DE1281246B - Verwendung eines niedriglegierten Schweissdrahtes zum Schweissen niedriglegierter hochfester Staehle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MDWWt PATENTAMT Int. Cl.:

B 23 k

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 49 h-35/30

Nummer: 1281246 " *';

Aktenzeichen: P 12 81 246.3-24 (O" 30845)

Anmeldetag: 2. November 1960

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Es ist bekannt, daß niedriglegierte, hochfeste Stähle, wie sie beispielsweise für Panzerplatten, Schiffsbauplatten u. dgl. in großem Umfang wegen ihrer hohen Festigkeit und sonst günstigen mechanischen Eigenschaften zur Anwendung gelangen, nur schwer oder in nicht zufriedenstellendem Maße verschweißbar sind. Die Verschweißung von Hand mit Stabelektroden oder automatisch nach einem Schweißverfahren unter Schutzgas bei Verwendung handelsüblicher Schweißdrähte führt nicht zu den erforderlichen Festigkeitswerten der Schweißstelle. Auch entsprachen Lichtbogenschweißverfahren einschließlich des Unterpulververfahrens wegen einer Versprödung der Schweißstellen bei Verwendung handelsüblicher Schweißdrähte und üblicher Schlackpulver keineswegs. Es zeigte sich, daß bei tiefen Temperaturen die Kerbschlagzähigkeit der Schweißverbindungen nicht zufriedenstellend war.

Auch zeigte sich, daß die nach bekannten Verfahren unter Verwendung üblicher Schweißdrähte erreichten Verschweißungen bei allen Arten von Wärmebehandlungen, welchen diese Schweißungen unterworfen werden können oder müssen, viele Wünsche offen ließen.

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Schweißnähten hoher Warmfestigkeit an Stählen als Grundwerkstoff bekanntgeworden (österreichische Patentschrift 191230), wobei es sich um Grundwerkstoffe mit etwa 0,1 bis 0,2% Kohlenstoff, 0,3 bis 0,5% Silicium, 0,6 bis 1% Kupfer, 0,8 bis 1% Mangan, 0,15 bis 0,24% Molybdän, 0,001 bis 0,06% Tantal, Niob oder Bor oder Titan handelt, wobei als Schweißnaht in Form umhüllter oder nicht umhüllter Elektroden hierzu ein Werkstoff dient, der aus etwa 0,12 bis 0,25 % Kohlenstoff, 1,2 bis 1,8% Mangan, 0,3 bis 0,6% SiIicium, 0,8 bis 1,5% Kupfer, 0,8 bis 1,5% Nickel, 0,25 bis 0,4% Molybdän, 0,002 bis 0,08% Tantal, Niob, Bor oder Titan, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß der Kupfergehalt im Schweißdraht höher ist als im Grundwerkstoff. Es bildet sich an der Schweißstelle ein Zwischengefüge, welches bei 550 bis 65O⁰C zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften der Schweißstelle angelassen werden muß.

Die Erfindung bringt nun die Verwendung spezieller niedriglegierter Schweißdrähte für das Schweißen niedriglegierter, hochfester Stähle, wobei sich gezeigt hat, daß der Kohlenstoff-, Schwefel- und Phosphorgehalt im Schweißdraht für die Erreichung hoher Festigkeit und einwandfreier Schweißverbindungen kritisch ist.

Wird dieser kritische Bereich der Eisenbegleiter — wie er durch die Erfindung gebracht wird — überVerwendung eines niedriglegierten
Schweißdrahtes zum Schweißen niedriglegierter
hochfester Stähle

Anmelder:

General Dynamics Corporation,

Groton, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,

Patentanwälte,

8000 München 90, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

John T. Ballass,

Bernard J. Freedman, Groton, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. November 1959,
vom 21. Oktober 1960

schritten, so ist die Folge eine mangelhafte Schweißung, die hinsichtlich Festigkeit, Kerbschlagzähigkeit u. dgl. Anlaß zur Beschwerde gibt. Die Erfindung bringt also die Verwendung eines Schweißdrahtes, bestehend aus 0,15 % Kohlenstoff, bis 0,015 % Phosphor, bis 0,015 % Schwefel, bis 0,8 % Silicium, 1,2 bis 1,8% Mangan, 0,5 bis 1,2% Nickel, 0,1 bis 0,5% Molybdän, 0,4 bis 1% Kupfer, bis 0,15% Chrom und 0,03 bis 0,5% Desoxydationsmittel in Form von Zirkonium, Titan, Magnesium und/oder Calcium und/oder 0,03 bis 0,1 % Aluminium, insgesamt nur maximal 0,5% Desoxydationsmittel, Rest Eisen, zur Herstellung von Schweißungen hoher Zugfestigkeit, guten Dehnbarkeit und hoher Kerbschlagzähigkeit bis zu tiefen Temperaturen an niedriglegierten, hochfesten Stählen, insbesondere solchen mit 0,15 bis 0,3 % Kohlenstoff und 2 bis 5% übliche Legierungselemente. Mit anderen Worten lassen sich die am Markt befindlichen niedriglegierten Stähle hoher Festigkeit einwandfrei mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Schweißdraht verbinden.

Es hat sich gezeigt, daß der Mangangehalt des Schweißdrahtes innerhalb der oben angegebenen Grenze kritisch ist. Ist der Mangangehalt geringer, so kommt es zu einer Aufnahme von Mangan aus dem Grund-

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werkstoff in das Schweißmetall. Bei einem Gehalt über dem kritischen Wert gibt das Schweißmetall Mangan an den umgebenden Grundwerkstoff ab. Der Bereich von 1,2 bis 1,8 % Mangan in dem erfindungsgemäß zu verwendenden Schweißdraht ist also hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Güte der Schweißverbindungwesentlich.

Es zeigte sich, daß ein gewisser Nickelgehalt Festigkeit und Kerbschlagzähigkeit des Schweißmetalls erhöht. Dies gilt für Nickelmengen zwischen 0,5 und 1,2 °/o- Bei geringerem Nickelgehalt findet keine nennenswerte Erhöhung der Festigkeit und Kerbschlagzähigkeit statt. Eine größere Nickelmenge führt zu keiner weiteren Erhöhung der Festigkeit und Kerbschlagzähigkeit und verteuert nur das Material.

Bei Schweißungen an niedriglegierten Stählen hoher Festigkeit nach dem Lichtbogenschweißverfahren mit den erfindungsgemäßen Schweißelektroden erreicht man Werte in der Größenordnung von 70 bis 82 kg/ mm² für die Zugfestigkeit, 56 bis 67,5 kg/mm² für die 0,2-Grenze und 17,8 bis 23,5 % für die Dehnung (bei einer Prüfstablänge von 35,5 mm) bei einer Einschnürung von 48 bis 58,9 % i^m Schweißmetall sowie Werte von 0,0925 bis 0,163 kg/m/mm für die Kerbschlagzähigkeit bei —73 ⁰C nach Ch ar ρ y. Mit diesen Eigenschaften sind die erfindungsgemäß erhaltenen Schweißungen an niedriglegierten Stählen hoher Festigkeit wesentlich günstiger, als alle bisher bekanntgewordenen Schweißverbindungen derartiger Stähle. Ganz besonders bemerkenswert ist die außerordentlich hohe Kerbschlagzähigkeit in der Kälte.

Die erfindungsgemäße Anwendung spezieller Schweißdrähte für _die Schweißung niedriglegierter Stähle wird an Hand folgender Beispiele gezeigt.

Es wurden dann die Festigkeitswerte dieser Schweißstelle einmal bald nach der Schweißung und einmal nach einem lstündigen Tempern bei 650⁰C bestimmt. Die Werte sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Zugfestigkeit, kg/mm²

0,2-Grenze, kg/mm²

Dehnung (Meßlänge 35,5mm), %

Einschnürung, °/o

Vickers-Härte, kg/mm²

Kerbschlagzähigkeit nach
Charpy bei—73°C, kg/m/mm

Beispiel 2

75 57,5 20 52,3 247

0,12

Nach dem Tempern

66 62 24,3 65,5 213

0,125

Beispiel 1

35

Verschweißt wurden Grobbleche von 25,4 mm Dicke aus einem niedriggekohlten Stahl der Bezeichnung HY-80 (Zusammensetzung: 0,1 bis 0,4% Mangan, bis 0,22°/o Kohlenstoff,,bis 0,035% Phosphor, bis 0,04% Schwefel, 0,15 bis 0,35 % Silicium, 2 bis 2,75 % Nickel, 0,9 bis 1,4% Chromr0,23JMs 0,35%_LMolybdän, Rest Eisen). Der Schweißdraht hatte eine Stärke von etwa 4 mm.

Angewandt wurde das bekannte Unterpulverschweißverfahren und ein handelsübliches, neutrales Flußmittel, welches eine Korngröße von 0,2 bis 1,4 mm aufweist. Geschweißt wurde bei einem Wärmeangebot von 16 000 Joule/cm,/

- Tabelle 1

	Schweißdraht ' . %	Schweißmetall %
Kohlenstoff Mangan Phosphor Schwefel ....... Silicium Nickel Chrom Molybdän Kupfer Zirkonium Eisen	0,09 1,63 0,008 0,005 0,06 0,87 0,037 0,2 . 0,55 (+0,36% als Anteil des Cu- Mantels) 0,22 Rest	0,057 1,44 0,013 0,010 0,28 1,01 0,18 0,19 - 0,75 nicht meßbar Rest

55

60 ; In der Tabelle 3 ist die Zusammensetzung des Schweißdrahtes und des Schweißmetalls, wie man es bei der Verschweißung eines Grobbleches von 25,4 mm Dicke aus einem niedriggekohlten Stahl HY-80 unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Schweißdrahtes von ca. 4 mm erhält.

Tabelle 3

	Schweißdraht ■ '· %	Schweißmetall %
Kohlenstoff Mangan Phosphor Schwefel . Silicium Nickel Chrom Molybdän Kupfer Zirkonium Eisen ..;	0,096 1,54 0,015 :. 0,002 0,06 0,86 0,03 0,19 0,53 (+0,07% als Anteil des Cu- Mantels) 0,18 Rest	0,065 1,30 . 0,024 0,005 - 0,31 1,2 0,31 ... 0,22.· 0,57 . nicht meßbar Rest

Die Schweißstelle hatte folgende Festigkeitswerte: Tabelle 4

Zugfestigkeit, kg/mm² . 72,5

0,2-Grenze, kg/mm² ' 63

Dehnung (Meßlänge 35,5 mm), % 24,3

Einschnürung, % 58,7

Vickers-Härte, kg/mm² 248

Kerbschlagzähigkeit nach Charpy

bei —73°C, kg m/mm 0,13

Beispiel3

Es wurde wieder eine 25,4 mm dicke Platte aus Stahl HY-80 unter Verwendung eines 4 mm starken

erfindungsgemäßen Schweißdrahtes nach dem Unterpulverschweißverfahren mit dem handelsüblichen neutralem Schweißmittel und einem Wärmeangebot von etwa 21 000 Joule/cm verschweißt.

In der Tabelle 5 ist die Zusammensetzung des Schweißdrahtes und des Schweißmetalls aufgeführt.

Tabelle 5 (Fortsetzung)

5 Kupfer

Tabelle 5

Kohlenstoff
Mangan
Phosphor .
Schwefel ..

Silicium

Nickel

Chrom

Molybdän .

Schweißdraht

0,09

1,57

0,006

0,005

0,07

0,88

0,033

0,20

Schweißmetall

0/ /0

Zirkonium ¹⁰ Eisen

Schweißdraht %

0,55

(+0,21% als

Anteil des Cu-

Mantels)

0,24

Rest

Schweißmetall

7»

0,59

0,03 Rest

0,067 1,46 0,009 0,011 0,40 1,09 0,20 0,20

»5

Die Schweißung zeigte folgende Festigkeitswerte: Tabelle 6

Zugfestigkeit, kg/mm² 76,5

0,2-Grenze, kg/mm² 58

Dehnung (Meßlänge 35,5 mm), % 20

Einschnürung, % 49,1

Vickers-Härte, kg/mm² 240

Kerbschlagzähigkeit nach Ch ar ρ y bei -73°C, kgm/mm 0,12

Beispiel 4 bis

Tabelle Schweißdraht

Beispiel	C	Mn	P	Si	S	Ni	Cr	Mo	Cu	Zr	Al	Ti	Fe
4 5 6 7	0,07 0,10 0,06 0,08	1,54 1,62 1,54 1,35	0,007 0,012 0,006 0,014	0,19 0,47 0,27 0,18	0,005 0,005 0,007 0,005	0,90 0,87 0,83 0,81	0,10 0,11 0,10 0,12	0,18 0,18 0,18 0,18	0,82 0,85 0,80 0,82	0,19 <0,01 <0,01 <0,01	0,01 0,05 0,038	0,051	Rest Rest Rest Rest

Tabelle Schweißmetall

Beispiel	C	Mn	P	Si	S	Ni	Cr	Mo	Cu	Zr	Ti	Rest
4	0,07	1,05	0,012	0,28	0,009	1,47	0,51	0,25	0,45	0,09		Fe
5	0,06	1,11	0,015	0,50	0,010	1,41	0,46	0,25	0,70	<0,01	—	Fe
6	0,05	1,01	0,013	0,38	0,012	1,15	0,38	0,23	0,74	0,01	—	Fe
7	0,04	0,98	0,013	0,36	0,009	1,21	0,29	0,22	0,90	<0,01	0,025	Fe

Verschweißt wurden Platten von 50,8 mm Dicke aus Spannung 30 V, Stromstärke 60 A und einer Elektrostahl HY-80; Drahtstärke des erfindungsgemäßen 45 denvorschubgeschwindigkeit von etwa 0,455 m/Min. Schweißdrahtes 4 mm; Unterpulverschweißverfahren gearbeitet.

mit einem Schweißmittel der Körnung 0,42 bis 2 mm. Es wurden wieder die Festigkeitseigenschaften des

Bei den Beispielen 4 bis 6 erfolgte die Schweißung bei Schweißmetalls sowohl nach dem Erkalten als auch

einem Wärmeangebot von 31 000 Joule/cm, Spannung nach einem nachgeschalteten 4stündigen Glühen bei

30 V, Stromstärke 700 A, wobei die Elektrode über den 50 90 bis 930° C, Abschrecken in Wasser und nochmals

Stoß mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 4 Stunden Anlassen bei 620 bis 650° C und Abschrecken

0,4 m/Min, gezogen wird. Im Beispiel 7 wurde mit (Beispiele 4 bis 6) ermittelt. Die Werte sind in Tabelle 9

einem Wärmeangebot von etwa 23 500 Joule/cm, zusammengestellt.

Tabelle

Schweiß	Zug	0,2-	Dehnung (Meßlänge 35,5 mm) 7o	Ein	Kerbschlagzähigkeit nach Charpy ir	nach der Wärmebehandlung	65,7	0,472	-17,7° C	-51° C	ι kg m/mm
draht Beispiel	festigkeit kg/mm2	Grenze kg/mm8	22,5	schnürung %	Raum temperatur	23,5	42	0,5	0,294	0,2	-73°C
4	74,0	60,3	20	57,2	0,37	24	64,5	0,414	0,274	0,19	0,125
5	82,0	67,5	21	55,3	0,32	23	0,271	0,212	0,147
6	75,0	63,5	23,5	56	0,328	0,271	0,185	0,157
7	70,5	63,3	58,9	0,41			0,0925
			0,374	0,195
4	65	56,3	0,449	0,295	0,105
5	64,8	56,8	0,338	0,219	0,228
6	66,3	58,5	0,13

In den Beispielen wurde nur nach dem Unlerpulverschweißverfahren gearbeitet. Es ist selbstverständlich auch möglich, die erfindungsgemäß zu verwendenden Schweißdrähte bei anderen Schweißverfahren anzuwenden, insbesondere beim Schutzgasschweißen. Bei diesem letztgenannten Verfahren kann man erfindungsgemäße Schweißdrähte mit etwas weniger Mangan erfindungsgemäß anwenden, denn bei UnterpulverschweiBverfahren ist der Abbrand an Mangan größer als beim Schutzgasschweißen. Wenn man nach dem Elektroschlackeschweißverfahren arbeiten will, so ist es zweckmäßig, einen Schweißdraht der erfindungsgemäßen Zusammensetzung mit Flußmittelmantel oder einem Flußmittelkern anzuwenden und den Draht bei der Schweißung mit Schutzgas zu bespülen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Schweißdrahtes aus bis 0,15% Kohlenstoff, bis 0,'015^fl/₀ Phosphor, bis 0,015 % Schwefel, bis 0,8% Silicium, 1,2 bis 1,8 % ^Äo Mangan, 0,5 bis 1,2% Nickel, 0,1 bis 0,5% Molybdän, 0,4 bis 1 % Kupfer, bis 0,15 % Chrom und 0,03 bis 0,5% Desoxydationsmittel in Form von

Zirkonium, Titan, Magnesium und/oder Calcium und/oder 0,03 bis 0,1 % Aluminium, insgesamt nur maximal 0,5% Desoxydationsmittel, Rest Eisen, zur Herstellung von Schweißungen hoher Zugfestigkeil, guter Dehnbarkeit und holer Kerbschlagzähigkeit bis zu tiefen Temperaturen an niedriglegierten, hochfesten Stählen.

2. Verwendung eines Schweißdrahtes der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung für den im Anspruch 1 genannten Zweck, wobei die zu schweißenden Stähle 0,15 bis 0,3% Kohlenstoff und 2 bis 5% übliche Legierungselemente enthalten.

3. Verwendung eines Schweißdrahtes der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit 0,03 bis 0,5 % Zirkonium oder Titan oder 0,03 bis 0,1% Aluminium, letzteres gegebenenfalls zusammenöüt 0,03 bis 0,5 % Zirkonium, wobei der Gesamtgehalt 0,5% nicht übersteigt, als Desoxydationsmittel für den im Anspruch 1 oder 2 genannten Zweck.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 191 230.