DE1241686B

DE1241686B - Schweissdraht zum Lichtbogenschweissen von niedriglegierten, hochkerbfesten Staehlen

Info

Publication number: DE1241686B
Application number: DE1960R0029383
Authority: DE
Inventors: Lawrence Robbins
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-12-31
Filing date: 1960-12-31
Publication date: 1967-06-01
Also published as: SE325766B; GB914339A; SE325766C; NL259590A; FR1278848A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 23 k

Deutsche Kl.: 49 h-36/01

Nummer: 1 241 686

Aktenzeichen: R 29383 VI a/49 h

Anmeldetag: 31. Dezember 1960

Auslegetag: 1. Juni 1967

Die Erfindung betrifft einen Schweißdraht zur Lichtbogenschweißung unter Schutzgas oder nach dem Unterpulververfahren von niedriglegierten, hochkerbfesten Stählen, einer Stahlgattung, die sich erfahrungsgemäß nur schwer einwandfrei schweißen läßt, wenn es darauf ankommt, mit Sicherheit gas- und porenfreie, dichte, kerbfeste, dehnungsfähige Schweißstellen zu erhalten. Die unter diese Gattung fallenden Stähle haben insbesondere folgende Zusammensetzung: bis 0,40% C, 0,10 bis 2,00% Mn, bis 0,04% P, bis 0,045% S, 0,12 bis 0,70% Si, 0,04 bis 2,50% Cr, 0,05 bis 4,5% Ni, 0,13 bis 0,70% Mo, Rest Eisen.

In der nachstehenden Tabelle A sind die prozentualen Legierungsbestandteile von vier amerikanischen Stählen dieser Art zusammengestellt, und zwar

I: MIL-S-16.216D; II: U.S.-StahlT-l;. III: S.A.E. 4140;
IV: N-A. XTRA.

Schweißdraht zum Lichtbogenschweißen von
niedriglegierten, hochkerbfesten Stählen

Anmelder:

Lawrence Robbins, Vallejo, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. E. Wetzel, Patentanwalt,

Nürnberg 1, Hefnersplatz 3

Als Erfinder benannt:

Lawrence Robbins, Vallejo, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Dezember 1959
(863 114)

Tabelle A

	I	Π	III	IV
C	0,23 0,35 0,030 0,035 0,32 3,25 . 1,80 0,55	0,15 0,75 0,026 0,030 0,24 0,85 0,50 0,45 0,31 0,003	0,40 1,00 0,040 0,032 0,33 1,05 0,23	0,14 0,80 0,014 0,024 0,65
Mn	0,58 0,15
ρ .
S	0,07
Si
Ni
Cr
Mo
V
B
Zr

Bei der steigenden Verwendung von Stählen dieser Gattung für spezielle Zwecke (Reaktoren, Druckgefäße, Unterseeboote u. dgl.) hat sich die einschlägige Industrie verständlicherweise bemüht, Schweißdrähte zu entwickeln, mit denen man Schweißungen für hohe Ansprüche ausführen kann. Die bisher besten Schweißdrähte sind in erster Linie die nach der USA.-Patentschrift 2 913 814 (Air Reduction Co.) und in zweiter Linie die nach den britischen Patentschriften 762 801 und 762 848 (Union Carbide and Carbon Co.). Die in diesen Patentschriften angegebenen Legierungsbestandteile sind in Prozenten in der nachstehenden Tabelle B zusammengestellt. Die Bestandteile der britischen Schweißdrähte sind zum Teil wahlweise möglich in der Weise, daß nicht alle, aber mindestens drei dieser Elemente vorhanden sein müssen. Die wahlweise möglichen Elemente sind mit»+« bezeichnet. Die in den speziellen Beispielen angegebenen Elemente sind mit »o« kenntlich gemacht.

Die aufgeführten Elemente Ca, Mg, V sind in keinem der Beispiele enthalten. Die Zusammensetzung des Schweißdrahtes gemäß der Erfindung, über die noch zu sprechen sein wird, ist zum Vergleich ebenfalls eingetragen. Das Minuszeichen »—« bedeutet »bis«.

709 588/195

Tabelle B

USA.-Patentschrift 2 913 814

Britische Patentschrift 762 Britische
Patentschrift 762 848

Erfindungsgemäße
Elektrode

Bevorzugte
Elektrode

Mn
P..
S ..
Si .
Ni.
Cr.
Mo
Al.
Zr.
Ti .
Ca.
Mg
V..

<o,io

0,90 - 1,50

<0,025

<0,025
0,30 - 0,50 1,00 - 2,60 0,30 - 0,60 0,25 - 0,50

<0,20

0,05

<0,04

0,05

0,01

0,005 0,01

0,01

+ 0,001

0,001 0,01

2,00

1,00

1,50

0,50

0,40

0,50

0,200

0,30 <0,20

0,05

<0,04

0,05

0,01

0,005

0,01

0,001

2,00

1,00

1,50

0,50

0,40

0,50

0,200

<0,06
1,0 - 2,5

<0,008

<0,012

<0,40

1,30 - 3,75

<l,50

<1,25
0,01 - 0,10
0,01 - 0,10
0,01 - 0,10

< 0,045
1,25 - 2,00

<0,006

<0,010

<0,030
1,40 - 3,50
0,20 - 1,00
0,10 - 1,00
0,02 - 0,08
0,02 - 0,08
0,02 - 0,08

Sieht man von den prozentualen Unterschieden der Legierungselemente ab, so ergibt die Tabelle hinsichtlich der Zusammensetzung ein interessantes Vergleichsbild. Der Schweißdraht nach der USA.-Patentschrift 2 913 814 enthält alle Elemente von C bis Mo, aber weiter keine. Schweißdrähte nach den beiden britischen Patentschriften 762 801 und 762 848 enthalten die Elemente bis hinunter zum Ti, jedoch ohne Ni und Mo. Es besteht also legierungsmäßig ein wesentlicher Unterschied.

Schweißdrähte dieser Zusammensetzung haben sich, um es zu wiederholen, als brauchbar erwiesen, erfüllen jedoch nicht alle an sie zu stellenden Anforderungen, vor allem dann nicht, wenn es sich um Schweißungen handelt, die im Betrieb sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schweißdraht für derartige niedriglegierte, hochkerbfeste Stähle zu schaffen, der über einen weiten Temperaturbereich Schweißungen von einer Kerbschlagfestigkeit ergibt, die wesentlich über dem mit den bekannten Schweißdrähten erzielbaren Wert liegt.

Nun muß die bekannte Tatsache vorangestellt werden, daß sich die Eigenschaften von Legierungen nicht theoretisch aus Kombinationen und Vertauschungen von Elementen ableiten lassen. Es sind zwar vielfach die Auswirkungen einzelner Komponenten auf eine Legierung bekannt, aber es läßt sich nicht, voraussagen, ob die Hinzufügung oder das Weglassen von Legierungsbestandteilen die angenommene Wirkung haben wird oder ob nicht vielleicht gerade durch eine solche Änderung so weitgehende Änderungen im Gesamtcharakter der Legierung auftreten, daß eine Legierung von völlig anderen als den angestrebten Eigenschaften entsteht. Hierauf wird noch zurückzukommen sein.
Das angestrebte Ziel, einen verbesserten Schweißdraht zur Lichtbogenschweißung unter Schutzgas oder nach dem Unterpulververfahren von niedriglegierten, hochkerbfesten Stählen zu schaffen, wird gemäß der Erfindung durch folgende prozentuale Zusammensetzung erreicht: bis 0,06% Kohlenstoff; bis 0,008% Phosphor; bis 0,012% Schwefel; bis 0,40% Silicium; 1,0 bis 2,5% Mangan; 1,30 bis 3,75% Nickel; bis 1,50% Chrom; bis 1,25% Molybdän; 0,01 bis 01,0% Titan; 0,01 bis 0,10% Zirkonium; 0,01 bis 0,10% Aluminium; Rest Eisen.

Die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Schweißdrahtes ist in der letzten Spalte der Tabelle B den bekannten Schweißdrahtlegierungen gegenübergestellt. Es war oben bereits gesagt worden, daß man die

Eigenschaften einer neuen Legierung nicht aus der Hinzufügung oder dem Weglassen von Legierungsbestandteilen von bekannten Legierungen ableiten könnte. Dieser Hinweis erschien zweckmäßig im Hinblick auf die Gegenüberstellung der einzelnen Schweißdrähte der Tabelle B. Es ist nicht so, daß einfach zu der Legierung nach der USA.-Patentschrift 2 913 814 die Elemente Al, Zr und Ti der Legierung nach der britischen Patentschrift 762 801 hinzugefügt worden wäre. Diese Addition lag zunächst außerhalb des überschaubaren Bereiches. Denn der Schweißdraht nach der britischen Patentschrift 762 801 war vor dem Schweißdraht nach der USA.-Patentschrift 2 913 814 bekannt. Es wäre sicher nicht versäumt worden, die bei dem britischen Schweißdraht vorhandenen EIe-

mente in den amerikanischen Schweißdraht aufzunehmen, wenn man sich hiervon etwas versprochen hätte. Es fehlte die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis, daß es ein ganz bestimmtes System von Legierungsbestandteilen ist, das innerhalb dieser Schweißdrahtgruppe zu besonders günstigen Eigenschaften führt, und zwar das System Mn, Ni, Ti, Zr, Al, das gemäß der Erfindung eingebaut ist. Ohne Al, Zr, Ti auf der einen Seite oder ohne Ni auf der anderen Seite ließ sich die durch die Erfindung angestrebte optimale Zusammensetzung nicht erzielen. Auf dieser Erkenntnis baut sich die Erfindung auf. Sie genügt jedoch allein noch nicht, sondern es müssen die prozentualen Anteile für die optimalen Eigenschaften der Schweißnaht noch im Sinne der vorstehenden Angaben festgelegt werden. Eine besonders hohe Kerbschlagfestigkeit innerhalb eines großen Temperaturbereiches ergibt sich durch ein bestimmtes Verhältnis der Komponenten Mn, Ni, Cr, Mo, nämlich durch das Verhältnis 8:7:1:2.

Zum Nachweis der besonders günstigen Eigenschaften wurden mehrere Versuchsreihen nach den amerikanischen Normvorschriften durchgeführt. Geschweißt wurden fünf Stähle folgender Zusammensetzung:

Tabelle I

Bestandteile

Zu schweißender Stahl C I

Kohlenstoff Mangan ... Phosphor .. Schwefel .. Silicium ... Chrom ....

Nickel

Molybdän . Kupfer ....

Titan

Zirkonium . Aluminium Eisen

0,03

1,47

0,004

0,007

0,21

0,19

1,32

0,44

0,10

0,02

Spuren

Rest

0,02

1,52

0,008

0,006

0,13

0,55

1,54

0,13

0,10

0,01

Spuren

Rest 0,02

1,60

0,006

0,010

0,21

0,25

2,67

0,35

0,12

0,03

0,01

0,02

Rest

0,02	0,02
1,09	1,48
0,005	0,005
0,009	0,006
Spuren	0,22
0,30	0,36
2,92	1,58
0,57	0,34
0,24	0,20
0,005	0,01
0,01	0,04
0,008	0,02
Rest	Rest

Die verwendeten Schweißdrähte hatten folgende Zusammensetzung:

Tabelle II

Bestandteile

Schweißdraht C

Kohlenstoff Phosphor . . Mangan ... Schwefel .. Silicium ... Chrom .... Nickel .... Molybdän . Kupfer ....

Titan

Zirkonium . Aluminium Eisen

0,02

0,005

1,62

0,005

0,24

0,21

1,39

0,40

0,14

0,02

Rest

Schweißnaht

A
B
C
D
E

0,2%-Streck-	Zug
grenze	festigkeit
kg/mm²	kg/mm²
61,0	66,3
63,3	67,6
70,7	75,6
57,1	62,0
59,5	65,5

Dehnung (Meßlänge 50,8 mm)

28,5 24,0 22,0 25,0 27,5

74,4 68,6 54,9 69,3 71,8

0,02

0,005

1,62

0,006

0,17

0,60

1,38

0,12

0,07

0,05

0,03

0,08

Rest 0,02

0,005

1,95

0,004

0,25

0,19

2,71

0,36

0,07

0,03

0,05

0,07

Rest

0,03

0,005

1,06

0,006

0,08

0,25

2,63

0,50

0,08

0,01

0,03

0,08

Rest

0,04

0,006

1,79

0,009

0,27

0,25

1,48

0,30

0,12

0,02

0,014

0,03

Rest

Für die Schweißnaht ergaben sich für die mechanischen Eigenschaften folgende Werte als Durchschnittswerte aus mehreren Versuchen:

Tabelle III

Einschnürung Die Schlagarbeit nach Charpy wurde ermittelt zu:

Tabelle IV

Schlagarbeit (mkg)

Schweißnaht	-73	Temperatur, ⁰C	-17,7	+21
	12,70	—51	22,80	27,20
A	1,10	15,46	17,94	21,70
B	2,21	8,14	—	15,46
C	2,48	6,90	8,97	18,64
D	11,85	5,66	26,80	27,20
E	16,30