Füllmaterial zum Schweissen von Aluminiumlegierungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füllmaterial zum Schweissen von Aluminiumlegierungen, insbeson dere von Legierungen des Typs AlZnMg.
Legierungen des Typs AlZnMg mit relativ hohen Zink- und Magnesiumgehalten und Kupferzusätzen wer den seit langer Zeit als hochfeste Legierungen besonders in der Flugzeugindustrie verwendet. Ein grosser Nachteil dieser Legierungen besteht jedoch darin, dass sie wenig widerstandsfähig gegen Korrosion und ungeeignet zum Schweissen sind.
In neuerer Zeit wurden kupferfreie Legierungen mit niedrigeren Zink- und Magnesiumgehalten (etwa 5 % Zn und 1 % Mg) entwickelt, welche schweissbar sind. Diese Legierungen sind dadurch ausgezeichnet, dass sie in ge schweisstem Zustand die stärksten im Handel befind lichen Aluminiumlegierungen sind. Die Korrosionsfestig keit der Basislegierung ist gut, aber da die Legierungen hauptsächlich für geschweisste Konstruktionen bestimmt sind und die Widerstandsfähigkeit der Schweissnähte ge gen Spannungskorrosion ziemlich niedriger ist, ist die Verwendbarkeit dieser Legierungen beschränkt.
Als Füllmetall zum Schweissen wurden Legierungen mit etwa 5 % Silicium oder etwa 5 % Magnesium, oder aber ternäre A1MgSi-Legierungen verwendet. Von die sen finden A1Mg-Legierungen mit etwa 5 % Magne sium am meisten Verwendung, da man mit ihnen die grösste Stärke erzielt.
Zum Verbessern der Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion des Basismetalls wurden Zusätze von vielen verschiedenen Elementen ausprobiert, wie beispielsweise Zusätze von Silber. Wenn man dem Basismetall 0,3 bis 0,8 % Silber zusetzt, werden ge wisse Verbesserungen der Stärke der Basislegierung und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskor rosion erzielt.
Versuche, auf welche die vorliegende Erfindung be ruht, haben den schon früher festgestellten Effekt des Silbers auf die verbesserte Stärke beim künstlichen<B>Al-</B> tern bestätigt. Ausserdem bewiesen diese Versuche auch, dass a) die Anfälligkeit gegen Risse beim Schweissen durch Silberzusätze bis zu 0,4 % nicht beeinflusst wird, b) die Stärke von normal geschweisstem Material in folge der Zugabe von Silber zunimmt und c) die Widerstandsfähigkeit der Schweissnähte gegen Spannungskorrosion durch die Zugabe von Silber er heblich verbessert wird.
Von diesen Vorteilen ist der unter c) genannte äusserst wichtig. Da jedoch die nötige Silberzugabe (etwa 0,3 %) den Preis der Basislegierung erhöht, bietet dieses Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsfestigkeit praktisch nur ein kleines Interesse.
Die Erfinder haben Spannungskorrosionsversuche an Schweissnähten von bekannten A1ZnMg-Legierungen vorgenommen, wobei mit und ohne Silberzusätze ge arbeitet wurde. Die silberfreie Legierung (A) hatte die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
EMI0001.0012
1,2 <SEP> % <SEP> Mg
<tb> 4,9 <SEP> % <SEP> Zn
<tb> 0,17 <SEP> % <SEP> Cr
<tb> 0,24 <SEP> % <SEP> Mn
<tb> Rest <SEP> Al <SEP> von <SEP> Handelsqualität Die silberhaltigen Legierungen enthielten zusätzlich 0,24 % Ag (Legierung B) bzw. 0,40 % Ag (Legierung C).
Als Füllmetall wurde ein silberfreier Schweissdraht einer A1Mg-Legierung mit 5 % Mg benützt.
Zum Herstellen der Prüflinge für die Spannungs korrosionsversuche wurden zwei Stangen mit einem Querschnitt von 3 X 100 mm nach dem IIG-Verfahren (Wolfram, Schutzgas, nichtleitender Schweissdraht) mit einer I-Verbindung stumpfgeschweisst. Von den erhalte nen Schweisslingen wurden 10 mm breite Teststücke rechtwinklig zur Schweissnaht ausgeschnitten.
Diese Teststücke wurden den folgenden Wärmebehandlungen unterworfen: 1. natürliches Altern - Schweissen - künstliches Altern 2. künstliches Altern - Schweissen - künstliches Altern 3. künstliches Altern - Schweissen - natürliches Altern Die folgenden Spannungskorrosionsversuche wurden durch Freiluftexposition in einer milden Industrieat mosphäre bei einer konstanten Zugspannung von 31,5 kg/mm2 vorgenommen. Mit jeder Teststückart wurden vier Versuche vorgenommen und aus diesen die; mittlere Lebensdauer der Teststücke in Tagen berechnet.
Für diejenigen Fälle, in welchen alle vier Teststücke während der Versuchsdauer nicht brachen, wurde das Zeichen i vor den Tabellenwert gestellt. Die Resultate sind in der folgenden Tabelle I enthalten.
EMI0002.0009
Aus dieser Tabelle folgt klar, dass, wenn in der Basislegierung Silber vorhanden ist, die Neigung zur Spannungskorrosion im geschweissten Material eben falls erheblich abnimmt. Bei dieser Art von realistischer Spannungskorrosionsprüfung entstanden im Schweiss material selbst Bruchanrisse wegen der Sprödigkeit. Durch mikroskopische Untersuchung wurde festgestellt, dass diese Bruchanrisse interkristallin waren.
Die durch die Erfinder unternommenen Versuche zeigten somit, dass die Zusammensetzung des Schweissmaterials für die Spannungskorrosionsfestigkeit der Schweissnaht aus schlaggebend ist, weshalb der Vorschlag auftauchte, ein silberhaltiges Füllmaterial für das Schweissen von Alu miniumlegierungen zu verwenden.
Es wurde gefunden, dass bei Aluminiumlegierungen, insbesondere vom Typ A1ZnMg, welche mit einem nor malen Füllmaterial, das zusätzlich noch Silber enthält, geschweisst werden, Schweissnähte erhalten werden kön nen, welche eine erheblich verminderte Neigung zu Spannungskorrosion zeigen. Das erfindungsgemässe Füll material zum Schweissen von Aluminiumlegierungen, insbesondere vom Typ AlZnMg ist dadurch gekenn zeichnet, dass es 2-8 % Mg und/oder Si bis zu 8 %, wenigstens eines der Elemente Cu, Mn, Cr, Zr, B, Ti, V und Li in einer Totalmenge bis zu 5 %, 0,1=10 Ag und ferner A1 enthält.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung ent hält das Füllmaterial 3-8 % Mg und 0,3-3 % Ag. Eine geeignete Zusammensetzung ist die folgende (Gewichts prozente):
EMI0002.0018
Mg <SEP> <B>3-8%</B>
<tb> Mn <SEP> bis <SEP> zu <SEP> 1,0
<tb> Cr <SEP> <SEP> 1,0%
<tb> Cu <SEP> " <SEP> <SEP> 0,5%
<tb> Zr <SEP> <SEP> 0,1%
<tb> B <SEP> <SEP> <B>0,1%</B>
<tb> Ti <SEP> <SEP> 0,5
<tb> V <SEP> <SEP> <B><I>0,5%</I></B>
EMI0002.0019
Li <SEP> bis <SEP> zu <SEP> 0,1
<tb> Ag <SEP> 0,5-2,5%
<tb> Al <SEP> Rest, <SEP> einschl. <SEP> normaler <SEP> Verunreinigungen Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfin dung enthält das Füllmaterial 3-8 % Si und 0,3-3 % Ag.
Eine geeignete Zusammensetzung ist die folgende (Ge wichtsprozente):
EMI0002.0021
Si <SEP> 3-8%
<tb> Mn <SEP> bis <SEP> zu <SEP> 1,0
<tb> Cr <SEP> <SEP> 1,0%
<tb> Cu <SEP> <SEP> 0,5%
<tb> Zr <SEP> <SEP> 0,1%
<tb> B <SEP> <SEP> <B>0,1%</B>
<tb> Ti <SEP> <SEP> 0,5%
<tb> V <SEP> <SEP> 0<B><I>"</I></B>5
<tb> Li <SEP> <SEP> 0,1%
<tb> Ag <SEP> 0,5-2,5%
<tb> Ag <SEP> 0,5-2,5%
<tb> A1 <SEP> Rest, <SEP> einschl. <SEP> normaler <SEP> Verunreinigungen Wenn sowohl Mg wie auch Si vorhanden sind, ent hält das erfindungsgemässe Füllmaterial vorzugsweise 2-8 % Mg, 0,5-3 % Si und 0,3-3 % Ag. <I>Beispiel</I> Aus einer AlMg-Legierung mit 5 % Mg, 0,9 % Ag und 0,2 % Mn wurden Schweissdrähte als Füllmaterial hergestellt.
Mit diesen Schweissdrähten wurden zwei Stangen von 3 X 100 mm mittels des IIG-Verfahrens mit einer 1-Naht stumpfgeschweisst. Es wurden recht winklig zur Schweissnaht Teststücke ausgeschnitten. Als Basismetall diente eine bekannte A1ZnMg-Legierung der folgenden Zusammensetzung:
EMI0002.0029
Zn <SEP> 4,6
<tb> Mg <SEP> 1,2%
<tb> Cr <SEP> 0,17
<tb> Mn <SEP> 0,25
<tb> A <SEP> Rest, <SEP> Handelsqualität Zu Vergleichszwecken wurden Stäbe der gleichen Legierung mit einem Schweissdraht der obigen Zusam- mensetzung, jedoch ohne Silbergehalt, geschweisst.
Die geschweissten Teststücke wurden in Freiluftatmosphäre unter konstanter Zugspannung exponiert. Von jedem Testmaterial wurden vier Teststücke genommen und aus diesen die durchschnittliche Lebensdauer ermittelt. Die Resultate sind in der folgenden Tabelle 1I enthalten.
<I>TABELLE 11</I> Mittlere Lebensdauer in Tagen Zugspannung 30 kg/mm
EMI0002.0036
Schweissdraht <SEP> ohne <SEP> Ag <SEP> 3 <SEP> Tage
<tb> Schweissdraht <SEP> mit <SEP> 0,9 <SEP> % <SEP> Ag <SEP> 7,5 <SEP> Tage Es wird darauf hingewiesen, dass die Resultate der Tabelle 11 mit denjenigen der Tabelle I nicht direkt vergleichbar sind, da die Versuche zu verschiedenen Zeiten durchgeführt worden sind.
Ein Vergleich zwi- scheu den Resultaten aus diesen Versuchsreihen, welche gleichzeitig unter identischen Bedingungen vorgenom men wurden, zeigt jedoch, dass die erfindungsgemässen silberhaltigen Schweissdrähte bessere Resultate bezüg lich der Spannungskorrosionsfestigkeit ergeben.
Der Grund dafür, dass im obigen Beispiel ein Silber gehalt von 0,9 % für das Füllmaterial gewählt wurde, um eine silberfreie A1ZnMg- Legierung zu schweissen, liegt darin, dass beim Schweissen die Verdünnung derart ist, dass im geschweissten Material etwa derselbe Silber gehalt erhalten wird, wie man ihn erreichen würde, wenn man mit einem silberfreien Füllmaterial ein Basis metall der gleichen Zusammensetzung, jedoch mit einem Silbergehalt von 0,4 % schweissen würde.
Es wurde in der Einleitung erwähnt, dass die Gefahr der Spannungskorrosion in geschweissten Legierungen vom Typ AlZnMg die Verwendungsmöglichkeiten sol cher Legierungen begrenzt. Mit dem erfindungsgemä ssen Füllmaterial, welches auf einer für diesen Zweck üblichen Legierung beruht und zusätzlich Silber enthält, kann die Gefahr der Spannungskorrosion stark vermin dert werden, wodurch die A1ZnMg-Legierungen breitere Verwendung finden können.
Das erfindungsgemässe Füllmaterial wird normaler weise in Form nichtleitender Schweissdrähte oder -stäbe verwendet. Man kann es aber auch als leitenden Draht oder Elektrodenstab verwenden.
Das Silber muss in den erfindungsgemässen Schweiss drähten oder -stäben nicht der Grundlegierung zulegiert werden, sondern kann auch in anderer Form, beispiels weise als Verbundmaterial, eingesetzt werden. Man kann also das Silber als homogene Schicht von gleich mässiger Dicke auf eine Seele aus einer silberfreien Le gierung der übrigen Komponenten aufbringen. Das Sil ber kann auch die Seele eines Stabes aus einer silber freien Legierung bilden, welche aus den übrigen Kom ponenten besteht. Vorzugsweise ist jedoch das Silber als Legierungsbestandteil in der Füllmateriallegierung vor handen, auch wenn die vorhin genannten Ausführungs formen von der Erfindung mitumfasst werden.
Filler material for welding aluminum alloys The present invention relates to a filler material for welding aluminum alloys, in particular alloys of the AlZnMg type.
AlZnMg type alloys with relatively high zinc and magnesium contents and copper additives have been used for a long time as high-strength alloys, especially in the aircraft industry. A major disadvantage of these alloys, however, is that they are not very resistant to corrosion and are unsuitable for welding.
More recently, copper-free alloys with lower zinc and magnesium contents (around 5% Zn and 1% Mg), which can be welded, have been developed. These alloys are characterized by the fact that, when welded, they are the strongest aluminum alloys on the market. The corrosion resistance of the base alloy is good, but since the alloys are mainly intended for welded constructions and the resistance of the welds against stress corrosion is rather lower, the usability of these alloys is limited.
Alloys with about 5% silicon or about 5% magnesium, or ternary A1MgSi alloys were used as filler metal for welding. Of these, A1Mg alloys with around 5% magnesium are used most, as they are used to achieve the greatest strength.
To improve the stress corrosion resistance of the base metal, additions of many different elements have been tried, such as additions of silver. If 0.3 to 0.8% silver is added to the base metal, certain improvements in the strength of the base alloy and better resistance to stress corrosion are achieved.
Experiments on which the present invention is based have confirmed the previously established effect of silver on the improved strength in artificial aging. In addition, these tests also proved that a) the susceptibility to cracks during welding is not affected by the addition of silver up to 0.4%, b) the strength of normally welded material increases as a result of the addition of silver and c) the resistance of the welds to Stress corrosion is significantly improved by the addition of silver.
Of these advantages, the one mentioned under c) is extremely important. However, since the necessary addition of silver (about 0.3%) increases the price of the base alloy, this method of increasing the corrosion resistance is of little interest in practice.
The inventors carried out stress corrosion tests on weld seams of known A1ZnMg alloys, working with and without silver additives. The silver-free alloy (A) had the following composition in percent by weight:
EMI0001.0012
1.2 <SEP>% <SEP> Mg
<tb> 4.9 <SEP>% <SEP> Zn
<tb> 0.17 <SEP>% <SEP> Cr
<tb> 0.24 <SEP>% <SEP> Mn
<tb> Remainder <SEP> Al <SEP> of <SEP> commercial quality The silver-containing alloys additionally contained 0.24% Ag (alloy B) and 0.40% Ag (alloy C).
A silver-free welding wire made of an AlMg alloy with 5% Mg was used as filler metal.
To produce the test specimens for the stress corrosion tests, two rods with a cross-section of 3 × 100 mm were butt-welded with an I connection using the IIG method (tungsten, inert gas, non-conductive welding wire). Test pieces 10 mm wide were cut out at right angles to the weld seam from the weldments obtained.
These test pieces were subjected to the following heat treatments: 1. natural aging - welding - artificial aging 2. artificial aging - welding - artificial aging 3. artificial aging - welding - natural aging The following stress corrosion tests were carried out by outdoor exposure in a mild industrial atmosphere at a constant tensile stress of 31.5 kg / mm2. With each type of test piece, four tests were carried out and from these the; Average life of the test pieces calculated in days.
For those cases in which all four test pieces did not break during the test period, the symbol i was placed in front of the table value. The results are given in Table I below.
EMI0002.0009
From this table it clearly follows that if silver is present in the base alloy, the tendency to stress corrosion in the welded material also decreases considerably. With this type of realistic stress corrosion test, cracks developed in the weld material because of its brittleness. Microscopic examination revealed that these cracks were intergranular.
The experiments undertaken by the inventors thus showed that the composition of the welding material is decisive for the stress corrosion resistance of the weld seam, which is why the proposal arose to use a filler material containing silver for welding aluminum alloys.
It has been found that in the case of aluminum alloys, in particular of the A1ZnMg type, which are welded with a normal filler material that also contains silver, weld seams can be obtained which show a significantly reduced tendency to stress corrosion. The filler material according to the invention for welding aluminum alloys, in particular of the AlZnMg type, is characterized in that it contains 2-8% Mg and / or Si up to 8%, at least one of the elements Cu, Mn, Cr, Zr, B, Ti, V and Li in a total amount of up to 5%, 0.1 = 10 Ag and also contains A1.
According to one embodiment of the invention, the filler material contains 3-8% Mg and 0.3-3% Ag. A suitable composition is the following (weight percent):
EMI0002.0018
Mg <SEP> <B> 3-8% </B>
<tb> Mn <SEP> to <SEP> to <SEP> 1.0
<tb> Cr <SEP> <SEP> 1.0%
<tb> Cu <SEP> "<SEP> <SEP> 0.5%
<tb> Zr <SEP> <SEP> 0.1%
<tb> B <SEP> <SEP> <B> 0.1% </B>
<tb> Ti <SEP> <SEP> 0.5
<tb> V <SEP> <SEP> <B><I>0,5%</I> </B>
EMI0002.0019
Li <SEP> to <SEP> to <SEP> 0.1
<tb> Ag <SEP> 0.5-2.5%
<tb> Al <SEP> rest, <SEP> including <SEP> normal <SEP> impurities. According to another embodiment of the invention, the filler material contains 3-8% Si and 0.3-3% Ag.
A suitable composition is the following (weight percent):
EMI0002.0021
Si <SEP> 3-8%
<tb> Mn <SEP> to <SEP> to <SEP> 1.0
<tb> Cr <SEP> <SEP> 1.0%
<tb> Cu <SEP> <SEP> 0.5%
<tb> Zr <SEP> <SEP> 0.1%
<tb> B <SEP> <SEP> <B> 0.1% </B>
<tb> Ti <SEP> <SEP> 0.5%
<tb> V <SEP> <SEP> 0 <B> <I> "</I> </B> 5
<tb> Li <SEP> <SEP> 0.1%
<tb> Ag <SEP> 0.5-2.5%
<tb> Ag <SEP> 0.5-2.5%
<tb> A1 <SEP> remainder, <SEP> including <SEP> normal <SEP> impurities If both Mg and Si are present, the filler material according to the invention preferably contains 2-8% Mg, 0.5-3% Si and 0.3-3% Ag. <I> Example </I> Welding wires were produced as filler material from an AlMg alloy with 5% Mg, 0.9% Ag and 0.2% Mn.
With these welding wires, two rods of 3 × 100 mm were butt-welded with a 1-seam using the IIG method. Test pieces were cut out at right angles to the weld seam. A known A1ZnMg alloy with the following composition was used as the base metal:
EMI0002.0029
Zn <SEP> 4.6
<tb> Mg <SEP> 1.2%
<tb> Cr <SEP> 0.17
<tb> Mn <SEP> 0.25
<tb> A <SEP> rest, <SEP> commercial quality For comparison purposes, rods of the same alloy were welded with a welding wire of the above composition, but without silver content.
The welded test pieces were exposed in an open air atmosphere under constant tensile stress. Four test pieces were taken from each test material and the average service life was determined from them. The results are shown in Table 1I below.
<I> TABLE 11 </I> Average service life in days tensile stress 30 kg / mm
EMI0002.0036
Welding wire <SEP> without <SEP> Ag <SEP> 3 <SEP> days
<tb> welding wire <SEP> with <SEP> 0.9 <SEP>% <SEP> Ag <SEP> 7.5 <SEP> days It should be noted that the results in Table 11 do not directly match those in Table I. are comparable since the experiments were carried out at different times.
A comparison between the results from these series of tests, which were carried out simultaneously under identical conditions, shows, however, that the silver-containing welding wires according to the invention give better results with regard to the stress corrosion resistance.
The reason that in the above example a silver content of 0.9% was chosen for the filler material in order to weld a silver-free A1ZnMg alloy is that the dilution during welding is such that the welded material contains approximately the same silver is obtained as it would be achieved if a base metal of the same composition, but with a silver content of 0.4%, were welded with a silver-free filler material.
It was mentioned in the introduction that the risk of stress corrosion in welded alloys of the AlZnMg type limits the possible uses of such alloys. With the filler material according to the invention, which is based on an alloy customary for this purpose and additionally contains silver, the risk of stress corrosion can be greatly reduced, so that the A1ZnMg alloys can be used more widely.
The filler material according to the invention is normally used in the form of non-conductive welding wires or rods. But it can also be used as a conductive wire or electrode rod.
In the welding wires or rods according to the invention, the silver does not have to be alloyed with the base alloy, but can also be used in other forms, for example as a composite material. So you can apply the silver as a homogeneous layer of uniform thickness on a core made of a silver-free alloy of the other components. The silver can also form the core of a rod from a silver-free alloy, which consists of the other components. However, the silver is preferably present as an alloy component in the filler material alloy, even if the aforementioned embodiments are also included in the invention.