DE1215280B - Verfahren zum Unterpulver-Lichtbogenschweissen von Stahl - Google Patents

Verfahren zum Unterpulver-Lichtbogenschweissen von Stahl

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DE1215280B
DE1215280B DEY662A DEY0000662A DE1215280B DE 1215280 B DE1215280 B DE 1215280B DE Y662 A DEY662 A DE Y662A DE Y0000662 A DEY0000662 A DE Y0000662A DE 1215280 B DE1215280 B DE 1215280B
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nitrogen
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arc welding
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Shigeo Fujimori
Teiji Ito
Sadayoshi Morita
Takeshi Nishi
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Yawata Iron and Steel Co Ltd
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Yawata Iron and Steel Co Ltd
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
B 23k
Deutsche Kl.: 21 h - 30/17
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
1215 280
Y662VIIId/21h
19. Dezember 1962
28. April 1966
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterpulver-Lichtbogenschweißen von Stahl.
Das Schweißen mit verdecktem Bogen hat Vorteile, da es sehr leistungsfähig ist und gut aussehende Nähte dadurch erhalten werden können. Andererseits hat es jedoch den Nachteil, daß die Kerbzähigkeit des abgeschiedenen Metalls durch die Kombination der zur Zeit im Handel erhältlichen Elektroden und Flußmittel sehr gering ist. Eine solch geringe Kerbzähigkeit des abgeschiedenen Metalls bringt praktisch keine Schwierigkeiten beim Schweißen von Weichstahl mit sich, kann jedoch nicht zum Schweißen verschiedener Niedertemperaturstähle (kaltzähe Stähle) mit hoher Kerbzähigkeit verwendet werden, die in der letzten Zeit auf den Markt kamen. Daher wurden Untersuchungen über Verbesserungen an Elektroden und Flußmitteln und an der Entwicklung von besonderen Schweißverfahren in vielen Ländern durchgeführt, um die Kerbzähigkeit des abgeschiedenen Metalls zu verbessern, jedoch wurden praktisch keine erwähnenswerten Ergebnisse erzielt.
Im allgemeinen wird angenommen, daß es zur Verbesserung der Kerbzähigkeit des abgeschiedenen Metalls am wirksamsten ist, die Struktur des abgeschiedenen Metalls fein zu machen und eine Desoxydation und einen Stickstoffentzug durchzuführen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schweißen mit verdeckten Bogen von Stahl, wobei das Schweißgut eine hohe Kerbzähigkeit aufweist.
Es wurde festgestellt, daß erfindungsgemäß ein Schweißgut von hoher Kerbzähigkeit erhalten werden kann, indem entweder die abschmelzende Elektrode oder das Schweißpulver oder beide Zusatzstoffe entweder ein oder mehrere nitridbildende Metalle oder deren Legierungen oder Bestandteile, die bei Erwärmung Stickstoff abgeben oder sowohl nitrid- als auch stickstoff bildende Metalle bzw. Bestandteile enthalten, so daß im Schweißbad Metallnitride — im Bedarfsfall nach einer zusätzlichen Wärmebehandlung — abgeschieden werden und zu einem feinkörnigen Gefüge hoher Festigkeit und Zähigkeit führen.
Als nitridbildende Metalle werden solche Elemente ausgewählt, die eine hohe Affinität für Sauerstoff und Stickstoff aufweisen, wie beispielsweise Aluminium, Titan, Zirkon, Beryllium, Niob und Vanadin. Als Substanzen, die Stickstoff abgeben, können Nitride, wie beispielsweise Mangannitrid und Calciumnitrid, sowie Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise Ca(CN)2, aufgezählt werden. Diese Substanzen können in heißem Zustand unter Abgabe von Stickstoff zersetzt werden.
Verfahren zum Unterpulver-Lichtbogenschweißen von Stahl
Anmelder:
Yawata Iron & Steel Company, Ltd., Tokio
Vertreter:
Dr. F. Zumstein,
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann
und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4
Als Erfinder benannt:
Sadayoshi Morita,
Teiji Ito,
Takeshi Nishi,
Shigeo Fujimori, Tokio
Beanspruchte Priorität:
Japan vom 29. Dezember 1961 (48 066)
Der zu verwendende Elektrodendraht kann zusätzlich zur gewöhnlichen Zusammensetzung eines oder mehrere der obengenannten nitridbildenden Metalle und in einigen Fällen eine oder mehrere der Stickstoff abgebenden Substanzen enthalten. Falls die Elektrode eine Stickstoff abgebende Substanz enthält, wird es bevorzugt, sie röhrenförmig auszubilden und diese Stickstoff abgebende Substanz in die rohrförmige Seele einzubringen. Obwohl das nitridbildende Metall im Schweißdraht enthalten sein kann, wird bevorzugt, das nitridbildende Metall in Pulverform zusammen mit der Stickstoff abgebenden Substanz in diese rohrförmige Elektrodenseele einzubringen.
Als Flußmittel wird ein granuliertes Flußmittel verwendet. In einigen Fällen kann ein solches Flußmittel eines oder mehrere granulierte oder pulverförmige nitridbildende Metalle und/oder eine oder mehrere Stickstoff abgebende Substanzen enthalten.
Beim Schweißen eines Stahls mit verdecktem. Bogen unter Verwendung der vorgenannten erfindungsgemäßen Elektroden und Flußmittel setzen sich das nitridbildende Metall und der von der Stickstoff liefernden Substanz abgegebene Stickstoff miteinander
609 560/389
unter Bildung eines Nitrids oder mehrerer Nitride, wie beispielsweise von Aluminiumnitrid, Titannitrid, Zirkonnitrid, Berylliumnitrid, Niobnitrid und Vanadiumnitrid, im abgeschiedenen Metall um, wobei dieses Nitrid als eine feste Phase im frischgeschweißten Zustand oder durch eine anschließende Wärmebehandlung (wie beispielsweise Normalisieren oder beim Schweißen in mehreren Lagen) abgeschieden, wodurch die Struktur des abgeschiedenen Metalls fein ausgebildet und die Kerbzähigkeit des abgeschiedenen Metallteils erhöht wird.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung, ohne sie zu beschränken.
Beispiel 1
Ein Silizium-Mangan-Stahl für niedere Temperaturen wurde durch Schweißen mit verdecktem Bogen mit einer Einschichtauflage unter 850 Ampere, 30 Volt und 30 cm pro Minute versehen, indem eine Elektrode mit 2% Mn und 0,5% Mo zusammen mit einem neutralen Flußmittel verwendet wurde. Bei dieser Kombination wird in einer Einschichtmetallauflage mit handelsüblicher Elektrode und handelsüblichem
ίο Flußmittel die beste Kerbzähigkeit erhalten. Die chemische Zusammensetzung und die Schlagfestigkeitswerte des abgeschiedenen Metalls waren wie in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung und Schlagfestigkeitswerte der Einschichtauflage nach dem Verfahren zum Schweißen mit verdecktem Bogen mit handelsüblichem Elektrodendraht und Flußmittel
C Si Mn P S Al Mo N2 AlN
0,13% 0,414% 1,26% 0,007% 0,021% 0,014% 0,26% 0,0059% 0,010%
Schlagfestigkeit, frisch geschweißt
Schlagfestigkeiten
nach lstündigem Normalisieren bei 900° C
VE—60°C VEO0C VTr 15 VTrS VE -600C VEO0C VTr 15 VTrS
20 mkg/cma 5,7 mkg/cm2 -40°C 5° C l,lmgk/cma 32 mkg/cm2 -10°C 20° C
Andererseits ergab sich beim Schweißen unter gleichen Bedingungen durch die Zugabe von 0,02 bis 0,20 % Aluminium und von Stickstoff in Form von Mangannitrid im 1- bis 4fachen Atomverhältnis von Aluminium (falls mehr Stickstoff zugegeben wird, werden im abgeschiedenen Metall Poren erzeugt) in die Seele eines handelsüblichen Elektrodendrahts (aus 0,13 % C, 1,95% Mn, 0,03% Si, 0,03% P, 0,03% S und als Rest Eisen) und einem handelsüblichen neutralen Flußmittel (aus 38,0% SiO2, 7,20 % MnO, 10,6 % Al2O3,25,3 % CaO, 12,1 % MgO und als Rest Verunreinigungen) eine chemische Zusammensetzung und Schlagfestigkeitswerte nach lstündigem Normalisieren bei 900° C, wie sie in der Tabelle 2 angegeben sind.
Tabelle 2
Chemische Zusammensetzungen und Schlagfestigkeiten von Unterpulver-Schweißgut bei Zusatz von
Aluminiumnitrid
Zeichen C . Si Mn P 1/1 Al N2 Al (%) Menge an
Mangannitrid
im Flußmittel
in diesen
Fällen
AlN
3AlN
3A2N
3A3N
3A4N
4A2N 		0,130/o
0,09%
0,09o/0
0,09%
0,09%
0,10 o/o 		0,40 o/o
0,36 o/0
0,350/o
0,38 0/0
0,370/0
0,48%		 1,28%
l,340/0
1,48%
l,43o/0
1,61%
l,65O/o		 0,008%
0,011%
0,012%
0,011%
0,011%
0,011%		 0,018%
0,013%
0,013o/o
0,013%
0,013%
0,013%		 0,050%
0,150%
0,140 0/0
0,150%
O,15Oo/o
0,200%		 0,0168%
0,0136%
0,0181%
0,0228%
0,0302%
0,0182%		 0,037%
0,035%
0,047%
0,058 o/o
0,079%
0,048%		 0,55%
O,55O/o
1,10%
l,6OO/o
2,20%
1,10%
Schlagfestigkeiten nach lstündigem Normalisieren Zeichen VE -60°C VEO0C bei 900°C VTrs
AlN 8,8 mkg/cm2
9,5 mkg/cm2
6,8 mkg/cma
1,2 mkg/cm2
0,9 mkg/cm2
7,9 mkg/cm2 		17,0 mkg/cm2
17,0 mkg/cm2
16,1 mkg/cm2
5,6 mkg/cm2
4,1 mkg/cm2
16,7 mkg/cm2 		VTr 15 -60°C
-60° C
-60° C
>0°C
>0°C
— 50° C
3AlN -60° C
-60°C
-60° C
-4,2° C
-21°C
<-60°C
3A2N
3A3N
3A4N
4A2N
Wurde kein Aluminium und kein Stickstoff zugefügt, dann betrug die Schlagfestigkeit bei -6O0C sogar nach dem Normalisieren nur 2,3 kg/cm2, während bei einem abgeschiedenen Metall, das 0,05. bis 0,20% Aluminium und weniger als 0,02% Stickstoff zugefügt erhalten hätte, nach dem Normalisieren die Schlagfestigkeit bedeutend verbessert wurde, weil eine große Menge des Aluminiumnitrids, im abgeschiedenen Metall durch die Wärmebehandlung abgelagert und die Struktur feinkörnig war. Eine derart erhebliche Verbesserung der Schlagfestigkeit, wie sie oben erwähnt ist, wurde auch bei einem Prüfstück des in einer Schicht abgeschiedenen Metalls, sofern es einer Wärmebehandlung bei 900 bis 1000° C unterworfen worden war, sowie bei einer Mehrlagenschweißung festgestellt.
Beispiel 2
Ein Beispiel für den Fall der Mehrschichtabscheidung beim Schweißen unter Verwendung der Elektroden und Flußmittel des Beispiels 1 ist in Tabelle 3 angegeben.
Tabelle
Chemische Zusammensetzung und Schlagfestigkeit des unter Zusatz von Aluminiumnitrid abgeschiedenen
Mehrlagen-Schweißgutes
C Si Mn P • S- -. Al Mo N2 AlN
0,11% 0,450% 1,35% 0,009% 0,019% 0,052% ' 0,32% 0,0182% 0,036%
Schlagfestigkeiten direkt nach dem Schweißen
VE -600C VEO0C VTr 15 VTrs ■". .
7,5 mkg/cm2 15,6 mkg/cma <-60°C <-60°C
Wie oben gezeigt wird, ist das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung die Abscheidung einer großen Menge des Metallnitrids im Schweißgut. Im Fall von Aluminiumnitrid beispielsweise war der Stickstoffgehalt in dem Schweißgut etwa 0,006%, wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, und selbst wenn aller dieser Stickstoff Aluminiumnitrid bildete, würde das weniger als 0,020% ausmachen. Auch wenn daher eine große Menge Aluminium zugesetzt wird, würde, falls nicht auch gleichzeitig Stickstoff zugesetzt wird, (nicht nur keine größere Menge Aluminiumnitrid erhalten, sondern auch der Überschuß an Aluminium würde oxydiert und wurde Verunreinigungen, wie Aluminiumoxyd, im Schweißgut hinterlassen, Silizium im Flußmittel reduzieren, eine große •Menge Silizium im Schweißgut lösen und daher die Kerbzähigkeit des Schweißgutes verschlechtern. Das gleiche gilt für Titan, Zirkon, Beryllium, Niob und Vanadin.
Im allgemeinen ist die Affinität von Aluminium gegenüber Stickstoff geringer als diejenige von Titan und Zirkon. Um daher.die Kerbzähigkeit der Einschichtschweißauflage zu erhöhen, ist eine Wärmebehandlung nach der Schweißung notwendig. Wenn jedoch beispielsweise 0,025 bis 0,075% Titan und etwas Stickstoff zugesetzt wurden, dann ergaben sich sogar in frischgeschweißtem Zustand folgende Werte:
VE bei 600C = 3,3 mkg/cm2, VE bei 0°C = 10,4 mkg/ cm2, VTR 15 geringer als 60°C, VTrs = 400C, und daher werden recht günstige Schlagfestigkeiten erhalten. Beim Material, das bei 9000C 1 Stunde lang normalisiert war, ist sogar VE bei — 6O0C = 4,5 mkg cm2, VE bei 00C = 16,0 mkg/cm2, VTr 15 niedriger als — 600C, VTrs = —50°C, was zeigt, daß dadurch die Kerbzähigkeit noch weiter verbessert wurde.
Beispiel 3
Die chemische Zusammensetzung des abgeschiedenen Metalls von Einschichtaufträgen mit einer "hohlen Weichstahlseele, die mit Aluminium- und Mangannitrid gefüllt war und mit einem handelsüblichen, neutralen Flußmittel verwendet wurde, sowie die Schlagfestigkeiten nach lstündigem Normalisieren bei 900°C sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle
. Chemische Zusammensetzung der Emschichtmetallaufträge mit einer hohlen Seele, die mit Aluminium- und Mangannitrid gefüllt war, und einem handelsüblichen Flußmittel sowie die Schlagfestigkeiten nach Normalisieren
C Si · Mn P S .'■ Al " .N2 : AlN
0,09% 0,38% 1,05% 0,011% 0,018% 0,062% 0,0152% 0,030%
Schlagfestigkeiten nach lstündigem Normalisieren bei 9000C
VE -60° C
VE0°C
VTr 15
VTrs
7,8 mkg/cma
16,2 mkg/cm2
<-60°C
<-60°C
■. Wie vorher konnte das Nitrid im abgeschiedenen Metall mit der Kombination einer aluminiumhaltigen Seele mit einem gesinterten Flußmittel, demMangannitrid zugesetzt war, erreicht werden.
. Beispiel 4
Auftragsschweißungen in 'einer Schicht wurden zugefügt war, durchgeführt. Die chemische Zusam-
unter Verwendung einer Seele, die Aluminium, wie mensetzung des abgeschiedenen Metalls und seine
in.Tabelle.5 gezeigt, enthielt, und mit.einem Fluß- Schlagfestigkeiten nach lstündigem Normalisieren
mittel, dem, wie in Tabelle 6 gezeigt, Mangannitrid bei 9000C sind in Tabelle 7 zusammengestellt.
- ' Tabelle 5 ■ - · .
Chemische Zusammensetzung der aluminiumhaltigen Seele
C Si Mn P S Al
0,118% 0,03% 1,65% ' 0,011 o/o 0,016% 0,098 o/o
Tabelle 6
Zusammensetzung des mangannitridhaltigen Flußmittels
SiO2 MnO CaO • Al2O3 ■ MgO Mangannitrid
(liefert 7% Stickstoff)
35%: 10% • 250/0 10% 10% 5%
; "-;:-> .. Tabelle 7 ·
Chemische Zusammensetzung des in einer Schicht durch Bogenschweißung mit verdecktem Bogen mit einer aluminiumhaltigen Seele und einem Flußmittel unter Mangannitridzusatz abgeschiedenen. Metalls ■■ -■■ sowie dessen Schlagfestigkeiten nach Normalisieren
C Si Mn ' P S Al N2' ' AlN
0,06% 0,35% 1,26 »/ο 0,012% 0,0150/0 . 0,045 % 0,0150% . 0,035%
Schlagfestigkeiten nach lstündigem. Normalisieren bei 9000C
- . . _. Ve—ßo°c VEO0C VTr 15 VTrs
6,8 mkg/cm2 16,1 mkg/cm2 ■ <-60°C <-60°C

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Unterpulver-Lichtbogenschweißen von Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß· entweder die abschmelzende Elektrode oder das Schweißpulver oder beide Zusatzstoffe entweder ein oder mehrere nitridbildende Metalle oder- deren Legierungen · oder Bestandteile, die bei Erwärmung Stickstoff abgeben, oder sowohl nitrid- als auch stickstoffbildende Metalle bzw. Bestandteile enthalten, so daß im Schweißbad Metallnitride — im Bedarfsfall nach einer zusätzlichen Wärmebehandlung — abgeschieden werden und zu einem feinkörnigen' Gefüge hoher Festigkeit und Zähigkeit führen.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine röhrenförmige Seele eines oder
mehrerer pulverförmiger nitridbildender Metalle oder Legierungen und/oder eine oder mehrere stickstoffliefernde Substanzen enthält.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Pätentschriften Nr. 2142 045, 2 851581,
988 627;
William M. Conn: Die Technische Physik der Lichtbogenschweißung, Berlin/München 1959, S. 211/u. 212;
T. N ο r e n: Werkstoff künde für die Lichtbogenschweißung von Eisen und Stahl, Solingen 1955, S. 37;
K. L. Zeyen und W. Lohmann: Schweißen der Eisenwerkstoffe, Düsseldorf 1948, S. 75 bis 77.
DEY662A 1961-12-29 1962-12-19 Verfahren zum Unterpulver-Lichtbogenschweissen von Stahl Pending DE1215280B (de)

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