DE2713285B2 - Unterpulver-Mehrlagen-Schweißverfahren für kaltzähe nickeUegierte Stühle - Google Patents

Description

definierten Basizität zwischen 1,5 und 3 verwendet wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:

a) Höhe des Schweißstroms zwischen 400 und 70OA

b) Höhe der Schweißspannung zwischen 35 und 48 Volt

c) Dicke der einzelnen Schweißgutschichten Kleiner ode.· gleich 7 mm, so daß das Schweißgut einer tiefergelegenen Schicht thermisch von einer benachbarten darüberliegenden Schicht derart beaufschlagt wird, daß die tiefergelegene Schicht im wesentlichen über ihre ganze Dicke rekristallisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißgutschichten in versetzter Anordnung niedergebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißgutschichten so niedergebracht werden, daß zwischen dem tiefsten Bereich der einen Schicht und dem tiefsten Bereich der nächstfolgenden niedergebrachten Schicht ein Abstand von weniger als 5 mm eingehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gebundenes Flußmittel mit 10 bis 30% SiO₂, 8 bis 20% AI₂O₃, 25 bis 45% MgO, IO bis 30% CaO, 7 bis 20% CaF₂ und wenigstens einem der Komponenten metallisches Silicium, Fe-Si oder Fe-Si—Mn in einer Menge von bis zu 0,6%, berechnet als metallisches Silicium, verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem eine Schweißelektrode in Form einer Hohlelektrode, bestehend aus einer Flußstahlhülle und einem Kemmateria! verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kernmaterial mit, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schweißelektrode, 5 bis 25% CaF₂,2.5 bis 5,5% Nickel, 0 bis 03% Molybdän und 0 bis 0,5% Titan verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr unter einem Wert von 40 000 J/cm gehalten wird.

Die Erfindung betrifft ein Unte;,julver-Mehrlagen-Schweißverfahren für kaltzähe nickellegierte Stähle, bei dem ein Flußmittel mit einer durch die Formel

CaO + MgO
SiO₂

definierten Basizität zwischen 1,5 und 3 verwendet wird.

Die Benutzung basischer Flußmittel beim Verschweißen kaltzäher nickellegierter Stähle ist eine dem Schweißfachmann geläufige Maßnahme.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß auf herkömmliche Weise verschweißte kaltzähe nickellegierte Stähle im Bereich der Schweißungen unbefriedigende Materialeigenschaften aufweisen, wobei insbesondere die Zähigkeit des Schweißgutes unbefriedigend ist. Diese bekannten Unterpulver-Mehrlagen-Schweißungen werden üblicherweise mit relativ geringer Wärmezufuhr ausgeführt und dieses dürfte ursächlich dafür sein, daß das Kristallgefüge des Schweißgutes unzureichende Zähigkeitseigenschaften aufweist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß ein Schweißgut erhalten wird, welches bei niedrigen Temperaturen eine befriedigende Zähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch I angegebenen Merkmale gelöst.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die einzelnen Schweißgutschichten in versetzter Anordnung niedergebracht werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß die Schweißgutschichten so niedergebracht werden, daß zwischen dem tiefsten Bereich der einen Schicht und dem tiefsten Bereich der Nachbarschicht ein Abstand in Querrichtung von weniger als 5 mm eingehalten wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß ein gebundenes Flußmittel mit 10 bis 30% SiO₂,8 bis 20% AI₂O₃,25 bis 45% MgO, bis 30% CaO, 7 bis 20% CaF₂ und wenigstens einem der folgenden Komponenten metallisches Silicium, Fe-Si oder Fe-Si — Mn in einer Menge von bis zu 0,6%, berechnet als metallisches Silicium, verwendet wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist bei Verwendung einer Schweißelektrode in Form einer Hohlelektrode, bestehend aus einer Flußstahlhüllc und einem Kernmaterial vorgesehen, daß

V) das Kernmaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schweißelektrode, 5 bis 25% CaF₂,2,5 bis 5,5% Nickel, 0 bis 03 Molybdän und 0 bis 0,5% Titan enthält.

Vorteilhafterweise wird die Wärmezufuhr unter einem Wert von 40 000 J/cm gehalten.

v> Kaltzähe nickellegierte Stähle werden bevorzugt für Vorratsbehälter für verflüssigte Gase, wie für verflüssigten Stickstoff, verflüssigten Sauerstoff oder dergl. verwendet. Da solche Vorratsbehälter im Betrieb Temperaturen von häufig niedriger als — 100°C

M) ausgesetzt sind, ist es sehr wichtig, daß die in den Behältern vorhandenen Schweißnähte über eine ausreichende Schlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen verfügen.

Das Schweißgut wird in einer Vielzahl von überein-

andergelegten Lagen oder Schichten niedergebracht, wobei jede Schicht eine Dicke von weniger als 7 mm besitzt. Dadurch wird sichergestellt, daß das Schweißgut einer tiefer gelegenen Schweißschicht thermisch von

einer benachbarten darüberliegenden Schicht beeinflußt wird, um eine Rekristallisation im wesentlichen Ober die gesamte Schichtdicke der tiefer liegenden Schweißgutlage herbeizuführen, was ein feinkristallines Gefüge mit der angestrebten Kaitzähigkeit zur Folge hat.

Werden, wie bereits erwähnt, die Schweißgutschichten oder -lagen in versetzter Anordnung zueinander niedergebracht, so darf der Abstand in Querrichtung, d.h. senkrecht sur Schweißrichtung zwischen den tiefsten Stellen zweier benachbarter Schweißgutlagen nicht größer als 5 mm sein. Nach der in Rede stehenden bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt es somit darauf an, daß die tiefsten Stellen benachbarter Einbrände quer zur Schweißrichtung nicht weiter als 5 mm voneinander entfernt angeordnet werden. Außerdem ist es vorteilhaft, die Wärmezufuhr auf 40 000 J/cm zu halten.

Die Erfindung beruht auf dem Leitgedanken, daß bei Mehrlagen-Schweißungen jeweils eine tiefer liegende Schweißlage von einer nachfolgend darüber niedergebrachten Schweißgutschicht thermisch so beaufschlagt wird, daß die erstgenannte, d.h. die tiefer legende Schicht rekristallisiert Das so erhaltene Rekristallisationsgefüge zeichnet sich durch eine befriedigende Kaitzähigkeit aus. Demzufolge werden beim Verfahren nach der Erfindung relativ dünne Schweißgutlagen übereinander niedergebracht, so daß lediglich eine relativ dünne Zone einer jeden Schicht thermisch ggf. nicht von der nächstfolgenden Schicht beaufschlagt wird. Eine solche, thermisch nicht beaufschlagte Zone ist so dünner als 2 mm, so daß praktisch die gesamte Schichtdicke von einem rekristallisierten Schweißgut mit hoher Schlagzähigkeit eingenommen wird.

Zum Erzielen einer hohen Schlagfestigkeit oder einer verbesserten Zähigkeit sollte der Sauerstoffgehalt im js Schweißgut unter 300 ppm gehalten werden und zum Erreichen dieses Ziels wird ein Flußmittel mit einer Basizität von 1,5 bis 3 verwendet

SiO₂ beeinflußt den Schmelzpunkt des Flußmittels und in Fällen wo der SiO₂-Gehalt weniger als 10% beträgt, ist eine Erhöhung des Flußmittel-Schmelzpunktes zu beobachten, was den Schweißvorgang beeinträchtigt und auch das Aussehen der Schweißraupe verschlechtert Bei einem SiOrGehalt von mehr als 30% wird das SiO₂ chemisch reduziert und tritt eine Erhöhung d-js Siliciuingehaltes im Sc'Lweißgut ein, was eine verringerte Zähigkeit des Schweißgutes zur Folge hat

AI2O] beeinflußt das Aussehen der Schweißraupe und ein bevorzugter Gehaltsbc;eich für dieses Material liegt v> zwischen 8 und 20%. Sind weniger als 25% MgO enthalten, so wird es schwierig, die Basizität auf dem angestrebten Niveau zu halten. 1st 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 CaO-Gehalt über 30% ansteigt. wi

Der CaFj-Gehalt sollte mehr als 7% betragen, um ein zufriedenstellendes Aussehen der Schweißraupen zu gewährleisten. Übermäßige Cap2-Zusälze führen jedoch zu einem instabilen Schweißbogen, weshalb der CaF₂-AnteiI unter 20% liegen muß. Zur Aufrechterhaitung eines Siliziumgehaltes im Schweißgut von weniger als 0,20% ist es erforderlich, den Siliziumgehalt des metallischen Siliziums. FeSi oder 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—Si 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 Desoxydationsmittel in einer Menge von v/eniger als 0,6%, berechnet als Silizium, enthalten.

Hinsichtlich der Hohlelektrode ist gefunden worden, daß im Kernmaterial der CaF₂-GeImIt mehr als 5%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes, sein soll. Andernfalls können Innenlunker im Schweißgut entstehen, was eine Verringerung der Zähigkeit zur Folge hätte. Bei einem CaF₂-Gehait von mehr als 5% ist eine beachtliche Verringerung des Sauer^cioffgehaltes des geschmolzenen Metalls festzustellen, wodurch Innenlunker verhindert werden und die Zähigkeit verbessert wird. Der CaF₂-GeIIaIt sollte jedoch nicht 25% übersteigen, weil überschüssige CaF₂-Gehalte den Schweißbogen instabil machen und eine schlechte Bearbeitbarkeit hervorrufen.

Zur Gewährleistung einer ausreichenden Schlagfestigkeit bei minus 100⁰C ist es erforderlich, den Nickelgehalt des Seelendrahtes auf mehr als 23% zu halten, wobei jedoch bei Nickelgehalten von mehr als 5^% Risse bei hohen Temperaturen auftreten können.

Molybdän kann in der Hohlelektrode vorhanden sein, um eine verbesserte Festigkeit des Schweißgutes zu erzielen. Der Molybdängehalt 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 Kernmaterial der Hohlelektrode vorliegen weil Titan das Entstehen eines feinkristallinen Gefüges unterstützt, welches zum Erzielen verbesserter Schlagfestigkeitseigenschaften bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist. Titan kann jedoch auch weggelassen werden, weil es auch dann möglich ist, eine ausreichende Schlagfestigkeit für Temperaturen um — 100° C zu erreichen.

Liegt der Titangehalt oberhalb von 03%. so tritt eine Verringerung der Zähigkeit auf, die auf eine Erhöhung des Siliziumgehaltes im Schweißgut zurückzuführen ist.

Nickel, Molybdän und Titan können der Schweißelektrode in Form ihrer Eisenlegierungen zugefügt werden, wie beispielsweise als Fe-Ni, Fe-Mo 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 T'tan in üer Elektrode auch als elementare Metalle vorliegen können.

Erfindungsgemäß wird das Unterpulverschweißverfahren mit einem Sc!-weißstrom von 400 bis 700 A, einer Bogenspannung von 35 bis 48 V und einer Wärmezufuhr von weniger als 40 000 J/cm ausgeführt. Bei einem Schweißstrom von weniger als 400 A ist rs schwierig, einen stabilen Schweißbogen aufrechtzuerhalten, wohingegen Schweißströme von mehr als 700 A zu niedergebrachten Scl,weißg'itschichten führen, deren Dicke oberhalb der angestrebten Abmessungen liegt. Bei einer Bogenspannung von mehr als 35 V kommt es zu einer Erhöhune der Schmelzgeschwindifikeii des

Schweißgutes, wohingegen bei Spannungen von weniger als 48 V Instabilitäten 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 50 cm/min betragen soll, um Schweißgutschichten mit einer Dicke von weniger als 7 mm niederzubringen.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. In dieser zeigt

Fi g. I eine teilweise perspektivische Darstellung von Stahlplatten, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens geschweißt werden,

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung, die im Schnitt eine Ausführungsform der niedergebrachten Schwcißgutschichten zeigt,

Tig. JA. B und C Beispiele für niedergebrachte Schweißraupen oder Schweißmetallschichten, und

F^:ig. 4 einen Schnitt durch eine im zu verschweißenden Material ausgebildete Schweißfuge.

Wie in F i g. I dargestellt, sind zwei Platten 1 und 2 eines nickelhaltigcn Stahls, wie eines Stahls mit 3,5% Nickel aneinanderstoßend angeordnet, wobei eine im wesentlichen U-förmige 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 Schweißgutschichten 4 auszubilden, die in versetzter Anordnung übereinander niedergebracht werden. Erfindungsgemäß ist die Dicke Γ einer jeden niedergebrachten Schicht 4 dünner als 7 mm und bei der dargestellten versetzten Anordnung ist der Querabstand 5 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten kleiner als 5 mm.

Der Ausdruck »Querabstand« bezieht sich auf den Abstand in Querrichtung, d. h. senkrecht zur Schweißrichtung C zwischen den tiefsten Punkten zweier aufeinanderfolgend niedergebrachter Schweißgutschichten, d. h. auf den Abstand zwischen den Fußpunkten zweier aufeinanderfolgender Einbrände.

Wird speziell auf die Schicht 4a in Fig. I eingegangen, so zeigt sich, daß dieselbe eine thermische Beaufschlagung in einem durch das Bezugs/.eichen 5 bezeichneten Bereich erhält, wenn die benachbarte Schicht 4b so ausgebildet oder niedergebracht wird, daß die Rekristallisation in dem Bereich 5 erfolgt, um ein feinkristallines Gefüge zu erzeugen. Außerdem erfährt das Metall der Schicht 4a eine Wärmezufuhr in den mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Bereich beim Niederbringen einer nächstfolgenden Schicht 4c mit der

to Wirkung, daß in diesem Bereich 6 ein feinkristallines Gefüge erzeugt wird. Weil die Schichten 4 relativ dünn sind, weisen sie im wesentlichen vollständig ein rekristallisierles Feingcfüge auf, wohingegen die thermisch unbeaufschlagte Zone lediglich eine Dicke von

ΙΊ 2 mm oder weniger aufweist. Dadurch ist es möglich, eine Schweißung mit einer hohen Schlagfestigkeit bei extrem niedrigen Temperaturen zu erzielen. Fig. 2 zeigt die niedergebrachten Schichten 4 des Schweißgutes im einzelnen. In der Zeichnung bezeichnet das

2» Bezugszeichen 7 den Bereich, in welchem das Material eine thermische Beaufschlagung (im Sinne einer Wärmezufuhr) erfahren hat und die Rekristallisation erfolgt ist.

F i g. 3 zeigt einige Beispiele für die Anordnung der

2") niedergebrachten Schweißgutschichten. So zeigt Fig 3A ein Beispiel, bei welchem die Schichten 4 des Schweißgutes ohne Versetzung in Querrichtung übereinanuer angeordnet sind, während Fig. 3B eine versetzte Anordnung zeigt.

in Es sei unterstrichen, daß eine derartige Anordnung im Interesse der Rekristallisation Bevorzugt ist. Fig. 3C läßt erkennen, daß der Querabstand 5 zwischen den tiefsten Bereichen zweier aufeinanderfolgend niedergebrachten Schweißgutschichten, die sich teilweise überla-

J5 gern, einen Einfluß auf das Gebiet des thermisch unbeaufschlagten Bereiches 8 ausübt. Aus diesem Grunde empfehlen die Erfinder Querabstände von weniger als 5 mm.

Beispiele

Zum Schweißen wurde ein 3,5% Nickel enthaltender Stahl gemäß ASTM A-203 mit den in Fig. 4 angegebenen Abmessungen verwendet. Zum Ausführen des Schweißverfahrens wurden Fluß- oder Schweißmittel der in Tafel 1 angegebenen Zusammensetzung verwendet.

Tafel 1

	CaO	MgO	SiO2	AI2O3	CaF2	1	Basin tat
A	20	29	38	10	3	U
B	20	25	25	20	10	1,8
C	16	26	21	20	17	2,0
D	16	37	21	14	12	2,5
				. CaO+MgO ,_ „.

SiO₂

Die Schweißelektrode enthielt 10% CaF₂, 2,7% Ni, Nuten von 2 mm Breite an den verschweißten

% Mo, Rest Eisen in Form eines Flußstahls. Der Bereichen versehen und bei einer Temperatur von

Flußstahl enthielt 0,05% Kohlenstoff, 0,50% Mangan, 65 minus 101⁰C dem Charpy-Schlagversuch unterzogen.

Rest Eisen. Die Schweißung wurde unter den in Tafel 2 Die Ergebnisse sind gleichfalls in Tafel 2 zusammenge-

zusammengesteilten Bedingungen durchgeführt und die stellt.

geschweißten Probekörper wurden mit ü-förmigen

Tafel 2

Mußmittel

Strom

(Λ)

Schweißbedingungen	Niedergebrachte	Dicke der	Ergebnisse	Schlag
	Schichten	thermisch un-		festigkeit
Spannung Wärme		beaufschlagten	O2-Ochalt im
zufuhr	Quer- Schicht	Zone	Schweißgut
	abstand dicke

(V)

(J/cm) (mm) (mm)

(mm)

(ppm)

(mkg)

Vergleichsversuch
I

[•Erfindung
6

I)
I)
I)
I)

I)
D
C
D
I)
B

D
I)

450
6(K)
8(K)
80(1
5(M)

420
450
5(K)
550
6(K)
650
420
450

28 30 45

45 42

38 40 42 45 45 45 38 42

25000 30000 45000 45 000 25 000

25000 30000 30000 35000 35 000 37000

25000 25000

2.5 1.5 1,7 1,5 3,2 4,5 0,9 1,2

10-11	2,2	260	2.1
8-9	3,4	245	0,5
9-10	2,5	250	1.8
0 10	2,7	230	0.9
5-6	1,2	450	1,3
3-4	0,7	280	9,2
4-5	0,8	230	12,6
4-5	1,0	250	8,3
5-6	1,2	250	9,5
5-6	1,5	275	6.9
6-7	1,7	260	7,8
3-4	0,7	245	10,4
4-5	0,8	240	11,5

Bei den vorstehend wiedergegebenen Versuchen wurde festgestellt, daß die Proben 1 und 2 relativ dicke Schweißgutschichten besaßen, deren Querschnitte einen relativ geringen Krümmungsradius an der Oberfläche einer jeden Schicht aufwiesen. Dieses ist auf eine unzureichende Bogenspannung zurückz.uführen, 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 der relativ große Querabstand S 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 Fcingefüge zu erzeugen. Diese Neigung tritt bei der Probe 4 besonders deutlich zu Tage, da bei dieser Probe das Schweißgut ohne seitliche Versetzung zwischen zwei benachbarten Schichten niedergebracht worden waren.

Die Probe 5 wurde unter Verwendung eines Flußoder 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 2 mm Dicke. Das hat zur Folge, daß die erfindungsgemäß erzeugten Proben über eine befriedigende Schlagfestigkeit verfügen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Unierpulver-Mehrlagen-Schweißverfahren für kaltzähe nickellegierte Stähle, bei eiern ein FluQmittel mit einer durch die Formel

CaQ + MgO SiO

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