DE2820550C2

DE2820550C2 -

Info

Publication number: DE2820550C2
Application number: DE2820550A
Authority: DE
Inventors: Jacques Cergy Fr Landry
Original assignee: La Soudure Autogene Francaise
Current assignee: Lincoln Electric Co France SA
Priority date: 1977-05-25
Filing date: 1978-05-11
Publication date: 1988-02-04
Also published as: DE2820550A1; IT1096239B; FR2391807B1; IT7823816A0; FR2391807A1

Description

Es gibt eine große Vielzahl von meist basischen Flußmitteln und Schweißdrähten für das Schweißen mit verdecktem Lichtbogen, um eine Schweißverbindung zu erhalten, die gute Kerbschlagzähigkeit besitzt. In "Welding and Metal Fabrication", Dezember 1974, Seiten 427 bis 435 sind Versuche bezüglich der mechanischen Eigenschaften beim Schweißen mit verdecktem Lichtbogen beschrieben. Ein einziges dort beschriebenes Flußmittel enthält Bor, doch in einer Menge von 2,0%. Einige der beschriebenen Schweißdrähte enthalten Titan, doch sind keine Mengen hierfür angegeben.

Indessen kann man mit stark basischen Flußmitteln in Verbindung mit herkömmlichen Schweißdrähten nur dann einen hohen Grad an Kerbschlagzähigkeit bei niedriger Temperatur bekommen, wenn man geringe Schweißenergie, ausgedrückt als Zentimeter der Länge der Schweißraupe und als Millimeter der Dicke der Schweißnaht, anwendet. In der Praxis muß diese Energie niedriger als Ws < 1,5 Kj sein. Diese Energie ist nicht ausreichend, um zweilagige Schweißverbindungen zu bekommen. Für diese benutzt man saure oder neutrale Flußmittel, die in Verbindung mit ausgewählten herkömmlichen Schweißdrähten (im allgemeinen S₄ oder S₄Mo) dem Schweißmetall große Mengen härtender Elemente (Mn-Si und Mo) zufügen und so dessen Kerbschlagzähigkeit vergrößern. Indessen kann man den Gehalt dieser Elemente in dem Schweißmetall nicht unbegrenzt erhöhen, ohne dessen Härte unerwünscht zu steigern. Aus diesem Grund kann man mit diesen herkömmlichen Kombinationen keine höhere Kerbschlagzähigkeit als 6 · 10⁵ J/m² bei -20°C garantieren. Um die Übergangstemperatur zu senken, kann man den Zusatz von Nickel empfehlen, indem man mit ungefähr 3% Nickel legierte Drähte benutzt, aber die Kosten des Schweißens sind dann sehr viel höher.

Man hat bereits verschiedene Verbesserungen vorgeschlagen, indem man entweder ummantelte Schweißdrähte, die metallisches Bor und metallisches Titan enthalten, oder kompakte Schweißdrähte, die metallisches Bor und Titan in extrem engen Gehaltsgrenzen enthalten, oder agglomerierte Flußmittel die Bor in metallischer oder oxidierter Form und Titan in metallischer Form enthalten, benutzt. Diese Draht- und Flußmittelkombinationen ergeben erhöhte Kerbschlagzähigkeiten, aber dafür mehrere wichtige Probleme.

Im Falle von ummantelten Schweißdrähten mit Bor ist der in den Schweißdraht einführbare Prozentsatz an Bor so gering, im allgemeinen geringer als 0,03%, daß es schwierig ist, eine Abscheidung von Bor entlang dem Draht im Laufe der Herstellung zu vermeiden. Außerdem bekommt man bei Benutzung eines ummantelten Schweißdrahtes für das Schweißen mit hoher Energie unregelmäßige Rotglut des Schweißdrahtes während der Schweißoperation, was eine heterogene Verteilung des Borgehaltes in der Schweißraupe zur Folge hat.

Die kompakten Schweißdrähte, welche Bor und Titan enthalten, sind im wesentlichen für die Verwendung mit basischen Flußmitteln bestimmt. Dabei können die Gehalte dieser beiden Elemente genügend gesenkt werden, um die obigen Herstellungsprobleme zu vermeiden. Doch sind die Begrenzungen für die Gehalte so eng (das Bor liegt im Bereich von 0,0030 bis 0,0040%), daß es für den Stahlwerker schwierig ist, diese Grenzen einzuhalten. Außerdem gibt es besonders bei einem Schweißen mit großer Geschwindigkeit Probleme mit dem Flußmittel.

In die agglomerierten Flußmittel wird das Bor in so geringer Menge eingeführt, daß es wegen der Unterschiede in der scheinbaren Dichte und der Körnung der verschiedenen Primärmaterialien nicht möglich ist, die Homogenität seiner Verteilung in der Flußmittelmasse während der Agglomerierung zu garantieren. Andererseits wird das Titan immer in metallischer Form eingeführt, was Nachteile ergibt. Um die Oxidation von Titan zu vermeiden, ist man gezwungen, das Flußmittel auf niedrige Temperatur zu erhitzen, was die Gefahr einer Feuchtigkeitsaufnahme mit sich bringt. Außerdem ist die Überführung des Titans des Flußmittels in Abhängigkeit von Wärme- und Volumenmodifikationen des elektrischen Bogens je nach den Schweißbedingungen unterschiedlich. Dies alles bewirkt Unregelmäßigkeit und Heterogenität der Überführung von Titan und Bor des agglomerierten Flußmittels in das abgelagerte Metall, und es dürfte nicht möglich sein, bei diesen Bedingungen konstante mechanische Eigenschaften zu garantieren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand nun in einer Draht- und Flußmittelkombination, die die oben aufgezählten Probleme im wesentlichen beseitigt und konstante mechanische Eigenschaften des bei hoher Energie geschmolzenen Metalles garantiert.

Die erfindungsgemäße Draht- und Flußmittelkombination für das Schweißen mit verdecktem Lichtbogen, worin das Flußmittel eine Borverbindung und der kompakte Schweißdraht Titanmetall enthält, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bor, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,050 und 0,40% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,040 und 0,50% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes liegt.

Durch den Schweißdraht erfolgt eine Titanzuführung, die nicht oder nur wenig durch Veränderungen der Lichtbogenlänge beeinflußt wird. Das Bor wird durch das Flußmittel zugeführt, wobei man das Bor durch Reduktion der in dem Flußmittel enthaltenen Borverbindung, wie Boroxid erhält. Der Gehalt an Bor ist sehr gleichmäßig; denn er resultiert aus einem physikalisch-chemischen Gleichgewicht zwischen dem Metall und der Schlacke. Das Titanmetall, das durch den Schweißdraht zugeführt wird, schützt das in dem Schweißmetall in Lösung gebrachte Bor.

Bevorzugt liegt der Borgehalt, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,15 und 0,40% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,10 und 0,50% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes.

Besonders bevorzugt liegt der Borgehalt, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,050 und 0,30% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,040 und 0,30% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes.

Das Titanmetall des Schweißdrahtes kann mit wenigstens einem desoxidierenden Metall kombiniert sein. Dieses ist bevorzugt Aluminium, Zirkon und/oder Cer in metallischer Form. Diese Kombination von Titan mit Aluminium, Zirkon und/oder Cer entspricht 0,040 bis 0,50% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes, wobei das Titan in dieser Kombination in einer Menge von wenigstens 0,020% vorliegt.

Der Schweißdraht enthält zweckmäßig außerdem die folgenden Elemente: höchstens 0,16% Kohlenstoff, höchstens 0,5% Silicium, 0,2 bis 3% Mangan, höchstens 3,5% Nickel, höchstens 1,5% Molybdän, höchstens 0,2% Vanadium und höchstens 0,1% Niob, alle bezogen auf das Gesamtgewicht des Schweißdrahtes. Außerdem kann er die normalerweise in den kompakten Schweißdrähten für das Schweißen mit verdecktem Lichtbogen auftretenden Verunreinigungen oder Zusätze, wie Chrom, Kupfer, Schwefel, Phosphor, Arsen und Zinn, enthalten.

Um eine gute Kerbschlagzähigkeit und eine nicht zu hohe Härte des abgelagerten Metalles zu bekommen, ist es vorteilhaft, den Gehalt an Kohlenstoff des kompakten Schweißdrahtes zu begrenzen. Die kompakten Schweißdrähte, die einen Gehalt von 0,12 bis 0,16% Kohlenstoff haben, eignen sich besonders gut für die Durchführung der Erfindung.

Um den Gehalt des Schweißdrahtes an Titanmetall und damit verbundenen Desoxidationsmitteln zu vermindern, enthält das Flußmittel zweckmäßig Titanoxid in der Form von Rutil, gegebenenfalls in Verbindung mit Aluminiumoxid, wobei der Maximalgehalt in der Kombination von Rutil und Aluminiumoxid eine Funktion des Basizitätsindex des Flußmittels ist, höchstens 60% des Gesamtgewichtes des Flußmittels ausmacht.

Das Flußmittel enthält außerdem die Elemente, die üblicherweise während seiner Verarbeitung vorhanden sind, wie die Oxide oder Fluoride von Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Barium, Mangan, Eisen und Zirkon. Wenn es sich um ein agglomeriertes Flußmittel handelt, kann es Carbonate von Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Barium und Mangan enthalten, und außerdem enthält es die herkömmlichen Desoxidationsmittel von Eisenlegierungen oder anderen Legierungen, wie Silicium und Mangan, vorausgesetzt daß der Gehalt an Silicium zwischen 0,3 und 4% und der von Mangan zwischen 0,5 und 6% liegt. Das Flußmittel kann auch zusätzliche Elemente, wie Nickel, Molybdän, Vanadin und Niob, enthalten, vorausgesetzt daß der Gehalt an Nickel 3,5%, an Molybdän 1,5%, an Vanadin 0,3% und an Niob 0,2% nicht übersteigt.

Der Basizitätsindex des Flußmittels B wird nach der folgenden Formel bestimmt:

Praktisch kann man die Flußmittel in drei Klassen in Abhängigkeit ihrer Basizitätswerte einteilen, wie in der nachfolgenden Tabelle I aufgeführt ist.

Tabelle I

In Funktion der Basizität des Flußmittels muß der Gehalt an Rutil und/oder Tonerde höchstens 20% des Gesamtgewichtes eines Flußmittels der Klasse I, höchstens 35% des Gesamtgewichtes eines Flußmittels der Klasse II und höchstens 50% des Gesamtgewichtes eines Flußmittels der Klasse III sein.

Außerdem hat man festgestellt, daß eine gute Wechselbeziehung zwischen dem Sauerstoffgehalt des abgelagerten Metalles und dem Basizitätsindex des Flußmittels besteht.

Das nach der Erfindung benutzte Flußmittel kann im agglomerierten oder vorgeschmolzenen Zustand vorliegen. Jede dieser Formen ergibt bestimmte Vorteile. Die Verwendung eines agglomerierten Flußmittels bringt die Gefahr einer heterogenen Verteilung des Boroxids in dem Flußmittel, aber unterdrückt die möglichen Fluktuationen der Wirkung und der Überführung von Titan und gegebenenfalls von Aluminium und anderer Desoxidationsmittel.

Vorzugsweise wählt man ein vorgeschmolzenes Flußmittel, das jedes Risiko einer heterogenen Boroxidverteilung in dem Flußmittel und somit in dem abgelagerten Metall unterdrückt.

Das Flußmittel und der kompakte Schweißdraht werden nach üblichen Methoden hergestellt.

Die Draht- und Flußmittelkombination nach der Erfindung findet ihre Anwendung auf zahlreichen technischen Gebieten, besonders in den einlagigen und zweilagigen Schweißverbindungen mit einer Schweißnahtdicke zwischen 5 und 40 mm bei kohlenstoffarmen Stählen mit hoher Elastizitätsgrenze.

Die Erfindung ist besonders brauchbar beim Schweißen von röhrenartigen Pipelines und im mittleren und schweren Kesselbau für die Konstruktion von Vorratsbehältern, Teigbehältern, Meeresplattformen und im Bau schwerer metallischer Tragkonstruktionen.

Man erhält ausgezeichnete Ergebnisse beim Schweißen von Pipelines mit zwei, drei oder vier Elektroden, mit großer Geschwindigkeit bis zu 0,07 m/s, mit erhöhter Verdünnung des geschmolzenen Metalles durch das Grundmetall des Bleches von 50 bis 75% und mit Flußmitteln relativ geringer Basizität bis zu einem sauren pH-Wert im allgemeinen unterhalb 1,2.

Mit besonders geeigneten Flußmitteln kann man mit einem Basizitätsindex zwischen 1,2 und 2 arbeiten.

Für ein Schweißen mit großer Geschwindigkeit führt eine Draht- und Flußmittelkombination, worin der Gehalt an Bor, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,15 und 0,40% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,10 und 0,50% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes beträgt, zu sehr guten Ergebnissen.

Besonders interessant ist die Draht- und Flußmittelkombination nach der Erfindung beim Schweißen von größeren Dicken als 20 mm, wie z. B. beim Kesselbau, mit einer oder zwei oder drei Elektroden und mit einer relativ geringen Geschwindigkeit unterhalb 0,020 bis 0,022 m/s mit zwei Elektroden und mit 0,008 m/s mit einer einzigen Elektrode mit einer mittleren Verdünnung des geschmolzenen Metalles durch das Grundmetall des Bleches von 20 bis 70%, zweckmäßig 50 bis 60%, und mit basischen Flußmitteln mit einem Basizitätsindex oberhalb 2. In zahlreichen Anwendungsfällen eignen sich die Flußmittel mit einem Basizitätsindex zwischen 1,2 und 2 für das Schweißen von starken Dicken. Und eine Kombination von Schweißdraht und Flußmittel, worin der Gehalt an Bor, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,050 und 0,30% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,040 und 0,30% des Gesamtgewichtes des Schweißdrahtes liegt, ist vorteilhaft beim Schweißen dieser Art.

Beispiel 1

Draht- und Flußmittelkombination für das einlagige oder zweilagige Schweißen mit einer Elektrode für Dicken von 5 bis 25 mm mit einer Verdünnung des geschmolzenen Metalles durch das Grundmetall des Bleches von 50 bis 60% und mit einer Schweißgeschwindigkeit von 0,02 m/s.

1. Sehr basisches geschmolzenes Flußmittel, das eine sehr hohe Duktilität ergibt (Klasse I)

Tabelle II

2. Kompakter Schweißdraht vom Typ S₃-S₄

Tabelle III

Al + Ti werden einfach als komplementäre Desoxidationsmittel bei der Schweißdrahtherstellung verwendet. Man kann eine Zugabe von Molybdän und Nickel ins Auge fassen, um eine höhere Bruchfestigkeit zu bekommen.

Für größere Dicken als 25 mm sieht man zusätzliche Lagen vor, und die Verdünnung des geschmolzenen Metalles durch das Grundmetall des Bleches ist in diesem Fall 20 bis 40%.

Beispiel 2

Draht- und Flußmittelkombinationen für das einlagige oder zweilagige Schweißen mit großer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 0,03 m/s mit mehreren Elektroden für Dicken zwischen 5 und 30 mm mit einer erhöhten Verdünnung des geschmolzenen Metalles durch das Grundmetall des Bleches in der Größenordnung von 60% mit Flußmitteln mäßiger Basizität. Für größere Dicken wird die Schweißgeschwindigkeit vermindert.

1. Neutrales geschmolzenes Flußmittel, das ein gutes duktiles Niveau ergibt

Tabelle IV

2. Kompakter Schweißdraht vom Typ S₄

Tabelle V

In der Zusammensetzung Ti + Al ist das Ti in einer Menge von 0,10 bis 0,40% vorhanden. Das Titan kann auch allein vorliegen. Man kann Molybdän und Nickel zusetzen, um eine höhere Bruchfestigkeit zu bekommen.

Beispiel 3

Draht- und Flußmittelkombination für das einlagige oder zweilagige Schweißen mit sehr großer Geschwindigkeit bis zu etwa 0,07 m/s mit drei oder mehr Elektroden für Dicken zwischen 8 und 35 mm.

1. Saures geschmolzenes Flußmittel

Tabelle VI

2. Kompakter Schweißdraht vom Typ S₂-S₃

Tabelle VII

Beispiel 4

Studium von Draht- und Flußmittelkombinationen bei Blechen für Pipelines aus Stahl X 65 und X 70.

I. Chemische Zusammensetzungen der benutzten Flußmittel

Tabelle VIII

II. Chemische Zusammensetzung der benutzten kompakten Schweißdrähte

Tabelle IX

Man führt das einlagige Schweißen von jeder Seite der Bleche für eine Pipeline vom Typ X 65 und X 70 nach dem Verfahren mit einem verdeckten Lichtbogen mit zwei Elektroden mit Wechselstrom aus.

Die Schweißparameter sind folgende:

Tabelle X

Die Stromstärken und Spannungen, die an jede Elektrode angelegt werden, werden mit I 1 und I 2 und mit V 1 und V 2 bezeichnet und in Ampere und Volt ausgedrückt.

Man entnimmt Charpy-Proben aus der Mitte der Schweißverbindung. Man unterzieht die Schweißnaht einer chemischen Analyse und bestimmt die Kerbschlagzähigkeit a _K an diesen Charpy-Proben, ausgedrückt in J/cm² bei -20°C und -40°C.

Versuch 5A

Schweißen von Stählen X 70, Dicke der Charpy-Probe = 16,8 mm.
Draht- und FlußmittelkombinationF 1-W 2

Chemische Analyse der Schweißnaht
% C0,083 % Mn1,46 % Si0,39 % Mo0,28 % Ti0,023 % B0,0028 % S0,008 % P0,023

a _K (J/m²)
bei -20°C1,2 · 10⁶ bei -40°C0,9 · 10⁶

Versuch 5B

Schweißen von Stählen X 65, Dicke der Charpy-Probe = 19 mm.

Tabelle XII

Die obigen Resultate zeigen sehr deutlich den Einfluß auf die kombinierte Zugabe von Titan und Bor zu dem Schweißmetall nach der Erfindung.

Claims

1. Draht- und Flußmittelkombination für das Schweißen mit verdecktem Lichtbogen, worin das Flußmittel eine Borverbindung und der kompakte Schweißdraht Titanmetall enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bor, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,050 und 0,40% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,040 und 0,50% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes liegt.

2. Draht- und Flußmittelkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bor, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,15 und 0,40% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,10 und 0,50% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes liegt.

3. Draht- und Flußmittelkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bor, ausgedrückt als Boroxid, zwischen 0,050 und 0,30% des Gesamtgewichtes des Flußmittels und der Gehalt an Titanmetall zwischen 0,040 und 0,30% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes liegt.

4. Draht- und Flußmittelkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht zusätzlich Titanmetall mit wenigstens einem der Metalle Aluminium, Zirkon und/oder Cer kombiniert enthält, wobei der Gehalt dieser Kombination 0,040 bis 0,50% des Gesamtgewichtes des kompakten Schweißdrahtes entspricht und das Titanmetall in dieser Kombination in einer Menge von wenigstens 0,020% vorliegt.

5. Draht- und Flußmittelkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißdraht außerdem die folgenden Elemente in den folgenden Prozentgehalten, bezogen auf das Gesamtgewicht des Schweißdrahtes, enthält: Kohlenstoff höchstens 0,16%, Silicium höchstens 0,5%, Mangan 0,20 bis 3%, Nickel höchstens 3,5%, Molybdän höchstens 1,5%, Vanadium höchstens 0,2% und Niob höchstens 0,1%.

6. Draht- und Flußmittelkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel in vorgeschmolzenem Zustand vorliegt.

7. Draht- und Flußmittelkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel Titanoxid in der Form von Rutil, gegebenenfalls in Verbindung mit Tonerde enthält, wobei der Maximalgehalt in der Kombination von Rutil und Tonerde eine Funktion des Basizitätsindex des Flußmittels ist und höchstens 60% des Gesamtgewichtes des Flußmittels ausmacht.

8. Verwendung einer Draht- und Flußmittelkombination nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für einlagiges oder zweilagiges Schweißen mit einer Schweißnahtdicke zwischen 5 und 40 mm bei kohlenstoffarmen Stählen und Stählen hoher Elastizitätsgrenze.