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Jan 23, 2024

Auswahl der Verbrauchsmaterialien für das Unterpulverschweißen

Im Gegensatz zu GMAW-, SMAW- und FCAW-Verbrauchsmaterialien, für die sich die erforderliche Klassifizierung leicht ermitteln lässt und das Produkt mit minimalem Aufwand ausgewählt werden kann, sind Flussmittel und Flussmittel für das Unterpulverschweißen (SAW).

Im Gegensatz zu GMAW-, SMAW- und FCAW-Verbrauchsmaterialien, für die sich die erforderliche Klassifizierung leicht ermitteln lässt und das Produkt mit minimalem Aufwand ausgewählt werden kann, erfordern Flussmittel- und Drahtkombinationen für das Unterpulverschweißen (SAW) einen mehrstufigen Prozess, um die optimale Wahl zu ermitteln.

Zu den Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, gehören:

Einige Hersteller von Schweißzusätzen verfügen über ein umfassendes Flussmittel- und Drahtportfolio. Wenn Sie alle möglichen Permutationen und Kombinationen von Flussmittel und Draht berücksichtigen, ist es möglich, dass Ihre aktuelle Kombination für Ihre Anwendung nicht optimal ist.

Auswahl der Schweißelektrode

Für eine bestimmte Anwendung wird die AWS/CSA-Elektrodenklassifizierung oft durch den verantwortlichen Ingenieur, die jeweilige Schweißvorschrift oder vielleicht einfach durch die Notwendigkeit einer Anpassung an die Chemie des Grundmaterials vorgegeben.

Ein gängiges Beispiel ist eine SMAW-Elektrode AWS E7018-1 oder CSA E4918-1 oder die gasgeschützten Flussmittelelektroden AWS E71T-1 oder CSA E491T1-C1A3-CS1.

Klassifizierung von SAW-Flussdrähten

Eine SAW-Elektrode hat normalerweise eine AWS-Klassifizierung, die durch die Elektrodenzusammensetzung bestimmt wird, sodass Sie eine gleichwertige Elektrode haben können. Für SAW-Flussmittel allein kann keine AWS/CSA-Klassifizierung gelten, daher gibt es kein „äquivalentes Flussmittel“.

Eine SAW-Flussmittel/Draht-Kombination hat jedoch eine AWS/CSA-Klassifizierung. Sie können eine äquivalente Flussmittel-/Drahtklassifizierung haben.

Bei der Auswahl eines Flussmittels/Drahts ausschließlich nach Klassifizierung ist Vorsicht geboten.

Abbildung 1

Zu Diskussionszwecken: Offene Lichtbogenelektroden ähnlicher Klassifizierung weisen vergleichbare Leistung und mechanische Eigenschaften auf. Beispielsweise können für die gleiche Anwendung im Allgemeinen unterschiedliche Marken/Handelsnamen ER70S-6 und BG 49A 3 C1 S6 MSG-Drähte verwendet werden.

Dies ist jedoch bei SAW-Flussmitteln und -Drähten nicht der Fall.

Beispielsweise verfügt Lincoln Electric über mehr als acht Flussmittel- und Drahtkombinationen, die alle der gleichen Klassifizierung F7A2-EM12K entsprechen. Die Elektrode in diesem Beispiel ist dieselbe (Lincolnweld L-61), aber mehrere Flussmittel ergeben diese Klassifizierung.

Im Gegensatz zu unserem Beispiel der GMAW-Elektrode kann die Leistung verschiedener Kombinationen für SAW enorm variieren, obwohl alle die gleiche Flussmittel-/Drahtklassifizierung haben.

Aktiver oder neutraler Fluss

Aktive Flussmittel fügen dem Schweißgut einen bestimmten Anteil an Silizium (Si) und Mangan (Mn) hinzu.

Neutrale Flussmittel tragen, wie der Name schon sagt, relativ geringe Mengen an Si und Mn bei.

Abhängig von der Wandneutralitätszahl wird ein Flussmittel als „aktiv“ oder „neutral“ eingestuft. Diese Zahl wird von den Flussmittelherstellern durch eine Reihe chemischer Tests der Schweißablagerungen ermittelt.

WN# = 100 (|Δ|Si + |Δ|Mn)

Gemäß AWS A5.17 gilt ein Flussmittel als neutral, wenn sein WN# gleich oder kleiner als 35 ist.

Abbildung 2a

Warum ist das wichtig? Es ist allgemein anerkannt, dass ein aktives Flussmittel nur für Single-Pass-Anwendungen verwendet werden sollte. Der Grund dafür ist, dass der Mn-Gehalt bei mehreren Durchgängen so stark ansteigen kann, dass Festigkeit und Härte zu hoch werden. Auch die Dehnungseigenschaften können abnehmen. Diese Bedingungen können zu Schweißfehlern führen. Diese Situation kann durch zu hohe Spannungen noch verschlimmert werden, da eine höhere Spannung dazu führen kann, dass das Flussmittel stärker in die Schweißnaht abschmelzt.

Zurück zu unserem Beispiel von AWS F7A2-EM12K / CSA F49A3-EM12K:

Lincolnweld 761/L-61 hat eine hohe Wandneutralitätszahl und gilt als aktives Flussmittel. Aufgrund des relativ hohen Desoxidationsmittelgehalts (Si/Mn) eignet es sich daher hervorragend zum Schweißen über leichten Verunreinigungen wie Rost und Walzzunder. Diese Kombination ist jedoch keine gute Wahl für mehrlagige Schweißnähte an Grobblechen.

Lincolnweld 960/L-61 hat die gleiche Klassifizierung F7A2-EM12K wie 761/L-61, ist jedoch ein neutrales Flussmittel. Dies macht es zu einer viel besseren Wahl für das Mehrlagenschweißen. Die Leistung bei Walzzunder und anderen Verunreinigungen wird jedoch nicht so gut sein.

Ob es sich um eine Einzel- oder Mehrfachanwendung handelt, ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl einer Flussmittel-Draht-Kombination.

Charpy V-Notch-Anforderung

Die Prüftemperatur der Schlageigenschaften (Prüftemperatur von CVN) ist in einer Flussdrahtklassifizierung ersichtlich.

AWS F7A2-EM12K bezeichnet eine CVN-Testtemperatur von -20 °F.

Ein ähnlicher CSA F49A3-EM12K bezeichnet eine CVN-Testtemperatur von -30 °C.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl einer Flussmittel-/Drahtkombination die erforderlichen CVN-Eigenschaften.

Abbildung 2b

Wenn beispielsweise eine Druckbehälteranwendung einen CVN-Wert von 20 ft.-lbs erfordert. Bei -60 °F im geschweißten Zustand müssen wir sicherstellen, dass die Klassifizierung mindestens F7A6 beträgt.

Die häufig verwendete Elektrode Lincolnweld L-61 (EM12K) liefert Klassifizierungen von F7A0 (0 Grad F CVN) bis F7A8 (-80 Grad F CVN). Dies ist ein erheblicher Bereich der Zähigkeit, allein durch die Änderung des Flussmittels, mit dem es gepaart wird.

Flussmittelbasizität

Der Basizitätsindex (BI) des Flussmittels wird anhand verschiedener Formeln berechnet, die das Verhältnis zwischen basischen und sauren Komponenten des Flussmittels quantifizieren.

Lincoln Electric verwendet die Boniszewski-Basizitätsindexformel:

BI = 0,5(FeO + MnO) + CaO + MgO + Na2O + K2O + CaF2 / SiO2 + 0,5(TiO2 + ZrO2 + Al2O3)

Im Allgemeinen führt ein höherer BI zu einer Mikrostruktur, die robustere CVN-Eigenschaften begünstigt. Die bemerkenswerte Ausnahme bilden Einzeldurchgangs- oder Zweidurchgangsschweißungen.

Flussmittelhersteller veröffentlichen den BI ihrer Flussmittel normalerweise im Materialdatenblatt.

Es ist jedoch zu beachten, dass Flussmittel nicht ausschließlich auf der Grundlage von BI ausgewählt werden sollten und dass Flussmittel auch nicht anhand dieser Zahl verglichen werden sollten.

Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT)

Im Allgemeinen sinken bei einem Schweißgut aus Kohlenstoffstahl die Zugfestigkeit (UTS) und die Streckgrenze (YS) nach der PWHT.

Dies muss auch bei der Auswahl von Flussmittel-/Drahtkombinationen berücksichtigt werden, da nicht alle von ihnen das gleiche Festigkeitsniveau erreichen wie geschweißt und nach Spannungsentlastung.

Die Festigkeit kann durch die Flussmittel-/Drahtklassifizierung bestimmt werden. Das A in der Klassifizierung bezeichnet den Zustand „wie geschweißt“, und das P bezeichnet einen PWHT-Zustand.

Bitte beachten Sie, dass PWHT-Ergebnisse typischerweise für eine Stunde bei einer bestimmten Temperatur vorliegen, normalerweise 1.150 Grad F/650 Grad C. Bei längeren Haltezeiten und höheren Temperaturen wird die Festigkeit weiter reduziert.

Beispielsweise lautet die Elektrodenklassifizierung Lincolnweld 882/Lincolnweld LA-71 F7A6-EH11K/F7P6-EH11K. Dies weist darauf hin, dass diese Kombination die Anforderungen für ein F7- oder 70-KSI-UTS erfüllt.

Zwei-Durchlauf versus Mehrfachdurchlauf: Kornverfeinerung

Die meisten Klassifizierungen werden mit Mehrfachdurchlauf-Testplatten ermittelt, wie von CSA und AWS gefordert.

Eine Kornverfeinerung durch Wiedererwärmung tritt auf, wenn ein nachfolgender Schweißdurchgang über einen vorherigen Schweißdurchgang erfolgt. Diese dunklere Zone mit feineren Körnern ist stoßfester als die grobe, unfeine Kornstruktur.

Wie Sie auf dem Foto (Abbildung 2) sehen können, weist eine zweistufige Schweißnaht (ein Durchgang auf jeder Seite) viel weniger raffiniertes Schweißgut auf. Infolgedessen sind die CVN-Eigenschaften der zweilagigen Schweißnaht tendenziell weniger robust als die der mehrlagigen Schweißnaht. Darüber hinaus ist die Grundmaterialverdünnung bei einer zweischichtigen Schweißnaht typischerweise viel größer.

Regel für zweistufige Schweißnähte

Verwenden Sie keine Testergebnisse aus mehreren Durchgängen (insbesondere zur Schlagzähigkeit), um die Leistung einer Flussmittel-/Elektrodenkombination in einer Anwendung mit zwei Durchläufen vorherzusagen, und umgekehrt.

AWS A5.23 Zweistufige Klassifizierung

Zweischichtige Schweißnähte kommen typischerweise in Rohrwerken, beim Schweißen von Schiffsbauteilen und bei Windtürmen vor.

Wenn es sich bei Ihrer Anwendung um eine Zwei- oder Einzelanwendung handelt, sollten Sie prüfen, ob die Kombination über ein Zwei-Durchlauf-Konformitätszertifikat (COC) verfügt. COCs mit zwei Durchgängen werden durch den Zusatz des Buchstabens T nach der Stärkebezeichnung gekennzeichnet.

Zum Beispiel hat das Flussmittel Lincolnweld WTX-TR mit Lincolnweld L-61 sowohl einen COC mit mehreren Durchgängen (F7A6-EM12K) als auch einen COC mit zwei Durchgängen (F7TA4-EM12K).

Flussmittel-Draht-Kombinationen müssen für ein- und zweistufige Schweißnähte sorgfältig ausgewählt werden, da die überwiegende Mehrheit der auf dem Markt erhältlichen Flussmittel-Draht-Kombinationen für diese Anwendung möglicherweise nicht geeignet ist.

NACE-Sour-Service-Anforderung

Die National Association of Corrosion Engineers (NACE) MR 0175/ISO 15156 für Sour Service (H2S) begrenzt das Schweißgut auf 1 Prozent Nickel (Ni). Nicht alle Ni-Niedriglegierungselektroden erfüllen diesen Grenzwert.

Aufgrund der komplexen Natur der Flussmittel- und Drahtauswahl wird empfohlen, dass Sie sich an Ihren Schweißzusatzhersteller wenden, um Ihre speziellen Anforderungen im Detail zu besprechen.

Ken Mui, P.Eng. ist Anwendungsingenieur, Lincoln Electric, [email protected], www.lincolnelectric.com.