DE19882488B4

DE19882488B4 - Höchst-feste Cryo Schweisskonstruktionen

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Publication number: DE19882488B4
Application number: DE19882488T
Authority: DE
Inventors: Douglas P. Sugar Land Fairchild
Original assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2018-06-19
Also published as: EG22049A; DK199901825A; MY118794A; NZ502045A; AR015124A1; KR20010014026A; AU8152298A; SE520133C2; DK176042B1; WO1998058758A1; IL133330A0; IL133330A; JP2001508705A; NO318671B1; RO120535B1; KR100358826B1; AT410418B; CZ295944B6; AU733606B2; EP1017531B1

Abstract

Verfahren zum Schweißen eines Basismetalls zum Erzeugen einer Schweißkonstruktion mit einer Zugfestigkeit von mehr als 900 MPa (130 ksi), derart, dass das Verfahren folgenden Schritt enthält:
(i) Schweißen unter Einsatz eines Schutzgasschweißprozesses mit einem Argon-basierten Schutzgas und einem selbstverzehrenden Schweißdraht, der ein Schweißmetall mit Eisen und folgenden Legierungselementen erzeugt:. 0.06 Gew.% bis 0.10 Gew.% Kohlenstoff; 1.60 Gew.% bis 2.05% Mangan; 0.20 Gew.% bis 0.32 Silizium; 1.87 Gew.% bis 6.00 Nickel; 0.30 Gew.% bis 0.87 Chrom; und 0.40 Gew.% bis 0.56 Molybdän, wobei

das Schweißmetall eine Rißhaltetemperatur von weniger als –73°C (–100°F) mit einer feinkörnigen körperzentrierten kubischen Kristallstruktur von mindestens 50 Volumenprozent selbsttemperiertem Maschenmartensit und weniger als 250 nicht-metallische Einschlüssen mit einer Größe von mehr als 1000 nm im Durchmesser pro mm2 gemessen an der Oberfläche einer Scheibe des Schweißmetalls aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von höchstfesten Schweißkonstruktionen mit Schweißmetallen mit exzellenter Cryo-Temperatur-Bruchfestigkeit. Insbesondere betrifft diese Erfindung Verfahren zum Herstellen höchstfester Schweißkonstruktionen mit Schweißmetallen mit exzellenter Cryo-Temperatur-Bruchfestigkeit für höchst-feste niederlegierte Stähle.

Zahlreiche Begriffe werden in der folgenden Beschreibung definiert. Aus Gründen der Einfachheit, wir hier ein Glossar der Begriffe angefügt, unmittelbar vor den Patentansprüchen.

Oft besteht eine Anforderung zum Speichern und Transportieren von komprimierten flüchtigen Fluiden bei Cryo-Temperaturen, d.h. bei Temperaturen von weniger als –40°C (–40°F). Beispielsweise besteht eine Anforderung für Containerbehälter zum Speichern und Transportieren von komprimiertem verflüssigtem Erdgas (Engl.: pressurized liquified natural gas, PLNG) bei Drucken in einem breiten Bereich von ungefähr 1035 kPa (150 psia) bis ungefähr 7590 kPa (1100 psia) und bei Temperaturen von mehr als ungefähr –123°C (–190°F). Es besteht auch eine Anforderung für Container zum sicheren und wirtschaftlichen Speichern und Transportieren anderer komprimierter Fluide, wie Methan, Ethan und Propan bei Cryo- Temperaturen. Für die Konstruktion derartiger Container aus geschweißtem Stahl muß der Stahl und seine Schweißkonstruktionen (vgl. Glossar) ausreichende Festigkeit aufweisen, um dem Fluiddruck zu widerstehen, sowie eine adäquate Festigkeit/Fähigkeit zum Vermeiden des Auslösens eines Bruchs, d.h. eines Fehlereignisses bei den Betriebsbedingungen.

Für die mit dem Stand der Technik Vertrauten ist bekannt, daß der Charpy V-Kerbtest (CVN)-Test verwendet werden kann, und zwar zum Zweck der Bruchfestigkeits-Qualitätsprüfung und der Bruchsteuerung für den Entwurf von Speichercontainern zum Transportieren von komprimierten, Cryo-Temperaturfluiden wie PLNG, insbesondere durch Verwendung der Resthaltetemperatur (DBTT). Die DBTT unterscheidet zwei Bruchbereiche in Konstruktionsstellen. Bei Temperaturen unterhalb der DBTT tritt tendenziell ein Fehler bei dem Charpy-V-Kerbtest durch einen Sprödbruch in der Energie auf, wohingehend bei Temperaturen oberhalb der DBTT ein Fehler tendenziell durch einen Verformungsbruch hoher Energie auftritt. Speicher- und Transportbehälter, die aus geschweißten Stählen konstruiert sind, und zwar für die zuvor erwähnten Cryo-Temperaturanwendungen und für andere lastaufnehmende, Cryo-Temperaturdienste, müssen DBTT-Werte aufweisen, wie sie durch den Charpy-V-Kerbtest bestimmt sind, die deutlich unterhalb der Diensttemperatur der Struktur liegen, damit ein Sprödbruch vermieden wird. In Übereinstimmung mit dem Entwurf, den Dienstbedingungen und/oder den Anforderungen für den annehmbaren Klassifzierungsverband kann die erforderliche DBTT Temperaturverschiebung (d.h., wie weit die DBTT unterhalb der beabsichtigten Diensttemperatur liegen muß) in dem Bereich von 5°C bis 30°C (9°F bis 54°F) unterhalb der Diensttemperatur liegen.

Stähle mit Nickel, die üblicherweise für Cryo-Temperatur-Strukturanwendungen verwendet werden, z.B. Stähle mit Nickelgehalten von mehr als ungefähr 3 Gew.%, weisen einen niedrigen DBTT-Wert auf, jedoch haben sie auch relativ hohe Zugfestigkeiten. Typischerweises haben kommerziell verfügbare 3 Gew.% Ni, 5.5 Gew.% Ni, und 9 Gew.% Ni Stähle DBTT-Werte von ungefähr –100°C (–150°F), –155°C (–250°F) und –175°C (– 280°F), sowie Zugfestigkeiten von bis zu ungefähr 485 MPa (70 ksi), 620 MPa (90 ksi) und 830 MPa (120 ksi). Zum Erzielen dieser Kombinationen aus Stärke und Festigkeit werden diese Stähle allmählich einer kostspieligen Verarbeitung unterzogen, z.B. einer doppelten Abkühlbehandlung. Im Fall der Cryo-Temperaturanwendungen nützt die Industrie momentan diese kommerziellen Stähle mit Nickelgehalt, aufgrund ihrer guten Festigkeit bei niedrigen Temperaturen, jedoch ist eine Entwurfsumgehungslösung aufgrund deren relativ niedrigen Zugfestigkeiten erforderlich. Die Entwürfe erfordern allgemein übermäßige Stahldicken für lastabnehmende Cryo-Temperaturanwendungen. Demnach ist die Verwendung dieser Stähle mit Nickeln in lastaufnehmenden Cryo-Temperaturanwendungen tendenziell teuer, und zwar aufgrund der hohen Kosten des Stahls in Kombination mit den erforderlichen Stahldicken.

Momentan vorliegende kommerzielle Speichercontainer zum Transportieren von verflüssigtem Erdgas bei –162°C (–260°F) und Luftdruck (LNG) sind typischerweise aus den oben erwähnten kommerziellen Stählen mit Nickel konstruiert, sowie austenitischen Stählen oder Aluminium. Bei LNG (Engl.: liquid natural gas, verflüssigtes Erdgas) Anwendungen unterscheiden sich die Stärke und Festigkeitsanforderungen für derartige Materialien und für Schweißverbindungen derartiger Materialien in besonderem Umfang von denjenigen für den PLNG Fall (pressurized liquified.natural gas, komprimiertes verflüssigtes Erdgas) Fall. Beispielsweise erfolgt ein Auflisten bei der Diskussion des Schweißens von 2 ¼ Gew.% bis 9 Gew.% Nickelstählen für Cryo-Zwecke in G.E. Linnert, "Schweißmetallurgie C Welding metallurgy ", American Welding Society, 3rd Ed., Bd.

2, 1967, Seiten 550–570, der Charpy-V-Kerbfestigkeit (siehe Glossar)-Anforderungen für derartige Schweißkonstruktionen in dem Bereich von ungefähr 20 J bis 61 J, gemessen bei der Diensttemperatur. Die durch Linnert angegebenen Anforderungen lassen sich nicht direkt auf die Konstruktion von Containern für den Transport von PLNG (oder anderen komprimierten Cryo-Fluiden) anwenden, da der PLNG Einschließdruck von typischerweise ungefähr 2760 kPa (400 psia) signifikant höher ist als für die üblichen Verfahren zum Transportieren von LNG, was allgemein, bei oder in der Nähe des Luftdrucks erfolgt,. Für PLNG Speicher und Transportbehälter besteht eine Anforderung für striktere Festigkeitsanforderungen, und demnach eine Anforderung für Schweißkonstruktionen mit besseren Festigkeitsanforderungen als diejenigen, die zum Konstruieren von LNG Speicherbehältern verwendet werden.

Basisplattenmaterial

Speicherbehälter für komprimierte Cryo-Temperatur-Fluide, beispielsweise PLNG, sind vorzugsweise aus diskreten Platten aus niedrig legiertem Höchstfestigkeitsstahl konstruiert.

Andere geeignete Stähle sind in der am 5. Februar 1997 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung beschrieben, die die folgende Internationale Veröffentlichungsnummer aufweist: PCT/JP96/00157, sowie die Internationale Veröffentlichungsnummer WO 96/23909 (08.08.1996 Gazette 1996/36) (derartige Stähle enthalten vorzugsweise einen Kupfergehalt von 0.1 Gew.% bis 1.2 Gew.%).

Schweißen

Derartige Stähle lassen sich miteinander zum Bilden von Speichercontainern verbinden, und zwar für komprimierte Cryo-Temperaturfluide wie PLNG, durch ein Schweißverfahren, das sich zum Erzeugen einer Schweißkonstruktion eignet, das eine adäquate Stärke und Bruchfestigkeit für die beabsichtigte Anwendung gewährleistet. Ein derartiges Schweißverfahren enthält vorzugsweise einen geeigneten Schweißprozess beispielsweise ohne Einschränkung Gasmetall-Lichtbogenschweißen (gas metal arc welding, GMAW), Wolfram-Inertgas (tungsten inert gas, TIG) Schweißen, oder Unterpulverschweißen (submerged arc welding, SAW); zudem erfordert es einen geeigneten selbstverzehrenden Schweißdraht; ein geeignetes verbrauchbares Schweißgas (sofern erforderlich); ein geeignetes Schweißmittel (sofern erforderlich); geeignete Schweißprozeduren – beispielsweise, ohne Einschränkung – Vorwarmtemperaturen und Schweißwärmeeingaben. Eine Schweißkonstruktion bzw. eine Schweißstelle ist eine geschweißte Verbindung, mit: (i) dem Schweißmetall, (ii) dem Wärmeeinflussbereich (heat-affected zone, HAZ), und (iii) dem Basismetall in der "nahen Umgebung" der Wärmeeinflußzone. Das Schweißmetall ist der verbrauchbare Schweißdraht (und das Schweißmittel, sofern verwendet), wie es auf dem Abschnitt der Basismetallplatte abgeschieden und aufgelöst ist, der während dem Durchführen des Schweißprozesses geschmolzen wird. Der Wärmeeinflußbereich HAZ ist der Abschnitt des Basismetalls, der während dem Schweißen nicht schmilzt, bei dem sich jedoch die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften durch die Wärme des Schweißprozesses ändern. Der Abschnitt des Basismetalls, der als "in der nahen Umgebung" der Wärmeeinflußzone liegend angesehen wird, und demnach als ein Teil der Schweißkonstruktion, variiert in Abhängigkeit von Faktoren, die für den mit dem Stand der Technik Vertrauten gekannt sind, beispielsweise, ohne Einschränkung, der Breite der Schweißkonstruktion, den Abmessungen der Basismetallplatte, die geschweißt wird, und die Distanzen zwischen den Schweißkonstruktionen.

Gewünschte Eigenschaften der Schweißkonstruktionen für PLNG Anwendungen

Zum Zwecke des Konstruierens von Speichercontainern für PLNG und andere komprimierte Cryo-Temperaturfluide ist es wünschenswert, ein Schweißverfahren zu haben, und zwar mit einem selbstverzehrenden Schweißdraht, einem selbstverzehrenden Schweißgas, einem Schweißprozeß und Schweißprozeduren, die die Schweißkonstruktionen mit Zugfestigkeiten und Bruchfestigkeiten erzielen, die sich für die beabsichtigte Cryo-Anwendung eignen, gemäß bekannten Prinzipien der Bruchmechanik, so wie sie hier beschrieben sind. Insbesondere ist es für die Konstruktion von Speicherbehältern von PLNG wünschenswert, ein Schweißverfahren zu haben, das zu Schweißkonstruktionen mit Zugfestigkeiten von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi) führt, sowie zu einer Bruchfestigkeit, die sich für die PLNG Anwendung eignet, gemäß den bekannten Prinzipien der Bruchmechanik, so wie hier beschrieben. Die Zugfestigkeit derartiger Schweißkonstruktionen ist bevorzugt größer als ungefähr 930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt größer als ungefähr 965 MPa (140 ksi), und noch weiter bevorzugt mindestens ungefähr 1000 MPa (145 ksi). Momentan kommerziell verfügbare Schweißverfahren unter Heranziehung kommerziell verfügbarer selbstverzehrender Schweißdrähte sind nicht in der Lage, ein Schweißen mit der zuvor erwähnten hohen Festigkeit bei niederlegierten Stählen zu ermöglichen, und zudem Schweißkonstruktionen mit den gewünschten Eigenschaften für kommerzielle Tiefsttemperaturanwendungen mit Überdruck bereitzustellen.

Die US 3,097,294 betrifft einen selbstverzehrenden Schweißdraht der neben Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom und Molybdän noch Legierungsbestandteile von Phosphor, Schwefel, Vanadium, Aluminium und Kupfer enthält. Der Schweißdraht zeichnet sich durch eine hohe Zugfestigkeit und gute Kerbschlagzähigkeit bei geringen Temperaturen aus.

US 5,523,540 beschreibt Schweißelektroden für niederlegierte Stähle mit einem Kohlenstoffanteil bis etwa 0,05 Gew.%. Die Schweißelektroden enthalten Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom, Molybdän sowie Kupfer, Titan und Aluminium. Die Schweißnähte besitzen gute Eigenschaften im Hinblick auf den Widerstand gegen Wasserstoffversprödung und lassen sich ohne Vorwärmen des Materials insbesondere im Schiffbau einsetzen. Die mit den Schweißelektroden erhaltenen Schweißnähte weisen eine bainitische-ferretische Mikrostruktur auf und besitzen eine Zugfestigkeit zwischen 80 ksi und 150 ksi.

Aus der US 4,068,113 ist eine weitere Schweißelektrode bekannt, die bei einem Schutzgasschweißen eingesetzt wird und eine Legierung aus Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Titan und einem weiteren Vertreter aus der Gruppe Nickel, Chrom und Molybdän besteht. Die daraus erhaltene Schweißnaht besitzt hohe Festigkeit bei geringer Temperatur.

Aus der US 3,745,322 ist ein Verfahren zum Schweißen eines Basismetalls zum Erzeugen einer Schweißkonstruktion bekannt, wobei unter Schutzgas und einem selbstverzehrenden Schweißdraht geschweißt wird. Der das Schweißmetall zuführende Schweißdraht enthält Eisen sowie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Nickel, Chrom und Molybdän. Das Schweißmaterial eignet sich hochfeste Tieftemperatur geeignete Schweißungen.

Demnach bestehen die technischen Probleme der vorliegenden Erfindung in der Verbesserung der Schweißtechnologie nach dem Stand der Technik für die Anwendbarkeit auf höchstfeste Stähle mit niedriger Legierung zum Erzielen eines Schweißverfahrens, das Schweißkonstruktionen erzeugt, die Zugfestigkeiten von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi) aufweisen, sowie eine Bruchfestigkeit, die sich für die beabsichtigte Cryo-Anwendung eignet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Schweißen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Schweißkonstruktion mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wird ein Schweißverfahren (mit einem selbstverzehrenden Schweißdraht, von einem Schweißprozesstyp und mit der Auswahl bestimmter Schweißparameter und Praktiken) vorgesehen, das sich zum Verbinden von höchstfesten niederlegierten Stählen mit exzellenter Cryo-Temperatur-Bruchfestigkeit für Cryo-Anwendungen verwenden lässt. Das Schweißverfahren dieser Erfindung ist so ausgebildet, dass es eine Mikrostruktur mit einer Gruppe mechanischer Eigenschaften erzeugt, die sich für die strikten Anwendungen bei komprimierten Cryo-Temperatur-Fluidanwendungen, beispielsweise der PLNG-Anwendung, eignet. Das Schweißverfahren erzeugt ein Schweißmetall, das durch eine sehr feingekörnte körperzentrierte kubische (body centered cubic, BCC) Kristallstruktur dominiert ist. Das Schweißverfahren erzeugt auch Schweißmetall mit einem niedrigen Verunreinigungsgehalt, und demnach mit einem niedrigen nicht-metallischen Einschlußgehalt, und zusätzlich erzeugt es einzelne Einschlüsse, die eine geringe Größe aufweisen. Die Grundwirkungen der feinen Korngröße auf die Festigkeit und Zähigkeit der Konstruktionsstähle sowie die grundlegenden Wirkungen des geringen Einschlußgehalts auf die Festigkeit sind für die mit dem Stand der Technik Vertrauten gut bekannt. Jedoch sind Techniken zum Erzielen derartiger Eigenschaften bei Schweißmetallen mit der Eignung für die PLNG Anwendung nicht allgemein bekannt. Die Schweißkonstruktion, die sich aus der Anwendung des Schweißverfahrens dieser Erfindung ergibt, weist eine Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi) auf und eine Bruchfestigkeit, die sich für die PLNG Anwendung eignet, in Übereinstimmung mit bekannten Prinzipien der Bruchmechanik.

Die Vorteile der vorliegende Erfindung lassen sich besser unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügte Zeichnung verstehen. Es zeigen:
1A eine Darstellung einer kritischen Defektgröße für eine gegebene Defektlänge als Funktion der CTOD Bruchfestigkeit und einer Restspannung; und
1B die Geometrie (Länge und Tiefe) eines Defekts.
Während die Erfindung im Zusammenhang mit ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist zu erkennen, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Im Gegensatz hierzu wird beabsichtigt, daß die Erfindung sämtliche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdeckt, die von dem Sinngehalt und Schutzbereich der Erfindung umfaßt sind, wie er durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren für die Verwendung zum Verbinden höchst-fester niedriglegierter Stähle, wodurch die sich ergebenden Schweißkonstruktionen eine Höchstfestigkeit und eine exzellente Cryo-Temperaturfestigkeit aufweisen. Diese wünschenswerten Eigenschaften werden primär durch zwei auf Mikroebene eingebaute Aspekte des Schweißmetalls erzielt. Das erste Merkmal betrifft eine sehr fein gekörnte körperzentrierte kubische (BCC) Kristallstruktur, und das zweite Merkmal betrifft einen niedrigen nicht-metallischen Einschlußgehalt, derart, daß die einzelnen Einschlüsse eine geringe Größe aufweisen. Das Schweißverfahren enthält einen selbstverzehrenden Schweißdraht, einen Schweißprozeßtyp, und die Auswahl bestimmter Schweißparameter und Praktiken. Die bevorzugten Schweißprozesse für das Schweißverfahren dieser Erfindung sind irgendwelche Schutzgasprozesse, wie Gasmetall-Lichtbogenschweißen (gas metal arc welding, GMAW), Wolfram-Intertgas-Schweißen (tungsten inert gas welding, TIG), Plasmaschweißen (plasma arc welding, PAW) und deren Derivate. Bevorzugte Schweißparameter und Praktiken sowie Wärmeeingabe und Zusammensetzung des Abschirmgas sind hier nachfolgend beschrieben.
Chemische Zusammensetzung der Schweißmetalle Bei einer Ausführungsform enthält die chemische Zusammensetzung des Schweißmetalls gemäß der vorliegenden Erfindung Eisen und Legierungselemente in ungefähr denjenigen Mengen, die in Tabelle I und nachfolgend angegeben sind.
Tabelle 2
Bevorzugt beträgt der obere Grenzwert für den Nickelgehalt ungefähr 4.00 Gew.%.
Die Wirkung der feinen Korngröße
Die feine Korngröße in der Mikrostruktur eines Schweißmetalls, das gemäß dieser Erfindung hergestellt ist, erhöht die Festigkeit der Schweißkonstruktion durch Versetzungsblockade. Die feine Korngröße erhöht die Sprödfestigkeit durch Verkürzen der Länge der Versetzungsanhäufungen, wodurch die maximal mögliche Spannungsintensität bei dem Kopf jedwedger einzelnen Anhäufung verringert ist. Hierdurch wird das Auslösen eines Mikrorisses weniger wahrscheinlich. Die niedrigere Anordnungsintensität verbessert auch die Verformungsbruchfestigkeit durch Reduzieren lokaler Mikrospannungen, wodurch das Initiieren eines Mikrohohlraums weniger wahrscheinlich wird. Zusätzlich erhöht die feine Korngröße die global betrachtete Festigkeit durch Bilden vieler "Straßensperren" gegenüber einer Rissausbreitung. (Siehe das Glossar für die Definitionen von Versetzungsblockade, Sprödbruchfestigkeit, Versetzungsanhäufung, Mikroriss, Mikrospannung und Mikrohohlraum).
Erzielen der Mikrostruktur und Korngröße
Die feingekörnte BCC-Struktur wird vorzugsweise durch selbsttemperiertes Maschenmartensit (Engl.: lath martensite) dominiert, d.h. sie enthält mindestens ungefähr 50 Volumenprozent, ebenso bezeichnet als Volumenanteil von 50%, bevorzugt mindestens etwa 70 Volumenprozent und weiter bevorzugt mindestens 90 Volumenprozent selbsttemperiertes Maschenmartensit. Jedoch können auch erhebliche Mengen von unterem Bainit vorliegen, beispielsweise von bis zu ungefähr 49 Volumenprozent. Kleinere Bestandteile, wie nadelkristallförmiges Ferrit, polygonales Ferrit und oberes Bainit (oder andere degenerierte Formen des Bainits) können ebenso in geringen Mengen vorliegen, bilden bevorzugt jedoch nicht die dominante Morphologie. Die gewünschte martensitische Mikrostruktur bzw. die Zwischenstufen-Mikrostruktur (Engl.: biainitic microstructure) wird durch Verwendung einer geeigneten chemischen Zusammensetzung des Schweißmetalls und einer genauen Steuerung der Schweißmetallabkühlrate erzielt. Mehrere Beispiele zum Diskutieren chemischer Eigenschaften sind nachfolgend vorgesehen. Eine geringe Eingangswärme zum Schweißen wird so verwendet, daß sich das Schweißmetall schneller abkühlt, als es dies üblicherweise bei höheren Eingabewärmen tun würde. Die Eingabewärme ist definiert als Schweißspannung multipliziert mit dem Schweißstrom und geteilt durch die Schweißfortschreitgeschwindigkeit, d.h. die Bogenenergie. Das im Rahmen dieser Erfindung verwendete Schweißverfahren mit niedriger Eingangsschweißwärme weist Bogenenergien von vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 0.3 kJ/mm bis ungefähr 2.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 63.5 kJ/inch) auf, weiter bevorzugt in dem Bereich von ungefähr 0.5 kJ/mm bis ungefähr 1.5 kJ/mm (12.7 kJ/inch bis 38 kJ/inch). Es lassen sich mehrere unterschiedliche Pegel der "Korngröße" in der gewünschten Mikrostruktur beschreiben, und die Zielsetzung der Schweißtechnik mit niedriger Eingangsenergie besteht in der Reduzierung der Größe jeder Einheit. Eine niedrige Schweißeingangswärme hilft bei der Bildung einer kleinen säulenförmigen bzw. stengelförmigen Korngröße, einer kleinen voraustenitischen Korngröße, einer kleinen martensitischen/Bainit-Paketgröße und einer schmalen martensitischen oder Bainitmaschenbreite. Wie hier unter Bezug auf die Struktur verwendet, bedeutet "fein-gekörnt", daß die säulenförmige Korngröße bzw. Stengelkorngröße (Breite) vorzugsweise weniger als ungefähr 150 Mikrometer beträgt, und bevorzugt weniger als 100 Mikrometer; daß die voraustenitische Korngröße vorzugsweise weniger als 50 Mikrometer ist, weiter bevorzugt weniger als ungefähr 35 Mikrometer, und zusätzlich weiter bevorzugt weniger als ungefähr 20 Mikrometer; und daß die martensitische/Bainit-Paketgröße vorzugsweise weniger als ungefähr 20 Mikrometer ist, weiter bevorzut weniger als ungefähr 15 Mikrometer und zusätzlich weiter bevorzugt weniger als ungefähr 10 Mikrometer. So wie hier verwendet, bedeutet "Korngröße" die Korngröße, wie sich durch das Linieninterceptverfahren bestimmt ist, wie es für die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt ist.
Die Wirkung eines niedrigen Einschlußgehalts
Der niedrige Einschlußgehalt führt tendenziell zu einer Erhöhung der Bruchfestigkeit durch Eliminieren potentieller Bruchriß-Initiierungsstellen und/oder durch Reduzieren der Zahl von Stellen mit konzentrierten Mikrospannungen. Der niedrige Einschlußgehalt führt tendenziell zum Erhöhen der Verformungs-Bruchfestigkeit durch Reduzieren der Zahl von Initiierungsstellen für Mikrohohlräume.
Die gemäß dieser Erfindung hergestellten Schweißkonstruktionen weisen bevorzugt einen niedrigen Einschlußgehalt auf, sie sind jedoch nicht einschlußfrei. Einschlüsse können signifikant zum Erzielen von optimalen Schweißmetalleigenschaften beitragen. Erstens wirken sie als Desoxidator in dem Becken für das geschmolzene Schweißmetall. Ein niedriger Sauerstoffgehalt in dem Abschirmgas ist zum Herstellen der Schweißkonstruktionen gemäß dieser Erfindung vorzuziehen, so daß die Anforderung für ein Desoxidieren verringert ist; jedoch ist immer noch ein gewisses Desoxidationspotential in dem Becken für geschmolzenes Schweißmetall vorzuziehen. Zweitens können die Einschlüsse beim Steuern des Stengel und voraustenitische Kornwachstums durch Korngrenzen-Pinning nützlich sein. Das Begrenzen des Kornwachstums bei erhöhten Temperaturen fördert eine geringe Raumtemperatur-Korngröße. Da jedoch die niedrige Eingangswärme zum Herstellen von Schweißkonstruktionen gemäß dieser Erfindung zum Einschränken der Korngröße nützlich ist, läßt sich der Einschlußgehalt auf einen Pegel reduzieren, der die Festigkeit fördert, jedoch immer noch zu nützlichen Korngrenzen-Pinneffekten führt.
Die gemäß diese Erfindung hergestellten Schweißkonstruktionen erzielen eine hohe Festigkeit, wie zuvor erwähnt. In dem Fall, von Schweißmetallen mit niedrigerer Festigkeit besteht oft ein Entwurfsmerkmal im Erzeugen eines signifikanten Volumenanteils von Ti-basierten Einschlüssen zum Zweck einer Kern- bzw. Keimbildung für nadelkristallförmiges Ferrit. Für derartige Schweißkonstruktionen geringerer Festigkeit ist ein nadelkristallförmiges Ferrit die bevorzugte Mikrostruktur aufgrund seiner Festigkeit und Brucheigenschaften. Für die vorliegenden Erfindung besteht jedoch aufgrund der verfolgten höheren Festigkeit ein absichtliches Merkmal darin, daß ein großer Volumenanteil von Einschlüssen vermieden wird, der zur Keimbildung von nadelkristallförmigem Ferrit führt. Anstelle hiervon ist es vorzuziehen, eine Mikrostruktur zu bilden, die durch Maschenmartensit dominiert ist.
Erzielen der gewünschten Einschlußgröße/des gewünschten Einschlußgehalts
Der bevorzugte niedrige Einschlußgehalt für Schweißkonstruktionen gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Auswahl und Abgabe eines geeigneten Abschirmgases erzielt, sowie durch Aufrechterhalten einer guten Schweißreinheit und durch Verwenden eines selbstverzehrenden Schweißdrahts mit geringen Mengen an Schwefel, Phosphor, Sauerstoff und Silizium. Die spezifische chemische Zusammensetzung des selbstverzehrenden Schweißdrahts ist so entworfen, daß die gewünschte chemische Zusammensetzung des Schweißmetalls erzielt wird, die wiederum auf der Grundlage der gewünschten mechanischen Eigenschaften ausgewählt ist. Die gewünschten mechanischen Eigenschaften hängen von dem spezifischen Containerentwurf ab; diese Erfindung deckt einen Bereich von chemischen Zusammensetzungen des Schweißmetalls mit der Fähigkeit zum Abdecken eines Bereichs von Entwürfen ab. Bei Verwendung des Schweißverfahrens dieser Erfindung wird das Hauptschweißmetall minimal durch das Basismaterial gelöst, und demnach ist die chemische Zusammensetzung des selbstverzehrenden Schweißdrahts nahezu gleich der chemischen Zusammensetzung des Schweißmetalls, wie hier beschrieben. Gemäß der erfindungsgemäßen Schweißtechnik wird für das Verdünnen erwartet, daß es weniger als ungefähr 15% beträgt, jedoch oft weniger als ungefähr 10%. Für Bereiche in der Nähe des Zentrums des Schweißmetalls wird für das Verdünnen erwartet, daß es weniger als ungefähr 5% ist. Unter Verwendung irgendeines gut bekannten Umkehr-Verdünnungs-Berechnungsverfahrens kann der mit dem Stand der Technik vertraute die chemische Zusammensetzung des selbstverzehrenden Schweißdrahts für die Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnen, um die gewünschte chemische Zusammensetzung des Schweißmetalls zu erhalten. Das Abschirmgas weist vorzugsweise einen niedrigen CO₂ und/oder O₂-Gehalt auf. Bevorzugt enthält das Abschirmgas weniger als ungefähr 10 Vol%, weiter bevorzugt weniger als ungefähr 5 Vol%, und zudem weiter bevorzugt weniger als ungefähr 2 Vol% von CO₂ und/oder O₂. Die Hauptkomponente des Abschirmgas ist vorzugsweise Argon; zudem enthält das Abschirmgas vorzugsweise ungefähr 80 Vol% (bzw. Volumengehalt) oder mehr von Argon, und weiter bevorzugt mehr als ungefähr 90 Vol%. Es läßt sich Helium den Abschirmgas in Größen von ungefähr 12 Vol% hinzugeben, zum Verbessern der Bogenbetriebseigenschaften oder der Schweißraupen-Einbrandtiefe sowie des Schweißraupenprofils. Sofern erforderlich, lassen sich für einen spezifischen Speichercontainerentwurf Verunreinigung von dem Abschirmgas, die tendenziell zu einer nichtmetallischen Einschlußbildung in dem Schweißmetall führen, wie für die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt ist, ferner durch Abgabe des Gases durch ein nano-chemisches Filter reduzieren, eine Einrichtung, die für die mit dem Stand der Technik des Präzisions-TIG-Schweißens Vertrauten bekannt ist. Um das Erzielen eines niedrigen Schweißmetall-Einschlußgehalts in dem Schweißmetall zu unterstützen, weisen vorzugsweise der selbstverzehrende Schweißdraht und das Basismaterial selbst einen niedrigen Anteil an Sauerstoff, Schwefel und Phosphor auf. Die obigen Merkmale des Schweißverfahrens dieser Erfindung erzeugen ein Schweißmetall, das vorzugsweise weniger als ungefähr 150 ppm an P enthält, jedoch weiter bevorzugt weniger als 50 ppm an P, weniger als 150 ppm an Schwefel, jedoch weiter bevorzugt weniger als 30 ppm an Schwefel, und weniger als ungefähr 300 ppm an Sauerstoff, jedoch weiter bevorzugt weniger als ungefähr 250 ppm an Sauerstoff. Für bestimmte Cryo-Speichercontainerentwürfe wird der Sauerstoffgehalt des Schweißmetalls vorzugsweise zu weniger als ungefähr 200 ppm gesteuert.
Im Hinblick auf die Einschlußgröße wird die niedrige Eingangswärme zum Schweißen, die zum Herstellen der Schweißkonstruktionen gemäß dieser Erfindung bevorzugt wird, so ausgewählt, daß ein begrenztes Überhitzen und eine schnelle Abkühlrate erzielt wird, wodurch die Wachstumszeit der Einschlüsse in dem Becken des geschmolzenen Schweißmetalls begrenzt wird. Zusätzlich lassen sich geringe Mengen von Al, Ti und Zr (weniger als ungefähr 0.015 Gew.% von jedem Element) einzeln oder in Kombination hinzufügen, zum Bilden kleiner Oxide. Diese Elemente werden aufgrund ihrer bekannten hohen Affinität für Sauerstoff ausgewählt. Im Hinblick auf Ti sollte die Menge dieses Elements niedrig gehalten werden, vorzugsweise niedriger als ungefähr 0.10 Gew.%, damit eine zu starke Keimbildung für stengelförmiges Ferrit vermieden wird. Die gemäß dieser Erfindung erzeugten Einschlüsse weisen im Durchschnitt einen Durchmesser von weniger als ungefähr 700 nm auf, jedoch bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 200 nm bis ungefähr 500 nm. Die Zahl der nichtmetallischen Einschlüsse pro Einheitsfläche, z.B., der Oberfläche einer Scheibe des gemäß dieser Erfindung erzeugten Schweißmetalls, die einen Durchmesser von mehr als 1000 nm aufweisen, ist vorzugsweise niedrig, d.h. vorzugsweise niedriger als ungefähr 250 pro mm².
Der Ausgleich zwischen der Vorwärme und der Eingangswärme
Die PLNG-Anwendung erfordert einen hochfesten Stahl, der in gewissem Umfang ein Vorwärmen zum Vermeiden einer Schweißrißbildung erfordern kann. Das Vorwärmen kann die Schweißabkühlrate (höheres Vorwärmen zum Unterstützen eines langsameren Abkühlens) ändern, und eine Aufgabe dieser Erfindung besteht im Erzielen eines Ausgleichs zwischen dem Vorwärmen und der Eingabe der Schweißwärme, derart, daß (1) eine Schweißrißbildung verhindert wird und (2) eine feingekörnte Mikrostruktur erzeugt wird. Das Vorwärmen erzeugt vorzugsweise zwischen Raumtemperatur und ungefähr 200°C (392°F). Wie jedoch für die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt, wird die spezifische Vorwärmtemperatur vorzugsweise unter Berücksichtigung der Materialschweißbarkeit und der Schweißwärmeeingabe gewählt. Die Materialschweißbarkeit läßt sich unter Verwendung eines von mehreren Testverfahren beurteilen, die für den mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt sind, beispielsweise dem gesteuerten thermischen Härtetest, dem Y-Nuttest, oder dem Test des Kanadischen Schweißinstituts. "Nachbildungen" können ebenso diesem Zweck dienen, wobei Schweißkonstruktionen der tatsächlichen Basis und Schweißmetalle unter Verwendung von möglichen Herstellungsprozeduren verbunden werden. Die Nachbildungen weisen vorzugsweise eine ausreichende Größe auf, damit derjenige Umfang an Dämmung auferlegt wird, der bei dem tatsächlichen Speicherbehälter auftritt.
Pulsierende Energieversorgung
Allgemein läßt sich eine pulsierende Energieversorgung mit jedwedger Form der gasabgeschirmten Prozesse verwenden, die für die Anwendung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens bevorzugt sind. Verluste im Hinblick auf die Bogenstabilität oder Eindringfähigkeit aufgrund der Auswahl der chemischen Zusammensetzung des Drahts/Gas lassen sich bis zu einem bestimmten Umfang unter Heranziehen einer gepulsten Einlaßversorgung ausgleichen. Beispielsweise in dem Fall, in dem diese Erfindung praktisch unter Verwendung eines TIG-Schweißens mit niedriger Eingangswärme und einem selbstverzehrenden Draht mit niedrigem Schwefelgehalt verwendet wird, läßt sich das Schweißraupeneindringen durch Verwendung einer pulsierenden Energieversorgung verbessern.
Bruchsteuerung
Wie für die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt, enthalten die Betriebsbedingungen, die bei dem Entwurf von Speichercontainern betrachtet werden, die aus geschweißtem Stahl zum Transportieren von komprimiertem Cryo-Fluiden konstruiert sind, neben anderen Dingen den Betriebsdruck und die Betriebstemperatur, sowie zusätzliche Spannungen, die wahrscheinlich auf den Stahl und die Schweißkonstruktionen ausgeübt werden. Standard-Bruchmechanik-Meßvorgänge wie (i) kritischer Spannungsintensitätsfaktor (K_IC) als Messung einer ebenen Spannungs-Bruchfestigkeit und (ii) Rißspitzen-Öffnungsversetzung (Engl.: crack tip opening displacement, CTOD), die sich zum Messen der elasto-plastischen Bruchfestigkeit verwenden lassen, und die beide den mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt sind, können zum Bestimmen der Bruchfestigkeit des Stahls und der Schweißkonstruktionen verwendet werden. Es können Industriecodes verwendet werden, die allgemein für einen Stahlstrukturentwurf akzeptierbar sind, beispielsweise wie in der BSI-Veröffentlichung "Leitfaden für Verfahren zum Bewerten der Akzeptanz von Defekten in schmelzgeschweißten Strukturen "(Guidance on methods for assessing the acceptalility of flans in fusion wekled struktures) dargestellt, oft als "PD6493: 1991" bezeichnet, und zwar zum Bestimmen der maximal zulässigen Defektgrößen für die Container auf der Grundlage der Bruchfestigkeit von Stahl und der Schweißung (einschließlich der Wärmeeinflußzone, HAZ) und den ausgeübten Spannungen bei dem Behälter. Ein mit dem Stand der Technik Vertrauter kann ein Bruchsteuerprogramm entwickeln, zum Abschwächen der Bruchinitiierung durch (i) geeigneten Behälterentwurf zum Minimieren der ausgeübten Spannungen, sowie (ii) geeignete Herstellungsqualitätssteuerung zum Minimieren von Defekten, (iii) geeignete Steuerung der Lebenszykluslasten und Drücke, die auf den Behälter ausgeübt werden, und (iv) mit einem geeigneten Inspektionsprogramm zum zuverlässigen Detektieren von Störungen und Defekten in einem Container. Eine bevorzugte Entwurfs-Philosophie für Speicherbehälter, die gemäß der vorliegenden Erfindung geschweißt werden, besteht in einem "Lecken vor dem Auftreten eines Fehlers", wie für die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt. In Bezug auf diese Betrachtungen erfolgt hier als "Bekannte Prinzipien der Bruchmechanik".
Nun folgt ein nichteinschränkendes Beispiel für die Anwendung dieser bekannten Prinzipien der Bruchmechanik im Rahmen einer Prozedur zum Berechnen einer kritischen Defekttiefe für eine vorgegebene Defektlänge zum Verwenden bei einem Bruchsteuerplan zum Vermeiden einer Bruchinitiierung in einem Druckgefäß oder -behälter.
Die 1B zeigt einen Defekt mit einer Defektlänge 315 und einer Defekttiefe 310. Es wird PD6493 zum Berechnen der Werte der Darstellung der kritischen Defektgröße verwendet, wie sie in 1A gezeigt ist, auf der Grundlage der folgenden Entwurfsbedingungen:

Behälterdurchmesser: 4.57 m (15 Fuß)

Behälterwanddicke: 25.4 mm (1.00 Inch)

Entwurfsdruck: 3445 kPa (500 psi)

Zulässige Umfangsspannung: 333 MPa (48.3 ksi).
Für den Zweck dieses Beispiels wird von einer Oberflächendefektlänge von 100 mm (4 Inch) ausgegangen, beispielsweise einem axialen Defekt/Riß, der in einer Nahtschweißung (Engl.: seam weld) vorliegt. Unter Bezug auf die 1A zeigt die Darstellung 300 den Wert für die kritische Defektlänge als eine Funktion der CTOD-Bruchfestigkeit und einer Restspannung, für Restspannungspegel von 15, 50 und 100% der Streckgrenze. Restspannungen entstehen durch das Herstellen und das Schweißen; nach PD6493 wird die Verwendung eines Restspannungswerts von 100% der Streckgrenze bei Schweißnähten (einschließlich dem Schweißwärmeeinflußbereich HAZ) empfohlen, sofern nicht die Schweißnähte entspannt werden, und zwar unter Verwendung von Techniken bei einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Engl.: post weld heat treatment, PWHT) oder einem mechanischen Entspannen.
Auf der Grundlage der CTOD-Bruchfestigkeit des Druckbehälterstahls bei der minimalen Diensttemperatur läßt sich die Behälterherstellung so angleichen, daß die Restspannungen reduziert sind, und es läßt sich ein Inspektionsprogramm (sowohl für die Anfangsinspektion als auch für die Inspektion während dem Dienst) implementieren, damit Störungen für einen Vergleich gegenüber einer kritischen Störungsgrößen detektiert und gemessen werden. In diesem Beispiel ist dann, wenn der Stahl eine CTOD-Festigkeit von 0.025 mm bei der minimalen Tiefsttemperatur (gemessen unter Verwendung von Laborproben) aufweist und die Restspannungen zu 15% der Stahlstreckgrenze reduziert sind, dann der Wert für die kritischen Defekttiefen näherungsweise 4 mm (siehe Punkt 320 in 1A). Unter Heranziehung ähnlicher Berechnungsprozeduren, wie sie für die mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt sind, lassen sich kritische Defekttiefen anhand zahlreicher Defektlängen sowie zahlreicher Defektgeometrien bestimmen. Unter Verwendung dieser Information läßt sich ein Qualitätssteuerprogramm und Inspektionsprogramm (Techniken, detektierbaren Defektabmessungen, Frequenz) so entwickeln, daß das Detektieren von Defekten und deren Beheben vor dem Erreichen der kritischen Defekttiefe oder vor der Anwendung der Entwurfslasten gewährleistet ist. Auf der Grundlage veröffentlichter empirischer Korrelationen zwischen CVN, K_IC und der CTOD-Bruchfestigkeit ist die 0.025 mm CTOD-Festigkeit allgemein zu einem CVN-Wert von ungefähr 37 J korreliert. Dieses Beispiel soll nicht die Erfindung in irgendeiner Weise einschränken.
BEISPIELE
Bei den folgenden Beispielen wird ein Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Schweißen eines Basisstahls verwendet.
Für den Zweck dieser Beispiele enthält der Basisstahl: 0.075 Gew.% Kohlenstoff, 1.70 Gew.% Mangan, 0.075 Gew.% Silizium, 0.40 Gew.% Chrom, 0.2 Gew.% Molybdän, 2.0 Gew.% Nickel und 0.05 Gew.% Nb, und andere Legierungselemente einschließlich einem Minimum von 0.008 Gew.% bis ungefähr 0.03 Gew.% Titan, von ungefähr 0.001 Gew.% bis ungefähr 0.05 Gew.% Aluminium, und von ungefähr 0.002 Gew.% bis ungefähr 0.005 Gew.% Stickstoff. Zusätzlich werden Restanteile vorzugsweise im wesentlichen in dem Basisstahl minimiert, z.B. der Phosphor-(P)-Gehalt ist vorzugsweise niedriger als ungefähr 0.01 Gew.%; Der Schwefel-(S)-Gehalt ist vorzugsweise niedriger als ungefähr 0.004 Gew.%; und der Sauerstoff-(O)-Gehalt ist vorzugsweise niedriger als ungefähr 0.002 Gew.%. Eine Stahlbramme (Engl.: steel slab) mit dieser chemischen Zusammensetzung wird zum Herstellen einer höchstfesten Doppelphasenstahlplatte vorbereitet, mit einer Mikrostruktur mit ungefähr 10 Vol% bis ungefähr 40 Vol% einer ersten Phase von im wesentlichen 100 Vol% ("im wesentlichen") Ferrit und ungefähr 60 Vol% bis ungefähr 90 Vol% einer zweiten Phase vorwiegend aus feingekörntem Maschenmartensit, feingekörnten unteren Bainit und Mischungen hiervon. Etwas detaillierter wird der Basisstahl für dieses Beispiel hergestellt, indem eine Bramme der gewünschten Zusammensetzung gebildet wird, wie oben beschrieben; ferner durch Erwärmen der Bramme auf eine Temperatur von ungefähr 955°C bis ungefähr 1065°C (1750°F – 1950°F); Warmwalzen der Bramme zum Bilden einer Stahlplatte in einem oder mehreren Durchgängen zum Erzielen einer Reduktion von ungefähr 30 Prozent bis ungefähr 70 Prozent in einem ersten Temperaturbereich, in dem Austenit rekristallisiert, d.h. ungefähr oberhalb der T_nr Temperatur, ferner Warmwalzen der Stahlplatte in einem oder mehreren Durchgängen zum Erzielen einer Reduktion von ungefähr 40 Prozent bis ungefähr 80 Prozent in einem zweiten Temperaturbereich unterhalb der T_nr Temperatur und oberhalb ungefähr der Ar₃ Transformationstemperatur, und abschließendes Walzen der Stahlplatte im Rahmen eines oder mehrerer Durchgänge zum Erzielen einer Reduktion von ungefähr 15 Prozent bis ungefähr 50 Prozent in dem zwischenkritischen Temperaturbereich unterhalb der Ar₃ Transformationstemperatur und oberhalb der Ar₁ Transformationstemperatur. Die warmgewalzte Stahlplatte wird anschließend mit einer Kühlrate von ungefähr 10°C pro Sekunde bis ungefähr 40°C pro Sekunde (18°F/sec – 72°F/sec) auf eine geeignete Abschreck-Stopptemperatur (Engl.: Quench Stop Temperature, QST) abgeschreckt, die vorzugsweise unterhalb ungefähr der MS-Transformationstemperatur plus 200°C (360°F) liegt, und zu diesem Zeitpunkt wird das Abschrecken beendet. Die Stahlplatte kann nach dem Beenden des Abschreckens an der Luft auf Umgebungstemperatur abkühlen. (Siehe das Glossar für Definitionen der T_nr Temperatur, und der Ar₃, Ar₁ und M_S-Transformationstemperaturen.)
BEISPIEL 1
Bei einem ersten Beispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der Gasmetall-Lichtbogenschweiß-(GMAW)-Prozeß verwendet, zum Herstellen einer chemischen Zusammensetzung eines Schweißmetalls mit Eisen und ungefähr 0.07 Gew.% Kohlenstoff, ungefähr 2.05 Gew.% Mangan, ungefähr 0.32 Gew.% Silizium, ungefähr 2,20 Gew.% Nickel, ungefähr 0.45 Gew.% Chrom, ungefähr 0.56 Gew.% Molybdän, weniger als ungefähr 110 ppm Phosphor und weniger als ungefähr 50 ppm Schwefel. Das Schweißen erfolgt auf einem Stahl, beispielsweise dem oben beschriebenen Basisstahl, unter Verwendung eines Argonbasierten Abschirmgas mit weniger als 1 Gew.% Sauerstoff. Die Schweißwärmeeingabe liegt in dem Bereich von ungefähr 0.3 kJ/mm bis ungefähr 1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch). Das Schweißen mit diesem Verfahren führt zu einer Schweißkonstruktion mit einer Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi), vorzugsweise mehr als ungefähr 930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt mehr als ungefähr 965 MPa (140 ksi), und zusätzlich weiter bevorzugt von mindestens ungefähr 1000 MPa (145 ksi). Ferner führt das Schweißen mit diesem Verfahren zu einem Schweißmetall mit einem DBTT-Wert unterhalb ungefähr –73°C (–100°F), vorzugsweise unterhalb ungefähr –96°C (–140°F), weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –106°C (–160°F), und zudem weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –115°C (–175°F).
BEISPIEL 2
Bei einem anderen Beispiel für das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der GMAW-Prozeß zum Herstellen einer chemischen Zusammensetzung eines Schweißmetalls verwendet, mit Eisen und ungefähr 0.10 Gew.% Kohlenstoff (vorzugsweise weniger als ungefähr 0.10 Gew.% Kohlenstoff, weiter bevorzugt von ungefähr 0.07 bis ungefähr 0.08 Gew.% Kohlenstoff), ungefähr 1.60 Gew.% Mangan, ungefähr 0.25 Gew.% Silizium, ungefähr 1.87 Gew.% Nickel, ungefähr 0.87 Gew.% Chrom, ungefähr 0.51 Gew.% Molybdän, weniger als ungefähr 75 ppm Phosphor und weniger als ungefähr 100 ppm Schwefel. Die Schweißwärmeeingabe liegt in dem Bereich von ungefähr 0.3 kJ/mm bis ungefähr 1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch), und ein Vorwärmen auf ungefähr 100°C (212°F) wird verwendet. Der Schweißvorgang erfolgt auf Stahl, beispielsweise dem oben beschriebenen Basisstahl, unter Verwenden eines Argonbasierten Abschirmgas mit weniger als ungefähr 1 Gew.% Sauerstoff. Das Schweißen mit diesem Verfahren führt zu einer Schweißkonstruktion mit einer Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi), vorzugsweise mehr als ungefähr 930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt mehr als ungefähr 965 MPa (140 ksi), und zudem weiter bevorzugt mindestens ungefähr 1000 MPa (145 ksi). Ferner führt das Schweißen mit diesen Verfahren zu einem Schweißmetall mit einem DBTT-Wert unterhalb von –73°C (–100°F), bevorzugt unterhalb von ungefähr –96°C (–140°F), weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –106°C (–160°F), und weiter bevorzugt unterhalb ungefähr –115°C (–175°F).
BEISPIEL 3
Bei einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wolframintergasschweiß-(TIG)-Prozeß zum Herstellen einer chemischen Verbindung des Schweißmetalls verwendet, die Eisen enthält, sowie ungefähr 0.07 Gew.% Kohlenstoff (vorzugsweise weniger als ungefähr 0.07 Gew.% Kohlenstoff), ungefähr 1.80 Gew.% Mangan, ungefähr 0.20 Gew.% Silizium, ungefähr 4.00 Gew.% Nickel, ungefähr 0.5 Gew.% Chrom, ungefähr 0.40 Gew.% Molybdän, ungefähr 0.02 Gew.% Kupfer, ungefähr 0.02 Gew.% Aluminium, ungefähr 0.010 Gew.% Titan, ungefähr 0.015 Gew.% Zr, weniger als ungefähr 50 ppm Phosphor und weniger als ungefähr 30 ppm Schwefel. Die Schweißwärmeeingabe liegt in dem Bereich von ungefähr 0.3 kJ/mm bis ungefähr 1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch), und es wird ein Vorwärmen auf ungefähr 100°C (212°F) verwendet. Das Schweißen erfolgt auf einem Stahl wie dem oben beschriebenen Basisstahl unter Verwendung eines Argonbasierten Abschirmgas mit weniger als ungefähr 1 Gew.% Sauerstoff. Das Schweißen durch dieses Verfahren führt zu einer Schweißkonstruktion mit einer Zugfestigkeit von mehr als ungefähr 900 MPa (130 ksi), vorzugsweise mehr als ungefähr 930 MPa (135 ksi), weiter bevorzugt mehr als ungefähr 965 MPa (140 ksi), und zudem weiter bevorzugt mindestens ungefähr 1000 MPa (145 ksi). Ferner führt das Schweißen mit diesem Verfahren zu einem Schweißmetall mit einem DBTT-Wert unterhalb von ungefähr 73°C (–100°F), weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –96°C (–140°F), weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –106°C (–160°F) und weiterhin weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr –115°C (– 175°F).
Ähnliche chemische Zusammensetzungen des Schweißmetalls, wie sie in den Beispielen erwähnt sind, lassen sich unter Verwendung entweder der GMAW oder der TIG-Schweißprozesse herstellen. Jedoch wird für die TIG-Schweißungen erwartet, daß sie einen niedrigeren Verunreinigungsgehalt und eine höher verfeinderte Mikrostruktur als GMAW-Schweißungen aufweisen, und demnach eine verbesserte Niedertemperaturfestigkeit.
Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben ist, ist zu erkennen, daß andere Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie in den folgenden Patentansprüchen herausgestellt ist. Das Schweißverfahren dieser Erfindung läßt sich im Zusammenhang mit vielen Stählen verwenden, zusätzlich zu den höchstfesten niederlegierten Stellen, die hier beschrieben sind, und die lediglich für den Zweck eines Beispiels vorgesehen sind.
Glossar der Begriffe:

Ar₁ Transformationstemperatur Die Temperatur, bei der die Transformation von Austenit zu Ferrit oder zu Ferrit plus Cementit während dem Abkühlen abgeschlossen ist;
Ar₃ Transformationstemperatur die Temperatur, bei der die Transformation von Austenit zu Ferrit während dem Abkühlen beginnt;
BCC: Engl.: body-centered cubic bzw. körperzentrierter Raum bzw. Kubus;
Charpy (Charpy V-Kerb)- Die Energie in ft-lbs. oder Zähigkeit bzw. Festigkeit: Joule, gemessen beim Brechen einer Charpy-V-Kerbprobe;
Spaltfestigkeit: Der Widerstand von Stahl gegenüber einem Spaltbruch; diese Eigenschaft (beispielsweise ohne Einschränkung) läßt sich unter Verwendung des CTOD-Tests messen oder sie läßt sich unter Verwendung des DBTT aus der Gruppe von Charpy-V-Kerbtests nachweisen;
Kühlrate: Kühlrate bei der Mitte oder im wesentlichen bei der Mitte der Plattendicke;
Cryo-Temperatur: Jedwedge Temperatur niedriger als ungefähr –40°C (–40°F);
CTOD: Rißspitzen-Öffnungsverschiebung (Engl.: crack tip opening displacement);
CVN: Charpy-V-Kerbe;
DBTT (Riflhaltetemperatur bzw. dient zum Beschreiben der DTT-Temperatur) beiden Bruchbereiche für Baustahl bzw. Konstruktionsstahl; bei Temperaturen unterhalb der DBTT tritt ein Fehler tendenziell bei einem Spalt-(Spröd-)-Bruch mit geringer Energie auf, wohingehend bei Temperaturen oberhalb der DBTT ein Fehler tendenziell bei einem Verformungsbruch mit hoher Energie auftritt;
Versetzung: eine lineare Unvollkommenheit in einem Kristallfeld von Atomen;
Versetzungsblockade: ein Phänomen, bei dem ein Hindernis (beispielsweise eine Korngrenze, oder eine Ausfällung bzw. eine Absetzung) die Bewegung von Versetzungen in einem Metall verhindert oder behindert;
Versetzungsanhäufung: diese tritt dann auf, wenn mehrere Versetzungen, die sich entlang derselben oder nahezu entlang derselben Verschiebungsebene bewegen, in ein Hindernis laufen und sich nahe zueinander aufstapeln;
Im wesentlichen: Im wesentlichen 100 Vol%;
Feinkörnige Struktur: Dies bedeutet, daß die säulenartige bzw. stengelige Korngröße (Breite) vorzugsweise bei weniger als 150 μm liegt, und weiter bevorzugt unterhalb von ungefähr 100 μm; ferner daß die Voraustenit-Korngröße vorzugsweise weniger als ungefähr 50 μm ist, weiter bevorzugt weniger als ungefähr 35 μm, und zudem weiter bevorzugt weniger als 20 μm; und daß die Martensit/Bainit-Paketgröße vorzugsweise niedriger als ungefähr 20 μm ist, weiter bevorzugt weniger als 15 μm, und zudem weiter bevorzugt weniger als ungefähr 10 μm;
GMAW: Gasmetall-Lichtbogenschweißen (Engl.: gas metal arc welding);
Korngröße: Durch das Linieninterceptverfahren bestimmte Korngröße;
HAZ: Wärmeeinflusszone bzw. -bereich;
Zwischenkritischer Temperaturbereich: Dieser geht von ungefähr der Ar₃ Transformationstemperatur zu der Ar₁ Transformationstemperatur beim Abkühlen;
K_IC : Kritischer Spannungsintensitätsfaktor;
kJ: Kilojoule;
kPa: Kilopascal;
ksi: Tausend Pfund pro Quadratinch;
Niedrig legierter Stahl: Ein Stahl mit weniger als insgesamt 10 Gew.% Legierungszusätzen;
Schweißen mit Eingangswärme: niedriger Schweißen mit Bogenenergien von vorzugsweise innerhalb dem Bereich von ungefähr 0.3 kJ/mm bis ungefähr 2.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 63.5 kJ/inch), jedoch bevorzugt im Bereich von ungefähr 0.5 kJ/mm bis ungefähr 1.5 kJ/mm (12.7 kJ/inch bis 38 kJ/inch);
Niedriger nicht-metallischer Einschlußgehalt: Die Zahl nicht-metallischer Einschlüsse pro Einheitsbereich, z.B., der Oberfläche einer Scheibe des erfindungsgemäß erzeugten Schweißmetalls, die größer als ungefähr 1000 nm im Hinblick auf den Durchmesser und vorzugsweise geringer als ungefähr 250 pro mm² sind;
Maximal zulässige Defektgröße: Kritische Defektlänge und Tiefe;
Mikroriß: bzw. mikroskopische Risse Der erste Anschein einer Materialtrennung am Anfang des Sprödbruchbeginns;
Mikrospannungen: Spannungen, die in einem Subkornbereich im Umfeld einer einzelnen (oder einer Gruppe von) Diskontinuität (oder Diskontinuitäten) auftritt, die beispielsweise einen Einschluß enthalten, oder eine Ausfällung oder einen kleinen Bereich einer zweiten Phase;
Mikrohohlraum: Ein in der Nähe einer Diskontinuität in einer Stahlmatrix auftretender Hohlraum, wie ein Einschluß, eine Ausfällung oder ein kleiner Bereich einer zweiten Phase;
MPa: Eine Million Pascal;
M_S Transformationstemperatur: Die Temperatur, bei der die Transformation von Austenit zu Martensit während dem Abkühlen startet;
ppm: ppm, Parts per Million;
Abschrecken: Im Sinne der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendet für ein beschleunigtes Abkühlen durch jedwedges Mittel, wodurch ein aufgrund seiner Tendenz zum Erhöhen der Abkühlrate des Stahls ausgewähltes Fluid verwendet wird, im Gegensatz zu einer Luftabkühlung;
Abschreck-Stopptemperatur (Engl.: Quench Stop Temperature): Die höchste oder im wesentlichen die höchste Temperatur, die bei der Oberfläche der Platte nach dem Beenden des Abschreckens erreicht wird, aufgrund einer Wärmeübertragung von der Mittendicke der Platte;
Bramme: Ein Stück von Stahl mit irgendwelchen Abmessungen;
Zugfestigkeit: Beim Zugversuch das Verhältnis der maximalen Last zu dem ursprünglichen Querschnittsbereich;
TIG Schweißen: Wolfram-Intertgas-Schweißen; T_nr Temperatur: Die Temperatur, unterhalb der Austenit nicht rekristallisiert bzw. wieder auskristallisiert;
USPTO: Patent- und Markenamt der Vereinigten Staaten; und
Schweißkonstruktion bzw. Schweißstelle: Eine geschweißte Verbindung einschließlich dem (i) Schweißmetall, (ii) der Wärmeeinflußzone (HAZ), und (iii) dem Basismetall in der "unmittelbaren Nachbarschaft" der Wärmeeinflußzone. Der Abschnitt des Basismetalls, der als in der "nahen Nachbarschaft" des Wärmeeinflußbereichs liegend angesehen wird und demnach ein Teil der Schweißkonstruktion darstellt, variiert in Übereinstimmung mit Faktoren, die für den für den Stand der Technik Vertrauten bekannt sind, beispielsweise – ohne Einschränkung – der Breite der Schweißkonstruktion, der Größe des geschweißten Gegenstands, der Zahl von Schweißvorgängen, die zum Herstellen des Gegenstands erforderlich sind, und der Distanz zwischen den Schweißkonstruktionen.

Claims

Verfahren zum Schweißen eines Basismetalls zum Erzeugen einer Schweißkonstruktion mit einer Zugfestigkeit von mehr als 900 MPa (130 ksi), derart, dass das Verfahren folgenden Schritt enthält: (i) Schweißen unter Einsatz eines Schutzgasschweißprozesses mit einem Argon-basierten Schutzgas und einem selbstverzehrenden Schweißdraht, der ein Schweißmetall mit Eisen und folgenden Legierungselementen erzeugt:. 0.06 Gew.% bis 0.10 Gew.% Kohlenstoff; 1.60 Gew.% bis 2.05% Mangan; 0.20 Gew.% bis 0.32 Silizium; 1.87 Gew.% bis 6.00 Nickel; 0.30 Gew.% bis 0.87 Chrom; und 0.40 Gew.% bis 0.56 Molybdän, wobei

das Schweißmetall eine Rißhaltetemperatur von weniger als –73°C (–100°F) mit einer feinkörnigen körperzentrierten kubischen Kristallstruktur von mindestens 50 Volumenprozent selbsttemperiertem Maschenmartensit und weniger als 250 nicht-metallische Einschlüssen mit einer Größe von mehr als 1000 nm im Durchmesser pro mm2 gemessen an der Oberfläche einer Scheibe des Schweißmetalls aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißmetall ferner mindestens ein Additiv enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0 Gew.% bis 0.30 Gew.% Kupfer, 0 Gew.% bis 0.020 Gew.% Aluminium; 0 Gew.% bis 0.015 Gew.% Zirkon und 0 Gew.% bis 0.010 Gew.% Titan:
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess bei einer Eingangswärme in den Bereich von 0.5 kJ/mm bis 1.5 kJ/mm (12.7 kJ/inch bis 38 kJ/inch) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess ein Gasmetall-Lichtbogenschweißen ist, und dass das Schweißmetall Eisen enthält, sowie ungefähr 0.07 Gew.% Kohlenstoff, ungefähr 2,05 Gew.% Mangan, ungefähr 0.32 Gew.% Silizium, ungefähr 2.20 Gew.% Nickel, ungefähr 0.45 Gew.% Chrom, ungefähr 0.56 Gew.% Molybdän, weniger als 110 ppm Phosphor und weniger als 50 ppm Schwefel.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess bei einer Eingangswärme in den Bereich von 0.3 kJ/mm bis 1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess ein Gasmetall-Lichtbogenschweißvorgang ist, und dass das Schweißmetall Eisen enthält, sowie ungefähr 1.60 Gew.% Mangan, ungefähr 0.25 Gew.% Silizium, ungefähr 1.87 Gew.% Nickel, ungefähr 0.87 Gew.% Chrom, ungefähr 0.51 Gew.% Molybdän, weniger als 75 ppm Phosphor, weniger als 100 ppm Schwefel und weniger als 0.10 Gew.% Kohlenstoff.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess mit einem Argon-basierten Schutzgas mit weniger als 1 Gew.% Sauerstoff erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess mit einer Eingangswärme in dem Bereich von 0.3 kJ/mm bis 1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess ein Wolfram-Inertgas-Schweißen ist, und dass das Schweißmetall Eisen enthält, sowie ungefähr 1.80 Gew.% Mangan, ungefähr 0.20 Gew.% Silizium, ungefähr 4.00 Gew.% Nickel, ungefähr 0.5 Gew.% Chrom, ungefähr 0.40 Gew.% Molybdän, ungefähr 0.30 Gew.% Kupfer, ungefähr 0.02 Gew.% Aluminium, ungefähr 0.010 Gew.% Titan, ungefähr 0.015 Gew.% Zirkon, weniger als 50 ppm Phosphor, weniger als 30 ppm Schwefel und weniger als 0.07 Gew.% Kohlenstoff.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasschweißprozess mit einer Eingangswärme in dem Bereich von 0.3 kJ/mm bis 1.5 kJ/mm (7.6 kJ/inch bis 38 kJ/inch) und einem Vorwärmen bei 100°C (212°F) erfolgt.
Schweißkonstruktion, die durch Schweißen von mindestens 2 Rändern eines Basismetalls unter Einsatz eines Schutzgasschweißprozesses hergestellt wird, sowie einem Argon-basierten Schutzgas, und einem selbstverzehrenden Schweißdraht, derart, dass die Schweißkonstruktion eine Zugfestigkeit von mindestens 900 MPa (130 ksi) aufweist, und enthält: (i) ein Schweißmetall mit einer Rißhaltetemperatur von weniger als –73°C (–100°F) und mit einer feingekörnten körperzentrierten kubischen Kristallstruktur mit mindestens etwa 50 Volumenprozent selbsttemperiertem Maschenmartensit und weniger als 250 nichtmetallischer Einschlüsse von einer Größe mehr als 1000 nm im Durchmesser pro mm2, gemessen an einer Oberfläche einer Scheibe des Schweißmetalls, und ferner enthaltend Eisen, sowie die folgenden Legierungselemente: 0.06 Gew.% bis 0.10 Kohlenstoff; 1.60 Gew.% bis 2.05 Mangan; 0.20 Gew.% bis 0.32 Silizium; 1.87 Gew.% bis Nickel; 0.30 Gew.% bis 0.87 Chrom; und 0.56 Gew.% bis 0.56 Molybdän;

(ii) eine Wärmeeinflusszone (HAZ); und (iii) Abschnitte des Basismetalls in der unmittelbaren Nähe der Wärmeeinflusszone (HAZ).
Schweißkonstruktion nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißmetall ferner mindestens einen Zusatz enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 0 Gew.% bis 0.30 Gew.% Kupfer, 0 Gew.% bis 0.020 Gew.% Aluminium; 0 Gew.% bis 0.015 Gew.% Zirkon und 0 Gew.% bis 0.010 Gew.% Titan.