Competence n°3 - Sept 2008 - EN & DE

Development of WeldingConsumables and

Procedures forSteel Grade 92

Welding with Flux-CoredWires in Shipbuilding

Plasma Welding: Evolutions& Challenges

www.oerlikon-welding.com

N°3S

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Sep

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ber

2008

The technical journal of Oerlikon welding and cutting expertise.

Das technische Magazin von Oerlikon.Kompetenz für Schweißen und Schneiden.

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Entwicklung vonSchweißzusätzen und

Verfahren für denWerkstoff P/T 92

Schweißen mitFülldrahtelektroden im

Schiffbau

Neue Wege undHerausforderungen beim

Plasmaschweißen 22

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September 2008 - September 2008

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In unserer zweiten Ausgabe von OERLIKON Competence gab N.Monier eine Ausblick auf die bevorstehenden Feierlichkeiten zum50 jährigen Jubiläum des CTAS, unseres Air Liquide WeldingForschungszentrums für Schweißen und Schneiden. DiesesEreignis fand im Januar 2008 statt und 150 Teilnehmer aus derganzen Welt, sowohl aus der Industrie als auch von anderenForschungseinrichtungen, machten es zu einem großen Erfolg.Dieses Jubiläum war die Gelegenheit, sich einmal ganz auf neueEntwicklungen zu konzentrieren und wir haben uns sehr über dievielen positiven Rückmeldungen unserer Gäste gefreut.

Bereits im Jahre 2006 wurde mit den ersten Aktionen zurEinführung des neuen Erscheinungsbildes für die MarkeOERLIKON begonnen und auch die Veröffentlichung dieserFachzeitschrift gehörte zu den Neuerungen. Ein weitererSchwerpunkt in diesem noch laufenden Projekt war es, neueProdukte in das OERLIKON Angebot aufzunehmen, die vielespezielle Anwendungen abdecken. Dazu gehören Schweiß-zusätze für Transport und Lagerung von flüssigem Erdgas sowiefür den Kraftwerksbereich. Die Struktur des OERLIKONSchweißzusatzprogramms orientiert sich jetzt stärker anAnwendungssegmenten und das Angebot gehört zu denumfassendsten weltweit. Ergänzt wird es durch eine kompletteReihe an Schweiß- und Schneidgeräten, von manuellenAnwendungen bis hin zu Automationsanlagen, Autogentechnikund Arbeitsplatzausstattung. Wenn Sie also in letzter Zeit keineOERLIKON Website besucht haben, nehmen Sie sich ein wenig Zeit,durch unser interessantes und informatives Angebot zu surfen.

Die dritte Ausgabe von OERLIKON Competence enthält denersten Beitrag einer dreiteiligen Reihe von Fachaufsätzen, die dasForschungszentrum der Air Liquide gemeinsam mit Alstom undAVD Consulting verfasst hat. Es geht um die erfolgreicheEntwicklung von Schweißzusätzen für den Werkstoff P/T 92 fürKraftwerksanwendungen. Bei der Entwicklung von Schweiß-zusätzen gehört dies zu den komplexesten Gebieten mit höchstenmetallurgischen Anforderungen. Der Anwendungsbericht vonALW Deutschland befasst sich mit den Vorteilen von Fülldrähtenim Schiffbau und den besonderen Eigenschaften der OERLIKONFLUXOFIL-Drähte zum Schutzgasschweißen und FLUXOCORD-Drähtezum UP-Schweißen. Der Beitrag zu Anwendungsmöglichkeitenund Herausforderungen beim Plasmaschweißen gibt einenÜberblick über den derzeitigen Stand der Technik und wurde vorkurzem beim IIW (International Institute of Welding) vorgestellt.

In the previous edition of OERLIKON Competence, N.Monier was looking forward to the 50th anniversary of theAir Liquide Technical Centre for welding & cuttingapplications or CTAS. This event took place in January2008 and there were 150 attendees helping to make this agreat success, with guests coming from all over the worldand representing industry and research institutes alike. Itcreated an opportunity to focus on innovation and we weredelighted to receive such positive feedback from ourdistinguished guests.

During 2006, a programme to introduce the new corporateidentity of OERLIKON brand began and indeed theintroduction of this journal was part of the programme. Aspart of this continuing programme, new products havebeen introduced into the OERLIKON product ranges manyfor new and specialised applications. These includewelding consumables for liquid natural gas transport andstorage and power generation applications. TheOERLIKON welding consumable product range is nowstructured with an applications focus and is among themost globally comprehensive available. Weldingconsumables are accompanied by extensive ranges ofwelding and cutting equipment, manual through to fullyautomated installations, flame and workplace products. So,if you have not visited an OERLIKON web site recently,please take a few moments to browse and we hope you willfind this both interesting and informative.

This third edition of OERLIKON Competence contains thefirst in a trilogy of technical papers, jointly authored betweenAir Liquide CTAS, Alstom and AVD Consulting concerningthe successful development of welding consumables forGrade 92 steel for power generation applications. This isrecognised as one of the most challenging and complexmetallurgical areas of welding consumable development. Anapplications based paper from ALW Germany details theadvantages of using cored wires in shipbuilding and thespecial characteristics of the OERLIKON FLUXOFIL coredwires for gas shielded welding and FLUXOCORD wires forsubmerged arc welding. Plasma welding applications andchallenges presents an overview of the state of the art fromAir Liquide CTAS and derives from a recent presentation tothe International Institute of Welding, IIW.

N. Mangeot-Gehin

Marketing & Innovation Director

Air Liquide Welding

COMPETENCEForeword

KOMPETENZVorwort

These technical papers were selected for inclusion in OERLIKONCompetence by the Editorial Panel, comprising:

- N.Monier, CTAS- C. de Giorgi, ALW- Expert- B. Schlatter, ALW - Expert- D.S. Taylor, ALW

The editor is G. Roure, ALW

Competence - Issue 3IntroductionWelcome to the third edition of COMPETENCE, the journal of welding technologyedited by OERLIKON. We are very pleased with the positive feedback from readersand the growing number of subscribers. This is both an incentive and a commitmentfor the future for us. In this issue there are three articles covering different technicalaspects of welding. On the one hand we are presenting new welding consumablesand on the other we are describing application developments using established andwell-proven products. The first article is part one of a trilogy on the development of creep-resistant weldingconsumables for 9%-Cr steels and their variants. Two more articles on this subjectwill follow in subsequent issues of OERLIKON Competence. The second paperconcerns cost-effective applications of flux-cored wires in shipbuilding and the thirdconcerns applications developments in plasma welding.

“Development of Welding Consumables and Procedures for Steel Grade 92”by A. Vanderschaeghe, J. Gabrel and C. Bonnet describes a cooperativeproject between Air Liquide Welding and partners for welding consumablesand applications development, a perfect starting position in order to achieveresults tailored for practical fabrication. During the past few years greatprogress has been made in the field of creep-resistant materials allowingdesigners to reduce material thickness thus contributing at the same time to areduction of costs. However, in order to be able to fully benefit from theadvantages offered by these materials it is necessary to have weldingconsumables with the same characteristics. The complete range of weldingconsumables for the material P/T 92 has been developed by OERLIKON (OECARBOROD WF 92 TIG-rod, OE CROMOCORD 92 MMA electrode and OPF500/OE CROMO SF 92 submerged arc wire/flux combination) enabling theuser to profit from the full potential in terms of economy. The article presentsthe first steps in the development of P/T 92 consumables that were carried outin collaboration with Alstom. After qualification testing the products were usedfor the main steam piping of a power plant in Denmark.

“Welding with Flux-Cored Wires in Shipbuilding” by D. Haupt and B.Schlatter. An overview is given of the different production techniques for flux-cored wires and the characteristics resulting from them. The OERLIKONFluxofil process is emphasised as being particularly advantageous, especiallyin challenging working environments such as shipyards. The three filling typesare described – rutile – OE FLUXOFIL 14HD; basic – OE FLUXOFIL 31; metal-powder – OE FLUXOFIL M10 – above all the rutile type with a fast freezing slagis particularly cost-effective especially for positional welding. FLUXOFIL 14 HDis used frequently for applications such as the fully mechanised welding ofcircular joints with the MAG orbital welding machine OE CITOTRACK OSG 01or for vertical welding with OE CITOTRACK VSG 01. Similar processes suchas electro-gas welding and of course submerged-arc welding are carried outwith OERLIKON flux-cored wires when both high productivity and a high levelof mechanical properties are required. Micro-alloyed flux-cored wires such asOE FLUXOCORD 35.25 in combination with the flux OE OP 122 are used insuch applications.

“Plasma Welding : Evolutions & Challenges” by Jean-Marie Fortain. A shortsummary of the history of the development of plasma welding is given beforedescribing the current possibilities of use for this welding process. Typicalapplications include the fabrication of high-pressure vessels and pipe-welding,which are presented and described in detail with exact parameter indicationsfor different sheet thicknesses. Hybrid technologies are also presented. Inaddition, the paper deals with the development of suitable welding heads andmixed gases for thin-sheet welding in automobile construction where sheets of< 0.5mm can be processed using micro-plasma-technology. Optimisationmeasures for welding high-alloyed steel sheet and aluminium alloys in thickersections (7 to 10 mm) are also considered.

We hope that this latest issue of OERLIKON Competence will be interesting for you.If you are a subscriber to the magazine and you know colleagues who may beinterested in receiving this journal automatically in the future , please give them theenclosed reply card or inform them about our website. www.oerlikon-welding.com.

Thank you,Bernhard Schlatter - Senior Product Manager Oerlikon Germany

Air Liquide Welding - Expert

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Competence - Heft 3 EinleitungHerzlich willkommen bei der dritten Ausgabe von COMPETENCE, derOERLIKON Zeitschrift für Schweißtechnik. Wir freuen uns sehr über Ihre positivenRückmeldungen zu unseren bisherigen Ausgaben und die wachsende Zahl anAbonnenten. Das ist für uns ein weiterer Ansporn. In der dritten Ausgabeunseres Fachmagazins haben wir wieder drei Beiträge für Sie ausgewählt, diesich mit verschiedenen Themenbereichen befassen. Berichtet wird sowohl überNeuentwicklungen auf dem Gebiet der warmfesten Schweißzusätze sowie überAnwendungen und Einsatzmöglichkeiten bereits bewährter Produkte.Der erste Artikel ist der Beginn einer dreiteiligen Reihe, die sich mit der Entwicklungwarmfester Schweißzusätze für 9% Cr-Stähle bzw. deren Varianten befasst. WeitereArtikel zu diesem Thema werden in den nächsten Competence Ausgaben folgen. Imzweiten Artikel wird die Wirtschaftlichkeit der Fülldrahtelektrode beim Einsatz im Schiffbaubeschrieben, während es im dritten Artikel um die Einsatzmöglichkeiten desPlasmaschweißens geht.

“Entwicklung von Schweißzusätzen und Verfahren für den Werkstoff P/T 92” vonA. Vanderschaeghe, J. Gabrel und C.Bonnet beschreibt ein Gemeinschaftsprojektzwischen Entwicklung und Anwendern - die ideale Voraussetzung, um zupraxisgerechten Ergebnissen zu gelangen. In den letzten Jahren wurden gerade aufdem Gebiet der warmfesten Werkstoffe deutliche Fortschritte gemacht, die eserlauben, dünnwandiger und damit kostengünstiger zu fertigen. Um die Vorteiledieser neuen Werkstoffe nutzen zu können, ist es erforderlich, gleichartigeSchweißzusätze einzusetzen. OERLIKON hat mit der Entwicklung einer komplettenReihe von Schweißzusätzen für den Werkstoff P/T 92 - OE CARBOROD WF 92 alsWIG-Stab, OE CROMOCORD 92 als Stabelektrode und OP F500/OE CROMO SF92 als Draht-Pulver-Kombination - Produkte geschaffen, die dem Verarbeiter dieMöglichkeit eröffnen, diese Wirtschaftlichkeitsvorteile auszuschöpfen. Der Artikelbeschreibt die ersten Entwicklungsschritte für P/T 92 - Schweißzusätze, diegemeinsam mit einem Verarbeiter (Alstom) durchgeführt wurden. Die dabeientwickelten Produkte wurden nach erfolgreichen Verfahrensprüfungen beim Bauder Hauptdampfleitung eines Kraftwerkes in Dänemark eingesetzt.

“Schweißen mit Fülldrahtelektroden im Schiffbau” von D. Haupt und B.Schlattergibt einleitend einen Überblick über die verschiedenen Herstellungstechnologien beiFülldrahtelektroden und die sich daraus ableitenden Eigenschaften. Das OERLIKONFluxofil-Verfahren wird dabei als besonders vorteilhaft, speziell für den rauenWerftbetrieb hervorgehoben. Bei den drei Füllungsvarianten - rutil -FLUXOFIL 14HD;basisch - FLUXOFIL 31; Metallpulver - FLUXOFIL M10 - zeichnet sich insbesondereder Rutil gefüllte Typ mit schnell erstarrender Schlacke durch eine hoheWirtschaftlichkeit bei Positionsschweißungen aus. Gerade bei voll mechanisiertenSchweißungen von Rundnähten mit dem MAG-Orbitalgerät CITOTRACK OSG 01bzw. dem senkrechten Schweißen mit CITOTRACK VSG 01 wird der FLUXOFIL 14HDhäufig eingesetzt. Verfahrensvarianten wie das Elektrogasschweißen und natürlichauch das Unterpulverschweißen werden oft dann mit Fülldrahtelektrodendurchgeführt, wenn hohe Wirtschaftlichkeit gepaart mit hohen Anforderungen an diemechanischen Eigenschaften verlangt sind. Mikrolegierte Fülldrähte wieFLUXOCORD 35.25 in Verbindung mit OP 122 kommen dann zum Einsatz.

“Neue Wege und Herausforderungen beim Plasmaschweißen” von Jean-MarieFortain beschreibt nach einem kurzen historischen Rückblick über dieEntwicklungsgeschichte des Plasmaschweißens die heutigen Einsatzmöglichkeitendieses Schweißprozesses. Für den Bereich der Druckbehälter und Rohrfertigungwerden typische Anwendungen aufgezeigt und mit exakten Parameterangaben fürverschiedene Blechdicken genau beschrieben. Auch die Hybrid-Technologienwerden angesprochen. Im Weiteren befasst sich der Artikel mit der Entwicklunggeeigneter Schweißköpfe und Gasgemische für die Dünnblechschweißung imFahrzeugbau, wo im Mikro-Plasmaverfahren Blechdicken <0,5mm verarbeitetwerden. Optimierungsmaßnahmen für das Schweißen größerer Blechdicken (7-10 mm)bei hochlegierten Stählen und Aluminium-Materialien werden ebenso genannt.

Wir hoffen, dass auch die dritte Ausgabe von OERLIKON Competence Ihr Interessefindet. Sollten Sie als registrierter Leser Kollegen kennen, die ebenfalls Interesse an einerkünftigen Zustellung haben, geben Sie bitte die Antwortkarte weiter oder verweisen Sieauf unsere Website www.oerlikon-welding.com.

Vielen Dank,Bernhard Schlatter- Leiter Technischer Dienst Oerlikon Deutschland

Air Liquide Welding - Expert


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Development of WeldingConsumables andProcedures for SteelGrade 92.The use of steel grade 92 rather than grade 91 forcreep-resistant equipment makes it possible to achievea 30% gain on the admissible stress at 600 °C. As aresult, a significant reduction in construction thicknesscan be obtained. In addition to allowing for a weightreduction and therefore a cost reduction for the powerplant, manufacturing time can also be minimised, whichmakes this type of steel particularly attractive. However,it is necessary to use welding consumables thatproduce similar levels of creep resistance in the weldmetal deposit as in the base metal in order to take fulladvantage of the properties of this steel.

The present results demonstrate that, after a carefuladjustment of the chemical analysis of the weld metal, it ispossible to obtain an acceptable trade-off between creepresistance and toughness after post-weld heat treatment.

Based on the various chemical analyses definedthroughout the present project, a metal-cored wire forGTA welding(1), SMAW electrodes(2), and a SAW flux /cored wire combination(3) were industrialised by Air LiquideWelding and the welding operating modes were qualifiedby Alstom in 2001 and subsequently used for assemblingthe main steam piping of the supercritical power plant atAvedore, Denmark.

This paper is the first of a trilogy in the OERLIKON journal"Competence" dedicated to the development history ofthe 92 steel grade welding consumables.

INTRODUCTIONThe development of welding consumables for the P92 steelgrade has been carried out by Air Liquide Welding in severalphases over the last ten years. This development history shall beretraced in the OERLIKON journal "Competence". This articlereports on the results obtained up to 2001, and was firstpublished at the AFIAP (Association française des ingénieurs enappareils à pression - French Association of PressureEquipment Engineers) Conference.

Alstom and Air Liquide Welding have worked in closecollaboration to develop such consumables.

Entwicklungvon Schweißzusätzenund Verfahren für denWerkstoff P/T 92.Durch die Verwendung des Werkstoffes P/T 92 anstellevon P/T 91 bei warmfesten Anlagen kann eine Erhöhungvon 30% bei der zulässigen Spannung bei 600 °C erreichtwerden. Dadurch ist eine deutliche Verringerung derBlechdicken möglich. Hinzu kommt, dass dies zu einerGewichtsreduzierung und damit zu einer Kostensenkungführt und die Produktionszeiten verkürzt. All dies machtdiesen Stahltyp sehr attraktiv. Um die Vorteile zu nutzen,ist es aber notwendig, Schweißzusatzwerkstoffeeinzusetzen, deren Schweißgut ähnliche warmfesteEigenschaften erreicht wie der Grundwerkstoff.

Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass durcheine sorgfältige Anpassung der chemischenZusammensetzung des Schweißgutes ein akzeptablerKompromiss zwischen Warmfestigkeit und Zähigkeit beientsprechender Wärmbehandlung erzielt werden kann.

Basierend auf den verschiedenen chemischenAnalysen, die im Laufe dieser Untersuchung erstelltwurden, hat ALW einen Metallpulverfülldraht zumWIG-Schweißen(1), Stabelektroden zum Lichtbogen-handschweißen(2) sowie eine Draht-Pulver-Kombinationzum UP-Schweißen(3) industrialisiert. Die entsprechendenSchweißtechnologien wurden von Alstom qualifiziert,die dann die Schweißzusätze für den Bau derHauptdampfleitung des Kraftwerkes in AVEDORE inDänemark einsetzten.

Dieser Artikel ist der erste einer dreiteiligenCompetence-Reihe zur Entwicklungsgeschichte derP92 Zusatzwerkstoffe bei ALW.

EINLEITUNGDie Entwicklung von Schweißzusätzen für den Werkstoff P92 wurde vonALW innerhalb der letzten zehn Jahre vorangetrieben. DieseEntwicklungsgeschichte wird in den folgenden Competence-Ausgabennachvollzogen. Dieser erste Artikel berichtet über die bis 2001 erzieltenErgebnisse und wurde erstmals bei der AFIAP-Konferenz veröffentlicht.

Alstom und Air Liquide Welding haben bei der Entwicklungdieser Zusatzwerkstoffe eng zusammengearbeitet.

(1) GTA welding : Oerlikon CARBOROD WF 92(2) SMAW : Oerlikon CROMOCORD 92

(3) SAW : Oerlikon OP F 500 fluxOerlikon CROMO SF 92

ENTWICKLUNG DERSCHWEISSZUSATZWERKSTOFFE

Gemäß ASTM A-335muss der Werkstoff P/T 92die folgenden chemischenund mechanischenAnforderungen erfüllen(Tabellen 1 und 2):

Tabelle 2 - Stahl P/T 92 – Mechanische Eigenschaften nach ASTM A-335(min. Werte bei RT)

Rm (N/mm2) Rp (N/mm2) A (%)620 440 längs: 20 quer :13

Im Rahmen dieser Studie hatten wir uns das Ziel gesetzt,bei den Schweißverbindungen mechanische Eigenschaftenzu erreichen, die den garantierten Mindestwerten für P/T 92zumindest gleichwertig sind. Außerdem verlangen dietechnischen Regelwerke eine Mindestkerbschlagzähigkeit von35 J/cm2 bei Raumtemperatur. Bei der Zeitstandfestigkeitsetzten wir uns Zielwerte, die über den Mindestanforderungenfür das Streuband dieses Stahls liegen (nach einer Informationvon Nippon Steel “Data Package” [1]).

Zwei Zustände wurden betrachtet:

- angelassen, für alle Verfahren (760 °C / 4h),

- normalisiert und angelassen, bei UP-Nähten, da es in derPraxis üblich ist, die Rohre zu verbinden und zu biegen unddann bei 1060 °C zu normalisieren und bei 760 °C für 4hanzulassen.

Stabelektroden zum LichtbogenhandschweißenUm die Bildung eines Delta-Ferrit-Netzwerks zu vermeiden, dassich negativ auf die Zähigkeits- und Warmfestigkeitseigenschaftenauswirkt, müssen der Basisanalyse von P/T 92 - Stahl Austenitbildende Elemente zugegeben werden. Dafür können Nickel undKobalt eingesetzt werden. Zu Beginn entwickelten wir dreiFormeln auf derselben Basis: die erste mit 0,5% Nickel und diebeiden anderen jeweils mit 1% bzw. 2% Kobalt.

25mm dicke Schweißgutproben wurden mit einerVorwärmtemperatur von 150 °C und einer Zwischenlagen-temperatur von max. 250 °C hergestellt. Die chemische

Zusammensetzung, dieZähigkeitswerte nachWärmebehandlung bei760 °C / 4h sowie dieUmwandlungstemperaturen,die mittels Dilatometriemit einer Erwärmung

von 100 °C/h untersucht wurden, finden Sie in dernachstehenden Tabelle.

Tabelle 4 - Zähigkeitswerte bei Raumtemperatur und UmwandlungspunkteProbe KCV +20 °C (J/cm2) AC1 (°C) AC3 (°C)0.5 Ni 119; 103; 84 795 8931 Co 106; 99; 96 818 9052 Co 96; 103; 106 791 865

Alle drei Formeln erreichten sehr gute Zähigkeitswerte.Der Zusatz Austenit bildender Elemente führt zu einer Senkungder Umwandlungstemperatur, wobei Nickel aus diesemBlickwinkel betrachtet den stärksten Effekt hat. Die AC1 Punkte

DEVELOPMENT OF WELDINGCONSUMABLES

As defined by the ASTMA-335, steel grade 92must conform to thechemical and mechanicalspecifications shown inTables 1 and 2.

Table 2 - Steel grade 92 – Minimum guaranteed values according to ASTM A-335

Rm (N/mm2) Rp (N/mm2) A (%)620 440 L : 20 T :13

In the framework of this study, we set out to obtainmechanical characteristics in welded joints that were at leastequal to the minimum guaranteed values for steel grade 92.Furthermore, the construction regulations for boilersimposed minimum v-notch toughness values of 35 J/cm2 atambient temperature. We also set ourselves creepresistance target values that were higher than the minimumfor the scatterband of the steel, according to the informationprovided by the Nippon Steel “Data Package” [1].

Two conditions were considered:- The tempered condition after welding which concerns all

procedures (760 °C for 4 hours),- The normalised/tempered condition, applicable to

submerged arc welding, as, from a mass-productionperspective, it is beneficial to be able to join and bend thetubes before performing the normalising treatment at 1060 °C,followed by tempering at 760 °C for 4 hours.

SMAW electrodesIn order to prevent the formation of a δ ferrite network, which isdetrimental to the properties of toughness and creep resistance,austenite stabilising elements must be added to the basic analysisof the grade 92 steel. Both nickel and cobalt can be used for thispurpose; in an initial development phase, we created threeformulae for the same base: one containing 0.5% nickel and thetwo others containing 1% and 2% cobalt respectively.

25 mm-thick all-weld metal test plates, with a pre-butteredbevel and backing bar, were manufactured using a preheatingtemperature of 150 °C and an interpass temperature ofless than or equal to 250 °C. The chemical compositions,toughness values aftertreatment at 760 °Cfor 4 hours and thetransformation tempe-ratures determined bydilatometry at a heatingrate of 100 °C/hour, areshown in the tablesbelow.

Table 4 - Toughness values at ambient temperature and transformation pointsRep. KCV +20 °C (J/cm2) AC1 (°C) AC3 (°C)0.5 Ni 119; 103; 84 795 8931 Co 106; 99; 96 818 9052 Co 96; 103; 106 791 865

The three formulae produce highly satisfactory toughnessvalues. The addition of austenite stabilising elements leads to areduction in the transformation temperatures, with nickel havingthe most significant effect from this point of view; nevertheless,

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Table 1: Steel grade 92 - Chemical specifications according to ASTM A-335

Tabelle 1: Stahl P/T 92 –Spezifikation der Analyse nach ASTM A-335

C Mn S P Si Cr Mo V N Ni Al Nb W BMin. 0.07 0.30 8.50 0.30 0.15 0.03 0.04 1.5 0.001Max 0.13 0.60 0.010 0.020 0.5 9.50 0.60 0.25 0.07 0.40 0.04 0.09 2.00 0.006

Table 3: Chemical analyses of the all-weld metal

Tabelle 3: Chemische Analyse der Proben

Rep C Mn S P Si Cr Mo V N ppm Ni Co Nb W B ppm

0.5 Ni 0.11 1.06 0.005 0.013 0.17 9.6 0.55 0.20 530 0.52 0.01 0.055 1.94 < 51Co 0.10 1.03 0.007 0.013 0.17 9.1 0.52 0.19 550 0.08 0.94 0.051 1.77 < 52Co 0.10 1.05 0.007 0.013 0.17 9.1 0.51 0.19 490 0.06 2.0 0.05 1.71 < 5


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liegen nach unserer Einschätzung weit genug über derWärmebehandlungstemperatur, so dass keine Gefahr besteht,diese in der Praxis zu überschreiten.

In diesem Zusammenhang und um einemschnellen Vergleich der drei Formeln zuermöglichen, wurden bei einer Spannungvon 85 MPa isobare Zeitstandversuchedurchgeführt. 85 MPa entsprechen demBetriebsbelastungsdruck, der fürRohrleitungsberechnungen herangezogenwird. Alle Ergebnisse aus Bild 1, fürZeiträume zwischen 100 und 8000 h,wurden mit den Minima und Maxima fürden P92 Grundwerkstoff gemäß derInformation von Nippon Steel DataPackage [1] verglichen.

Die Zeitstandwerte bei diesen drei Formelnunterscheiden sich nur unwesentlich undliegen meist deutlich unter denMindestwerten für diesen Stahl. Lediglichdie ersten Ergebnisse bei Prüfzeiten von< 1000 h lagen innerhalb des Streubandesund deuten auf eine leichte Überlegenheitder Elektrode mit Nickel hin. Dies führteuns zur Entwicklung einer neuen Formelmit 0,5% Nickel, die mit Bor dotiert ist.

Die Zugabe von Bor führt zu einer wesentlichen Verbesserung derKriechfestigkeit, die jetzt über die Mindestwerte für diesen Stahlansteigt. Damit werden die zu Beginn dieser Untersuchungdefinierten Kriterien erfüllt. (Bild 1).

Die in Bild 2 dargestellten Zeitstandversucheunter verschiedenen Druckbedingungenbestätigen diesen Trend. Allerdings führt derZusatz von Bor auch zu niedrigerenZähigkeitswerten. Sie bleiben jedoch imakzeptablen Bereich und erfüllen dieAnfangskriterien (Tabelle 5).

Tabelle 5 - Mechanische Eigenschaften derProbe nach Wärmebehandlung bei 760 °C / 4 h– 0.5 Ni + B Electrode –

Rm Rp A% Σ% HV10 KCV (J/cm2)(N/mm2) + 20 °C 0 °C785 641 17.4 59 245 63; 70; 79 45; 43; 51

Vor diesem Hintergrund entschieden wir uns fürdie Industrialisierung der 0,5% Ni + B Formel.

UP-Schweißen

Nach der Entwicklung der Stabelektroden wurde eine Draht /Pulver-Kombination entwickelt.

Zunächst wurde das Pulver ausgewählt, auf dessen Grundlage dieFormel für den Metallpulver-Fülldraht aufbauen würde, um diegewünschten Ergebnisse im Schweißgut zu erreichen. Ausmetallurgischer Sicht ist die Verwendung eines stark basischenPulvers wünschenswert, um den Sauerstoffgehalt im Schweißgutso niedrig wie möglich zu halten und die Einschlüsse zuminimieren, um so die Zähigkeit zu erhöhen. Das Pulver muss abertrotzdem gut zu verarbeiten sein, d.h. für gute Lichtbogenstabilitätund Benetzung der Schweißnähte sorgen und vor allem über eine

the AC1 points were considered to be high enough above thetemperature of the post-weld heat treatment for there to be norisk of it being exceeded in an industrial treatment.

In this context and in order to allow fora very quick comparison of these threeformulae, isobaric creep tests wereperformed under a stress of 85 MPa: avalue which corresponds to the service-load stress used for the pipeworkcalculations. All the results shown inFigure 1, for periods of between 100and 8,000 hours, were compared withthe minimum and maximum values forthe P92 base material according to theinformation provided in the Nippon SteelData Package [1].

The creep results for these three formulaeare not fundamentally different and, for thelongest times, are well below the minimumvalues for the steel. Nevertheless, the firstresults that were obtained (time < 1000hours), are within the scatterband for thesteel and point to the slight superiority ofthe electrode with nickel, which promptedus to develop a new formula containing0.5% nickel doped with boron.

The addition of boron results in very clearly improved creepresistance, which now rises above the minimum values for thesteel. This satisfies the criteria established at the start of thisstudy (Figure 1).

As shown in Figure 2, creep testscarried out under different stressesconfirm this trend. However, theaddition of boron also results in lowertoughness values; nevertheless, theyremain acceptable and satisfy ourinitial criteria (Table 5).

Table 5 - Mechanical characteristics of the all-weldmetal after treatment at 760 °C for 4 hours– 0.5 Ni + B Electrode –

Rm Rp A% Σ% HV10 KCV (J/cm2)(N/mm2) + 20 °C 0 °C785 641 17.4 59 245 63; 70; 79 45; 43; 51

In this context, we decided to industrialisethe 0.5% Ni + B formula.

Submerged arc

A flux / cored wire combination was developed shortly afterthe SMAW electrodes.

Firstly, we selected the flux upon which we would base theformula for the metal cored SAW wire, in order to obtain thedesired results in the weld metal. From a metallurgical pointof view, it is desirable to use a very basic flux in order obtainthe lowest possible oxygen content in the weld metal andminimise the inclusion rate, thus increasing the ductilefracture energy. However, the flux must also have a goodoperating behaviour, i.e. it must offer good arc stability,wetting of the weld beads and, above all, very good slag

Tests on SMAW electrodes (tempered condition)Ergebnisse der Stabelektrode (angelassen)

log tr (h)

1/T (K-1)

1000

100

100,00102 0,00104 0,00106 0,00108 0,00110

100 000

10 000

0,5% Ni, 0% Co, 40 ppm B average / Mittelwertskurve

Nip. St. Data Package average / Mittelwertskurve

0% Ni, 2% Co, 0 ppm B average / Mittelwertskurve

0,5% Ni, 0% Co, 0 ppm B average / Mittelwertskurve

0% Ni, 1% Co, 0 ppm B average / Mittelwertskurve

0,5% Ni, 0% Co, 40 ppm B

0% Ni, 2% Co, 0 ppm B

0,5% Ni, 0% Co, 0 ppm B

0% Ni, 1% Co, 0 ppm B

Fig.1: Creep tests under a stress of 85 MPa

Bild 1: Zeitstandversuche bei 85MPa

Creep tests on weld metal from SMAW electrodes (tempered condition)Zeitstandversuche Stabelektrode (angelassen)

Stress (MPa)

Larson-Miller parameter (C=36.10999)

1000

100

10

34 000 35 000 36 000 37 000 38 000 39 000

0,5% Ni, 0% Co, 25 ppm B

0,5% Ni, 0% Co, 0 ppm BNip. St.Data Package 0% Ni, 2% Co, 0 ppm B

0% Ni, 1% Co, 0 ppm B

Fig.2: Creep tests on weld metal from SMAW electrodes

Bild 2: Zeitstandversuche am Schweißgut vonElektroden zum Lichtbogenschweißen

ausgezeichnete Schlacklöslichkeit verfügen. Bei Schweißgut miteinem hohen Chrom-Anteil wurde dieses letzte Kriterium von denmeisten Pulvern nicht erfüllt. Die Ergebnisse der verschiedenenTests führten zur Auswahl von Lexal F500 als Pulver für dieweiteren Untersuchungen. Dieses Pulver war ursprünglich für dasSchweißen von Duplex-Stählen entwickelt worden.

Angesichts der Ergebnisse bei den Stabelektroden wurden dreiDraht / Pulver-Kombinationen gestestet: – 0.5 % Ni; 25 ppm B– 1 % Co; 0 ppm B– 1 % Co; 25 ppm B

Es wurden mehrere Schweißgutprobenhergestellt mit Streckenenergienzwischen 12.600 and 16.000 J/cm, beieiner Vorwärmtemperatur von 150 °C undeiner Zwischenlagentemperatur von 250 °C.Nach dem Schweißen erfolgte eineWärmebehandlung von 760 °C / 4h, umdie Spannungen abzubauen. Wie zuvorwurden zum Vergleich isobareZeitstandversuche bei identischerSpannung von 85Mpa durchgeführt. DieUntersuchungen dauerten zwischen 50und 2500 h. Die Ergebnisse sind in Bild 3zusammengefasst.

Diese Ergebnisse zeigen, dass Schweißgut,das im UP-Verfahren hergestellt wird, sichanders verhält als Schweißgut, das mitElektroden produziert wurde.

Die 0,5% Ni / 25 ppm B und 1% Co /0 ppm B Formeln zeigen ein identischesVerhalten und die Zeiten bis zum Bruchliegen nahe an den Minimalwerten desGrundwerkstoffs. Die 1% Co + 25 ppm BFormel bringt sehr gute Ergebnisse in derNähe der Durchschnittswerte desGrundwerkstoffes. Dieser Trend wird vonden Langzeitwerten bestätigt, die unterunterschiedlichen Spannungen durchgeführtwurden und die Überlegenheit der FormelCo + B beweisen (Bild 4)

Die Zeitstandfestigkeit ist selbstverständlichdas Hauptkriterium bei diesem Stahl.Allerdings dürfen die Zähigkeitseigenschaftendes Schweißgutes auf keinen Fallvernachlässigt werden.

In Bild 5 haben wir alle Ergebnissezusammengefasst, die unter denselbenSchweißbedingungen mit verschiedenenFülldrähten mit 1% Kobalt erzielt wurden,wobei sie sich hauptsächlich in ihrem Cr,W und B – Gehalt unterschieden. In derGraphik ist deutlich zu erkennen, wie dieZugabe von Bor die Zähigkeitswertedeutlich verringert.

Eine weitere Einflussgröße auf die Zähigkeitist die Zwischenlagentemperatur: EineZwischenlagentemperatur von 150 °C führtstets zu höheren Zähigkeitswerten als eine

8


removal. In the case of weld metal with high chromiumcontent, this final criterion is not satisfied by the most basicfluxes and the results of the various tests that were carriedout led to the choice of the OP F500 SAW flux for the restof the study. This flux was originally developed for thewelding of Duplex steels.

Considering the results in relation to the SMAW electrodes,three flux – cored wire combinationswere tested:– 0.5 % Ni; 25 ppm B– 1 % Co; 0 ppm B– 1 % Co; 25 ppm B

Different all-weld metal test plates wereproduced using welding energies ofbetween 12,600 and 16,000 J/cm, withpreheating to 150 °C and an interpasstemperature of 250 °C between passes.After depositing the weld metal, a heattreatment was carried out at 760 °C for4 hours in order to relieve the internalstresses. As before, a comparison wasmade using isobaric creep tests underan identical stress of 85 MPa.

The tests lasted between 50 and 2500hours. All the results are shown in Figure 3.

As shown by these results, the weld metalsdeposited by SAW behave differently tothose obtained using SMAW electrodes.

The 0.5% Ni / 25 ppm B and 1% Co /0 ppm B formulae show identicalbehaviours and the times-to-ruptureare close to the minimum values for thebase metal. The 1% Co + 25 ppm Bformula gives highly acceptable resultswhich are very close to the mean forthe base metal. This trend is confirmedby the results of creep tests performedunder different stresses, which bearwitness to the superiority of the Co + Bformula (fig. 4)

Creep resistance is, of course, themain criterion for this type of grade;however, it is impossible to ignore thetoughness characteristics of the weldmetal deposit.

In Figure 5, we have plotted all theresults obtained under the samewelding conditions using differentcored wires with 1% cobalt, anddiffering mainly in their Cr, W and Bcontents. The graph clearly shows thatthe addition of boron leads tosignificantly reduced toughnessvalues.

Another factor that influences toughnessis the interpass temperature: a temperatureof 150 °C between passes alwaysresults in higher toughness values than a

Submerged arc (tempered condition)UP (angelassen)

log tr (h)

1000

100

100,00102 0,00104 0,00106 0,00108 0,0011

100 000

10 000

1% Co, 25 ppm B average / Mittelwertskurve

Nip. St. Data Package average / Mittelwertskurve

1% Co, 0 ppm B average / Mittelwertskurve

0,5% Ni, 25 ppm B average / Mittelwertskurve

1% Co, 25 ppm B

0,5% Ni, 25 ppm B

1% Co, 0 ppm B

1/T (K-1)

Submerged arUP

Fig.3: Creep tests under a stress of 85 MPa

Bild 3: Zeitstandversuche bei 85Mpa Spannung

Creep tests on Wire-Flux combinations (tempered condition)Zeitstandversuche an Draht-Pulver-Kombinationen (angelassen)

Stress (MPa)

Larson-Miller parameter (C=36.10999)

1000

100

10

34 000 35 000 36 000 37 000 38 000 39 000

0% Ni, 1% Co, 0 ppm B0,6% Ni, 0% Co, 0 ppm B

Nip. St. Data Package0,5% Ni, 0% Co, 25 ppm B0,6% Ni, 0% Co, 0 ppm B in progress / in Bearbeitung

0% Ni, 1% Co, 25 ppm B

Fig.4: Creep tests for various wire/flux combinations

Bild 4: Zeitstandversuche für verschiedene Draht /Pulver-Kombinationen

B content (ppm) / B Gehalt (ppm)

140

120

100

80

60

40

20

00 5 10 15 20 25 30

Changes in toughness with boron contentÄnderung der Zähigkeit durch Bor-Gehalt

160ø 2.4mm cored wire / FülldrahtFlux: OP F 500 / Pulver: OP F 500I = 460 A - U= 30 V - Vs = 56 cm/min0 between passes = 250 °C/ 0 Zwischenlagentemp. = 250 °C

Mn: 0.8-1.4 ; Si: 0.2-0.35 ; Co: 0.95-1.17 ; Cr: 8-9.8 ; Mo: 0.45-0.68 ;Nb: 0.04-0.08 ; V: 0.18-0.26 ; W: 1.35-2 ; N: 0.043-0.054

Toug

hnes

s at

20

°C (J

/cm

2 ) / Z

ähig

keit

bei 2

0 °C

(J/c

m2 )

Fig.5: Influence of boron content on the toughnessof all-weld metal (tempered condition)

Bild 5: Einfluss des Bor-Gehaltes auf die Zähigkeitdes Schweißgutes (angelassen)


9

Temperatur von 250 °C. Dies zeigt auch Tabelle 6, in der dieErgebnisse für Draht ohne Bor-Zusatz und Draht mit Zusatz von 22ppm Bor (Schweißgut) zusammengefasst sind.

Dieses Ergebnis ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass dieTemperatur gegen Ende der Martensitumwandlung (200 °C)unter der höchsten Zwischenlagentemperatur liegt, so dass indiesem Fall die Austenitumwandung unvollständig bleibt.Dadurch können unerwünschte Gefüge nach der endgültigtenAbkühlung und Wärmebehandlung entstehen. Leider ist es inder Praxis nicht umsetzbar, eine Zwischenlagentemperatur von150 °C zu halten, da sich dies aus wirtschaftlicher Sicht äußerstnegativ auf die Herstellung der Rohre auswirken würde.

Tabelle 6 - Einfluss der Zwischenlagentemperatur auf die Zähigkeit

KCV +20 °C (J/cm2)Schweißgut Zw.-Lagentemp.

150 °C 250 °C1%Co; 1.6%W; 0 ppm B Durchschnitt. 142; min: 124 Durchschnitt 88; min: 601%Co; 1.7%W; 22 ppm B Durchschnitt 58; min: 38 Durchschnitt 40; min: 33

Abschließend bleibt ein weiterer Faktor, die Schweißstromstärke,mit bedeutendem Einfluss auf die Zähigkeitseigenschaften.

Unabhängig vom eingesetzten Drahttyp verbesserten sich dieZähigkeitswerte mit Zunahme der Schweißstromstärke, die beider Probenherstellung zur Anwendung kam. Die Ergebnisse inTabelle 7 verdeutlichen dieses Phänomen.

Eine höhere Stromstärke verringert diechemischen Reaktionen während desTropfenübergangs im Lichtbogen. Bei demverwendeten Pulver führt dies zu einemhöheren Mangan-Gehalt und einemgeringeren Silizium- und Sauerstoff-Gehaltim Schweißgut. Versuche, bei denen wirdie Draht-Formeln so gewählt haben, dasssich bei 460A derselbe Mangan- undSiliziumgehalt wie bei 300A ergibt, brachtenkeine wesentliche Verringerung derZähigkeitswerte. Daher ist es wahrscheinlich,dass die niedrigen Werte, die bei 300Aerzielt wurden, hauptsächlich auf denerhöhten Sauerstoffgehalt im Schweißgut

zurückzuführen sind, der durchschnittlich von 360 auf knapp über530 ppm steigt (Bild 6).

Tabelle 7 - Einfluss der Schweißstromstärke auf die Zähigkeit

KCV +20 °C (J/cm2)Schweißgut 300A, 27V 380A, 28V 460A,30V

40cm/min 45cm/min 56cm/min1%Co, 1.6%W, Durchschnittl. 53; Durchschnittl. 71; Durchschnittl. 89;

0 ppm B min: 48 min: 70 min: 631%Co, 1.5%W, Durchschnittl. 38; Durchschnittl. 70;

22 ppm B min: 27 min: 65

Auch nach einem Normalglühen bei 1060 °C + Anlassen bei 760 °C /4h wurden gute Ergebnisse erzielt, und zwar sowohl bei denBrucheigenschaften als auch bei der Zähigkeit, die in Abhängigkeitvon der chemischen Zusammensetzung und den getestetenSchweißbedingungen zwischen 100 und 140 J/cm² lag.

Aufgrund der Zeitstandergebnisse, die bei den Formeln mit Kobaltzwischen dem Mindestwert des Grundwerkstoffes - bei Schweißgutohne Bor - und leicht unter der Mittelwertskurve des Grundwerk-stoffes - bei 25ppm Bor im Schweißgut - lagen, entschieden wir unsfür die Industrialisierung eines Drahtes mit 15ppm Bor für dasAvedore Projekt, um die Zähigkeit nicht zu stark zu beeinträchtigen.

temperature of 250 °C, as shown in Table 6, which compares theresults obtained using boron-free wire with those obtainedusing wire that adds 22 ppm of boron to the weld metal.

This result is probably related to the fact that the temperatureat the end of the martensitic transformation (200 °C) is belowthe highest temperature between passes, so that in this case,the austenite transformation remains incomplete throughoutthe entire time required for the execution of the joint. Thismay modify its composition, stability, and consequently, itsdecomposition products during the final cooling and post-weld heat treatment. Unfortunately, it is not industrially viableto maintain a temperature of 150 °C between passes, as,from an economic perspective, this would be highlydetrimental to production during the joining of pipes.

Table 6 - Influence of interpass temperature on toughness values

KCV +20 °C (J/cm2)Weld metal deposit Interpass Temperature

150 °C 250 °C1%Co; 1.6%W; 0 ppm B Ave.: 142; min: 124 Ave.: 88; min: 601%Co; 1.7%W; 22 ppm B Ave. : 58; min: 38 Ave.: 40; min: 33

There remains one final factor that has a significant effecton toughness characteristics: welding current.

Whatever type of wire was used, the toughness values alwaysincreased as a function of the welding current that was usedduring the production of these all-weld metal test plates. Theresults, shown in Table 7, illustrate this phenomenon.

An increased intensity reduces thechemical exchanges in the dropletsduring their transfer within the arc. Withthe use of the flux, this leads to anincreased manganese content and adecreased silicon and oxygen contentin the weld metal. Our tests, carried outby formulating the wires in order toobtain the same manganese andsilicon contents at 460A that wereobtained at 300A, showed nosignificant reductions in toughnessvalues; therefore, it is likely that the lowvalues obtained at 300A are mainly dueto the increased oxygen content of the weld metal, which, onaverage, rises from 360 to just over 530 ppm (Fig.6).

Table 7 - Influence of welding current on toughness values

KCV +20 °C (J/cm2)Weld metal deposit 300A, 27V 380A, 28V 460A,30V

40cm/min 45cm/min 56cm/min1%Co, 1.6%W, 0 ppm B Ave: 53; min: 48 Ave: 71; min: 70 Ave: 89; min: 631%Co, 1.5%W, 22 ppm B Ave: 38; min: 27 Ave: 70; min: 65

With regard to the normalised condition at 1060 °C +tempered at 760 °C / 4hours, the results were always highlysatisfactory, both in terms of the tensile characteristics andthe toughness values, which varied between 100 and140 J/cm2 according to the chemical analyses and thewelding conditions that were tested.

Considering the creep results which, for the cobalt formulae, varybetween the minimum for steel containing no boron to just abovethe average for 25 ppm of boron, we decided to industrialise awire containing 15 ppm of boron for the Avedore programme inorder to avoid having a detrimental effect on the toughness.

Oxygen (ppm) / Sauerstoff (ppm)

Toug

hnes

s at

20

°C (J

/cm

2 )Z

ähig

keit

bei

20

°C (J

/cm

2 )

140

120

100

80

60

40

20

0300 350 400 450 500 550 600 650

160

Mn: 1.2-1.5 ; Si: 0.2-0.35 ; Co: 0.95-1.18 ; Cr: 8-9.8 ; Mo: 0.45-0.71 ;Nb: 0.04-0.08 ; V: 0.18-0.23 ; W: 1.35-2 ; N: 0.043-0.055 ; B < 15 ppm

300 A380 A460 A

Fig.6: Influence of oxygen content on the toughnessof weld deposit metal (tempered condition).

Bild 6: Einfluss des Sauerstoffgehalts auf dieZähigkeit des Schweißguts (angelassen).

10


VERFAHRENSPRÜFUNG FÜR DAS WIG-UND STABELEKTRODEN-SCHWEISSEN

Verfahrensprüfungen für das WIG-Verfahren und dasLichtbogenhandschweißen mit Stabelektroden wurden für diedrei Schweißpositionen PA, PF und PC durchgeführt. DiePrüfbedingungen sowie die Ergebnisse der zerstörungsfreienund mechanischen Prüfungen sind in Tabelle 8 dargestellt.

Nach dem Spannungsarmglühen wurdeneine Reihe isobarer Zeitstandversucheunter gleicher Spannung von 85Mpadurchgeführt. Die Proben wurden ausdem mit der Stabelektrode hergestelltenNahtbereich längs und quer entnommen.Die erste Probenreihe (längs) wurdeverwendet, um die Ergebnisse des reinenSchweißguts mit denen der Verbindungzu vergleichen. Alle Ergbnisse sind inBild 7 dargestellt.

Zunächst fällt auf, dass die Ergebnisseder Längsproben der Verbindungsnahtschlechter sind als die des reinenSchweißguts, obwohl sie an der unterenGrenze für den Grundwerkstoff lagen.Dies kann sowohl durch die Unterschiedebei den Schweiß-/Vorwärmbedingungenzwischen reinem Schweißgut undVerbindung erklärt werden als auch durchden niedrigeren Bor-Gehalt der

Verbindungsnaht im Vergleich zu dem des reinen Schweißguts(40ppm Bor im reinen Schweißgut gegenüber 20ppm Bor in denSchweißnähten). Eine weitere Beobachtung betrifft dieBruchstelle bei den Querproben: In PA Position befinden sichalle Bruchstellen in der interkritischen Zone, während sich dieBruchstellen in PF Position im Schweißgut befanden. Allgemeinkann gesagt werden, dass, unabhängig von derSchweißposition, die Kriechfestigkeit der Schweißnähte auf demMindestniveau der Werte für den Grundwerkstoff liegt.

GTAW + SMAW ELECTRODE PROCESSAPPROVALS

Welding process qualifications were carried out for GTAW +SMAW electrodes in relation to three welding positions: 1GT,5G1T and 2G. The conditions for the performance of thesequalifications and the results of the non-destructive andmechanical testing are presented in Table 8.

After the heat treatment to relieve internalstresses, a series of isobaric creep testswas performed under the same stress of85 MPa and the test pieces were sampledin either the longitudinal direction from theweld joint, or in the transverse direction,but still in the part that was welded withthe SMAW electrode. The first series(longitudinal direction) was used tocompare the results obtained in the all-weld metal and from the joint. All theresults are shown in Figure 7.

Firstly, it appears that the resultsobtained in the longitudinal direction fromthe joint were inferior to those obtainedfrom the all-weld metal, although theywere at the lower limit for the base metal.This might be explained by differences inwelding/heating conditions between theall-weld metal and joint and also by alower boron content in the welded jointsin relation to that observed in the all-weld metal (40 ppm ofboron in the all-weld-metal, compared with 20 ppm of boron inthe joints). Another observation relates to the location of therupture for the test pieces taken transverse to the joint: inposition 1GT, all the fractures were situated in the inter-criticalarea, whereas in position 5G1T, the fractures were situated inthe weld. In general, it can be said that, regardless of thewelding position, the creep resistance of the joints is at theminimum level of the base metal.

GTA + Electrode process qualificationVerfahrensprüfung WIG- und Elektrodeverfahren

log tr (h)

1/T (K-1)

1000

100

100,00102 0,00104 0,00106 0,00108 0,0011

100 000

10 000

1GT longitudinal / PA längs

1GT rupture in heat affected zone / PA quer, Bruch in WEZ

5G1T longitudinal / PF längs

Base material / Grundwerkstoff MittelwertskurveAll-weld metal results / Ergebnisse des reinen Schweißguts

5G1T rupture weld metal / PF quer, Schweißnahtbruch

Fig.7: Creep tests on welded joints

Bild 7: Zeitstandversuche an der Schweißnaht

Table 8: Welding process qualifications for GTAW + SMAW electrodes

5G1T / PF 1GT / PA 2G / PC

Pipe dimensions Int. Ø 236 mm; e = 36 mm Int. Ø 236 mm; e = 36 mm Int. Ø 384 mm; e = 37 mm

Preheating 150 °C 150 °C 150 °C

Interpass temperature 250 °C 250 °C 250 °C

1 pass GTAW OE CARBOROD WF 92: 100 A

2 passes elect. OE CROMOCORD 92 Ø 2.5: 90 A


14 passes elect. OE CROMOCORD 92 Ø 4: 160 A



Tempering 760 °C / 4hours 760 °C / 4hours 760 °C / 4hours

Magnetoscopy, Radio and OK OK OKUS before & after tempering

4 side bends - 4th at 180° OK OK OK

4 transverse tensile tests Base metal rupture: 640 to 652 MPa Base metal rupture: 633 to 662 MPa Base metal rupture: 686 to 696 MPa

KCV +20 (J/cm2) 57, 70, 56 - ave.: 61 64, 57, 64 - ave.: 62 70, 86, 57 - ave.: 71

HV10 MF* 243 to 259 250 to 270 232 to 253

HV10 HAZ* Max. 274 Max. 271 Max. 250

HV10 MB* 200 to 210 210 to 215 213 to 225

* MF = Weld metal deposit; HAZ = Heat Affected Zone; MB = Base metal

2 passes GTAW OE CARBOROD WF 92: 140 A

5 passes elect. OE CROMOCORD 92 Ø 3,2: 115 A

17 passes elect. OE CROMOCORD 92 Ø 4: 160A






Welding

VERFAHRENSPRÜFUNG FÜR WIG- /ELEKTRODEN- / UP-VERFAHRENDie Verfahrensprüfung wurde in PA-Position an einem Rohr mitDurchmesser 260mm und einer Wandstärke von 36mm durchgeführt.Wie bei den vorhergehenden Zertifizierungen lag die Vorwärmtemperaturbei 150 °C und die Zwischenlagentemperatur bei maximal 250 °C. DieSchweißbedingungen sind in Tabelle 9 zusammengefasst und dieErgebnisse der zerstörungsfreien Prüfungen und mechanischen Testsnach dem Anlassen bei 760 °C / 4h sind in Tabelle 10 dargestellt.

Tabelle 9 - Schweißbedingungen Verfahrensprüfung WIG – Elektrode - UP

Lage Nr Verfahren Zusatzwerkstoff Parameter1 WIG OE CARBOROD WF 92:– ø 2mm 120 A2 SMAW OE CROMOCORD 92– ø 2.5mm 80 A3 SMAW OE CROMOCORD 92– ø 3.2mm 130 A

4 & 5 SMAW OE CROMOCORD 92– ø 4mm 160 A

6 to 26 Submerged Arc OP F500 / OE CROMO SF 92– ø 2.4mm 460 A; 30 V;45 cm/min

Tabelle 10 - Zerstörungsfreie Prüfung und mechanische Tests derVerfahrensprüfung WIG – Elektrode – UP (angelassen 760 °C / 4h)

Magnetpuvler-/ 4 Seiten- 4 Zugver-KCV +20 °C KCV +20 °C HV 10 HV 10 Durchstrahlungs-/ biegeprobe sucheSchweißgut WEZ Schweißgut WEZUS-Prüfung (180 °) quer

GW Bruch 60, 64, 51 87, 45, 118 251Max.OK OK 661 bis durchschnittl. durchschnittl. bis274674 MPa 58 J/cm2 84 J/cm2 263

Dieselbe Naht wurde auch nach Normalglühen und Anlassengeprüft. Die Ergebnisse in Tabelle 11 zeigen, dass dieseWärmebehandlung die Zähigkeitswerte im Schweißgut und inder WEZ wesentlich verbessert, im Vergleich zum nurangelassenen Zustand.

Tabelle 11 - Zerstörungsfreie Prüfung und mechanische Tests derVerfahrensprüfung - Naht normalgeglüht bei 1060 °C und angelassen (760 °C / 4h)

Magnetpuvler-/ 4 Seiten- 4 Zugver-KCV +20 °C

KCVHV 10 HV 10 Durchstrahlungs-/ biegeprobe suche

Schweißgut+20 °C

Schweißgut WEZUS-Prüfung (180 °) quer WEZBruchstellen:

141, 135, 138 185, 168, 182 212OK OK 2 GW und 2 SG

durchschnittl. durchschnittl. bisMax.

671 bis 138 J/cm2 178 J/cm2 239

238741 MPa


11

GTAW + SMAW ELECTRODE + SUBMERGEDARC PROCESS QUALIFICATIONThis qualification was performed in the 1GT position on a pipewith a diameter of 260 mm and thickness of 36 mm. As for theprevious qualifications, the preheating temperature was 150 °Cand the interpass temperature was a maximum of 250 °C. Thewelding conditions are shown in Table 9 and the results of thenon-destructive testing and the mechanical characterisationsafter tempering at 760 °C for 4 hours are given in Table 10.

Table 9 - Welding conditions for GTA + Electrode + Submerged Arc process qualification

Pass no. Process Products Parameters1 GTAW OE CARBOROD WF 92:– ø 2mm 120 A2 SMAW OE CROMOCORD 92– ø 2.5mm 80 A3 SMAW OE CROMOCORD 92– ø 3.2mm 130 A

4 & 5 SMAW OE CROMOCORD 92– ø 4mm 160 A

6 to 26 Submerged Arc OP F500 / OE CROMO SF 92– ø 2.4mm 460 A; 30 V;45 cm/min

Table 10 - Non-destructive testing and mechanical characteristics of the qualification joint forthe GTAW + SMAW Electrode + Submerged Arc process (tempered condition 760 °C / 4h)

Magnetoscopy4 side

4 transverseKCV +20 °C

KCV +20 °CHV 10

HV 10+ Radio + US

bendstensile tests

Weld metalHAZ

Weld metalHAZ(At 180 °) deposit deposit

Base metal60, 64, 51 87, 45, 118

251Max.OK OK rupture

ave. 58 J/cm2 ave. 84 J/cm2to

274661 to 674 MPa 263

The same joint was qualified after normalising andtempering. The results shown in Table 11 illustrate that thisheat treatment considerably improves the toughness values,both in the weld metal deposit and in the heat affectedzone, compared with the tempering treatment alone.

Table 11 - Non-destructive testing and mechanical characteristics of the qualification jointin the normalised - tempered condition (Normalising: 1060 °C, tempering: 760 °C / 4h)

Magnetoscopy4 side

4 transverseKCV +20 °C

KCV +20 °CHV 10 HV 10

+ Radio + USbends

tensile testsWeld metal

HAZWeld metal HAZ

(At 180 °) deposit depositRupture: 2 base

141, 135, 138 185, 168, 182 212OK OK metal & 2 weld

ave. 138 J/cm2 ave. 178 J/cm2 toMax.

metal deposit239

238671 to 741 MPa

Tabelle 8: Verfahrensprüfung für das WIG- und Stabelektrodenschweißen

5G1T / PF 1GT / PA 2G / PC

Rohr- abmessungen Innen ø 236 mm; e = 36 mm Innen ø 236 mm; e = 36 mm Innen ø 384 mm; e = 37 mm

Vorwärmen 150 °C 150 °C 150 °C

Zw-Lagentemp. 250 °C 250 °C 250 °C

1 Lage WIG OE CARBOROD WF 92: 100 A

2 Lagen E. OE CROMOCORD 92 Ø 2.5: 90 A


14 Lagen E. OE CROMOCORD 92 Ø 4: 160 A



Vergüten 760 °C / 4h 760 °C / 4h 760 °C / 4h

Magnetpuvler-/ Durchstrahlungs- OK OK OKUS-Prüfung vor & nach Anlassen

4 Seitenbiege-proben 4. bei 180° OK OK OK

4 Querzug-versuche GW Bruch: 640 bis 652 Mpa GW Bruch: 633 bis 662 Mpa GW Bruch: 686 bis 696 Mpa

KCV +20 (J/cm2) 57, 70, 56 - durchschnittl. 61 64, 57, 64 - durchschnittl. 62 70, 86, 57 - durchschnittl. 71

HV10 SG* 243 bis 259 250 bis 270 232 bis 253

HV10 WEZ* Max. 274 Max. 271 Max. 250

HV10 GW* 200 bis 210 210 bis 215 213 bis 225

* SG = Schweißgut; WEZ = Wärmeeinflusszone; GW = Grundwerkstoff

2 Lagen WIG OE CARBOROD WF 92: 140 A

5 Lagen E. OE CROMOCORD 92 Ø 3,2: 115 A

17 Lagen E. OE CROMOCORD 92 Ø 4: 160A






Schweißen

Wie zuvor wurden auch hier isobareZeitstandversuche durchgeführt, wobeidie Proben aus dem UP-geschweißtenTeil entnommen wurden. Die Ergebnissefür die beiden geprüften Wärmebehand-lungszustände zeigt Bild 8.

Die Ergebnisse der Schweißnahtzeigen, dass die Zeitstandeigenschaftennoch immer innerhalb des Streubandesdes Grundwerkstoffes liegen undzwar sowohl im angelassenen als auchim normalgeglühten und angelassenenZustand.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Aus den verschiedenen chemischenZusammensetzungen der geprüftenStabelektroden scheint die Formel mit

0,5% Nickel und 40ppm Bor einen ausgezeichneten Kompromisszwischen Zeitstandfestigkeit und einem Zähigkeitsniveau zu sein,das deutlich über den Mindestanforderungen der Regelwerkeliegt. Allerdings wird durch den Austausch der 0,5% Nickel durch1% Kobalt, der sich günstig auf die Temperatur des AC1 Punktesauswirkt, eine größere Sicherheitsmarge hinsichtlich derWärmbehandlungsbedingungen bei der Anlassglühung erreicht.

Bei der UP-Kombination ist es schwierig, eine akzeptableZähigkeit nach dem Anlassen zu erzielen, wenn der Bor-Gehaltgenauso hoch ist wie bei den Elektroden. Dies führte zurEntwicklung einer Draht / Pulver-Kombination mit 1% Kobalt undeinem reduzierten Bor-Gehalt. Beim UP-Verfahren ist eine sehrsorgfältige Einhaltung der Schweißbedingungen erforderlich, umdie Zähigkeits- und Zeitstandfestigkeitsanfoderungen nach demAnlassen zu erfüllen.

Andererseits macht der Einsatz dieser Draht / Pulver-Kombinationall diese Vorsichtsmaßnahmen überflüssig, wenn nach demSchweißen normalgeglüht und angelassen wird, so wie es bei derWerkstattfertigung der Rohre der Fall ist.

Hinzuweisen ist noch auf die ausgezeichneten Verarbeitungs-eigenschaften dieser Zusatzwerkstoffe.

Wir haben die chemische Zusammensetzung des mit Kobaltlegierten Schweißgutes für das UP-Schweißen zwischen 2005und 2007 weiter verbessert. Diese Entwicklungen werden in einerzweiten „Competence“-Veröffentlichung zum Thema P92behandelt. Gleichzeitg wurde die Produktreihe erweitert, umKobalt-legiertes Schweißgut für alle Arten von Schweißzusätzenanzubieten zu können. Abgeschlossen wird das P92 Themadurch einen dritten Beitrag, der das gesamteZusatzwerkstoffangebot zum WIG-, Elektroden- und UP-Schweißen beschreibt.

As before, isobaric creep tests wereperformed and the test pieces weretaken from the submerged arc deposit.The results are shown in Figure 8 forthe two qualified conditions.

These joint results demonstrate that thecreep characteristics are still situatedwithin the base metal scatterband, bothin the tempered condition and afternormalising and tempering.

CONCLUSIONS

Out of the different chemical compositionsof electrodes that were tested, theformula containing 0.5% nickel and 40ppm of boron represents an excellentcompromise between highly acceptablecreep resistance characteristics and alevel of toughness that is far higher than the minimumrequired by the specifications. However, the replacement of0.5% nickel with 1% cobalt, which has a beneficial effect onthe temperature of the AC1 point, gives a larger safetymargin with regard to the heat treatment conditions fortempering.

This prompted us to develop a wire / flux combinationcontaining 1% cobalt and a reduced boron content, in viewof the difficulty in obtaining acceptable toughness valuesafter tempering with a boron content as high as that of theelectrodes. With the submerged arc welding process, strictcompliance with the operating conditions is required inorder to satisfy the requirements for toughness and creepresistance after tempering.

On the other hand, the use of this wire/flux combinationmakes all these precautions superfluous when anormalisation + tempering treatment is carried out afterwelding, as is the case for the manufacture of pipework inthe workshop.

Furthermore, it is important to emphasise the excellentoperating characteristics of these welding consumables.

We continued to optimise the chemistry of weld metalalloyed with cobalt in submerged arc welding between 2005and 2007. These developments will be covered in a secondOERLIKON Competence publication on the P92 topic. At thesame time, the range was also homogenised, with a view tooffering cobalt alloy weld metals for all types of weldingconsumables. The P92 topic will be concluded with a thirdOERLIKON Competence publication describing the entirerange of welding consumables, consisting of wire for GTAWand submerged arc welding, and SMAW electrodes.

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GTA + SMAW Electrode + Submerged Arc qualificationVerfahrensprüfung WIG-, Elektroden-, UP-Verfahren

log tr (h)

1/T (K-1)

1000

100

100,00102 0,00104 0,00106 0,00108 0,0011

100 000

10 000

Ave. Nippon Steel Data Package / Durchsnittl. Nippon Steel Werte

Longitudinal joint tempered / VP, angelassen, längs

All-weld metal tempered / Angelassen, reines Schweißgut

Transverse tempered / VP, normalgeglüht + angelassen, quer

Fig.8: Creep tests on welded joints

Bild 8: Zeitstandversuche an der Verbindung

A. Vanderschaeghe - AVD Consulting - J. Gabrel - Alstom - C. Bonnet - Air Liquide / CTAS

[1] Nippon Steel Corporation: “Data Package for NF616 Ferritic Steel (9Cr-0.5Mo-1.8W-Nb-V)”; Second edition, March 1994.

BIBLIOGRAPHY / LITERATURHINWEISE:


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Schweißen mitFülldrahtelektroden imSchiffbau.

Unter dem Aspekt der Kostenreduzierung versucht dieSchiffbauindustrie die Fertigungszeiten durch den Einsatzvon modernen, leistungsfähigen Schweißtechnologien zuverringern. Hierzu leisten Fülldrahtelektroden einenentscheidenden Beitrag, indem die Schweißgeschwindigkeitinfolge höherer Abschmelzleistung und/oder höhererStrombelastbarkeit z.B. in Zwangspositionen entscheidendgesteigert werden kann. Es werden schlackeführende(rutile und basische) und schlackelose (metallpulvergefüllte)Fülldrahtelektroden unterschieden. Nahtlose, verkupferteFülldrahtelektroden zeichnen sich insbesondere durchabsolute Feuchteunempfindlichkeit der Füllung und sehrgute Drahtfördereigenschaften aus und sind damit fürden rauen Werfteinsatz prädestiniert. In dem Artikelwerden die verschiedenen Fülldrahtelektroden und ihreAnwendung im Schiffbau anhand von typischenBeispielen für das teil- und vollmechanisierte Schweißenvorgestellt.

EINLEITUNG

Der weltweite Verdrängungswettbewerb unter den Werften hateinen Rationalisierungsdruck ausgelöst, der zwangsläufig alleAspekte von der Konstruktion bis zur Fertigung eines Schiffesbetrifft. Dies hat in den letzten 20 Jahren nicht zuletzt dieEntwicklungen in der Schweißtechnik nachhaltig geprägt. War inder Vergangenheit noch das manuelle Lichtbogenhandschweißenmit Hochleistungselektrode ein vorherrschendes Fügeverfahrenim Sektionsbau, so ist es heute das Schutzgasschweißen mitFülldrahtelektrode. In einer der größten europäischen Werftenschweißen 1100 von 1400 Schweißern mit Fülldrahtelektroden.1100 t rutile und 300 t basische Fülldrahtelektroden werden dortim Jahr verarbeitet. Rationalisierungen in allen Bereichenermöglichen mit den vorhandenen Kapazitäten den Stapellaufeines fertiggestellten Schiffes alle 3-4 Wochen.

Wurde in der Vergangenheit das manuelle Lichtbogenhandschweißenmit Hochleistungselektroden durch das Federkraft- oderSchwerkraftschweißen “mechanisiert”, so kommen heute dasvollmechanisierte Metallschutzgas- oder Elektrogasschweißenzum Einsatz, wo immer die Randbedingungen die Erhöhung desMechanisierungsgrades zulassen. Auch das Unterpulverschweißenhat nach wie vor eine herausragende Bedeutung imSektionsbau, nicht nur zum Kehlnahtschweißen, sondern vorallem auch beim Fügen dickerer, höherfester Feinkornbaustählein der äußerst wirtschaftlichen Einlagen- oder Lage/Gegenlagetechnik,welche aufgrund der hohen Wärmeeinbringung den Einsatz vonspeziell legierten Fülldrahtelektroden erfordert.

Welding with Flux-CoredWires in Shipbuilding.

In the interests of reducing costs, the shipbuildingindustry is attempting to cut production timesthrough the use of modern, highly efficient weldingtechnology. Flux-cored wires can make a crucialcontribution, as they can significantly increasewelding speed as a result of their greater depositionrate and/or higher current carrying capacity, forexample when welding in position. A distinction ismade between slag-forming (rutile and basic) andslag-free (metal-cored) cored wires. Seamless,coppered flux-cored wires are particularlydistinguished by the complete resistance of the coreto moisture pick up and very good wire feedingcharacteristics and are therefore ideally designed forthe demanding conditions encountered in shipyards.In this article, the various flux-cored wires and theirapplications in shipbuilding are presented withreference to typical examples of partially and fullymechanised welding techniques.

INTRODUCTION

Global competition among shipyards has created the needfor rationalisation which necessarily affects all aspects ofconstruction through to the final completion of a ship. In thelast 20 years, an important aspect of this has been thelasting effect it has had on developments in weldingtechnology. In the past, manual metal arc welding usinghigh efficiency electrodes was still a primary method ofjoining, today it is metal inert-gas shielded welding which ismost used. In one of Europe's largest shipyards, 1100 ofthe 1400 welders work with flux-cored wires. There are1100 tonnes of rutile and 300 tonnes of basic flux-coredwires consumed each year. With the available capacity,rationalisation in all areas now allows a completed ship tobe launched every 3-4 weeks.

In the past, manual metal arc welding with high efficiencyelectrodes was "mechanised" by means of spring tensionor gravity welding. Today fully mechanised gas metal arcwelding or electro-gas welding is used, wherever theperipheral conditions allow for a greater degree ofmechanisation. Submerged-arc welding continues tooccupy a position of outstanding importance, not only forfillet welding but for joining thicker, high-strength, finegrain construction steels using the extremely cost-effective single-pass or two-run welding techniques withspecially alloyed flux-cored wires, due to the high heatinputs used.

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Der Lieferant für Schweißtechnik auf einer Werft wird so zueinem Systemanbieter, der sowohl die Gerätetechnik alsauch darauf optimal zugeschnittene Schweißzusatzwerkstoffeanbieten muss Komplettlösungen aus einer Hand sindgefordert und setzen die intensive Auseinandersetzung mitden komplexen Bedürfnissen des Anwenders voraus.Optimale Verarbeitungseigenschaften im Hinblick aufhöchste Wirtschaftlichkeit, bei sicherer Erfüllung dergeforderten mechanischen Gütewerte des Schweißgutswerden von den Schweißzusätzen gefordert und erfüllt.Im folgenden sollen die Einsatzbereiche, Wirtschaftlichkeitund die besonderen Eigenschaften modernerFülldrahtelektroden zum Schweißen der typischenSchiffbaustähle (Grad A - E 40) im Standardschiffbau, unddas ist heute überwiegend der Containerschiffbau,beschrieben werden. Selbstverständlich stehen auchSchweißzusätze für die vielfältigen Werkstoffaufgaben imSonderschiffbau mit hochfesten Stählen, hochlegierten,korrosionsbeständigen oder nichtmagnetischen Werkstoffenüberwiegend auch als Fülldrahtelektroden zur Verfügung,deren Beschreibung den Rahmen des vorliegenden Beitragsaber sprengen würden.

FÜLLDRAHTELEKTRODEN

Gegenüber Massivdrahtelektroden weisen Fülldrahtelektrodeneine Reihe von Vorteilen auf, die aus dem Aufschmelzen derFüllung im Schweißprozeß resultieren. Grundsätzlich tretenvergleichbare Effekte wie beim Lichtbogenhandschweißen auf,die hier durch den Typ der Elektrodenumhüllung bewirkt werden.So werden auch beim Fülldrahtschweißen sowohl dieSchweißeigenschaften als auch die metallurgischen Eigen-schaften je nach Füllpulvertyp günstig beeinflusst. Diebesonderen Schweißeigenschaften von Fülldrahtelektrodengegenüber Massivdrahtelektroden sind nicht zuletzt für die hoheWirtschaftlichkeit des Schweißverfahrens verantwortlich.

Je nach Typ der Füllung unterscheidet man Metallpulver-,basische und rutile Fülldrahtelektroden für die verschiedenenEinsatzbereiche (Bild 1). Fülldrahtelektroden werden sowohl zumMetallschutzgasschweißen als auch zum Unterpulverschweißenvorteilhaft eingesetzt.

Bild 1 - Herstellungsart, Füllpulvertypen und Anwendung von Fülldrahtelektroden

OERLIKON Schweißverfahren Art der Füllung QuerschnittBezeichnung

➢ rutilFLUXOFIL MAG ➢ basisch nahtlos

➢ metallpulver

CITOFLUX MAG➢ rutil

formgeschlossen➢ metallpulver

FLUXINOX MAG ➢ rutil formgeschlossenFLUXOREX EG / ES ➢ basisch nahtlosFLUXOCORD UP / FMI ➢ basisch nahtlos

This means that the supplier of welding products andtechnology to a shipyard becomes a system supplier,required to offer both the applied technology and weldingconsumables which are optimised for the application.Complete solutions from a single source are necessarywith the assumption that the complex requirements of theuser will be efficiently satisfied. Optimal processingproperties in respect of maximum economy combined withreliably acheiving the specified weld metal mechanicalproperties, are required from the plant and consumableswhich are supplied. A description is given below of theareas of application, cost-effectiveness and specialproperties of modern flux-cored wires for welding typicalshipbuilding steels (Grade A - E 40) for standardshipbuilding applications, which today predominantlymeans container ship building. Welding consumables arealso available for the many and varied material applicationsin the construction of special ships using high-strengthsteels, high-alloyed, corrosion-resistant or non-magneticmaterials, mainly in the form of flux-cored wires. This is awide ranging topic and therefore beyond the scope of thisarticle.

FLUX-CORED WIRES

Flux-cored wires offer a number of advantages oversolid-wire electrodes, derived from the fusioncharacteristics during the welding process. Basically,there are comparable effects to manual metal arcwelding, arising from the type of electrode coating. Thismeans that in the course of solid-wire welding bothwelding properties and metallurgical properties arefavourably influenced, depending on the type of flux filling.The special welding properties of cored wire electrodesover solid-wire electrodes are responsible for theincreased cost-effectiveness of this welding process.

Depending on the type of core, the distinction is madebetween metal-core, basic and rutile flux-cored wires forthe various areas of application (Table 1). Flux-cored wiresare used to advantage for both gas metal arc welding andfor submerged-arc welding.

Table 1 - Manufacturing type, filling flux types and use of flux-cored wires

OERLIKON Welding process Core characteristics Sectiondesignation

➢ rutileFLUXOFIL MAG ➢ basic seamless

➢ metal

CITOFLUX MAG➢ rutile

folded➢ metal

FLUXINOX MAG ➢ rutile foldedFLUXOREX EG / ES ➢ basic seamlessFLUXOCORD Subm.-arc / FMI ➢ basic seamless

Nahtlose

Fülldrahtelektrode Formgeschlossene Fülldrahtelektroden

Seamless weld

Flux-cored wires Folded flux-cored wires


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Gründe für den Einsatz von Fülldrahtelektroden:• sichere Flankenerfassung, unempfindlich gegen Bindefehler• gute Benetzung, kerbfreie Übergänge, glatte Nahtoberfläche• hohe Riss-Sicherheit• spritzerarmer Werkstoffübergang• hohe Prozess-Stabilität• bei schlackeführenden Fülldrahtelektroden zusätzlicher

Schutz der übergehenden Tropfen und des Schmelzbades• flexible Einsatzmöglichkeit von Legierungs- und Mikrolegie-

rungselementen

Herstellung von FülldrahtelektrodenNach der Herstellungsart unterscheidet man “formgeschlossene”und “nahtlose” Fülldrahtelektroden (Bild 1). Erstere werden nach demEinfüllen einer Trockenmischung aus mineralogischen und/odermetallischen Rohstoffen durch einen Stumpf-, Überlapp- oderBördelstoß geschlossen und i.A. ohne eine weitereWärmebehandlung auf den Enddurchmesser gezogen oder gewalzt.Die nahtlosen Fülldrahtelektroden weisen demgegenüber keinenSpalt nach dem Ziehvorgang auf, da das Füllpulver in ein durchInduktivschweißen geschlossenes Rohr eingefüllt wird (daher derverbreitete Name “Röhrchendraht”). Um Entmischungen des Pulversbei dem Einfüllvorgang mittels Rütteln zu vermeiden, werden dieRohstoffe zuvor mit Wasserglas zu einem stabilen Korn mit einerdefinierten Korngrößenverteilung agglomeriert. Nach demkontrollierten Einfüllvorgang erfolgt eine Wärmebehandlung mit demZiel, die Ziehfähigkeit des gefüllten Rohrs sicherzustellen undRestfeuchtigkeit aus dem Füllpulver zu reduzieren. Nach dem Ziehenkann die Fülldrahtelektrode wie eine Massivdrahtelektrode verkupfertwerden.

Im Gegensatz zu den “formgeschlossenen” Fülldrahtelektrodenweisen “nahtlose” Fülldrahtelektroden somit zusammengefaßtfolgende Vorteile auf, die besonders im rauhen Werftbetrieb undin einer immer mehr oder weniger feuchten Umgebung zählen:

• absolute Unempfindlichkeit der Füllung gegenüberFeuchtigkeit bei der Lagerung bis zur Verarbeitung oder inder Produktionsumgebung

• daher kein Nachtrocknen erforderlich, auch nicht nachLagerung in feuchter Umgebung

• Möglichkeit der Verkupferung für einen guten elektrischenKontakt und gute Gleiteigenschaften in der Drahtführung

• höchste Formstabilität für eine gute Drahtförderbarkeit,selbst in Drahtvorschubsystemen mit Standard-2-Rollenantrieb und in “Push Pull”- Systemen zurÜberbrückung langer Drahtförderstrecken

• keine Drahttorsion beim Schweißen, so dass eine exakte,drallfreie Drahtpositionierung, z.B. beim vollmechanisiertenSchweißen zuverlässig erreicht wird.

Alle nach dem FLUXOFIL-Verfahren hergestelltenFülldrahtelektroden weisen heute Wasserstoffgehalte < 5 ml odersogar < 3 ml/100g abgeschmolzenem Schweißgut auf, da sie beihohen Temperaturen zwischengeglüht und mit ausgewähltenRohstoffen hergestellt werden. Sie können daher ohne Bedenkenauch zum Schweißen höherfester Stahlqualitäten ohne Gefahrwasserstoffinduzierter Kaltrisse eingesetzt werden.

FülldrahtelektrodentypenFülldrahtelektroden mit rutiler schnell erstarrender Schlacke (P-Typ)

Charakteristische Eigenschaften:• gute Positionsverschweißbarkeit bedingt durch die

Stützwirkung der schnell erstarrenden Schlacke

Reasons for using flux-cored wires:• reliable sidewall fusion, not susceptible to lack of fusion• good wetting, no undercutting, smooth weld bead surface• high resistance to cracking• low-spray metal transfer• high process stability• with slag-forming flux-cored wires, additional protection

during metal transfer and for the weld pool• flexibility in the possible use of alloying and micro-alloying

elements

Manufacturing Flux-Cored WiresWith reference to the type of manufacture, the distinction ismade between "folded" and "seamless" flux-cored wires(Fig.1). The former are closed after having been filled with adry mixture of mineral and/or metallic raw materials, using abutt, overlapping or flange closure and, generally, drawn orrolled to their final diameter without any additional heattreatment. By way of contrast, seamless flux-cored wires donot have a seam after the drawing process, as the filling fluxis introduced into a tube sealed by an induction weldingprocess (which explains the name "cored wire"). In order toensure homogeneity of the core filling, the raw materials arefirst agglomerated into a stable grain of a specified grain-size distribution. After the controlled filling procedure, thetube is heat treated to ensure that the filled tube can bedrawn, as well as reducing the level of residual moisture inthe flux filling. After drawing, the flux-cored wire can becoppered in the same way as a solid-wire electrode.

Unlike "folded" flux-cored wires, "seamless" flux-coredwires have the following advantages, which are shown insummary form. These are important, particularly in thedemanding environment of the shipyard and insurroundings with variable levels of atmospheric humidity.

• the filling is completely impervious to moisture duringstorage or in the production environment

• accordingly, there is no need for a drying treatment,even after storage in higher humidity conditions

• coppering ensures good electrical contact and goodfeeding properties for the wire through the conduits.

• homogeneity of mechanical properties of the sheathensures smooth wire feeding, even with wire feedingsystems with standard 2-roller drives and in "push-pull"systems for bridging longer wire-feeding distances

• no wire torsion during welding, thus reliably ensuringexact positioning of the wire with no twisting orspiralling, e.g. important for fully-mechanised welding

All of the flux-cored wires produced by the OERLIKONFLUXOFIL process today have diffusible hydrogen contentsof < 5 ml or even < 3 ml/100g deposited weld metal, asthere is an intermediate tempering treatment at hightemperatures and they are manufactured from selected rawmaterials. This means that these cored wires are particularlysuitable for welding high-strength steels, while minimisingthe risks of hydrogen induced cold cracking.

Flux-cored wire typesFlux-cored wires with fast freezing rutile slag (R-type)

Characteristic properties:• good positional welding characteristics due to the

supporting effect of the rapidly solidifying slag

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• daher keine Impulsstromtechnik erforderlich (einfacheProzess-Einstellung und geringer Investitionsbedarf)

• feintropfiger Werkstoffübergang mit guter Benetzung übereinen großen Schweißparameterbereich

• glatte , saubere Nahtoberfläche• kompakte, i.A. selbst abhebende Schlacke• gute Schweißgutzähigkeit bis -40 °C durch Legierung mit

Titan, Bor und ggf. Nickel• allgemeine Richtlinie: maximale Wandstärke 45 mm

Hauptanwendungsgebiete:Schweißen von Kehl- und Stumpfstoßnähten in allen Positionenund Schweißen von Stumpfstoßnähten in steigender oderQuerposition auf keramischer Badsicherung. Für alleZwangspositionen inklusive Rohrverbindungsschweißungenkönnen Fülldrahtelektroden mit schnell erstarrender rutilerSchlacke vollmechanisiert verarbeitet werden.

Fülldrahtelektroden mit basischer Schlacke (B-Typ)

Charakteristische Eigenschaften:• ausgezeichnete mechanisch/technologische Eigenschaften

des Schweißguts (auch bei sehr tiefen Temperaturen), sowohlim Schweißzustand als auch nach Wärmebehandlung

• aufgrund des mittel- bis grobtropfigen Werkstoffübergangsuneingeschränkt zum Wurzelschweißen geeignet

• höchste Riss-Sicherheit

Hauptanwendungsgebiete:Höherbeanspruchte Schweißverbindungen ohne Wandicken-begrenzung in Wannen- und Horizontalposition. Das Schweißenin Zwangspostion findet aufgrund der dünnflüssigen Schlackenur bedingt Anwendung.

Metallpulverfülldrahtelektroden (M-Typ)

Charakteristische Eigenschaften:• Höhere Strombelastbarkeit im Vergleich zu Massivdraht-

elektroden, woraus höhere Abschmelzleistungenresultieren

• sehr feintropfiger Werkstoffübergang im Sprühlicht-bogenbereich (ab ca. 160 A bei Ø 1,2 mm)

• feingezeichnete, schlackenfreie Nahtoberfläche mit wenigenleicht entfernbaren Silikatinseln

• breiter, stabiler Lichtbogen mit ausgezeichnetenBenetzungseigenschaften ==> sicherer Einbrand

• auch in Wurzellagen und Zwangspositionen verarbeitbar

Hauptanwendungsgebiete:Schweißen in Wannen- und Horizontalposition mit hohenAbschmelzleistungen und daraus resultierenden hohenSchweißgeschwindigkeiten. Aufgrund der sehr guten Eignung fürMehrlagenschweißung ohne Zwischenreinigung kommt dieserTyp auch in automatisierten Schweißprozessen zur Anwendung.

SCHWEIßVERFAHREN Teilmechanisiertes Metallschutzgasschweißenmit FülldrahtelektrodenIm Schiffbau sind wegen der beengten Verhältnisse imSektionsbau und bei kurzen Nähten nach wie vor vieleSchweißaufgaben nicht vollmechanisierbar. Die Entwicklung derFülldrahtelektroden konzentrierte sich selbstverständlich auch

• this removes the need for any pulsed current technique(simpler process set up and low investment requirement)

• fine-droplet metal transfer with good wetting over awide range of welding parameters

• smooth, clean weld bead surface• compact, generally self-detaching slag• good weld metal toughness properties to -40 °C, due to

micro alloying and in some cases alloying with nickel• as a general guideline, the maximum wall thickness is

limited to 45 mm

Main areas of application:Welding of fillet and butt joints in all positions and welding ofbutt joints in the vertically-up or horizontal positions onceramic backing strips. For all positions, including pipe to pipeapplications, it is also possible to use flux-cored wires with arapidly solidifying rutile slag in fully mechanised processes.

Flux-cored wires with a basic slag (B-type)

Characteristic properties:• excellent mechanical/technological properties of the

weld metal, even at very low temperatures, both in theas welded condition and following post weld heattreatment

• completely suitable for root welding due to the mediumto large droplet transfer

• highly resistant to cracking

Main areas of application:Welded joints exposed to high levels of stress with nolimitation on wall thickness in both the down hand andhorizontal positions. Limited application for welding inposition due to slag fluidity.

Metal-cored wires (M – type)

Characteristic properties:• higher level of current-carrying capacity in comparison

with solid-wire electrodes, resulting in higher depositionrates

• material transfer mode is very fine droplets in the sprayarc range (from approx. 160 A for 1.2 mm diameter wire)

• fine ripple finish, slag-free surface on the weld bead witheasily removable silicate islands

• wide, stable spray arc range with excellent wettingproperties ==> reliable fusion and penetration

• suitable for welding in root runs and in positionalapplications

Main areas of application:Welding in the down hand and horizontal positions with highdeposition rates at high welding speeds. Suitable for multi-pass welding without the need for intermediate cleaning, thistype of cored wire is used in automated welding applications.

WELDING PROCEDURES

Partially-Mechanised Gas Metal Arc Weldingwith Flux-Cored WiresIn shipbuilding, due to the difficult access conditions andwhen welding short seams, many welding tasks cannot befully mechanised. The development of flux-cored wires hasbeen concentrated on increasing the speed of the welding


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hier auf die Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit (Bild 2), diejedoch nicht nur auf einer Erhöhung der spezifischenAbschmelzleistung beruht. Beim Schweißen in Zwangspositionenmit rutilen Fülldrahtelektroden ist es vielmehr wichtig, dass einehöhere Strombelastbarkeit des Zusatzwerkstoffs und eine höhereAbschmelzleistung durch die verbesserte Stützwirkung der rutilenSchlacke vom Schweißer beherrschbar sind.

Bild 2 - Leistungsdaten des FLUXOFIL 14 HD Ø 1,2 mm, Schutzgas DIN EN 439M 21 beim Kehlnahtschweißen (a = 4 mm) in Steigposition

Ungependelte GependelteBrennerführung Brennerführung

vDraht = 8,5 m/min vDraht = 5,5 m/minSchweißparameter U = 24 V U = 22 V

I = 220 – 250 A I = 180 – 220 ASchweißgeschwindigkeit �� Spaltüberbrückbarkeit gut besserÜberschweißen von Heftstellen(basisch) gut besser

Überschweißen von artgleichenMAG-Heftstellen gut gut

Wirtschaftlichkeit sehr hoch hoch

Vollmechanisiertes Metallschutzgaschweißenmit FülldrahtelektrodeWo immer möglich, wird das Metallschutzgaschweißenvollmechanisiert. Bei Rundnähten wird das MAG-OrbitalgerätCITOTRACK OSG 01 eingesetzt, für alle anderen Zwangspositioneneignet sich das MAG-Vertikal-Schweißgerät CITOTRACK VSG 01.Bevorzugt wird es zum Schweißen der Außenhaut des Schiffskörpersauf Keramikunterlage angewandt. Aufgrund seiner Robustheit undFlexibilität ist es für den rauen Werfteinsatz geeignet. Wegen desgeringen Gewichts von 20 kg einschließlich Drahtspule (KorbspuleK 200 mit 5 kg Gewicht) und der Handlichkeit kann es von einemSchweißer an- und abgebaut werden. Ebenfalls aus Gewichtsgründenbesitzt das Brennersystem eine Luftkühlung. Zur exakten Führungwerden auf einer Seite der Naht Führungsschienen mittels

Magnetbrücken befestigt. SämtlicheSchweißparameter wie Schweißstrom,Arbeitsspannung, Verweilzeit an den Fugen-flanken, Pendelhub sowie Pendel- undSteiggeschwindigkeit können für jedeSchweißlage auf der Steuerbox vorgewähltwerden, so dass sich der Schweißer auf dieProzessbeobachtung konzentrieren und ggf.leichte Korrekturen an den Prozessparameternvornehmen kann. Als Stromquelle wird eineKonstantspannung-GleichstromquelleCITOMAG 506 eingesetzt. Bei Einsatz vonbasischen oder rutilen Fülldrahtelektroden kannim Gegensatz zu Massivdrahtelektroden aufdie Anwendung der Impulslichtbogen-technik verzichtet werden, so dass dasVerfahren vom Schweißer insgesamt leichtzu beherrschen ist.

Metallpulverfülldrahtelektroden kommenzum Schweißen von ein- oder mehrlagigenVerbindungen ohne Zwischenlagen-reinigung zum Einsatz, wobei siegleichermaßen für das Schweißen vonKehlnähten und Stumpfstoßverbindungengeeignet sind. Sie werden bevorzugt inHorizontal- und Wannenposition mit hoherAbschmelzleistung und entsprechend hoherSchweißgeschwindigkeit (Bild 3) verarbeitet.

process (Fig. 2), however increasing the deposition rate hasnot been the sole objective. When welding in position withrutile flux-cored wires, it remains vitally important for thewelder to be able to control effectively a higher level ofcurrent carrying capacity in the cored wire and a higherdeposition rate through the enhanced weld bead supportgiven by the freezing characteristic of the rutile slag.

Fig. 2 - Performance data for rutile flux-cored wires used for fillet welding (a = 4mm)in the vertical-up position

Torch Torchwithout weaving with weaving

Wire speed = 8,5 m/min Wire speed = 5,5 m/minWelding parameter U = 24 V U = 22 V

I = 220 – 250 A I = 180 – 220 AWelding speed �� Gap bridging characteristics good betterRe-melting of tack points(basic) good better

Re-melting of similar MAGtack points good good

Efficiency very high high

Fully-Mechanised Gas Metal Arc Weldingwith Flux-Cored WiresWherever possible, gas metal arc welding is fully mechanised.For circular seams, the OERLIKON CITOTRACK OSG 01 MAGorbital equipment is used. For all other positions, theOERLIKON CITOTRACK VSG 01 MAG vertical weldingequipment is used. This is preferred for welding the outerskin of the hull of a ship using a ceramic backing. With itsrobustness and flexibility, it is suitable for use in theproduction environment of the shipyard. Weighing only 20 kgincluding the wire spool (K 200 basket spool weighing 5 kg)it is easy to handle and can be set up and removed by asingle welder. For similar reasons of weight, the burnersystem has an air cooling system. On one side of the jointthere are guide rails secured in placeby magnetic bridges to ensure accurateguidance. All of the welding parameters,such as welding current, operatingvoltage, dwell time on the sides of thejoint, oscillation width and speed, canbe pre-selected for each weldingsituation on the control box, so that thewelder can concentrate on observingthe process and making any slightcorrections to the process parameterswhich may be required. An OERLIKONCITOMAG 506 is used as the constantvoltage DC power source. When basicor rutile flux-cored wires are used,unlike the situation with solid-wireelectrodes, the use of a pulsed currenttechnique is unnecessary, thus makingit easier for the welder to control theprocedure when welding.

Metal-core wires are used for weldingsingle or multi-layer welded jointswithout any need for intermediate layercleaning and are equally suitable forwelding fillet seams and butt joints.They are preferred for applications inthe horizontal and down handpositions with a high deposition rate

Dep

osi

tion

rate

(kg

/h)

Ab

schm

elzl

eist

ung

(kg

/h)

Welding current I (A/G+) - Stromstärke I (A/G+)

100% ED

ABSCHMELZLEISTUNGVergleich fülldrahtelektrode mit massivdrahtelektrode

DEPOSITION RATEComparison: metal-cored wire vs solid-wire electrode

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

1

2

3

4

5

6

7

8 stick out: 15 mm

Ø 1.2 FLUXOFIL M8

Ø 1.2 MassivdrahtelektrodeØ 1.2 Solid-wire electrode

Welding current I (A/G+) - Stromstärke I (A/G+)

Volta

ge

- S

pan

nung

(V)

SCHWEISSPARAMETER DER FÜLLDRAHTELEKTRODE

WELDING PARAMETERS FOR METAL-CORED WIRE

FLUXOFIL M8

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

5

10

15

20

25

30

35

40 stick out: 15 mm

Ø 1.2

KurzlichtbogenbereichShort-arc range

Transition arc rangeMischlichtbogenbereich

SprühlichtbogenbereichSpray arc range

Mixed gas M 21(82% Ar + 18% CO2)

Mischgas M 21(82% Ar + 18% CO2)

Fig.3: Performance data for metal-cored wires

Bild 3: Leistungsdaten eines Metallpulverfülldrahts

18


Aufgrund Ihrer guten Wiederzündeigenschaften und des weichenLichtbogens sind sie hervorragend für den Robotereinsatzgeeignet.

Elektrogasschweißen mit FülldrahtelektrodenUnter den vollmechanisierten Metallschutzgasschweißverfahrennimmt das Elektrogasgasschweißen (Bild 4) hinsichtlichWirtschaftlichkeit eine Sonderstellung ein, da das Verfahren

in senkrechter Schweißposition inEinlagentechnik mit einer hohenAbschmelzleistung arbeitet. DasSchmelzbad wird von wassergekühltenKupferschuhen auf der Blechvorder- undRückseite gehalten und der Draht wirdvon oben senkrecht auf das Schmelzbadgeführt. Es kann auch gegen eineKeramikunterlage auf der Rückseitegearbeitet werden. Als Gasschutz wirdCO2 oder vorzugsweise Mischgaseingesetzt.

Die mikrolegierten Fülldrahtelektrodenzum Elektrogasschweißen haben einebasische Schlackencharakteristik undergeben daher in Verbindung mitden Mikrolegierungselementen Ti und B

gute Schweißgutzähigkeitswerte, auch bei der hohenWärmeeinbringung mit diesem Verfahren. Die Problematik derÜberhitzung und folglich ungünstiger Zähigkeitseigenschaftenbesteht daher nicht für das Schweißgut, betrifft aber nach wievor die Grobkornzone im Grundwerkstoff. Die Verwendung vonthermomechanisch behandelten Stählen (TM), die i.A. einegeringere Überhitzungsempfindlichkeit aufweisen, ist ausdiesem Grund empfehlenswert!

Das Gerät zum Elektrogasschweißen ist so konzipiert, dassDrahtvorschubeinheit, Steuerung, Anzeigeinstrumente undAnpresselemente auf dem Fahrwagen integriert sind. DasFahrwerk wird auf einer Profilschiene mit Zahnstange geführtund erlaubt damit das einseitige Anpressen des Gleitschuhsüber eine pneumatische Anpressvorrichtung. Das Fahrwerk wirdmit einer Grundgeschwindigkeit vorgeschoben, so dass einFestbacken des Kupfergleitschuhs vermieden wird. DieFeinabstimmung der Steiggeschwindigkeit erfolgt über eineelektronische Regelung über die Messung des freienDrahtendes. Das Verfahren läßt sich daher mit einer hohenProzess-Sicherheit gegen Schweißfehler betreiben.

Unterpulverschweißen mit FülldahtelektrodenDas Unterpulverschweißen ist nach wie vor das klassische undauch wirtschaftlich kaum zu übertreffende Verfahren imSchiffbau zum Schweißen langer Kehlnähte in Horizontalpositionund Stumpfstößen in Wannenposition. Zum Stumpfstoßschweißenwird aus wirtschaftlichen Gründen das Einseitenschweißeneinlagig bis zu 15 mm Blechdicke oder das Lage/Gegenlageschweißengewählt. Das letzere Verfahren setzt allerdings voraus, dass diegroßen Blechsegmente gewendet werden können. Ist diesaufgrund fehlender Wendeeinrichtungen oder begrenzterHallenhöhe nicht möglich, wird von einer Seite inEinlagentechnik gearbeitet. Hierzu ist die Einhaltung relativ engerToleranzen des Fügespalts über die gesamte Nahtlänge durchentsprechende Fixierung der Bleche beim Schweißensicherzustellen. Hierzu müssen die Bleche mit starken Magneten

and correspondingly high welding speed (Fig. 3). Due to theirgood re-ignition properties and smooth arc characteristic,they are excellent for robotic welding applications.

Electro-Gas Welding with Flux-Cored WireWithin the fully-mechanised gas metal arc weldingprocesses, in terms of economy, a special position isassigned to electro-gas welding (Fig. 4) as the processoperates in the vertical weldingposition with a single-pass weldingtechnique at a high deposition rate.The weld pool is supported by water-cooled copper shoes at the front andrear sides of the plates being weldedand the wire can be guidedperpendicularly into the weld pool fromthe top. Work can also be carried outagainst a ceramic underlay situated atthe rear side. The process is used withinert gas, CO2, or preferably mixedgases.

Micro-alloyed flux-cored wires forelectro-gas welding utilise a basic slagtype and produce good weld metaltoughness properties, despite the highlevels of heat input characteristic of this process. Theproblem of overheating and the subsequent poor weldmetal toughness properties therefore does not arise for theweld metal, however it still continues to affect the coarse-grained microstructural areas in the base material. For thisreason, the use of thermo-mechanically treated (TM) steels,which generally display a lower level of susceptibility to heatinput, are recommended.

The electro-gas welding equipment is designed so that thewire feeder unit, control unit, display instruments and fixingdevices are integrated onto the carriage. The carriage isguided along a profile rail using a toothed rack, thusallowing the sliding shoe to be pressed into contact on oneside by means of a pneumatic pressure device. The carriageis advanced at a set speed, in order to avoid the coppersliding shoe becoming attached. Fine adjustment of the wiretravel is carried out using an electronic controller measuringthe free end of the wire. This means that the process can beused with a high degree of process security, eliminatingoperator error.

Submerged-Arc Welding with Flux-Cored WiresSubmerged-arc welding remains the classic shipbuildingprocess - and the process is difficult to improve in terms ofcost-effectiveness - for welding long fillet seams in the horizontalposition and butt joints in the down hand position. For reasons ofeconomy, the preferred approach to butt joint welding is single-sided welding with a single pass for plate up to 15 mm thick orthe 2-run welding technique. However, the latter methodassumes that the large plates involved can be turned over. If,because of the absence of turning equipment or limited heightwithin the hall this is not possible, the work is undertaken fromone side using the single-pass technique. With this process,steps must be taken to ensure relatively tight tolerances withinthe root gap over the entire length of the joint by appropriatelysecuring the plates in place. This requires the plates to be held in

Cooling water holes /Kühlwasserbohrung

Work piece / Werkstück

Electrode guide /Elektrodenführung

Wire feed rollers /Drahttransportrollen

Flux-cored wire /Fülldrahtelektrode

Power source /Stromquelle

Work piece / Werkstück

Current contact nozzle /Stromkontaktdüse

Sliding shoe / Gleitschuh

Arc / Lichtbogen

Inert gas / Schutzgas

Weld pool / Schweißbad

Solidified weld metal /Erstarrtes Schweißgut

Water cooling system /Wasserkühlung

Weld seam / Schweißnaht

Fig.4: Principle of the Electro-Gas Welding Process

Bild 4: Verfahrensprinzip des Elektrogasschweißens


19

oder hydraulisch gehalten werden. Von unten wird einPulverkissen (OP 10 U) als Badsicherung gegen denWurzelspalt gepresst. Sind die Toleranzen in derNahtvorbereitung gering und ist durch die Fixierung ein Verzugder Bleche beim Schweißen sicher ausgeschlossen, werdeneinwandfreie Durchschweißungen mit einer sauberenNahtunterseite erzeugt. Auch die sorfältig auf dieSchweißaufgabe abgestimmten Schweißparameter müssenin engen Grenzen gehalten werden, um ein Durchfallender Naht zu vermeiden. Demgegenüber ist dasLage/Gegenlageschweißen wesentlich unempfindlichergegenüber den angeführten Randbedingungen.

Bei den genannten Verfahren bedientman sich der UP-Mehrdrahtschweißungmit einer Kombination aus Gleichstromam ersten und Wechselstrom an denfolgenden 1-2 Schweißköpfen. Um dieZähigkeitsanforderungen an das Schweißgutzu erfüllen, kommt der sog. FMI-Prozeß(Flux Micro Injection) mit TiB-mikrolegiertenFülldrahtelektroden mit basischerFüllpulvercharakteristik zum Einsatz.Durch die Mikrolegierung wird trotz derhohen Wärmeeinbringung ein feinkörnigesSchweißgutgefüge im Schweißzustand,also ohne eine Wärmenachbehandlungdurch Folgelagen wie beim Mehrlagen-schweißen, erzielt. Beim Einsatz mehrererDrahtelektroden wird nur eine Fülldraht-elektrode (Typ FLUXOCORD 35.25 ...D)eingesetzt, die sämtliche erforderlichenLegierungelemente enthält und mitunlegierten und entsprechend preiswertenMassivdrahtelektroden (Typ OE A 105)kombiniert wird (s. Bild 5). Als Schweißpulverwird ein mittelbasisches Schweißpulverdes Typs OP 122 verwendet, das guteSchweißeigenschaften im Mehrdrahtprozessmit guten Schweißgutzähigkeitswertenverbindet.

Einlagiges Einseitenschweißen

Diese Arbeitstechnik wird gewählt, falls fürdie Ausführung der Kapp- bzw.

Gegenlage die Zugänglichkeit nicht gegeben ist, oder die Blechenicht gewendet werden können. Als Badsicherungselementekommen Keramik- sowie Cu-Schienen mit Pulverkissen inBetracht. Mit Rücksicht auf das sichere Durchschweißen unddie günstigere Nahtausbildung im I-Stoß ist beim Positionierender Bleche ein Luftspalt bis 3 mm vorteilhaft. Bild 6 gibtAufschluss über die verfahrensspezifischen Daten bezüglich derNahtvorbereitung und Prozessparameter bis 15 mm Blechdicke.Die Nähte sind frei von inneren und äußeren Schweißfehlern.Ergänzend wurden bei allen Schweißungen Härteuntersuchungendurchgeführt, wobei die Absolutwerte im Durchschnitt um 200HV 10 liegen und damit einem üblichen, unkritischen Niveauentsprechen. Für die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts gibtes neben der Schweißgutlegierung eine Reihe vonEinflussfaktoren wie Anzahl der Drahtelektroden, Blechdicke, -sorte, Badsicherung und Streckenenergie. Bei den Beispielen inBild 6 wurde eine Kerbschlagarbeit > 60 J bei -20 °C imSchweißgut erreicht (Versuch 2 und 3 > 130 J).

place by powerful magnets or hydraulic equipment. From theunderside, a flux backing (OP 10 U) is pressed against the rootgap to support the weld pool. If the tolerances in the preparationof the seam are tight and if any distortion in the plates duringwelding can be effectively controlled by the fixing arrangement,the joint can be reliably welded, leaving a clean underside to theweld produced. The welding parameters must be carefullyselected to correspond to the welding application and must alsobe controlled within tight limits to avoid the possibility of the weldpool falling through the root gap. In this respect, the two-runwelding technique is considerably less affected by the peripheralconditions.

Submerged-arc welding with multiplecored wires, uses a combination ofdirect current for the first wire andalternating current for the following 1-2welding heads. In order to meet thestrength requirements of the weldmetal, the FMI process (Flux MicroInjection) is used with micro-alloyedbasic flux-cored wires. The micro-alloying produces a fine-grained weldmetal in the as welded condition -despite the high heat input - and this iswithout any subsequent heattreatment from subsequent layers, asis the case when multi-layer welding.When multiple wire welding, only oneflux-cored wire (type OERLIKONFLUXOCORD 35.25 ...D) is used,containing all of the required alloyingelements, in combination withunalloyed and correspondingly lessexpensive solid wires (type OERLIKONA 105) - see Fig. 5. A medium-basicSAW welding flux, OERLIKON OP 122is used, thus combining goodoperating characteristics in the multi-wire process with good weldmechanical properties.

Single-Pass One-Sided Welding

This technique is selected whereaccess is not available for the secondrun, or it is not possible to turn the plates. Consideration canbe given to ceramic and Cu strips with flux backing as themeans for securing the weld pool. To ensure reliablepenetration during welding and more favourable welding ofthe joint using the square butt weld preparation, the platesare set in position with a gap of 3 mm. Fig. 6 shows theprocess-specific data in respect of joint preparation andprocess parameters for plate thicknesses up to 15 mm. Theweld beads are free of any internal or external weldingdefects. For all welds, hardness surveys were also carriedout, showing the absolute values to be an average of 200 HV10, thus representing a regular, non-critical level. For theimpact toughness of the weld metal, apart from the weldmetal composition there are several influencing factors, suchas the number of wire electrodes, plate thickness and type,weld pool backing and heat input per unit length (of weld). Forthe examples in Fig. 6, impact energy > 60 J at -20 °C wasachieved in the weld metal (trials 2 and 3 > 130 J).

SchweißrichtungDirection of welding

15°

G+

20

OE A 105

FC 35.25 2D

a) FM I / 2-Wire-Draht

40~

+- 0°

15°

G+

20

OE A 105

OE A 105

FC 35.25 3D

b) FM I / 3-Wire-Draht

40~ ~

+- 0°

20

20°

Fig.5: Arrangement of wire electrodes and position of thewelding head for submerged-arc welding using the FMI process

Bild 5: Anordnung der Drahtelektroden und Schweißkopf-stellung beim UP-Mehrdrahtschweißen mit dem FMI-Prozeß

20


Lage

Lage

Lage

Gege

nlage

Gege

nlage

Gege

nlage

FMI /

3-D

raht

FMI /

3-D

raht

FMI /

2-D

raht

2

10

80°

20

10

5

70°

5

80°

15

5

5

5

80°

Laye

rLa

yer

Laye

rSe

cond

run

Seco

nd ru

nSe

cond

run

FMI /

3-w

ireFM

I / 3

-wire

FMI /

2-w

ire2

10

80°

20

10

5

70°

5

80°

15

5

5

5

80°

FMI /

2-w

ireFM

I / 2

-wire

Subm

erge

d-ar

csin

gle w

ire

Ceramic

3

15

Curail

FluxOerlikonOP 10 U

3

15

FMI /

2-D

raht

FMI /

2-D

raht

UP

Eind

raht

Keramik

3

15

Cu-Shiene

PulverOP 10 U

3

15

Bild 6 - Verfahrensspezifische Daten zum einlagigen Einseitenschweißenbei s = 10 bis 15 mm (Schweißpulver: OERLIKON OP 122)

Ident. NahtvorbereitungScweißverfahren

I U Vs E Lab

-Nr.GW

und Aufbauund Zusatzwekstoff

(A) (V) (cm/min) (kJ/cm) (kg/h)(ø 4mm)

1 A1. Kopf OE A 105 750 G+ 32

100 29,5 20,5

2. Kopf FC 35.25-2D 700 ˜ 36

2 D 36 FC 35.25 850 G+ 32 40 39,8 13,5

3 A1. Kopf OE A 105 950 G+ 32

90 43,1 28,5

2. Kopf FC 35.25-2D 900 ˜ 36

Lage-Gegenlage-Schweißen

Vergleichbar der einlagigen Einseitenschweißung kann dieLage-Gegenlage-Technik bis etwa 15 mm im I-Stoßangewandt werden. In diesem Blechdickenbereich mussgemäß den Anforderungen an die Kerbschlagarbeit fallweiseentschieden werden, ob eine Nahtöffnung erforderlich ist. Esgilt als sicher, dass mit Zunahme des Zusatzwerkstoffanteilsin der Schweißnaht, d. h. bei geringerem Aufmischungsgrad,das Zähigkeitsverhalten verbessert wird. In der Regel beträgtder Öffnungswinkel in Abhängigkeit von der Wanddicke 60 - 80°.Als Fugenvorbereitung eignen sich sowohl symmetrische wieauch unsymmetrische DY-Nähte. Entsprechend dergewählten Technologie ist ein Steg von ca. 6 mm vorzusehen.Die Bleche werden einseitig im Schutzgasverfahrendurchgehend geheftet. Dadurch wird neben der Fixierungeine zusätzliche Badsicherung geschaffen. Die gehefteteSeite wird i. A. zuletzt geschweißt. In Bild 7 sind Beispiele vonSchweißungen an Blechen von 10 - 20 mm mit FMI/2D-,3D- Varianten gezeigt. Auch hier wurden mindestens 120 Jbei -20°C im Schweißgut erreicht.

Bild 7 - Verfahrensspezifische Daten zum Lage-Gegenlage-Schweißenbei s = 10 bis 20 mm (Schweißpulver: OP 122)

Ident. NahtvorbereitungScweißverfahren

I U Vs E Lab

-Nr.GW

und Aufbauund Zusatzwekstoff

(A) (V) (cm/min) (kJ/cm) (kg/h)(ø 4mm)

1. Kopf OE A 105 550 G+ 32110 20,4 17

4 D 362. Kopf FC 35.25-2D 550 ˜ 36

1. Kopf OE A 105 620 G+ 32110 22,6 18

2. Kopf FC 35.25-2D 600 ˜ 36

1. Kopf OE A 105 650 G+ 32

2. Kopf FC 35.25-3D 650 ˜ 35 150 26,5 26,5

5 D 363. Kopf OE A 105 650 ˜ 38

1. Kopf OE A 105 800 G+ 32

2. Kopf FC 35.25-3D 750 ˜ 35 150 31,4 31

3. Kopf OE A 105 700 ˜ 38

1. Kopf OE A 105 780 G+ 32

2. Kopf FC 35.25-3D 730 ˜ 35 140 33,0 30

6 H II3. Kopf OE A 105 700 ˜ 38

1. Kopf OE A 105 950 G+ 32

2. Kopf FC 35.25-3D 900 ˜ 35 140 40,7 39

3. Kopf OE A 105 850 ˜ 39

Fig. 6 - Process-specific data for single-pass one-sided welding ats = 10 to 15 mm (welding flux OERLIKON OP 122)

Id.Base

Joint preparation Welding process

I U Vs E Lab

Nomate-

and structureand welding

(A) (V) (cm/min) (kJ/cm) (kg/h)rial consumables

1 A1. Head OE A 105 750 G+ 32

100 29,5 20,5

2. Head FC 35.25-2D 700 ˜ 36

2 D 36 FC 35.25 850 G+ 32 40 39,8 13,5

3 A1. Head OE A 105 950 G+ 32

90 43,1 28,5

2. Head FC 35.25-2D 900 ˜ 36

Two-Run Welding Technique

Similar to single-pass one-sided welding, the 2-run weldingtechnique can be used for plates up to 15 mm using a squareedge butt. In this plate thickness range in each individualcase the decision must be taken in accordance with therequirements for impact toughness as to which weldpreparation is necessary. What is certain is that as theproportion of weld filler in the welded joint increases, i.e. asthe degree of dilution is reduced, strength is improved. As arule, the prepared angle is 60-80°, depending on the wallthickness. Suitable joint preparations are both symmetricaland asymmetrical DY seams. In accordance with thetechnological approach, a root face of approximately 6 mm isrecommended. The plates are tack welded right through fromone side using the MIG process. In this way and apart fromclamping, there is also an additional securing effect producedfor the weld pool. The tack welded side is generally weldedlast. In Fig. 7, examples of welds on plates of 10 - 20 mmwith FMI / 2-wire and 3-wire variants are shown. Weldtoughness levels of at least 120 J at -20°C were achieved.

Fig. 7 - Process-specific data for the two-run welding technique ats = 10 to 20mm (welding flux OP 122)

Id.Base

Joint preparation Welding process

I U Vs E Lab

Nomate-

and structureand welding

(A) (V) (cm/min) (kJ/cm) (kg/h)rial consumables

1. Head OE A 105 550 G+ 32110 20,4 17

4 D 362. Head FC 35.25-2D 550 ˜ 36

1. Head OE A 105 620 G+ 32110 22,6 18

2. Head FC 35.25-2D 600 ˜ 36

1. Head OE A 105 650 G+ 32

2. Head FC 35.25-3D 650 ˜ 35 150 26,5 26,5

5 D 363. Head OE A 105 650 ˜ 38

1. Head OE A 105 800 G+ 32

2. Head FC 35.25-3D 750 ˜ 35 150 31,4 31

3. Head OE A 105 700 ˜ 38

1. Head OE A 105 780 G+ 32

2. Head FC 35.25-3D 730 ˜ 35 140 33,0 30

6 H II3. Head OE A 105 700 ˜ 38

1. Head OE A 105 950 G+ 32

2. Head FC 35.25-3D 900 ˜ 35 140 40,7 39

3. Head OE A 105 850 ˜ 39

Cu-Shiene

PulverOP 10 U

3

10

Custrip

FluxOerlikonOP 10 U

3

10


21

EINSATZ VON FÜLLDRAHTELEKTRODENANHAND AUSGEWÄHLTER BEISPIELE IMSCHIFFBAU

Die Anwendung der verschiedenen Schweißtechnologien imSektionsbau mit den entsprechenden Schweißzusatzwerk-stoffen ist im Überblick in Bild 8 dargestellt.

Einsatzgebiet Schweißver- OERLIKON-Bezeichnungfahren des Schweißzusatzwerkstoffs

1. Vormontage Flächensektion

Profil auf Plattenplan UP FLUXOCORD 31Kehlnahtschweißung beidseitig MAG FLUXOFIL M 8

FLUXOFIL 19 HDFLUXOFIL 21 HD

2. Vormontage Flächensektion

Plattenverbindungen einseitig UP FLUXOCORD 35.25UP - FMI FLUXOCORD 35.25-2D + 1 x OE A 105

FLUXOCORD 35.25-3D + 2 x OE A 105

Plattenverbindungen beidseitig UP FLUXOCORD 31(Lage/Gegenlage)

3. Vormontage Volumensektionz. B. Doppelbodensektion

Kehlnähte in Zwangspositionen MAGM FLUXOFIL 19 HDMAGC FLUXOFIL 21 HD

4. Endmontage Sektionsstöße

Außenhaut Position steigend MAGM FLUXOFIL 19 HDMAGC FLUXOFIL 21 HD

EG FLUXOREX EG 35.21

Flachkiel Position überkopf MAGM FLUXOFIL 20MAGC FLUXOFIL 19 HD

Als Schweißpulver wurde OERLIKON OP 122 eingesetzt.

USE OF FLUX-CORED WIRESWITH REFERENCE TO SELECTEDAPPLICATIONS IN SHIPBUILDING

The application of the various welding technologies usedin ship construction with the corresponding weldingconsumables is presented in summary form in Fig.8.

Area of Application Welding OERLIKONProcess consumable

1. Flat section pre-assembly

Profile on ship plate assembly Submerged-arc FLUXOCORD 31fillet welding on both sides MAG FLUXOFIL M 8

FLUXOFIL 19 HDFLUXOFIL 21 HD

2. Flat section pre-assembly

Plate joints on one side Submerged-arc FLUXOCORD 35.25Submerged-arc- FLUXOCORD 35.25-2 wire + 1xOE A 105

FMI FLUXOCORD 35.25-3 wire + 2xOE A 105

Plate joints on both sides Submerged-arc FLUXOCORD 31(two-run technique)

3. Volume section pre-assembly, e.g. double-wall section

Fillet weld seams in position MAGM FLUXOFIL 19 HDMAGC FLUXOFIL 21 HD

4. Section joints, final assembly

Outer skin, vertical-up position MAGM FLUXOFIL 19 HDMAGC FLUXOFIL 21 HD

EG FLUXOREX EG 35.21

Flat keel, overhead position MAGM FLUXOFIL 20MAGC FLUXOFIL 19 HD

Welding flux used: OERLIKON OP 122.

4

4331 2

4

Fig.8: Use of flux-cored wires in ship construction

Bild 8: Einsatz von Fülldrahtelektroden im Schiffbau

Dipl.-Ing. Dirk HAUPT and Dipl.-Ing. (FH) Bernhard SCHLATTER - ALW Germany

22


Plasma WeldingEvolutions & Challenges.

In the global range of gas arc welding processesplasma arc welding (PAW) is the highest densityenergy process available. This strong advantage has

been used for square buttjoint applications mainly forflat panel in shipyard andpressure vessel fabrication(stainless steel and nickel basealloys) for thick plates andthe manufacture of piping.

In microjoining processes,microplasma also has acompetitive position with laserbeam (LB), electron beam

(EB) low density. Today, the lack of experience andprocess understanding resides in 2 areas (very thin sheet/thin sheet) and thick plates. The solution of these 2different new challenges will be reached by understanding,modelling, prediction and visualisation with dedicatedtesting for a new torch concept and process monitoring.

A SHORT HISTORY OF THE PLASMA ARCWELDING PROCESS:In 1922,Gerdien and Lotz successfully focused an arc between2 carbon electrodes via one water vortex. However the firstplasma gas configuration could not be integrated for theplasma welding of metallic materials.In 1954, Weiss and Peters developed the torch prototypebased on the first experience of the TIG process.With the first US patent written by Union Carbide, equipmentwas launched for cutting in 1959, overlaying in 1961 and forwelding in 1963. In parallel development started in France in1957 with a French patent 72.23.929 (Air Liquide) in 1973.

It is interesting to note in the literature, the 3 main steps in thedevelopment of PAW:1973-1975: plasma process understanding, characterisationand keyhole stability conditions and in parallel the firstpreliminary applications [Ref 1 to 7],1981-1986: plasma process understanding of molten poolmovement and industrial applications in pressure vesselmanufacturing, first NASA development in VPPA of aluminiumand trials in orbital welding [Ref 8 to 12],1998-1999: observations of the keyhole and industrialequipment for the plasma welding of aluminium (basics of theNASA program in 1984) [Ref 13 to 22], and the modelling ofthe plasma and some plasma adaptations for newapplications in 2002-2007 [Ref 22 to 27].

Key words• Plasma arc welding,• Gas Tungsten

Arc Welding dual gas• Plasma Key hole• Filler wire,• Galvanized sheet,

• Austenitic stainless steel,• Aluminium alloys, • Shielding gas,• Orbital welding.

Neue Wegeund Herausforderungenbeim Plasmaschweißen .Von allen Lichtbogenschweißverfahren weist das Plasmalicht-bogenschweißen die größte Energiedichte auf. Aufgrunddieses Vorteils wird es zum Schweißen von I-Stößen eingesetztund zwar hauptsächlich in der Druckbehälterfertigung (Cr-Ni

und Nickel-Basis-Legierungen) sowieim Rohrleitungsbau und für Flach-paneele im Schiffbau. Vorteile bietensich dabei einerseits durch dasVerschweißen von Stumpfstößengrößerer Blechstärken und dasErreichen einer hohen metallur-gischen Güte der Naht.

Für niedrige Materialstärken stehtdas Mikroplasmaschweißen auchim Wettbewerb zum Laserstrahl-

und Elektronenstrahlschweißen mit niedriger Energie. Heutewird bei diesen Verfahren vornehmlich an der Anwendung sehrdünner und sehr dicker Bleche geforscht. Diese beidenHerausforderungen werden mit Untersuchungen für einbesseres Verständnis des Verfahrens, Verfahrenssimulationen,neue Brennerkonzepte und Verfahrensüberwachung angegangen.

GESCHICHTE DESPLASMALICHTBOGENSCHWEIßENSIm Jahre 1922 gelang es Gerdien und Lotz mittels eines Wasservortexeinen fokussierten Lichtbogen zwischen zwei Kohleelektroden zuerzeugen. Aber diese erste Plasmagaskonfiguration konnte nicht für dasPlasmaschweißen von Metallwerkstoffen eingesetzt werden.

1954 entwickelten Weiss und Peters den Prototyp eines Brenners, der aufden ersten Erfahrungen mit dem WIG-Schweißen beruhte.

Unter dem ersten Patent von Union Carbide in den USA wurden 1959Schneidanlagen, 1961 Anlagen zum Auftragen und 1963 Schweißanlagenauf den Markt gebracht. Parallel dazu begannen 1957 in FrankreichEntwicklungen, die 1973 in ein französisches Patent 72.23.929 (AL)mündeten.

Es ist interessant, dass es in der Fachliteratur 3 Hauptphasen in derEntwicklung des Plasmalichtbogenschweißens gibt:

1973-1975: Plasmaverfahren mit Beschreibung der Bedingungen für dieStichlochstabilität sowie die ersten Anwendungen. [Ref 1 to 7].

1981-1986: Plasmaverfahren mit Bewegungen des Schweißbades undindustriellen Anwendungen bei der Druckbehälterfertigung. Erste NASAEntwicklung zum Plasma-Wechselstromschweißen von Aluminium undVersuche mit dem Orbitalschweißen. [Ref 8 to 12].

1998-1999: Beobachtungen des Stichlochs und Industrieanlagen zumPlasmaschweißen von Aluminium (Grundlagen der NASA 1984) [Ref 13to 22], und 2002-2007 Plasmamodelle und Plasmaanpassungen zurUmsetzung neuer Anwendungen [Ref 22 to 27].

Schlüsselwörter• Plasma - Schweißen• WIG - Schweißen• Dualgas• Plasma - Stichloch

- Verfahren• Schweißzusatz• Verzinkte Bleche• Austenitischer CrNi -

Stahl• Aluminiumlegierungen• Schutzgas• Orbitalschweiße

DERZEITIGE ANWENDUNGENDES PLASMALICHTBOGEN-SCHWEIßENS1. Verfahrensgrundlagen und allgemeineAnwendungen. In Tabelle 1 sind dieallgemein erreichbaren Prozessleistungenin Form der Schweißgeschwindigkeit inAbhängigkeit der Blechstärken dargestellt.Diese Werte entsprechen weit verbreitetenAnwendungen von I-Stößen im Druck-behälterbau und Rohrfertigung ausKohlenstoffstahl und rostfreiem Stahl.Dabei sind 3 Kriterien besonders wichtig:- Schweißgeschwindigkeit und Flexibilität

bei der I-Stoß-Nahtvorbereitung (sieheTabellen 1 und Bild 2),

- Röntgensicherheit der Stumpfstöße - gute mechanische Eigenschaften [mit

Ausnahme der Kerbschlagzähigkeit beiniedrigeren Temperaturen].

Die obenstehende Tabelle ist in drei BereicheA, B und C eingeteilt die den unterschiedlichenVerfahrensvarianten entsprechenBereich A: Mikroplasma, Mikro-WIG und WIGBereich B: Plasma im “melt in”- undStichlochverfahren, Dualgas WIGBereich C und D: Plasmastichloch-Verfahren

Das Dualgas-WIG-Stichloch-Verfahren bietetattraktive Ergebnisse in Hinblick auf dieGeschwindigkeit (Ws) (höher als beim Plasma-stichlochverfahren im Bereich 3 bis 7 mm),ist allerdings durch den großen Querschnittdes Schweißbades (Schwerkrafteffekt) aufden Einsatz in Wannenlage beschränkt.

Die Lichtbogeneinschnürung wird durch dieErhöhung des Plasmagasflusses und derStromstärke erreicht, geht aber ursprünglich

von der Plasmadüseaus, deren Konfigurationvon der zu schweißendenBlechdicke abhängig ist.(Tabelle 1):

Die Erfahrungen inindustriellen Anwen-dungen belegen dieweitaus größereToleranzfähigkeit undRobustheit bezüglichdes maximal möglichenLuftspaltes und Ver-satzes im Vergleich zuden hochenergetischenLaserstrahl (LB)- undElektronenstrahl (EB)-Verfahren. Prinzipiell istein Versatz oder Luftspaltvon maximal 10% derMaterialstärke vertretbar.

Die Daten aus dieserTabelle und aus Bild 2


23

CURRENT APPLICATIONSOF PLASMA ARCWELDING

1. Based on the typical performancerecorded in Table1, the main applicationsin pressure vessel and piping concerncarbon steels and stainless steels whichrequire:

- Welding speed and flexibility insquare butt joint preparations (seeTable1 and Fig.2),

- X-Ray soundness of the butt welds,

- Satisfactory mechanical properties[except impact testing at lowtemperatures ].

Arc constriction is improved by anincrease of plasma gas flow and currentbut is originally initiated by the plasmanozzle where the configuration is adaptedto the thickness to be welded (Table.1): Range A is the area of microplasmamicroTIG and TIGRange B: Plasma in melt in mode andkey hole mode & Dual TIG in both modesRange C and D: Plasma keyhole modemainly.

In Fig.1, different TIG and Plasma curvesare shown, Dual TIG keyhole hasattractive welding speed performance(higher than Plasma keyhole in the range3 to 7mm, but limited in the flat positiondue to the important cross section of themolten pool (gravity effect).

The feed backof these industrialactivities allowedthe appreciation ofthe robustness ofPAW Fig.2 (gapand misalignment)which is moreattractive than thehigh energy densitybeam LB and EB.

This table of dataand Fig.2 prove theprocess adaptabilityfollowing the weldingposition and alsothe flexibility, hencethe applicationsfor pressure vessel

Comparative performance of TIG and PLASMA processesVergleich WIG-Pasma

60

70

80

90

100

50

40

30

20

10

0

Thicknesses welded (mm) - Blechdicke (mm)

Wel

din

g s

pee

d -

Sch

wei

ßges

chw

ind

igke

it(c

m/m

in)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

A B C D

TIG Ar

TIG Dual Gas (keyhole)

TIG Ar 2% H2

TIG Dual Gas

PLASMA (keyhole)

Table 1: Comparative performance Welding speed vsThickness of TIG, Dual TIG Dual TIG keyhole and Plasmakeyhole single torch. Material: austenitic stainless steel

Tabelle 1: Gegenüberstellung von Schweißgeschwindigkeitund Wandstärken beim WIG- / WIG - Dualgas- / -WIG-

Dualgas-Stichloch und Plasmastichlochverfahren mit einemBrenner. Grundwerkstoff: austenitischer rostfreier Stahl

0 to 0.5 mm

0.2 to 1 mm

2.5

to 8

mm

0 to 0.5 mm0 to 0.5 mm

0 to 0.5 mm

0.2 to 0.8 mm

0.2 to 0.8 mm

2.5

to 8

mm

0.2 to 0.8 mm

0.2 to 1 mm2.5

to 8

mm

Fig.2: Gap and misalignment tolerances for stainless steel in plasma single pass, flat position

Bild 2: Luftspalt- und Versatztoleranz bei rostfreiem Stahlbeim Einlagen-Plasmaschweißverfahren in flacher Position

Thickness - Dicke (mm) 0.8 - 3 3 - 6 6 - 10 12

d (mm) 2.5 2.5 3 (+- 0.5) 3.8 (+-0.2)

Electrode stickout Is - <= 0 0 (+1, -2) 1.5 (+0.5, - 1) 1.7 (+-0.1)Elektroden Stickout (mm)

Welding mode - Prozessart melt in keyhole keyhole keyhole

d d

Is

d

Is

Fig.1: Plasma nozzle configuration and electrode set upfor a range of material thicknesses

Bild 1: Plasmadüsenund Elektroden-Aufbau nach Materialstärke

Table 2: Typical parameters plasma keyhole, welding a butt joint in the flat position (austenitic stainless steel)

Tabelle 2: Typische Parameter des Plasmastichlochschweißens(Stumpfstoß in Wannenlage auf austenitischem CrNi-Stahl)

Thick Plasma nozzleElectrical parameter Filler wire Plasma Gas Annular Gas

Stärke PlasmadüseSchweißparameter Schweißdraht Plasmagas Äußeres Gas

I(A) V (V) Ws (cm/min) o.d Wfs (m/min) mixes Flow (l/min) mixes Flow (l/min)2 110 26 65 1 0.6 Ar 2-3 Ar H2 153 130-150 25-27 45-50 1 0.6 Ar 3.5-4.5 Ar H2 204 150-170 28 45 1.2 0.6 Ar 5 Ar H2 205 180 30 45 1.2 0.6 Ar 5 Ar H2 206 180 30 35 1.2 0.6 Ar 6 Ar H2 206 250 26 45 1.2 0.6 Ar 8 Ar H2 258 280 30 30 1.2 0.6 Ar 10 Ar H2 2510 380 29 18 1.2 1.0 Ar 10 Ar H2 2512 320 28 18 1.2 1.8 Ar 10 Ar H2 25

2.5 cyl

2.5 conv-div

2.5 conv-div

Table 3: Plasma keyhole welding a butt joint in the horizontal position (austenitic stainless steel)

Tabelle 3: Plasmastichlochschweißen (Stumpfstoß in Querposition austenitischer CrNi Stahl)

Thick Plasma nozzleElectrical parameter Filler wire Plasma Gas Annular Gas

Stärke PlasmadüseSchweißparameter Schweißdraht Plasmagas Äußeres Gas

I(A) V (V) Ws (cm/min) o.d Wfs (m/min) mixes Flow (l/min) mixes Flow (l/min)4 170 28 40 1.2 1.2 Ar 4 Ar 7% H2 156 270 30 35 1.2 1.5 Ar 3.5 Ar 7% H2 158 300 26 24 1.2 1.8 Ar 3.5 Ar 7% H2 208 250 30 26 1.2 0.6 Ar 8 Ar 5% H2 20

2.5 conv-div3.0 conv-div

3.0 conv-div

zeigen die Anpassungsfähigkeit desVerfahrens an die Schweißposition undseine Flexibilität, wodurch Anwendungen imDruckbehälterbau (Bild 3) und beiLagerbehältern (Bild 4) möglich sind.

2. Längsnahtschweißen von Rohren mitspeziellen Prozessköpfen. Parallel zu denAnwendungen bei Druckbehältern ist dasRohrleitungsschweißen eine weitere technischeHerausforderung. Der Verformungsvorgangdes Bandes zum Rohr und das Schweißender Längsnaht geschieht hintereinander-geschaltet auf einer Anlage. Diese Konfigurationbringt folgende Schwierigkeit mit sich:- Einbau auf engstem Raum zwischen

2 Reihen Formrollen (siehe Bild 6) - Die Prozessgeschwindigkeit der Rohrformung

und die Schweißgeschwindigkeit müssenexakt übereinstimmen

- 3 Köpfe mit jeweils einer Elektrode werdenkombiniert (Tri-Kathode), wobei der Abstandzwischen ihnen so gering wie möglichgehalten wird, um entlang der Schweißachsenur ein einziges Schweißbad zu erzeugen.Dadurch wird die Energieverteilung optimiertund die Schweißgeschwindigkeit erhöht.(siehe Tabelle.4).

Im Allgemeinen besteht jeder der 3 Köpfeaus einem Plasmabrenner in Dualgas WIGKonfiguration, um die Elektrode problemlosvor aggressiven Einflüssen wie zum BeispielSchmierfetten zu schützen, die beimFormen verwendet werden.

Dabei hat jede Elektrode eine bestimmteFunktion:Die erste Elektrode sorgt für das Vorwärmenund den Teileinbrand beim fortlaufendenHeften. Die 2. Elektrode sorgt für dasDurchschweißen. Die Endbearbeitung derOberfläche erfolgt durch die dritte Elektrodemit oder ohne Zusatzwerkstoff.

Es stehen verschiedene Lösungen mit 2oder 3 Brennern zur Verfügung:- E16: Elektrodenabstand: 16 mm, Kombi-

nation von 3 Dualgas-WIG-Brennern fürdie Stärken: 0,8 mm bis 1,5 mm mit derentsprechenden Schweißgeschwindigkeitvon 6 bis 4 m/mn

- E25: Elektrodenabstand: 25 mm, Kombi-nation von 3 Dualgas-WIG-Brennern fürdie Stärken: 1,5 mm bis 3,5 mm mit derentsprechenden Schweißgeschwindigkeitvon 4 bis 1 m/mn

- WIG-Plasma-WIG: Kombination des Plasma-stichloch- und Dualgas-WIG-Verfahrensfür Stärken von 3,5 mm bis 8 mm mit derentsprechenden Schweißgeschwindigkeitvon 1 bis 0,5 m/mn.

3. Hybride Verfahren. Ab über 8mm machendie großen Dicken die Kombination zweiergetrennten Lichtbogenverfahren oder denEinsatz hybrider Verfahren notwendig.

24


manufacturing Fig.3 and tank storageFig.4.

2. In parallel to the pressure vesselapplications, pipe welding representsanother technical challenge:

- the equipment has to be integratedinto a reduced space between a seriesof 2 forming rollers (see Fig.6)

- the welding speed has to be coordinatedwith the process forming speed, with thededicated torch combination.

- 3 heads are combined with as short aninter-distance as possible to generateone common molten pool along theweld axis, thus optimising the energydistribution and then increasing thewelding speed (see Table 4).

Generally, each head is a plasma torchin Dual TIG configuration, in order toprotect the electrode against theaggressive environment of tube production,such as the grease and oil used duringthe forming stage.

Each electrode has a specific function: thefirst electrode is for preheating and toensure partial penetration in continuoustack welding and to maintain the tubeduring the full penetration phase by the2nd electrode. Surface finishing isperformed by the 3rd electrode, with orwithout the addition of a filler wire.

Several solutions are availablecombining 2 or 3 torches

- E16, electrode distance: 16 mmcombination of 3 Dual TIG availablefor the thickness range: 0.8 mm to 1.5mm with the corresponding weldingspeed of 6 to 4 m/min

- E25, electrode distance: 25 mmcombination of 3 Dual TIG Dualavailable for thickness range: 1.5 mmto 3.5 mm with the correspondingwelding speed of 4 to 1 m/min

- TIG-Plasma-TIG: combination ofplasma keyhole and Dual TIG for thethickness range 3.5 mm to 8 mm withthe corresponding welding speed of1 to 0.5 m/min.

3. Thicknesses over 8mm require acombination of 2 separate arc processesor hybrid processes.

Fig.3: Plasma welding in the flat position:circumferential welding. Chemical pressure vesselfabrication in austenitic stainless steel, 7 mm thickness

Bild 3: Plasmaschweißen von Rundnähten inWannenlage zur Herstellung von Druckbehältern für die

chem. Industrie: Austenitischer, rostfreier Stahl 7 mm

Fig.4: Plasma welding in the horizontal position:food storage tank fabrication in austenitic stainlesssteel, 3 mm thickness

Bild 4: Plasmaschweißen in Querposition zur Herstellungvon Lagerbehältern für die Nahrungsmittelindustrie:

Austenitischer, rostfreier Stahl 3 mm

200_5

220_

240_6

260_

280_7

180_

160_4

140_

120_3

100_

80_2

60_

40_1

20_

0_0

Pipe thickness - Rohrwandstärke

E 16

E 25

E 25 / TIG+ PLASMA+ TIG torch assembly

in./min.

in

mm

m./min.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 .04 .08 .12 .16 .20 .24 .28 .32.02 .06 .10 .14 .18 .22 .26 .30

Theoretical curve

Possible area of use

Max-min curve

Normal area of use

Table 4: Selection of the 2K-3K processes vsthicknesses and welding speed targeted (stainless steel)

Tabelle 4: Auswahl des 2K-3K Verfahrens nachMaterialstärke und angestrebter Vs (rostfreier Stahl)

Energy density on the work piece Energieverteilung am Werkstück

1 K

1Elektrode 3 Elektroden

Weld axisSchweißrichtung

3 K

Fig.5: Modification of the energy distribution toenlarge the molten pool

Bild 5: Änderung der Energiedichtezur Vergrößerung des Schmelzbades

Heutzutage sind Rohrhersteller mitdem Hochleistungsverfahren Plasma-stichlochschweißen in der Lage, 8 mmStützen einlagig im Plasmaverfahrenzu schweißen und die Füll-Lagen mitVerfahren mit hohen Abschmelz-leistungen wie dem WIG Heißdrahtoder dem UP-Verfahren mit 600-700 A auszuführen. (Bild 7) Je größerder Steg der Wurzellage gewähltwerden kann, desto geringer wirddas anschießend aufzufüllendeNahtvolumen.

4. Typische Einsatzgebiete für dasPlasmaschweißen im Druckbehäl-terbau sind selbstverständlich dasSchweißen der Behälter selbst,aber auch das Schweißen vonRohren und das Verbinden ganzerRohrleitungen (Bild 8) oder vonVerbindungsstücken wie Flansch undRohr (Bild 9). Beide Anwendungenwerden an fertigbearbeiteten Rohrenausgeführt, wobei die erste aufgrundder Stärke keinen Zusatzwerkstoffbenötigt, während bei der zweitender Draht die geometrischenAbweichungen und den Verzugausgleichen muss.

Es gelten die bekannten Vorteiledes Plasmaschweißens:- geringeres Volumen des

Schweißbads,- ausreichende Stütze bei der Wurzel-

schweißung, um anschließendVerfahren mit hoher Abschmelzleistungmöglich zu machen (UP oder MIG),

Die Anwendung des Rohrumfang-schweißens verlangt zusätzlich ein effi-zientes und sicheres Schließen derNaht (Bilder 8 und 9). Dafür müssen 7oder 8 Parameter gleichzeitig ges-teuert werden (Tabelle 5): im Wesen-tlichen sind dies Stromanstieg und-rückgang, Menge des Plasmagases,der Zusatzwerkstoff und dieVerfahrbewegung des Brenners.

Today, using the performance ofplasma in the keyhole mode, pipemanufacturers are able to weld8-9 mm supported with a singleplasma pass and to fill theremaining joint with a second highdeposition rate process, such asTIG hot wire or submerged arcwelding with 600 - 700 A (Fig.7).

4. Plasma welding of orbital jointsin piping: typical plasma applica-tions in pressure vessels are notonly the welding of the vessel,but also the pipe work: joining ofthe complete line (Fig.8) or branchconnections made by flangeto tube joints (Fig.9). Both applica-tions are performed on machinedcomponents: the first sectiondoes not require a filler wire, forthe second, the filler wire is usedto compensate for geometricirregularities, thicknesses andmisalignment.

If the same advantages of theplasma are maintained for thetube and plate :- reduction of the volume of

the molten pool, - sufficient support in a single

pass to support high depositionprocesses (SAW or GMAW),

the welding of tube requires anefficient and reliable closure ofthe weld (Fig.8 and 9).

This means that it is necessaryto manage simultaneously 7 or 8parameters (Table 5) mainly theslope up and slope down(evanishing) of the keyholemonitoring, with close control of theplasma gas and plasma current.

Welding table Schweißtisch

Tube in rollers Rohre zwischenden Rollen

Tube TRAVELFörderrichtungdes Rohres

Gap and squeezeSpalt und Anpressdruck

Position adjustment in the y axisVerstellung der y-Achse

x

y

Tricathode positionTri-Kathode-Position

AdjustableVerstellbar

(end view)(Seitenansicht)

10 mm400"

60°

3 plasma modules E 16 or E 253 Plasmamodule E16 or E25

Rollers


25

Fig.6: Integration of the tricathode between the forming rolls

Bild 6: Einbau Trikathode zwischen den Formrollen

350 A plasma torch 450 A plasma torch

96

12to20

1 pas TIGHot wire

Plasma keyhole

Filling submerged arc

Fig.7: Development of the weld preparation following the evolutionof the plasma torch performance

Bild 7: Entwicklung der Nahtvorbereitunggemäß Leistung des Plasmabrenners

Fig.8: Circular welds of stainless steel pipe in PAW with filler wire tocompensate thickness differences and misalignment (1GR position)

Bild 8: Rundnaht an rostfreiem Stahlrohr im PAW –Verfahren mit Zusatzwerkstoffzum Ausgleich von Abweichungen in der Materialstärke und Verzug (1GR Position)

Table 5: Monitoring of the keyhole during the closure of the orbital welds

Tabelle 5: Überwachung des Stichlochs beim Schließen der Rundnaht

Fig.9: Circular welds of a stainless steel pipe/flange assembly with gastrailing shield (1GR position)

Bild 9:Rundnaht an rostfreier Rohr-/Flanschverbindung mit Schutzgas (1GR Position)

ENTWICKLUNG VON ANWENDUNGEN UNDVERFAHREN Inzwischen hat das Plasmaschweißverfahren seine Effizienz undZuverlässigkeit nachgewiesen und erfüllt die beschriebenen traditionellenAnwendungsbereiche. Es gilt nun, es an neue Anwendungsmöglichkeitenbesonders im Bereich Transport anzupassen, die sich vorwiegend aufDünnblechanwendungen konzentrieren.

DünnblechanwendungenEntwicklung der Kriterien bei DünnblechanwendungenDer Fahrzeugbau konzentriert sich auf folgende Aspekte:mechanische Güte der Verbindungen, geringer Verzug, Nahtaussehenwie zum Beispiel Spritzerfreiheit vor dem abschließenden Lackieren.Wir finden einen ähnlichen Ansatz in der Nahrungsmittel- und Pharma-industrie überwiegend bei austenitischen rostfreien Grundwerkstoffenin Stärken von 1-3 mm. Hierbei wird besonders auf den ästhetischenAspekt einer glatten Oberfläche, auf Spritzerfreiheit und Sauberkeit vorder Passivierung Wert gelegt. Wie bereits erwähnt, arbeitet die Automobilindustrie am stärksten mitDünnblechanwendungen:- Aluminiumlegierungen für Türen, Abdeckungen und mitunter

Achskomponenten- verzinkte Bleche für die Karosserie (Fügen durch Schweißen und Löten)

❯ Zu nennen sind ebenfalls Versuchsanwen-dungen zur Machbarkeit der Fertigung von“Tailored Blanks” aus Aluminium. (Bild 10).

Bei dieser neuen Anwendung, die von einemUS-Unternehmen als Variable Polarity WIGbezeichnet wird, sind folgende Punkteinteressant:- höhere Schweißgeschwindigkeit als beim

WIG DC Schweißen unter Helium Schutzgas- Anwendung von Impulsstrom. Erzielt

werden sehr sanfte Nahtübergänge undFlankenanbindungen sowie eine günstigeMikrostruktur für das Tiefziehen

❯ Eine zweite Möglichkeit in der Dünnblech-verarbeitung ist das Löten mit dem großenVorteil, dass der Energieeintrag zumSchmelzen des Zusatzwerkstoffes niedrigist (Cu Legierungen weisen einen niedrigenSchmelzpunkt auf). Dadurch wird auch dasVorwärmen des Grundwerkstoffs verringert.

Eine positive Auswirkung ist die geringeBeeinträchtigung der Beschichtung (geringe Zink-Verdampfung) undgeringerer Verzug an den Komponenten.

Das Löten verzinkter Bleche kann mit Dualgas - WIG Brennerndurchgeführt werden, wobei die Wirkzone im heißesten Bereich desLichtbogens liegt, um dessen Stabilität zu erhöhen (Bild 11).

Aber diese Konfiguration macht es erforderlich, dass sich ein aktiverTeil der Elektrode außerhalb der Düse befindet, mit dem damiteinhergehenden Risiko der Verunreinigung durch Luft, Staub oderZink. Außerdem muss mit einem geringen Abstand Werkstück/Elektrode gearbeitet werden. Dies ist schwierig zu handhaben, wennZusatzwerkstoffe konstant in der richtigen Position gehalten werdenmüssen. Eine effektive Plasmakonfiguration bietet den Vorteil einesbesseren Schutzes der eingerückten Elektrode.

26


APPLICATION DEVELOPMENTAND NEW ORIENTATION

The PAW process has proved it’s efficiency and reliability, againstthe more traditional processes, as previously described. It remains to be adapted for new applications, mainly oriented tothe joining of thin sheet.

Thin sheet applicationsEvolution of the criteria for thin sheet

Requirements are focussed on the mechanical properties ofthe joints, with low distortion and good surface aspectconditions such as no spatter before a final galvanictreatment and painting.

A similar approach is required in the food andpharmaceutical industries where the base material isaustenitic stainless, 1-3 mm thick.

There are common criteria, such as the high quality cosmeticsmooth surface finish, with no spatter and a high level ofcleanliness, required before the passivation treatment.

Applications in the automotive industry are the most represen-tative in terms of thin sheet applications:- aluminium alloys for the doors,- galvanized or electrogalvanized sheet

for the body in white (welding andbrazing), and there are now tentativedevelopment opportunities, whichnow open new possibilities.

❯ The first application concernsaluminium tailored blanks Fig.10.

This new application has beendeveloped by one US company inVariable Polarity TIG, it is interestingto note:- the welding speed is higher than

TIG DC He (DCEN) in single torch - and, by pulsing the current, a very

smooth weld and favourablemicrostructure for deep formingcapability are attained.

❯ The second concerns a brazingtechnique with the major advantage inthin sheet assembly applications ofusing a low energy, necessary to meltonly the filler wire (Cu alloy with a very low fusion temperaturerange) reducing at the same time the heating of the basematerial. The positive consequences are the low degradationof the surface coating (low Zn evaporation) and the low degreeof distortion of the components.Brazing of galvanized thin sheets is essentially carried out using aDual TIG Torch using mainly the hottest TIG arc area in order toincrease the arc stability, driven by the arc energy density (Fig.11).

But this configuration requires one active part of the electrode tobe out of the nozzle, with the risk of air, dust or zinc contami-nation. In addition, to operate with a short electrode/work piecedistance is difficult to ensure a constant and correct positioningof the filler wire. It may be more effective to optimise the plasmaconfiguration in order to enhance the protection of the electrode.

Fig.10: Tailored blank application:5182 material 0.8 mm to 1.6 mm thick. Ws 2.5 m/min

Bild 10: Tailored Blank Anwendung Werkstoff 5182,0,8 mm bis 1,6 mm - Ws 2,5 m/mn

Fig.11: Plasma Brazing of the galvanized sheetOerlikon COPPERFIL CuSi 3

Bild 11: Plasmalöten an galvanisiertenBlechen Oerlikon COPPERFIL CuSi 3

Entwicklung des Brennerkonzepts

Der wesentliche Teil des Dünnblechschweißens erfolgt robotergestützt.Dies macht eine spezielle Anpassung des Brenners (Baugröße,Zugänglichkeit), sowie eine zusätzliche Roboterachse für dieAusrichtung des Schweißdrahtes erforderlich.

Wie bereits erwähnt, erfolgen die Optimierung der Energiedichte unddie Verringerung des Schweißbadvolumens über den Brenner und

die Verfahrensauswahl: idealwäre für diese Materialstärkendie Möglichkeit des Stichloch-schweißens mit Mikroplasma.Dies bedeutet im Strom-bereich von 90 - 100 A denEinsatz einer sehr effizientenKühlung der Plasmadüse. Andererseits wäre das An-wenden des herkömmlichenPlasmastichlochverfahrensmit niedrigeren Strom-stärken interessant waswiederum eine Stabilisierungdes Lichtbogens bei niedrigenStromstärken erfordert.

Der Brenneraufbau mussden Einsatz auf verschie-

denen Werkstofftypen berücksichtigen und dementsprechend dererhöhten Wärmebelastung bei der Verwendung von ArH2 oder ArHeGasgemischen standhalten.

Verbesserung der Schutzgasabdeckung bei höherenProzessgeschwindigkeiten

Gasauswahl:Die Verbesserung der Schutzgasabdeckung erfolgt über die richtigeAuswahl der Gasgemische in Abhängigkeit vom zu schweißendenWerkstoff und den Hauptkriterien der Anwendung (Aussehen,Prozessgeschwindigkeit, Verzug, Benetzung, Anlauffarbe...).

Tabelle 7 zeigt eine Zusammenfassung der möglichen Gasarten fürverschiedene Werkstoffe.

Beim Plasmaschweißen hat das Plasmagas starken Einfluss auf dieZündeigenschaften des Lichtbogens und die Steuerung derEnergiedichte bei der Stabilisierung des Stichloches. Das äußereSchutzgas muss das Plasma und das Schweißbad vor Luft undVerunreinigungen durch die Umgebung schützen.


27

Evolution of the torch concept

The majority of thin sheet fabrication uses robotics, whichrequires a specific torch adaptation (oversize, accessibility)see Table 6, and a supplementary axis for the filler wireorientation.

The optimisation of energy density and thus a reducedvolume of the molten pool passing through the torch areimportant factors inprocess selection: micro-plasma or plasma key-hole low current level?

- microplasma torch im-proves the energy density(increasing the currentlevel up to 90-100 A)with an efficient coolingof the plasma nozzle

- or plasma, improvingthe keyhole stability atlow current levels:80-100 A.

In this approach, the torchdesign has to take intoaccount the welding ofdifferent grades of materialsand the capability to support the supplementary energy released bythe gas mixes such as ArH2 or ArHe, which has consequent andstrong influence on the morphology of the molten pool.

The plasma nozzle in the plasma torch is a main and activecomponent, which strongly influences the process performanceand, following these new applications, the design will movetowards new plasma arc conditions, a new laminar plasma gasflow rate and a suitable energy density profile. In this way, amodelling device is a necessary and an efficient support.

Improvement of the shielding efficiency in dynamic conditions

Gas selection:Improvement of the shielding efficiency is influenced by thecorrect selection of the gas mix, depending on the materialto be welded and the main criteria of the application(soundness, welding speed, distortion, wetting, colour…).

Table 7 gives a summary of the possible selection for a rangeof materials.

0,06 0,5 1,0 2,5 3,0 6,0 8,0 10,0

thick (mm)

Microplasma

Plasma melt-in mode

Plamsa keyhole

Automatic torches

Robotic torches

20-45 A150 A

350 - 450 A

Torch capacityDC current100% DC

Tabelle 6: Verfahrenspositionierung hinsichtlich Blechdicke und verwendeter Brenner

Table 6: Processes positioning vs thicknesses (stainless steel) and dedicated torches

Table 7: Gas selection for a range of materials to be welded

Tabelle 7: Gasauswahl nach Werkstoff

Plasma TIG Back ShieldingPlasma gas - Plasmagas Annular Gas - Äußeres Gas Annular Gas - Äußeres Gas Wurzelschutz

Ar (ARCAL 1) Ar + 5% H2 (ARCAL 15) Ar (ARCAL 1)

Ar + 2.5% H2 (ARCAL 10) Ar + 2.5-5% H2 (ARCAL 10 & 15) Ar + 5He (ARCAL 31)

Ar + 2.5% H2 (ARCAL 10) Ar + 8-20% CO2 (ARCAL 21 & ATAL 5A) ArHe H2 (ARCAL 11)

Ar (ARCAL 1) Ar + 5-10% H2 (ARCAL 15 - NOXAL 4)Ar (ARCAL 1) N2

ArHe H2 (ARCAL 11) N2 + 5-10% H2

Ar + 2.5% H2 (ARCAL 10) Ar + 5% H2 (ARCAL 15) Ar + 2.5-10% H2 (ARCAL 10-15 & NOXAL 4)Ar (ARCAL 1)

Ar + 2.5-10% H2 (ARCAL 10-15 & NOXAL 4)

Ar (ARCAL 1) Ar (ARCAL 1) Ar (ARCAL 1) Ar (ARCAL 1)

Ar + 5-7% H2 (ARCAL 15 - NOXAL 4P) Ar + 5-7% H2 (ARCAL 15 - NOXAL 4P) Ar + 5-7% H2 (ARCAL 15 - NOXAL 4P) Ar + 2.5 H2 (ARCAL 10)

Ar (ARCAL 1)

Ar (ARCAL 1) Ar (ARCAL 1) Ar + 5 He (ARCAL 31) Ar (ARCAL 1)

Ar + 20-50-80% He5He (ARCAL 32-35-37)

Ar + 5 He (ARCAL 31) Ar (ARCAL 1)

Ar (ARCAL 1)Ar + 20% He (ARCAL 1)

Ar + 20-50-80% He (ARCAL 32-35-37) Ar (ARCAL 1)

He

Carbon steel mildand micro alloyed

Austeniticstainless steel

Nickel & NickelBase alloys

Aluminium & alualloys

Reactive materialTi Ta Zr

Ar (ARCAL 1)

Ar + 2.5-5% H2 (ARCAL 10 & 15)

Nachstehend wirdein Beispiel gegebenfür die Gasauswahlim Hinblick auf dieOptimierung derSchweißgeschwin-digkeit bei einlagiggesch-weißten 600-und 625- Nickel-basislegierungen. Nurder Wasserstoffanteilim Plasmagas wirdverändert wobei dasäußere Schutzgasstets Argon ist. Esist festzustellen, dassdie elektrischenParameter annä-hernd gleich bleiben.Entsprechend wirdbei einer Anhebungder Geschwindigkeitdie Streckenenergiereduziert.

Mit einem konven-tionellen Plasma-brenner liegt dieErhöhung derSchweißgeschwin

digkeit (WS) bei 33% - 46% bei Zugabevon 5% H2 in der Ar-Basis. Bei Einsatzeines stärkeren Brenners (SP7) liegt dieVerbesserung bei ca. 66% - 73%.Gleichzeitig haben sich die Benetzungund die Farbe deutlich verbessert.

Gasverteilung:Ein besonderes Augenmerk gilt beiLösungen für Hochgeschwindigkeits-schweißen und kleine Nähte derVerbesserung des Nahtaussehens undder Farbe der Nahtoberfläche (keineSchlackeneinschlüsse und Oxide).

Das folgende Beispiel (Bild 14) zeigt dieprogressive Verschlechterung derNahtoberfläche bei austenitischemrostfreien Stahl.

Die Tests wurden bei gleicherBrennerkonfiguration (Düsendurchmesser,Profil, gleiche Elektrode) bei einerSchweißgeschwindigkeit von 0,5 bis2 m/min durchgeführt.

Schweißgeschwindigkeiten oberhalb von 1 m/min führen zuStörungen in der Schutzatmosphäre. Dadurch entstehenBenetzungsfehler des Schweißbads, Einbrandkerben sowie eineGraufärbung. Dieser Mangel an Effizienz bei höherenSchweißgeschwindigkeiten macht höchstwahrscheinlich eineneue Gestaltung des Gaskreislaufs im Brenner, in derPlasmadüse und vor allem in der Ringgasdüse erforderlich.

28


In Plasma welding,the plasma gas hasa strong influenceon the arc strikingquality, on thekeyhole morphologyand stability andthe annular has toprotect the plasmaagainst air ande n v i r o n m e n t a lcontamination andfinally to protect themolten pool.

One example of gasselection driven by theoptimization of weldingspeed is shown for600 and 625 alloys,by changing only theplasma gas andretaining argon in theannular gas.

With the sameconventional plasmatorch for the samematerial the impro-vement is an increase of between 33%-46% in welding speed with a 5% H2

addition in an Ar base. Using a morepowerful torch (SP7), the benefit isabout 66%-73%. At the same time thewetting and colour are clearly improved.

Gas distribution:An important development is thecombination of high welding speedconditions with a small bead size, toimprove the profile, appearance andcolour of the bead surface (free of slaginclusions and oxides).

One example (Fig.14) shows theprogressive degradation of the surfaceof the bead in austenitic stainless steel.

The tests have been carried out with thesame configuration of the torch (nozzlediameter and profile, same electrode…) inthe welding speed range 0.5 to 2 m/min.

Welding speeds between 1 and 2 m/mininduce disturbances in the shieldingatmosphere and result in air contamination. Consequently, thereis a lack of wetting of the molten pool, with some undercutcombined with a grey colour. These undesirable features at higherwelding speeds, probably require the design of a new gas circuitin the torch, of the plasma nozzle and mainly the annular nozzle.

Additionally, gas flow modelling in dynamic conditions wouldbe required for the preliminary definition of the prototype.

% H2 in Ar

Alloy 600 +33%

0

30

35

40

50

2.5 5 7.5

60

50

40

30

20

10

0

% H2 in Ar

Alloy 625 +46%

Welding speed - Schweißgeschwindigkeit (cm/min) Welding speed - Schweißgeschwindigkeit (cm/min)

0

30

44

52

2.5 5 7.5

60

50

40

30

20

10

0

38

Table 8: Influence of the mix composition of the plasma gas on the Ws for 600 and 625

Tabelle 8: Einfluss der Zusammensetzung des Plasmagases auf die maximaleSchweißgeschwindigkeit bei Nickbasislegierungen (Serie 600 und 625)

AlloyThick (mm)

AnnularPlasma Gas Wire Speed Welding Speed Heat Input

Legie- Stärke (mm)Gas

Plasmagas U (V) I (A) DV-Geschwinigkeit Schweißgeschwindigkeit Wärmeinetragrung Ringgas (cm/min) (cm/min) (kJ/cm)

Ar Ar 27 200 100 30 10.8Ar Ar + 2.5% H2 28.3 200 100 35 9.7Ar Ar + 5% H2 28.3 200 100 40 8.5Ar Ar + 7.5% H2 28.8 200 100 50 6.9Ar Ar 27 200 100 30 10.8Ar Ar + 2.5% H2 28.2 200 100 38 8.9Ar Ar + 5% H2 28.6 200 100 44 7.8Ar Ar + 7.5% H2 29 200 100 52 6.7

600

625

6

6

6 mm 440 A - 50 cm/min

400 A - 60 cm/min5 mm

380 A - 80 cm/min4 mm

370 A - 100 cm/min3 mm

250 A - 200 cm/min1.5 mm

Bead appearanceNahtaussehen

Austenitic stainless steelAustenitischer rostfreierStahl

ThicknessStärke

Fig.12: Tests with same torch, adapted nozzlef current and without trailing shield

Bild 12: Test mit gleichem Brenner, Schutzgasdüsedem Schweißstrom angepasst

Ausblick - Verbesserung des Plasmaschweißens -Leistung bei dicken Blechen

Vor der Vermarktung des SP7 Brennerserfolgte die Stabilisierung des Prototypsunter harten Einsatzbedingungen bei derRohrherstellung: Serienschweißungrostfreier Stahl, 7 bis 9,5mm Stärke.

Bei dieser Testreihe wurden folgendewesentliche Verbesserungen erzielt: • Einsatz von Gasgemischen mit hohem

H2 % Anteil wie Ar + 7% H2 (NOXAL3-->NOXAL4), die mit Vorgängermodellenwegen der erhöhten Wärmebelastungnicht kompatibel waren (SP6 oderandere Wettbewerbsmodelle)

• Ein leistungsfähiges Kühlaggregat fürDüse und Brennerkörper

• Abdichtung des Kühlkreislaufes in derDüse für hohe Ströme, HF-Umgebung undSicherheit bei hohen Kühlwasserdrücken.

Der SP7 Brenner wurde im CTAS modifiziert,um die Machbarkeit des Wechselstrom-schweißens von Aluminiumlegierungen zuuntersuchen. Bei diesem Verfahren kann dieAmplitude in der positiven und negativenHalbwelle und das Tastverhältnis frei gewähltwerden. Die Schwierigkeit besteht zum einenin der Stabilität des Lichtbogens beimWechsel der Polarität und zum anderen in derstarken Wärmebelastung der Wolframnadelam Pluspol durch den Elektronenbeschuss.

Tests an 6061 Rohrlegierungen in 11 mm und in3G Position ergaben zufrieden stellendeErgebnisse mit dem neuen Brenner Prototyp fürdie variable Polarität. Bild 15 und Tests in JapanJWRI zeigen die akzeptable Obergrenze für dasVerfahren (15 mm) für die 3G Position beidicken Blechen bei I-Stoß-Konfiguration auf.

SCHLUSSFOLGERUNGENEs wurden 2 typische und einandergegenüberstehende Ausrichtungen fürDünnblech und Dickblechanwendungenbetrachtet, um neue Entwicklungsmöglich-keiten des Plasmaschweißens aufzuzeigen.

Für die Weiterentwicklung der Dünnblechan-wendungen sind folgende Wege zu nennen:

- neue Untersuchungen zum Mikro-plasmaverfahren mit dem Ziel einenstabilen Lichtbogen bei hoher Energie-dichte im niedrigen bis mittlerenStrombereich > 50 -100 A zu ermöglichen.Idealerweise würde in einem kleinenBrenner in kompakter Bauform derZusatzwerkstoff ähnlich wie beimTOPTIG Verfahren eingebracht.

- andererseits könnten die bestehendenVerfahren verbessert werden, um diePlasmastichlochstabilität im niedrigenStrombereich 80 - 100 A zu gewährleisten.


29

To increase the PAW performance on thick plates

Leading to the final design of the SP 7torch, the prototype of the SP 7 wasassessed in a variety of severeconditions in pipe manufacturing,welding stainless steel in 7 to 9.5 mmthicknesses.

During this testing campaign, somesignificant improvements were madeusing:• one high H2% gas mix such as

Ar+7%H2 (NOXAL3---> NOXAL4from Air Liquide) not compatible withthe previous plasma torches (SP6 orequivalent)

• one efficient cooling system for thenozzle and the torch body

• a nozzle seal design to comply with ahigh current density HF environment,combined with a high integritypressurised water performance.

The SP7 model has been also modifiedby CTAS to evaluate the feasibility toweld aluminium alloys in variable polarity.

In parallel, tests performed in 6061pipe alloys, 11 mm thick in 3G position,gave satisfactory results with the newtorch prototype dedicated for variablepolarity, Fig.15. Tests performed inJapan at the JWRI demonstrate that inthe thicker plate in the 3G position, theupper limit (15mm) is acceptable forthe process in a square butt jointconfiguration.

And it shows the open possibilities ofthe process for thick plates.

CONCLUSIONS

Two typical and opposite orientationshave been taken to support the newpotential development of the plasmaarc welding process.

Two different methods are possiblefor the development of thin sheetapplications:

- A new investigation of micro-plasma:to maintain a stable arc constrictedat high energy densities at lowand medium currents >50 -100 Aand, with the small size torch, theflexibility to introduce a filler wirein similar conditions as used inthe Air Liquide TOPTIG process, forexample.

- A new investigation to improve thestability of the plasma keyhole at lowcurrent levels: 80-100 A.

Fig.13: SP7 customer’s tests in pipe manufacturingaustenitic stainless steel 9.8 mm thick

Build 13: SP7 Kundentest, Rohrherstellungaustenitischer rostfreier Stahl, 9.8 mm

SP7

Camera - Kamera TIG hot wire

Comparative performances SP6 /SP7Vergleich SP6 / SP7

Th (mm) - Dicke (mm)

10

0

20

30

40

50

60

70

3.6 7.5 8.5 9.5

SP6

SP7W

eld

ing

sp

eed

Sch

wei

ßges

chw

ind

igke

it(c

m/m

in)

Table 9: Comparative of the performance of the SP6and SP7 torches

Tabelle 9: Leistungsvergleich SP6 gegenüber SP7

SP6 SP7

6

90°

8.59.29.75

1 pass TIGHot wire

Plasma keyhole

TIGhot wire

TIG hot wireor cold wire

Fig.14: SP7 welding advantages for thick plate or tube

Bild 14: SP7 Vorteile beimSchweißen dicker Bleche oder Rohre

Fig.15: VPPA of 6061 pipe 11mm thick, Wire OerlikonALUFIL AlSi5 (ER 4043) Ø 1.6mm - 450 AC DC power source.Welding current 300 A Wt: 4 ms Pulse 500 HZ Cleaning current 350 A Clt: 1 ms Frequency = 200 Hz

Bild 15: VPPA an 6061 Rohr 11 mm,Oerlikon ALUFIL AlSi5

d=1,6 mm - 450 AC DC Stromquelle. Schweißstrom 300 A, Pulsfrequenz 500 HzReinigungsstrom 350 A, Frequenz 200 Hz

In beiden Fällen ergibt sich bei einer Erhöhung derSchweißgeschwindigkeit die Notwendigkeit, denSchmelzbadschutz beim Schweißen zu verbessern.

Die zweite Richtung betrifft die Anwendungen bei dickenBlechen.

Spezifische Machbarkeitsuntersuchungen an verschiedenenWerkstoffen haben die Anpassungsfähigkeit des Plasma-stichlochverfahrens beim Schweißen von einlagigen I-Stoß-Verbindungen im Dickenbereich über 10mm ohneNahtvorbereitung gezeigt. Unterstützende Techniken durchSimulation und Visualisierung des Schmelzbades sowie durchProzessüberwachung sind heute verfügbar.

In both cases, all trials carried out with different kinds ofequipment demonstrate the necessity to improvesignificantly the shielding of the molten pool in high speedwelding conditions.

A second orientation concerns thick plate applications.

Some very specific feasibility tests carried out with 2 differentmaterials, proved the adaptability of the plasma keyholewelding process in single pass applications in square buttjoints. This approach exceeds the theoretical understanding,modelling and visualization of the molten pool and it'smorphology and monitoring of the process and a completedevelopment of the equipment .

Today the corresponding techniques are available and ableto explore the movement of the molten pool in differentwelding positions, in order to explain and to evaluate themain factors and their respective influence.

In conclusion a break through is considered necessary interms of the concept and design of a new integrated torch tomeet the challenges of the next generation of applications.

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Jean Marie FORTAIN - AIR LIQUIDE CTAS - Welding and Cutting Research Center - 95315 Cergy Pontoise - FRANCE

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BIBLIOGRAPHY / LITERATURHINWEISE:

Air

Liqu

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Wel

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