DE1210101B

DE1210101B - Schutzgaslichtbogenschweissverfahren

Info

Publication number: DE1210101B
Application number: DEY661A
Authority: DE
Inventors: Teiji Ito; Tsuguro Kikuno; Sadayoshi Morita; Takeshi Nishi
Original assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 1961-12-29
Filing date: 1962-12-19
Publication date: 1966-02-03
Also published as: GB1030675A; US3258842A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

BIBLIOTHEK

DES DEUTSCHEIi

PATENTiWtS

Int. α.:

B23k

Deutsche KL: 21h-30/12

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1210101
Y661VHId/21h
19. Dezember 1962
3. Februar 1966

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutzgaslichtbogenschweißen von Stahl.

Im allgemeinen wird beim Lichtbogenschweißen unter Schutzgas, das Stickstoff enthält, ein ungünstiges Ergebnis erzielt. Es entstehen gewöhnlich Poren im abgeschiedenen Metall, da der Stickstoff nicht in die Atmosphäre entweichen kann, wenn sich die Löslichkeit von Gasen in dem Schweißgut bei seinem Erstarren vermindert. Es wurde jedoch festgestellt, daß beim Bogenschweißen unter Schutzgas sich bessere Ergebnisse erzielen lassen, wenn dem Schutzgas Stickstoff zugemischt wird und gleichzeitig dem Schweißdraht ein metallisches Element zugegeben wird, das ein Nitrid bilden kann. Es bildet sich dann ein stabiles Nitrid dieses metallischen Elementes im abgeschiedenen Metall, das die Bildung von Poren verhütet und festes, zähes Schweißgut erzeugt.

Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, zähes, festes Schweißgut zu erhalten, das eine hohe Kerbzähigkeit aufweist, indem die Bildung eines Nitrides in der Schweißnaht bewirkt wird. Es ist insbesonders zum Schweißen von hochzugfesten Stählen und kaltzähen Stählen mit hoher Kerbzähigkeit geeignet.

Die Erfindung besteht darin, daß man zusätzlich zu den gewöhnlichen Schweißzusatzwerkstoffen ein nitridbildendes Metall und Stickstoff während . des Schweißens an die Schweißstelle bringt, damit der Stickstoff mit dem Metall Nitrid bildet, das wenigstens teilweise in dem Schweißgut fein verteilt in fester Phase abgeschieden wird.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schutzgasbogenschweißung mit einem Schutzgas durchführen, das keinen Stickstoff enthalten muß, jedoch einen Schweißdraht mit einer Seele zu verwenden, die eines oder mehrere nitridbildende Metalle und/oder eine oder mehrere Legierungen davon in gepulverter Form und eine Substanz enthält, die gasförmigen Stickstoff abgibt, wenn sie in heißem Zustand ist, so daß sich das Nitrid dieses Metalls im abgeschiedenen Metall ausbilden kann. Ein Teil dieses Metallnitrides wird als eine feine, feste Phase im abgeschiedenen Metallteil während des Schweißens oder während einer anschließenden Wärmebehandlung abgelagert, wodurch ein zähes, festes Schweißgut erzielt wird.

Als Schutzgas kann ein inertes Gas, wie beispielsweise Argon, Helium, eine Mischung von Argon oder Helium mit Sauerstoff oder Kohlendioxyd, Kohlendioxyd oder eine Mischung von Kohlendioxyd und Sauerstoff verwendet werden.

Als nitridbildende Metalle können Aluminium, Schutzgaslichtbogenschweißverfahren

Anmelder:

Yawata Iron & Steel Company, Ltd., Tokio

Vertreter:

Dr. F. Zumstein,

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann

und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger,

Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4

Als Erfinder benannt:
Sadayoshi Morita,
Teiji Ito,
Takeshi Nishi,
Tsuguro Kikuno, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 29. Dezember 1961 (48 065)

Titan, Zirkon, Beryllium, Columbium, Vanadium und Legierungen davon, allein oder in Mischung, verwendet werden.

Als Substanzen, die in heißem Zustand Stickstoff abgeben, können Mangannitrid, Calciumnitrid, Molybdännitrid, Chromnitrid und Nitrate, wie beispielsweise Ca(NO₃)₂, verwendet werden.

Beim erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißen kann jedes herkömmliche pulverförmige Flußmittel zusätzlich zum Schutzgas verwendet werden, so daß die Schweißbarkeit weiter erhöht werden kann.

Der Seele des Schweißdrahtes, die erfindungsgemäß verwendet wird, können weiter noch herkömmliche Legierungselemente, wie beispielsweise Nickel, Molybdän und Chrom, zugesetzt werden, um die Eigenschaften der Schweißung weiterzuverbessern.

Das Schweißverfahren wird auf die gleiche Weise durchgeführt wie eine gewöhnliche Schutzgasschweißung. Es wird jedoch bevorzugt, den Gehalt an Metallin-

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trid im abgeschiedenen Metall praktisch innerhalb eines Bereiches von 0,01 bis 1,00 % ^zu halten. Beim Schweißen wird das nitridbildende Metall oder die nitridbildende Legierung, die im Schweißdraht enthalten ist, zusammen mit dem Schweißdraht durch die Hitze des Lichtbogens geschmolzen und bildet ein schmelzflüssiges Schweißbad zusammen mit dem zu schmelzenden Material, das gleichzeitig schmelzflüssig gemacht wird. Da gelöster Stickstoff vom Schutzgas oder von den Stickstoff abgebenden Substanzen, wie beispielsweise Mangannitrid, im schmelzflüssigen Bad gelöst ist, bildet das nitridbildene Metall oder die nitridbildende Legierung während des ZusammenÖießens des Bades ein Nitrid. Weiter wird unter dem Einfluß einer nachfolgenden Wärmebehandlung oder der Hitze des schmelzflüssigen Bades selbst ein Teil dieses Nitrides in feiner Form in der festen Phase abgeschieden. Daher weist das abgeschiedene Metall eine feine Struktur auf und besitzt eine hohe Zähigkeit und Festigkeit.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung, ohne sie zu beschränken. In den Beispielen 1 bis 3 werden drei Schweißdrähte verwendet, die folgende Zusammensetzung aufweisen:

Tabelle 1
Chemische Zusammensetzungen der Schweißelektroden (Seele)

Schweiß elektroden	C	Si	Mn	E P	lemente in ° S	Cu	Al	Ti	Fe
A B C	0,15 0,13 0,12	0,368 0,364 0,68	1,34 1,32 1,80	0,035 0,034 0,010	0,024 0,024 0,007	0,194 0,215 0,150	0,55 0,34	0,52 0,23	Rest Rest Rest
			Beispie	1 1

Ein kohlenstoffarmer, beruhigter Stahl für niedrige von 4% Stickstoff zum Schutzgas aus Kohlendioxyd Temperaturen wurde mit einer einzigen Schweiß- 25 verschweißt und dabei das Schutzgas mit einer Geschwindigkeit von 251 pro Minute zugeführt. Die chemische Zusammensetzung der Schweißnähte war

auflage unter Verwendung jeder der Schweißelektroden A, B und C mit den in der Tabelle 1 gezeigten chemi

schen Zusammensetzungen und durch Zumischen wie in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle

Chemische Zusammensetzung einer einzigen Schweißauflage, die mit einem Kohlendioxyd-Stickstoff-Schutzgas auf einem kohlenstoffarmen beruhigten Stahl hergestellt war

Schweiß elektroden	C	Si	Mn	Elemei Al	ite in 7o AlN J Ti	0,14 0,05.	TiN	Fe
A B C	0,10 0,10 0,08	0,26 0,24 0,48	1,08 1,10 1,41	0,16 0,11	0,043 0,030	0,089 0,081	Rest Rest Rest

Zum Vergleich sei angeführt, daß beim Verschweißen von Stahl mit einer einzigen Schweißauflage unter Verwendung eines Lichtbogens mit Kohlendioxyd als Schutzgas und einer gewöhnlichen kohlenstoffarmen, silizium- und manganhaltigen Elektrode Poren erhalten wurden, wenn etwa 4% Stickstoff mit dem Kohlendioxydschutzgas vermischt waren. Jedoch bei Verwendung des Elektrodendrahtes A der Tabelle 1, der 0,55% Aluminium enthält, wurde festgestellt, daß keine Poren gebildet wurden, wenn bis 8% Stickstoff dem Schutzgas zugemischt waren. Ähnlich wurden beim Bogenschweißen mit Argon als Schutzgas und einem Schweißdraht, der kein Aluminium enthält, sogarmitnurl% Stickstoff im SchutzgasPoren erzeugt. Wenn jedoch der Schweißdraht A der Tabelle 1, der 0,55% Aluminium enthielt, verwendet wurde, wurden keine Poren erzeugt, bis 4% Stickstoff im Schutzgas vorhanden waren. Wenn eine Elektrode verwendet wurde, die Titan enthielt, das eine höhere Affinität gegenüber Stickstoff aufweist als Aluminium, dann war es möglich, die Stickstoffmenge, bei welcher keine Poren erzeugt wurden, zu erhöhen. So waren beispielsweise beim Lichtbogenschweißen unter Kohlendioxyd als Schutzgas mit dem Schweißdraht B der Tabelle 2, der 0,52% Titan enthielt, sogar wenn bis zu 12% Stickstoff dem Kohlendioxyd zugemischt wurden, keine Poren feststellbar. Bs ist daher ersichtlich, daß die Bindung des Stickstoffes an ein nitridbildendes Element, beispielsweise Aluminium oder Titan, wirksam ist, die Ausbildung von Poren zu verhüten, wenn gasförmiger Stickstoff dem Schutzgas zugemischt wird.

Die Stähle der Schweißungen mit den chemischen Zusammensetzungen, wie sie in Tabelle 2 gezeigt sind, nach Luftkühlung von 900⁰C herunter und eine Schweißung, die unter Verwendung der Elektrode C, jedoch nur mitKohlendioxyd als Schutzgas, hergestellt war, hatten die folgenden mechanischen Eigenschaften:

Tabelle

Mechanische Eigenschaften einer Emzelaufiäge-Lichtbögenschweißung, die unter Verwendung von Kohlendioxyd—Stickstoff als Schutzgas hergestellt waffen

	Zugfestigkeit	Fließgrenze	Dehnung	Querschnitts verminderung	Schlägfe mkg	stigkeit, /cm²	Chärpyprüfung mit V^Kerbe VTrI 5 VTrs	°C
	kg/mm²	kg/mm²	°/o	°/o	-6O⁰C	Ö°C	⁰C	<-60
A	59,6	50,1	36_S7	69,0	9,0	20,3	<-60	<-60
B	62,7	56,1	34_ä5	66,3	11,1	22,2	<-60	<-60
C	68,3	58,8	33,0	65,7	9,9	22,6	<-60	-10
C	61,8	53,2	30,1	62,6	1,1	19,1	-46

Die Elektroden C und C haben die gleiche chemische Zusammensetzung. In der Tabelle wird jedoch zwischen C und C unterschieden, da C die mechanischen Eigenschaften bei Verwendung dieser Elektrode und Anwendung von Kohlendioxyd—Stickstoff als Schutzgas angibt, während in der Zeüe C die mechanischen Eigenschaften bei Verwendung der gleichen Elektrodenseele, jedoch unter Anwendung von Kohlendioxyd als Schutzgas allein angegeben sind.

Beim Vergleich mit der Schweißung, die unter 20 bei welchem Nitrid in der Schweißnaht erzeugt wird,

Verwendung von Kohlendioxyd allein als Schutzgas bemerkenswert. Bei der mikroskopischen Untersuchung

für den Lichtbogen hergestellt war, sind die Verbesse- des Stahls der Schweißnaht wurde festgestellt, daß

rungen in der Kerbzähigkeit durch das Verfahren, sich eine sehr feine Struktur ausgebildet hatte.

Beispiel 2

Eine Vielschichtschweißtmg wurde hergestellt, wobei des Metalls der Schweißstellen und des Metalls einer

jeder der Schweißdrähte A, B und C zum Bogen- Schweißstelle, das mit einem Schweißdraht C und nur

schweißen unter Kohlendioxyd—Stickstoff als Schutz- Kohlendioxyd als Schutzgas hergestellt war, waren

gas verwendet wurde. Die mechanischen Eigenschaf ten 30 wie folgt:

Tabelle

Mechanische Eigenschaften einer Vielschichtschweißung, die mittels eines Lichtbogens und Kohlendioxyd-—Stickstoff als Schutzgas hergestellt waren

	Zugfestigkeit	Fließgrenze	Dehnung	V4 UCi al/JUULL Ho" Verminderung	Schlagfestigkeit,	/ciö²	Charpyprüfung	Kerbe VTfs
	kg/mm²	kg/mm²	°/o	°/o	mkg	0⁰C	mit V- VTrIS	°C
	60,2	51,0	35,2	67,9	—6O⁰C	18,5	°C	<-60
A	64,1	57,9	33,3	66,8	6,8	19,2	<-60	<-60
B	67,8	57,8	32,9	63,4	9,4	19,6	<-60	<-60
C	64,7	54,9	28,5	60,3	7,6	11,2	<-60	-18
C				1,8	-50

C bedeutet die mechanischen Eigenschaften bei Verwendung der gleichen Elektrode C, jedoch unter Verwendung von Argon allein als Schutzgas.

Die mechanischen Eigenschaften des Stahls der Schweißung sind das Ergebnis des gleichen Schweißverfahrens, wie es im Beispiel 1 verwendet wurde, und der Wärmebehandlung, die durch die Hitze des Lichtbogens hervorgerufen war, die der Bildung der nächsten Schicht der Schweißung diente. Dieser Stahl weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf, weil er einer normalisierenden Wirkung wegen der Hitze der übereinander gebildeten Schichten unterzogen worden war. Bei einer solchen Schweißung waren die mechanischen Eigenschaften einer Schweißnaht, die mittels eines Bogens erzeugt war, bei dem kein Stickstoff dem Schutzgas zugemischt war, schlechter.

SS Eine Vielschichtsehweißung wurde durchgeführt, Wobei jeder der Schweißdrähte A, B und C in Tabelle 1 verwendet, jedoch 4% Stickstoff in Argon als Schutzgas angewandt wurde und dieses mit einer Menge von 25 1 pro Minute zugefügt wurde. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißungen sind in Tabelle 5 wiedergegeben, wobei die Schweißung C mit dem Schweißdraht C und reinem Argon als Schützgas hergestellt war. Die mechanischen Eigenschaften dieser Schweißungen waren, wie auch im obigen Beispiel 2, ausgezeichnet und überlegen den Schweißungen, die ohne Stickstoffzumischung im Schutzgas hergestellt waren.

Tabelle

Mechanische Eigenschaften von Vielschichtschweißungen, die mit Argon—Stickstoff als Schutzgas nachdem Lichtbogenverfahren hergestellt sind

	Zugfestigkeit	Fließgrenze	Dehnung	veiminderung	Schlagfestigkeit,	/cm²	Charpyprüfung	°C
	kg/mm²	kg/mm²	°/o	%	mkg	0°C	mit V-Kerbe VTrI 5 VTrs	<-60
	63,4	55,2	37,1	68,3	—60° C	25,9	°C	<-60
A	66,7	58,8	36,0	67,1	10,2	25,4	<-60	<-60
B	72,0	63,9	34,5	66,8	13,7	23,8	<-60	<-60
C	69,1	60,5	26,4	61,3	11,4	14,5	<-60
C				3,8	<-60

C bedeutet, daß nur gewöhnliches Argon als Schutzgas verwendet wurde.

B eis pi

Eine Seelenelektrode wurde hergestellt, indem eine hohle Seele mit einem Außendurchmesser von 3,2 mm, die durch Biegen eines sehr weichen Stahlbleches gebildet war; mit einem Pulver gefüllt, das durch Mischen von 0 5% Aluminium, 0,3% Titan und Mangannitrid in genügender Menge zur Bildung der Nitride von Aluminium und Titan durch Stickstoffentwicklung, zusammen mit Ferrosilicium und Ferro-

el 4 mangan als Desoxydationsmittel und einem Flußmittel zur- Verbesserung der Bearbeitbarkeit, hergestellt war. Eine Einzelauflagenschweißung und eine Vielschichtschweißung wurden mittels eines Schutzgasbogens hergestellt. Als Schutzgas wurde Kohlendioxyd allein mit, einer Menge von 201 pro Minutezugeführt. DiechemischenZusammensetzungenundmechanischen Eigenschaften der Schweißungen sind in Tabelle 6 angegeben.

Tabelle

Chemische Zusammensetzungen (in Prozent) und mechanische Eigenschaften der Schweißungen, die unter Verwendung einer besonders angefertigten Hohlseele hergestellt waren

	C	Si	Mn	Al	Ti	AlN	TiN	Fe
Einzelauflagenschweißung	0,08 0,11	0,35 0,42	1,27 1,36	0,13 0,22	0,06 0,10	0,037 0,032	0,062 0,068	Rest Rest
Vielschichtschweißung

Zugfestigkeit kg/mm²

Fließgrenze

kg/mm²

Dehnung Querschnittsverminderung

Schlagfestigkeit,

mkg/cm² —6O⁰C 0°C

Charpyprüfung

VTr 15

Einzelauflagenschweißung
Vielschichtschweißung ...

63,5 67,2

54,7 59,1

60,4
58,2

7,6
5,4

17,4 18,3

<-60 <-60

Es ist zu ersehen, daß die gleiche Wirkung, wie sie in den Beispielen 1 und 2 erzeugt wurde, mit einem Lichtbogen unter Kohlendioxyd als Schutzgas und einer Hohlseele als Schweißdraht erzielt wird, die nitridbildende Elemente und eine Stickstoff abgebende Verbindung enthält.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß man zusätzlich zu den gewöhnlichen Schweißzusatzwerkstoffen ein nitridbildendes Metall und Stickstoff während des Schweißens an die Schweißstelle bringt, damit der Stickstoff mit dem Metall Nitrid bildet, das wenigstens teilweise in dem Schweißgut fein verteilt in fester Phase abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nitridbildendes Metall Aluminium, Titan, Zirkon, Beryllium, Columbium, Vanadium und Legierungen dieser Metalle, allein oder in Mischung, verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Stickstoff der Schweißung mit dem Schutzgas zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff der Schweißung durch eine abschmelzende Elektrode zugeführt wird, deren Bestandteile beim Erhitzen Stickstoff liefern.

5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Stickstoff lieferndes Material Mangannitrid, Calciumnitrid, Molybdännitrid, Chromnitrid, allein oder in Mischung, und/oder die Nitrate der vorstehend erwähnten Metalle verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das nitridbildende Metall der Schweißstelle durch deine abschmelzende Elektrode zugeführt wird.

7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndraht 0,55% Aluminium enthält.

8. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndraht 0,52 % Titan enthält.

9. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndraht 0,34% Aluminium und 0,23 % Titan enthält.

10. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenseele ein Pulver aus Aluminium, Titan und Mangannitrid enthält.

11. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als nitridbildendes Metall Aluminium, Titan, Zirkon, Beryllium, Niob und/oder Vanadium und/oder Legierungen dieser Metalle enthält.

12. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen dem Gewicht nach aus 0,15% C, 0,368% Si, 1,34% Mn, 0,035% P, 0,024% S, 0,194% Cu, 0,55% Al und als Rest aus Eisen besteht.

13. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen dem Gewicht nach aus 0,13% C, 0,364% Si, 1,32% Mn, 0,034% P, 0,024% S, 0,215% Cu, 0,52% Ti und als Rest aus Eisen besteht.

14. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen dem Gewicht nach aus 0,12% C, 0,68% Si, 1,80% Mn, 0,010% P, 0,007%S, 0,150%Cu, 0,34%Al, 0,23%Ti und als Rest aus Eisen besteht.

15. Elektrode nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenseele

ίο

als nitridbildendes Metall Al, Ti, Zr, Be, Nb und/oder V oder deren Legierungen enthält sowie ein Material, das beim Erhitzen Stickstoff abgibt, wobei dieses Material Mangannitrid, Calciumnitrid, Molybdännitird und/oder Chromnitrid oder igendein Nitrat ist.

16. Elektrode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen dem Gewicht nach aus 0,08 % C, 0,35 % Si, 1,27 % Mn, 0,13% Al, 0,06% Ti, 0,037% AlN, 0,062% TiN und als Rest aus Eisen besteht.

17. Elektrode nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen dem Gewicht nach aus 0,11 % C, 0,42 % Si, 1,36 % Mn, 0,22% Al, 0,10% Ti, 0,032% AlN, 0,068% TiN und als Rest aus Eisen besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
so Deutsche Patentschrift Nr. 496 337;

österreichische Patentschrift Nr. 174 268;
USA.-Patentschriften Nr. 2 142 045, 2 851 581,
988 627;

William M. Conn, Die Technische Physik der Lichtbogenschweißung, Berlin—München, 1959, S. 211/212;

T. N ο r e n, Werkstoffkunde für die Lichtbogenschweißung von Eisen und Stahl, Solingen, 1955, S. 37; K. L. Zeyen und W. Lohmann, Schweißen der Eisenwerkstoffe, Düsseldorf, 1948, S. 75 bis 77.