DE102009007470B4 - Fülldraht zum MSG-Schweißen von FeMn-Stahl - Google Patents

Abstract

Fülldraht zum MSG-Schweißen von vollaustenitischen Hochmanganstahl im Dünnblechbereich, bestehend aus einem Mantel aus weichem, gut verformbarem unlegiertem Stahl und einem innenliegenden Pulvergemisch aus den Komponenten
C 0,05 - 0,8 %
Si ≤ 0,4 %
Mn 16,5 - 30,0 %
Al ≤ 0,2 %
Rest Fe wobei dem Pulvergemisch jeweils 0,001 bis 0,05 % die Elemente Bor, Zirkonium, Titan, Lanthan oder Cer einzeln oder in Kombination und 0,1 bis 2 % der Additive Fe₂O₃, FeOTiO₂, MnO, MnO₂ oder Mn₃O₄ einzeln oder in Kombination zugesetzt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Fülldraht zum MSG-Schweißen von vollaustenitischen Hochmanganstahl. Stähle dieser Art wurden speziell für den Automobilbau entwickelt und sind im Dünnblechbereich von 0,75 bis 2,5 mm Dicke vorgesehen.
• Die industrielle Verwendung von Hochmanganstahl ist bislang nicht bekannt, was daran liegen mag, dass die schweißtechnische Lösung - zumindest für das Schutzgasschweißen - noch auf Probleme stößt.
• Hochmanganstähle verfügen über eine hohe Verformbarkeit bei gleichzeitigem Festigkeitsanstieg durch Kaltverformung, wodurch eine Blechdickenminderung und dadurch eine Gewichtsanpassung, insbesondere im Automobilbau, möglich wird.
• Durch Verringerung des Gewichts der Automobile kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden, was mit der Senkung des Schadstoffausstoßes einhergeht.
• Hochmanganstähle sind mehrheitlich in nachgenannten Zusammensetzungen bekannt (in %):

  	Typ I	Typ II
  C	0,2-1,2	< 1,5
  Si	< 0,3	3 - 6
  Mn	16 - 28	15 - 35
  P	< 0,010	0,010
  S	< 0,008	0,008
  Al	< 0,02	3 - 6
  Fe	balance	balance

• Das Schweißen dieser Stähle erfolgt vorrangig in den Verfahren: Punktschweißen, Laserstrahlschweißen und Metallschutzgas-Schweißen (MSG-Schweißen). Von Interesse ist in diesem Zusammenhang das MSG-Schweißen, wofür bekanntlich ein Schweißzusatz in Form von Draht nötig ist. Ein solcher Draht - üblicherweise in den Abmessungen von 1,0 und 1,2 mm ∅ - wird für das Schweißen von Fe-Stählen allgemein als Massiv- oder Fülldraht angeboten. In diesem Sonderfall - MSG-Schweißen von Hochmanganstahl - scheidet jedoch der artgleiche Massivdraht aufgrund seiner Herstellungsprobleme aus.
• Neben der Heißrissgefahr besteht ein weiteres Problem beim MSG-Schweißen von hochmanganhaltigen Stählen in der Porenbildung, die in Anbetracht der Oberflächenbeschichtung durch Zink gegeben ist. Der Oberflächenschutz durch Zinkauflage dient bekanntlich im Automobilbereich als Korrosionsschutz und wird als unabdingbare Forderung angesehen.
• Während beim Verbindungsschweißen von unlegierten bzw. niedriglegierten Stählen das Schweißen mit Fülldraht Stand der Technik ist, gibt es für hochlegierte, nichtmagnetisierbare FeMn-Stähle keine Fülldrähte. In der Erprobungsphase wurden auch niedriglegierte Massiv- und Fülldrähte verwendet. Zu bemängeln waren hierbei neben Rissbildungen die hohen Härtewerte in Schweißnaht und Nahtübergang, deren Folge eine schlechte Verformbarkeit ist. Im Verlauf dieser Erprobung hat sich gezeigt, dass die Schweißgutlegierung grundsätzlich im vollaustenitischen Bereich (oberhalb der Grenzlinie des Schäffler-Diagramms) liegen muss, wie dies bei dem neu entwickelten Schweißdraht der Fall ist.
• Die US 529 66 77 A betrifft einen Zusatzwerkstoff zum Schweißen von Sinterwerkstoffen in Form eines Fülldrahtes bestehend aus einem Edelstahlmantel und einem darin eingeschlossenen Metallpulver, wobei das Metallpulver bezogen auf das Gesamtgewicht des Drahtes 5 - 30 % Mn, 0,05 - 1 % C und mindestens einem Element der Gruppe Al, Ti in einer Gesamtmenge von 0,2 - 3 %, der Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen sind.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Fülldraht zum Schweißen von Hochmanganstählen zur Verfügung zu stellen, bei dem der Fülldrahtmantel aus einem weichen, gut verformbaren Material besteht und im Inneren ein Pulvergemisch aufweist, das legierungsbestimmend ist, Einfluß auf die schweißmetalllurgische Belange, z. B. auf die Heißrisssicherheit, beim MSG-Schweißen von Hochmanganstählen nimmt und zu einer porenfreien oder zumindest porenarmen Schweißnaht bei verzinkten Hochmanganstählen führt.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst.
• Eine hervorragende Lösung ist durch einen Fülldraht gegeben, dessen Außenmantel aus unlegiertem Werkstoff mit guten Verformungseigenschaften besteht. Ein artgleicher Mantelwerkstoff (hochmanganhaltig) würde auch hier zu den Verformungsproblemen (Zieh- und Walzeigenschaften) führen.
• Der erfindungsgemäße Fülldraht ist so aufgebaut, dass er über einen sehr weichen, gut verformungsfähigen Außenmantel (St24) verfügt, der an der Bildung der Schweißgutlegierung nur unwesentlich teilnimmt. Die Einstellung der metallurgisch notwendigen Schweißgutlegierung erfolgt in diesem Fall ausschließlich über den Füllstoff, der sich aus den erforderlichen Legierungskomponenten zusammensetzt. Letzterer kann je nach Produktionskonzept als Draht in agglomerierter Form oder als homogenes Gemisch vorliegen.
• Die hierfür in Betracht kommenden Herstellungsverfahren sind als nahtlose oder formgeschlossene Verfahrenstechniken einzustufen, wobei der nahtlose Außenmantel die größten Vorteile hinsichtlich der ansonsten unvermeidlichen Feuchtigkeitsaufnahme sowie der kontinuierlichen Drahtförderung bietet.
• Der Füllstoff als legierungsbestimmendes Bestandteil ermöglicht zudem die Beigabe von Stoffen, deren Einfluss auf die schweißmetallurgischen Belange, zum Beispiel auch die Heißrisssicherheit, kennzeichnend ist. Als solche kommen einzeln oder in Kombination B, Ti, Zr, La oder Ce in Betracht, deren Mengenbereiche jeweils 0,001 bis 0,050% beträgt.
• Ein Vorteil sind dabei Fülldrähte in der Minimalabmessung von 1,0 mm ∅. Eingeschlossene Poren sind jedoch beim Verbindungsschweißen unter bekannten Maßnahmen unvermeidlich. Sie werden mit einem Gesamtanteil bis 20% akzeptiert. Nicht unerwähnt bleiben darf jedoch, dass unter dieser Voraussetzung die Verformbarkeit der Schweißnaht abnimmt, was zu einer Einschränkung der Festigkeitseigenschaften führt, wodurch auch ein negativer Einfluss auf die Crash-Situation gegeben ist.
• Die Erfindung in diesem Rahmen sieht vor, dass dem Füllstoff zusätzlich begrenzte Mengen an Additiven beigegeben werden, deren Reaktion im Lichtbogen Sauerstoff freigibt, dessen Wirkung darin besteht, die Zinkauflage durch Bildung von Zinkoxid - unmittelbar im Lichtbogenbereich - zu verdampfen und beschleunigt abzuführen. Eine dadurch porenfreie oder zumindest porenarme Schweißnaht hat eine höhere Kaltverformung zur Folge, was bei Hochmanganstahl zur Festigkeitssteigerung und bei Unfällen im Straßenverkehr zu höherer Sicherheit führt.
• Die erwähnten Additive sind zum Beispiel als Fe₂O₃; FeOTiO₂, MnO, MnO₂ oder Mn₃O₄ bzw. in Kombination untereinander denkbar. Ihre Tauglichkeit wurde im Vorversuch positiv erprobt, deren Einfluss in verbesserter Lichtbogenstabilität gleichmäßigerem Nahtbild und zum Teil porenfreien Schweißnähten gegeben war.
• Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden.
• Je nach Herstellungsart unterscheidet man nahtlose und formgeschlossenen Fülldrähte. Bei einem nahtlosen Fülldraht umschließt ein nahtloser Mantel eine darin befindliche Füllung. Die Füllung besteht aus Legierungsmaterial, Lichtbogenstabilisatoren und Mikrolegierungen.
• Formgeschlossene Fülldrähte bestehen aus einem Mantel, der mit einem Stoß geschlossen wird. Der Stoß kann je nach Herstellungsverfahren als Stumpf- oder als Überlappstoß ausgeführt werden.
• Ausgangsmaterial für die Herstellung des nahtlosen Fülldrahtes ist ein weiches, gutverformbares Material (St24) für den Außenmantel als Flachband. In einem speziellen Fertigungsverfahren wird das Flachband zu einem Fülldrahtmaterial verformt. In diesen Mantel wird eine Füllung eingebracht, mit dieser über Formwalzen geschlossen und im Laserverfahren geschweißt. In direkter Linie wird das gefüllte Rohr mehrstufig gewalzt und auf Endabmessung gezogen. Alternativ kann ein geschlossenes Rohr verwendet werden, welches über ein Rüttelsystem von oben her mit einer Füllung versehen wird, anschließend ausgewalzt und auf Fertigdurchmesser gezogen wird. Die erreichbaren Durchmesser derartiger Fülldrähte sind hierbei - in Anbetracht des hohen Füllgrades - lediglich bei minimal 1,6 mm Ø.
• Die Füllung besteht aus einem Pulvergemisch, wobei die einzelnen Bestandteile aus einer wasser- und/oder gasverdüsten Schmelze gewonnen werden. Das Pulvergemisch weist eine Korngröße <0,3 mm mit den Komponenten in Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse
1. a) C 0,05 - 0,8 %
2. b) Si ≤ 0,4 %
3. c) Mn 16,5 - 30,0 %
4. d) Al ≤ 0,2 %
5. e) Rest Fe
auf, dem zur Erhöhung der Heißrisssicherheit, z. B. jeweils 0,001 bis 0,05%, Titan, Zirkonium, Lanthan oder Zer einzeln oder in Kombination zugesetzt werden.
• Um die Reduktion von Poren, eine geringere Spritzerbildung sowie die Stabilisierung des Lichtbogens beim MSG-Schweißen zu erreichen, sind zusätzlich 0,1 % bis 2,0 % Additive wie Fe₂O₃; FeOTiO₂, MnO, MnO₂ oder Mn₃O₄ einzeln oder in Kombination beigemischt werden. Die Additive haben keinen Einfluß auf die metallurgischen Belange bzw. verschlechtern die Schweißnahtqualität nicht. Diese dienen dazu, eine porenfreie bzw. porenarme Schweißnaht zu gewährleisten, die zu einer wesentlichen Erhöhung der Verformbarkeit des Schweißgutes bzw. im Falle einer Crash-Situation zu einer enormen Kraftverfestigung des Schweißgutes führt.
• Vollaustenitische hochmanganhaltige Stähle sind aufgrund ihrer Heißrissanfälligkeit grundsätzlich kalt zu schweißen. Die für diesen Zweck erprobten Schutzgase sind Argon und Gasgemische bis zu 18 % CO₂-Anteil. Die Verwendung von Heliumzusatz ist nicht geeignet, weil sich hierbei die Lichtbogenspannung erhöht, was zu einem höheren Wärmeeintrag führt und dadurch die Rissgefahr ansteigt.
• Als Stromquellen zum MSG-Schweißen von FeMn-Stählen sind Standardtypen mit CP-Gleichrichter erprobt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Impulslichtbogentechnik.

Claims (1)

1. Fülldraht zum MSG-Schweißen von vollaustenitischen Hochmanganstahl im Dünnblechbereich, bestehend aus einem Mantel aus weichem, gut verformbarem unlegiertem Stahl und einem innenliegenden Pulvergemisch aus den Komponenten C 0,05 - 0,8 % Si ≤ 0,4 % Mn 16,5 - 30,0 % Al ≤ 0,2 % Rest Fe wobei dem Pulvergemisch jeweils 0,001 bis 0,05 % die Elemente Bor, Zirkonium, Titan, Lanthan oder Cer einzeln oder in Kombination und 0,1 bis 2 % der Additive Fe₂O₃, FeOTiO₂, MnO, MnO₂ oder Mn₃O₄ einzeln oder in Kombination zugesetzt sind.