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Sollen die vorgenannten beiden Nachteile (Zwang zum Arbeiten mit
Schutzgas und verringerte Leistung) vermieden werden, so steht als anderes Schweißverfahren
nach dem Stand der Technik noch das Arbeiten mit einem austenitischen Zusatzwerkstoff
zur Verfügung. Dieser Legierungstyp, der dem Fachmann als
sehr vielseitig
verwendbarer Schweißzusatzwerkstoff geläufig ist, weist allerdings gerade in Verbindung
mit dem ferritisch-austenitischen Grundwerkstoff Nachteile auf, die später im Ausführungsbeispiel
im einzelnen erläutert werden. Das Ergebnis vorwegnehmend sei gesagt, daß der austenitische
Zusatzwerkstoff zu einem Schweißgut ungünstiger mechanischer Eigenschaften führt,
was die Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindung gegenüber dem Grundwerkstoff
entscheidend verschlechtert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schweißen
mit Zusatzwerkstoff so zu verbessern, daß unter Gewährleistung der vorteilhaften
Eigenschaften die Möglichkeit besteht, auch ohne Zuhilfenahme eines Schutzgases
eine Schweißung durchzuführen, z.B. als Elektrodenhandschweißung und/ oder mittels
des Unter-Pulver-Verfahrens.
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Diese Aufgabe wird überraschenderweise gelöst, wenn für das Schweißen
ein vom Grundwerkstoff abweichender, stabilisierter Werkstoff mit '0,08 % C, 20-26%
Cr, 3-12% Ni, 1,6-5% Mo, 0,2-0,8% Si, 0,2-2,0% Mn, (6 mal % C bis 20 mal % C) %
Nb und #0, 12% N, Rest Fe sowie die üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen,
als Zusatzwerkstoff verwendet wird.
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Ein derartiger Schweißzusatzwerkstoff ist dem Stahl-Eisen-Werkstofiblatt
880 (Oktober 1976) »Schweißzusatzwerkstoffe« nicht als bekannt zu entnehmen.
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Dieses Werkstoffblatt enthält unter der W.-Nr. 1.4820 einen ferritisch-austenitischen
Zusatzwerkstoff. Dieser ist für das Schweißen ferritisch-austenitischer, jedoch
hitzebeständiger Stähle geeignet, nicht aber für das Schweißen der gattungsgemäßen
Stähle, da er keine dem Grundwerkstoff entsprechende Naßkorrosionsbeständigkeit
aufweist.
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Der erfindungsgemäß verwendete Zusatzwerkstoff hat vorzugsweise einen
Molybdängehalt von 2,2-3,5 %.
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Nickelgehalte von 8,5-12 % haben sich für den Zusatzwerkstoff als
besonders vorteilhaft erwiesen.
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Weiterhin hat der Zusatzwerkstoff zweckmäßigerweise einen Mindestkohlenstoffgehalt
von 0,002 °/0, vorzugsweise 0,015 °/ Der Chromgehalt des Zusatzwerkstoffs beträgt
zweckmäßigerweise mindestens 23,5%.
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Innerhalb der gegebenen Grenze sind die Gehalte an Niob von 10 mal
% C bis 18 mal % C günstig und von 15 mal % C bis 18 mal % C besonders zweckmäßig.
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Dabei kann - wie an sich bekannt - der Niob-Anteil teilweise oder
gänzlich durch die doppelte Menge Tantal ersetzt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausbildung enthält der Zusatzwerkstoff 0,05 bis 0,5% V.
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In Ergänzung zu den vorgenannten obligatorischen Legierungsbestandteilen
kann der Zusatzwerkstoff je nach dem speziellen Verwendungszweck des Schweißgegenstandes
neben den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen einzeln oder zu mehreren noch
folgende Legierungsbestandteile enthalten bis 0,01% As bis 0,01% Sb bis 0,005 %
Pb bis 0,02 % Sn bis 0,30 % Cu bis 0,50 % Co bis 0,01% B Der Zusatzwerkstcff kann
in Verbindung mit dem Unterpulver-Schweißen verwendet werden und z. B.
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als UP-Schweißdraht vorliegen. Die chemische Analyse des Drahtes entspricht
dann der Analyse des im Rahmen des Verfahrens beanspruchten Zusatzwerkstoffes.
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Vorzugsweise ist aber der erfindungsgemäß zu verwendende Schweißzusatzwerkstoff
mit einer Umhüllung versehen. Dann wird in Übereinstimmung mit DIN Vornorm 8556,
Blatt 1, unter dem Begriff »Zusatzwerkstoff« die Zusammensetzung des Schweißgutes
verstanden. Umhüllungen für höher legierte, nicht rostende Schweißzusatzwerkstoffe
sind bekanntlich kalkbasisch, oder sie werden als sog. Mischtypen aufgeführt. Ein
aus solchen Umhüllungen herrührender möglicher Zubrand an Kohlenstoff, wobei es
sich um einen in der Fachwelt bekannten Vorgang handelt, beeinträchtigt nicht die
vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäß erzeugten Schweißverbindung. Beim
Elektrodenschweißen kann der Legierungsaufbau sowohl allein über den Kerndraht als
auch über die Kombination mit der Umhüllung in das Schweißgut eingebracht werden.
Die Herstellung der legierten Drähte für den Zusatzwerkstoff erfolgt in üblicher
Weise, wobei die bei der Drahtherstellung bekannten Schritte wie Walzen und Ziehen
unter Einschaltung von Glühungen ausgeführt werden.
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Es ist hervorzuheben, daß die erfindungsgemäß hergestellten, geschweißten,
ferritisch-austenitischen Gegenstände im Tieftemperaturbereich bis -60°C vorteilhaft
verwendet werden können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Tafeln 1 bis 4 aufgeführten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Tafeln geben im einzelnen an: Es zeigt
Tafel 1 die Analyse der Grundwerk#toffe, Tafel 2 die Analyse der verwendeten Schweißzusatzwerkstoffe
(Schweißgutproben), Tafel 3 die Angaben über die Beständigkeit der Schweißverbindungen
gegen interkristalline Korrosion und die Tafeln 4a+4b die mechanischen Eigenschaften
der Schweißverbindung bzw. der Schweißgutprobe.
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Die Grundwerkstoffe gemäß Tafel 1 wurde in ihrer Analyse wie folgt
ausgewählt: Nr. 1 Grundwerkstoff gemäß Werkstoff-Nr.
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14 460; Nr. 2 = Grundwerkstoff gemäß DT-OS 22 55 t.73 und Nr. 3 =
Grundwerkstoff gemäß DT-OS 2347078.
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Diese Grundwerkstoffe wurden in bekannter Weise und in der beanspruchten
Verfahrensweise miteinander verschweißt, wobei die Tafel 2 Aufschluß über die Analyse
des Schweißzusatzwerkstoffes (Schweißgutprobe) gibt. die Bezeichnung A bezieht sich
auf einen bekannten ferritisch-austenitischen Schweißzusatzwerkstoff, der unter
Schutzgas geschweißt wird. Im Beispiel wurde das MIG-Verfahren angewendet. B bezieht
sich auf einen bekannten austenitischen Schweißzusatzwerkstoff, der mit der Elektrodenhandschweißung
geschweißt wurde.
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Die Bezeichnungen C, D, E beziehen sich auf den erfindungsgemäß zu
verwendenden Schweißzusatzwerkstoff, der im Beispiel mit der Elektrodenhandschweißung
geschweißt wurde.
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Die in der Tafel 1 aufgeführten bekannten ferriti',cljaustenitischen
Grundwerkstoffe wurden zur Eler,tellung und Prüfung der Schweißverbindung mit den
in
Tafel 2 aufgeführten Schweißzusatzwerkstoffen geschweißt. Hierbei
wurde der bekannte ferritisch-austenitische Schweißzusatzwerkstoff, wie üblich,
unter Schutzgas geschweißt, wobei das MIG-Verfahren angewendet wurde. Dagegen wurde
für den bekannten austenitischen Schweißzusatzwerkstoff B und die erfindungsgemäß
zu verwendenden schweißzusatzwerkstoffe C, D, E die Elektrodenhandschweißung verwendet,
d. h., es wurde ohne Zuhilfenahme von Schutzgas geschweißt.
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Es wurden mehrere Bleche mit einer Dicke von 5, 12 und 20 mm miteinander
verschweißt. Dann wurden auf der Grundlage von DIN 50 914, Ausgabe September 1970,
Prüflinge aus den Schweißverbindungen herausgearbeitet, in verschiedenen Säuremedien
gekocht. Die gewählten Säuremedien entsprechen einmal der bekannten Monypenny-Strauß-Lösung
gemäß DIN 50 914, des weiteren dem sog. verschärften Straußtest mit einer höheren
Säurekonzentration von 250 mol H2SO4/1 Prüflösung; das dritte Prüfmedium ist 65%ige
Salpetersäure (Huey-Test mit 5 mal 48 h Prüfdauer). Im Anschluß hieran wurden die
Proben gebogen und die gesamte Schweißverbindung auf interkristalline Korrosion
hin beurteilt. Tafel 3 enthält die Ergebnisse dieser Untersuchung. Bei Verwendung
des bekannten ferritisch-austenitischen Schweißzusatzwerkstoffes A wird interkristalline
Korrosion in der Schweiße festgestellt.
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Interkristalline Korrosion in der Wärmeeinilußzone (WEZ) des Grundwerkstoffs
zeigt sich aber auch, wenn man die aufgeführten Schweißzusatzwerkstoffe mit dem
unter Nr. 1 angegebenen Grundwerkstoff (Werkstoff-Nr. 14460) verschweißt. Keine
interkristalline Korrosion wird festgestellt, wenn ein Grundwerkstoff gemäß Nr.
2 und 3 mit einem austenitischen SchweißzusatzwerkstoffB verschweißt wird (Kombination
2 B und 3 B). Wie bei Erläuterung der Tafeln 4 a und 4 b gezeigt wird, sind in diesem
Falle aber die mechanischen Werkstoffeigenschaften nicht miteinander vergleichbar.
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Im Gegensatz hierzu zeigten die mit der Elektrodenhandschweißung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführten Kombinationen (2C, 2D, 2E und
3 C, 3 D und 3 E) keinen interkristallinen Korrosionsangriff.
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Der Vollständigkeit halber bleibt auszuführen, daß die bekannten
Kombinationen 1 A, 1 B, 1 C, 1 D, 1 E sowie 2 A und 3 A keinen interkristallinen
Korrosionsangriff zeigen, wenn die an sich bekannte Wärmenachbehandlung (1060°C/Wasser)
durchgeführt wird.
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Die mechanischen Eigenschaften, der ohne Einsatz von Schutzgas mit
Handelektroden im Lichtbogenverfahren hergestellten Schweißverbindungen und Schweißgutproben
sind in den Tafeln 4a und 4 b zusammengestellt. Alle Proben dieser Zusammenstellung
betreffen Paarungen, die (s. hierzu Tafel3) im geschweißten Zustand (aber nichtwärmebehandelt)
beständig gegen interkristallinen Korrosionsangriff sind. Betrachtet man zunächst
die in Tafel 4 a aufge führten Schweißverbindungen, so zeigt sich, daß die mit dem
austenitischen ZusatzwerkstoffB hergestellten Schweißverbindungen eine deutlich
geringere Streckgrenze und insbesondere eine niedrigere Dauerfestigkeit aufweisen.
Die Dauerfestigkeit wurde bei einer Lastspielzahl n von 2-107 ermittelt. Während
die Dauerfestigkeit bei der bekannten Kombination 2B bzw. 3B bei 210N/mm2 liegt,
führt die ertindungsgemäße Kombination zu einer Dauerfestigkeit, die bei etwa 400
Im2 und höher liegt. Gegenüber
dem austenitischen Schweißzusatzwerkstoff B ergibt
sich somit beim Erfindungsgegenstand nahezu die doppelte Dauerfestigkeit. Erhebliche
Unterschiede zeigen sich auch beim Biegewinkel. Während bei Verwendung des austenitischen
Zusatzwerkstoffes B ein Biegewinkel von 40 und 600 festgestellt wurde, erfüllen
die erfindungsgemäßen Kombinationen alle den Biegewinkel von 1800. Bei den mit dem
austenitischen Zusatzwerkstoff gefügten Verbindungen muß das verhältnismäßig weiche
Schweißgut die gesamte Biegedehnung aufnehmen, so daß infolge fehlender Stützwirkung
des ferritischaustenitischen Grundwerkstoffs erheblich schlechtere Biegewinkel festgestellt
werden. Für die Praxis bedeutet dies geringere Bauteilsicherheit, da z.B. bei den
in der Praxis nicht auszuschließenden Überbeanspruchungen Deformationen nicht aufgefangen
werden können.
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Weiterhin wurde in Umlaufbiegeversuchen ermittelt, daß bei der erfindungsgemäßen
Kombination die hohen Dauerfestigkeitswerte auch unter korrosivem Einfluß von Natriumchloridlösungen
erhalten bleiben.
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Die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften schlagen sich auch in
der Bruchlage nieder. Wie bei Zerreißversuchen festgestellt wurde, liegt bei der
vorbekannten Kombination mit dem austenitischen Werkstoff (2 B und 3B) die Bruchlage
in der Schweiße.
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Demgegenüber sind die erfindungsgemäßen Kombinationen dadurch ausgezeichnet,
daß beim Zerreißversuch der Bruch jeweils im Grundwerkstoff auftritt.
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Erst eine derartige Kombination eröffnet die Möglichkeit, bei Schweißkonstruktionen
höherfeste Grundwerkstoffe einzusetzen, weil diese erhöhte Festigkeit auch im Falle
der betrieblich nahezu stets erforderlichen Schweißverbindung erhalten und ausgewertet
werden kann.
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Die Fafel 4 b zeigt die hohen Streckgrenzwerte und die hohen Dauerfestigkeitswerte
in der Schweißgutprobe. Das Bild entspricht den Feststellungen bei der Besprechung
der Tafel 4 a.
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Im Beispiel wurde die Schweißung bei den erfindungsgemäßen Kombinationen
mit der Elektro denhandschweißung durchgeführt. Ebenso kann - ohne Zuhilfenahme
von Schutzgas - das Unterpulver-Schweißverfahren eingesetzt und ausgenutzt werden.
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Es bleibt zu berücksichtigen, daß das hochmechanisierte Unterpulverschweißverfahren
wegen seiner großen Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit gerade in der letzten
Zeit weite Verbreitung gefunden hat Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Schweißverbindung kann ohne
Zuhilfenahme von Schutzgas erzeugt werden; sie weist bereits ohne Wärmenachbehandlung
eine sehr gute Kombination von Eigenschaften auf, und zwar Naßkorrosionsbeständigkeit,
.
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Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, eine hohe Biegung
ist möglich, die Festigkeitseigenschaften und insbesondere die Dauerfestigkeitswerte
sind hervorragend.
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Aufgrund dieser Eigenschaften liegt der Schweißfaktor, also die Zahl,
die die Güte der Schweißnaht als Verhältnis ihrer Festigkeit zu der des Grundwerkstoffs
angibt, bei 1. Es ist daher möglich, die Festigkeitseigenschaften des Grundwerkstoffs
voll auszuschöpfen.
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Tafel 1 Analyse von Grundwerkstoffen Gew.-% Bez. C Si Mn P S Cr Mo
Ni N V gesamt 1 0,052 0,71 1,43 0,022 0,012 25,4 1,53 5,54 0,04 -2 0,021 0,44 1,68
0,026 0,010 22,95 2,93 5,48 0,13 -3 0,024 0,56 1,82 0,022 0,009 23,40 3,05 5,80
0,14 0,2 1 = Grundwerkstoff gemäß Werkstoff-Nr. 14460.
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2 = Grundwerkstoff gemäß DT-OS 2255673.
-
3 = Grundwerkstoff gemäß DT-OS 2347078.
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Tafel 2 Analyse von Schweißzusatzwerkstoffen (Schweißgutproben) Bez.
C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb N V gesamt A 0,06 0,45 0,81 0,022 0,010 25,20 1,98 7,85
- 0,05 -B 0,040 0,30 2,15 0,023 0,008 17,44 4,14 16,52 - 0,09 -C 0,065 0,23 0,52
0,031 0,007 24,66 1,52 8,52 0,39 0,1098 -D 0,07 0,25 0,47 0,025 0,015 24,60 2,72
8,57 0,62 0,091 -E 0,04 0,31 0,96 0,010 0,013 24,27 2,07 9,61 0,60 0,045 0,25 A
= Bekannter ferritisch-austenitischer Schweißzusatzwerkstoff, der unter Schutzgas,
z. B. nach dem MIG-Verfahren, geschweißt wird.
B = Bekannter austenitischer Schweißzusatzwerkstoff mit Elektrodenhandschweißung
geschweißt |
DE Erfindungsgemäß zu verwendender Schweißzusatzwerkstoff mit
Elektrodenhandschweißung geschweißt. |
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Tafel 3 Beständigkeit der Schweißverbindungen gegen interkristalline
Korrosion Kombination Befund nach DIN 50914 Huey-Test Schweißzusatz-Grundwerkstoff
Monypenny-Strauß-Versuch Monypenny-Strauß-Versuch mit 250ml H2SO4/1 Prüflösung Bekannt
1 A IK in Schweiße + WEZ IK in Schweiße + WEZ IK in Schweiße + WEZ Bekannt 1 B IK
in WEZ IK in WEZ IK in WEZ Bekannt 1 C IK in WEZ 1K in WEZ IK in WEZ Bekannt 1 D
IK in WEZ 1K in WEZ IK in WEZ Bekannt 1 E IK in WEZ IK in WEZ IK in WEZ Bekannt
2 A IK in Schweiße IK in Schweiße IK in Schweiße Bekannt 3 A IK in Schweiße IK in
Schweiße IK in Schweiße Bekannt 2 B keine IK keine IK keine IK Bekannt 3 B keine
IK keine IK keine IK Neu 2 C keine IK keine keine IK Neu 2 D keine IK keine IK keine
1K Neu 2 E keine IK keine IK keine IK Neu 3 C keine IK keine IK keine IK Neu 3 D
keine IK keine IK keine IK Neu 3 E keine IK keine IK keine IK Ik = Interkristalliner
Korrosionsangriff.
-
WEZ = Wärmeeinflußzone des Grundwerkstoffes
Tabelle
4 a Mechanische Eigenschaften der Schweißverbindung Rp 0,2 Rp 1,0 Rm As Dauer- Biegewinkel
Bruchlage festigkeit (N/mm2) (N/mm2) (N/rnm2) (%) (Nimm2) (Grad) 2 B 447 488 659
22 210 40 Schweiße 3 B 432 481 644 19 210 60 Schweiße 2 C 610 672 790 29 390 180
Grundwerkstoff 2 D 612 681 794 28 420 180 Grundwerkstoff 2 E 620 686 828 29 410
180 Grundwerkstoff 3 C 622 675 817 31 410 180 Grundwerkstoff 3 D 618 661 793 27
400 180 Grundwerkstoff 3 E 631 684 808 28 430 180 Grundwerkstoff Tabelle 4 b Mechanische
Eigenschaften der Schweißgutproben Rp 0,2 Rp 1,0 Rm As Dauerfestigkeit (N/mm2) (N/mm2)
(N/mm2) (%) (N/mm2) B 425 471 639 35 210 C 634 699 840 33 450 D 603 665 827 30 420
E 621 674 819 31 440