DE3021743A1 - Pulverzusammensetzung fuer fuelldrahtelektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schweißwerkstoffe zum Lichtbogenschweißen und betrifft insbesondere eine Pulverzusammensetzung zum Schutzgasschweißen und Schutzgasauftragschweißen von Stählen.

Die Erfindung kann bei Fülldrahtelektroden angewendet werden, welche zum automatischen und halbautomatischen Schweißen bei geneigter, waagerechter sowie Normallage der Schweißnaht an der senkrechten Ebene bestimmt sind.

Es sind Pulverzusammensetzungen für Fülldrahtelektroden bekannt, welche zum CO tief 2-Schweißen und CO tief 2-Auftragschweißen von Stählen in räumlichen Positionen bestimmt und aus einem mit einer pulverförmigen Zusammensetzung gefüllten Stahlmantel bestehen, wobei die erwähnte Zusammensetzung einen Elektrodenkern darstellt. Es ist beispielsweise eine Fülldrahtelektrode (s. beispielsweise US-PS 3253120) bekannt, deren Elektrodenkern aus einem Pulvergemisch hergestellt ist, welches nachstehend angeführte Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweist:

kohlenstoffarmes Ferrochrom 18,7 75,0 Ferromolibdän 2,1 8,4 Mangan 0,8 2,9 Ferrosilizium 3,0 13,7 Eisenpulver 69,0 0.

Es ist allgemein bekannt, dass das Auflösen von beachtlichen Mengen an Wasserstoff während des Schweißvorganges bei der Schmelztemperatur des Schweißmetalls direkt in dem Schweißnahtmetall erfolgt und dadurch die Rissbeständigkeit des Schweißnahtmetalls stark herabgesetzt wird. Das Schweißnahtmetall hat beim Schweißen von hochfesten legierten Stählen eine niedrige Rissbeständigkeit. Um diese zu erhöhen, wird der Gehalt an Wasserstoff maximal vermindert. Weil das Schweißnahtmetall jedoch nicht gegen Wasserstoff durch die Fülldrahtelektrode, deren Elektrodenkern aus dem Pulvergemisch der erwähnten Zusammensetzung hergestellt ist, gesichert wird, zeichnen sich die Schweißnähte durch einen hohen Gehalt an Wasserstoff aus.

Weiterhin weisen die beim Schweißen mit den erwähnten Fülldrahtelektroden erhaltenen Schweißnähte eine erhabene Form auf, wodurch deren Ermüdungsfestigkeit herabgesetzt wird. Außerdem weisen die erhaltenen Schweißnähte eine Oberfläche in Form von feiner Haut aus hochschmelzenden Oxyden auf, welche schwer zu entfernen ist.

Bessere schweißtechnologische Eigenschaften beim Schweißen von hochfesten legierten Stählen weist eine Pulverzusammensetzung auf, welche nachstehend angeführte Bestandteile beim folgenden Gewichtsverhältnis enthält (in Gew.-%):

Kalziumfluorid 5-25 Magnesiumoxid 5-15 Siliziumdioxid 0-25 Ferrosilizium 5-10 Ferromangan 2-5 Ferrochrom 0-5 Ferromolibdän 0-20 Nickel 0-20 Aluminium-Magnesium-Pulver 0-15 (s. beispielsweise US-PS 3424892).

Durch die Verwendung von Fülldrahtelektroden mit einem aus dem Pulvergemisch der erwähnten Zusammensetzung gefertigten Elektrodenkern zum Schweißen von Stählen wird es möglich, eine Schweißnaht mit hohen mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Der Gehalt an Kalziumfluorid in der erwähnten Zusammensetzung ist dadurch bedingt, dass es den im Laufe des Schweißvorganges in der Lichtbogenzone in großen Mengen vorhandenen Wasserstoff zu nicht flüchtigen Fluoriden bindet, wodurch der Gehalt an Wasserstoff im Schweißnahtmetall vermindert und die Bildung einer Oxydationshaut aus hochschmelzenden Oxyden, welche schwer zu entfernen ist, auf der Oberfläche der Schweißnaht gehemmt wird.

Da die erwähnte Pulverzusammensetzung Kalziumfluorid enthält, welches viel dazu beiträgt, die Lichtbogenstabilität zu stören, zeichnen sich die aus dieser Pulverzusammensetzung hergestellten Fülldrahtelektroden durch starkes Spritzen von Elektrodenmetall im Laufe des Schweißvorganges aus.

Unter dem "Spritzen des Elektrodenmetalls" wird hier das Spritzen von Tropfen der im Laufe des Schweißvorganges geschmolzenen Fülldrahtelektroden verstanden.

Herkömmlicherweise sind die beim Schweißen mit den Fülldrahtelektroden, deren Elektrodenkern aus der erwähnten Pulverzusammensetzung gefertigt ist, erhaltenen Schweißnähte grobschuppig und weisen eine konkave Form auf, wodurch deren Ermüdungsfestigkeit herabgesetzt wird. Demzufolge sind zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte zusätzliche Arbeitsaufwendungen für deren Nachbehandlung erforderlich.

Es ist weiterhin zu vermerken, dass es beim Schweißen mit den besagten Fülldrahtelektroden zu einem hohen Gehalt an Sauerstoff (0,040 0,045 Gew.-%) und Wasserstoff (4-5 cm hoch 3 pro 100 g des Schweißgutes) in dem Schweißnahtmetall kommt, obwohl Kalziumfluorid teilweise Wasserstoff bindet. Demzufolge wird die Rissbeständigkeit des im Kaltzustand befindlichen Schweißgutes und auch die Kerbschlagzähigkeit in einem Hoch- und Tieftemperaturbereich verringert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pulvergemisch für Fülldrahtelektroden zum Schutzgasschweißen und Schutzgasauftragschweißen von Stählen zu schaffen, welches es ermöglicht, durch die Veränderung der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung dessen Bestandteile den Fülldrahtelektroden bessere schweißtechnologische Eigenschaften zu verleihen, eine Schweißnaht mit hohen mechanischen Eigenschaften zu erhalten sowie den Gehalt an Sauerstoff und

Wasserstoff in der Schweißnaht zu vermindern und somit die Kerbschlagzähigkeit in einem Hoch- und Tieftemperaturbereich zu verbessern und die Schweißnahtbeständigkeit gegen Kalt- und Heißrisse zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Pulverzusammensetzung für Fülldrahtelektroden zum Schutzgasschweißen und Schutzgasauftragsschweißen von Stählen, enthaltend Kalziumfluorid, Ferrosilizium, Ferromangan, Chrom, Ferromolibdän und Nickel, erfindungsgemäß außer den erwähnten Bestandteilen zusätzlich Rutilkonzentrat, Natriumfluorosilikat und Eisenpulver, wobei Fluoritkonzentrat als Kalziumfluorid verwendet wird, in folgenden Gewichtsverhältnissen (in Gew.-%) enthält:

Rutilkonzentrat 14,0 23,0 Fluoritkonzentrat 7,0 -12,0 Natriumfluorosilikat 2,0 6,0 Ferromangan 6,0 10,0 Ferrosilizium 1,5 4,0 Ferromolibdän 1,0 2,5 Chrom 1,0 2,5 Nickel 4,0 9,0 Eisenpulver 31,0 63,5

Die Fülldrahtelektrode mit einem aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkern ermöglichen das Schweißen von Stählen bei geneigter, waagerechter sowie Normallage einer Schweißnaht an der senkrechten

Ebene durchzuführen. Dabei wird das Elektrodenmetall in einer Menge von 4 bis 6 Gew.-% verspritzt.

Die erhaltenen Schweißnähte zeichnen sich durch eine gute Schweißnahtformung mit einem zügigen Übergang zu dem Basismetall aus. Das Schweißnahtmetall ist gut desoxydiert und enthält Sauerstoff in einer Menge von 0,020 bis 0,030 Gew.-% und Wasserstoff in einer Menge von 0,8 bis 1,5 cm hoch 3, bezogen auf das 100 g des Schweißgutes. Es ist zu vermerken, dass das Schweißnahtmetall eine gute Beständigkeit gegen Kalt- und Heißrisse und eine hohe Kerbschlagzähigkeit in einem Hoch- und Tieftemperaturbereich aufweist.

Die Anwesenheit von Rutilkonzentrat in einer vorgegebenen Menge in der Zusammensetzung der erwähnten Pulverzusammensetzung macht es möglich, beim Schweißen mit den Fülldrahtelektroden mit den aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkernen ein stabiles Brennen des Lichtbogens und gute Nahtformung zu erhalten. Die Schweißnaht weist dabei eine glatte Oberfläche mit einem zügigen Übergang zu dem Basismetall auf.

Durch Versuche wurde festgestellt, dass eine Verminderung des Gehaltes der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung an Rutilkonzentrat unter dem besagten untersten Grenzwert hinaus nicht zulässig ist, weil in diesem Falle die Schweißnahtformung stark verschlechtert wird, d.h. dass die Erhabenheit vergrößert wird. Darüber hinaus kommt es zum rapiden Spritzen des Elektrodenmetalls.

Durch die Einführung von Rutilkonzentrat in einer Menge, welche über dem oberen Grenzwert liegt, in die erfindungsgemäße Pulverzusammensetzung werden die fertigungstechnischen Eigenschaften der Schweißschlacke erheblich beeinträchtigt, wodurch deren Gasdurchlässigkeit herabgesetzt und Kristallisationsbereich stark vermindert werden. Eine derartige Einführung hat auch eine Verschlechterung der Schweißnahtformung zur Folge.

Die Einführung von Natriumfluorosilikat in der erwähnten Menge in die erfindungsgemäße Pulverzusammensetzung macht es möglich, den Gehalt an Wasserstoff im Schweißnahtmetall bis auf 0,8 1,5 cm hoch 3, bezogen auf 100 g des Basismetalls, zu vermindern. Eine Herabsetzung des Gehaltes an Natriumfluorosilikat unter dem erfindungsgemäßen untersten Grenzwert hinaus führt zu einer Erhöhung des Wasserstoffgehaltes im Schweißnahtmetall. Das Überschreiten des erfindungsgemäßen oberen Grenzwertes führt zum starken Spritzen vom Elektrodenmetall.

Die Einführung von Legierungszusätzen (Ferromolibdän, Nickel und Chrom) in die erfindungsgemäße Pulverzusammensetzung in einer vorgegebenen Menge macht es möglich, das Schweißnahtmetall mit verbesserten Eigenschaften Fließgrenze, Zerreißfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit in einem Hoch- und Tieftemperaturbereich zu erhalten. Dadurch wird auch gute Schweißnahtbeständigkeit gegen Kaltrisse gewährleistet.

Eine Verminderung des Gehaltes an derartigen Zusätzen unterhalb des untersten Grenzwertes in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung führt zur Herabsetzung der Kerbschlagzähigkeit des beim Schweißen mit den Fülldrahtelektroden mit den aus der erwähnten Pulverzusammensetzung hergestellten Elektrodenkernen erhaltenen Schweißnahtmetalls in einem Tieftemperaturbereich. Das Überschreiten des oberen Grenzwertes des Gehaltes an Ferromolibdän und Nickel in der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung hat eine Senkung der Plastizität des beim Schweißen mit den Fülldrahtelektroden mit den aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung hergestellten Elektrodenkernen erhaltenen Schweißnahtmetalls zur Folge, d.h. dass die Dehnung und Kerbschlagzähigkeit auch vermindert werden.

Das Überschreiten des oberen Grenzwertes des Gehaltes an Chrom in der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung hat eine Senkung der Schweißnahtbeständigkeit gegen Kaltrisse zur Folge.

Im weiteren wird das Wesen der Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1.

Während des Schweißvorganges wurden Fülldrahtelektroden mit einem Durchmesser von 2,2 mm (nachfolgend als A, B und C bezeichnet), deren Kerne aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung gefertigt sind, verwendet. Ein Stahlmantel der jeweiligen Fülldrahtelektrode betrug 70 Gew.-% von deren Gesamtmasse und wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf: 0,05 Kohlenstoff, 0,20 Mangan,

0,12 Silizium, 0,020 Schwefel und 0,020 Phosphor.

Das Schweißen von Stahlprobestücken wurde in deren Normallage unter Anwendung des halbautomatischen Schweißverfahrens mit einem Schweißstrom umgekehrter Polung durchgeführt.

Schweißparameter: Schweißstrom 350 A Lichtbogenspannung 27 V

Als Schutzgas wurde Kohlendioxid verwendet.

Der zu verschweißende Stahl mit einer Dicke von 20 mm hatte folgende Zusammensetzung (in Gew.-%): 0,12 Kohlenstoff, 1,1 Mangan, 0,25 Silizium, 1,5 Chrom, 0,2 Nickel, 0,50 Molybdän, 0,004 Bor.

Die Zusammensetzung des Pulvergemisches, aus welchem die Elektrodenkerne der Fülldrahtelektroden gefertigt sind, sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1.

Das Metall der unter Verwendung von Fülldrahtelektroden, deren Elektrodenkerne aus dem Pulvergemisch der erwähnten Zusammensetzung hergestellt sind, gewonnenen Schweißnähte wurde mechanischen Prüfungen zur Bestimmung dessen Kerbschlagzähigkeit, Dehnung und Zerreißfestigkeit sowie einer physikalisch-chemischen Analyse zur Bestimmung des Gehaltes des Schweißgutes an Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff, unterzogen.

Die mechanischen Prüfungen des Schweißnahtwerkstoffes wurden in an sich bekannter Art und Weise durchgeführt.

Der Gehalt des Schweißgutes an Sauerstoff, Stickstoff und restlichem Wasserstoff wurde unter Anwendung des an sich bekannten Vakuumschmelzverfahrens und der Gehalt an Diffusionswasserstoff nach dem Internationalen Standard ISO 3690 ermittelt.

Zur Veranschaulichung der Vorteile der Fülldrahtelektroden mit den aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkernen wurden die Vergleichsergebnisse der mechanischen Prüfungen von Schweißnähten, sowie die Vergleichsergebnisse der physikalisch-chemischen Analyse zur Bestimmung des Gasgehaltes in dem Schweißgut mit den analogen, unter Anwendung eines an sich bekannten Verfahrens (siehe US-PS 3424892) verglichen.

Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind in Tabelle 2 und 3 angeführt.

Tabelle 2.

Tabelle 3.

Aus den erwähnten Tabellen ist es ersichtlich, dass die unter Verwendung von den Fülldrahtelektroden mit den aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkernen erhaltenen Schweißnähte durch eine hohe Kerbschlagzähigkeit, insbesondere in einem Tieftemperaturbereich sowie durch den geringeren Gehalt an Gase, beispielsweise an Wasserstoff auszeichnen.

Darüber hinaus wird durch die Anwendung von derartigen Fülldrahtelektroden eine bessere Schweißnahtformung (die Schweißnaht weist einen zügigen Übergang zu dem Basismetall und eine erhabene Form auf), eine leichte Abtrennung der Schlackenkruste sowie eine gute Schweißnahtbeständigkeit gegen Kalt- und Heißrisse gewährleistet. Dabei kommt es zur Verminderung des Spritzens vom Elektrodenmetall.

Beispiel 2 (nicht erfindungsgemäß)

Das Schweißen wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 1 beschriebene Art und Weise durchgeführt. Während des Schweißens wurde jedoch eine Fülldrahtelektrode verwendet, in der die Bestandteile des Elektrodenkerns in Mengen enthalten waren, welche unterhalb der erfindungsgemäßen unteren Grenzwerte liegen.

Das Pulvergemisch wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf:

Rutilkonzentrat 12,8 Fluoritkonzentrat 6,8 Natriumfluorosilikat 1,8 Ferromangan 5,8 Ferrosilizium 1,4 Ferromolibdän 0,8 Chrom 0,8 Nickel 3,8 Eisenpulver 66,0

Nachfolgend werden die Ergebnisse der durchgeführten mechanischen Prüfungen und physikalisch-chemischen Analyse des Schweißnahtmetalls angeführt:

Fließgrenze in kp/mm hoch 2 60,0 Reißfestigkeit in kp/mm hoch 2 72,0

Dehnung in % 14,0 Kerbschlagzähigkeit (Mesnager-Probe) in kp.m/cm hoch 2 bei +20°C bei -40°C 1,5 bei -50°C

Gehalt an Sauerstoff in Gew.-% 0,05 Stickstoff in Gew.-% 0,018 restlichem Wasserstoff in cm hoch 3/100 g 2,5

Gesamtgehalt an Diffusions- und restlichem Wasserstoff in cm hoch 3/100g 4,5

Aus den vorstehend angeführten Ergebnissen der mechanischen Prüfungen und physikalisch-chemischen Bestimmungen ist es ersichtlich, dass die Verwendung der Fülldrahtelektroden mit den aus der erwähnten, nicht erfindungsgemässen Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkernen eine Schweißnaht mit verschlechterten mechanischen Eigenschaften und einem hohen Gehalt an Gasen ergibt. Darüber hinaus kommt es zur Erhöhung des Spritzens vom Elektrodenmetall.

Beispiel 3 (nicht erfindungsgemäß)

Das Schweißen wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 1 beschriebene Art und Weise durchgeführt. Während des Schweißens wurde jedoch eine Fülldrahtelektrode verwendet, in der die Bestandteile deren Elektrodenkernes in Mengen enthalten waren, welche die erfindungsgemässen oberen Grenzwerte im wesentlichen überschritten.

Das Pulvergemisch wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf:

Rutilkonzentrat 23,5 Fluoritkonzentrat 12,2 Natriumfluorosilikat 6,2 Ferromangan 10,2 Ferrosilizium 4,2 Ferromolibdän 2,7 Chrom 2,6 Nickel 9,2 Eisenpulver 29,2

Nachstehend sind die Ergebnisse der durchgeführten mechanischen Prüfungen und physikalisch-chemischen Bestimmungen der Schweißnaht angeführt:

Fließgrenze in kp/mm hoch 2 68,0 Reißfestigkeit in kp/mm hoch 2 80,0 Dehnung in % 13,0 Kerbschlagzähigkeit (Mesnager-Probe) in kp.m/cm hoch 2 bei +20°C 7,5 bei -40°C 2,0 bei -50°C Sauerstoffgehalt in Gew.-% 0,050 Stickstoffgehalt in Gew.-% 0,016 Gehalt an restlichem Wasserstoff in cm hoch 3/100 g 2,5 Gesamtgehalt an Diffusionswasserstoff und restlichem Wasserstoff in cm hoch 3/100 g 4,5

Aus den vorstehend angeführten Ergebnissen der mechanischen Prüfungen und physikalisch-chemischen Bestimmungen ist es ersichtlich, dass die Verwendung von den Fülldrahtelektroden mit den aus den erwähnten Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkernen zur Verschlechterung der Plastizität des Schweißnahtmetalls, insbesondere Dehnung, Kerbschlagzähigkeit und zur Verminderung des Gehaltes an Gasen führt. Darüber hinaus kommt es beim Schweißen mit den besagten Fülldrahtelektroden zur Erhöhung des Spritzens von Elektrodenmetall und Verschlechterung der Schweißnahtformung, wodurch die Schweißnähte grobschuppig sind und eine erhabene Form aufweisen.

Claims (4)

1. Pulverzusammensetzung für Fülldrahtelektroden zum Schutzgasschweissen und Schutzgasauftragschweissen von Stählen, enthaltend Kalziumfluorid, Ferrosilizium, Ferromangan, Chrom, Ferromolibdän und Nickel, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie zusätzlich folgende Bestandteile I.1. Rutilkonzentrat I.

2. Natriumfluorosilikat I.

3. Eisenpulver und I.

4. Kalziumfluorid als Fluoritkonzentrat in folgenden Gewichtsverhältnissen (Gew.-%) Rutilkonzentrat 14,0 23,0 Fluoritkonzentrat 7,0 12,0

Natriumfluorosilikat 2,0 6,0 Ferromangan 6,0 10,0 Ferrosilizium 1,5 4,0 Ferromolibdän 1,0 2,5 Chrom 1,0 2,5 Nickel 4,0 9,0 Eisenpulver 31,0 63,5 enthält.