DE2948798C2

DE2948798C2 - Schmelzschweißmittel für Unterpulverschweißen und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE2948798C2
Application number: DE2948798A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Jefferson Ohio Nakabayashi
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1979-12-04
Publication date: 1983-04-14
Also published as: GB2039537A; CA1136024A; US4207121A; IT7950834A0; DE2948798A1; JPS5577993A

Description

Die Erfindung betrifft ein amorphes, nicht pulvriges Schmelzschweißmittel für das Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Rohrstählen mit Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Wechselstrommehrfachelektroden mit Geschwindigkeiten, die um 30 bis 50% über den Geschwindigkeiten liegen, die mit konventionellen basischen Schweißmitteln möglich sind, und unter Ausbildung eines Schweißgutes mit niedrigem Sauerstoffgehalt und hoher Kerbschlagzähigkeit selbst bei niedrigen Temperaturen, wobei das Schweißmittel CaO, SiO₂, CaF₂, TiO₂, MgO und gegebenenfalls AI₂O₃ enthält, sowie die Verwendung eines solchen Schweißmittels mit verschiedenen Schweißdrahtelektroden.

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 zufriedenstellend, wo der geschweißte Stahl in einer Umgebung mil niedriger Temperatur eingesetzt wird, beispielsweise für arktische Pipelines. Saure Schweißmittel neigen 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

is aber gleichwohl in ihrer Anwendung beschränkt, weil sie hochgradig kristallin und sehr pulvrig sind. Infolgedessen ist es oft schwierig, derartige Schweißmittel zu handhaben, ohne daß es zu erheblichen Problemen durch Staubbildung kommt

Insbesondere ist ein amorphes Schmelzschweißpulver bekannt (US-PS 30 23 133), das als Muß-Komponenten 5-60% Kalziumoxid, 10-30% Siliziumdioxid, 1-15% Titandioxid und 7-30% Kabiumfluorid enthält und das ferner 0 — 20% Magnesiumoxid und 0-15% Aluminiumoxid enthalten kann. Dieses Schweißpulver ist für Anwendungen bestimmt, bei denen mit niedriger Schweißgeschwindißkeit, z. B. 45 cm/min, und einer Einzelelektrode bei geringer Wärmezufuhr gearbeitet wird. Es ist für das Schweißen von Stählen mit hoher Zugfestigkeit ausgelegt, wo ein großes Kornwachstum kritisch ist. Ein anderes bekanntes Schweißmittel für das Unterpulverschweißen (DE-OS 19 41486) mit relativ geringer Schweißgeschwindigkeit von z. B. 33 bis 46 cm/min besteht aus 40-50% Kalziumoxid und Magnesiumoxid, 30-40% Siliziumdioxid, 8-20% Fluorid und 1 -8% Titandioxid; es kann als Verunreinigungen bis zu 2% u. a.

Magnesiumoxid und Aluminiumoxid enthalten.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein amorphes, nicht pulvriges Schmelzschweißmittel zum Unterpulverschweißen mit Mehrfachelektroden und damit hoher Wärmezufuhr zu schaffen, das Schweißgeschwindigkeiten zuläßt, die um 30 bis 50% über den Geschwindigkeiten liegen, die mit konventionellen basischen Schweißmitteln möglich sind, und das ein Schweißgut mit niedrigem Sauerstoffgehalt und hoher Kerbschlagzähigkeit selbst bei niedrigen Temperaturen ausbildet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgcmäß durch ein Schmelzschweißmittel der folgenden Zusammensetzung gelöst:

20-60 Gew.-% CaO

15-55 Gew.-% SiO₂

5-10Gew.-%CaF₂

5-15Gew.-%TiO₂

0- 5Gew.-%Al₂O₃

3-15 Gew.-% Na₃AlF₆

5-30Gew.-%MgO.

Das Schmelzschweißmittel nach der Erfindung eignet sich für das Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Stählen. Es zeichnet sich durch eine amorphe, nicht pulvrige Beschaffenheit aus. Mit dem Schweißmittel lassen sich glatte, fehlerfreie Schweißungen mit Geschwindigkeiten herstellen, die um 30-50% über den Geschwindigkeiten liegen, die mit konventionellen basischen Schweißmitteln möglich sind. Außer-

dem erlaubt es das Schmelzschweißmittel, im Unterpulverschweißverfahren Schweißungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt herzustellen, die selbst bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise —46° C eine hohe Kerbschlagzähigkeit haben. Unter Verwendung dieses s Schweißmittels wurden beispielsweise zufriedenstellende Schweißungen hergestellt, die 200 bis 300 ppm Sauerstoff enthalten, während ähnliche Schweißungen unter Verwendung eines normalen Rohrschweißmittels 400 bis 500 ppm Sauerstoff aufweisen. Das Schweißmittel nach der Erfindung läßt sich ferner mit Erfolg unter Verwendung von Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Mehrfachwechselstromelektroden einsetzen.

CaO, CaF2 und SiO₂ 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 beispielsweise weniger als etwa 5 Gew.-% CaF₂ verwendet werden, kommt es zu einer Versteifung der Schlacke; umgekehrt wird die Schlacke übermäßig fließfähig, wenn der CaF₂-Zusatz mehr als etwa 10 Gew.-% beträgt.

Rutil (TiO₂) wird hauptsächlich im Hinblick auf das Aussehen der Schweißraupe zugegeben. Es soll in den obengenannten Mengen verwendet ν,-erden. Rutil hat ferner die Aufgabe, eine einwandfreie Schlackenbeseitigung nach dem Erstarren der Schweiße zu erlauben.

Auch Al₂O₃ 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.

Na₃AlF₆ (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 Interesse 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 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 40 29 934). 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

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%
AI₂O₃	2,0%
Na₃AIF₆	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 30 V für 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.

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

Draht A	Draht B	Draht C
O,1C	0,1 C	0,08 C
1,9Mn	1,6Mn	1,37 Mn
0,7Si	0,9Si	0,07 Si
0,5Mo		0,27 Mo
		0,03 Ti
		0,005 B

Die Plattenstärke betrug bei diesem Beispiel 19 mm. Bei den Schweißungen handelte es sich um Schweißungen mit einem Fugenwinkel von 90°. Die vordere und die hintere Elektrode wurden etwa 32 mm über dem Werkstück in einem gegenseitigen Abstand von etwa 16 mm gehalten.

gi Kerbschlagwerte wurden bei diesem Versuch an 2

U oder 3 Proben bei verschiedenen Temperaturen herab

§! bis zu —51⁰C bestimmt Der Probenort lag bei diesem

\f Beispiel durchweg im Zentrum der Plattenstärke. Die

U Tabelle I

Kerbschlagwerte (J) und die Schweißgutzusammensetzung (Gew.-°/o) sind in der untenstehenden Tabelle 1 angegeben.

Draht

10⁰C

-18°C

-29°C

-40⁰C -51°C

Mn

Si

	A	4,95	2,85	2,03	1,83	2,17	0,07	1,43	0,61	0,19
	B	5,36	3,12	3,12	2,03	1,49	0,08	1,41	0,65	0,15
§	C	9,83	7,19	6,51	5,15	4,07	0,06	1,41	0,35	0,20

•ΐ Die in der Tabelle I genannten Kerbschlagwerte sind

f-i Mittelwerte für die zwei oder drei Proben.

Beispiel II

fi Rohrschweißungen wurden unter Verwendung der

' gleichen Schweißmittelzusammensetzung wie in Bei-

■ spiel I durchgeführt Bei den Schweißungen dieses

[S Beispiels handelte es sich jedoch um I-Stumpfnähte

Ä (keine Fugen), und die Plattenstärke betrug 13 mm. Die

J Tandemelektroden wurden in einem Abstand von

Γ; 35 mm vom Werkstück gehalten und hauen einen

;''; gegensetitigen 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 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	+10⁰C	-18°C	-29°C	-40⁰C	-Sl⁰C	C	Mn	Si	Ni
Draht	9,76	7,59	5,83	5,97	3,46	0,08	1,42	0,54	0,04
A	10,10	6,17	5,02	5,29	3,93	0,08	1,34	0,62	0,04
B	12,20	6,85	5,02	4,00	3,32	0,07	1,32	0,37	0,05
C		Beispiel III			schlagwerte	(J) sind	für diese	Versuche	in der

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 Elektrodendurchmesser 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 31 V für die Innenschweißungen 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 Kerb-

Tabelle III

Charpy-Kerbschlagprobe von voller Größe bei -18°C

Draht

Versuchsort 1

Versuchsort 2

Versuchsort 3

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).

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 Drähte 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%

AI₂O₃; 33,8% CaO; 11,3% CaF₂; 11,9% TiO₂ und 0,3% FeO. Der Draht D hatte in Gew.-% die folgende typische Zusammensetzung: C0.15; MnI₁IO; SiO,25; Rest überwiegend Eisen.
Die Arbeitsbedingungen waren wie folgt:

	Drahtstärke	A	V	Geschwindigkeit	ΐ
(1. Lage)					I
vordere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	950	34	89 cm/min
hintere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	850	36	89 cm/min
(2. Lage)
vordere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	1050	35	76 cm/min
hintere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	850	40	76 cm/min

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.

Tabelle IV

22°C

-18°C

-29°C

-40°C

-51°C

Mn

A	13,22	4,07	3,59	2,78	2,24	0,10	1,14	0,57
D	5,56	2,30	1,63	0,88	0,88	0,09	1,37	0,33
C	-	6,30	3,05	2,71	2,10	0,08	1,12	0,34

Beispiel V

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:

	Drahtstärke	A	V	Geschwindigkeit
(1. Lage)
vordere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	900	32	1,37 m/min
hintere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	800	43	1,37 m/min
(2. Lage)
vordere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	900	29	1,37 m/min
hintere Elektrode (Wechselstrom)	4 mm	800	42	1,37 m/min

Die Kerbschlaewerte (J) sind für die verschiedenen Schweißmittel-Draht-Kombinationen bei unterschiedlichen Temperaturen bis herab zu -5I°C zusammen mit den Schweißgutzusammensetzungen (Gew.-%) in der untenstehenden Tabelle V zusammengestellt:

Tabelle V

22°C

-18°C

-29°C

-40⁰C

-51°C

Mn

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	0,37
C	9,83	5,97	6,03	3,39	2,03	0,11	1,04	0,35

Die Kerbschlagwerte der vorstehenden Tabelle sind kleinere Mengen an anderen bekannten Schweißmitteldie Mittelwerte für zwei Proben. Die Proben stammten 65 bestandteilen, beispielsweise Dolomit (CaO, SiO₂) für

aus dem Zentrum der Plattenstärke.

Es versteht sich, daß die Schweißmittelzusammensetzung modifiziert werden kann. So ist es möglich,

erhöhte mechanische Eigenschaften und Manganerz für gute Einsatzfähigkeit vorzusehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Amorphes, nicht pulvriges Schmelzschweißmitte! für das Unterpulverschweißen von hochfesten, niedriglegierten Rohrstählen mit Wechselstrom-, Gleichstrom- oder Wechselstrommehrfachelektroden mit Geschwindigkeiten, die um 30 bis 50% fiber den Geschwindigkeiten liegen, die mit konventionellen basischen Schweißmitteln möglich sind, und unter Ausbildung eines Schweißgutes mit niedrigem Sauerstoffgehalt und hoher Kerbschlagzähigkeit selbst bei niedrigen Temperaturen, wobei das Schweißmittel CaO, SiO₂, CaF₂, TiO₂, MgO und gegebenenfalls AI2O3 enthält, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

20-60 Gew.
15-55 Gew.

5-10 Gew.

5-15 Gew.

0- 5 Gew.

3-15 Gew.

5-30 Gew.

-%CaO

.-% SiO₂

.-% CaF₂
%TiO₂
% Al₂O₃
% Na₃AIF₆
% MgO.

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

3. Verwendung der Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2, in Verbindung mit einer Schweißdrahtelektrode, die Titan und Bor enthält

4. Verwendung der Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2 in Verbindung mit einer im wesentlichen aus 0,08% C, 1,37% Mn, 0,07% Si, 0,27% Mo, 0,03% Ti und 0,005% B, Rest vorherrschend Eisen, bestehenden Schweißdrahtelektrode.

5. Verwendung der Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2 in Verbindung mit einer im wesentlichen aus 0,10% C, 1,90% Mn, 0,70% Si und 0,5% Mo, Rest überwiegend Eisen, bestehenden Schweißdrahtelektrode.

6. Verwendung der Schmelzschweißmittel nach Anspruch 1 oder 2 in Verbindung mit einer im wesentlichen aus 1,10% C, 1,6% Mn und 0,90% Si, Rest überwiegend Eisen, bestehenden Schweißdrahtelektrode.