Vorlesung Schweißmetallurgie Zusatzwerkstoffe Verfahren, Einteilung, Normung

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1 Vorlesung Schweißmetallurgie Zusatzwerkstoffe Verfahren, Einteilung, Normung Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel 1

2 Einführung Schwerpunkte & Gliederung Einführung Grundlagen der Schweißmetallurgie Schweißen von Baustählen / Feinkornbaustählen Grundwerkstoffe Herstellung, Normung, Prüfung Überblick Lichtbogenhandschweißen umhüllte Stabelektroden Schutzgasschweißen Gase und Drähte für das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) Schutzgasschweißen Gase und Stäbe für das WoIfram-Inert-Gas-Schweißen (WIG) Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver Schweißzusätze für Stähle mit R e > 500 MPa bzw. R m > 570 MPa Entstehende Schweißgüter und fertigungstechnische Hinweise Schweißen nichtrostender Stähle Schweißen von Eisengusswerkstoffen Schweißen von Aluminium 2

3 Überblick lange Zeit keine einheitliche, konsistente Normung zu Schweißzusatzwerkstoffen werkstoffbezogen: Zusatzwerkstoffe für bestimmte Werkstoffe / Werkstoffgruppen verfahrensbezogen: Zusatzwerkstoffe zugeordnet zu speziellen Schweißverfahren Vereinfachung für Bezeichnung nach einheitlichem System Zusatzwerkstoffe für alle Lichtbogen-Schweißverfahren und Stähle bis R eh < 500 MPa europäische Harmonisierung seit den 1990er Jahren Zusatzwerkstoffnormen seitdem im werkstoffbezogenen Konzept Kohabitationsprinzip A: Angabe nach Streckgrenze und durchschnittlicher Kerbschlagarbeit von 47 J B: Angabe nach Zugfestigkeit und durchschnittlicher Kerbschlagarbeit von 27 J Schweißhilfsstoffe wie Schutzgase, Schweißpulver in separaten Normen chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffs entspricht meist Grundwerkstoff Schweißgut artgleich oder mind. artähnlich Ausnahmen auf Grund metallurgischer Verträglichkeit artfremde Zusatzwerkstoffe z.b. Auftragsschweißungen, Verbindungsschweißungen unterschiedlicher Werkstoffe, verschiedene nichteisenmetallische Werkstoffe 3

4 Überblick häufig Vergleich der Reaktionen / Gütewerte beim Schweißen mit Werkstoffherstellung z.b. hinsichtlich Erschmelzung, Desoxidation, Legierung, Raffination Stahl nur zulässig unter Beachtung der sehr stark unterschiedlichen Reaktionsbedingungen Reaktionstemperaturen viel höher Reaktionszeiten deutlich geringer unterschiedliche Reaktionsbedingungen Stahlherstellung mit Sekundärmetallurgie typischerweise einige zehn Minuten spezifische Besonderheit des Schweißprozesses punktförmige Wärmequelle und große Leistungsdichte hohe Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten Desoxidation und Legieren innerhalb einiger Sekunden notwendig Reaktionstemperaturen um einige hundert Grad höher als bei Stahlherstellung (umhüllte Elektroden 5000 bis 6000 K) Temperaturerhöhung Ionisierung: fest flüssig gasförmig Plasma Lichtbogen: selbstständige Gasentladung mit Strömen bis 1500 A und Spannungen bis 50 V Stromfluss über Gassäule: Hochtemperaturplasma erzeugt Wärmeenergie für örtliches Verbinden / Trennen bei Anlegen einer hohen Spannung: zunehmende Feldemission Stoßionisation hauptsächlich verwendet in Verbindung mit (nicht-)abschmelzenden Elektroden und Plasmabrennern 4

5 Lichtbogenhandschweißen umhüllte Stabelektroden umhüllte Stabelektroden für Lichtbogenhandschweißen genormt in DIN EN ISO 2560 verfahrenstechnische Gründe z.b. leichteres Zünden, stabiler Lichtbogen metallurgische Eigenschaften z.b. bessere Eigenschaften SG, Heißrissvermeidung, Reduktion Poren und Gase Umhüllung wird um Kernstab gepresst Pressmantelektroden sehr schädigende Wirkung dissoziierter bzw. ionisierter Feuchtigkeit (Entstehung im Lichtbogenraum) Trocknung bei verschiedenen Temperaturen vor Verpackung zur Vermeidung saure / rutil-saure Elektroden: ca. 100 C basische Elektroden: ca. 350 C Elektrode besteht aus Kern, Kernstab, Umhüllung bei unlegierten Stählen Zusammensetzung des Kerns ähnlich Begrenzung Gehalte C, S und P auf sehr niedrige Werte: C 0,1 %; S 0,03 %, P 0,02 % Bezeichnung v.a. nach chemischer Charakteristik, Anwendung (Verbindungs-, Auftragsschweißen) und z.t. nach Umhüllungsdicke (meist nicht explizit) 5

6 Lichtbogenhandschweißen umhüllte Stabelektroden Einfluss Umhüllungsdicke auf Schweißeigenschaften des SG und Gütewerte zunehmende Umhüllungsdicke: metallurgische Reaktionen wie Legieren, Entschwefeln, Desoxidation laufen vollständiger ab verbesserte Gütewerte (insbesondere Zähigkeit) erhöhter Gasschutz zunehmende Wärmemenge aus exothermen Verbrennungen Mn, Si Viskosität der Schmelze nimmt ab Schweißgut zunehmend dünnflüssiger: schlechtere Verschweißbarkeit in Zwangslagen Aufgaben der Elektrodenumhüllung Stabilisierung des Lichtbogens z.b. durch Zugabe von Salzen der Alkalien Na, K sowie Erdalkalien Ca, Ba Erhöhung der Ladungsträgerzahl im Lichtbogen Verbesserung der Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke leichteres Zünden und Brennen des Lichtbogens Bilden eines Schutzgasstroms Schutz vor Atmosphäre starker Abbrand Legierungselemente, Aufnahme von Gasen, Verschlechterung der mechanischen Gütewerte Schmelzen und Verdampfen der Umhüllung schützende Gasatmosphäre z.b. CaCO 3 CaO + CO 2 enthalten unterschiedliche Mengen Wasser als Gleitmittel bei Herstellung Aufspaltung im Lichtbogen 6

7 Lichtbogenhandschweißen umhüllte Stabelektroden Bildung einer metallurgisch wirksamen Schlacke Schlackefilm schützt schmelzflüssigen Werkstoff vor Luftzutritt: Auflegieren / Desoxidation durch feinverteilte Vorlegierungen in Umhüllung Begrenzung S, P, O, N und anderer Verunreinigungen, um Einfluss auf Gütewerte zu minimieren (analog zu Stahlherstellung) Entgasen und Entschlacken werden erleichtert durch flüssige, schlecht wärmeleitende Schlackendecke verringert Abkühlgeschwindigkeit / Härtespitzen in WEZ Gehalt an O bestimmt in großem Umfang Viskosität der Schmelze Stützen der Schlackendecke und Reduktion der Kerbenentstehung Zuführung der Legierungselemente über Kernstab oder Umhüllung Kernstablegierung v.a. bei hochlegierten Stählen (homogene Schmelze) metallurgische Reaktion an Phasengrenze Schlacke / flüssiger Metalltropfen Teil der zugeführten Elemente geht verloren durch Verdampfen im Lichtbogenraum Anteil nimmt mit abnehmender Verdampfungs- bzw. Schmelztemperatur zu Verschlacken sauerstoffaffiner Elemente z.b. B, Ti, Zr, Al in meist sauerstoffhaltigen Lichtbogenatmosphäre Reduktion wenig stabiler Verbindungen z.b. MnO: Stören des Legierungshaushalts zunehmender Abbrand bei höherer Sauerstoffaffinität Oxidationsvorgänge: durch freien Sauerstoff: 1: Fe + O FeO 1: Mn + O MnO durch oxidische Schlacken: 2: SiO Cr 2 CrO + Si 1: Fe 2 O 3 + Fe 3 Fe Desoxidations- und Legierungsvorgänge: durch Kohlenstoff: 3: FeO + C Fe + CO durch oxidische Schlacken: 4: SiO Fe 2 FeO + Si 4: MnO + Fe FeO + Mn 5: MeO + Fe FeO + Me 7

8 Lichtbogenhandschweißen umhüllte Stabelektroden Grundtypen: abhängig von Metalltropfen einfilmender Schlacke: sauer-umhüllt A: hohe Anteile Schwermetalloxide Fe 3 O 4, SiO 2, Ferromangan verunreinigungsarme Werkstoffe / dünnwandige, geringer beanspruchte Bauteile rutil-umhüllt R: Hauptbestandteil TiO 2, RA als weiterer Grundtyp Schweißen von Wurzellagen (dickflüssigeres SG) basisch-umhüllt B: ca. 80 % CaO und CaF 2 hervorragend geeignet für Schweißungen an vergüteten Feinkornbaustählen zellulose-umhüllt C: hoher Anteil Zellulose Fallnahtposition (z.b. Pipelines): geringe Schlackeausbringung, hoher Einbrand schnelles wirtschaftliches Verfahren, aber hohe Belastung (Spritzen, Rauch) chemisches Verhalten der geschmolzenen Elektrodenumhüllungen sauer, neutral oder basisch Verbindungen S, P: sauer basische Umhüllungen mit sehr verunreinigungsarmen, zähen SG Einteilung der Umhüllungsbestandteile nach chemischem Verhalten 8

9 Lichtbogenhandschweißen umhüllte Stabelektroden 9

10 Lichtbogenhandschweißen umhüllte Stabelektroden H setzt Zähigkeit am stärksten herab kritisch v.a. bei hochfesten Feinkornbaustählen Kenntnis der Wasserstoffquellen und Vermeidung durch Trocknung Voraussetzung für kaltrissfreie Schweißung Gesamtfeuchtigkeit der Umhüllung: Summe aus Ausgangs- und Umgebungsfeuchtigkeit Ausgangsfeuchtigkeit (fertigungstechnisch nicht vermeidbar) z.b. Bindemittel Wasserglas Feuchtigkeit vor Verpacken Umgebungsfeuchtigkeit von Wasserstoffpartialdruck (relative Feuchte, Temperatur) abhängig umhüllungs- und zeitabhängige Aufnahme Aufnahme auch durch äußere Quellen z.b. Ziehfette (Stäbe, Drähte, Öle), Verkupferung qualitätsbestimmende Eigenschaften basisch-umhüllter Stabelektroden diffusibler Wasserstoffgehalt im Schweißgut: Bestimmung in DIN EN ISO 3690 beschrieben Feuchteresistenz (Aufnahme von Feuchtigkeit während Lagerung): Ermittlung in DIN EN ISO beschrieben Messung von H im Normklima nicht ausreichend, da Aufnahme von klimatischen Bedingungen abhängt - DIN EN ISO 2560 E Ni B 5 4 H5 - verbindlich unverbindlich E: Lichtbogenhandschweißen 46: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) 3: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 30 C 1 Ni: chemische Zusammensetzung B: basisch-umhüllte Stabelektrode 5: Kennziffer für Ausbringung und Stromart 4: Kennziffer für empfohlene Schweißposition (Stump- / Kehlnähte in Wannenposition) H5: Kennzeichen für wasserstoffkontrollierte Elektroden (diffusibler Wasserstoff in cm³ / 100 g) 10

11 C1 Schutzgasschweißen Gase und Drähte für das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) Art / Zusammensetzung der Schutzgase (aktiv / inert): metallurgisches Verhalten Abbrand, oxidische Einschlüsse beeinflussen Erstarrungsbedingungen, Wechselwirkungen Grundwerkstoff metallphysikalisches Verhalten Werkstoffübergang, Tropfengröße, -zahl, -viskosität, Lichtbogenform U I : Aufwand, ein Elektron aus neutralem Atom zu entfernen Zünden erleichtert, wenn gering Stabilität des Lichtbogens erhöht geringe radiale Wärmeleitfähigkeit bei Ar: fingerförmiger Primäreinbrand / breiter Sekundäreinbrand gleichmäßigere Verteilung bei Erhöhung der Leitfähigkeit mehratomige Gase: freiwerdende Wärme durch Rekombination an Oberfläche Zusätze von O 2 / CO 2 M21 stabilisieren Lichtbogen verringern Viskosität der Schmelze Abbrand O-affiner Elemente ( Cr, Al, V, Mn) Mikroschlacken, Poren (Zugabe Mn, Si) steigt mit zunehmendem Anteil Aktivgase bei hohen Legierungsmengen beachten Gas Ionisierungsspannung U I in ev Ar 15,7 0,018 He 24,5 0,15 H 2 13,5 0,18 CO 2 14,4 0,016 N 2 14,5 0,026 O 2 13,2 0,026 Wärmeleitfähigkeit λ in W / (mk) 11

12 Schutzgasschweißen Gase und Drähte für das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) 12

13 Schutzgasschweißen Gase und Drähte für das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) Dissoziation des CO 2 im Lichtbogen erforderliche Energie Q D1 wird Lichtbogen entnommen und CO entsteht: CO 2 CO + 0,5 O 2 + Q D1 anschließend weitere Dissoziation durch hohe Lichtbogentemperaturen: CO C + O + Q D2 enthält metallurgisches System SG + C +CO wenig Kohlenstoff: Aufkohlung durch zunehmenden Zerfall von CO insbesondere bei CrNi-Stählen von Bedeutung (Korrosionsbeständigkeit sinkt!) Wahl der Massivdrahtelektroden nach DIN EN ISO an Grundwerkstoff anpassen: artgleiche / artähnliche Drahtelektrode zunehmende Legierungs- / Desoxidationsmittelmenge bei zunehmender Aktivität des Schutzgases (CO 2, O 2 ) G: Drahtelektrode und / oder Schweißgut MSG 46: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) und Bruchdehnung 5: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 50 C M21: verwendetes Schutzgas (Mischgas) 3Si1: chemische Zusammensetzung Wahl der Fülldrahtelektroden nach DIN EN ISO CO 2, Mischgase oder schutzgaslos Stahlmantel (Röhrchen- oder gefalzter Draht) verschiedene Füllsysteme (vgl. Stabelektroden) - DIN EN ISO A-G 46 5 M21 3Si1-13

14 Schutzgasschweißen Gase und Drähte für das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) - DIN EN ISO A-T Ni B M21 1 H5 - verbindlich T: Fülldrahtelektrode für MSG 46: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) 3: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 30 C unverbindlich 1Ni: chemische Zusammensetzung (1,1% Mn;1,0 % Ni) B: basische Füllung M21: verwendetes Schutzgas (Mischgas) 1: für alle Positionen geeignet H5: diffusibler Wasserstoff 5 cm³ / 100 g 14

15 Schutzgasschweißen Gase und Stäbe für das WoIfram-Inert-Gas-Schweißen (WIG) vollkommener Schutz der Schmelze unter inerten Gasen ISO I1, I2, I3: Ar und He sowie deren Gemische metallurgische Qualität und Gütewerte hervorragend, wenn vollständige Entfernung aller Verunreinigungen im Schweißbereich erfolgt Lichtbogen im Edelgasstrom als reine Wärmequelle keine Dämpfe, Schlacken, sonstige Verunreinigungen weitgehend frei von Turbulenzen, wenn fachgerecht ausgeführt Schweißstab wird von Hand zugeführt außerordentliche Sauberkeit erforderlich erheblich geringere Mengen Mn, Si als bei anderen Verfahren keine zusätzliche Reinigungsvorgänge wie z.b. durch Umhüllungen (Lichtbogenhandschweißen), Draht-Pulver-Kombination (UP-Schweißen) - DIN EN ISO 636-A-W Si1 - W: Stab / Draht und / oder Schweißgut WIG 46: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) und Bruchdehnung 3: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 30 C 3Si1: chemische Zusammensetzung Angabe des Schutzgases entfällt, da ausschließlich Verwendung von ISO I1, I2, I3 bei Unklarheiten wird I1 empfohlen 15

16 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver Drahtelektrode und Schweißpulver müssen für jeweilige Schweißaufgabe gewählt werden Einfluss auf Zusammensetzung / Gütewerte metallurgische Wirksamkeit der gewählten Draht- / Pulverkombination bestimmt Metallurgie der Legierungs-, Desoxidations-, Oxidationsvorgänge, Entschwefelungsvorgang und Porenfreiheit des Schweißguts Pulverabdeckung: Stickstoffgehalt sehr gering, Sauerstoffgehalt von Pulvercharakteristik (sauer, basisch, neutral), Wasserstoffgehalt von Trocknung des Pulvers abhängig Anteil aufgeschmolzenen Grundwerkstoffs bei Verbindungsschweißungen 60 % bis 70 % Gehalt an Verunreinigungen beeinflusst Zähigkeit des Schweißguts und Heißrissanfälligkeit verbindlich Abkühlbedingungen abhängig von Nahtaufbau, Einstellwerten, Werkstückdicke und temperatur Abkühlgeschwindigkeiten i.d.r. klein Gefahr der Porenbildung gering Kaltrissanfälligkeit beachten, wenn Pulver nicht ordnungsgemäß getrocknet Massiv- und Fülldrahtelektroden, Draht-Pulver Kombinationen in DIN EN ISO genormt - DIN EN ISO A-S 46 3 AB S2 H5 - - DIN EN ISO A-S 4T 2 AB S2Mo H5 - S: Draht-Pulver-Kombination für UP-Schweißen 46: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) und Bruchdehnung als Mehrlagen-Schweißung (Schweißgut) 3/2: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 30 C / 20 C AB: Aluminat-Basisches Schweißpulver S2/-Mo: chemische Zusammensetzung 4T: Mindeststreckgrenze des Grundwerkstoffs von 420 MPa und Mindestzugfestigkeit des unverbindlich Schweißguts von 520 MPa bei Lage / Gegenlage-Schweißung H5: diffusibler Wasserstoff 5 cm³ / 100 g 16

17 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver - DIN EN ISO A-S 42 2 AB T3Mo - S: Draht-Pulver-Kombination für UP-Schweißen 42: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) und Bruchdehnung als Mehrlagen-Schweißung (Schweißgut) 2: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 20 C AB: Aluminat-Basisches Schweißpulver T3Mo: chemische Zusammensetzung des Fülldrahts Einteilung nach Mn-Gehalt S1 S2 S3 S4 Sicherung des UP-Schweißguts gegen Heißrisse wichtige Forderung für Schweißverbindung abhängig von Draht-Pulver-Kombination Silicium-Zubrand (Zähigkeitsverlust beachten) Draht sollte fettfrei sein, sonst metallurgische Probleme wie Gasbildung und Abbrand von Legierungselementen 17

18 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver Auswahl der Pulver nach DIN EN ISO metallurgisches Verhalten abhängig von Schweißparametern, chemischer Zusammensetzung (Wirksamkeit) und mineralogischem Aufbau 18

19 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver Schweißgutzusammensetzung von Einlagenschweißungen Anteil aufgeschmolzenen Grundwerkstoffs stark unterschiedlich Größe des Öffnungswinkels und Einbrandverhältnisse Zunahme des Aufschmelzgrads A Abnahme Reinheitsgrad und mechanische Gütewerte Schweißverfahren mit großvolumigen Schmelzbädern nur bedingt für Einlagenschweißungen geeignet bei Mehrlagenschweißung fast ausschließlich Draht-Pulver-Kombination bestimmend übergeordnete Einteilung der Pulver nach DIN EN ISO gemäß Herstellung F: erschmolzenes Pulver (en: fused) erschmolzen und gekörnt A: agglomeriertes Pulver (en: agglomerated) gebundene, körnige Gemische aus feineren Rohstoffen M: Mischpulver (en: mixed) mit anderen Pulvern / Bestandteilen gemischt Legierungsverhalten durch Zu- / Abbrand gekennzeichnet Differenz Gehalt Legierungselemente Schweißgut / Zusatzwerkstoff I-Naht V-Naht 19

20 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver Pulverklassen nach Verwendungszweck: Pulverklasse Ziffern / Reihenfolge der Elemente und Zusammensetzung Anwendungsbereich 1 2 und 2B 3 Zu- / Abbrand mit Kennziffern gekennzeichnet (Verwendung S2-Elektrode) Angabe von Zu- / Abbrand Si, Mn in dieser Reihenfolge außer Mn, Si keine Legierungselemente, so dass Zusammensetzung SG durch Zusammensetzung Draht / Band und Reaktionen bestimmt Können Legierungselemente zur Kompensation des Abbrand enthalten Zu- / Abbrand mit Kennziffern und Elementen (z.b. Cr) nach Tabelle in ISO Zubrand von Legierungselementen C, Cr, Mo Angabe Zubrand durch Kennziffer und Element mit Gehalt (ohne %) Verbindungs- (Ein- / Lage-Gegenlage / Mehrlagentechnik) und Auftragschweißen un- und niedriglegierter Stähle Verbindungs- und Auftragschweißungen (Bandplattieren 2B) nichtrostender und hitzebeständiger, Cr-, Cr-Ni- Stähle sowie Ni und Ni-Basislegierungen Hartauftragschweißen mit verschleißfestem Schweißgut 4 Angabe d. Zubrands von Legierungselementen durch chemische Symbole andere Schweißpulver z.b. für Cu-Legierungen üblicherweise nur Verwendung wasserstoffkontrollierter Pulver mit Kennzeichnung H5 für das Schweißen höherfester / höhergekohlter Stähle - DIN EN ISO S F CS 1 67 AC H10 - verbindlich unverbindlich S: Pulver zum UP-Schweißen F: durch Erschmelzen hergestelltes Pulver CS: Pulvertyp Calcium-Silikat 1: Pulverklasse 1 67: Zubrand von 0,2 % Si (6) und 0,4 % Mn (7) AC: Stromart, geeignet für Wechselstrom oder Gleichstrom H10: diffusibler Wasserstoff 10 cm³ / 100 g 20

21 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver Erschmolzene Pulver (F) Hauptbestandteile Oxide der Elemente Al, Ba, Ca, K, Mn, Na, Zr werden zerkleinert, geschmolzen glasartige Schmelze wird danach körnig gemacht und gesiebt Pulver sind Vielstoffsysteme chemische Reaktion des gesamten Pulvers und nicht der Bestandteile Schmelztemperatur oberhalb des am höchsten schmelzenden Werkstoffs Teil des Reaktionsvermögens des Pulvers geht verloren keine Zugabe temperaturempfindlicher Stoffe (viele Legierungselemente) möglich Verwendung eher für un- und niedriglegierte Stähle geringe Neigung zur Feuchtigkeitsabsorption aber Beachtung adsorptiver Feuchteaufnahme der Gesamtoberfläche geringe Neigung zur Entmischung und geringer Abrieb (glasartige Struktur) Agglomerierte Pulver (A) feinstgemahlene Bestandteile und Bindemittel, welche bei 50 bis 80 C gemischt und vereinigt werden Schmelztemperatur des am niedrigsten schmelzenden Bestandteils wird nicht überschritten heterogene Substanzen mit hoher Reaktivität der Bestandteile wirtschaftliche Zugabe Legierungselemente / Desoxidationsmittel bevorzugt geeignet zum Schweißen legierter Stähle poröse Teilchenoberfläche neigt zur Feuchtigkeitsaufnahme Bindemittel Wasserglas enthält chemisch gebundenes Kristallwasser Trocknen ist immer erforderlich (typisch 300 C bis 500 C) ca. 0,02 % Wassergehalt im Pulver typische Wasserstoffgehalte von 3 bis 4 ppm im Schweißgut 21

22 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver metallurgische Wirksamkeit beim UP-Schweißen durch Wahl der verschiedenen Pulversorten und Drahtelektroden in weiten Bereichen einstellbar theoretische Abschätzung meist mittels Basizitätsgrad (Bestandteile in Ma%) basisch wirkend B = CaO + MgO + BaO + Na 2O + K 2 O SiO 2 + 0,5 Al 2 O 3 + TiO 2 + ZrO 2 + Li 2 O + CaF 2 + 0,5 MnO + FeO SiO 2 + 0,5 Al 2 O 3 + TiO 2 + ZrO 2 sauer wirkend auf chemischer Wirksamkeit beruhende Einteilung der Schweißpulver B > 1: basisch B > 0: basisch B 1: neutral B 0: neutral B < 1: sauer B < 0: sauer alternativ Basizitätsindex BI nach Mori nahezu metallurgisches Gleichgewicht BI = 6,05 CaO + 4,80 MnO + 4,00 MgO + 3,40 FeO 6,31 SiO 2 4,97 TiO 2 0,2 Al 2 O 3 hohe Schmelzbadtemperaturen statt chemischer Reaktionen häufig Ionenreaktionen Beschreibung des Sauerstoffpotenzials vermehrte Abspaltung von Sauerstoff im Lichtbogen durch saure Komponenten und geringere Stabilität z.b. SiO 2 Entstehung und Einlagerung von Oxiden im Schweißgut in Abhängigkeit des Basizitätsgrads (Menge, Art, Verteilung) Reinheit des Schweißguts nimmt zu, wenn B steigt saure Pulver: hohe Schmelzenviskosität mit gutem Nahtaussehen, aber schlechteren mechanischen Eigenschaften 22

23 Unterpulverschweißen (UP) Drahtelektroden und Schweißpulver GW + Zubrand = neutrales Verhalten exakte Einstellung Schematischer Zu- und Abbrand mit verschiedenen Schweißpulvern in Abhängigkeit vom Mn-Gehalt der Drahtelektroden (exakte Einstellung empirisch) Verfahren siehe DVS-Merkblatt Legierungsverhalten: Bestimmung aus Auftragschweißen und Spanentnahme aus oberster Lage entspricht weitestgehend Zusammensetzung des reinen Schweißguts neutrales Verhalten nur bei entsprechender Draht-Pulver-Kombination Einfluss Parameter U, I von großer Bedeutung Zu- / Abbrand geringer bei steigender Stromstärke (geringere Viskosität sowie Tropfengröße) Lichtbogenlänge (Reaktionszeit / Verweildauer im Lichtbogenraum) höher mit zunehmender Spannung Zu- / Abbrand größer metallurgisches Verhalten von Reaktionszeit / Lichtbogen- länge l B bestimmt l B = k 1 U + k 2 1 I Änderung Tropfengröße und der Aufenthaltsdauer im Lichtbogenraum Einfluss von I bzw. U auf Mn-Zu- und Abbrand bei a, c) Mn-zubrennenden (MnO-haltig) und b, d) Mn-abrennenden (MnO-frei) Schweißpulvern 23

24 Schweißzusätze für Stähle mit R e > 500 MPa bzw. R m > 570 MPa umhüllte Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen hochfester Stähle DIN EN ISO Kennzeichen T: Eigenschaften bei spannungsarmgeglühtem Zustand - DIN EN ISO A - E 62 7 Mn1Ni B 3 4 H5 - verbindlich Drahtelektroden, Drähte, Stäbe und Schweißgut zum Schutzgasschweißen von hochfesten Stählen DIN EN ISO DIN EN ISO A G 62 6 M21 Mn4Ni1Mo - verbindlich WIG - DIN EN ISO A W 55 6 I1 Mn4Ni1Mo T - Massivdrahtelektroden, Fülldrahtelektroden und Draht-Pulver-Kombinationen zum Unterpulverschweißen von hochfesten Stählen DIN EN ISO DIN EN ISO A - S 62 4 AB S2Ni2Mo H5 - E: Lichtbogenhandschweißen 62: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) 7: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 70 C Mn1Ni: ca. 1,8 % Mn und 0,6 % Ni B: basisch-umhüllte Stabelektrode 5: Kennziffer Ausbringung und Stromart 4: Kennziffer Schweißposition H5: diffusibler Wasserstoff in cm³ / 100 g unverbindlich G / W: Schweißgut MSG / WIG 62 / 55: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) 6: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 60 C M21 / I1: Schutzgas (Mischgas / Ar) Mn4Ni1Mo: ca. 1,9 % Mn, 1 % Ni und 0,4 % Mo T: geprüft im wärmenachbehandelten Zustand MSG unverbindlich S: Draht-Pulver-Kombination UP 62: Mindeststreckgrenze (Faktor 10) 4: Kerbschlagarbeit von 47 J bei 40 C AB: Aluminat-Basisches Schweißpulver S2Ni2Mo: ca. 1,2 % Mn, 2,2 % Ni und 0,5 % Mo H5: diffusibler Wasserstoff 5 cm³ / 100 g 24