit anderen Legierungsbestandteilen in dem Schweißdraht bzw. der Schweißelektrode zusammengefaßt werden, die während des Schweißganges abgeschmolzen wird. Auf diese Art kann gewöhnlicherweise eine bessere Überwachung der Zusammensetzung der aufzubauenden Schweißraupe erzielt werden.

Unabhängig von der.besonderen Art und Weise, in der die zusätzlichen Metalle in die Schweißraupe eingebracht werden, muß doch eine Zugabe für den Teil berücksichtigt werden, der durch Oxydation während des Schweißganges trotz der Verwendung von Schutzfließmittel und nicht oxydierenden Atmosphären verlorengeht. Die tatsächliche Ausbeute der beiden zusätzlichen Metalle wird von der verwendeten Schweißtechnik abhängen, wobei die Ausbeute an Titan im allgemeinen wesentlich geringer ist als die von Vanadium, weil es eine größere Reaktivität und Affinität zu Sauerstoff besitzt. Als allgemeine Regel kann festgehalten werden, daß die tatsächliche Ausbeute an Titan ungefähr 2o % beträgt, während die Ausbeute von Vanadium bei einem verdeckten Lichtbogenschweißen ungefähr 95 % beträgt. Dementsprechend werden nur ungefähr 2o % des Titans tatsächlich in die metallische Ausschweißung in Form eines metallischen Legierungsbestandteils eingeführt, während bis zu 95 % des in dem Zusatzmetall vorhandenen Vanadiums in Form eines metallischen Legierungsbestandteils eingeführt werden.

Eine typische Zusatzmetallzusammensetzung für eine abschmelzbare Schweißelektrode bzw. einen solchen Schweißdraht ist in der Ta-

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belle 2 aufgeführt. Die Zusammensetzung des Zusatzmetalls ist insbesondere auf die Verwendung bei einem Schweißen mit verdecktem Lichtbogen eines hochfesten niedrig legierten Mangan-Molybdän-Niobium-Stahls ausgerichtet, wie er in der US-PS 3 726 723 beschrieben ist; bei Verwendung dieser Schweißtechnik enthält die sich ergebende Schweißraupe ungefähr 65 % des Grundmetalls und 35 % des Zusatzmetalls.

TABELLE 2 ·

Zusammensetzung des Zusatzmetalls

Bestandteil Gewichtsprozent

Mangan 1,ο - 3,5

Molybdän ο,2 - 2,ο

Kohlenstoff o,o2 - ο,15

Titan/Vanadium - *

Nickel bis zu 5

Kupfer bis zu o,4

Silizium bis zu o,H

Chrom bis zu o,t

Phosphor weniger als ο,όΐ

Schwefel weniger als o,ol

Eisen Rest

¹^ Zusammensetzungsgleichungen (ä) -Ci) mit Zuschlag für Verlust und Verdünnung während des Schweißens.

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Die zusätzlichen Metalle Titan und/oder Vanadium sind in dem Zusatzmetall in Mengen eingebaut, die durch die Niobium-Menge in dem Grundwerkstoff vorgegeben sind;diese Mengen werden in der Schweißraupe legiert mit einem Zuschlag für eine Ausbeute von 2o % für Titan und für eine Ausbeute von 95 % für Vanadium in dem Zusatzmetall bei Verwendung einer Schweißtechnik mit verdecktem Lichtbogen. Geeignete Einstellungen können an der Zusammensetzung des Zusatzmetalls hinsichtlich der verschiedenen Schweißtechniken vorgenommen werden, bei denen eine Änderung der prozentualen Verdünnung der Ausschweißung durch das Grundmetall auftreten kann. Weiterhin sind die unterschiedlichen prozentualen Ausbeuten an den zusätzlichen Metallen Vanadium und/oder Titan, die Konzentration des Niobiums in dem Grundmetall und daß Vorhandensein anderer Legierungsbestandteile in dem Grundmetall hinsichtlich der in der Tabelle 1 aufgeführten Zusammensetzungen der Schweißraupe zu berücksichtigen.

Ein typischer hochfester niedrig legierter Mangan- Malybdän-Niobium-Stahl enthält o,o7 % Niobium und beim Aufbau von Pipelines wird normalerweise eine zweistufige Schweißtechnik mit verdecktem Lichtbogen verwendet, wie sie in den Figuren dargestellt ist. Bei diesem Verfahren besteht die Schweißraupe zu ungefähr 6o % bis 7o % aus dem Grundmetall, wobei der Rest von dem Zusatzmetall aufgebracht wird. Eine solche Schweißraupe enthält dann ungefähr o,o45 % Niobium. Wenn eine Ausheute von 95 % des Vanadiums angenommen wird, muß das Zusatzmetall ungefähr o,15 % bis o,6·+ % Vanadium enthalten, damit die durch die Zusammen-

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- 2ο

Setzungsgleichung (g) vorgeschriebenen relativen Mengen von Vanadium und Niobium in der Schweißraupe erreicht werden. Vorzugsweise sollte das Zusatzmetall von o,23 % bis ο,46 % Vanadium enthalten, um die durch die Zusammensetzungsgleichung (h) vorgeschriebenen relativen Mengen an Vanadium und Niobium in der Schweißraupe zu erhalten. Ganz besonders zufriedenstellende Ergebnisse werden erzielt, wenn der Vanadiumanteil im Zusatzmetall o,31 % (vergleiche Zusammensetzungsgleichung (i) ) enthält. Wenn anstelle des Vanadiums Titan eingesetzt werden soll, führen die auf.den Gleichungen (d), (e) und (f) basierenden Berechnungen bei einer Berücksichtigung einer Ausbeute von 2o % Titan in der Ausschweißung zu folgenden Ergebnissen:

(d) o,13 % bis o,51 % Titan im Zusatzmetall

(e) o,19 % bis o,39 % Titan im Zusatzmetall

(f) o,26 % Titan im Zusatzmetall

Die vorstehend genannten Vanadium- oder Titankonzentrationen in dem Zusatzmetall können zum Aufbau von Schweißraupenmetallen führen, die bei einem Niobiumgehalt von o,o7% im Grundwerkstoff beim Einsatz eines zweistufigen Schweißverfahrens mit verdecktem Bogen eine hohe Zähigkeit aufweisen. Auch können Kombinationen der beiden Elemente eingesetzt werden, wenn die Zusammensetzungsgleichungen (a), (b) und (c) zur Berechnung des Vanadium und Titangehalts benutzt werden, wie dies zuvor für die Einzelzugabe von Vanadium und Titan gemacht worden ist.

Um die Erfindung noch genauer darstellen zu können, soll jetzt

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ein exaktes Beispiel angegeben werden. Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt werden soll.

Beispiel

Kommerziell hergestellte Mangan-Molybdän-Niobium-Stahlplatten von Il/16-Zol]/Dicke wurden geschnitten und an ihren Kanten abgekantet, so daß eine V-förmige Nut mit einem Öffnungswinkel von 7o sich jeweils von einer Oberfläche der aneinander anstoßenden Platten um angenähert 7/32-Zoll nach innen erstreckt, so daß ein unabgeschrägter Bereich von 1/4-ZoIl übrigbleibt. Ein Schweißdraht mit einem Nenndurchmesser von 1/8-Zoll wird für einen Schweißgang mit verdecktem Lichtbogen auf jeder Seite der Verbindung benutzt. Weiterhin wurde ein basisches neutrales Fließmittel (flux) eingesetzt. Die Zusammensetzungen des Elektrodenmetalls und des Grundmetalls sind in Tabelle 3 aufgeführt.

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TABELLE 3

Zusammensetzung des Grundwerkstoffs und des Schweißdrahts

Gewichtsprozent

Bestandteil	Grundwerkstoff	Schweißdraht
C	o,o5	ο,15
Mn	2,o9	2,ο
Si	o,o7	o,o9
S	o,oo3	ο,οΐο
P	o,oo5	o,oo6
Ni	o,13	2,6
Mo	o, 29	o,56
V		ο ,oo5
Ti	____	o,oo5
Zr		o,o25
Cr	o,o5	o,lo
Al	o,o6	-
Nb	o.o7	_■»_·....■·

Die Schweißparameter waren die folgenden: 475 bis 6oo Ampere, 37 bis 4o Volt und Vorschubgeschwindigkeit 5o cm/min, so daß eine Wärmezufuhr von 21kJ/cm bis zu 28,4 kJ/cm (53 bis 72 kJ/inch) erreicht wurde.

Die gewünschten genauen Änderungen der in das Schweißgut einzu-

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bringenden Titan- und Vanadiummengen wurde durch das Einlegen von dünnen Drähten aus puren Elementen in die Verbindung erreicht. Das Titan und das Vanadium wurden in dem flüssigen Schweißgut durch die starke Rührwirkung des Lichtbogens völlig untergemischt. Verschiedene Titan- und Vanadiumgehalte wurden in den in Tabelle 4 zusammengefaßten Schweißraupen erhalten. Die Schweißraupen wurden auf ihren Niobiumgehalt hin untersucht und es wurde gefunden, daß sie o,o46 % Niobium enthalten. Es wurden Standardproben für Kerbschlagbiegeversuche nach CHARPY geschnitten und in der Mitte der Schmelzzone eingekerbt. Die Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche nach CHARPY sind ebenfalls in der Tabelle 4 aufgeführt.

TABELLE 4

Test	Schweißraupenanalyse	v"	Übergangstemperatur, F	5ο % Seherung
schweiß ung	(Gewichtsprozent)			(shear)
		o,ol		Auftreten des
		o,öl		Bruches
	Ti	ο, öl	5ο ft-Ib	-17
		ο, öl		-54
1 (Vergleich)	o,oo5	o,o5	-14	-66
2	o, öl 3	ο,Io	-63	-56
3	o,ol7	o,o5	-73	-3o
4	o,o2o	-71	-48
5	o,oo5	-21	-69
6	ο, oo5	-46
7	o,oo8	-69

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Bei der Kontrollschweißung 1 wurde kein Vanadium oder Titan dem Schmelzgut zugesetzt, abgesehen von den Anteilen, die bereits gemäß Tabelle 3 in der Elektrode vorhanden sind. Ein Vergleich der Testschweißungen 2 bis 7 mit der Kontrollschweißung 1 zeigt deutlich, daß ein höherer Pegel an Zähigkeit und eine höhere Scherbruchfestigkeit (shear ductile fracture) in den Fällen erreicht wird, in denen die niobiumhaltigen Schweißraupen zusätzliche Mengen an Vanadium und/oder Titan enthalten. Die Werte sind mindestens 3o % größer als bei den niobiumhaltigen Schweißraupen, denen keine zusätzlichen Mengen an Vanadium und/oder Titan zugeführt worden sind.

Mikrophotographien der erfindungsgemäß erzeugten Schweißraupen zeigen, daß die Zufuhr von genau gesteuerten Mengen an Titan oder Vanadium oder Kombinationen der beiden Metalle die Bildung einer feineren bainitischen Struktur im Vergleich zu der relativ groben bainitischen Struktur von Schweißraupen begünstigt, die kein zusätzliches Titan und/oder Vanadium in den angegebenen besonderen Konzentrationsbereichen enthalten.

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Claims

Patentansprüche

Ij Verfahren zum Schweißen eines metallischen Grundwerkstoffes in Form eines niedrig legierten niobiumhaltigen Stahls, dadurch gekennzeichnet, daß der mehr als ungefähr o,o2 % .Niobium enthaltende metallische Grundwerkstoff in dem Schweißverbindungsbereich erwärmt wird derart, daß wenigstens ein teilweises Schmelzen des Grundmetalls und die Bildung von flüssigem Schweißgut erfolgt, und daß in das flüssige Schweißgut in einer zu einer Legierungsbildung führenden Weise ein zusätzliches Metall aus der Gruppe: Titan, Vanadium oder einer Mischung derselben eingeführt wird, wobei das zusätzliche Metall in einer Menge eingesetzt wird, die für eine verbleibende Konzentration in der erzeugten und erhärteten Ausschweißung (Schweißraupe) im Verhältnis zu den in der Ausschweißung vorhandenen Niobium gemäß folgender Beziehung ausreicht:

2,5 χ %Ti .+ 0,4 χ %V = (o,5 bis 2,o) χ %Nb.

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2 -

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Grundwerkstoff mehr als ungefähr o,o5 % Niobium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Metall in der verfestigten Schweißraupe gemäß der folgenden Gleichung enthalten ist:

2,5 χ %Ti + o,4 χ %V = (o,75 bis 1,5) χ %N.b.

H. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Metall in der verfestigten Schweißraupe gemäß der folgenden Gleichung enthalten ist:

2,5 χ %Ti + o,4 χ %V = %Nb.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Metall Titan eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der verfestigten Schweißraupe Titan gemäß der folgenden Beziehung enthalten ist:

Ti = (o,2 bis o,8) χ %Nb.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der verfestigten Schweißraupe Titan gemäß der folgenden Beziehung enthalten ist:

Ti = (ο,3 bis ο,6) χ %Nb.

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- Tt-

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der . verfestigten Schweißraupe Titan gemäß der folgenden Beziehung enthalten ist:

Ti = ο,4 χ %Nb.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Metall Vanadium eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der verfestigten Schweißraupe Vanadium gemäß der folgenden Beziehung enthalten ist:

V = (1,2 bis 5,o) χ %Nb.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der verfestigten Schweißraupe Vanadium gemäß der folgenden Beziehung enthalten ist:

V = (1,9 bis 3,75) χ %Nb.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schweißraupe Vanadium gemäß der folgenden Beziehung enthalten ist:

V = 2,5 χ %Nb.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verfestigte Schweißraupe von ungefähr o,5 %

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bis ungefähr 3 % Mangan, von o,l % bis 1,5 % Molybdän, von ungefähr o,o2 bis ungefähr o,15 %

Kohlenstoff, bis zu 3 % Nickel, bis zu o,6 % Kupfer, bis zu o,6 % Silizium, bis zu l,o % Chrom, bis zu o,o3 % Phosphor, bis zu o,o3 % Schwefel, von ungefähr o,l % bis o,öl % Niobium und das zusätzliche Metall entsprechend der angegebenen Beziehung enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen zusammen mit üblichen Resten und zufälligen Verunreinigungen besteht, die in normalen Mengen vorhanden sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verfestigte Schweißraupe von ungefähr 1,2 % bis 2,2 % Mangan, von ungefähr o,3 % bis o,6 % Molybdän, von ungefähr o,o5 % bis ungefähr o,l % Kohlenstoff-, von ungefähr o,75 % bis ungefähr 1,75 % Nickel, bis" zu o,4 % Kupfer, bis zu o,4 % Silizium, bis zu o,4 % Chrom, bis zu o,ol % Phosphor, bis zu o,ol % Schwefel, von ungefähr o,ol % bis zu ungefähr 0,08 % Niobium und das zusätzliche Metall in Übereinstimmung mit der genannten Beziehung enthält, wobei der Rest aus Eisen zusammen mit den üblichen Resten und zufälligen Verunreinigungen besteht, die in normalen Mengen^orhanden sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des zusätzlichen Metalls in das flüssige Schweißgut über ein Schweißzusatzmetall erfolgt.

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• Vi -

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des zusätzlichen Metalls in das flüssige Schweißgut durch das Einbringen des zusätzlichen Metalls in elementarer Form in den Bereich der aufzubauenden Schweißverbindung erfolgt, um ein gemeinsames Erschmelzen des Zusatzmetalls und des Grundmetalls zu bewirken.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Einführen des zusätzlichen Metalls in das flüssige Schweißgut durch Verwendung einer aufschmelzbaren Schweißelektrode erfolgt, die geeignete Mengen des Zusatzmetalls enthält.

18. Einsatz des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17

zur Herstellung von Rohren zum Aufbau von Rohrleitungen,

ung
wobei die Ausschweiß _mehr als o,ol % Niobium enthält.

19. Einsatz nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen mit verdecktem Lichtbogen erfolgt und die Einführung des zusätzlichen Metalls in das flüssige Schweißgut mit Hilfe einer erschmelzbaren Elektrode erfolgt, die das zusätzliche Metall in geeigneten Mengen enthält.

20. Gefüge aus mehreren Teilen aus einem hochfesten niedrig legierten Stahl mit einem Niobiumgehalt größer als ungefähr o,o2 %, wobei die Teile aneinander anstoßenden Kanten nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 miteinander verschweißt sind.

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21. Erschmelzbare Schweißelektrode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17.

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