DE60029917T2

DE60029917T2 - Schweisszusatzwerkstoff und Verfahren zum Lichtbogenschweissen von niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahl

Info

Publication number: DE60029917T2
Application number: DE60029917T
Authority: DE
Inventors: Chita Works Yukio Handa-shi Miyata; Chita Works Mitsuo Handa-shi Kimura; Chita Works Takaaki Handa-shi Toyooka; Technical Research Laboratories Hideaki Chiba-shi Ishii; Technical Research Laboratories Koichi Chiba-shi Yasuda; Tetsuya Hamakita-shi Sango; Tamao Hamakita-shi Takatsu; Takashi Hamakita-shi Ohmae
Original assignee: JFE Steel Corp; Nippon Welding Rod Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Nippon Welding Rod Co Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: JP3576472B2; NO20006582D0; JP2001246494A; DE60029917D1; EP1112804A2; NO20006582L; ATE335567T1; EP1112804A3; EP1112804B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtbogenschweißverfahren für niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlmaterialien und insbesondere einen Schweißzusatzwerkstoff, welcher eine Schweißzone mit überlegener Niedrigtemperaturzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitstellen kann. Dies wird ohne das Bedürfnis von Vorwärmen oder Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) erzielt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen neuen Lichtbogenschweißzusatzwerkstoff.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Immer häufiger enthält das neuerdings produzierte Öl und Erdgas feuchten Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Dies korrodiert im Wesentlichen Kohlenstoffstahl und niedriglegierten Stahl. Um diese korrodierenden Öl- und Erdgasmaterialien zu transportieren, wird normalerweise ein Korrosionshemmstoff hinzugefügt, um die Korrosion von Leitungsrohren und Stahlrohren zu verhindern.
Die Hinzufügung eines Korrosionshemmstoffes erhöht jedoch die Kosten und seine Anwendung wird aufgrund ökologischer Gründe eingeschränkt. Demzufolge wurde ein Stahlrohr mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, auch ohne Hinzufügung eines Korrosionshemmstoffes, seit jüngstem nachgefragt.
Rostfreier Duplexstahl wurde für Korrosionsbeständigkeit in Leitungsrohren in einigen Anwendungen verwendet, aber dieser hat den Nachteil, dass dessen Materialkosten hoch sind. Deshalb wurde die Anwendung von martensitischem rostfreiem Stahl erforderlich, welcher geeignete Korrosionsbeständigkeit hat und nicht so teuer wie ein rostfreier Duplexstahl ist.
Im Hinblick auf solch ein Bedürfnis haben beispielsweise die japanischen ungeprüften Patentanmeldungen, Veröffentlichungsnr. 4-99154 und 4-99155, niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlrohre für Leitungsrohre vorgeschlagen, welche verringerte Mengen an Kohlenstoff und Stickstoff haben und welche austenitstabilisierende Elemente und 11 bis 15% an Chrom enthalten und welche hinsichtlich der Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit in einer Kohlendioxid enthaltenden Umgebung überlegen sind.
Diese niedriggehohlten martensitischen rostfreien Stahlrohre haben aufgrund der reduzierten Mengen an Kohlenstoff und Stickstoff eine verbesserte Schweißbarkeit, was das Vermeiden von Vorwärmen und PWHT ermöglicht. Deshalb haben die niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlrohre im Vergleich zu den konventionellen martensitischen rostfreien Stahlrohren eine merklich verbesserte Schweißbarkeit.
Leitungsrohre werden durch Umfangsschweißung verbunden. Verschiedene Schweißzusatzwerkstoffe wurden benutzt und jeder Schweißzusatzwerkstoff weist Probleme auf.
Beispielsweise hat ein Schweißzusatzwerkstoff für einen martensitischen rostfreien Stahl, welcher ein Anpassungszusatzwerkstoff ist, die Nachteile, dass die Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffes gering ist und dass der Schweißzusatzwerkstoff extrem hart und anfällig für Kaltrisse ist und erfordert deshalb Vorwärmen oder PWHT, wodurch die Schweißproduktivität verringert wird.
Andererseits hat ein austenitischer rostfreier Stahl oder Nickelbasis-Superlegierungs-Schweißzusatzwerkstoff hervorragende Korrosionsbeständigkeit in der Schweißzone, ist aber anfällig für so genanntes "Unteranpassen" (undermatching), bei der die Festigkeit der Schweißzone minderwertiger als die des Grundmetalls ist.
Betreffend rostfreie Duplexstahl-Schweißzusatzwerkstoffe können 22 Cr-basierende rostfreie Duplexstahl-Schweißzusatzwerkstoffe nicht genügend Festigkeit in der Schweißzone zum Erhalten von Grad X80 Festigkeit bereitstellen, welche eine allgemeine Festigkeit von martensitischen rostfreien Stahlleitungsrohren ist, und kostenspieligere 25 Cr-basierende rostfreie Duplexstahl-Schweißzusatzwerkstoffe sollten für das Schweißen benutzt werden. Außerdem nimmt die Festigkeit von rostfreiem Duplexstahl generell mit einer Zunahme der Temperatur drastischer als die von martensitischen rostfreien Stahl ab. Daher, obwohl das resultierende Gefüge in einem Zustand von Über-Anpassung bei Raumtemperatur ist, kann es sich bei 100 bis 200 °C zu Unter-Anpassung umbilden, selbst wenn 25 Cr-basierender rostfreier Duplexstahl benutzt wird. Außerdem bestehen Bedenken, dass Schweißen mit einem rostfreien Duplexstahl-Schweißzusatzwerkstoff selektive Korrosion (preferential corrosion) verursachen kann, welche auf den Unterschied der chemischen Komponenten zwischen der Schweißzone und dem Grundmetall zurückführbar ist.
Unter diesen Umständen wurde ein günstiger, sehr starker, anpassender Schweißzusatzwerkstoff als ein Schweißzusatzwerkstoff für niedriggekohltes martensitisches rostfreies Stahlmaterial verlangt, welcher einen Schweißzusatzwerkstoff mit hoher Zähigkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit bereitstellen kann und welcher hinsichtlich der Schweißproduktivität hervorragend ist.
In Antwort auf diese Nachfrage hat die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 7-185879, ein Komponentensystem vorgeschlagen, welches 0,01 bis 0,04 Gew.-% an Kohlenstoff, vorausgesetzt dass die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Stickstoff 0,02 bis 0,06 Gew.-% ist, 0,01 bis 0,5 Gew.-% an Silizium, 0,1 bis 2,0 Gew.-% an Mangan, 11,0 bis 15,0 Gew.-% an Chrom, 3,5 bis 7,0 Gew.-% an Nickel, 0,7 bis 3,0 Gew.-% an Molybdän und 0,01 bis 0,2 Gew.-% an Niob enthält und welches den Rest von Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen umfasst.
Die in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 7-185879, beschriebene Technologie kann einen Schweißzusatzwerkstoff bereitstellen, welcher eine Zähigkeit von ungefähr nur 100 J hat, ausgedrückt in Charpy absorbierte Energie bei 0 °C, und ein Problem hinsichtlich der Schweißproduktivität hat, weil es PWHT für eine Stunde oder länger erfordert, um einen Schweißzusatzwerkstoff mit diesem Zähigkeitsniveau zu erhalten.
Es ist erforderlich, dass das Verlegen von Leitungsrohren in einer kurzen Zeit ausgeführt wird. Insbesondere werden Leitungsrohre, welche unter dem Meer verlegt werden, generell zum Verlegen Umfangsschweißung auf dem Schiff unterworfen. Weil die Kosten des Schiffs an sich hoch sind, ist es erforderlich, die Schweißzeit auf dem Schiff zum Verlegen zu verkürzen. Aus diesem Grund neigt man dazu, einen Schweißzusatzwerkstoff zu vermeiden, welcher zeitintensives Vorwärmen und PWHT erfordert. Außerdem werden Leitungsrohre häufig in eisigen Umgebungen verlegt und es ist deshalb erforderlich, dass sie eine hohe Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise bei –40 °C aufweisen.
Der Stand der Technik EP-A1-0 953 401 offenbart ein Schweißverfahren, welches das Schweißen von Hoch-Cr-Stählen ermöglicht, welches keine Vor- und Nachschweißwärmebehandlungen erfordert. In dem aus diesem Stand der Technik bekannten Schweißzusatzwerkstoff ist der Kohlenstoffanteil von 0,005 bis 0,12 Gew.-%.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das oben genannte Problem in dem Stand der Technik auf vorteilhafte Weise zu lösen und einen passenden Schweißzusatzwerkstoff für günstigen niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahl bereitzustellen, welcher ermöglicht, dass Vorwärmen und PWHT ausfallen und welcher einen Schweißzusatzwerkstoff mit hoher Zähigkeit und hervorragender Korrosionsbeständigkeit als einen Schweißzusatzwerkstoff für niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlrohre, die hauptsächlich als Leitungsrohre verwendet werden, bereitstellen kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lichtbogenschweißen von niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien bereitzustellen, welches eine niedriggekohlte martensitische rostfreie geschweißte Stahlstruktur erzeugen kann, welche einen Schweißzusatzwerkstoff mit hoher Zähigkeit und hervorragender Korrosionsbeständigkeit hat.
Wir haben intensiv geforscht, um Faktoren zu finden, welche die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere Beständigkeit gegenüber selektiver Korrosion von Schweißzusatzwerkstoff für martensitischem rostenfreiem Stahl beeinflusst, um die obigen Ziele zu erreichen.
Als ein Ergebnis haben wir herausgefunden, dass die Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffes signifikant durch Verringern der Gesamtmenge an Kohlenstoff und Stickstoff auf 0,02 Gew.-% oder weniger verbessert wird. Außerdem haben wir herausgefunden, dass selektive Korrosion von Schweißzusatzwerkstoff verhindert werden kann, indem der Schweißzusatzwerkstoff im Vergleich zu dem Grundmetall elektrochemisch edel ausgeführt wird, und haben herausgefunden, dass Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer wirksam sind, um den Schweißzusatzwerkstoff elektrochemisch edel auszuführen. Es ist wichtig, die Anteile an Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff in einem bestimmten Bereich relativ zu den Anteilen von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Grundmetall zu erhöhen.
Wenn jedoch die in dem Schweißzusatzwerkstoff vorhandenen Legierungselemente relativ zu denen in dem Grundmetall im Überfluss sind, neigen sie dazu, selektive Korrosion in der Wärmeeinflusszone und der Grundmetallzone zu verursachen. Auf Basis dieser Entdeckungen haben wir herausgefunden, dass selektive Korrosion in einer Chloridlösung bei einem niedrigen pH-Wert, wie beispielsweise eine wässrige Lösung von Natriumchlorid gesättigt mit Kohlenstoffdioxid verhindert werden kann, indem der folgende Parameter X auf –0,5 bis 5,0 kontrolliert wird; X = (Cr_w – Cr_B) + (Ni_w + Ni_B)/2 + (Mo_w – Mo_B)+(Cu_w – Cu_B)/4 ;wobei Cr_w, Ni_w, Mo_w und Cu_w jeweils den Anteil des entsprechenden Elementes in dem Schweißzusatzwerkstoff (in Gew.-%) bezeichnen und Cr_B, Ni_B, Mo_B und Cu_B jeweils den Anteil des entsprechenden Elementes in den niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterial (in Gew.-%) bezeichnen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheißzusatzwerkstoff für ein niedriggekohltes martensitisches rostfreies Stahlmaterial wie in Anspruch 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Lichtbogenschweißverfahren von niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien wie in Anspruch 2 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind in den abhängigen Unteransprüchen 3 bis 9 definiert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Obwohl der Schweißzusatzwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung hauptsächlich für die Nutzung beim Wolfram-Schutzgasschweißen (GTAW) und Metall-Schutzgas schweißen (GMAW) ist, so kann der Schweißzusatzwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung für Unterpulver-Schweißen (SAW) und Schweißen mit umgehüllter Elektrode (SMAW) benutzt werden.
Zuerst werden die Gründe zum Einschränken der Menge von jeder Komponente des Schweißzusatzwerkstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Begriff "Gew.-%" in der Zusammensetzung wird nachfolgend lediglich % beschrieben.
Gesamtmenge von Kohlenstoff und Stickstoff: 0,02 % oder weniger und 0,009 % oder weniger an Kohlenstoff
Sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff erhöhen die Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs signifikant. Wenn jedoch diese zwei Komponenten im Überfluss enthalten sind, verringern sie die Zähigkeit. In diesem Zusammenhang sind die Anteile an Kohlenstoff und Stickstoff vorzugsweise in dem Bereich, in welchem die gewünschte Festigkeit gewährleistet ist, so gering wie möglich. Die obere Grenze wurde auf 0,02% festgelegt, weil die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Stickstoff überschreitend 0,02% signifikant die Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs verringert. Die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Stickstoff ist 0,01 % oder mehr um die Festigkeit zu gewährleisten.
Silizium: 0,5 % oder weniger
Silizium ist eine die α-Phase stabilisierende Komponente und führt aufgrund der Bildung von δ-Ferritphase zu einer Verringerung der Zähigkeit, wenn es im Überfluss enthalten ist. Außerdem ist Silizium ein Desoxidationsmittel und wirkt zum Stabilisieren des Lichtbogens, um somit die Schweißbarkeit zu verbessern. Diese Effekte sind signifikant bemerkbar, wenn Silizium in einer Menge von 0,01 % oder mehr enthalten ist. Wenn Silizium jedoch in einer Menge von 0,5 % oder mehr enthalten ist, verringert die Komponente die Zähigkeit. Deshalb wurde die obere Grenze auf 0,5 % festgelegt.
Mangan: 0,2 bis 3
Mangan wirkt als ein Desoxidationsmittel beim Schweißzusatzwerkstoff und erhöht die Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs. Diese Effekte sind bemerkbar, wenn Mangan in einer Menge von 0,2 % oder mehr enthalten ist. Wenn der Mangananteil jedoch 3 % überschreitet, erhöht es die Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs zu sehr, was zu Schwierigkeiten bei der Herstellung führt. Deshalb ist der Mangananteil in dem Bereich von 0,2 bis 3 % festgelegt.
Chrom: 11 bis 15
Chrom erhöht die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs und muss in einer Menge von 11 % oder mehr in der vorliegenden Erfindung enthalten sein. Wenn der Chromanteil andererseits 15 % überschreitet, verbleibt δ-Ferrit in dem Schweißzusatzwerkstoff und verringert die Zähigkeit. Deshalb wurde der Chromanteil auf den Bereich von 11 bis 15 % festgelegt.
Nickel: 2 bis 7%
Nickel ist eine austenitstabilisierende Komponente und unterdrückt die Bildung von 6-Ferrit, um somit die Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs effektiv zu erhöhen. Ein Nickelanteil von 2% oder mehr ist erforderlich, um die Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs zu gewährleisten. Bei einem Nickelanteil überschreitend 7% verbleibt andererseits überschüssiger Austenit, um somit die Festigkeit zu verringern. Deshalb wurde der Nickelanteil in dem Bereich von 2 bis 7% festgelegt. Der Anteil ist vorzugsweise 5 bis 7%, um eine stabilere Zähigkeit zu gewährleisten.
Zusätzlich zu den oben genannten Hauptkomponenten kann der Schweißzusatzwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Komponenten, wie erforderlich, enthalten.
Eines oder beide von 2 % oder weniger an Kupfer und 4 % oder weniger an Molybdän:
Kupfer und Molybdän erhöhen die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs und eine oder beide von diesen Komponenten kann/können wie erforderlich enthalten sein. Bei dem Molybdänanteil überschreitend 4 % verbleibt jedoch 6-Ferrit in dem Schweißzusatzwerkstoff und bildet eine intermetallische Verbindung um somit die Zähigkeit zu verringern. Deshalb ist der Molybdänanteil vorzugsweise auf 4% oder weniger beschränkt. Der Molybdänanteil ist vorzugsweise 2 bis 3% um stabilere Eigenschaften zu gewährleisten.
Ein Kupferanteil überschreitend 2 % verringert die Produktivität des Schweißzusatzwerkstoffs. Deshalb ist der Kupferanteil vorzugsweise auf 2% oder weniger beschränkt, insbesondere in dem Bereich von 0,5 bis 1,5%.
Eine Gesamtmenge von 0,3 % oder weniger von einem oder beiden von Vanadium und Titan:
Sowohl Vanadium als auch Titan bilden Karbide und Nitride, um somit die Festigkeit zu erhöhen. Eine oder beide von diesen Komponenten kann/können wie erforderlich enthalten sein. Weil eine Gesamtmenge überschreitend 0,3 % an Vanadium und Titan die Zähigkeit signifikant verringert, wird eine obere Grenze vorzugsweise auf 0,3 % festgelegt. Besonders bevorzugt ist die Gesamtmenge dieser beiden Komponenten 0,03 bis 0,15 %.
REM: 0,3 % oder weniger
REM (Seltenerdmetalle) können den Lichtbogen stabilisieren, sogar wenn GMAW in einer reinen Inertgasatmosphäre, wie beispielsweise Ar und He eingesetzt wird, welche frei von aktiven Gasen, wie beispielsweise CO₂ und O₂ ist, und können bei der vorliegenden Erfindung wie erforderlich enthalten sein. Sie können Oxide verringern, welche für eine Verringerung der Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs verantwortlich sind und verbessern die Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs in der reinen Inertgasatmosphäre, welche frei von aktivem Gas, wie beispielsweise CO₂ und O₂ ist. Demzufolge kann REM gleichzeitig bei hohem Niveau die Stabilisierung des Lichtbogens erzielen und die Zähigkeit in dem Schweißzusatzwerkstoff während GMAW erzielen. Wenn der Anteil an REM 0,3 % überschreitet, verringert sich die Zähigkeit und Verarbeitbarkeit des Schweißzusatzwerkstoffs. Deshalb ist der Anteil an REM vorzugsweise auf 0,3 % oder weniger beschränkt.
Der Rest von Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen:
Der Rest der oben genannten Komponenten ist im Wesentlichen Eisen. Außerdem sind 0,01 % oder weniger an Schwefel, 0,03 % oder weniger an Phosphor und 0,01 % oder weniger an Sauerstoff akzeptable Verunreinigungen.
Nebenbei bemerkt werden die Anteile von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff in den oben beschriebenen Bereichen derart ausgewählt, so dass der Wert von X innerhalb eines vorbestimmten Bereichs fällt, wobei X durch einen Unterschied zwischen den Anteilen von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff und den Anteilen der gleichen Komponenten in den zu schweißenden niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien (Grundmetall) definiert ist.
Jedes der bekannten niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien ist zum Lichtbogenschweißen durch Nutzung des Schweißzusatzwerkstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet. Vorzugsweise haben die niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien, welche die vorliegende Erfindung betrifft, eine chemische Zusammensetzung wie nachfolgend beschrieben.
Die niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien enthalten vorzugsweise: 0,05 Gew.-% oder weniger an Kohlenstoff, 1,0 Gew.-% an Silizium, 0,10 bis 3,0 Gew.-% an Mangan, 0,03 Gew.-% oder weniger an Phosphor, 0,01 Gew.-% oder weniger an Schwefel, 10 bis 14 Gew.-% an Chrom, 0,03 Gew.-% oder weniger an Stickstoff und 1,0 bis 7,0 Gew.-% an Nickel, wahlweise ferner enthaltend 0,2 bis 3,5 Gew.-% an Molybdän und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-% an Kupfer, der Rest besteht aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen. Alternativ enthalten die niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien vorzugsweise ferner eine oder mehrere Komponenten ausgewählt aus 0,005 bis 0,20 % an Vanadium, 0,005 bis 0,20 % an Niobium, 0,005 bis 0,10 % an Titan und 0,005 bis 0,10 % an Zirkonium. Die niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien, welche die vorliegende Erfindung betrifft, haben reduzierte Mengen an Kohlenstoff und Stickstoff, um die Zähigkeit des Grundmetalls und die Schweißbarkeit zu verbessern. Kohlenstoff ist in einer Menge von 0,05 % oder weniger, vorzugsweise 0,02 oder weniger vorhanden und Stickstoff ist in einer Menge von 0,05 % oder weniger, vorzugsweise 0,02 % oder weniger vorhanden. Die Stahlmaterialien der vorliegenden Erfindung beabsichtigen Stahlrohre, Stahlplatten und Stahlbänder zu enthalten.
In dem Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird Lichtbogenschweißen durch Nutzung eines Schweißzusatzwerkstoffes durchgeführt, welcher eine Zusammensetzung in ungefähr den oben beschriebenen Bereichen hat und welcher Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in Mengen enthält, die im Wesentlichen die folgende Gleichung (1) relativ zu den Anteilen von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in den niedriggekohlten rostfreien Stahlmaterialien (Grundmetall), welche zu schweißende Materialien sind, erfüllen; –0,5 ≤ X ≤ 5,0 (1)wobei X = (Cr_w – Cr_B) + (Ni_w – Ni_B)/2 + (Mo_w – Mo_B) + (Cu_w – Cu_B)/4; Cr_w, Ni_w, Mo_w und Cu_w bezeichnen jeweils den Anteil des entsprechenden Elementes in dem Schweißzusatzwerkstoff (in Gew.-%) und Cr_B, Ni_B, Mo_B und Cu_B bezeichnen jeweils den Anteil des entsprechenden Elementes in den niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien (in Gew.-%).
Selektive Korrosion kann durch Beibehalten des Wertes von X in einem bestimmten Bereich verhindert werden, wobei X durch die Gleichung (1) als eine Funktion eines Unterschiedes in den Anteilen von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Grundmetall und dem Schweißzusatzwerkstoff definiert ist. Wenn X unterhalb –0,5 ist, dann ist der Schweißzusatzwerkstoff relativ zu dem Grundmetall elektrochemisch basisch, was selektive Korrosion in dem Schweißzusatzwerkstoff verursacht. Wenn andererseits X 5,0 überschreitet, dann ist die Schweißzusatzwerkstoffzone relativ zu dem Grundmetall elektrochemisch edel, was selektive Korrosion in dem Grundmetall oder in der Wärmeeinflusszone verursacht. Wenn eine Komponente nicht enthalten ist, soll ihr Anteil als 0 bei Berechnung von X in der Gleichung (1) angenommen werden.
Die Anteile von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff sind vorzugsweise in dem oben beschriebenen Bereich für jede Komponente kontrolliert, so dass die Gleichung (1) im Hinblick auf das Verdünnungsverhältnis des Grundmetalls gemäß den Lichtbogenschweißbedingungen und in Erwartung der Anteile von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff erfüllt ist.
Obwohl beim Lichtbogenschweißen häufig das Gleichspannungs-Schweißverfahren mit umgekehrter Polung (reverse polarity) der Elektrode eingesetzt wird, bei welchem ein Draht, eine Abbrandelektrode, mit der positiven Seite verbunden wird, kann sowohl das Gleichspannungs-Schweißverfahren von negativer Polung der Elektrode, bei welcher ein Draht mit der negativen Seite verbunden wird, als auch Lichtbogenschweißen, welches eine Wechselstrom-Energiequelle als eine Schweißquelle verwendet, ohne Weiteres eingesetzt werden, um Schweißzonen mit exzellenten Eigenschaften herzustellen, wenn der Schweißzusatzwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Schweißbedingungen können von einer Vielzahl von Bedingungen durch Nutzung des Schweißzusatzwerkstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden und durch unterwerfen desselben dem Gleichspannungs-Schweißverfahren von positiver Polung oder Wechselstrom-Schweißen.
Bei der vorliegenden Erfindung werden niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlmaterialien, welche enthalten: 0,05 % oder weniger an Kohlenstoff, 10 bis 14 Gew.-% an Chrom und 1,0 bis 7,0 Gew.-% an Nickel, wahlweise ferner umfassend 0,2 bis 3,5 Gew.% an Molybdän und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-% an Kupfer, Lichtbogenschweißen durch Nutzung eines Schweißzusatzwerkstoffes zum Herstellen einer niedriggekohlten martensitischen rostfreien geschweißten Stahlstruktur unterworfen, welcher Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer enthält, so dass die Gleichung (1) erfüllt ist. In der geschweißten Struktur enthält der Schweißzusatzwerkstoff in der Schweißzone Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in Mengen, welche die Gleichung (1) erfüllen, um somit die Bildung von selektiver Korrosion in der Schweißzone zu verhindern. Beispiele der geschweißten Struktur enthalten beispielsweise Leitungsrohrverbindungen mit Umfangsschweißung (Leitungsrohre), Rohrleitungen für chemische Anlagen und Brücken.
Beispiel 1
Niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlrohre (219 mm Durchmesser und 12,7 mm Dicke) mit einer chemischen Zusammensetzung wie in Tabelle 1 gezeigt als ein Grundmetall wurden Umfangsschweißung durch GTAW (Wolfram-Schutzgasschweißen) mit einer Wärmezuführung von 11 bis 17 kJ/cm in einer Argonatmosphäre durch Nutzung eines Drahts (eines Schweißzusatzwerkstoffes) mit einem Durchmesser von 3,2 mm und der in Tabelle 2 gezeigten chemischen Zusammensetzung zum Herstellen einer ge schweißten Struktur (eine Stahlrohrverbindung) unterworfen. Die Geometrie der Nut war eine V-geformte Nut mit einem Winkel von 70°. Ein Schweißzusatzwerkstoff eines rostfreien Duplexstahls wurde auch als ein herkömmliches Beispiel (Schweißzusatzwerkstoff Nr. 15) verwendet. Die Anteile von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff wurden auf Basis der Zusammensetzung des Grundmetalls und der Schweißbedingungen zum Anpassen der Anteile von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff bestimmt. Wärmebehandlung wurde weder vor noch nach dem Umfangsschweißen durchgeführt.
Probestücke wurde gemäß dem API Standard 1104 für die Schweißverbindung durch das Umfangsschweißen dieser geschweißten Strukturen gesammelt und jede Probe wurde hinsichtlich der Festigkeit der Schweißverbindung durch Zugversuch und hinsichtlich der Zähigkeit durch Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy ausgewertet. Die Ergebnisse des Zugversuchs sind als UM angezeigt, was andeutet, dass Bruch bei dem Schweißzusatzwerkstoff stattgefunden hat oder als ein Kreis angezeigt, was andeutet, dass Bruch an einer anderen Stelle als der des Schweißzusatzwerkstoffs stattgefunden hat. Die Ergebnisse des Kerbschlagbiegeversuchs nach Charpy sind als als ein Kreuz, was andeutet, dass die Bruch-Übergangstemperatur oberhalb –40 °C war, oder als ein Kreis angezeigt, was andeutet, dass die Bruch-Übergangstemperatur –40 °C oder weniger war.
Außerdem wurden Korrosionsbeständigkeitsversuche der Schweißzone durch Eintauchen der Probestücke für 168 Stunden in eine wässrige 10%ige NaCl-Lösung (Temperatur: 165 °C) gesättigt mit Kohlendioxid bei 5,0 MPa und durch visuelles und mikroskopisches Beobachten der Probestücke nach selektiver Korrosion durchgeführt. Wenn selektive Korrosion durch die Beobachtung entdeckt wurde, wurde die Stelle beschrieben. Wenn selektive Korrosion nicht entdeckt wurde, wird das Ergebnis als ein Kreis angezeigt.
Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
Es ist klar zu erkennen, dass die Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung niedriggekohlte martensitische rostfreie geschweißte Stahlstrukturen sind, welche kein Vorwärmen oder PWHT erfordern und welche Schweißzusatzwerkstoff mit hervorragender Fes tigkeit und Zähigkeit bereitstellen und welche keine selektive Korrosion des Schweißzusatzwerkstoffs verursachen und welche Schweißzonen mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Die Vergleichsbeispiele, welche von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abweichen (Verbindung Nr. T-4, Nr. T-5, Nr. T-6, Nr. T-7, Nr. T-8, Nr. T-9, Nr. T-12, Nr. T-16, Nr. T-18 und Nr. T-19) hatten andererseits eine verringerte Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs oder eine verringerte Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs oder zeigten selektive Korrosion bei entweder dem Schweißzusatzwerkstoff (WM), der Wärmeeinflusszone (HAZ) oder den Grundmetallen (BM). Das konventionelle Beispiel, welches einen rostfreien Duplexstahl-Schweißzusatzwerkstoff benutzte (Verbindung Nr. W-17), zeigte begünstigte Korrosion bei HAZ und BM.
Wie oben gezeigt, können niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlmaterialien bei hoher Produktivität und zuverlässig geschweißt werden und Schweißzonen mit hervorragenden Eigenschaften können durch Nutzung des Schweißzusatzwerkstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung und durch den Einsatz des Lichtbogenschweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
Beispiel 2
Niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlrohre (219 mm Durchmesser und 12,7 mm Dicke) mit chemischen Zusammensetzungen wie in Tabelle 1 gezeigt als ein Grundmetall wurden Umfangsschweißen durch GMAW (Metall-Schutzgasschweißen) durch Nutzung eines Drahts (ein Schweißzusatzwerkstoff) mit einem Durchmesser von 0,9 bis 1,2 mm und der in Tabelle 2 angegebenen chemischen Zusammensetzung zum Herstellen einer geschweißten Struktur (eine Stahlrohrverbindung) unterworfen. Die Lichtbogenschweißbedingungen wurden aus Kombinationen von vier Sorten von Schutzgas ausgewählt, d. h. Ar (bezeichnet als Ar), Ar + 30 Volumen-% an He (bezeichnet als Ar/He), Ar + 1 Volumen-% an CO₂ (bezeichnet als Ar/CO₂) und Ar + 30 Volumen-% an He + 1 Volumen-% an CO₂ (bezeichnet als Ar/CO₂/He) und drei Arten von Schweißverfahren, d. h. Gleichspannungsschweißen mit umgekehrter Polung der Elektrode, Gleichspannungsschweißen von negativer Polung der Elektrode und Schweißen durch Nutzung einer Wechselstrom-Energiequelle als eine Stromquelle. Außerdem waren die Wärmezufüh rungen 12 bis 22 kJ/cm. Die Geometrie der Nut war eine V-geformte Nut mit einem Winkel von 70°. Die Anteile von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff wurden auf Basis der Zusammensetzung des Grundmetalls und der Schweißbedingungen zum Einstellen der Anteile von Chrom, Nickel, Molybdän und Kupfer in dem Schweißzusatzwerkstoff nach Beispiel 1 geschätzt. Wärmebehandlung wurde wie in Beispiel 1 weder vor noch nach dem Umfangsschweißen durchgeführt.
Die Schweißverbindung durch Umfangsschweißen dieser geschweißten Strukturen wurde hinsichtlich der Festigkeit der Schweißverbindung durch Zugversuch und hinsichtlich der Zähigkeit durch Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy wie in Beispiel 1 ausgewertet. Die Ergebnisse des Zugversuchs und des Kerbschlagbiegeversuchs nach Charpy sind als ein Kreis, welcher andeutet, dass Bruch an einer anderen Stelle als der des Schweißzusatzwerkstoffs stattgefunden hat, und als ein Kreuz, was bedeutet, dass die Bruch-Übergangstemperatur über –40 °C oder als ein Kreis angezeigt, was bedeutet, dass die Bruch-Übergangstemperatur –40 °C oder weniger, wie im Beispiel 1, war.
Außerdem wurden Korrosionsbeständigkeitsversuche hinsichtlich der Schweißzonen wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Ergebnisse wurden wie in Beispiel 1 angezeigt, d. h. wenn selektive Korrosion durch die Beobachtung entdeckt wurde, wurde die Stelle beschrieben und wenn selektive Korrosion nicht entdeckt wurde, ist das Ergebnis als ein Kreis angegeben.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angezeigt.
Es ist klar, dass die Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung geschweißte Strukturen von niedriggekohltem martensitischem rostfreiem Stahl sind, welche kein Vorwärmen oder PWHT erfordern und welche Schweißzusatzwerkstoffe mit hervorragender Festigkeit und Zähigkeit bereitstellen können und welche keine selektive Korrosion des Schweißzusatzwerkstoffs verursachen und welche ein Schweißzone mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit haben, auch wenn die Lichtbogenschweißverfahrenbedingungen, wie beispielsweise Schutzgas und Polung verändert werden.
Die Vergleichsbeispiele, welche von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abweichen (Verbindung Nr. M-6, Nr. M-7 und Nr. M-17), hatten andererseits eine verringer te Festigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs oder eine verringerte Zähigkeit des Schweißzusatzwerkstoffs oder weisen selektive Korrosion bei dem Schweißzusatzwerkstoff auf (WM).
Wie oben gezeigt, können niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlmaterialien mit hoher Produktivität und zuverlässig geschweißt werden und Schweißzonen mit hervorragenden Eigenschaften können durch Nutzung des Schweißzusatzwerkstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung und Einsetzen des Lichtbogenschweißverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden.

Claims

Ein Schweißzusatzwerkstoff für ein niedriggekohltes martensitisches rostfreies Stahlmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzwerkstoff eine chemische Zusammensetzung hat, umfassend: insgesamt 0,02 Gew.-% oder weniger an Kohlenstoff und Stickstoff, 0,009 Gew.-% oder weniger an Kohlenstoff, 0,5 Gew.-% oder weniger an Silizium, 0,2% bis 3 Gew.-% an Mangan, 11 bis 15 Gew.-% an Chrom und 2 bis 7 Gew.-% an Nickel, wahlweise eines oder beide von 2 Gew.-% oder weniger an Kupfer und 4 Gew.-% oder weniger an Molybden, wahlweise eine Gesamtmenge von 0,3 Gew.-% von eines oder beide von Vanadium und Titan, wahlweise eine Gesamtmenge von 0,3 Gew.-% an REM, der Rest ist Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Ein Verfahren zum Schweißen von niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien mit einer chemischen Zusammensetzung umfassend: 0,05 Gew.% oder weniger an Kohlenstoff, 10 bis 14 Gew.-% an Chrom und 1,0 bis 7,0 Gew.-% an Nickel, wahlweise 0,2 bis 3,5 Gew.-% an Molybden und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-% an Kupfer, wahlweise eine oder mehrere Komponenten ausgewählt aus 0,005 bis 0,20% an Vanadium, 0,005 bis 0,20% an Niobium, 0,005 bis 0,10% an Titan und 0,005 bis 0,10% an Zirkonium durch Lichtbogenschweißen, wobei der beim Lichtbogenschweißen benutzte Schweißzusatzwerkstoff umfasst: insgesamt 0,02 Gew.-% oder weniger an Kohlenstoff und Stickstoff, 0,009 Gew.-% oder weniger an Kohlenstoff, 0,5 Gew.-% oder weniger an Silizium, 0,2% bis 3 Gew.-% an Mangan, 11 bis 15 Gew.-% an Chrom und 2 bis 7 Gew.-% an Nickel, wahlweise eines oder beide von 2 Gew.-% oder weniger an Kupfer und 4 Gew.-% oder weniger an Molybden, wahlweise eine Gesamtmenge von 0,3 Gew.-% oder weniger von eines oder beide von Vanadium und Titan, wahlweise eine Gesamtmenge von 0,3 Gew.-% oder weniger an REM, und enthält Chrom, Nickel, Molybden und Kupfer, so dass die Anteile an Chrom (CR_w), Nickel (Ni_w), Molybden (Mo_w) und Kupfer (Cu_w) in dem Schweißzusatzwerkstoff ein Verhältnis mit den Anteilen von Chrom (Cr_B), Nickel (Ni_B), Molybden (Mo_B) und Kupfer (Cu_B) in den niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien haben, welches die folgende Gleichung (1) erfüllt: –0,5 < X < 5,0 (1)wobei X = (Cr_w – Cr_B) + (Ni_w – Ni_B)/2 + (Mo_w – Mo_B) + (Cu_w – Cu_B)/4; Cr_w, Ni_w, Mo_w und Cu_w bezeichnen jeweils den Anteil des entsprechenden Elementes in dem Schweißzusatzwerkstoff (in Gew.-%) und Cr_B, Ni_B, Mo_B und Cu_B bezeichnen jeweils den Anteil des entsprechenden Elementes in den niedriggekohlten martensitischen rostfreien Stahlmaterialien (in Gew.-%), wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen ist.
Ein Lichtbogenschweißverfahren für niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlmaterialien nach Anspruch 2, wobei das Lichtbogenschweißen Metall-Schutzgasschweißen ist, welches ein Schutzgas von Ar, He oder ein Gemisch dieser Gase benutzt.
Ein Lichtbogenschweißverfahren für niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlmaterialien nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lichtbogenschweißen Metall-Schutzgasschweißen bei negativer Polung der Elektrode ist, bei welcher ein Draht als die negative Seite verwendet wird.
Ein Lichtbogenschweißverfahren für niedriggekohlte martensitische rostfreie Stahlmaterialien nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lichtbogenschweißen Me tall-Schutzgasschweißen ist, welches eine Wechselstrom-Energiequelle als eine Schweißquelle verwendet.