DE2948798A1

DE2948798A1 - Schmelzschweissmittel fuer unterpulverschweissen und verfahren zum unterpulverschweissen

Info

Publication number: DE2948798A1
Application number: DE19792948798
Authority: DE
Inventors: Masahiro Nakabayashi
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1979-12-04
Publication date: 1980-06-12
Also published as: GB2039537A; CA1136024A; DE2948798C2; US4207121A; IT7950834A0; JPS5577993A

Description

L-12232-G

UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.

Schmelzschweißmittel für Unterpulverschweißen und Verfahren zum Unterpulverschweißen

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Schmelzschweißmittel für das Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Stählen, wie sie in der Regel für Pipelines zum Transport von Gas und Öl verwendet werden. Außerdem befaßt sich die Erfindung mit einer Kombination dieses verbesserten Schweißmittels mit einer abschmelzenden Elektrode aus einer Titan-Bor-Legierung zur Verwendung beim Unterpulverschweißen .

Es ist bekannt, saure Schweißmittel beim Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Stählen zu verwenden. Diese Flußmittel zeichnen sich im allgemeinen durch eine gute Einsatzfähigkeit dahingehend aus, daß sie bei hohen Schweißgeschwindigkeiten benutzt werden können und' gleichwohl eine Schweißung liefern, die glatt und in der Regel frei von Fehlern ist. Die Anwendung von sauren Schweißmitteln beim Schweißen dieser niedriglegierten Stähle erwies sich jedoch in den Fällen als nicht zufrieden-

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stellend, wo der geschweißte Stahl in einer Umgebung mit niedriger Temperatur eingesetzt wird, beispielsweise für arktische Pipelines. Saure Schweißmittel neigen leider dazu, in dem Schweißgut einen hohen Sauerstoffgehalt und
Einschlüsse zu verursachen, die das Schweißgut schwächen und dessen Kerbschlagzähigkeit herabsetzen. Basische
Schweißmittel weisen diese Nachteile nicht auf, sind aber gleichwohl in ihrer Anwendung beschränkt, weil sie hochgradig kristallin und sehr pulverig sind. Infolgedessen
ist es oft schwierig, derartige Schweißmittel zu handhaben, ohne daß es zu erheblichen Problemen durch Staubbildung kommt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes erschmolzenes Schweißmittel zum Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Stählen zu schaffen, das hinsichtlich seiner Form amorph ist und kein staubiges Pulver darstellt. Es soll ein verbessertes Schmelzschweißmittel erhalten werden, das im Vergleich zu konventionellen basischen Schweißmitteln höhere Schweißgeschwindigkeiten zuläßt. Das Schmelzschweißmittel soll ein Schweißgut mit niedrigem Sauerstoffgehalt und guten Kerbschlagzähigkeitswerten insbesondere bei
niedrigen Temperaturen ergeben. Mit der Erfindung soll
ferner eine neuartige Kombination von Schmelzschweißmittel und abschmelzendem Schweißdraht für das Unterpulverschweißen von niedriglegierten Pipelinestählen geschaffen

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werden, die sich insbesondere für Niedertemperaturanwendungen eignen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schmelzschweißmittel für das Unterpulverschweißen gelöst, das die folgende Zusammensetzung hat:

Schweißmittelbestandteile Gewichtsprozent

CaO (Kalk) 2O-6O %

SiO₂ (Sand) 15-55 %

CaF₂ (Calciumfluorid) 5-1O %

TiO₂ (Rutil) 5-15 %

Al₂O₃ (Bauxit) O- 5 %

Na₃AlF₆ (Kryolith) 3-15 %

MgO 5-30 %

Das Schmelzschweißmittel nach der Erfindung zeichnet sich insbesondere durch seinen amorphen oder nichtpulverigen Charakter aus; es hat ferner eine hervorragende Einsatzfähigkeit. Das Schweißmittel läßt sich verwenden, um glatte, fehlerfreie Schweißungen mit Geschwindigkeiten herzustellen, die um 30 bis 50 % über den Geschwindigkeiten liegen, die mit konventionellen basischen Schweißmitteln möglich sind. Außerdem erlaubt es das Schmelzschweißmittel, im Unterpulverschweißverfahren Schweißungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt herzustellen, die selbst bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise -46 C eine hohe

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Kerbschlagzähigkeit haben. Unter Verwendung dieses Schweißmittels wurden beispielsweise zufriedenstellende Schweißungen hergestellt, die 2CXD bis 300 ppm Sauerstoff enthalten, während ähnliche Schweißungen unter Verwendung eines normalen Rohrschweißmittels 400 bis 5OO ppm Sauerstoff aufweisen. Das Schweißmittel nach der Erfindung läßt sich ferner mit Erfolg unter Verwendung von Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Mehrfachwechselstromelektroden einsetzen.

CaO, CaFp und SiOp werden dem Schweißmittel zugesetzt, um die gewünschte Fluidität und den angestrebten Sauerstoffgehalt im Schweißgut aufrechtzuerhalten. Die spezielle Kombination von Bestandteilen hilft bei Anwendung in den genannten Bereichen, den Sauerstoffgehalt des Schweißguts auf einem niedrigen Wert für optimale Kerbschlagzähigkeit insbesondere bei niedrigen Temperaturen zu halten, ohne daß dabei die Einsatzfähigkeit oder das Aussehen der Schweißraupe beeinträchtigt werden. Wenn beispielsweise die Menge an Kalk (CaO) auf einen Wert von weniger als etwa 20 Gew.% herabgesetzt wird, wird das Schweißmittel übermäßig sauer; die in dem Schweißgut enthaltene Menge an Sauerstoff kann auf einen unerwünschten Wert ansteigen. Umgekehrt wird das schmelzflüssige Schweißgut zu fließfähig und damit schwierig handhabbar, wenn mehr als etwa 60 Gew.% Kalk vorgesehen werden. Entsprechendes gilt für die anderen Bestandteile. Wenn bei-

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spielsweise weniger als etwa 5 Gew.% CaF„ verwendet werden, kommt es zu einer Versteifung der Schlacke; umgekehrt wird die Schlacke übermäßig fließfähig, wenn der CaF^-Zusatz mehr als etwa 10 Gew.% beträgt.

Rutil (TiOp) wird hauptsächlich im Hinblick auf das Aussehen der Schweißraupe zugegeben. Es soll in den obengenannten Mengen verwendet werden. Rutil hat ferner die Aufgabe, eine einwandfreie Schlackenbeseitigung nach dem Erstarren der Schweiße zu erlauben.

Auch AIpO, wird im Hinblick auf ein gutes Aussehen der Schweißraupe zugegeben. Dieser Bestandteil scheint jedoch den Sauerstoffgehalt des Schweißguts nicht zu beeinträchtigen; infolgedessen kann auf diesen Bestandteil, falls erwünscht, verzichtet werden.

^ (Kryolith) wird dem Schweißmittel zugesetzt, um bei der Verminderung des Sauerstoffgehalts im Schweißgut mitzuwirken und um außerdem für Lichtbogenstabilität und gutes Aussehen der Schweißraupe zu sorgen. Im Interes se von besten Ergebnissen sollte der Anteil dieses Bestandteils in dem obengenannten Bereich gehalten werden.

MgO spielt bei dem vorliegenden Schweißmittel eine sehr wichtige Rolle. Bei Verwendung in den genannten Mengen führt dieser Bestandteil zu einem Schweißmittel, das

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amorphen statt kristallinen Charakter hat, so daß die Probleme ausgeräumt werden, die sich bei der Handhabung eines staubenden oder pulverigen Schweißmittels einstellen.

Es wurde gefunden, daß das Schweißmittel nach der vorliegenden Erfindung zu einem Schweißgut mit optimalen Kerbschlagzähigkeitswerten bei niedrigen Temperaturen führt, wenn es bei dem Unterpulverschweißverfahren in Kombination mit einem Titan-Bor-Schweißdraht verwendet wird. Die Anwendung einer derartigen Elektrode beim Unterpulverschweißen ist an sich bekannt (US-PS 4 029 934). Bei dieser Elektrode trägt Bor dazu bei, für eine sehr geringe Korngröße zwecks optimaler Kerbschlagzähigkeit zu sorgen. Das Problem besteht jedoch darin, daß Bor eine hohe Affinität für Sauerstoff hat und bevorzugt oxidiert. Das Titan wird zugesetzt, um mit dem Sauerstoff zu reagieren, bevor dieser Gelegenheit hat, mit dem Bor in Reaktion zu treten. Es wird angenommen, daß diese Schweißelektrode bei Verwendung mit dem mehr neutralen Schweißmittel nach der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu einem sauren Flußmittel Schweißungen mit hoher Kerbschlagzähigkeit leichter ausbilden kann, weil im Schweißgut weniger Sauerstoff vorhanden ist. Das Bor kann seinen beabsichtigten Zweck, die Korngröße zu minimieren, wirkungsvoller erfüllen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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- 10 BEISPIEL I

Ein Schweißmittel der folgenden Zusammensetzung wurde benutzt, um im Unterpulverschweißverfahren Rohrschweißungen unter Verwendung von zwei Drahtelektroden, und zwar einer vorderen (Wechselstrom-) Elektrode und einer hinteren (Wechselstrom-) Elektrode, durchzuführen, wobei die Schweißungen sowohl innen als auch außen erfolgten:

CaO	34,0
SiO₂	31 ,0
CaF₂	7,5
TiO₂	8,5
Al₂O₃	2,0
Na₃AlF₆	10,0
MgO	7,0

Der Drahtdurchmesser war für jede Elektrode der gleiche, nämlich 4,0 mm. Bei Innenschweißungen betrug der Strom für die vordere Elektrode 750 A bei 31 V sowie für die hintere Elektrode 650 A bei 35 V. Im Falle von Außenschweißungen wurde mit einem Strom von 900 A bei 3O V fur die vordere Elektrode und einem Strom von 550 A bei 35 V für die hintere Elektrode gearbeitet. Die Schweißgeschwindigkeit war für die Innen- und Außenschweißungen die gleiche, nämlich 86 cm/min.

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Draht A	1	C
ο,	9	Mn
1 ,	7	Si
O₁	5	Mo
O₁

Draht B	1	C
ο,	6	Mn
1 ,	9	Si
O₁

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Das Flußmittel wurde zusammen mit drei verschiedenen Drahtzusammensetzungen A, B und C benutzt. Die Drahtzusammensetzungen waren in Gew.% die folgenden (Rest überwiegend Eisen) :

Draht C O.O8 C
1 , 37 Mn O,O7 Si O,27 Mo O.O3 Ti O.OO5 B

Die Plattenstärke betrug bei diesem Beispiel 19 mm. Bei den Schweißungen handelte es sich um Schweißungen mit einem Fugenwinkel von 9O . Die vordere und die hintere Elektrode wurden etwa 32 mm über dem Werkstück in einem gegenseitigen Abstand von etwa 16 mm gehalten.

Kerbschlagwerte wurden bei diesem Versuch an 2 oder 3 Proben bei verschiedenen Temperaturen herab bis zu -51 C bestimmt. Der Probenort lag bei diesem Beispiel durchweg im Zentrum der Plattenstärke. Die Kerbschlagwerte (J) und die Schweißgutzusammensetzung (Gew.%) sind in der untenstehenden Tabelle I angegeben.

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TABELLE

Draht 10°C -18°C -29°C -4O°C -51°C C Mn Si Ni

A 4,95 2,85 2,03 1,83 2,17 O,O7 1,43 O,61 0,19

B 5,36 3,12 3,12 2,03 1,49 0,08 1,41 0,65 O,15

C 9,83 7,19 6,51 5,15 4,07 0,06 1 ,41 O,35 0,2O

Die in der Tabelle I genannten Kerbschlagwerte sind Mittelwerte für die zwei oder drei Proben.

BEISPIEL II

Rohrschweißungen wurden unter Verwendung der gleichen Schweißmittelzusammensetzung wie in Beispiel I durchgeführt. Bei den Schweißungen dieses Beispiels handelte es sich jedoch um I-Stumpfnähte (keine Fugen), und die Plattenstärke betrug 13 mm. Die Tandemelektroden wurden in einem Abstand von 35 mm vom Werkstück gehalten und hatten einen gegenseitigen Abstand von 16 mm. Bei diesem Beispiel wurden die gleichen Drahtelektroden A, B und C verwendet. Der Drahtdurchmesser war ebenfalls in allen Fällen der gleiche, nämlich 4 mm. Für Innen- und Außenschweißungen wurde ein Strom von 875 A bei 33 V für die vordere Elektrode und ein Strom von 775 A bei 44 V für die hintere Elektrode verwendet. Die Schweißgeschwindigkeit war in beiden Fällen die gleiche, nämlich 1 ,37 m/min. Wiederum wurden Kerbschlagwerte an zwei oder drei Proben bei verschiedenen

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Temperaturen bis herab zu -51⁰C ermittelt. Die Proben wurden im Zentrum der Plattenstärke entnommen. Die Kerbschlagwerte (j) und die Schweißgutzusammensetzungen (Gew.%) sind für dieses Beispiel in der untenstehenden Tabelle II zusammengestellt .

TABELLE II

Draht +10°C -18°C -29°C -4O°C -51 °C _C Mn Si Ni

A 9,76 7,59 5,83 5,97 3,46 0,08 1,42 O,54 O,O4

B 10,10 6,17 5,02 5,29 3,93 0,08 1,34 0,62 0,04

C 12,20 6,85 5,O2 4,00 3,32 0,07 1,32 O,37 O,O5

BEISPIEL III

Rohrschweißungen wurden unter Verwendung derselben Schweißmittelzusammensetzung ,V-Fugenschweißungen und Plattenstarken wie im Beispiel I durchgeführt. Die Tandemelektrodenanordnung und der Elektrodenabstand waren ebenfalls die gleichen wie im Beispiel I. Es wurde auch mit dem gleichen Elsktrodendurchmesser von 4 mm gearbeitet. In diesem Fall wurde das Schweißmittel jedoch nur in Verbindung mit der Titan-Bor-Elektrode (Draht C) eingesetzt. Die Charpy-Kerbschlagtests wurden an drei unterschiedlichen Orten der Schweißprobe durchgeführt. Es wurde mit einem Strom in der vorderen Elektrode von 750 A bei 31V für die Innenschwei-

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ßungen sowie 900 A bei 30 V für die Außenschweißungen gearbeitet. Der Strom in der hinteren Elektrode betrug für Innenschweißungen 650 A bei 35 V sowie für die Außenschweißungen 550 A bei 35 V. In beiden Fällen betrug die Schweißgeschwindigkeit 86 cm/min. Der erste Charpy-Kerbschlagversuch (Ort Nr. 1) wurde in einem Abstand von 1 mm vom oberen Rand der Platte durchgeführt. Der zweite Kerbschlagversuch (Ort Nr. 2) erfolgte im Zentrum der Probe im Bereich von zwei sich überlappenden Schweißungen. Der dritte Kerbschlagversuch (Ort Nr. 3) wurde in einem Abstand von 1 mm von der Unterkante der Platte durchgeführt. Alle Kerbschlagversuche erfolgten bei -18 C. Die Kerbschlagwerte (J) sind für diese Versuche in der untenstehenden Tabelle III zusammengestellt.

TABELLE III

Charpy-Kerbschlagprobe von voller Größe bei -18°C

Draht Versuchsort 1 Versuchsort 2 Versuchsort 3 C 6,18 4,80 6,16

Die Werte der obenstehenden Tabelle sind Mittelwerte von fünf Proben. Das Schweißgut hatte in Gewichtsprozent die folgende chemische Analyse:

C 0,06; Mn 1 ,41 ; Si 0,64; P 0,005; S 0,013; Ni 0,17; Cr 0,03; B 0,0006; und Ti 0,01 (Mittelwerte).

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- 15 BEISPIEL IV

Bei diesem Beispiel wurden Rohrschweißungen unter Verwendung des gleichen Schweißmittels wie im Beispiel I durchgeführt. Es wurde mit einer Fuge mit einem einbeschriebenen Winkel von 70 gearbeitet. Die Plattenstärke betrug 25 mm. Die Tandemelektrodenanordnung unterschied sich insofern, als die vordere und die hintere Drahtelektrode jeweils in einem Abstand von 35 mm vom Werkstück sowie in einem gegenseitigen Abstand von 25 mm gehalten wurden. Die Drahte A und C wurden bei diesem Beispiel zusammen mit einem konventionellen Draht D und einem anderen Schweißmittel eingesetzt. Das Schweißmittel hatte in Gew.% die folgende Zusammensetzung: 39,9 % SiO₂; 2,5 % Al₂O₃; 33,8 % CaO; 11,3 % CaF₂; 11,9 % TiO₂ und O,3 % FeO. Der Draht D hatte in Gew.% die folgende typische Zusammensetzung: C 0,15; Mn 1,10; Si 0,25; Rest überwiegend Eisen.

Die Arbeitsbedingungen waren wie folgt:

Drahtstärke A V

(1. Lage)

vordere Elektrode (Wechselstrom)

hintere Elektrode (Wechselstrom)

(2. Lage)

vordere Elektrode (Wechselstrom)

hintere Elektrode (Wechselstrom)

Geschwindigk.

4 mm 95O 34 89 cm/min

4 mm 850 36 89 cm/min

4 mm 1O5O 35 76 cm/min

4 mm 850 40 76 cm/min

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Die Kerbschlagwerte (j) für die verschiedenen Draht-Schweißmittel-Kombinationen bei unterschiedlichen Temperaturen bis herab zu -51 C sind zusammen mit den Schweißgutzusammensetzungen (Gew.%) in der untenstehenden Tabelle IV angegeben.

	22	°C	-1	8°C	-29	⁰C	TABELLE	IV	V	°C	O	C
Draht	13,	22	4	,07	3,	59	-40°C	-51		24	O	,10
A	5,	56	2	,3O	1 ,	63	2,78	2,	88	O	,09
D	-	-	6	,3O	3,	05	O.88	O,	10		,08
C							2,71	2,
						BEISPIEL

Mn

Si

In diesem Beispiel wurden I-Stumpfnahtschweißungen ähnlich denjenigen des Beispiels II mit dem gleichen Schweißmittel und den Drähten A, C und D durchgeführt. Die Plattenstärke und die Tandemelektrodenanordnung waren ebenfalls die gleichen. Die Arbeitsbedingungen waren wie folgt:

(1. Lage)

vordere Elektrode (Wechselstrom)

hintere Elektrode (Wechselstrom)

Drahtstärke

4 mm

Geschwindigk.

9OO 32 1 ,37 m/min 800 43 1,37 m/min

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	Drahtstarke	A	V Geschwmdigk.	1	.37	m/min
(2. Lage)				1	.37	m/min
vordere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	9OO	29
hintere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	800	42

Die Kerbschlagwerte (Joule) sind für die verschiedenen Schweißmittel-Draht-Kombinationen bei unterschiedlichen Temperaturen bis herab zu -51⁰C zusammen mit den Schweißgutzusammensetzungen (Gew.%) in der untenstehenden Tabelle V zusammengestellt:

TABELLE V

Draht 22°C -18°C -29°C -40°C -51 °C _C Mn Si

A 14,24 5,15 4,68 2,98 2,30 0,10 1,17 0,54

D 7,86 2,30 1,76 1,22 0,75 0,22 1,34 O,37

C 9,83 5,97 6,O3 3,39 2,03 0,11 1,04 0,35

Die Kerbschlagwerte der vorstehenden Tabelle sind die Mittelwerte für zwei Proben. Die Proben stammten aus dem Zentrum der Plattenstärke.

Es versteht sich, daß die Schwei8mittelzusammensetzung modifiziert werden kann. So ist es möglich, kleinere Mengen an anderen bekannten Schweißmittelbestandteilen, beispielsweise Dolomit (CaO,SiOp) für erhöhte mechanische Eigenschaften und Manganerz für gute Einsatzfähigkeit vorzusehen,

$30024/0842 ORIGINAL INSPECTED

Claims

PATENTANWALT DIPL.-INC. GERHAkD SCHWAN

ELFENSTRASSE 32 · D-8000 MÜNCHEN 83

29A8798

L-12232-G

Ansprüche

1J Schmelzschweißmittel für Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Rohrstählen unter Verwendung von Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Wechselstrommehrfachelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißmittel amorph und nichtpulverig und in der Lage ist, ein Schweißgut von niedrigem Sauerstoffgehalt mit hoher Kerbschlagzähigkeit selbst bei niedrigen Temperaturen auszubilden, und daß das Schweißmittel im wesentlichen besteht aus

2O - 6O Gew.% CaO 15-55 Gew.% SiO₂ 5 - 1O Gevj.% CaF₂ 5-15 Gew.% TiO₂ O- 5 Gew.% Al₂O₃

3-15 Gew.% Na-,A1F_A

3 ο

5-30 Gew.% MgO
2. Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 34,0 % CaO₁ 31,O % SiO₂, 7,5 % CaF₂, 8,5 % TiO₂, 2,O % Al₂O₃, 10,O % Na₃AlF₆, 7,O % MgO.

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FERNSPRECHER.: 049/6011039 · KABEL: ELECTRICPATENT MÜNCHEN

ORUSlNAL INSPECTED
3. Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung mit einer Schweißdrahtelektrode, die Titan und Bor enthält.
4. Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung mit einer im wesentlichen aus O,O8 % C, 1,37 % Mn, 0,07 % Si, 0,27 % Mo, 0,03 % Ti und O.OO5 % B, Rest vorherrschend Eisen, bestehenden Schweißdrahtelektrode.
5. Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung mit einer im wesentlichen aus 0,10 % C, 1 ,9O % Mn, O,7O % Si und O,5 % Mo, Rest überwiegend Eisen, bestehenden Schweißdrahtelektrode.
6. Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung mit einer im wesentlichen aus 1 ,1O % C, 1 ,6 % Mn und O,90 % Si, Rest überwiegend Eisen, bestehenden Schweißdrahtelektrode.
7. Verfahren zum Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Rohrstählen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zu schweißende Pipeline ein im wesentlichen aus 20-60 Gew.% CaO, 15-55 Gew.% SiO₂, 5-10 Gew.% CaF₂, 5-15 Gew.% TiO₂, 0-0,5 Gew.% Al₂O₃, 3-15 Gew. % Na₃AlF₆ und 5-30 Gew.% MgO bestehendes Schmelzschweißmittel aufgebracht, durch das Schweißmittel hindurch ein Titan

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und Bor enthaltender Draht mit der Pipeline zwecks Ausbildung des Unterpulverlichtbogens in Kontakt gebracht wird, dem Draht Wechselstrom oder Gleichstrom zugeführt wird und dann der Draht und die Pipeline zwecks Ausbildung eines Schweißguts hoher Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen gegeneinander bewegt werden.

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