DE3021743C2

DE3021743C2 - Pulverzusammensetzung für Fülldrahtelektroden

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Publication number: DE3021743C2
Application number: DE19803021743
Authority: DE
Inventors: Vladimir Nikolaevi&ccaron; Golovko; Anatoly Vladimirovi&ccaron; Sverdlovsk Gulyar; Boris Sergeevi&ccaron; Kasatkin; Ljudmila Nikolaevna Kolomiets; Valtentin Federovi&ccaron; Musiya&ccaron;enko; Igor Konstantinovi&ccaron; Pochodnya; Jury Aleksandrovi&ccaron; Kiev Simonenko
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1980-06-10
Filing date: 1980-06-10
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE3021743A1

Description

1.1. Rutilkonzentrat to

1.2. Natriumfluorosilikat 13. Eisenpulver und

1.4. Kalziumfluorid als Fluoritkonzentrat

in folgenden Gewichtsverhältnissen (Gew.-%)

Rutilkonzentrat Fluoritkonzentrat Natriumfluorosilikat Ferromangan Ferrosiiiziuiii Ferromolybdän

Chrom

Nickel

Eisenpulfer

enthält.

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 Oxiden 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 Gewichts*verhältnis

14,0-23,0	enthalten Gew.-%):	5-25
7,0-12,0		5-15
2,0- 6,0	Kalziumfluorid	0—25
6,0-10,0	20 Magnesiumoxid	5-10
1.5- 4,0	Süiziumdioxid	2- 5
1,0- 2,5	Ferrosilizium	0- 5
1,0- 2,5	Ferromangan	0-20
4,0- 9,0	Ferrochrom	0-20
31,0-633	25 Ferromolybdän	0-15
	Nickel
	Aluminium-Magnesium-Pulver

(siehe beispielsweise US-PS 34 24 892).

JO

Die Erfindung bezieht sich auf Schweißwerkstoffe 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 CO₂-Schweißen und CCVAuftragschweißen 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 (siehe beispielsweise US-PS 32 53 120) bekannt, deren Elektrodenkern aus einem Pulvergemisch hergestellt ist, welches nachstehend angeführte Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweist:

kohlenstoffarmes Ferrochrom	18,7-75,0
Ferromolybdän	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 Schweißnahlmetall jedoch nicht 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 Oxidationshaut aus hochschmelzenden Oxiden, welche

schwer zu entfernen ist, auf der Oberfläche der

Schweißnaht gehemmt wird. ■ Da die erwähnte Pulverzusammensetzung Kalzium-

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

Unter dem »Spritzen des Elektrodenmetalls« wird

ki°r 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 forderen 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.-°/o) und Wasserstoff (4—5 cm³ pro 100 kg des Schweißgutes) in dem Schweißnahtmetall kommt, obwohl Kalziumfluorid teilweise Wasserstoff bindet. Demzufolge wird die

RiQbeständigkeit des im Kaltzustand befindlichen Schweißgutes und auch die Kerbschlagzähigkeit in einem Hoch- undTieftemperaturbereieh verringert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pulvergemisch tür 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 Schutzgasauftragschweißen von Stählen, entha5t««nd Kalziumfluorid, Ferrosilizium, Ferromangan, Chrom, Ferromoiybdän und Nickel, erfindungsgemäß außer den erwähnten Bestandteilen zusätzlich Rutilkonzentrat, Natriumfluorosilikat und Eisenpulver, wobei Fluoritkonzentrat als Kalziumfluorid verwendet wird, in folgenden Gewichtsverhältnissen (in Gew.-% enthält:

30

35

Die Fülldrahtelektrode mit einem aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung gefertigten Elektro- denkern 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 Obergang zu dem Basismetall aus. Das Schweißnahtmetall ist gut desoxidiert und enthält Sauerstoff in einer Menge von 0,020 bis 0,030 Gew.-% und Wasserstoff in einer Menge von 0,8 bis 13 cm³, bezogen auf das 100 g des Schweißgutes. Es ¹St zu vermerken, daß das Schweißnahtmetall eine gute Beständigkeit gegen KaIt- und Heißrisse und eine hohe Kerbschlagzähigkeit in einem Hoch- und Tief temperaturbereich 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

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
Ferromoiybdän	1.0- 2,5
Chrom	1.0- 23
Nickel	4,0- 9,0
Eisenpulver	31,0-633

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 erwiUinten Menge in die erfindungsgemäße Pulverzusammensetzung macht es möglich, den Gehalt an Wasserstoff im Schweißnahtmetall bis auf 0,8—13 cm³, 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 Schweißnahtmetaii. Das Überschreiten des erfindungsgemäßen oberen Grenzwertes führt zum starken Spritzen vom Elektrodenmetall.

Die Einführung von Legierungszusätzen (Ferromoiybdän, 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 erhaU.cn. 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 F.lektrodenkernen erhaltenen Schweißnahtmetalis in etiirmi Tieftemperaturbereich. Das Überschreiten des oberen Grenzwertes des Gehaltes an Ferromoiybdän und Nickel in der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung hat eine Senkung der Plastizität des beim Schweißen mit den Fülldrahtelektroden mit den aus der erfindungsgemäßeii 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 DurchmesFer 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.-°/o)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.-°/o):

0,12 Kohlenstoff,
1,1 Mangan,
0,25 Silizium,
1,5 Chrom,
0,2 Nickel.
0,50 Molybdän,
ίο 0,004 Bor.

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

Tabelle 1

Bestandteile der Pulverzusammensetzung des Elektrodenkemes

Fülldrahtelektrode

ABC Quantitative Zusammensetzung der Bestandteile des. Pulvergemisches für den Elektrodenkem in Gew.-%

3 4

Rutilkonzentrat	14,0	20,0	23,0
Fluoritkonzentrat	7,0	10,3	12,0
Natriumfluorosilikat	2,0	4,0	6,0
Ferromangan	6,0	9,0	10,0
Ferrosiüzium	1,5	2,8	4,0
Ferromolybdän	1,0	1,8	2,5
Chrom	1,0	1,8	2,5
Nickel	4,0	7,0	9,0
Eisenpulver	63,5	43,3	31,0

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 siner physikalisch-chemischen Analyse zur Bestimmung des Gehaltes des Schweißgutes an Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff, unterzogen.

Die mechanischen Prüfungen ties 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 34 24 892) verglichen.

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

Tabelle 2

Fülldrahtelektrode	Reißfestig	FlieB-	Dehnung	Kerbschlagzähigkeit	-40⁰C	-50°C
	keit in	grenze in	in%		81,5	59
	Mfa	MPa		(Mesnager-Probe) in J/cm²	120	88,2
					108	74,6
A	638	756	18,1	+ 20⁰C
B	672	795 *	20,0	106
C	720	830	19,0	134	39.1	3<U3
Fülldrahtelektrode				125
nach der
US-PS 3474 892	898	926	16.0
80.5

Tabelle 3

Fülldrahtelektrode	Gasgehalt in Gew.-%	Wasserstoffgehalt	in cmVIOO g	üesamtgehalt an Diffusions- und restlichem Wasserstoff
	Sauerstoff	StickstolT	restlicher Diffusions- wasserstoff	5
I	2	3	4

A 0,030

B 0,025

C 0,029
Fülldrahtelektrode nach

der US-PS 3424 892 0,045

0.015
0,010
0,012

0.015

Rutilkonzentrai	12,8
Fluoritkonzentrat	6,8
Natriumfluorosilikat	1,8
Ferromangan	5,8
Ferrosilizium	1.4
Ferromolybdän	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:

20

Fließgrenze in MPa	590
Reißfestigkeit in MPa	708
Dehnung in %	14,0
Kerbschlagzähigkeit
(Mesnager-Probe) in J/cm²
bei +20⁰C	—
bei -40⁰C	14.7
bei -50°C
Gehalt an Sauerstoff in Gew.-%	0.0

30

Aus den erwähnten Tabellen ist es ersichtlich, daß die unter Verwendung von den Fülldrahtelektroden mit den aus der erhndungsgemäUen 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(nichterfindungsgemäß)

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 (inGew.-%)auf:

40

50

55

60

1.5
0,8
1,3

4,0

Stickstoff in Gew.-%
restlichem Wasserstoff
in cm'/ltXjg

Gesamtgehalt an Diffusionsund restlichem Wasserstoff
in cm VlOOg

0,018
2,5

4,5

Aus den vorstehend angeführten Ergebnisser, der mechanischen Prüfungen und physikalisch-chemischen Bestimmungen ist es ersichtlich, daß die Verwendung der Fülldrahtelektroden mit den aus der erwähntun, nichterfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkernen eine Schweißnaht mit verschlechterten mechanischen Eigenschaften und ei nem hohen Gehalt an Gasen ergibt. Darüber hinaus kommt es zur Erhöhung des Spritzens vom Elektrodenmetall.

B e i s ρ i e ! 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 (inGew.-°/o)auf:

Kutilkonzentrat	23,5
Fluoritkonzentrat	12,2
Natriumfluorosilikat	6,2
Ferromangan	10.2
Ferrosilizium	*.2
Ferromolybdän	2,7
Chrom	2,6
Nickel	9a
Eisenpulver	29,2

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

Fließgrenze in MPa	667
Reißfestigkeit in MPa	786
Dehnung in %	13,0
Kerbschlagzähigkeit
(Mesnager-Probe) in J/cm²
bei +20⁰C	-73,6
bei -40° C	-19,6
bei -50⁰C	—
Sauerstoffgehalt in Gew.-%	0,0»

9 10

Stickstoffgehalt in Gew.-% 0,016 von den Fülldrahtelektroden milden aus den erwähnten

Gehalt an restlichem Pulverzusammensetzung gefertigten Elektrodenkernen

Wasserstoff in cmVIOOg 2,5 zur Verschlechterung der Plastizität des Schweiönaht-

Gesamtgehalt an metalls, insbesondere Dehnung, Kerbschlagzähigkeit

Diffusionswasserstoff > und zur Verminderung des Gehaltes an Gasen führt,

und restlichem Wasserstoff Darüber hinaus kommt es beim Schweißen mit den

incmVIOOg 4,5 besagten Fülldrahtelektroden zur Erhöhung des Sprit-

zens von Elektrodenmetall und Verschlechterung der

Aus den vorstehend angeführten Ergebnissen der Schweißnahtformung, wodurch die Schweißnähte grobmechanischen Prüfungen und physikalisch-chemischen io schuppig sind und eine erhabene Form aufweisen.
Bestimmungen ist es ersichtlich, daß die Vervendung

Claims

Patentanspruch:

Pulverzusammensetzung für Fülldrahtelektroden zum Schutzgasschweißen und Schutzgasauftragschweißen von Stählen, enthaltend Kalziumfluorid, Ferrosilizium, Ferromangan, Chrom, Ferromolybdän und Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich folgende Bestandteile