-
Verfahren zum Elekt ronenstrahlschweißen Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen, das sich besonders zum Verschweißen
von Chrom-Molybdän-Stählen mit hohen Sauerstoffgehalten eignet.
-
Das Elektronenstrahlschweißen ist auf verschiedenen Gebieten wegen
seiner einzigartigen Vorteile wie hoher Schweißgeschwindigkeit, guter Schweißeindringtiefe,
begrenzter Grundmetallaufschmelzung und der Eignung zur Verbindung ungleicher Werkstoffe
in Anwendung. Das Verfahren hat jedoch auch Nachteile. Der Hauptnachteil ist die
häufige Bildung von Blasen bzw. Lunkern und Rissen im Schweißmetall. Dies gilt insbesondere
für Cr-Mo-Stähle mit Sauerstoffgehalten von 300 ppm oder mehr.
-
Versuche zeigten, daß unter mehreren für die Poren- und Rißbildung
als ursächlich betrachteten Faktoren die instabile Erstarrung des Schweißmetalls
der wichtigste Faktor ist. Diese Erscheinung tritt auf, wenn der Fortschritt der
Schweißraupenerstarrung innen langsamer als in den oberen Teilen der Schweißraupen
erfolgt. Es ist allgemein bekannt, daß die genannte Erscheinung von plötzlichem
Aufquellen und unzureichender Fluidität der Metallschmelze herrührt. Genauer ausgedrückt,
steigt das im Lauf des Elektronenstrahlschweißens geschmolzene Metall durch den
inneren Gasdruck oder den Dampfdruck des geschmolzenen Metalls über die Grundmetalloberfläche,
was man "plötzliches Aufquellen" nennt. Da der Oberflächenteil der Metallschmelze
mehr wärmeleitend als deren innerer Teil ist, neigt der erstere zum Abkühlen und
Erstarren, während er angehoben wird. Wenn dies geschieht, wird der innere Teil
leicht nur unvollständig mit Metallschmelze gefüllt, so daß häufig Poren oder Risse
entstehen. Die mangelnde Füllung oder "Unterfüllung" läßt sich in gewissem Grad
durch eine Maßnahme zur Verbesserung der Fluidität der Metallschmelze korrigieren.
Dies zu erreichen, ist jedoch so schwierig, daß sich keine der bisher vorgenommenen
Maßnahmen als voll wirksam erwies. Z. B.
-
wird die Verbesserung der Fluidität selbst durch Senken der Schweißgeschwindigkeit
oder Zufuhren eines Zusatzes zur Schweißzone bewirkt, der eine Steigerung der Fluidität
der Metallschmelze hervorruft. Jedoch ist eine verringerte Arbeitsgeschwindigkeit
nicht praktisch, da sie einen Vorteil des Elektronenstrahlschweißens, nämlich die
hohe Schweißgeschwindigkeit, wieder beseitigt und somit unter wirtschaftlichem Gesichtspunkt
unerwünscht ist. Der Zusatz eines die Fluidität steigernden Materials zur Schmelzzone
bringt Schwierigkeiten in der Materialwahl und der Steuerung der zuzusetzenden Menge
mit sich. Außerdem muß
besondere Sorge bei Einrichtung der Mittel
zum Zuführen eines solchen Materials getragen werden. Zusätzlich begrenzt die Ungleichheit
der Zusammensetzung des Schweißmetalls und des Grundmetalls die Anwendung dieser
Technik. Unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten besteht ein Bedarf an einem
neuartigen Elektronenstrahlschweißverfahren, das sämtliche Poren- oder Rißbildungen
im Schweißmetall eliminiert. Auch war die Entwicklung eines Verfahrens zum befriedigenden
Verbinden von Werkstücken aus Cr-Mo-Stählen mit hohen Sauerstoffgehalten dringend
erwünscht.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Elektronenstrahlschweißverfahren
zu entwickeln, bei dem die Bildung irgendwelcher Poren der Risse im Schweißmetall
ausgeschlossen wird und das sich besonders zum Verschweißen von Cr-Mo-Stählen eignet.
-
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein
Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen durch Bestrahlen des Grundmetalls mit einem
Elektronenstrahl und dadurch Bilden von Schweißraupen, mit dem Kennzeichen, daß
der vorragende Teil jeder Schweißraupe, der eine Ausdehnung der Erstarrungslinie
der Schweißraupe in der Schweißrichtung bildet, nach Erstarren der Oberfläche der
Schweißraupe bei noch im geschmolzenen Zustand befindlichem inneren Teil derselben
mittels eines Elektronenstrahls, Laserstrahls oder Plasmalichtbogens wieder geschmolzen
wird.
-
Durch dieses Wiederaufschmelzen und erneute Erstarren des oberen
Teils jeder durch das Elektronenstrahlschweißen gebildeten Schweißraupe läßt sich
in verläßlicher Weiße die unzureichende Füllung des mittleren Teils im Inneren der
Schweißraupe korrigieren.
-
Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, ist es wesentlich, die Zeit
des Wiederaufschmelzens der Schweißraupen, die Tiefe des Wiederaufschmelzens und
die Mittel zum Wiederaufschmelzen geeignet zu wählen. Wenn diese Bedingungen nicht
ausreichend erfüllt werden, ist das Verhindern von Poren und Rissen schwierig. Die
Bedingungen werden im folgenden näher erläutert: Jede Schweißraupe sollte unverzüglich
nach ihrer Oberflächenerstarrung wieder aufgeschmolzen werden. Die Wiederaufschmelztiefe
ist vorzugsweise angenähert die halbe Eindringtiefe der Schweißraupe. Das zu verwendende
Wiederaufschmelzmittel wird aus der Gruppe Elektronenstrahl, Laserstrahl und Plasmalichtbogen
gewählt. Auf die Gründe zur Beschränkung auf diese Heizquellen wird im Zusammenhang
der Beschreibung noch eingegangen.
-
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt einer
Schweißverbindung mit einer durch Elektronenstrahlschweißen gebildeten einwandfreien
Schweißraupe, Fig. 2 einen Längsschnitt der in Fig. 1 dargestellten Verbindung,
Fig. 3 einen Querschnitt einer Schweißverbindung mit einer durch Elektronenstrahlschweißen
gebildeten fehlerhaften Schweißraupe, Fig. 4 einen Längsschnitt der in Fig. 3 gezeigten
Verbindung, Fig. 5 eine 2,5fach vergrößerte Aufnahme eines Querschnitts
einer
Schweißraupe, die durch Verbinden von Cr-Mo-Stahlwerkstücken durch Elektronenstrahlschweißen
erhalten wurde, Fig. 6 eine 2,5fach vergrößerte Aufnahme eines Längsschnitts der
in Fig. 5 gezeigten Schweißraupe, Fig. 7 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 8 einen Querschnitt einer erfindungsgemäß
erhaltenen Schweißraupe, und Fig. 9 eine 2,5fach vergrößerte Aufnahme eines Querschnitts
einer erfindungsgemäßen Schweißraupe.
-
Beim Elektronenstrahlschweißen ist es erwünscht, daß die Schweißraupen
mit einwandfreiem Umriß gebildet werden, worin die Erstarrung vom unteren Schmelzbereich
aus aufwärts fortschreitet. Wenn der Gasgehalt eines Grundmetalls niedrig ist, ist
die Wahrscheinlichkeit eines plötzlichen Aufquellens gering, und wenn die Fluidität
des geschmolzenen Metalls gut ist, läßt sich die unzureichende Füllung der Schweißraupen
auch dann korrigieren, wenn die Aufquellerscheinung auftritt. Daher erhält man,
wenn ein Grundmaterial, das diese beiden Anforderungen erfüllt, mit einem Elektronenstrahl
bestrahlt wird, um eine keilförmige Schweißraupe zu bilden, die im unteren Teil
eng und im oberen Teil breit ist, eine gesunde und fehlerfreie Schweißraupe. Die
Fig. 1 und 2 zeigen die Ausbildungen einer Schweißraupe, die fehlerfrei erstarrte.
Fig. 1 stellt einen Querschnitt und Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Schweißverbindung
mit
der Schweißraupe dar. Schweißraupen 2, die durch Bestrahlen der Grundmaterialwerkstücke
1 und 1 a mit einem Elektronenstrahl gebildet sind, ziehen glatte und regelmäßige
Erstarrungslinien 3, die zueinander parallel sind, wenn die Erstarrung fehlerfrei
erfolgt. Solche wünschenswerte Schweißraupen werden jedoch selten erhalten. In den
meisten Fällen werden die inneren Bereiche des Schweißeindringraumes unzureichend
gefüllt, so daß Poren, Risse oder andere Fehler entstehen. Dies gilt fast stets
beim Elektronenstrahlschweißen von Cr-Mo-Stählen. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt
durch eine Schweißverbindung mit einer Schweißraupe, in der die Erstarrung der Metallschmelze
nicht normal, sondern in den oberen Bereichen zuerst fortschritt. In diesem Fall
ist die Schmelzbreite, die zuerst erstarrte, üblicherweise geringer als die, wo
sich die Erstarrung verzögerte. Die Erstarrungslinien 3 der Schweißraupen ergeben
dann ein Muster wie das in Fig. 4 gezeigte, d. h. die wegen verzögerter Erstarrung
unzureichend mit geschmolzenem Metall gefüllten Teile 3 a sind eingehöhlt, während
die oberen Teile 3b, die eher erstarrten, vorspringen. Die Unterfüllungsteile 3a
haben Fehler, wie z. B. Poren 4 und Risse 5. Das Nacheilen im Lauf der Erstarrung
in den Schweißraupen variiert nicht nur mit der Art des Grundmetalls, sondern auch
mit dem Brennpunkt des Elektronenstrahls. Wenn z. B. der Elektronenstrahl auf einen
Punkt unter der Oberfläche des Grundmetalls fokussiert ist, um eine Schweißraupe
des Umrisses gemäß Fig. 1 zu bilden, neigt das Vorderende der Schweißraupe zur Abweichung
von der Schweißlinie des Grundmetalls. Aus diesem Grunde ist es erwünscht, Schweißraupen
zu erhalten, die eine gleichmäßige Schmelztiefe über die gesamte Schweißraupenhöhe
aufweisen. Jedoch erstarrt auch hier wieder der obere Teil des Schweißmetalls zuerst,
so daß Fehler im oberen Teil auftreten.
-
Fig. 5 zeigt eine 2,5fach vergrößerte Aufnahme, die einen Querschnitt
einer Schweißraupe darstellt, die durch Beschichten eines Grundmetalls aus "JIS"
(Japanischer Industrie-Standard) "SM 41" (gewalzter Stahl für Schweißkonstruktion,
Klasse 1, Zugfestigkeit 41 - 52 kg/mm ) mit 2 1/4 Gew.-% Cr - 1 Gew.-% Mo-Stahl
mittels Schweißens mit verdecktem Lichtbogen und anschließendes Stumpfschweißen
der beschichteten Werkstücke mittels Elektronenstrahlschweißens unter Erhalten eines
parallelen Querschnittsumrisses gebildet wurde. Fig. 6 zeigt eine 2,5fach vergrößerte
Aufnahme zur Abbildung eines Längsschnitts durch die gleiche Schweißstelle. Diese
Abbildungen zeigen deutlich, daß die Schweißstellen, wo die Erstarrung verzögert
wurde, Risse aufweisen.
-
Wie schon im Zusammenhang mit Fig. 4 bemerkt wurde, ist es auch klar,
daß die Erstarrungslinien so gekrümmt sind, daß sie anzeigen, daß die Schweißraupen
in den mittleren Teilen der Raupen einsinken, während sich ihre oberen Teile in
der Schweißrichtung vorwölben. Die Zusammensetzung des 2 1/4 Gew.-% Cr - 1 Gew.-%
Mo-Stahls, der zum Beschichten des erstgenannten Stahls verwendet wurde, ist folgende:
0,12 Gew.-% C, 0,15 Gew.-% Si, 0,63 Gew.-% Mn, 2,4 Gew.-% Cr, 1,0 Gew.-%Mo und 500
ppm O2 Nach einer Anzahl von Versuchen zur Auffindung der Gründe der Blasen bzw.
Poren und Risse in Schweißstellen wurde gefunden, daß sich diese Fehler in etwa
1/3 bis 1/2 der Schmelztiefe, gemessen von der Schweißraupenoberfläche, entwickeln.
Wie schon bemerkt, schreibt man solche Fehler, wie Schweißrisse und Poren der Tatsache
zu, daß die Erstarrung des geschmolzenen Metalls nicht normal fortschreitet, sondern
zunächst in den oberen Teilen der Schweißraupen erfolgt. Das bedeutet, daß sich
die Fehler vermeiden lassen, indem man die Schweißbereiche
unmittelbar
nach ihrer Erstarrung erneut aufschmilzt. Dies überwindet das Problem der Nacheilung
bei der Erstarrung der mittleren Teile der Schmelzeindringbereiche, und diese Teile
werden zur Beseitigung der Fehler völlig aufgefüllt. Zum erfolgreichen Wiederaufschmelzen
für den angegebenen Zweck ist die Festlegung der Zeit hierfür wesentlich. Eine Verzögerung
des Wiederaufschmelzens oder ein Wiederaufschmelzen, nachdem eine weitgehende Erstarrung
des geschmolzenen Metalls stattgefunden hat und sich bereits Poren und Risse gebildet
haben, ist nutzlos. Ein zu frühes Wiederaufschmelzen verfehlt ebenfalls das angestrebte
Ziel. In der Praxis ist es erforderlich, das Wiederaufschmelzen unverzüglich nach
Erstarren der Oberfläche der gerade gebildeten Schweißraupe vorzunehmen. Dies erreicht
man während jedes Durchlaufs des Elektronenstrahlschmelzens durch Wieder aufschmelzen
der im unmittelbar vorangehenden Durchlauf gebildeten Schweißraupe. Die Festsetzung
der Wiederaufschmelztiefe ist ebenso wesentlich. Das erneute Aufschmelzen sollte
bis wenigstens in eine Tiefe erfolgen, die ausreicht, daß die in der Schweißrichtung
vorspringenden Teile (3b in Fig. 4) schmelzen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt
wird, erhalten die Bereiche der verzögerten Erstarrung nicht den erforderlichen
Nachschug an geschmolzenem Metall, und die Erstarrungslinien ziehen ein in Fig.
4 gezeigtes Muster, bei dem noch Poren und Risse entstehen. Die Maximaltiefe des
Wiederaufschmelzens reicht bis da hinab, bis wo die Erstarrung verzögert war. Wird
das Wiederaufschmelzen bis noch tiefer durchgeführt, tritt erneut eine Verschlechterung
der Schweißstelle durch die Erschei nung des plötzlichen Aufquellens auf. Da Fehler
üblicherweise im Tiefenbereich von einem Drittel bis zur Hälfte, gemessen von den
Oberflächen der Schweißraupen aus, auftreten, muß nur dieser besondce Tiefenbereich
wieder aufgeschmolzen
werden. Das Mittel zum Wiederaufschmelzen
soll aus der Gruppe Elektronenstrahl, Laserstrahl und Plasmalichtbogen gewählt werden.
Falls man andere Mittel verwendete, würden nicht nur die Vorteile des Elektronenstrahlschweißens
beeinträchtigt, sondern es würden auch eine Deformation und das Entstehen von Restspannungen
gefördert.
-
Mit diesen anderen Mitteln erhält man in keinem Fall befriedigende
Ergebnisse.
-
Fig. 7 veranschaulicht eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete Anordnung. Ein Paar von Einrichtungen zum Elektronenstrahlschweißen
sind in Tandem-Anordnung dargestellt. Während die vorangehende Einrichtung 6 in
einem Schweißdurchlauf ist, schmilzt die nachfolgende Einrichtung 7 den vorspringenden
Teil 3b der gerade gebildeten Schweißraupe 2 wieder auf. In dieser Weise wird jede
Erstarrungslinie 3 geglättet, und es findet keine Poren- oder Rißbildung mehr statt.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete
Schweißraupe. Die durch den vorderen Elektronenstrahl erzeugte Schweißraupe 2 hat
einen durch ausgezogene Linien angedeuteten Umriß, weil der obere Teil des geschmolzenen
Metalls aufgrund plötzlichen Aufquellens zuerst erstarrt.
-
Die nachfolgende Wiederaufschmelzeinrichtung 7 bildet dann eine Schweißraupe
8, die durch Strichpunktlinien dargestellt ist. Die beiden Schweißraupen 2, 8 werden
so unter Bildung eines metallographisch zusammengewachsenen Gebildes gewünschten
Umrisses kombiniert. Erfindungsgemäß ist die Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls,
Laserstrahls oder Plasmalichtbogens zur Verwendung beim Wiederaufschmelzen der Schweißraupen
zweckmäßig mit einem Mechanismus zum Verstellen des Strahls oder Lichtbogens nach
vorn oder hinten und nach
rechts oder links ausgerüstet. Vorzugsweise
ist der Mechanismus beweglich, um an die Größe der vorgewölbten Teile 3b jeder Schweißraupe
während des Wiederaufschmelzens angepaßt werden zu können.
-
In dieser Weise lassen sich die vorspringenden Teile wirksam wiederaufschmelzen.
-
Die Erfindung ist vorteilhaft auf das Elektronenstrahlschweißen von
Cr-Mo-Stählen anwendbar, die 1 - 3 Gew.-96 Cr, 0,5 - 1,5 Gew.-% Mo und wenigstens
300 ppm O2 enthalten. Die Stähle dieses Typs, die häufiges plötzliches Aufquellen
und eine sehr geringe Fluidität im geschmolzenen Zustand zeigen, wurden bisher als
nach der Elektronenstrahltechnik nicht schweißbar betrachtet.
-
Die Erstarrungslinien von Schweißraupen lassen sich z. B. unter Einsatz
von Ultraschallwellen erfassen. Die Verwendung eines solchen Detektors ist beim
Schweißvorgang zweckmäßig.
-
Als Beispiel der Erfindung wurde folgender Schweißvorgang durchgeführt:
Grundmetall aus "JIS SM 41" wurde mit einer 20 mm dicken Schicht aus 2 1/4 Gew.-%
Cr - 1 Gew.-% Mo-Stahl durch Schweißen mit verdecktem Lichtbogen beschichtet. Zwei
Werkstücke des so plattierten Grundmetalls wurden stumpfverschweißt. Die Dicke des
Grundmetalls war 50 mm und die Schweißlänge 200 mm. Die Zusammensetzung des Beschichtungsmetalls
war 0,12 Gew.-% C, 0,17 - Gew.-qd Si, 0,61 Gew.-% Mn, 2,52 Gew.-% Cr, 1,05 Gew.-%
Mo und 515 ppm °2' Rest Eisen. Zwei Elektronenstrahlschweißeinrichtungen wurden
in Tandem-Anordnung vorgesehen. Die vordere Einrichtung verschweißte Stoß an Stoß
gefügte Flächen der Werkstücke, und die nachfolgende Einrichtung
schmolz
die durch di e erstere erzeugten Schweißraupen wieder auf.
-
Die Arbeitsbedingungen der führenden Elektronenstrahlschweißeinrichtung
waren: Beschleunigungspotential 50 kV; Schweiß strom 400 m A ; Schweißgeschwindigkeit
0,2 m/sec; Abstand zwischen der Elektronenschleuderspitze und der Grundmetalloberfläche
150 mm; Brennpunkt des Elektronenstrahls + 100 mm. Das Schweißen unter diesen Bedingungen
ergab parallele Schweißraupen mit einer Eindringtiefe von 50 mm.
-
Die nachfolgende Elektronenstrahlschweißeinrichtung wurde da angeordnet,
wo eie iede Schweißraupe, sobald sie von der vorderen Einrichtung gebildet war,
wieder aufschmelzen konnte. Ihre Arbeitsbedingungen waren: Beschleunigungspotential
50 kV; Schweißstrom 200 mA; Schweißgeschwindigkeit 0,2 m/sec; Abstand zwischen der
Elektronenschleuderspitze und der Grundmetalloberfläche 150 mm; Brennpunkt des Elektronenstrahls
- 125 mm. Das Schweißen unter diesen Bedingungen erzeugte keilförmige Schweißraupen
mit einer Eindringtiefe von 25 mm.
-
Das Elektronenstrahlschweißen nac h dem beschriebenen Verfahrensablauf
ergab von Poren oder Rissen freie Schweißstellen. Die Erstarrungs linien der so
gebildeten Schweißraupen waren glatt und regelmäßig, wie in Fig. 7 gezeigt ist.
Das rißfreie Gefüge der Schweißraupen wird aus Fig. 9 offenbar, die eine 2,5fach
vergrößerte Aufnahme zur Abbildung eines Querschnitts durch eine nach dem vorstehend
beschriebenen Verfahren gebildete Schweißraupe zeigt.
-
Wie die Beschreibung erkennen läßt, ermöglicht die Erfindung die
Verhinderung der Bildung von Rissen und Poren im fertigen Schweißmetall während
des Elektronenstrahlschweißens. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist daher besonders
zum Elektronenstrahlschweißen von Cr-Mo-Stählen mit hohen Sauerstoffgehalten geeignet.