DE3034641C2

DE3034641C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Elektronenstrahlschweißen

Info

Publication number: DE3034641C2
Application number: DE3034641A
Authority: DE
Inventors: Christian Saint Gervais Bonnet; Claude Saint leu la Foret Carsac; Bruno de Paris Sivry
Original assignee: Compagnie Francaise des Petroles SA
Current assignee: Total Compagnie Francaise des Petroles SA
Priority date: 1979-09-14
Filing date: 1980-09-13
Publication date: 1984-05-17
Also published as: JPS5650793A; CA1164534A; IT8024601A0; NO152924B; NL182204C; ES8401352A1; IT1132812B; FR2464782B1; GB2075892A; US4430550A; GB2058638A; AU533503B2; NL182204B; NO802722L; NO152924C; US4358656A; BR8005799A; ES496710A0; DE3034641A1; ES8201867A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren zum Verbinden von zwei aus gleichartigem Material bestehenrjen Bauteilen, bei dem während des Schweißvorganges in dem einer Umschmelzung ausgesetzten Bereich ein die metallischen und metallurgischen Eigenschaften des Materials der Schweißstelle verbesserndes Zusatzmaterial zugegen ist.

Aus der DE-OS 26 34 342 ist ein Energiestrahlschweißverfahren zum Zusammenschweißen großer und dicker Werkstücke bekannt, bei denen die Trennfuge in größeren Toleranzbereichen schwankt, wobei zum Ausfüllen der Trennl'uge die Zuführungsgeschwindigkeit des Zusatzmaterials oder die Vorschubgeschwindigkeit der Werkstücke bezüglich des Energiestrahls in Abhängigkeit von der Fugenbreite geregelt .-"<lrd. Entsprechend der DE-OS 26 34 833 wird das beim Verschweißen breiter Trennfugen mittels eines Energiestrahles eingeführte Zusatzmaterial in der Weise verwendet, daß das auf verhältnismäßig hohe Temperaturen erhitzte Schmelzbad am Heraustließen aus der Trennfuge gehindert wird. Zu diesem Zweck erfolgt die Zuführung des aus Draht, Band oder Granulat bestehenden Zusatzmaterials mit solcher Orientierung und Geschwindigkeit in das Schmelzbad, daß ein Tel! des Zusatzmaterials im Schmelzbad schmilzt, ohne den Strahlbereich des Energiestrahls erreicht zu haben.

Man weiß, daß die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften einer im Rohzustand der Verfestigung, d. h. vor jeglicher Wärmebehandlung betrachteten Schweißstelle hinsichtlich der Zugfestigkeit, Härte oder Schlagfähigkeit sowohl von der chemischen Zusammen-Setzung der Schweißzone als auch vom thermischen Ablauf des Schweißvorganges abhängig sind. Bei Stahl ergeben sich optimale Kennwerte für Festigkeit und Schlagzähigkeit, wenn das Gefüge der Schmclzzone reich an nadelf'örmigem Ferrit ist. Der thermische Ablauf des Schweißvorganges wird vorwiegend vom Querschnitt der Schweißstelle bestimmt. Demnach hat letztlich die chemische Zusammensetzung des geschmolzenen Metalls bestimmenden Eintluß auf das Gefüge der Schweißstelle und in der Konsequenz auch auf deren mechanische

Eigenschaften. In diesem Zusammenhang ist auch nachgewiesen worden, daß Änderungen In den Leglerungsbestandteilen von Stahl, wie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom, Molybdän, Schwefel, Blei. Niob,

Vanadium, Bohr usw. nicht ausreichend geeignet sind, um in der Schmelzzone in nennenswertem Umfang nadeiförmiges Ferrit entstehen zu lassen.

Tatsächlich hat sich gezeigt, daß bei der Umformung von Austenit während des Abkühlens einer Schweißstelle die Bildung von nadeiförmigem Ferrit mit dem Vorhandensein gewisser feiner nicht-metallischer Einschlüsse zusammenhängt, die in der Masse verteilt und als Kristallkeime bei der Bildung von nadeiförmigem Ferrit wirksam sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren der eingangs angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß zum Zweck der Erzielung erhöhter Festigkeit- und Zähigkeitswerte im Gefüge der Schmelzzone die Bildung von nadeiförmigem Ferrit begünstigt wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Zusatzmaterial zuvor dadurch gewonnen wird, daß man an einem weichen oder leicht legierten Stab.! ei.". Lichtbogenschweißverfahren oder eine Umschmelzung unter Schlacke in der Weise durchfahrt, daß sein Sauerstoffgehalt in der Größenordnung zwischen 100 und 800 ppm liegt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß in Gegenwart von Sauerstoff in Mengen zwischen 100 und 800 ppm das Entstehen von Kristallkeimen in der Schweißzone während der Abkühlung begünstigt wird. Diese Sauerstoffgehalte lassen sich gewöhnlich antreffen in Schweißungen, die mit üblichen Lichtbogenschweißverfahren ausgeführt worden sind, bei Schweißung mit Hilfe ummantelter Drähte mit oder ohne Schutzgas, bei Schweißung mit ummantelten Elektroden, bei Plasmaschweißungen und dergleichen. Es hat sich herausgestellt, daß das Mikrogefüge von auf diese Art entstandenen Schweißzonen verhältnismäßig reich an nadeiförmigem Ferrit ist, und zwar auch für einen ausgedehnten Bereich verschiedenartiger thermischer Abläufe. Dagegen liegt der Sauerstoffgehalt in mit Elektronenstrahlsch./eißung hergestellten Schweißzonen niedriger, und man hat bei mikrografischen Untersuchungen solcher an Baustahl durchgeführten Schweißungen niemals nennenswerte Mengen nadeiförmigen Ferrits feststellen können.

Gemäß einer Durchführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Menge des Zusatzmaterials auf wenigstens einer Oberfläche wenigstens eines der miteinander zu verbindenden Bauteile durch Anwendung von Lichtbogenschweißung oder einer Umschmelzung unter Schlacke hergestellt und von dieser Menge wird eine Oberfläche bearbeitet, die einer Oberfläche des zweiten Bauteiles zum Verbinden zugeordnet ist.

Gemäß einer anderen Durchführungslbrm des erflndungsgemäßen Verfahrens wird eine Menge des Zusatzmaterials zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen befestigt, wobei der beim Elektronenstrahl-Schweißvorgang der Umschmelzung unterworfene Bereich die Gesamtheit dieser Menge einschließt.

Gemäß einer weiteren Durchführungsform des Verfahrens nach der Erfindung kann das Zusatzmaterial aus einem Aultragsdraht bestehen, der im Drahtziehverfahren ausgehend von einem durch Schmelzen, entweder unter Anwendung eines Lichtbogenschweißverfahrens oder eines Umschmelzverfahrens unter Schlacke gewonnenen Metallblock hergestellt worden ist und der während des Elektronenstrahl-Schweißvorganges zwischen die beiden zu verbindenden Bauteile eingeführt wird, deren einander gegenüberliegende Flächen zuvor bearbeitet worden sind.

Zur Durchführung des welter oben gekennzeichneten Verfahrens der Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen, deren einzelne Merkmale Gegenstand der Unteransprüche 5 bis 9 sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Anwendungsbeisplel des Verfahrens gemäß der Erfindung mit Auftragsschweißung auf einem der zu verbindenden Bauteile,

Fig. 2 ein anderes Anwendungsbeispiel mit Auftragsschweißung auf beiden der miteinander zu verbindenden Bauteile,

Fig. 3 ein weiteres Anwendungsbeispiel mit Einfügung eines Einsatzstückes aus Zusatzmaterial,

Fig.4 ein weiteres Anwendungsbeispie! unter Verwendung von erfindungsgemäß hergestelltem Draht als Auftragsmetall,

Fig. 5 drei Arbeitsstufen eines Anwendungsbeispiels bei der Verbindung von zwei Platten,

Fig. 6 drei Arbeitsstufen eines Anwendungsbeispiels für die Verbindung von zwei rohrförmigen Bauteilen und

Fig. 7 einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Durchführung des mit Aultragsdraht arbeitenden Verfahrens nach der Erfindung.

In den in F i g. I und 4 gezeigten Anwendungsbeispielen für das erfindungsgemäße Verfahren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei sind die mit Elektronenstrahlschweißung zu verbindenden beiden Bauteile mit 1 und 2 bezeichnet. Die in der Zeichenebene sichtbare gemeinsame Fläche der beiden zu verbindenden Bauteile ist mit 3 bezeichnet. Das mit einer unterbrochenen Linie 4 umrandete Feld deutet die Umschmelzzone an, in der die Elektronenstrahlschweißung durchgeführt wird. In Fig. 1 und 2 ist ein Metallauftrag 5 dargestellt, der unter Anwendung elne«v herkömmlichen Schweißverfahrens auf eine oder auf beide Oberflächen an der zu verbindenden Stelle der Bauteile aufgebracht worden ist.

Entsprechend F i g. 1 hat man beispielsweise schon bei der Fabrikation auf einer Oberfläche des Bauteils 1, die zur Oberfläche des anderen Bauteils 2 parallel verläuft, durch Lichtbogenschweißung eine Schweißiaupe 5 aufgebracht, worauf dieser Schweißauftrag entsprechend der Form der Oberfläche 3 bearbeitet worden ist, die hier eine Planfläche ist. Der Bauteil 2 ist an seiner gegenüberliegenden Fläche planbearbeitet und wird zum Zeitpunkt, wo die beiden Bauteile durch Elektronenstrahlschweißung miteinander zu verbinden sind, beispielsweise auf einer Baustelle, an den Bauteil 1 herangebracht. Die in dem Mitallauftrag 5 enthaltenen Kristallisationskeime begünstigen die Bildung von nadeiförmigem Ferrit in ausreichender Menge um die mechanischen j<id metallurgischen Eigenschaften der Schweißverbindung wesentlich zu verbessern. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Bauteil 2 genauso wie der Bauteil 1 schon bei der Fabrikation vorbearbeitet worden, und das Verbinden de/ Oberfläche 3 miteinander erfolgt auf der Baustelle durch Elektronenstrahlschweißung.

In Fig. 3 ist an der Stelle 6 eine Einlage dargestellt, die man aus einem zuvor durch Lichtbogenschweißung hergestellten Auftrag gefertigt hat. Erfindungsgemäß genügt es, diesen Einsatz zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen 1 und 2 zu befestigen und dann die Elektronenstrahlschweißung In dem beschriebenen Umschmelzungsbereich durchzuführen, der den gesamten Einsatz einschließt.

Fig. 4 zeigt eine Anwendung der Erfindung für den Fall, wo die beiden zu verbindenden Bauteile 1 und 2 nach sorgfältiger Vorbearbeitung unmittelbar miteinander In Berührung gebracht werden. Bei der Durchführung der Elektronenstrahlschweißung wird der Schweißstelle ein Draht zugeführt, der aus einem durch Lichtbogenschweißung hergestellten Metalluuftrag hergestellt worden ist, wobei das Metall des Drahtes die Funktion des Einsatzes 6 in Flg. 3 übernimmt, um die zur Bildung von nadeiförmigem Ferrit notwendigen Krlslailisatlonskeime in die Schweißstelle hineinzubringen.

Bei der in Fig. 5 perspektivisch dargestellten Ausführungslorm wird damit begonnen, auf einem ebenen Blech seitlich In der Nähe der einen Blechkante mittels eines üblichen Schweißverfahrens eine Schweißraupe aufzutragen. Anschließend wird von dem Material der Schweißraupe die Oberfläche bearbeitet, die dazu bestimmt ist, mitteis eines Elektronenstrahls verschweißt zu werden. In der Folge der Arbeitsschritte gelangt man somit zu einer ähnlichen Ausführungsform wie die der Fig. 1, wobei jedoch die vorbereitete Obertläche sich nur zu einem Teil im Bereich der Schweißraupe 5 befindet, jedoch andererseits auch von der gesamten Masse der Schweißraupe gebildet werden könnte.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung drei Arbeitsstufen für die Verbindung von zwei rohrförmigen Bauteilen. Ein erster rohrförmiger Bauteil 10 wird zunächst seitlich mit einer vorläufigen Schweißraupe 12 versehen, die mit Hilfe eines üblichen Lichtbogenschweißverfahrens hergestellt wird. Der Bauteil 10 wird danach im Bereich der Schweißraupe 12 so bearbeitet, daß eine Planfläche 13 entsteht, die der ebenfalls bearbeiteten Stirnfläche des zweiten rohrförmigen Bauelementes 11 gegenüberliegt. Anschließend werden beide Bauelemente gegeneinander geführt und aneinander anliegend Co

Al

gcuäiicfi, w'OFdüi, "ic ZüVöi", uic üicKiröricriSiFHiiiSCiiw'Cißung durchgeführt wird.

Nachfolgend ist ein praktisches Anwendungsbeispiel der Erfindung für ein Stahlblech angegeben. Eine mit Hilfe eines herkömmlichen Elektronenstrahl-Schweißveriahrens hergestellte Schweißstelle hat die folgende chemische Zusammensetzung:

C	SI	Mn S	P	Ni	Cr	Mo	Cu
0,071	0,26	0,53 0.006	0.034	0,21	0,034	0,25	0,004
Co	Al	B ppm Nb	Ti	V	Sn	Pb	O₂

0.011 0,16 6 0,040 0,010 0,067 0,001 0,008 -

Die Kerbschlagzähigkeit A'_r, bei -10⁼C zeigt für fünf Versuche einen Mittelwert von

2.6 ^daJ/cm².

Bei einem zweiten Versuch, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, entsprach die endgültige Zusammensetzung des Metalls an der Schweißstelle der folgenden Tabelle:

C Si Mn S P Ni Cr Mo Cu

0,079 0,27 1,64 0,009 0,033 0,17 0,032 0,37 0,70

B Nb Ti
ppm

Sn

Pb O.

0,015 0,015 8 0,028 0,009 0,050 0,002 0.010 0,0271

Bei diesem Material ergab sich aufgrund von zwei Versuchen die Kerbschlagzilhlgkelt bei -10° C zu einem Mittelwert von

178

Bei einem dritten Versuch entsprach das Material der Schweißstelle der In der nachfolgenden Tabelle angegebenen chemischen Zusammensetzung:

C	Si	Mn	S	P	Ni	Cr	Mo	Cu
0,069 20	0,32	1.74	0,009	0,030	0,18	0,060	0,35	0,044
Co	Al	B ppm	Nb	Ti	V	Sn	Pb

0,014 0,014 32 0,027 0,031 0,052 0,003 0,010 0,038

Für He Kerbschlagzähigkeit bei -10° C ergab sich hier ein Mittelwert von

26,3 «»J/cm^!.

In Fig. 7 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt, die zur Elektronenstrahlschweißung von zwei zylindrischen Bauteilen, beispielsweise zwei rohrförmigen Bauteilen, ausgebildet und angepaßt ist. An der Stelle 14 Ist eines der miteinander zu verbindenden rohrförmigen Bauteile im Schnitt in der Zeichenebene dargestellt. Man erkennt eine Elektronenkanone 15 und eine sich innerhalb des den Schweißbereich umgebenden Gefäßes erstreckende LeitungshQlse 16, durch die der Auftragsdraht 17 bis zur Schweißstelle hindurchgeführt ist, d. h. bis zur Auftreffstelle des Elektronenstrahls längs der Schweißnaht.

Das den Schweißbereich umgebende Gefäß 18 besteht aus einem Doppelmantel mit kreisringförmigem Quer-

⁴> schnitt, in dessen Innerem ein hoher Unterdruck herrscht. Der von dem Gefäß 18 umfaßte Innenraum 19, durch den sich die Rohrleitung 14 erstreckt, kann während des Schweißvorgangs ebenfalls unter Vakuum gesetzt werden.

Die Leitungshülse 16 enthält unter Abständen zueinander angeordnete Öffnungen 16a, über die sie mit dem im Inneren des Gefäßes 18 herrschenden Unterdruck in Verbindung steht, so daß unbeabsichtigterweise durch die Dichtung 20 eindringende Luft abgesaugt werden kann. Die Dichtung 20 ist an die Leitungshülse 16 und an den Außenmantel des Gefäßes 18 angeschlossen und sorgt für die abgedichtete Einführung des von der motorischen Drahtzuführungseinrichtung 21 ausgehenden Auftragsdrahtes 17. Die Dichtung 20 besitzt vorzugs-

weise eine einstellbare und insbesondere eine aufblasbare Bauart mit zwei Betriebszuständen, nämlich mit einem abdichtenden Betriebszustand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schweißvorgängen, während dessen der Auftragsdraht ohne Vorschub bleibt, und mit einem ge-

öffneten Betriebszustand während der Dauer eines Schweißvorganges.

Die Leitungshülse 16 ist hinter der Dichtung 20 mit einem verengten Durchgang versehen, der auf den

Durchmesser des Auftragsdrahtes 17 eingestellt Ist, um die Abdichtung In diesem Bereich zu verbessern. Eine zweite motorische Drahtzulührungselnrlchtung 22 nimmt den In der LeilungshUlse 16 herangeführten Auttragsdraht 17 auf und richtet Ihn gegen die Schweißstelle. Die zweite motorische Zul'Qhrungselnrlchtung 22 wird hinslch'/ch der Vorschubgeschwindigkeit von der ersten Zuführungselnrlchtung 21 aus gesteuert. Eine aufblasbare Dichtung 23 der gleichen Bauart wie die Dichtung 20 gewährleistet eine abgedichtete Durchführung des Aul'tragsdrahtes 17 im Bereich hinter der Zufuhrungseinrichtung 22 an den radial durch den Innenmantel des Gefäßes 18 hlndurchlührenden Auslaß. Die Bahn des Elektronenstrahls verlauft zwischen der

Elektronenkanone 15 und der Schweißstelle durch eine einziehbare Düse 24, die dem Strahl einen magnetischen Schutz bietet und gleichzeitig auch den Auftragsdraht 17 bis zur Auftreffstelle des Elektronenstrahls vor diesem abdeckt.

Anstelle einer einzigen Elektronenkanone 19 kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch mit mehreren Elektronenkanonen ausgestattet sein, die längs des Verlaufes der Schweißnaht unter Abständen verteilt angeordnet sind. Bei der Vorrichtung nach Flg. 7 wird das Gefäß 18 entsprechend der Richtung des eingezeichneten Pfeiles um die miteinander zu verbindenden Rohrabschnitte herum gedreht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahl-Schweißverfahren zum Verbinden von zwei aus gleichartigem Material bestehenden Bauteilen, bei dem während des Schweißvorganges in dem einer Umschmelzung ausgesetzten Bereich ein die metallischen und metallurgischen Eigenschaften des Materials der Schweißstelle verbesserndes Zusatzmaterial zugegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial (5) zuvor dadurch gewonnen wird, daß man an einem weichen oder leicht legierten Stahl ein Lichtbogen-Schweißverfahren oder eine Umschmelzung unter Schlacke in der Weise durchführt, daß sein Sauerstoffgehalt in der Größenordnung zwischen 100 und 800 ppm liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge des Zusatzmaterials (5) auf wenigstens «iner Oberfläche wenigstens eines der miteinander zu verbindenden Bauteile durch Anwendung von Lichtbogenschweißung oder einer Umschmelzung unter Schlacke hergestellt wird, und daß von dieser Menge eine Oberfläche (3) bearbeitet wird, die einer Oberfläche des zweiten Bauteils (2) zum Verbinden zugeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge des Zusatzmaterials (5) zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Bauteilen (1, 2) befestigt wird und daß der beim Elektronenstrahl-^>?chweißvorgang der Umschmelzung unterworfene Bereich die Gesamtheit dieser Menge einschließt (Fig. 3).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial aus einem Auftragsdraht besteht, der im Drahtziehverfahren ausgehend von einem durch Schmelzen, entweder unter Anwendung eines Lichtbogen-Schweißverfahrens oder eines Umschmelzverfahrens unter Schlacke gewonnenen Metallblock hergestellt worden ist und der während des Elektronenstrahl-Schweißvorganges zwischen die beiden zu verbindenden Bauteile eingeführt wird, deren einander gegenüberliegende Flächen zuvor bearbeitet worden sind. (Fig. 4).

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 beim Stumpfschweißen von zwei zylindrischen Bauteilen, mit einem im allgemeinen der Form eines doppelmanteligen Zylinders entsprechenden abgedichteten Gefäß, das unter einem erhöhten Vakuum steht und wenigstens eine Elektronenkanone und eine Zuführungseinrichtung für Aultragsdraht enthält, wobei die zylindrischen Bauteile in dem von dem Gefäß umgebenen radKil inneren Bereich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich durch das Gefäß (18) erstreckende Leitungshülse (16) zur Aufnahme und Führung des aus Zusatzmaterial bestehenden AuI-tragsdrahtes (17) vorgesehen ist, die sich zwischen einem Im Außenmantel des Gefäßes angeordneten Eingang und einen Im Innenmantel des Gefäßes vorgesehenen Ausgang erstreckt und mit Hilfe abgedichteter Durchführungen (20, 23) an dem Eingang sowie an dem Ausgang befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eingang für den Aultragsdraht (17) In das Gefäß (18) eine motorisch angetriebene erste Drahtzuführungseinrichtung (21) und vor dem Ausgang Im Gefäß eine motorisch angetriebene zweite Drahtlührungseinrlchtung (22) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungshülse (16) unter Abstand angeordnete, seitliche Öffnungen (16a) enthält, die mit dem im Innern des Doppelmantels des Gefäßes herrschenden Unterdruck in Verbindung stehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungihülse (16) über eine bestimmte Länge einen verengten Querschnitt aufweist, der zur Abdichtung des Gefäßes (18) dem Querschnitt des Auftragsdrahtes (17) angepaßt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Elektronenkanone (15) eine versenkbare Düse (24) zum Schutz des Elektronenstrahls gegen parasitäre Magnetfelder angeordnet ist.