DE4435025C2

DE4435025C2 - Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffs zur Verbindung von Werkstücken aus unterschiedlichen Stahlwerkstoffen

Info

Publication number: DE4435025C2
Application number: DE19944435025
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Ing Niederhoff; Manfred Dr Ing Zschau
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: DE4435025A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes.

Aus BE 499 288 ist ein Schweißzusatz-Werkstoff bekannt mit folgender Zusammensetzung:

C < 0,16%
Si < 0,2%
Mn < 1%
Mo < 1,2%
V < 0,26%; Rest Fe und evtl.
Cr bis 1,8%.

Ferner ist aus DE-B.: Werkstoff und Schweißung v. Fr. E.-Jesnitzer, Seiten 129 bis 134 das Schweißen und die anschließende Wärmebehandlung von CrMo-Stählen bekannt.

In konventionellen durch fossile Brennstoffe befeuerten Kraftwerken kommen beim Verschweißen von Rohren häufig Mischverbindungen zwischen den beiden Werkstoffen X 20 CrMoV 12 1 und 10 CrMo 9 10 vor. Der Werkstoff X 20 CrMoV 12 1 galt lange Zeit als der ferritische Stahl mit der höchsten Zeitstandfestigkeit. Er wurde deshalb in den letzten 20 bis 25 Jahren besonders häufig in Kohlekraftwerken im Bereich der Hauptdampfleitungen eingesetzt. Als Schweißzusatzwerkstoff wird dabei üblicherweise eine dem Grundwerkstoff entweder des einen oder des anderen Rohres entsprechende artgleiche Legierung verwendet. Bei solchen Mischverbindungen zwischen den beiden Werkstoffen tritt das Problem der sogenannten "Bergauf"- Diffusion von Kohlenstoff auf, d. h. der Kohlenstoff diffundiert aus dem niedriger Cr- haltigen Grundwerkstoff bzw. dem artgleichen Schweißgut 10 CrMo 9 10 hin zu dem höher Cr-haltigen Grundwerkstoff bzw. Schweißgut X 20 CrMoV 12 1. Hierdurch kommt es nach der vorgeschriebenen Anlaßbehandlung zu einer empfindlichen Zähigkeitsverminderung in der Schweißnaht im Bereich der entmischten Zonen (entkohlte Zone und Karbidsaum) auf derjenigen Seite der Schweißnaht, auf der der Übergang zwischen beiden Werkstoffen liegt. Dies führt dazu, daß bei Raumtemperatur, bei der Druckprüfungen derartiger Rohre und Rohrverbindungen üblicherweise durchgeführt werden, keine ausreichende Zähigkeit mehr vorliegt. Diesem Nachteil wird bisher dadurch zu begegnen versucht, daß man nicht nur auf kerbenfreie Schweißnahtübergänge (Beschleifen der Nähte) achtet, sondern darüber hinaus auch die Druckproben bei erhöhter Temperatur (z. B. 50°C) durchführt.

In jüngster Zeit wird der Werkstoff X 20 CrMoV 12 1 in der praktischen Anwendung im Kraftwerksbau (Neubau und Reparatur) zunehmend durch den neuen hochwarmfesten ferritischen Stahl X 10 CrMoVNb 9 1 ersetzt. Dieser neue Werkstoff besitzt zwar im Vergleich zum X 20 CrMoV 12 1 aufgrund des niedrigeren C-Gehaltes ein deutlich verbessertes Zähigkeitsverhalten. Dennoch besteht auch bei der Mischverbindung zwischen den Werkstoffen 10 CrMo 9 10 und X 10 CrMoVNb 9 1 das gleiche Problem der "Bergauf"-Diffusion von Kohlenstoff und des dadurch bedingten Zähigkeitsabfalls im entkohlten Bereich.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, mit möglichst geringem Aufwand eine Lösung für dieses Problem zu finden, also hinreichende Kerbschlagzähigkeit bei Raumtemperatur mit sehr guter Zeitstandfestigkeit bei erhöhter Temperatur zu verbinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung näher beschrieben.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter den miteinander zu verschweißenden Werkstoffen 10 CrMo 9 10 und X 10 CrMoVNb 9 1 Stahllegierungen verstanden, die im wesentlichen den unter diesen Bezeichnungen definierten Legierungen der deutschen DIN-Norm entsprechen, also etwa folgende Zusammensetzung aufweisen (Schmelzenanalyse in Gewichts-%):

Die Erfindung sieht vor, für die Schmelzschweißverbindung von Werkstücken, die thermischen Belastungen ausgesetzt sind und eine hohe Zeitstandfestigkeit aufweisen müssen, also insbesondere von Heißdampfleitungen, die aus jeweils einem der beiden Werkstoffe hergestellt worden sind, als Schweißzusatzwerkstoff für die Mischverbindung zwischen den beiden werkstoffunterschiedlichen Werkstücken eine Legierung mit folgender Zusammensetzung zu verwenden (Gewichts-%):

C\|0,06-0,12%
Si	0,15-0,60%
Mn	0,30-1,0%
Cr	0,20-0,80%
Mo	0,30-1,10%
V	0,20-0,60%

Rest: Eisen und übliche Verunreinigungen.

Vorzugsweise werden die Anteile der Legierungselemente in folgender Weise weiter eingeschränkt:

C\|0,06-0,09%
Si	0,20-0,35%
Mn	0,60-0,80%
Cr	0,30-0,40%
Mo	0,80-1,00%
V	0,40-0,50%

In manchen Fällen empfiehlt es sich, zur Anhebung der Zeitstandfestigkeit des Schweißgutes und in diesem Zusammenhang auch zur Anhebung der zulässigen, im Bereich von etwa 700-740°C liegenden Obergrenze der Anlaßtemperatur einen Schweißzusatzwerkstoff zu verwenden, dem zusätzlich zu den vorgenannten Elementen 0,02-0,10% Nb und/oder 0,20-0,50% W zugesetzt worden ist. Die Anlaßbehandlung nach Durchführung der Schmelzschweißung richtet sich nach den Erfordernissen des artfremden Schweißgutes und sollte vorzugsweise bei etwa 720°C erfolgen. Die Anlaßdauer sollte mindestens etwa 0,5 Stunden betragen und kann zur Steigerung der Kerbschlagzähigkeit für manche Anwendungsfälle vorteilhaft auf bis zu 4 Stunden ausgedehnt werden.

Durch diese überraschend einfache und kostengünstige Maßnahme der gezielten Verwendung eines niedriglegierten Werkstoffs als Schweißzusatzwerkstoff lassen sich Werkstücke aus den beiden vorgenannten unterschiedlichen Werkstoffen problemlos miteinander verschweißen, ohne daß dabei unzulässige Verminderungen der Zeitstandfestigkeit unter den Einsatztemperaturbedingungen zu befürchten oder eine bei Raumtemperatur zu niedrige Zähigkeit in Kauf zu nehmen sind.

Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen zu verwendenden Schweißzusatzwerkstoffes näher erläutert. Die beiden Figuren zeigen:

Fig. 1 Kerbschlagzähigkeitswerte einer Schweißverbindung gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 2 Kerbschlagzähigkeitswerte einer erfindungsgemäßen Schweißverbindung.

In einem Vergleichsversuch wurden Proberohre aus dem Werkstoff X 10 CrMoVNb 9 1 mit Rohren aus dem Werkstoff 10 CrMo 9 10 verschweißt, wobei ein dem Werkstoff 10 CrMo 9 10 artgleicher Schweißzusatzwerkstoff eingesetzt wurde. Nach einem Anlassen bei ca. 740°C über eine Dauer von 2 Stunden ergaben sich für die in der Schemaskizze der Verbindungsstelle im oberen Teil des Diagramms in Fig. 1 dargestellten Probenentnahmestellen die ausgewiesenen Meßwerte. An der kritischsten Stelle (im Übergangsbereich der Schweißnaht zum Grundwerkstoff X 10 CrMoNbV 9 1) lag die Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur nur bei etwa 10 Joule. Unter Verwendung gleichartiger Proberohre wurden danach Schweißverbindungen hergestellt, bei denen der Schweißzusatzwerkstoffe eine dem Patentanspruch 1 entsprechende Zusammensetzung aufwies. Die so erzeugten Verbindungen wurden anschließend einer diesem Schweißgut angepaßten Anlaßbehandlung bei 720°C über eine Dauer von 2 Stunden unterzogen. Im unteren Teil der Fig. 2 ist in einer gegenüber Fig. 1 etwa abgewandelten Form schematisch die Schweißnaht mit den ausgewählten Probenentnahmestellen eingezeichnet. Die gefundenen Meßwerte der Kerbschlagarbeit für Proben aus Musterstücken, die in unterschiedlichen Positionen geschweißt wurden (Ü=über Kopf, S=senkrecht, Q=quer), sind über der Schemadarstellung ortsgerecht in ein Diagramm eingetragen. An der kritischsten Stelle, d. h. im Nahbereich zur Übergangsstelle des Schweißguts zum Grundwerkstoff X 10 CrMoNbV 9 1 lag der niedrigste gefundene Wert noch über 80 Joule, also etwa 8mal so hoch wie im Vergleichsbeispiel. Dieser bereits sehr gute Wert läßt sich durch Verlängerung der Anlaßzeit auf etwa 4 Stunden sogar noch weiter verbessern, wie durch den mit einem dicken Punkt und einem vertikalen Strich gekennzeichneten Bereich im Diagramm über der kritischsten Stelle verdeutlicht wird: Unter diesen Bedingungen steigt die Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur auf Werte von mindestens ca. 100-120 Joule an.

Die in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angestellten Voruntersuchungen an in üblicher Weise artgleich zu 10 CrMo 9 10 geschweißten und nachträglich angelassenen Verbindungen haben gezeigt, daß im Kerbschlagbiegeversuch die Rißinitiierung und Rißfortpflanzung immer in der entkohlten Zone und nicht etwa im aufgekohlten Karbidsaum auf der Seite des Werkstoffs X 10 CrMoVNb 9 1 erfolgten. Demnach stellen die durch die Anlaßbehandlung bewirkte Entkohlung und die Grobkörnigkeit des 10 CrMo 9 10-artgleichen Schweißgutes in dieser Zone die eigentliche Ursache für das schlechte Kerbschlagzähigkeitsverhalten bei Raumtemperatur dar. Es konnte weiter herausgefunden werden, daß die in der entkohlten Zone sichtbare Grobkörnigkeit identisch ist mit der Primärkornstruktur des Austenits vor der Martensitumwandlung während der Abkühlung nach dem Schweißen. Beim Anlassen findet nur insofern eine Veränderung der Kornstruktur statt, als infolge der Entkohlung die Lanzettenstruktur des Martensits verloren geht und somit Ferrit vorliegt.

Die erfindungsgemäße Verwendung basiert also auf der Überlegung, ein Schweißgut so zu legieren, daß es einerseits nicht martensitisch, sondern in feinkörnigen Ferrit umwandelt (was die Zähigkeitsverbesserung trotz nicht vermeidbarer Entkohlung bewirkt), und daß es andererseits nach der Anlaßbehandlung bei vorzugsweise 720°C ein Zeitstandfestigkeitsverhalten aufweist, das dem Werkstoff 10 CrMo 9 10 mindestens gleichwertig ist. Die niedrige Anlaßtemperatur von max. 720°C ist dabei insofern zulässig, als die beiden Grundwerkstoffe X 10 CrMoVNb 9 1 und 10 CrMo 9 10 danach ausreichende Zähigkeitseigenschaften in der Wärmeeinflußzone zeigen.

Claims

1. Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffs mit folgender Zusammensetzung (Gewichts-%): C|0,06-0,12% Si 0,15-0,60% Mn 0,30-1,0% Cr 0,20-0,80% Mo 0,30-1,10% V 0,40-0,60%

Rest: Eisen und übliche Verunreinigungenzur Verbindung von zwei thermisch belastbaren Werkstücken aus jeweils unterschiedlichen Stahlwerkstoffen durch Schweißen, wobei der eine Stahlwerkstoff die Güte 10 CrMo 9 10 und der andere Stahlwerkstoff die Güte X 10 CrMoVNb 9 1 aufweist und wobei nach dem Schweißen eine Anlaßbehandlung im Schweißnahtbereich bei 700-740°C durchgeführt wird.

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenbereiche der Legierungselemente des Schweißzusatzwerkstoffs wie folgt weiter eingeschränkt sind: C|0,06-0,09% Si 0,20-0,35% Mn 0,60-0,80% Cr 0,30-0,40% Mo 0,80-1,00% V 0,40-0,50%

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff zusätzlich 0,02-0,10% Nb enthält.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißzusatzwerkstoff zusätzlich 0,20-0,50% W enthält.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaß mindestens 0,5 Stunden und max. bis zu 4 Stunden beträgt.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßbehandlung bei max. 720°C durchgeführt wird.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für das Schweißen von Rohren für Hauptdampfleitungen von Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen gefeuert werden.