CH631099A5 - Schweisszusatzwerkstoff zum schmelzschweissen von aluminiumlegierungen. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schweisszusatzwerkstoff zum Schmelzschweissen von Aluminiumlegierungen, insbesondere Legierungen des Typs AlZnMg.
AlZnMg-Legierungen haben aufgrund ihrer guten Schweissbarkeit und insbesondere durch die Eigenschaft, dass Schweissnähte bei Raumtemperatur auf Grundmaterialfestigkeit aushärten, breite Anwendung gefunden. Die anfanglich auftretenden Schwierigkeiten, die hauptsächlich auf ihre schlechte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit zurückzuführen waren, konnten durch geeignete Legierungszusammensetzungen, beispielsweise durch geeignete Zn/Mg-Verhältnisse und durch geeignete Wärmebehandlungen, beispielsweise Stufenauslagerung, überwunden werden.
Bekannt sind auch Kupferzusätze zu Legierungen des 5 AlZnMg-Typs, die in Grössenordnungen bis 2,0% die Festigkeit erhöhen und das Auftreten von Spannungsrisskorrosionen weitgehend verhindern.
In der praktischen Anwendung dieser Legierungen für Schweisskonstruktionen hat sich jedoch gezeigt, dass io Schweissnähte nur dann den Anforderungen bezüglich Spannungskorrosions- und Schichtkorrosionsanfalligkeit genügen, wenn die gesamte Konstruktion einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Insbesondere bei grossen Schweisskonstruktionen hat es sich als unmöglich erwiesen, 15 diesem Erfordernis zu entsprechen.
Es sind nun verschiedentlich Anstrengungen unternommen worden, die Korrosionsbeständigkeit der Schweissnaht durch geeignete Schweisszusatzwerkstoffe zu verbessern. So werden z.B. im Aluminium-Taschenbuch, 13. Auflage, Seite 20 551 zum Schweissen von AlZnMg 1-Legierungen nicht aushärtbare Werkstoffe der Legierungstypen AISi, AlMg und AlMgMn vorgeschlagen. Wohl werden damit die anfallenden Korrosionsprobleme gelöst, jedoch können mit diesen Zusatzwerkstoffen nur geringe Festigkeiten der Schweiss-25 nähte erreicht werden. Es liegt auf der Hand, dass damit die hohen erreichbaren Festigkeiten der AlZnMg-Legierungen in Schweisskonstruktionen nicht ausgenutzt werden können.
Es sind auch schon Versuche durchgeführt worden, AlZnMg-Legierungen als Schweisszusatzwerkstoffe zu ver-30 wenden. So wird beispielsweise in der DE-OS 2 234 111 ein aushärtbarer Aluminiumschweisszusatzwerkstoff folgender Zusammensetzung vorgeschlagen:
Zink 2,0 bis 6,0%
Magnesium 1,5 bis 5,0%
35 Chrom 0,1 bis 0,7%
Silber 0,05 bis 1,04%
Wismut 0,001 bis 1,0%
Beryllium 0,001 bis 1,0%
Zirkon 0,05 bis 0,2%
40 Mangan weniger als 0,4%
Silizium weniger als 0,2%
Eisen weniger als 0,5%
Kupfer weniger als 0,08%
Mit diesem Schweisszusatzwerkstoff werden in den 45 Schweissnähten Eigenschaften erreicht, die mit denjenigen des Grundmaterials vergleichbar sind. Auch bezüglich der Spannungsrisskorrosionsempfindlichkeit vermag dieser Zusatzwerkstoff den Anforderungen weitgehend zu genügen. Es hat sich aber gezeigt, dass trotz optimaler Warmauslageso rung der Schweisskonstruktion eine verhältnismässig hohe Anfälligkeit der Schweissnähte bezüglich Schweissraupen-grenzkorrosion besteht. Damit werden in derartigen Schweissnähten wohl genügende Festigkeitswerte erzielt, doch ist ihre Verwendung in korrosiven Umgebungen mit 55 Risiken verbunden.
Die Erfinder haben sich nun zum Ziel gesetzt, einen Schweisszusatzwerkstoff zu schaffen, mit dem die Festigkeit der Schweissnähte diejenige des Grundmaterials erreicht und die gleichzeitig eine gute Korrosionsbeständigkeit in korrosi-6o ver Umgebung zeigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Schweisszusatzwerkstoff gelöst, bestehend aus:
Zink 1,0 bis 4,0%
Magnesium 2,0 bis 5,0%
65 Kupfer 0,2 bis 0,5%
Mangan 0,3 bis 0,5%
Titan 0,05 bis 0,2%
Chrom 0,05 bis 0,3%
631 099
Zirkon 0,05 bis 0,2%
Silizium weniger als 0,3%
Eisen weniger als 0,4%
Aluminium Rest
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass zum Schweissen von AlZnMg-Legierungen Zusatzwerkstoffe auf der Basis von AlMgZn-Legierungen verwendet werden können, wenn der Zusatzwerkstoff die Elemente Kupfer, Mangan, Titan, Chrom und Zirkon in den erfindungsgemäss erforderten Mengen enthält, ohne dass einer der eingangs aufgezeigten Nachteile auftritt. Es wird dabei angenommen, dass vor allem der Kupferzusatz sowohl das Auftreten der Spannungsrisskorrosion wie auch der Schweissraupengrenz-korrosion verhindert und die Gehalte an Mangan, Titan, Chrom und Zirkon für die Herabsetzung der Schweissriss-empfindlichkeit verantwortlich sind. Metallographische Untersuchungen haben auch ergeben, dass durch den Kupferzusatz das Gussgefüge beim Erstarren der Schmelze und dadurch die Übergangszone zwischen Schweissgut und Grundmaterial derart beeinflusst werden, dass Spannungsrisskorrosion und insbesondere Schweissraupengrenzkorrosion weitgehend vermieden werden.
Diese Versuche haben auch gezeigt, dass die im folgenden aufgeführten Vorzugsbereiche der Legierungsgehalte die Korrosions- und Schweissrissanfälligkeit besonders günstig beeinflussen:
Zink 2,7 bis 3,3%
Magnesium 3,7 bis 4,3%
Kupfer 0,25 bis 0,35%
Mangan 0,35 bis 0,45%
Titan 0,08 bis 0,15%
Chrom 0,12 bis 0,20%
Zirkon 0,12 bis 0,20%
Silizium weniger als 0,2%
Eisen weniger als 0,3%
Aluminium Rest s Besonders überraschend ist der Umstand, dass das dem Schweisszusatzwerkstoff in erfindungsgemässer Menge zugesetzte Kupfer die Beständigkeit der Schweissnaht gegen Spannungsrisskorrosion wesentlich erhöht, ohne entsprechende Steigerung der Schichtkorrosionsanfälligkeit in der io Wärmeeinflusszone des Grundmaterials.
Der erfmdungsgemässe Schweisszusatzwerkstoff hat sich auch als geeignetes Hilfsmittel zum Schweissen von Konstruktionsteilen aus Aluminium/Zink/Magnesium-Legierun-gen mit Konstruktionsteilen aus andern Legierungstypen, i5 wie z. B. Aluminium/Mangan oder Aluminium/Magnesium, erwiesen.
Im weiteren wurde auch gefunden, dass durch Kupferzusätze in der Grössenordnung von 0,2 bis 0,5% zu den Schweisszusatzwerkstoffen nach DIN 1732, Blatt 1, insbe-20 sondere zu Schweisszusatzwerkstoffen der Typen AlMg, AlMn und AlMgMn gegen Spannungsrisskorrosion weitgehend beständige Schweissverbindungen erzielt werden können.
Die Vorteilhaftigkeit des erfindungsgemässen Schweiss-25 zusatzwerkstoffes wird durch die nachfolgenden Beispiele deutlich gemacht.
Beispiel 1
4 mm dicke Blechproben aus einer AlZnMg 1-Legierung, kaltausgelagert, werden mit Schweisszusatzwerkstoffen der 30 in Tabelle I aufgelisteten Zusammensetzungen mittels MIG-Pulsed-Arc-Schweissverfahren verschweisst und die Schweissnähte vergleichenden Prüfungen unterworfen.
Tabelle I
Zusatzwerkstoff
Zn
Mg
Cu
Ag
Mn
Ti
Cr
Zr
Si
Fe
A
1,9
4,1
0,03
_
0,45
0,10
0,12
_
0,08
0,40
B
2,2
4,0
0,05
0,95
0,48
0,11
0,11
0,12
0,10
0,41
C
2,8
4,2
0,29
-
0,44
0,10
0,18
0,17
0,21
0,38
Bei den Proben A und B handelt es sich um bekannte Schweisszusatzwerkstoffe; Probe C weist die erfindungsgemäss geforderte Zusammensetzung auf.
Nach dem Schweissen werden die Proben in bekannter Weise warmausgelagert.
Die Resultate der Prüfungen sind in Tabelle II aufgelistet.
Tabelle II
Zusatzwerkstoff Festigkeit der Mittlere Lebensdauer
Schweissnaht der «Jones»-Proben
[N/mm2] [Tage]
A 332 9
B 309 32
C 334 84
Wie Tabelle II zeigt, weisen mit dem erfindungsgemässen Schweisszusatzwerkstoff hergestellte Schweissnähte eine erheblich verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf.
so Beispiel 2
Beispiel 2 zeigt die Prüf-Resultate von Schweissnähten auf 4 mm dicken Blechen aus einer warmausgelagerten AlZnMg 1-Legierung, die mit Schweisszusatzwerkstoffen nach DIN 1732 und nach der vorliegenden Erfindung mit 55 verschiedenen Schweissverfahren aufgebracht wurden. Die Proben werden nach dem Schweissen warmausgelagert. Die Zusammensetzung der Zusatzwerkstoffe ist in Tabelle III aufgelistet.
Tabelle III
Zusatz- Mg Mn Cu Cr Zn Ti Fe Si
Werkstoff
D 4,9 0,35 0,05 0,12 0,12 0,17 0,38 0,30
E 4,8 0,35 0,31 0,15 0,15 0,14 0,25 0,20
631099
4
Zusatzwerkstoff D entspricht DIN 1732; Zusatzwerk- Die Resultate der vergleichenden Prüfung der Schweiss-
stoff E weist den erfindungsgemäss geforderten Kupfergehalt nähte sind in Tabelle IV aufgelistet.
auf.
Tabelle IV
Zusatzwerkstoff Schweissverfahren Festigkeit der Mittlere Lebensdauer
Schweissnaht der «Jones»-Proben
[N/mm2] [Tage]
D TIG Gleichstrom (Helium) 336 24
E TIG Gleichstrom (Helium) 337 90
D MIG-Pulsed-Arc 305 21
E MIG-Pulsed-Arc 305 52
Insbesondere die mittels TIG-Gleichstrom-Helium-Schweissverfahren mit dem erfindungsgemässen Schweisszusatzwerkstoff E hergestellten Schweissnähte zeigen gegenüber mit Schweisszusatzwerkstoffen nach DIN 1732 eine wesentlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit.
Claims (11)
1. Schweisszusatzwerkstoff zum Schmelzschweissen von Aluminiumlegierungen, insbesondere Legierungen des Typs AlZnMg, bestehend aus:
Zink 1,0 bis 4,0%
Magnesium 2,0 bis 5,0%
Kupfer 0,2 bis 0,5%
Mangan 0,3 bis 0,5%
Titan 0,05 bis 0,2%
Chrom 0,05 bis 0,3%
Zirkon 0,05 bis 0,2%
Silizium weniger als 0,3%
Eisen weniger als 0,4%
Aluminium Rest
2. Schweisszusatzwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinkgehalt zwischen 2,7 und 3,3% liegt.
2
PATENTANSPRÜCHE
3. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnesiumgehalt zwischen 3,7 und 4,3% liegt.
4. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfergehalt zwischen 0,25 und 0,35% liegt.
5. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mangangehalt zwischen 0,35 und 0,45% liegt.
6. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Titangehalt zwischen 0,08 und 0,15% liegt.
7. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromgehalt zwischen 0,12 und 0,20% liegt.
8. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkongehalt zwischen 0,12 und 0,20% liegt.
9. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumgehalt weniger als 0,2% beträgt.
10. Schweisszusatzwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisengehalt weniger als 0,3% beträgt.
11. Schweisszusatzwerkstoff zum Schmelzschweissen von Aluminiumlegierungen, insbesondere Legierungen des Typs AlZnMg, bestehend aus:
Magnesium 0,05 bis 5,5%
Mangan 0,05 bis 2,5%
Silizium 0,05 bis 5,5%
Kupfer 0,25 bis 0,5%
Chrom 0,05 bis 0,3%
Zink 0,05 bis 0,25%
Titan 0,1 bis 0,25%
Eisen weniger als 0,4%
Aluminium Rest
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