DE102012012342A1 - Welding steel and/or cast iron materials with high carbon content, comprises applying nickel or a nickel-containing material, as a coating, a layer, a film or paste, on one joint in one of the two parts by thermal spraying or rolling - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Stahl- und/oder Eisengusswerkstoffen mit hohem Kohlenstoffgehalt gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie gemäß Oberbegriff des Anspruchs 5.The invention relates to a method for welding steel and / or cast iron materials with a high carbon content according to the preamble of claim 1 and according to the preamble of claim 5.
Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Schweißnähte, insbesondere Laser-Schweißnähte oder Elektronenstrahl-Schweißnähte, mit denen Werkstoffe verbunden werden, die einen hohen Kohlstoffgehalt aufweisen, neigen zum Verspröden. Um die Materialeigenschaften dieser Schweißnähte zu verbessern, sie insbesondere zu duktilisieren, werden entweder nickelhaltige Zusatzwerkstoffe beim Schweißen verwendet, oder es werden Werkstoffe miteinander verschweißt, die selbst einen hohen Nickelgehalt aufweisen. Dabei ist aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches einen sparsamen Einsatz von Nickel, insbesondere dessen sehr genaue Dosierung ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide a method which allows an economical use of nickel, in particular its very accurate dosage.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest für eines von zwei miteinander zu verschweißenden Teilen ein Werkstoff verwendet wird, der einen Nickelgehalt von mindestens 0,4% aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Wert eine sinnvolle Untergrenze für den Nickelgehalt von einem der beiden Teile ist, wobei Teile aus Stahl- und/oder Eisengusswerkstoffen mit hohem Kohlenstoffgehalt, von denen eines einen entsprechenden Nickelgehalt aufweist, miteinander verschweißt werden können, ohne dass die Schweißnaht zum Verspröden neigt.The object is achieved by providing a method having the features of claim 1. This is characterized in that at least for one of two parts to be welded together, a material is used which has a nickel content of at least 0.4%. It has been found that this value is a reasonable lower limit for the nickel content of one of the two parts, whereby parts made of steel and / or cast iron materials with a high carbon content, one of which has a corresponding nickel content, can be welded together Weld seam tends to embrittle.
Dabei spricht ein hoher Kohlenstoffgehalt einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,26% an. In der Regel beträgt der Kohlenstoffgehalt mehr als 0,5%.A high carbon content has a carbon content of at least 0.26%. As a rule, the carbon content is more than 0.5%.
Besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei welchem der Werkstoff des mindestens einen der miteinander zu verschweißenden Teile einen Nickelgehalt von mindestens 0,4% bis höchstens 4,3%, vorzugsweise bis von mindestens 0,4% bis höchstens 3,5%, besonders bevorzugt von mindestens 0,7% bis höchstens 3,0% aufweist. In den angegebenen Konzentrationsbereichen ist ohne Weiteres ein Verschweißen der beiden Teile möglich, ohne dass es zu einem Verspröden der Schweißnaht kommt.Particularly preferred is a method in which the material of the at least one of the parts to be welded together has a nickel content of at least 0.4% to at most 4.3%, preferably to at least 0.4% to at most 3.5%, particularly preferred from at least 0.7% to at most 3.0%. In the specified concentration ranges welding of the two parts is readily possible without causing embrittlement of the weld.
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass der Werkstoff Stahl umfasst, vorzugsweise aus Stahl besteht. Insbesondere umfasst der Werkstoff vorzugsweise Einsatzstahl, bevorzugt mit einem Nickelgehalt von mindestens 0,4% bis höchstens 3,5%, vorzugsweise von mindestens 0,7% bis höchstens 3,0%, oder besteht aus diesem. Solche Einsatzstähle sind genormt in der
Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass der Werkstoff Vergütungsstahl mit einem Nickelgehalt von mindestens 0,7% bis höchstens 4,3% umfasst oder aus diesem besteht. Ein solcher Vergütungsstahl ist ebenfalls genormt in der
Alternativ oder zusätzlich umfasst einer der beiden Werkstoffe Kugelgraphitguss mit einem Nickelgehalt von mindestens 0,4% bis höchstens 4,3%, beziehungsweise besteht vorzugsweise aus diesem. Es ist auch möglich, Kugelgraphitguss mit einem Nickelgehalt von mindestens 20% bis höchstens 35%, insbesondere für Hochtemperatur-Anwendungen, zu verwenden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass ein so hoher Nickelgehalt nicht erforderlich ist, um die gewünschte Duktilisierung der Schweißnähte zu erreichen. Ein Nicklegehalt in dem angegebenen, kleineren Bereich ist zu diesem Zweck völlig ausreichend.Alternatively or additionally, one of the two materials comprises nodular cast iron having a nickel content of at least 0.4% to at most 4.3%, or preferably consists thereof. It is also possible to use nodular cast iron having a nickel content of at least 20% to at most 35%, especially for high temperature applications. However, it has been found that such a high nickel content is not required to achieve the desired ductility of the welds. A nickel content in the specified, smaller range is completely sufficient for this purpose.
Damit ist es insgesamt möglich, den gewünschten Effekt mit Nickelkonzentrationen zu erreichen, die deutlich geringer sind als herkömmlicherweise eingesetzte Konzentrationen. Damit ist ein äußerst sparsamer Einsatz des Elements Nickel möglich, und eine Überlegierung der eingesetzten Werkstoffe wird vermieden. Zugleich treten nur relativ geringe Arbeitsplatzkonzentrationen an Nickel auf.This makes it possible overall to achieve the desired effect with nickel concentrations that are significantly lower than conventionally used concentrations. This makes extremely economical use of the element nickel possible, and over alloying of the materials used is avoided. At the same time, only relatively low workplace concentrations of nickel occur.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Schweißen von Stahl- und/oder Eisengusswerkstoffen mit hohem Kohlenstoffgehalt mit den Merkmalen des Anspruchs 5 geschaffen wird. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass bei zumindest einem der miteinander zu verschweißenden Teile Nickel oder ein nickelhaltiger Stoff selektiv auf eine Fügestelle aufgebracht wird. Insbesondere durch selektive Applikation von Nickel oder einem nickelhaltigen Soff auf die Fügestelle vor dem Schweißen, also nicht als Zusatzwerkstoff beim Schweißen, ist ein sehr sparsamer Einsatz des teuren Nickels sowie dessen sehr genaue Dosierung möglich. Hierdurch werden insbesondere auch geringe Arbeitsplatzkonzentrationen an Nickel möglich.The object is also achieved by providing a method for welding steel and / or cast iron materials with high carbon content with the features of claim 5. This is characterized in that in at least one of the parts to be welded together nickel or a nickel-containing substance is selectively applied to a joint. In particular, by selective application of nickel or a nickel-containing material on the joint before welding, so not as an additional material during welding, a very economical use of expensive nickel and its very accurate dosage is possible. As a result, in particular, low workplace concentrations of nickel are possible.
Es wir ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass Nickel oder ein nickelhaltiger Stoff durch thermisches Spritzen aufgebracht wird. Beim thermischen Spritzen handelt es sich um ein Oberflächenbeschichtungsverfahren, bei welchem Zusatzwerkstoffe, die sogenannten Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an oder aufgeschmolzen, in einem Gastrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf eine Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert werden. Dabei wird die Bauteiloberfläche nicht angeschmolzen und nur in geringem Maße thermisch belastet. Vorzugsweise wird Nickel oder nickelhaltiger Stoff durch Lichtbogen-Drahtspritzen oder Kaltgasspritzen aufgebracht. Dabei wird beim Lichtbogen-Drahtspritzen ein Lichtbogen zwischen zwei Drahtspitzen gleichen oder verschiedenen Materials gezündet. Die Drahtspitzen schmelzen ab und werden mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche geblasen. Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Dabei wird ein auf wenige 100°C aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Anschließend werden die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Aufgrund von deren hoher Geschwindigkeit in dem Gasstrahl erübrigt sich ein vorangehendes An- oder Aufschmelzen der Partikel. We prefer a method which is characterized in that nickel or a nickel-containing substance is applied by thermal spraying. Thermal spraying is a surface coating process in which filler materials, the so-called spray additives, inside or outside a spray burner, off, melted or accelerated in a gas stream in the form of spray particles and spun onto a surface of the component to be coated. The component surface is not melted and only a small thermal load. Preferably, nickel or nickel-containing material is applied by arc wire spraying or cold gas spraying. In the case of arc wire spraying, an arc is ignited between two wire tips of the same or different material. The wire tips melt off and are blown onto the surface to be coated by means of a nebulizer gas. In cold gas spraying, the coating material is applied in powder form at very high speed to the surface to be coated. In this case, a heated to a few 100 ° C process gas is accelerated by expansion in a Laval nozzle to supersonic speed. Subsequently, the powder particles are injected into the gas jet. Due to their high speed in the gas jet, a preceding on or melting of the particles is unnecessary.
Vorteilhaft bei einer Applikation des Nickels oder des nickelhaltigen Stoffs über das thermische Spritzen ist, dass die Fügestelle auch mit Nickellegierungen beschichtet werden kann. Nachteilig ist allerdings, dass letztlich eine relativ grobe Schicht gebildet wird, was eine Nachbearbeitung erforderlich erscheinen lässt.An advantage of an application of the nickel or the nickel-containing material on the thermal spraying is that the joint can also be coated with nickel alloys. The disadvantage, however, is that ultimately a relatively coarse layer is formed, which makes post-processing seem necessary.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, Nickel oder einen nickelhaltigen Stoff durch selektives galvanisches Beschichten aufzubringen. Hierbei sind extrem dünne Schichten im Mikrometerbereich erzielbar, so dass keine Nacharbeit erforderlich ist. Nachteilig ist allerdings, dass entsprechende Verfahren vergleichsweise teuer sind.Alternatively or additionally, it is possible to apply nickel or a nickel-containing substance by selective electroplating. In this case, extremely thin layers in the micrometer range can be achieved, so that no reworking is required. The disadvantage, however, is that corresponding methods are relatively expensive.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, einen nickelhaltigen Stoff auf die Fügestelle aufzustreichen. Dabei wird dieser vorzugsweise als Lack oder Paste aufgestrichen. Auch andere Applikationsformen sind denkbar. Dies ist eine Möglichkeit, den nickelhaltigen Stoff mit einem besonders einfachen Verfahren kostengünstig selektiv auf die Fügestelle aufzubringen. Nachteilig ist allerdings, dass aufstreichbare Stoffe häufig Bindemittel oder andere Zusatzstoffe umfassen, die gegebenenfalls die Materialeigenschaften der entstehenden Schweißnaht beeinflussen.Alternatively or additionally, it is possible to spread a nickel-containing substance on the joint. This is preferably painted on as a paint or paste. Other forms of application are conceivable. This is one way to apply the nickel-containing material with a particularly simple method at low cost selectively on the joint. However, it is disadvantageous that paintable substances often comprise binders or other additives which, if appropriate, influence the material properties of the resulting weld seam.
Schließlich ist es möglich, alternativ oder zusätzlich Nickel oder einen nickelhaltigen Stoff auf die Fügestelle aufzuwalzen, aufzupressen, an die Fügestelle anzuschweißen und/oder anzukleben. Dabei wird das Nickel oder der nickelhaltige Stoff vorzugsweise als Folie auf die Fügestelle aufgewalzt, aufgepresst, an sie angeschweißt und/oder angeklebt. Insbesondere ist es möglich, hierbei aufgewickeltes Bandmaterial einzusetzen.Finally, it is possible, alternatively or additionally, to roll nickel on or to press nickel or a nickel-containing substance onto the joint, to weld it, to weld it to the joint and / or glue it on. In this case, the nickel or the nickel-containing material is preferably rolled as a film on the joint, pressed, welded to them and / or glued. In particular, it is possible to use this wound strip material.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, Nickel oder einen nickelhaltigen Stoff mittels eines Lichtbogen-Schweißprozesses als Schicht aufzubringen. Weiterhin kann dies auch mittels Laserauftragsschweißen durchgeführt werden.Alternatively or additionally, it is also possible to apply nickel or a nickel-containing substance as a layer by means of an arc welding process. Furthermore, this can also be carried out by laser deposition welding.
Selbstverständlich ist es auch möglich, beide miteinander zu verschweißende Teile im Bereich der Fügestelle mit Nickel oder einem nickelhaltigen Stoff gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens zu versehen. Selbstverständlich ist es dabei möglich, die verschiedenen Ausführungsformen miteinander zu kombinieren.Of course, it is also possible to provide both parts to be welded together in the region of the joint with nickel or a nickel-containing material according to one of the embodiments of the method described here. Of course, it is possible to combine the various embodiments with each other.
Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass die miteinander zu verschweißenden Teile durch Laserschweißen oder durch Elektronenstrahlschweißen miteinander gefügt werden. Hier entfalten sich die Vorteile des Verfahrens in besonderer Weise, da durch Laser- oder Elektronenstrahlschweißen hergestellte Schweißnähte im Bereich von Werkstoffen mit hoher Kohlenstoffkonzentration ganz besonders zum Verspröden neigen. Weiterhin ist beim Laserschweißen durch die geringe Nahtbreite das aufgeschmolzene Volumen relativ klein, so dass die notwendige Menge an Nickel oder nickelhaltigem Stoff gering gehalten werden kann.Finally, a method is preferred, which is characterized in that the parts to be welded together by laser welding or by electron beam welding are joined together. Here, the advantages of the method unfold in a special way, since welds produced by laser or electron beam welding in the range of materials with high carbon concentration are particularly prone to embrittlement. Furthermore, in the laser welding due to the small seam width, the molten volume is relatively small, so that the necessary amount of nickel or nickel-containing material can be kept low.
Die Verfahren werden insbesondere dann bevorzugt angewendet, wenn die Schweißnaht geometrisch so angeordnet ist, dass es nicht möglich ist, beim Schweißen einen Zusatzwerkstoff einzubringen. Da die hier angegebenen Ausführungsformen stets nur die Einzelnen miteinander zu fügenden Teile für sich genommen betreffen, ergibt sich nicht das Problem einer geometrischen Zugänglichkeit der Fügestelle.The methods are preferably used in particular when the weld seam is arranged geometrically such that it is not possible to introduce a filler material during welding. Since the embodiments specified here always concern only the individual parts to be joined together, the problem of geometrical accessibility of the joint does not arise.
Als Vorteil der Verfahren zeigt sich noch, dass bei einsatzgehärteten Bauteilen gegebenenfalls eine Abarbeitung der einsatzgehärteten Randschicht entfallen kann.An advantage of the method is still found that case hardened components may optionally account for a processing of the case-hardened surface layer.
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe der Verfahren eine rissfreie Schweißung unter Verbesserung der resultierenden Bauteil/Eigenschaften – insbesondere einer verbesserten Schlagzähigkeit der Schweißverbindung – erzielbar ist, wobei zugleich das teure Material Nickel sparsam eingesetzt wird, indem dessen genaue Dosierung insbesondere ohne Überlegierung des Schweißguts möglich ist. Zugleich werden geringe Arbeitsplatzkonzentrationen an Nickel erreicht.Overall, it can be seen that with the aid of the method a crack-free weld can be achieved while improving the resulting component / properties-in particular an improved impact strength of the welded joint-while the expensive material nickel is used sparingly, by its exact dosage is possible in particular without superalloy of the weld metal. At the same time, low workplace concentrations of nickel are achieved.
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Norm DIN EN 10083 |
Norm DIN EN 10083-3 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3903981A1 (en) * | 2020-04-03 | 2021-11-03 | Rolls-Royce plc | Joining component bodies |
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