SB_13.408B_LP
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2005<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Untersuchungen zum MSG-<br />
Auftragschweißen mit<br />
Flachdrahtelektroden
Untersuchungen zum MSG-<br />
Auftragschweißen mit<br />
Flachdrahtelektroden<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 13.408 B<br />
DVS-Nr.: 03.057<br />
SLV München, Niederlassung der GSI mbH<br />
SLV Halle GmbH<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.408 B / DVS-Nr.: 03.057 der Forschungsvereinigung Schweißen und<br />
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF<br />
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen<br />
Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 56<br />
Bestell-Nr.: 170165<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-055-7<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Bericht 5133/2005<br />
Untersuchungen zum MSG-Auftragschweißen<br />
mit Flachdrahtelektroden<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
I Einleitung ........................................................................................................7<br />
II<br />
III<br />
Stand der Technik...........................................................................................9<br />
MSG-Auftragschweißen mit korrosionsbeständigen Flachdrahtelektroden<br />
(Plattieren).....................................................................................................12<br />
1 Vorgehensweise ...........................................................................................12<br />
2 Experimentelle Randbedingungen..............................................................14<br />
2.1 Stromquellen.................................................................................................14<br />
2.2 Flachdrahtförderung und Flachdrahtbrenner ............................................14<br />
2.3 Brennerführung und Bauteilfixierung.........................................................15<br />
2.4 Messwerterfassung, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen...........................15<br />
2.5 Versuchswerkstoffe......................................................................................16<br />
2.6 Schutzgase....................................................................................................16<br />
2.7 Werkstoffkundliche Untersuchungen und Prüfung der Auftragschweißungen...............................................................................................17<br />
2.7.1 metallographische Untersuchungen............................................................17<br />
2.7.2 zerstörende Prüfungen (Biege-, Torsion- und Härteprüfung) ......................17<br />
2.7.3 zerstörungsfreie Prüfungen (Ultraschall- und Farbeindringprüfung) ...........18<br />
2.7.4 Korrosionstests ...........................................................................................18<br />
2.8 Leistungskennwerte beim Auftragschweißen............................................19<br />
2.8.1 Einbrand und Aufmischungsgrad ................................................................19<br />
2.8.2 Abschmelz- und Flächenleistung ................................................................20<br />
3 Ergebnisse zum MSG-Auftragschweißen mit korrosionsbeständigen<br />
Flachdrahtelektroden ...................................................................................21<br />
3.1 Untersuchung der Anlagenzuverlässigkeit ................................................21<br />
3.1.1 Qualität der untersuchten Flachdrahtelektroden .........................................21<br />
3.1.2 Besonderheiten bei der Flachdrahtförderung..............................................22<br />
3.1.3 Stromübergang und Standzeit der Stromkontaktrohre................................23<br />
3.1.4 Zusammenfassung......................................................................................24<br />
4
Bericht 5133/2005<br />
3.2 Grundlagenuntersuchungen zu den wesentlichen Einflussgrößen auf<br />
Einbrand und Aufmischung beim Flachdraht-Auftragschweißen ............25<br />
3.2.1 Einfluss der Lichtbogenart auf das Schweißergebnis..................................25<br />
3.2.2 Schweißbrenner- und Flachdrahtelektrodenstellung...................................25<br />
3.2.3 Einfluss der Raupenteilung (Raupenabstand).............................................26<br />
3.2.4 Zusammenfassung......................................................................................27<br />
3.3 Schweißversuche und Schweißparameteroptimierung mit CrNi-, Nickel<br />
Basis- und CuNi-Flachdrahtelektroden.......................................................28<br />
3.3.1 Schweißversuche mit CrNi-Flachdrahtelektroden .......................................28<br />
3.3.2 Schweißversuche mit Nickel-Basis-Flachdrahtelektroden...........................32<br />
3.3.3 Schweißversuche mit CuNi-Flachdrahtelektroden ......................................39<br />
3.3.4 Tastversuche zum Auftragschweißen am Rohr in Zwangslage ..................41<br />
3.3.5 Zusammenfassung......................................................................................42<br />
IV<br />
MSG-Auftragschweißen mit verschleißbeständigen Flachdrahtelektroden<br />
(Panzern) .......................................................................................................45<br />
1 Geräte- und Anlagentechnik ........................................................................45<br />
2 Schweißzusätze ............................................................................................45<br />
3 Ziele ...............................................................................................................46<br />
4 Definitionen ...................................................................................................46<br />
5 Schweißversuche .........................................................................................47<br />
5.1 Massiver Flachdraht (G4Si1)........................................................................47<br />
5.2 Gefüllte Flach- und Fülldrahtuntersuchungen ...........................................48<br />
5.2.1 Legierungsgruppe 6 (MSG 6-GF-60) ..........................................................48<br />
5.2.2 Legierungsgruppe 10 (MSG10-GF-60G).....................................................48<br />
5.2.3 Flachdraht-Pulver-Kombination...................................................................51<br />
5.2.4 WIG-Flachdraht-Auftragschweißen mit elektromagnetischer<br />
Lichtbogenpendelung..................................................................................52<br />
5.3 Verschleißuntersuchungen..........................................................................52<br />
5.3.1 Auftragschweißen von Verschleißproben....................................................52<br />
5.3.2 Verschleißprüfeinrichtung ...........................................................................53<br />
5.3.3 Prüfparameter zur Ermittlung der Verschleißbeständigkeit .........................53<br />
5.3.4 Variation der Technologie (Prüfergebnisse)................................................53<br />
5.3.5 Weiterführende Untersuchungen ................................................................54<br />
6 Beurteilung des Lichtbogenverhaltens durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen.....................................................................................................56<br />
7 Stoßzähigkeitsprüfung.................................................................................57<br />
7.1 Problemstellung............................................................................................57<br />
7.2 Versuchsdurchführung ................................................................................57<br />
5
Bericht 5133/2005<br />
7.2.1 Proben zur Bestimmung der Stoßzähigkeit.................................................57<br />
7.2.2 Stoßzähigkeitsprüfeinrichtung.....................................................................57<br />
7.2.3 Prüfparameter zur Ermittlung der Stoßzähigkeit .........................................58<br />
7.3 Prüfergebnisse..............................................................................................58<br />
7.4 Diskussion der Ergebnisse..........................................................................59<br />
8 Anwendungen ...............................................................................................59<br />
8.1 Verschleißteile Bergbau ...............................................................................59<br />
8.2 Verschleißbleche ..........................................................................................59<br />
8.3 Maschinenbauteile........................................................................................60<br />
V Zusammenfassung .......................................................................................62<br />
VI<br />
Schrifttum......................................................................................................70<br />
VII Anhang .........................................................................................................72<br />
1. Korrosionsschutzschichten.........................................................................72<br />
1.1 Tabellen und Datenblätter............................................................................72<br />
1.2 Bilder..............................................................................................................85<br />
2 Verschleißschutzschichten........................................................................123<br />
2.1 Tabellen und Datenblätter..........................................................................123<br />
2.2 Bilder............................................................................................................138<br />
6
Bericht 5133/2005<br />
I<br />
Einleitung<br />
Seit kurzem ist eine MSG-Verfahrensvariation wieder in der Diskussion, die prinzipiell<br />
seit langem bekannt ist [1], aber in der Schweißpraxis bisher nur geringe Bedeutung<br />
erlangt hat – das MSG-Schweißen mit Flachdrahtelektroden [2].<br />
Das MSG-Schweißen mit der Flachdrahtelektrode bietet sich sowohl zum Verbindungsschweißen<br />
als auch zum Auftragschweißen an [2]. Während zum Verbindungsschweißen<br />
verstärkte Forschungs- und Entwicklungs- sowie Anwenderaktivitäten<br />
eingesetzt haben, sind zum Auftragschweißen bisher nur sehr wenige Arbeiten<br />
erfolgt. Diese Technologielücke soll mit diesem Forschungsvorhaben geschlossen<br />
werden.<br />
Das Auftragschweißen ist neben dem thermischen Spritzen, Walz- und Sprengplattieren<br />
eine Variante zum Beschichten und Vergüten von Oberflächen. Speziell im<br />
Anlagen- und Maschinenbau werden wegen der hohen Werkstoffkosten oftmals<br />
Konstruktionen aus Stahl eingesetzt, die mit korrosions-, verschleiß- oder temperaturbeständigen<br />
Werkstoffen beschichtet werden.<br />
An Auftragschweißungen werden aus wirtschaftlichen und technischen Gründen hohe<br />
Anforderungen gestellt. Sie umfassen die Gleichmäßigkeit des Einbrandes, die<br />
möglichst geringe Aufmischung, Freiheit von inneren Fehlern, gute Bindung zum<br />
Grundwerkstoff, die Kerbfreiheit der Schichtoberfläche, die Konstanz der Schichtdicke<br />
und eine möglichst geringe Beeinflussung des Trägerwerkstoffes (Wärme, Verzug).<br />
Die Wahl des geeigneten Verfahrens zum Auftragen richtet sich nicht nur nach<br />
wirtschaftlichen Gesichtspunkten, der Bauteilgeometrie und der Schweißposition,<br />
sondern auch nach der flexiblen Einsatzmöglichkeit des Schweißprozesses. In diesem<br />
Punkt weisen die MSG-Schweißprozesse eindeutig Vorteile gegenüber dem<br />
UP-Bandplattieren, Elektroschlacke (RES)-, Plasma-Heißdraht (PHA)-, Plasma-<br />
Pulver- und Plasma-MIG-Auftragschweißen auf.<br />
In diesem Forschungsvorhaben wird die Anwendbarkeit des MSG-Flachdrahtschweißens<br />
zum Auftragen von korrosionsbeständigen und verschleißfesten Beschichtungen<br />
geprüft. In der SLV München werden die Auftragschweißversuche mit<br />
korrosionsbeständigen CrNi-, Ni-Basis- und CuNi-Flachdrahtelektroden auf unlegierten<br />
Stahl-Trägerwerkstoffen (S235 und S355) durchgeführt. Die Untersuchungen<br />
zum Beschichten mit massiven und gefüllten Flachdrähten zur Erhöhung des Verschleißschutzes<br />
finden an der SLV Halle statt.<br />
Beim Auftragschweißen stellt der Aufmischungsgrad ein wichtiges Qualitätskriterium<br />
dar. Die Aufmischung des Schweißbades mit dem Grundwerkstoff sollte speziell<br />
beim Auftragschweißen von korrosionsbeständigen Schichten möglichst klein sein,<br />
um im Idealfall bereits in der ersten Lage ausreichende Beständigkeit gegenüber<br />
dem angreifenden Medium zu erreichen. Bei der Festlegung der erforderlichen Lagenzahl<br />
ist neben dem Aufmischungsgrad auch die Raupenhöhe von entscheidender<br />
Bedeutung. Die beim MSG-Auftragschweißen mit korrosionsbeständigen Flachdrahtelektroden<br />
erwartet geringe Aufmischung (
Bericht 5133/2005<br />
Die Voraussetzung für o.g. gleichmäßig geringe Aufmischungsgrade bei flächigen<br />
Beschichtungen ist neben optimierten Schweißparametern, Arbeits- und Randbedingungen,<br />
ein sehr stabiler Lichtbogenprozess. Die Prozessstabilität wird beim MSG-<br />
Auftragschweißen im wesentlichen von der Konstanz der Flachdrahtförderung und<br />
Kontaktierung der Elektrode im Stromkontaktrohr bestimmt. Neben der Prozessoptimierung<br />
wird die Auswirkung der Flachdraht- und Brennerstellung sowie der Raupenteilung<br />
(-abstand) und der Einfluss des verwendeten Schutzgases auf das<br />
Schweißergebnis untersucht.<br />
Beim Auftragschweißen von verschleißbeständigen Beschichtungen (Panzern) werden<br />
sowohl Massivdrähte als auch Fülldrähte eingesetzt. Mit Hilfe von Fülldrähten<br />
können beim Flachdrahtschweißen gezielt Hartstoffe bzw. Karbidbilder in das<br />
Schweißgut eingebracht werden, die in der Regel die Abrasivverschleißbeständigkeit<br />
der beschichteten Bauteile deutlich verbessern. Mit den Forschungsarbeiten zum<br />
MSG-Auftragschweißen mit verschleißbeständigen Flachdrahtelektroden soll der Industrie<br />
und den KMU`s eine neue Verfahrensvariante zum wirtschaftlichen Beschichten<br />
von Maschinen und Anlagen mit dem Ziel der Erhöhung von Standzeit und<br />
Nutzungsdauer zur Verfügung gestellt werden.<br />
In dem vorliegenden Bericht werden die Ergebnisse der Untersuchungen zum MSG-<br />
Auftragschweißen mit korrosions- und verschleißbeständige Flachdrahtelektroden<br />
auf unlegierten Stahl-Trägerwerkstoffen mit Hilfe von zerstörenden und zerstörungsfreien<br />
sowie metallographischen und anwendungsspezifischen Prüfmethoden bewertet<br />
und falls vorhanden mit Referenzdaten verglichen.<br />
Die metallographischen Eigenschaften der korrosionsbeständigen Auftragschichten<br />
werden anhand von Schliffbildern (Einbrand, Gefügeaufbau), Härteverläufen und lokalen<br />
Analysen der chemischen Zusammensetzung dargestellt. Mechanische Prüfungen<br />
an beschichteten Bauteilsegmenten, wie Biegeprüfung an Quer- und Seitenbiegeprobe<br />
und Torsionsprüfungen, weisen die Haft- und Verformungseigenschaften<br />
der Auftragsschichten nach. Korrosionstests, die für den jeweiligen Beschichtungstyp<br />
spezifiziert sind, überprüfen die Beständigkeit der Beschichtung im Vergleich zu Referenzdaten<br />
der Zusatzwerkstoffe (ohne Aufmischung). Mit zerstörungsfreien Prüfmethoden<br />
wird nach möglichen Unregelmäßigkeiten (Risse und Bindefehler) in den<br />
Auftragschichten gesucht. An den verschleißbeständigen Beschichtungen werden<br />
zudem praxisbezogene Verschleißuntersuchungen und Prüfungen zur Stoßzähigkeit<br />
durchgeführt.<br />
Aus der Bewertung der Ergebnisse werden für den praktischen Einsatz geeignete<br />
und reproduzierbare Schweißparameter und Arbeitsbedingungen sowie die Verfahrensgrenzen<br />
abgeleitet, damit das MSG-Auftragschweißen mit Flachdrahtelektroden<br />
als flexible und wirtschaftliche Alternative zu den konventionellen Auftragschweißverfahren<br />
kostenreduzierend und gewinnbringend von der Industrie umgesetzt werden<br />
kann.<br />
8
Bericht 5133/2005<br />
II<br />
Stand der Technik<br />
Die Nachfrage nach Schweißprozessen, die eine hohe Nahtqualität bei gleichzeitiger<br />
Produktivitätssteigerung und Kostenreduktion versprechen, nimmt stetig zu. Diese<br />
Forderungen der Industrie führten zur Entwicklung von Hochleistungsschweißprozessen<br />
mit erhöhten Drahtvorschubgeschwindigkeiten und Abschmelzleistungen.<br />
Vorerst wurden die Drahtvorschubgeschwindigkeiten beim Eindrahtschweißen enorm<br />
gesteigert, bis Anfang der 90-er Jahre das Konzept des MSG-Hochleistungsschweißens<br />
mit zwei Drahtelektroden und hier insbesondere das Tandemschweißen<br />
entwickelt wurde. Ein neuer Ansatz der Leistungssteigerung, der prinzipiell schon seit<br />
längerem bekannt ist [1], aber bisher nur geringe Bedeutung erlangt hat – ist das<br />
MSG-Schweißen mit Flachdrahtelektroden [2]. Die Vorteile gegenüber dem Tandemschweißen<br />
liegen im deutlich reduzierten Anlagenaufwand und in der einfacheren<br />
und schnelleren Schweißparameterfindung.<br />
Nach [3] gehört das Schweißen mit der Flachdrahtelektrode zu den MSG-<br />
Hochleistungsschweißprozessen, da Abschmelzleistungen > 8 kg/h erreicht werden<br />
können. Derzeit findet das Flachdrahtschweißen aber im DVS-Merkblatt 0909, Teil 1<br />
[4] noch keine Berücksichtigung, da es sich um eine Entwicklung handelt, deren Untersuchung<br />
und Markterschließung noch sehr unvollständig ist.<br />
Das MSG-Schweißen mit der Flachdrahtelektrode bietet sich sowohl zum Verbindungsschweißen<br />
als auch zum Auftragschweißen an [2]. Während zum Verbindungsschweißen<br />
verstärkte Forschungs- und Entwicklungs- sowie Anwenderaktivitäten<br />
eingesetzt haben, sind zum Auftragschweißen bisher nur sehr wenige Arbeiten<br />
bekannt.<br />
Das Auftragen von verschleißfesten, korrosions- oder hitzebeständigen Schichten<br />
kann durch verschiedene Beschichtungsprozesse erfolgen, z.B. durch Walz- und<br />
Sprengplattieren, thermisches Spritzen oder durch Auftragschweißen.<br />
Die Vorteile des Auftragschweißens sind:<br />
• die sehr gute Haftung zwischen Schicht und Träger<br />
• die porenfreien und dichten Beschichtungen<br />
• das wirtschaftliche Beschichten von Bauteilen mit komplizierter Geometrie.<br />
Als Auftragschweißverfahren stehen derzeit u.a. das Elektroschlacke (RES)-, UP-<br />
Band-, Plasma-Heißdraht (PHA)-, Plasma-Pulver-, Plasma-MIG- und das MSG-Auftragschweißen<br />
mit einer und zwei runden Drahtelektroden zur Verfügung.<br />
Das Auftragschweißen großflächiger und dickwandiger Bauteile erfolgt vorzugsweise<br />
mittels mechanisierter Hochleistungs-Auftragschweißverfahren. Für großflächige<br />
Auftragungen sind das UP-Bandplattieren und das Elektroschlackeplattieren nach<br />
wie vor Techniken, die mit einer Flächenleistung von mehr als 0,4 m ² /h und einer<br />
Aufmischung zwischen 5 und 15 % mit dem Grundwerkstoff Maßstäbe setzen. Einschränkungen<br />
sind neben einer (nahezu) horizontalen Schweißposition das Pulverhandling,<br />
und die Verfügbarkeit einer geeigneten Band/Pulver-Kombination.<br />
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