DE763818C

DE763818C - Steels for components of large steel construction that are welded on thick cross-sections

Info

Publication number: DE763818C
Application number: DEM141020D
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr-Ing Buchholtz
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1938-03-15
Filing date: 1938-03-15
Publication date: 1952-11-17

Description

Stähle für Bauteile des Großstahlbaus, die an starken Querschnitten - geschweißt werden Im Großstahlbau,. d. h. bei der Herstellung von Stahlbauwerken großer Abmessungen, z. B. Brücken und Hochbauten, bei denen Bauteile mit großen Querschnitten z. B. über 25 mm Dicke verwendet werden; bereitet bekanntlich die Schmelzschweißung Schwierigkeiten; besonders wenn. Stähle höherer Festigkeit und keine austenitischen Sonderelektroden benutzt werden. Der Grund für das Versagen härterer Stähle liegt in der schroffen Abschreckwirkung infolge des Schweißvor-Banges, wodurch die Schweißnaht und besonders. ihre Umgebung; die sog. Übergangszone, infolge der schnellen Wärmeabfuhr je nach Zusammensetzung und Schweißbedingungen eine erhebliche Härte annehmen. Dabei wird die Formänderüngsfähigkeit herabgesetzt.Steels for components in large steel construction that have thick cross-sections - be welded in large steel construction. d. H. in the manufacture of steel structures large dimensions, e.g. B. Bridges and buildings where components with large Cross sections z. B. be used over 25 mm thick; is known to prepare the Fusion welding difficulties; especially when. Steels of higher strength and no austenitic special electrodes are used. The reason for the failure harder steels lies in the abrupt deterrent effect as a result of the welding pre-bang, making the weld and special. their surroundings; the so-called transition zone, as a result the rapid heat dissipation depending on the composition and welding conditions a considerable Accept hardship. The deformability is reduced.

Man hat lange nach einer Erklärung dafür gesucht, daß der Biegewinkel beim Biegen. eines Flacheisens oder Bleches aus St 52; der im Walzzustand i8o° beträgt, durch eine auf -der Zugseite der Biegeprobe aufgelegte Schweißraupe auf weniger, als 2o° herabgesetzt wird, obgleich sowohl der Grundwerkstoff als das niedergeschmolzene Schweißgut, jeweils für sich geprüft, einen Biegewinkel von iSo° besitzen. Die Ursache für das abweichende Verhalten der Schweißverbindung ist in der ungenügenden Formänderungsfähigkeit der verhältnismäßig schmalen gehärteten Übergangszone neben der Schweißnaht zu suchen. Ein infolge der Schrumpfung oder durch mechanische Beanspruchung in der Schweißnaht entstandener Riß führt bei weiterer Beanspruchung zum spröden Trennungsbruch durch die Übergangszone und dann meist auch zum formänderungsarmen Restbruch des Grundwerkstoffes.One has long sought an explanation for the fact that the bending angle when bending. a flat iron or sheet made of St 52; which is i8o ° in the as-rolled condition, by a weld bead placed on the tensile side of the bending specimen to less, than 20 °, although both the base material and the molten material Weld metal, each tested individually, a bending angle from iSo ° own. The cause of the deviating behavior of the welded joint is in the insufficient deformability of the relatively narrow hardened ones Look for the transition zone next to the weld seam. One as a result of shrinkage or The crack caused by mechanical stress in the weld seam leads to further cracks Stress to the brittle separation break through the transition zone and then mostly also for low deformation residual fracture of the base material.

Diese sog. Schweißempfindlichkeit der Baustähle wächst mit dem Gehalt an Kohlenstoff und härtenden Legierungselementen, wächst weiter gleichzeitig mit der Masse der Schweißkonstruktion und wird in gewissen Grenzen durch die beim Schweißen zugeführte Wärmemenge je Zeiteinheit beeinflußt. Die Abschreckwirkung beim Schweißen wird gemildert, wenn die Arbeiten am angewärmten (ioo bis 2oo°) Werkstück ausgeführt werden, was jedoch nur in Sonderfällen möglich ist Es sind zwar eine Reihe von theoretischen Vorschlägen gemacht worden, die sich aus der Schweißempfindlichkeit ergebenden Mängel zu beseitigen, jedoch haben diese praktisch aus den im einzelnen im folgenden angegebenen Gründen nicht zu einem Erfolggeführt.This so-called welding sensitivity of structural steels increases with the content of carbon and hardening alloy elements, continues to grow at the same time the mass of the welded structure and is determined within certain limits by the welding process influences the amount of heat supplied per unit of time. The quenching effect in welding is mitigated if the work is carried out on the heated (100 to 200 °) workpiece However, this is only possible in special cases. There are a number of theoretical ones Proposals have been made to address the shortcomings resulting from the sensitivity to sweat to eliminate, however, these have practically out of the details given below Reasons not lead to success.

So ist es bekannt, bei hochfesten Baustählen die Härtung in der Nähe der Schweiße dadurch zu verringern, daß dem Stahl Titan in einer Menge, die zumindest das il/2fache des Kohlenstoffgehaltes beträgt, zulegiert wird. Es wird damit bezweckt, den Kohlenstoff des Stahls, der für das Auftreten der Härtungszone in erster Linie verantwortlich zu machen ist, ganz oder teilweise durch das Titan abzubinden und so aus den Härtungsvorgängen auszuschalten. Abgesehen davon, daß Titan selbst ein teures Legierungselement ist, verlangt die Zugabe in größeren Mengen auch die Herstellung des Stahls im Elektroofen. Damit verschwinden die wirtschaftlichen Voraussetzungen für den Großstahlbau, da für die Massenstähle praktisch nur die Herstellung im SM-Ofen in Betracht kommt. Darüber hinausmacht die vorgeschlagene Zugabe die Erhöhung.-der übrigen Legierungselemente notwendig, da durch die Abbindung des Kohlenstoffes an Titan dieser auch als festigkeitssteigerndes Element ausfällt. Die Stähle werden aus diesen Gründen sehr verteuert und kommen daher als Massenstähle für den Großstahlbau nicht in Betracht.So it is known that in high-strength structural steels the hardening is close Reduce the sweat by giving the steel titanium in an amount that is at least is il / 2 times the carbon content, is added. The aim is to the carbon of the steel, which is primarily responsible for the occurrence of the hardening zone is to be held responsible for setting completely or partially through the titanium and so to switch off from the hardening processes. Besides being a Titan itself is an expensive alloying element, the addition in larger quantities also requires production of steel in the electric furnace. This means that the economic prerequisites disappear for large-scale steel construction, since mass steels are practically only manufactured in the SM furnace comes into consideration. In addition, the proposed addition makes the increase other alloying elements are necessary because of the binding of the carbon Titanium this also fails as a strength-increasing element. The steels will for these reasons they are very expensive and are therefore used as bulk steels for large-scale steel construction out of consideration.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zur Erhöhung der Elastizitätsgrenze bei Stählen, die für den Dampfkesselbau Verwendung finden, diesen einen Aluminiumgehalt von o,3 bis 1,s o% zu geben. Dampfkesselstähle müssen aber nach einer Schmelzschweißung stets warm behandelt werden. um die Spannungen aus dem Werkstoff zu entfernen. Auch ist bei Aluminiumehalten von 0,3 bis i,so/o die Schweißbarkeit des Werkstoffs schlechter als bei den erfindungsgemäß beanspruchten wesentlich niedrigeren Zusätzen.It has also been suggested to increase the elastic limit steels that are used for steam boiler construction have an aluminum content to give from o, 3 to 1, s o%. Steam boiler steels, however, have to be fusion welded always be treated warmly. to remove the stresses from the material. Even If the aluminum content is 0.3 to 1, so / o the weldability of the material is worse than with the significantly lower additives claimed according to the invention.

Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Schweißnaht aus einem Werkstoff mit gewissen Anteilen an Aluminium und anderen desoxydierenden Mitteln hergestellt werden soll. Die Erfindung bezieht sich aber nicht auf die Ausführung einer Schweißung, sondern auf Baustähle, die auch in großen Abmessungen schweißunempfindlich sind. Ebensowenig berührt es die Erfindung, wenn Vorschläge für die Herstellung von Schweißnähten gemacht werden, die sich hinterher nitrieren lassen sollen, denn die im Hochbau beim Verschweißen von starken Profilen beobachtete Schweißempfindlichkeit tritt dabei gar nicht auf.There are also known methods in which the weld from one Material with certain proportions of aluminum and other deoxidizing agents should be produced. However, the invention does not relate to the implementation a weld, but on structural steels, which are insensitive to welding even in large dimensions are. Neither does it affect the invention when making proposals are made by weld seams that should be nitrided afterwards, because the welding sensitivity observed in building construction when welding thick profiles does not occur at all.

Es ist auch bekannt, durch eine scharfe und weltgetriebene Desoxydation die Alterungsneigung von Eisen und Stahl herabzusetzen. Demgegenüber sind die erfindungsgemäß hergestellten Stähle nicht als alterungsbeständig anzusprechen, da der Abfall der Kerbschlagzähigkeit in großen Walzquerschnitten durch Alterungsbehandlung (ioo% Recken oder Stauchen und Anlassen) über So olo beträgt. Die Behandlung gemäß der Erfindung führt also nicht zur Erzeugung eines alterungsbeständigen Stahls, wohl, aber zur Beseitigung oder Verringerung der Schweißempfindlichkeit und zur Verbesserung der Aufschweißbiegeprobe.It is also known to be due to a sharp and world-driven deoxidation reduce the aging tendency of iron and steel. In contrast, are according to the invention manufactured steels cannot be regarded as aging-resistant, since the waste of Notched impact strength in large rolled cross-sections through aging treatment (ioo% Stretching or compressing and tempering) above so olo. Treatment according to the Invention therefore does not lead to the production of aging-resistant steel, but to eliminate or reduce sweat sensitivity and improve it the weld-on bending test.

Es ist weiterhin ein Verfahren zur I-ierstel= Jung von Stahl im basischen Siemens-Martin-Ofen bekannt, bei dem durch geeignete Wahl des Einsatzes und der Schlackenzusammensetzung bei stark erhöhter Temperatur laufend Mangan aus der Schlacke in das Stahlbad reduziert wird. Derartig hergestellte Stähle besitzen ohne Zugabe weiterer Desoxydationsmittel eine gute Kerbzähigkeit. Über das Schweißverhalten dieser Stähle bei größeren Abmessungen wird aber in diesem Vorschlag nichts ausgesagt. Auch sind diese unter Manganreduktioh hergestellten- Stähle ohne die zusätzliche Behandlung gemäß der Erfindung schweißempfindlich.It is also a process for I-ierstel = Jung von Stahl in the basic Siemens-Martin furnace known, in which by suitable choice of the insert and the Slag composition Manganese continuously out of the slag at very high temperatures is reduced in the steel bath. Steels produced in this way have no allowance further deoxidizing agents have good notch toughness. About the welding behavior In the case of these steels with larger dimensions, nothing is stated in this proposal. These steels produced under manganese reduction are also without the additional Treatment according to the invention sensitive to perspiration.

Praktisch hat bisher die Schweißempfindlichkeit zur Begrenzung des Kohlenstoffgehaltes und der übrigen Legierungsgehalte beim Baustahl St 52 geführt, wobei man mit wachsender Stärke der Schweißquerschnitte notgedrungen die Forderung nach hoher Streckgrenze ermäßigen mußte. Die Schweißempfindlichkeit ist gleichzeitig mit ein Grund dafür, daß härtere, besonders legierte Stähle als Werkstoff für geschweißte Bauteile im Großstahlbau nicht Eingang finden, mit Ausnahme 'der wenigen auf kleine Querschnitte beschränkten Fälle, bei denen eine Nachbehandlung in der Wärme möglich ist.In practice, the sweat sensitivity has so far been used to limit the Carbon content and the other alloy contents in structural steel St 52, with the increasing strength of the welding cross-sections, the requirement is inevitable had to reduce after a high yield point. The sensitivity to sweat is at the same time one reason why harder, especially alloyed steels are used as the material for welded Components in Large steel construction does not find entry, with the exception of 'the a few cases limited to small cross-sections in which follow-up treatment in which heat is possible.

Nach der Erfindung gelingt es nun, die Schweißempfindlichkeit: von Stählen für den Stahlhoch- und Brückenbau weitgehend hera@ziisetzen und sie für die meisten Sehweiß-Bedingungen praktisch zu beseitigen, und zwar dadurch, daß der Schmelze nach ihrer üblichen Herstellung; nach ,ihrer Desoxydation und nach Zugabe der gegebenenfalls -gewünschten Legerüngseleinente <S,4 bis 2 kg/t an Aluininiutii, Titan, Zirkon und anderen Metallen, die die U'niwandluiigsgescliwindigkeit des Sbalhls im festen Zustand erhöhen, einzelin oder gemeinsam zugesetzt werden.According to the invention it is now possible to reduce the welding sensitivity: from To a large extent, use steels for structural steelwork and bridge construction and use them for practically eliminating most visual white conditions by having the Melt after its usual production; after, their deoxidation and after addition the possibly -desired laying elements <S, 4 to 2 kg / t of Aluininiutii, Titanium, zirconium and other metals that reduce the speed of the shaft increase in the solid state, be added individually or together.

Die Zugabe kann sowohl im Ofen als auch während des Vergießens oder in der Pfanne erfolgen. Die Wirkungsweise dieser Zusätze sei an zwei Baustählen St 52 mit nachstehender Zusammensetzung näher erläutert: Die Schmelzen wurden im Siemens-Marti.ii-Ofen in der üblichen Weise hergestellt, mit Ferrosilicium und Mangan desoxydiert, legiert, abgestochen, auf So-mm-Bleche ausgewalzt und nach den Vorschriften der Reichsbahn normal geglüht; die Stähle i b und 2 b erhielten als Zugabe, wie aus der -Tabelle ersichtlich, o,6 kg/t Aluminium bzw. 1,25 kg/t 4o°/oiges Ferrozirkon.The addition can take place in the oven as well as during pouring or in the pan. The mode of action of these additives is explained in more detail using two structural steels St 52 with the following composition: The melts were produced in the Siemens Marti.ii furnace in the usual way, deoxidized with ferrosilicon and manganese, alloyed, tapped, rolled onto so-mm sheets and normally annealed according to the regulations of the Reichsbahn; As can be seen from the table, steels i b and 2 b received 0.6 kg / t aluminum and 1.25 kg / t 40% ferrozirconium as an addition.

Biegeproben aus 5o-mm-Blechen dieser vier Schmelzen besaßen einen Biegewinkel von 8ö°,- ohne Risse zu zeigen. Zur Ermittlung der. Biegefähigkeit nach dem Schweißen wurde auf Zoo mm breite und 6oo mm lange Längsstreifen, mit der Blechstärke 50 mm, unter Verwendung einer 5 mm starken Elektrode (»Preßmantelelektrode Phönix SH. lila 52«) eine Raupe aufgelegt. Bei der Biegeprüfung dieser Schweißempfindlichkeitsproben ergaben seich als Mitel -aus je zwei Biegeproben für die,einzelinen-Stäh,l,e-naclifolgende B iegewimlcel: Stahl i a . . . . . . . . . . . . 18' Stahl 11) , . , . , . größer als 5o° Stahl 2 a . . . . . . . . . . S° Stahl 2 b . größer als 45' Während bei dem; Biegeproben der Stähle I a und 2 a die ersten Anrisse in der Schweißnaht zum sofortigen Durchreißen des gesamten Querschnitts führten, ließen sich die Proben der Stähle 11) und 2 b auch nach dem Auftreten der ersten Anrisse in der Schweißnaht Weiterbiegen, ohne zu brechen. Mit Rücksicht auf die Biegevorrichtung maßte allerdings dann bei etwa 5o0 von einem weiteren Biegen der Proben abgesehen werden. Der Biegewinkel der Stähle 11) und 2 b lag also noch über 45°, .-An Querschliffen durch die Schweißnaht wurde mit Hilfe der Heynschen Ätzung die Größe der Schweißnaht und der Übergangszone- sowie durch Abtasten mit dem Härte-Prüfer die Härte sowohl in der Schweißnaht als auch in der Übergangszone und im Grundwerkstoff ermittelt.Bending samples from 50 mm sheets of these four melts had a bending angle of 80 ° without showing any cracks. To determine the. Flexibility after welding, a bead was placed on zoo mm wide and 600 mm long longitudinal strips with a sheet thickness of 50 mm using a 5 mm thick electrode (“press-jacket electrode Phoenix SH. Lilac 52”). In the bending test of these welding sensitivity samples, the following results were obtained from two bending samples for each of the following bending samples: Steel ia. . . . . . . . . . . . 18 ' Steel 1 1) ,. ,. ,. greater than 5o ° Steel 2 a. . . . . . . . . . S ° Steel 2 b. larger than 45 ' While with that; Bending samples of steels I a and 2 a the first cracks in the weld seam led to the entire cross-section tearing through immediately, the samples of steels 11) and 2 b could be bent further without breaking even after the first cracks appeared in the weld seam. With regard to the bending device, however, further bending of the specimens was then measured at around 50. The bending angle of steels 1 1) and 2 b was still over 45 ° the weld seam as well as in the transition zone and in the base material.

Der Härteverlauf von vier Schweißproben der Stähle I a und i b ist in Abb. i a und i b wiedergegeben. Maßgebend für die Beurteilung der Härteannahme beire Schweißen ist die höchste Härtespitze und die Breite der Übergangszone. Danach ergibt sich für den normal hergestellten Stahl i a eine höchste Härtespitze bei blanker Elektrode von 238, bei umhüllter Elektrode von 278 Brinelleinheiten. Bei Stahl i b, der gemäß der Erfindung einen Zusatz von o,6 kg/t Aluminium erhielt, wurde bei praktisch gleicher Ausgangshärte in der Übergangszone. eine höchste Härte von 210 bzw. 23o Brinelleinheiten erreicht, d. h. bei praktisch gleicher chemischer Zusammensetzung weist der erfindungsgemäß behandelte Stahl eine um g bis 15 kg/mm2 geringere Härtesteigerung in der Übergangszone neben der Schweißnaht auf. Gleichzeitig wird die übergangszone verbreitert und dadurch das gesamte Bild der Verteilung von Gefüge und Härte einheitlicher.The hardness curve of four weld samples of steels I a and ib is shown in Fig. Ia and ib. The highest hardness peak and the width of the transition zone are decisive for assessing the hardness assumption during welding. According to this, the normally produced steel generally has a maximum hardness peak of 238 for a bare electrode and of 278 Brinel units for a coated electrode. In the case of steel ib, which according to the invention received an addition of 0.6 kg / t aluminum, the initial hardness was practically the same in the transition zone. A maximum hardness of 210 or 23o Brinel units is achieved, ie with practically the same chemical composition, the steel treated according to the invention has an increase in hardness in the transition zone next to the weld seam that is g to 15 kg / mm2 less. At the same time, the transition zone is broadened and the overall picture of the distribution of structure and hardness is more uniform.

Für den stärker hartbaren Cr-Cu-Stahl Z a und 2 b ergaben sich bei einer Ausgangshärte von 216 bzw. 203 Brinelleinheiten nach dem Schweißen mit umhüllter Elektrode in der Übergangszone höchste Härtewerte von 33$ Brinelleinheiten bei Stahl 2 a bzw. 256 Brinellcinheiten bei Stahl 2b. Während also bei dem Stahl 2 a die Härtesteigerung etwa i2o Brinelleinheiten betrug, stieg bei. dem erfindungsgemäß behandelten Stahl 2 b die Härte durch die Abschreckwirkung in der Schweißnahturngebung nur um etwa 5o Brinelleinheiten. Schweißbiegeproben aus Stahl 2 a brachen bei einem Biegewinkel von nur S°, der Stahl erwies sich also bei dieser Prüfung als sehr schweißempfindlich. Die günstige Wirkung der geringeren Härteannahme des gemäß der Erfindung mit Zirkon behandelten Cr-Cu-Stahles wurde bereits oben durch die wesentlich höhere Biegefähigkeit (über 45°) belegt.For the more hardenable Cr-Cu steel Z a and 2 b, with an initial hardness of 216 and 203 Brinel units, respectively, after welding with a coated electrode in the transition zone, the highest hardness values of 33 Brinel units for steel 2 a and 256 Brinell units for steel were obtained 2 B. While the increase in hardness in steel 2 a was around 12o Brinel units, it increased. steel 2b treated according to the invention only has a hardness of about 50 Brinelle units due to the quenching effect in the vicinity of the weld seam. Weld bending specimens made of steel 2 a broke at a bending angle of only S °, so the steel proved to be very sensitive to sweat in this test. The favorable effect of the lower hardness assumption of the Cr-Cu steel treated with zirconium according to the invention has already been demonstrated above by the significantly higher flexibility (over 45 °).

Claims

PATENT CLAIM: The use of high-strength steels for large-scale steel construction, which, after the usual melting and deoxidation, have received an addition of 0.4 to z kg / t aluminum, titanium, zirconia individually or together, as materials for such components in large-scale steel construction, especially bridges - and building construction that are welded on thick cross-sections and should no longer receive heat treatment after welding. To distinguish the subject matter of the invention from the state of the art, the following publications were taken into account in the granting procedure: German Patent Specifications No. 545 166, 614 1777; Austrian patent specification No. i26 8o5 Swiss patent specification No. i5 = 95o: USA.-patent specification No. i 9.46 130; British Patent No. 316 555; French patents', NTr. 633 909, 679 483 Sch impk eH orn, "Practical Manual of Entire Welding Technology", 1935, Vol.: 2, p. 2o.