DE2532744B2

DE2532744B2 - Mehrschichten-Stumpfschweißverfahren

Info

Publication number: DE2532744B2
Application number: DE2532744A
Authority: DE
Inventors: Kunio Yokohama Ishii; Masao Zushi Izumiyama; Keikichi Yokohama Maeda
Original assignee: JGC Corp
Current assignee: JGC Corp
Priority date: 1974-07-22
Filing date: 1975-07-22
Publication date: 1980-08-21
Also published as: IT1044518B; DE2532744C3; US3958743A; JPS5211943B2; FR2279510A1; DE2532744A1; GB1465238A; JPS5112348A; FR2279510B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrschichten-Stumpfschweißverfahren für einen beschichteten Stahl, der durch Ausbildung eines Diffusionsüberzugs aus Alumini- wi um oder Chrom auf einem Chrommolybdänstahl unter Aufkohlung bzw. Einsatzdiffusion hergestellt wurde.

Bisher wurde für das Stoß- oder Stumpfschweißen eines beschichteten Stahls der vorgenannten Art ein Verfahren angewandt, bei dem zunächst die diffusions- b^r, beschichtete Seite des beschichteten Stahls mit einem ferritischen rostfreien 13 Cr-Stahl geschweißt und sodann das Schweißen mit dem gleichen Werkstoff wie dem Grundmaterial des beschichteten Stahls abgeschlossen wird. Diesem bisher angewandten Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, daß sich hierbei die Korrosionsbeständigkeit der Schweißzone je nach der Art des Grundmetalls verringert Wenn beispielsweise die Chromkonzentration im Grundmetall gering ist, verringert sich die Chromkonzentration in der Schweißzone unabhängig davon, daß das Schweißen mit einem ferritischen rostfreien 13 Cr-Stahl durchgeführt wird, auf etwa 10%, so daß die Aufrechterhaltung einer zufriedenstellenden Korrosionsbeständigkeit in der Schweißzone nicht erwartet werden kann. Andererseits ist bereits ein Mehrschichtenschweißverfahren vorgeschlagen worden (vgl. jepanische Patentveröffentlichung Nr. 36814/1973), das darin besteht, daß zunächst die diffusionsbeschichtete Seite eines beschichteten Stahls mit einem austenitischen rostfreien Stahl, sodann mit einem Schweißstab aus reinem Eisen und zuletzt mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetall geschweißt wird. Dieses Verfahren wirft jedoch verschiedene Probleme auf. Da nämlich die erste Schicht der Schweißzone unter Verwendung von austenitischem rostfreien Stahl gebildet wird, ist diese Schweißzone anfällig für Spannungskorrosionsrisse und/oder thermische Ermüdung, während die Verwendung von reinem Eisen für die zweite Schicht der Schweißzone die Gewährleistung einer homogenen Zusammensetzung des innerhalb der Schweißzone liegenden Teils, der Schweißzone selbst und des Grundmetalls praktisch unmöglich macht, was zu der Gefahr der Entstehung eines Mangels bezüglich der Festigkeit der gesamten Schweißzone führt.

Auf Grund von erfindungsgemäD durchgeführten Untersuchungen der vorgenannten, mit den bisher angewandten Verfahren zusammenhängenden Probleme hat es sich herausgestellt, daß bei der Durchführung einer Stumpfschweißung an einem beschichteten Stahl, der unter Verwendung eines Chrommolybdänstahls als Grundmetall durch Aufbringen einer Diffusionsbeschichtung aus Aluminium oder Chrom hergestellt worden ist, die folgenden Bedingungen unabdingbar sind:

(a) Bei der ersten Schicht der Schweißzone muß zur Steuerung einer Verminderung der Korrosionsfestigkeit der Schweißzone und zur Verhinderung des Auftretens von Spannungskorrosionsbrüchen und von thermischer Ermüdung in dieser Schicht ein Schweißstab aus ferritischem rostfreien Stahl verwendet werden.

(b) Die zweite bzw. mittlere Schicht muß beim Abschluß des Schweißvorgangs praktisch die gleiche Chrom- und Molybdänkonzentration besitzen wie das Grundmetall.

Die Erfindung hat damit zur Aufgabe, die den bisher angewandten Verfahren anhaftenden Schwierigkeiten durch Schaffung eines neuartigen Verfahrens zum Mehrschichten-Stumpfschweißen eines beschichteten Stahls zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Mehrschichten-Stumpfschweißen eines durch Diffusionsbeschichten mit Aluminium oder Chrom auf einem Chrommolybdänstahl als dem Grundmetall hergestellten beschichteten Stahls erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst die beschichtete Seite des Stahls mit einem ferritischen rostfreien Stahl mit einem Chromgehalt im Bereich von 15 — 26 Gew.-% unter Bildung einer ersten Schicht geschweißt wird, daß der

Stahl sodann unter Bildung einer zweiten Schicht mit einem niedriglegierten Stahl mit einem Chromgehalt im Bereich von 0-0,3 χ Gew.-% und einem Molybdängehalt im Bereich von 0,4 y—1,4 yGew.-% (wobei χ und y den Chromgehalt bzw. den Molybdängehalt des s Grundmetalls in Gew.-% bedeu'.en) geschweißt wird und daß der Stahl schließlich unter Bildung einer dritten Schicht mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetall geschweißt wird.

Bei diesem Stumpfschweißverfahren wird also die beschichtete Seite eines beschichteten Stahls der genannten Art zunächst mit einem ferritischen rostfreien Stahl, der 15-26 Gew.-% Cr enthält, sodann mit einem niedrig legierten Stahl, der 0-0,3 χ Gew.-% Cr und 0,4 y—1,4 y Gew.-% Mo (wobei χ und y den Cr- bzw. den Mo-Gehalt (Gew.-%) des Grundmetalls bedeuten) enthält, und schließlich mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetall geschweißt, so daß die Zusammensetzung der Schweißzone, insbesondere bezüglich des Cr- und Mo-Gehalts, derjenigen des Grundmetalls angenähert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Mikrophotographie des beim Verfahren gemäß der Erfindung erreichten Gefüges zwischen der zweiten und der dritten Schicht der Schweißzone beim Dreischichten-Stumpfschweißen eines b -schichteten Stahls mit einem Aluminium-Diffusionsüberzug (Grundmetall: Chrom-Molybdän-Stahl der DIN-Bezeichnung jo 10 CrMo9 10[2'/4 Cr-I Mo-Stahl]) und

Fig.2 eine Mikrophotographie des beim bisher angewandten Verfahren erzielten Gefüges zwischen der zweiten und der dritten Schicht der Schweißzone beim gleichen Stahl wie in Fig. 1. r>

Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich bei dem zu schweißenden beschichteten Stahl um einen solchen, bei dem ein Chrommolybdänstahl nach einem an sich bekannten Verfahren mit einem Diffusionsüberzug bzw. einer Diffusionsoberfläche aus Aluminium oder Chrom versehen wurde. Dieser, das Grundmetall darstellende Chrommolybdänstahl enthält typischerweise 0,8 -10 Gew.-% Cr und 0,4 -1,5 Gew.-°/o Mo.

Erfindungsgemäß wird die beschichtete Seite dieses Stahls zunächst mit einem 15-26 Gew.-% Cr -r, enthaltenden ferritischen nichtrostenden Stahl (im folgenden als erster Schweißstab bezeichnet) geschweißt. Der für diesen Zweck benutzte Schweißstab besteht also aus einem Stahl mit hohem Chromgehalt, wie er bisher kaum für diese Schweißungsart verwendet w wurde. Für die Erfindungszwecke ist die Verwendung eines solchen Stahls mit hohem Chromgehalt jedoch sehr wesentlich, weil dadurch der ersten Schweißungsschicht eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit oder -festigkeit verliehen werden kann. Die Auswahl des « jeweiligen Schweißstabs für diesen Zweck hängt von der Cr-Konzentration im Grundmetall ab. Im Fall eines Grundmetalls mit hoher Cr-Konzentration ist es beispielsweise vorteilhaft, einen ersten Schweißstab mit einer vergleichsweise niedrigen Cr-Konzentration zu t>o wählen. Sofern ein erster Schweißstab aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit 15 — 26 Gew.-% Cr verwendet wird, kann unabhängig von der Cr-Konzentration im Grundmetall eine zufriedenstellende erste Schicht der Schweißzone erreicht werden. Vorsorglich b> ist jedoch die güntigste Kombination des Grundmetalls und des ersten Schweißstabs nachstehend näher spezifiziert:

Grundmetall

Erster Schweißstab

Chrom-Molybdän-Stahl der
Bezeichnung

DIN 13 CrMo 4 4

(1 Cr-1/2 Mo)

ASTMTIl, Pll
(li/4Cr-i/₂Mo)

DIN 10 CrMo9 10
(2'/4Cr-I Mo)

ASTM T5, P5
(5 Cr-V₂Mo)

ASTM T9, P9
(9 Cr-I Mo)

Stahl mit einem Cr-Gehalt von 18 bis
26 Gew.-%

Stahl mit einem Cr-Gehalt von 15 bis
25 Gew.-%

Stahl mit einem Cr-Gehalt von 15 bis

23 Gew.-%

Zur Vermeidung von Schweißmetallrissen auf Grund einer Vergrößerung des Kistallkorns ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, den ersten Schweißstab mit Nb. Al und Ti zu legieren. Die zweckmäßigen Gehalte an diesen Zuschlägen liegen dabei für Nb im Bereich von 0,01-1,0 Gew.-%, für Al im Bereich von 0,01-0,05 Gew.-% und für Ti im Bereich von 0,005 - 0,05 Gew.-%.

Nach dem Schweißen der ersten Schicht erfolgt je nach dem Cr-Gehalt (x Gew.-%) und dem Mo-Gehalt (y Gew.-%) des Grundmetalls das Schweißen der zweiten Schicht erfindungsgemäß unter Verwendung eines Molybdän- oder Chrom-Molybdän-Stahls mit 0-0,3 χ Gew.-% Cr und 0,4 y—1,4 y Gew.-% Mo (im folgenden einfach als zweiter Schweißstab bezeichnet). Die Auswahl des Cr- und Mo-Gehalts des zweiten Schweißstabs in Abhängigkeit vom Cr- und Mo-Gehalt des erwähnten Grundmetalls erfolgt aus dem Grund, die Cr- und Mo-Konzentration in der zweiten Schicht nach Beendigung des Schweißens praktisch auf dem gleichen Wert wie die entsprechenden Konzentrationen des Grundmetalls zu halten. Durch entsprechende Wahl des zweiten Schweißstabs kann eine zufriedenstellende zweite Schicht der Schweißzone erreicht werden. Hierbei kann bei einem Grundmetall in Form von Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10 in optimaler Weise ein Schweißstab aus Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EKbMo26DIN8575 (Cr Ui Mo), für einen Cr-Mo-Stahl der ASTM-Bezeichnung T5, P5 ein solcher aus Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EKbMo26DlN8575 (Cr-V₃ Mo) oder aus Cr-Mo-Stahl mit 0,25 Gew.-% Cr und 0,5 Gew.-°/o Mo (V« Cr-1/2 Mo) und im Fall eines Grundmetalls aus Cr-Mo-Stahl der ASTM-Bezeichnung T9, P9 ein Schweißstab aus Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10 verwendet werden.

Nach Beendigung des Schweißens der ersten und der zweiten Schicht wird die Schweißstelle schließlich mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetall geschweißt, worauf das erfindungsgemäße Schweißverfahren abgeschlossen ist.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren die beschichtete Seite eines beschichteten Stahls zunächst mit einem ferritischen Stahl mit hohem Chromgehalt, sodann mit einem Molybdän- oder Chrom-Molybdän-Stahl mit dem Grundmetall entsprechendem Cr- und

Mo-Gehalt und schließlich mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetali geschweißt. Dieses Verfahren bietet die folgenden Vorteile:

1. Da die erste Schicht der Schweißzone mit einem ferritischen Schweißstab gebildet wird, kann das Auftreten von Spannungskorrosionsrissen oder -brüchen und/oder von thermischer Ermüdung der Schicht gesteuert werden.

2. Da die zweite Schicht der Schweißzone bezüglich des Cr- und Mo-Gehalts praktisch auf den gleichen Werten wie beim Grundmetall gehalten wird, bildet sich überhaupt keine entkohlte Schicht, wie dies beim Schweißen mit unterschiedlichen Werkstoffen der Fall ist, so daß auch keine Verschlechterung der Schweißzone infolge einer solchen Entkohlung auftritt.

3. Diese zweite Schicht der Schweißzone ist frei von Wasserstoffangriff.

Da beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren die Zusammensetzung von der zweiten Schicht der Schweißzone an praktisch auf den gleichen Werten wie beim Grundmetall gehalten werden kann, besitzt die Schweißzone nicht nur verschiedene Eigenschaften, welche den dem beschichteten Stahl innewohnenden Eigenschaften entsprechen (z. B. ausgezeichnete Sulfidbeständigkeit unter hoher Temperatur und hohem Druck usw.), sondern auch eine zufriedenstellende mechanische Festigkeit.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand von Beispielen näher beschrieben.

Beispiel 1

Das Stoß- oder Stumpfschweißen eines durch Diffusionsbeschichtung mit Aluminium hergestellten, beschichteten Stahlrohrs (Grundmetall Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10, IV2 B, Sch 80) wurde einmal nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und einmal nach dem Verfahren gemäß der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 36814/1973 durchgeführt, wobei die Korrosionstiefe auf Grund sulfidischer Korrosion jeder Schweißzone verglichen wurde. Die Messungen der Korrosionstiefe erfolgten, nachdem eine Probe 100 h lang in einem 100%igen HjS-Gas bei einer Temperatur von 600⁰C belassen worden war. Die Art der bei beiden Schweißverfahren angewandten Schweißstäbe und die Ergebnisse der Korrosionstiefenmessung sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1	Verfahren nach	Verfahren nach
	der Erfindung	JP-PS Nr. 36814/
		1973
	23 Cr-Stahl	Austenitischer
Erster		rostfreier Stahl
Schweißstab		(D 309-16)
	Cr-Mo-Stahl	Reines Eisen
Zweiter	der DIN-Be
Schweißstab	zeichnung
	EKbMo26
	DIN 8575
	Gleicher	Gleicher Werkstoff
Dritter	Werkstoff wie	wie Grundmetall
Schweißstab	Grundmetall
	0,10 mm	0,26 mm
Korrosions
tiefe

Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist, besitzt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Schweißzone eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Hierbei besaß die erste Schicht der SchweiBzone einen hohen Chromgehalt, weil sie durch einen 23 Cr-Stahl gebildet worden war. Eine Untersuchung auf eine Härtezunahme der Schweißzone auf Grund einer Versprödung bei 474° C ergab jedoch keine derartige Härtezunahme. Hierdurch wird belegt, daß selbst bei Verwendung eines Stahls mit hohem Chromgehalt beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Gefahr für eine Versprödung besteht.

Beispiel 2

Nach dem Schweißen der beschichteten Seite eines durch Aufbringen einer Diffusionsbeschichtung aus Aluminium hergestellten, beschichteten Stahlstücks (Grundmetall: Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10, STPA-24) zunächst mit 23 Cr-Stahl und sodann mit Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EKbMo26DIN8575 bzw. Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10 als zweiter Schweißstab wurde die Zusammensetzung der jeweiligen zweiten Schichten mit Hilfe eines Elektronensonden-Mikroanalysiergeräts untersucht. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2

Zweiter Schweißstab	Zusammensetzung der Schweißzone	Mo
	(Gew.-%)	etwa 0,15
	Cr	etwa 0,55
Reines Eisen	3,8-4,5	etwa 0,90
Cr-Mo-Stahl der DIN- Bezeichnung EKbMo26 DIN 8575	2,6-2,7
Cr-Mo-Stahl der DIN- Bezeichnung 10 CrMo9 10	4,1-4,9

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die Zusammensetzung der Schweißzone bei Verwendung von Cr-Mo-Stahl als zweiter Schweißstab der Zusammensetzung des Grundmetalls am nächsten kam.

Anschließend wurden zwei Proben, bei denen die zweite Schicht der Schweißzone auf beschriebene Weise mit Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EKbMo26DIN8575 bzw. mit Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10 gebildet worden war, mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetall geschweißt, wodurch die dritte Schicht der Schweißzone gebildet wurde. Hierauf wurde der Bereich in der Nähe der Grenzschichten zwischen der zweiten und der dritten Schicht bei jeder Probe mittels eines Mikroskops untersucht Die beiliegende Zeichnung zeigt Mikrophotographien des Bereichs in der Nähe dieser Grenzschichten, wobei Fig. 1 den Fall der Verwendung von Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EKbMo26DIN8575 und Fig.2 die Verwendung von Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo910 veranschaulicht

Gemäß Fig.2 konnte deutlich die Bildung einer entkohlten Schicht infolge des Unterschieds im Cr-Gehalt zwischen der zweiten und der dritten Schicht beobachtet werden, während diese Erscheinung bei der

Probe gemäß F i g. 2 nicht auftrat. Hierdurch wird belegt, daß die Bildung einer entkohlten Schicht durch entsprechende Wahl des zweiten Schweißstabs verhindert werden kann, wobei im Fall von Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10 als Grundmetall ein Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EK.bMo26DIN8575 zweckmäßig als zweiter Schweißstab bzw. Schweißstab für die zweite Schweißschicht eingesetzt werden kann.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also ein Stumpfschweißverfahren für einen durch Diffusionsbeschichtung mit Aluminium oder Chrom auf der

Oberfläche eines Chrom-Molybdän-Stahls als Grundmetall beschichteten Stahl geschaffen, bei dem zunächst die diffusionsbeschichtete Seite des beschichteten Stahls mit einem ferrilischen Stahl mit hohem Chromgehalt, sodann mit einem auf der Grundlage des Chrom- und Molybdängehalts des Grundmetalls ausgewählten Molybdän- oder Chrom-Molybdän-Stahl und zuletzt mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetall geschweißt wird. Auf diese Weise können verschiedene der normalerweise in der Schweißzone auftretende Nachteile und Mangel vermieden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren 2um Mehrschichten-Stumpfschweißen eines durch Diffusionsbeschichten mit Aluminium oder Chrom auf einem Chrom-Molybdän-Stahl als dem Grundmetall hergestellten beschichteten Stahls, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die beschichtete Seite des Stahls mit einem ferritischen rostfreien Stahl mit einem Chromgehalt im Bereich von 15-26 Gew.-% unter Bildung einer ersten Schicht geschweißt wird, daß der Stahl sodann unter Bildung einer zweiten Schicht mit einem niedriglegierten Stahl mit einem Chromgehalt im Bereich von 0-03 * Gew.-% und einem Molybdängehalt im Bereich von 0,4 y— 1,4 jOew.-% (wobei χ und y den Chromgehalt bzw. den Molybdängehalt des Gmndmetalls in Gew.-% bedeuten) geschweißt wird und daß der Stahl schließlich unter Bildung einer dritten Schicht mit dem gleichen Werkstoff wie das Grundmetall geschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Schweißstab für die Bildung der ersten Schicht verwendete ferritische rostfreie Stahl 0,01-1,0 Gew.-% Nb, 0,01-0,05 Gew.-% Al und 2-, 0,005 - 0,05 Gew.-% Ti enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall des beschichteten Stahls ein Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10 ist und daß als Schweißstab zur Bildung jo der ersten Schicht ein solcher aus ferritischem rostfreien Stahl mit einem Chromgehalt von 18 — 26 Gew.-% und als Schweißstab für die zweite Schicht ein solcher aus Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EKbMo26 DIN 8575 verwendet wird. r,

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall des beschichteten Stahls ein Cr-Mo-Stahl der ASTM-Bezeichnung T5, P5 ist und daß als Schweißstab für die erste Schicht ein solcher aus einem ferritischen rostfreien Stahl mit einem Chromgehalt von 17—25 Gew.-°/o und als Schweißstab für die zweite Schicht ein solcher aus einem Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung EKbMo 26DIN8575 oder Cr-Mo-Stahl der ASTM-Bezeichnung Tl 1, Pl 1 verwendet wird. v>

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall des beschichteten Stahls ein Cr-Mo-Stahl der ASTM-Bezeichnung T9, P9 ist und daß als Schweißstab für die erste Schicht ein solcher aus einem ferritischen rostfreien Stahl w mit einem Chromgehalt von 15 — 23 Gew.-°/o und als Schweißstab für die zweite Schicht ein solcher aus Cr-Mo-Stahl der DIN-Bezeichnung 10 CrMo9 10 verwendet wird.