DE3009476A1

DE3009476A1 - METHOD FOR PRODUCING WELDED CONNECTIONS BETWEEN WORKPIECES OF DIFFERENT ALLOYS

Info

Publication number: DE3009476A1
Application number: DE19803009476
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Brinsky; Karl Dipl Ing Dr Techn Kadlez
Original assignee: Simmering Graz Pauker AG
Current assignee: Simmering Graz Pauker AG
Priority date: 1979-03-12
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1980-09-25
Also published as: AT373530B; ATA182179A; CH647181A5

Abstract

In order to obtain as far as possible a finely graduated transition from the low concentration of the alloying element in workpiece (A) to the higher concentration of this alloying element in workpiece (B), a transition zone (C) is created between the two workpieces (A, B) when the welded joint is being made. The transition zone (C) is created by overlapping welding beads (1, 2, 3) with in each case an increasing concentration of alloy metal. Each of the three overlapping welding beads (1, 2, 3) has a higher concentration of alloying element than the workpiece (A) or the respectively preceding welding bead, the concentration of this element in the last welding bead being lower than that of the workpiece (B). This results in a finely graduated, virtually continuous increase in the concentration of the alloying element. <IMAGE>

Description

Verfahren zum Herstellen von Schweißverbindungen zwischenMethod for producing welded joints between

Werkstücken unterschiedlicher Legierungen.Workpieces of different alloys.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method according to the preamble of the patent claim 1.

Bei hochbeanspruchten Bauwerken sollen häufig Werkstoffe verschiedener Zusammensetzung durch Schweißungen miteinander verbunden werden, um optimale Betriebsbewährung mit geringsten Materialkosten zu vereinen. So ist es z.B. bei temperaturbeanspruchten Bauwerken selbstverständlich, im unteren Temperaturbereich billige unlegierte oder niedrig legierte Stähle, im oberen Temperaturbereich höher legierte, teure Spezialstähle zu verwenden. Üblicherweise werden die Verbindungsschweißnähte zwischen solchen Werkstoffpaarungen mit dem Zusatzmaterial des niedriger legierten Werkstoffes hergesellt.In the case of highly stressed structures, different materials should often be used Composition can be joined together by welds for optimal operational performance with the lowest material costs. This is the case, for example, with temperature-stressed Structures, of course, cheap unalloyed or in the lower temperature range low-alloy steels, higher-alloyed, expensive special steels in the upper temperature range to use. Usually the connection welds between such Material pairings produced with the additional material of the lower alloyed material.

Diese Methode versagt jedoch bei höheren Legierungsbereichen, z.B. bei Chromgehalten über 3 %. Bei den Stählen X20 CrMoV 12 1 und 10 CrMo 9 10 treten bei Schweißnähten, die mit dem niedrig legierten Schweißzusatzwerkstoff hergestellt werden, Unstetigkeitsstellen im übergangsgefüge auf, die durch eine Diffusion des Kohlenstoffes und unstetige Karbidausscheidung erklärt werden können und die zu schlechten Kerbzähigkeitswerten in dieser Übergangszone führen. Ebensolche Zonen entstehen bei Verwendung des höher legierten Zusatzes. Bei Verwendung eines Zusatzes, der zwischen den beiden Legierungen liegt, treten die karbidarmen Zonen auf beiden Seiten auf.However, this method fails at higher alloy ranges, e.g. with chromium contents above 3%. Step on the steels X20 CrMoV 12 1 and 10 CrMo 9 10 for weld seams made with the low-alloy welding filler material points of discontinuity in the transition structure caused by diffusion of the Carbon and discontinuous carbide precipitation can be explained and which too lead to poor notch toughness values in this transition zone. Same zones arise when using the higher alloyed additive. When using an add-on, which lies between the two alloys, the carbide-poor zones occur on both Pages up.

Ziel der Erfindung ist es, diese bisher nicht behobenen Nachteile zu beseitigen, und einen möglichst stetigen Legierungsübergang zu erhalten. Durch die Anwendung von Mikro sonde und durch Gefügeanalysen konnte ein Weg gefunden werden.The aim of the invention is to overcome these disadvantages which have not yet been remedied to eliminate, and to obtain an alloy transition that is as steady as possible. By a way could be found using micro-probes and microstructural analyzes.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der gekennzeichneten Maßnahme des Patentanspruches 1 gelegen.The method according to the invention is in the marked measure of claim 1 located.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Maßnahmen der Unteransprüche 2 bis 6.Further advantages result from the measures of the subclaims 2 to 6.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, welche sich auf verschiedene Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht.The invention is explained below with reference to the drawing, which refer to various possible embodiments of the method according to the invention relates.

Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch die Stoßstelle zweier Werkstücke mit verschiedenen Konzentrationen des gleichen Legierungslementes, Fig. 2 einen Schnitt durch dieselben Werkstücke mit Darstellung des Überganges der Legierungskonzentrat ion, Fig. 3 ein Schaubild, welches der Fig. 2 zugeordnet ist und Fig. 4 einen Schnitt durch eine entstehende Schweißnaht.They show: FIG. 1 a section through the joint between two workpieces with different concentrations of the same alloy element, Fig. 2 a Section through the same workpieces showing the transition of the alloy concentrate ion, FIG. 3 is a diagram associated with FIG. 2 and FIG 4 shows a section through a weld seam that is being formed.

In Fig. 1 sind die verschiedenen Konzentrationen des gleichen Legierungselementes durch weite Schraffur -geringe Konzentration - bzw. durch enge Schraffur - hohe Konzentration- der beiden Werkstücke A und B hervorgehoben.In Fig. 1 are the various concentrations of the same alloy element through wide hatching - low concentration - or through narrow hatching - high Concentration - of the two workpieces A and B highlighted.

Ein unmittelbarer Übergang von der niedrigen zur hohen Konzentration könnte durch Stumpf-Verschweißen der beiden Werkstücke A und B entstehen, würde aber alle zuvor angeführten Nachteile nach sich ziehen.An immediate transition from low to high concentration could be created by butt-welding the two workpieces A and B. but all of the disadvantages listed above result.

Vielmehr soll ein stetiger oder möglichst feinstufiger Übergang von der einen z.B. niedrigen Konzentration des Legierungselementes im Werkstück A zur höheren Konzentration dieses Legierungselementes im anderen Werkstück B erzielt werden. Ein solcher feinstufiger Verlauf ist in Fig. 2 gezeigt, d.h. zwischen den beiden Werkstücken A und B wird beim Herstellen der Schweißverbindung eine Übergangszone C geschaffen, welche durch einander überlappende Schweißraupen 1, 2, 3 mit jweils zunehmender Konzentration an Legierungsmetall geschaffen wird. Dadurch ergibt sich eine feinstufige, praktisch stetige Zunahme der Konzentration des Legierungselementts, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.Rather, a steady or as finely graded transition from one e.g. low concentration of the alloying element in workpiece A. higher concentration of this alloy element in the other workpiece B achieved will. Such a finely graded course is shown in Fig. 2, i.e. between the Both workpieces A and B become a transition zone when the welded connection is made C created, which by overlapping weld beads 1, 2, 3 with jweils increasing concentration of alloy metal is created. This results in a finely graded, practically constant increase in the concentration of the alloying element, as shown in FIG.

Im Diagramm gemäß dieser Fig. ist in der Horizontalrichtung die Entfernung von einer (in Fig. 2) links der Schweißverbindung liegenden Stelle P aufgetragen, nach oben die sich mit zunehmender Entfernung von der Stelle P ändernde Konzentration K des Legierungselementes. Es ist gut zu erkennen, daß sich durch das Überlappen der drei Schweißraupen 1, 2, 3 deren jede eine höhere Konzentration am Legierungselement hat, als das Werkstück A bzw. die jeweils vorhergehende Schweißrauple, wobei die Konzentration dieses Elementes in der letzten Schweißraupe geringer ist als jene des Werkstückes B, ein feinstufiger Übergang von der niedrigen auf die höhere Konzentration ergibt. In der Praxis werden diese Stufen noch veflacht oder "verwischt", so daß sich im EndeSekt ein stufenloser oder stetiger Übergang einstellt.In the diagram of this figure, the horizontal direction is the distance plotted from a point P (in Fig. 2) to the left of the welded joint, upwards the concentration which changes with increasing distance from point P. K of the alloy element. It is easy to see that through the overlapping of the three weld beads 1, 2, 3, each of which has a higher concentration of the alloying element has than the workpiece A or the preceding weld bead, where the Concentration of this element in the last weld bead is lower than that of workpiece B, a finely graded transition from the low on which gives higher concentration. In practice, these levels are flattened out or "blurs", so that there is a smooth or steady transition in the EndeSekt adjusts.

Der Schweißvorgang kann so durchgeführt werden, indem durch mehrmaliges Aufschmelzen eines Stumpfstoßes von zwei Materialien mittels Elektronenstrahl, wobei die Aufschmelzzone in mehreren Stufen vom Werkstoff A überlappend zum Werkstoff B verschoben wird, ein quasi stetiger Legierungsübergang erhalten wird. Diese Stufen müssen so gelegt werden, daß die Legierungsunterschiede klein genufflsind, um die unstetige Ausbildung der Karbide und die damit verbundene Kohlenstoffdiffusion zu vermeiden. Aufgrund der Komplexität der Karbidausscheidungsvorgänge, wie Einfluß der Konzentration der Karbidbildner (Cr, Mo, V etc.) ist die Höhe der zu erzielenden kleinen Unstetlgkeitsstellen sehr von der Zusammensetzung der Werkstoffchargen abhängig, muß aber kleiner sein, als 30 % des jeweiligen höheren Legierungswertes.The welding process can be carried out by repeated several times Melting a butt joint of two materials by means of an electron beam, whereby the melting zone in several stages from material A overlapping to the material B is shifted, a quasi-continuous alloy transition is obtained. These stages must be placed in such a way that the alloy differences are small enough to discontinuous formation of the carbides and the associated carbon diffusion avoid. Due to the complexity of the carbide precipitation processes, such as influence the concentration of carbide formers (Cr, Mo, V etc.) is the level to be achieved small discontinuities very dependent on the composition of the material batches, but must be less than 30% of the respective higher alloy value.

Die Durchführbarkeit des Verfahrens mit Hilfe der Elektronenstrahlschweißung hängt natürlich von Werkstückgröße und Größe der zur Verfügung stehenden Elektronenstrahlschweißanlage ab und bietet sich im besonderen für die Herstellung von Zwischen- oder Übergangs stücken an, die dann art gleich mit den Grundwerkstoffen verschweißt werden können.The feasibility of the process with the help of electron beam welding depends of course on the size of the workpiece and the size of the electron beam welding system available and is particularly suitable for the production of intermediate or transitional areas pieces that can then be welded to the base materials.

Da ein Übergangs stück eine Verdopplung der Anzahl der Schweißnähte bringt, wurde ein Verfahren entwickelt, um die Werkstücke A und B insbesondere bei großen Abmessungen unter Beibehaltung des Erfindungsgedankens von einem quasistetigen Legierungsübergang mit nur einer Schweißnaht zu verbinden. Dies wäre möglich, wenn Zusatzwerkstoffe in verschiedenen Legierungsstufen z.B. 1, 2, 3 etc. gemäß Fig. 2 erhältlich wären, was aufgrund der Wirtschaftlichkeit nur in Sonderfällen möglich sein wird. Diese legierungsmäßig abgestuften Zusatzwerkstoffe würden als Einzelraupen nebeneinandergelegt eine quasistetige Übergangsnaht ergeben.Because a transition piece doubles the number of welds brings a method was developed to the workpieces A and B in particular large dimensions while maintaining the inventive concept of a quasi-continuous To connect alloy transition with only one weld seam. This would be possible if Filler materials in different alloy levels e.g. 1, 2, 3 etc. according to Fig. 2 would be available, which is because of the economy only in special cases will be possible. These alloy-wise graded additional materials would be called Individual beads placed next to each other result in a quasi-continuous transition seam.

Mit dem WIG-Verfahren mit Zusatzdraht lassen sich solche Einzelraupen von fast beliebiger Zwischenlegierung herstellen, indem das Verhältnis von je einem Zusatzdraht der Legierung A und der Legierung B, die gleichzeitig im Lichtbogen abgeschmolzen werden, variiert wird. Für die WIG-Handschweißung werden hiefür die Drähte der Legierung A und B in verschiedenen handelsüblichen Durchmesser benötigt.Such individual beads can be made using the TIG process with additional wire Manufacture of almost any intermediate alloy by adding the ratio of one each Filler wire of alloy A and alloy B, which are in the arc at the same time are melted, is varied. For TIG manual welding, the Alloy A and B wires in various commercial diameters are required.

Durch gemeinsames Abschmelzen eines Bündels von zwei oder mehr Drähten der Legierungen A und B läßt sich eine aufgrund des Durchmesser- und Mengenverhältnisses vorher berechenbare Legierung des niedergeschmolzenen Schweißgutes erzielen.By melting a bundle of two or more wires together of alloys A and B can be based on the diameter and quantity ratio Achieve a predictable alloy of the melted weld metal.

Feiner regelbar läßt sich die Legierung des Schweißgutes mit mechanischer Zufuhr von zwei Kaltnähten A und B erhalten.The alloy of the weld metal with mechanical Supply of two cold seams A and B received.

Durch Verändern der Vorschubgeschwindigkeiten der beiden Zusatzdrähte kann jede Legierung, deren Konzentration zwischen den Werten der Werkstücke A und B liegt, im Schweißgut erzielt werden. Durch geometrische richtige Aufbringung der verschiedenen Legierungen in nebeneinanderliegenden, längs der Schweißfuge niedergeschmolzenen Schweißlagen kann der gewünschte Übergang hergestellt werden.By changing the feed speeds of the two additional wires can be any alloy whose concentration is between the values of the workpieces A and B can be achieved in the weld metal. By geometrically correct application of the different alloys in adjacent, melted down along the welding joint The desired transition can be produced by welding layers.

Bei mechanisierten WIG-Schweißköpfen mit Pendeleinrichtung kann die Verbindung von Werkstücken A und B mit verschiedenen Legierungskonzentrationen auch in Pendelraupen hergestellt werden, wenn im gleichen Takt der Pendelung die Zusatzdrähte mit Legierungskonzentrationen entsprechend den Werkstücken A und B verschieden schnell dem Lichtbogen zugeführt werden. (vgl. in Fig. 4 die Schweißschicht 4f).In the case of mechanized TIG welding heads with a pendulum device, the Joining workpieces A and B with different alloy concentrations too are produced in pendulum caterpillars if the additional wires are in the same cycle of pendulum movement with alloy concentrations corresponding to workpieces A and B at different speeds are fed to the arc. (compare the welding layer 4f in FIG. 4).

Es muß dafür gesorgt werden, daß während des Pendelns kein, die Schweißfuge erfassendes gemeinsames Schmelzbad entstehen kann, da dies eine Zwischenlegierung zwischen den Knnzentrat ionen der Werkstücke A und B mit ihren Nachteilen zur Folge hätte. Dies kann verhindert werden, indem der Lichtbogenstrom gepulst wird, sodaß nur örtlich kleine Schmelzbäder mit der gewünschten Legierung entstehen.It must be ensured that no weld joint common weld pool can be created, as this is an intermediate alloy between the Knnzentrat ionen of workpieces A and B with their disadvantages to the Consequence would have. This can be prevented by pulsing the arc current, so that only locally small weld pools with the desired alloy are created.

Bei ausreichender Zugänglichkeit der Schweißfuge kann dasselbe Ergebnis mit MiG-MAG-Verfahren erzielt werden, wobei zwei Brenner den Zusatzwerkstoff in dasselbe Schmelzbad ab schmelzen und in bekannter Weise Drahtzufuhrgeschwindigkeit mit der Stromstärke des Einzellichtbogens abgestimmt werden muß.If there is sufficient access to the weld joint, the same result can be achieved can be achieved with the MiG-MAG process, with two burners using the filler metal Melt the same weld pool and wire feed speed in a known manner must be matched with the amperage of the single arc.

Bei einseitig herzustellenden Nähten z.B. V- oder U-Nahtfugen bei dickwandigen Rohren könnte in der Nahtwurzel bestenfalls eine Mischlegierung von 50 % A und 50 % B erzielt werden. Um Schwachstellen auch in der Nahtwurzel zu vermeiden, wird eine Vorgangsweise vorgeschlagen, die auch eine Vereinfachung der Nahtfugenvorbereitung ergibt, und die in Fig. 4 gezeigt ist.In the case of seams to be produced on one side, e.g. V or U seam joints thick-walled pipes could at best be a mixed alloy of in the seam root 50% A and 50% B can be achieved. In order to avoid weak points also in the seam root, a procedure is proposed which also simplifies the preparation of the seam joint and which is shown in FIG.

In Fig. 4 sind die beiden Werkstücke A und B zur Herstellung einer V-Naht geschrägt. Vor der Schweißarbeit selbst wird ein Metallstreifen 4 zwischen die beiden Werkstücke eingelegt. Der Metallstreifen 4 besteht beispielsweise aus einer Legierung, deren Konzentration an Legierungsmetall im wesentlichen in der Mitte zwischen den Konzentrationen der Werkstücke A und B liegt. Dieser Streifen 4 kann sodann mit zwei Schweißnähten Ita und 4b mit den Werkstücken A bzw. B verbunden werden. Die üblicherweise mit WIG-Verfahren hergestellten Nähte 4a und 4b ergeben eventuell unterstützt durch Zusatzdrähte geeigneter Zwischenlegierungen, eine Legierungszusammensetzung, die zwischen den Legierungen A und 4 bzw. 4 und B liegen. Sodann werden die Nähte 4e, 4d, 4c gebildet, deren Konzentration an Legierungsmetall von Naht zu Naht, vom Werkstück A zum Werkstück B hin, zunimmt. Die Naht oder Schicht 4f, von weiteren, nicht gezeigten Schichten gefolgt, hat eine vom Werkstück A zum Werkstück B hin zuehmende Legierungskonzentration. Die gewünschten Wechsel der Konzentration bzw.In Fig. 4, the two workpieces A and B are for producing a V-seam bevelled. Before the welding work itself, a metal strip 4 is between the two workpieces inserted. The metal strip 4 consists, for example, of an alloy whose concentration of alloy metal is essentially in the Middle between the concentrations of workpieces A and B. This strip 4 can then be connected to workpieces A and B with two weld seams Ita and 4b will. The seams 4a and 4b usually produced with TIG processes result possibly supported by additional wires of suitable intermediate alloys, an alloy composition, which lie between alloys A and 4 or 4 and B. Then the seams 4e, 4d, 4c, their concentration of alloy metal from seam to seam, from Workpiece A towards workpiece B increases. The seam, or layer 4f, of further, Followed layers not shown has one from workpiece A to workpiece B. increasing alloy concentration. The desired change of Concentration or

die Anderungen derselben über die Breite der Schweißnaht können durch entsprechendes Pendeln des Schweißkopfes bei Änderung der Zuführugsgeschwindigkeit der Schweißdrähte erzielt werden.the changes of the same across the width of the weld seam can through corresponding oscillation of the welding head when changing the feed speed the welding wires can be achieved.

Der Metallstreifen 4, der in die Nahtwurzel eingelegt wird, kann z.B. mittels Elektronenstrahlschweißung als Übergangs stück mit feinstufigem Verlauf gemäß Fig. 3 hergestellt sein.Es kann beiderseits mit den Werkstücken A und B artgleich, z.B. WIG-Verfahren, verschweißt werden, Das übergangsstück kann z.B. bei dickwandigen Rohren die Form eines Einlageringes haben. Auf diesem quasistetigen Übergangsstück kann dann die Naht,wie zuvor erläutert, aufgebaut werden.The metal strip 4, which is inserted into the seam root, can e.g. by means of electron beam welding as a transition piece with a finely graded course be manufactured according to Fig. 3. It can be of the same type on both sides with the workpieces A and B, e.g. TIG process, can be welded, The transition piece can e.g. with thick-walled Pipes have the shape of an insert ring. On this quasi-continuous transition piece the seam can then be built up as previously explained.

Die vorliegende Erfindung entstand aus dem bisher ungelösten Problem der Übergangsnaht bei warmfesten Stählen.The present invention arose from the heretofore unsolved problem the transition seam in heat-resistant steels.

Sie kann jedoch für alle Werkstoffpaarungen angewendet werden, bei denen keine Zwischenlegierungen auftreten, die metallurgisch und mechanisch ungünstiges Verhalten aufweisen.However, it can be used for all material pairings where no intermediate alloys occur, the metallurgically and mechanically unfavorable Exhibit behavior.

LeerseifeEmpty soap

Claims

Process for producing welded joints between workpieces different alloys.

Claims: t. Process for producing welded joints between workpieces of different alloys, the welded joint consists of several zones of different alloy, characterized in that for workpieces that contain the same alloying elements in different concentrations contain an alloy transition with monotonically continuous or monotonously finely stepped Gradient is generated by starting from a workpiece with the one concentration a connection with the other workpiece of the other concentration takes place.

2. The method according to claim 1, characterized in that the alloy transition in several small stages, which are less than 30% of the respective higher alloy value are made.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that that the desired alloy gradation is butted by electron beam welding butted workpieces is produced, the connection of the workpieces initially consists largely of the material of a workpiece and several in the direction Electron beam welds offset to the other workpiece take place until the last one Mixed alloy mostly consists of the material of the other workpiece.

4. The method according to claim 2, characterized in that when thick-walled Workpieces the seam with the help of - the MIG, MAG or WiG process with at least two additional wires, each corresponding to the material of one or the other workpiece correspond, is produced and by changing the proportion of the two additional wires running in at the same time, the desired gradation of the alloy is achieved by welding beads lying next to one another along the welding joint.

5. The method according to claim 4, characterized in that with a pulsating WiG process with pendulum device depending on the two additional wires Position of the oscillating TIG torch in the desired relationship to the arc are fed.

6. The method according to claims 3 to 5, characterized in that that in the case of seams to be produced on one side, a transition piece with the desired one Alloy gradation is produced by electron beam welding that this Transition piece is welded in the same way into the seam root and that on this Transition piece the further construction of the seam with the help of the MIG, MAG or TIG process and at least two additional wires are made.