DE2713285A1 - Unterpulverschweissverfahren - Google Patents
UnterpulverschweissverfahrenInfo
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Description
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P. H. JAKOB G. BEZOLD
8 MÜNCHEN 22
MAXIMILIANSTRASSE 43
25. n;j τζ 1977
P τ
SUMITOMO METAL INDUSTRIES, LTD.
No. 15ϊ 5-chome, Kitahama,
Higashi-ku, Osaka-shi
Osaka-fu, Japan
No. 15ϊ 5-chome, Kitahama,
Higashi-ku, Osaka-shi
Osaka-fu, Japan
Unterpulverschweißverfahren
Die Erfindung betrifft ein Unterpulverschweißverfahren und bezieht
sich insbesondere auf ein Unterpulverschweißverfahren für Konstruktionsteile, die tiefen Temperaturen ausgesetzt werden.
Dabei betrifft die Erfindung insbesondere ein Unterpulverschweißverfahren, bei welchem das Schweißgut in einer Vielzahl
von übereinandergelegten Schichten niedergebracht wird.
Herkömmlicherweise werden Vorratsbehälter für verflüssigte Gase, wie für verflüssigten Stickstoff, verflüssigten Sauerstoff od.dgl,
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durch Schweißen auπ Ctahlteilen hergestellt. Da diese Vorratsbehälter
im Betrieb tiefen Terinperatu.ren von weniger als minus
1000C ausgesetzt sind, ist es von großer Bedeutung, für eine
angemessene Schlagfestigkeit bei derart tiefen Temperaturen zu sorgen.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Unterpulverschweißverfahren bisher bei Konstruktionen nicht befriedigen konnten,
die tiefen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei insbesondere die Zähigkeit des Schweißgutes unbefriedigend ist. Derart; herkömmliche
Unterpulverschweißungen werden mit einer relativ geringen
Wärmezufuhr ausgeführt und von der Wärmezufuhr wird angenommen, daß sie zur Entstehung eines feinen Kristallgefüges
führt, welches eine ausreichende Schlagfestigkeit besitzt. Es ist jedoch bisher nicht möglich gewesen, eine ausreichende
Schlagfestigkeit bei niedrigen Temperaturen lediglich durch eine relativ niedrige Wärmezufuhr zu gewährleisten.
Die Erfindung verfolgt somit das Ziel, ein Unterpulverschweißverfahren
zu schaffen, mit dessen Hilfe ein Schweißmetall mit hoher Schlagfestigkeit bei extrem niedrigen Temperaturen hergestellt
werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Unterpulverschweißverfahren zu schaffen, welches
sich insbesondere zum Verschweißen von Konstruktionsteilen eignet, die für extrem niedrige Temperaturen bestimmt sind. Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Unterpulverschweißverfahren zu schaffen, bei welchem das Schweißmetall in
einer Vielzahl von übereinandergelegten Schichten niedergebracht
wird, um auf diese Weise zu erreichen, daß das Schweißmetall einer jeweils bereits niedergebrachten Schicht eine Wärmezufuhr von
der nachfolgend darübergelegten Schicht erfährt, um so ein
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rekrir.tnllisiortes Feinde füge zu erreichen.
Erfindungsgemäß werden die vorstehend genannten Ziole bei einem
Unterpulverschweißverfaluen dadurch erreicht, daß ein Flußmittel
mit einer durch die Formel CaO ι- MgO definierten Banizität in
einen Prozentsatz zwischen 1,5 und. 3 verwendet und eine Vielzahl
von Schweißgutschichten bei einem Schweißstrom von 4OO bis 70OA
und einer Bogenspannung von 35 bis 48V übereinandergciort wird,
wobei jede der Schweißgutschichten eine r/mm nicht übersteigende
Dicke besitzt, derart, daß das Schweißgut einer tiefergolegenen
Schicht thermisch von einer benachbarten darüberliegenden Schicht beaufschlagt wird, so daß die tiefergelegene Schicht
im wesentlichen über ihre ganze Dicke rekristallisiert wird.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben, beziehen sich alle Prozentangaben
auf Gewichtsprozent.
Erfindungsgemäß wird die Verwendung eines gebundenen Flußmittels
bevorzugt, welches 10 bis 30% SiO2, 8 bis 20% Al2O5, 25 bis 45%
MgO, 10 bis 30% CaO, 7 bis 20% CaF2 und wenigstens einen der
Stoffe metallisches Silizium, Fe-Si und Fe-Si-Mn in einer Menge von 0 bis 0,6 % , berechnet als metallisches Silizium, enthalt.
Wird das Schweißverfahren auf einen Stahl mit relativ hohen Gehalten an Nickel, wie beispielsweise 3i5% >
angewendet, so ist die Verwendung einer Schweißelektrode bevorzugt, die 5 bis 25%
CaF2, 2,5 bis 5,5% Ni, 0,05% Mo, 0 bis 0,5% Ti, Rest im
wesentlichen Eisen, enthält.
Ein bevorzugter Gedanke liegt in einem Unterpulverschweißverfahren
für einen Stahl mit 3,5% Nickel, wobei des erfindungsgemäße Verfahren zum Erreichen einer Schiveißung mit befriedigender
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Schlagfestigkeit bei t; ίο fan Temperaturen, wie Temperaturen
unter minus 1000O, führb. Bei dem Verfahren wird ein Flußmittel
verwendet, dessen Basizität durch die Formel CaO -h M.°;0
definiert wird, und welches in einem Prozentsatz zwischen
1,5 und J zur Vorwendung gelangt. Das Schweißmetall wird in
einer Vielzahl von übereinandergelegten Schweißgutschichten
niedergebracht, wobei jede Schicht eine Dicke von weniger
als'7rom besitzt, wodurch das Schweißmetall in einer tiefergelegenen
Schicht thermisch von einer benachbarten darüber!legenden
Schicht beeinflußt wird, so daß Rekristallisation in im wesentlichen der ganzen Dicke der teiferliegenden Schicht herbeigeführt
wird, was eine feinkristallines Gefüge zur Folge hat.
Werden die Schweißgutschichten in gestaffelter Anordnung niedergebracht,
so darf der Höhenunterschied zwischen dem höchsten Bereich einer tieferliegenden Schicht und dem einer benachbarten
darüberllegenden Schicht nicht größer als 5^m sein. Außerdem ist
es ratsam, die Wärmezufuhr auf 40000 J/cm zu halten.
Die Erfindung beruht auf dem Leitgedanken, daß in einer Schweiße mit einer Vielzahl von übereinandergelegten Schweißgutschichtcn
eine tieferliegende Schicht eine thermische Beeinfassung durch
eine benachbarte darüberllegende Schicht erfährt, sobald die
letztere niedergebracht wird. Diese Wärmezufuhr zur tieferliegenden
Schicht ruft in derselben ein rekristallisiertes Feingefüge hervor
und dieses Feingefüge wirkt sich dahingehend aus, daß bei tiefen Temperaturen, wie Temperaturen unter minus 1000C, verbesserte
Schlagfestigkeiten bzw. Kerbschlr.gfähigkeiten erreicht
werden. Demzufolge zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, daß das Schweißgut in relativ dünnen übereinander
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gelegten Schichten niedergebracht wird, so daß lediglich eine relativ dünne Zonge einer jeden .Schicht thermisch unbeaufschlagt
bleibt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist diese thermisch unbeaufschlagte Zone einer jeden f.chicht cliinnor als
2mm, so daß fast die gesamte Dicke der Schiebt von den rekristallisierten
Metall mit hoher Schlagfestigkeit eingenommen wii^d.
Im Interesse des Erzielens einer hohen Schlagfestigkeit oder einer verbesserten Zähigkeit sollte der Sauerstoffgehalt, im
Schweißgut unter 300ppm gehalten v/erden und zum Erreichen dieses Zieles wird ein Flußmittel mit einer Basizität von mehr als 1,5
verwendet. Eine höhere Basizität dient ferner dazu, den Siliziumgehalt
im Schweißgut zu verringern. Da eine Vergrößerung der Basizität jedoch einen ungünstigen Einfluß auf die Schweißbarkeit
ausübt, sollte die Basizität des erinnerten Flußmittels nicht oberhalb von 3»0 liegen.
Was das Flußmittel angeht, so ist die vorstehend genannte Zusammensetzung
besonders zum Schweißen von Stahlen geeignet, welche hohe Nickelgehalte aufweisen, wie im folgenden erläutert
wird.
SiOp beeinflußt den Schmelzpunkt des Flußmittels und in Fällen wo der SiOp-Gehalt weniger als 10% beträgt, ist ein Anstieg
des Flußmittel-Schmelzpunkte zu beobachten, was den Schweißvorgang beeinträchtigt und auch das Aussehen der Schweißraupe
verschlechtert. Bei einem SiOp-Gehalt von mehr als 30% wird
das SiOp chemisch reduziert und tritt eine Erhöhung des Siliziumgehaltes
im Schweißgut ein, was eine verringerte Zähigkeit des
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Schweif?» cut es zu Folge hat.
A1„Ü7 beeinflußt dc?s Aussehen der Gehweißraupe und ein be-vorzngter
Gchaltsbereich für dieses Material liegt zwischen 8 und 20%. Sind weniger als 25% MgO enthalten, εο wild es
schvierig., die Basizität auf dem angestrebten Niveau zu halten.
Ist der MgO-Gehalt jedoch größer als 45%, so wird der Schmelzpunkt
des Flußmittels auf eine unannehmbare Höhe gesteigert.
Der CaO-Gehalt sollte größer als 10% sein, um. die Basizität innerhalb des angestrebten Bereiches zu halten. Es treten
jedoch schädliche Einflüsse auf die Verarbeitbarkeit auf, wenn der GaO-Gehalt über 30% ansteigt.
Der CaF^-Gehalt sollte mehr als 7% betragen, um ein zufriedenstellendes
Aussehen der Schweißraupen zu gewährleisten. Übermäßige CaFp-Zusätze führen jedoch zu einem instabilen Schweißbogen,
welshalb der CaFp-Anteil unter 20% liegen muß. Zur Aufrechterhaltung
eines Siliziumgehaltes im Schweißgut von weniger als 0,20% ist es erforderlich, der Siliziumgehalt des metallischen
Siliziums, FeSioder des Fe-Si-Mn im Flußmittel auf weniger als
0,6% zu halten. Andernfalls tritt eine nachteilige Beeinflußung
der Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen ein, was auf eine Erhöhung des Siliziumgehaltes im Schweißgut zurückzuführen ist.
Wie bereits erwähnt, kann als siliziumhaltiges Desoxydationsmittel metallisches Silizium, Fe-Si sowie Fe-Mn-ßi dienen. Es
ist selbstverständlich möglich, von Silizium verschiedene Materialien als Desoxydationsmittel zu verwenden. So kann für
diesen Zweck beispielsweise Mangan verwendet werden. Das erfindungsgemäße
Flußmittel kann ein Desoxidationsmittel in einer Menge von weniger als 0,6%, berechnet als Silizium, enthalten.
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•5.
Hinsichtlich des Seelendrahtes ist. gefunden worden, dcß der
CaFp-Gehalt mehl* als S%>
bezogen auf das Gesamtgewicht des
Drahtes, sein soll. Andernfalls können Innerilunker im Schv.nißgut
entstehen, was eine Verringerung der Zähigkeit zur J'cl-j^
hätte. Bei einem CaFo-Gehalt von mehr als 5% ist eine beachtliche
Verringerung des Sauerstoffgehaltes des geschmolzenen
Metalls festzustellen, wodurch Innenlunker verhindert werden und die Zähigkeit verbessert wird. Der CaFp-Gehalt sollte
.jedoch nicht 25% übersteigen, weil überschüssige CoFp-Gehalte
den Schweißbogen instabil machen und eine schlechte Bearbeitbarkeit
hervorrufen.
Zur Gev/ährl ei st ung einer ausreichenden Schlagfestigkeit bei minus 100°C ist es erforderlich, den Kickelgehalt des Seelendrahtes
auf mehr als 2,5% zu. halten,· wobei jedoch bei Nickelgehalten
von mehr als 5>5% Risse bei hohen Temperaturen auftreten können.
Molybdän kann im Seelendraht vorhanden sein, um eine verbesserte Festigkeit des Schweißgutes zu erzielen. Der Molybdängeholt
darf jedoch nicht mehr als 0,5% betragen, weil höhere Gehalte einen nachteiligen Einfluß auf die Schlagfestigkeit
bei niedrigen Temperaturen ausüben.
Titan kann gleichfalls im Seelcndraht vorliegen weil Titan das Entstehen eines feinkristallienen Gefüges unterstützt, welches
zum Erzielen vei'besserter Schlogfestigkeitseingenschaften bei
niedrigen Temperaturen erforderlich ist. Titan kann jedoch auch weggelassen werden, weil es auch dünn inoglich ist, eine
ausreichende Schlagfestigkeit für Temperaturen um minus 1000C
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zu erreichen. Liegt der T it anbehält obeiiialb von 0,5% , so
tritt eine Verringerung der Zähigkeit auf, die auf eine Erhöhung
des Siliziumgehaltes im Schweißgui; zurückzuführen ist.
Nickel, Molybdän und Titan des Seelendrahten können der Schweißelektrode
in Form ihrer Eisenlegierungen zugefügt v/erden, wie beispielsweise als Fe-Ni, Fe-Ko und Fe-Ti. Fe-Ni, Fe-Mo oder
Fe-Ti können in der Elektrode in der vorstehend genannten
Menge enthalten sein, die als Nickel, Molybdän oder Titan berechnet
ist. Es versteht sich, daß Nickel, Molybdän oder Titan in der Elektrode auch als elementar Metalle vorliegen können.
Erfindungsgemäß wird das Unterpulverschwe.ißverfahren mit einem
Schweißstrom von 400 bis 70OA, einer Bogenspannung von 35 bis 48V
und einer Wärmezufuhr von weniger als 40000 J/cm ausgeführt. Bei einem Schweißstrom von weniger als 400A ist es schwierig,
einen stabilen Schweißbogen aufrecht zu erhalten, wohingegen Schweißströme von mehr als 700A zu niedergebrachten Schweißgutschichten
führen, deren Dicke oberhalb der angestrebten Abmessungen liegt. Bei einer Bogenspannung von weniger als 35V
kommt es zu einer Erhöhung der Schmelzgeschwindxgkeit des Scheißgutes, wohingegen bei Spannungen von weniger als 48V
Instatilitäten des Schweißbogens auftreten. Die Begrenzung der
Wärmezufuhr ist erforderlich, um die feinkristallinen Gefüge aufrechtzuerhalten und um dünne Schichtdicken des niedergebrachten
Schweißgutes zu gewährleisten. Bei Beachtung der genannten Schweißbedingungen wurde gefunden, daß die Schweißgeschwindigkeit
vorzugsweise 20 bis 50cm/min betragen soll, um Schweißgutschichten mit einer Dicke von weniger als 7mm
niederzubringen.
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Weitere Merkmale, Vorteil ο und Einzelheiten der Erfindung ergeben
eich aus der folgenden Beschreibung einer, Ausführungs-"beispieles
anhand der Zeichming. Tn dieser zeigt:
Figur 1 eine teilweine perspektivische "Darstellung von
Stolilplatten, die mit Hilfe des crfindungsgemäßen
Verfahrens geschweißt werden,
Figur 2 eine vergrößerte Teildarstellung, die im Schnitt eine Ausführung?.;form der niedergebrachten Schweißgutschichten
zeigt,
Figur 3 A, B und C Beispiele für niedergebrachte Schwoißraupen
oder Schweißmetallschichtcn, und
Figur 4 einen Schnitt durch eine im zu verschweißenden
Material ausgebildete Schweißfuge.
Wie in Figur 1 dargestellt, sind zwei Platten 1 und 3 eines
nickelhaltigen Stahls, wie eines Stahls mit 355% Nickel aneinanderstoßend
angeordnet, wobei eine im wesentlichen U-förmig3 Nut oder Fuge 3 in den sich in gegenseitiger Anlage befindenden
Bereichen ausgebildet ist. Eine Unterpulverschweißung wird unter
den vorstehend erwähnten Schweißbedingungen durchgeführt;, wobei das erwähnte Fluß- oder Schweißmittel und das genannte Schweißgut
verwendet werden, um eine Vielzahl von Schweißgut sei) ich ten 4
auszubilden, die in gestaffelter oder versetzter Anordnung übereinander
niedergebracht werden. Erfindungsgemäß ist die Picke T einer jeden niedergebrachten Schicht 1V dünner als 7^m und bei
der dargestellten gestaffelten Anordnung ist die Höhendiferenz H zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten kleiner alb 5^m.
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Den Ausdruck "Höhendifercnz" bezeichnet einen Abs land zwischen
den Mitten oder den höchsten Bereichen zweier aufeinnnderfolrondcr
Schichten, gemessen in Richtung der Sichtdicken und senkrecht zur gestrichelt dargestellten Seheißlinie C.
Wird speziell auf die Schicht 4a in Figur 1 eingegangen, so zeigt sich, daß dieselbe eine thermische Beaufschlagung in einem
durch das Bezugszeichen 5 bezeichneten Bereich erhält, wenn die benachbarte Schicht 4b so ausgebildet oder niedergebracht wird.dn
die Rekristallisation in dem Bereich 5 fortschreitet, um ein
feinkristallines Gefüge zu erzeugen. Außerdem erfährt das Metall der Schicht 4a eine Wärmezufuhr in den mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Bereich mit der Wirkung, daß in diesem
Bereich 6 ein feinkristall ines Gefüge erzeugt wird. Weil die
Schichten 4 relativ dünn sind, weisen sie im wesentlichen vollständig ein rekristallisiertes Feingefüge auf, wohingegen die
thermisch unbeaufschlagte Zone lediglich eine Dicke von 2mm
oder weniger aufweist. Dadurch ist es möglich, eine Schweißung mit einer hohen Schlagfestigkeit bei exrem niedrigen Temperaturen
zu erzielen. Figur 2 zeigt die niedergebrachten Schichten 4 des Schweißgutes im einzelnen. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen
7 den Bereich, in welchem das Metall eine thermische Beaufschlagung (im Sinne einer Wärmezufuhr) erfahren hat und die
Rekristallisation erfolgt ist.
Figur 5 zeigt einige Beispiele für die Anordnung-der niedergebrachten
Scheißgutschichten. So zeigt Figur 3 A ein Beispiel, bei welchem die Schichten 4 des Schweißgutes ohne Staffelung
in Querrichtung aufeinander angeordnet sind, während Figur 3 B eine gestaffelte Anordnung zeigt, wobei die einzelnen Schichten
in Querrichtung um eine Strecke S (Figur 1) versetzt sind.
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Er sei unterstrichen, daß eine derartige Anordnung im ln^eres
der Rekristallisation bevorzugt ist. Figur 3 C läßt erkennen,
daß eine Höhendiferenz 9 zwischen dem höchsten Bereich einer
Schicht und dem höchsten Bereiche einer nachfolgend niedergebrachten
Schicht gleichfalls einen Einfluß auf das Gebiet des thermisch unbeaufschiaßten Bereiches 8 ausübt. Aus diesem
Grunde empfehlen die Erfinder Höhendifferenzen 9 von weniger
al s
Zum Scheißen wurde ein 3» 5% Nickel enthaltender Stahl gemäß
ASTM A-203 mit den in Figur 1V angegebenen Abmessungen verwendet.
Zum Ausführen des Schweißverfahrens wurden Fluß- oder
Schweißmittel der in Tafel 1 angegebenen Zusammensetzung verwendet.
Tafel 1
CaO | MgO | SiO2 | Al2O 2 | CaF2 | Basizität | |
A | 20 | 29 | 38 | 10 | 3 | 1,3 |
B | 20 | 25 | 25 | 20 | 10 | 1,8 |
C | 16 | 26 | 21 | 2Ο | 17 | 2,0 |
D | 16 | 37 | 21 | 14 | 12 | 2,5 |
Bemerkung: Die Basizität B ist gegeben durch die Formel B -
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Die Schweißelektrode enthielt; Λ0% CoF2, 2,7% M, Ο,^'/ύ Mo
liest Ei c en in Form eJnos Flußstahls. Der .Fluß?.:· to hl enthielt
0,05% Kohlenstoff, 0,50% Mangan, Eect Eisen. Die Schweißung
wurde unter den in C'afel 2 zusammengestellten 13edin^arip;en
durchgeführt und die ceschv/eißten Probekörper v/urden mit
en Nuten von 2mm Breite an den verschweißten Bereichen versehen und bei einer Temperatur von minus 10"10C
dem Charpy-Schlößvornuch unterzogen. Die Ergebnisse sind
gleichfalls in Tafel 2 zusammengestellt.
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ORIGINAL INSPECTED
Bei den vorstehend wiedergegebenen Versuchen wurde festgestellt, daß die Proben 1 und 2 niedergebracht Schweißgutschichten
besaßen, deren Querschnitte einen relativ geringen Krümmungsradius an der Oberfläche einer jeden Schicht aufwiesen.
Dieses ist auf eine unzureichende Eogenspannung zurückzuführen,
was eine relativ große Zone an thermisch unbeaufschlagtem
Metall zur Folge hatte. Die betroffenen Stähle zeigen eine sehr schlechte Schlagfestigkeit. Bei der Probe
2 ist zu erkennen, daß die relativ große Höhendifferenz H einen nachteiligen Einfluß auf die Schlagfestigkeit ausübt.
Bei den Proben 3 und 4 ist zu erkennen, daß zu hohe Schweißströme und zu hohe Wärmezufuhren zu niedergebrachten Schichten
von zu großer Dicke führten. Aus diesem Grunde war es bei den genannten Proben nicht möglich, ein ausreichendes Ausmaß
an rekristallisiertem Feingefüge zu erzeugen. Diese Neigung tritt bei der Probe 4 besonders deutlich zu Tage, da bei dieser
Probe das Schweißgut ohne seitliche Staffelung S zwischen zwei benachbarten Schichten niedergebracht worden waren.
Die Probe 5 wurde unter Verwendung eines Fluß- oder Schweißmittels
mit zu niedriger Basizität geschweißt. Demzufolge enthält das Schweißgut eine zu hohe Sauerstoffmenge. Die auf
erfindungsgemäße Weise verschweißten Proben 6 bis 13 besaßen thermisch unbeaufschlagte Zonen von weniger als 2mm Dicke.
Das hat zur Folge, daß die erfindungsgemäß erzeugten Proben über eine befriedigende Schlagfestigkeit verfügen.
709840/094«
ORIGINAL INSPECTED
Claims (6)
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- 2. Verfahren r\i-ch Ansp.-.-uch 1, d a d u r c h g e k e η η zeichne t , daß die Schvreißgutschichten' in gestaffelter Anordnung niedergebracht werden.
- 3. Vorfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schichten mit einer Höhendifferenz zwischen dem höchsten Bereich der einen Schicht und dem höchsten Bereich der Nachbarschicht von weniger als 5mm niedergebracht werden.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35 zum Versehweißen nickelhaltiger Stähle, dadurch gekennzeichnet , daß ein gebundenes Flußmittel mit 10 bis ?G% SiO2, 8 bis 20% Al3O3, 25 bis 45% MgO, 10 bis 30% CaO, 7 bis 20 % CaS2 und wenigstens einem der Bestandteile metallisches Silizium, Fe-Si oder Fe-Si-Mn in einer Menge von O bis 0,6% , berechnet als metallisches Silizium, verwendet wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem eine Schweißelektrode in Form eines Seelendrahtes, bestehend aus einem Flußstahl und einem Kernmaterial verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Eernmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schweißelektrode,5 bis 25% CaF2, 2,5 bis 5,5% Nickel,0 bis 0,5 % Molybdän und 0 bis 0,5% Titan enthält.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmezufuhr unter einem Wert von 40000 J/cm gehalten wird.709840/0949
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