DE1255456B

DE1255456B - Schweisszusatzwerkstoff zum korrosionsfesten Schmelzschweissen von Legierungen auf Aluminium-Basis, insbesondere AlZnMg-Legierungen

Info

Publication number: DE1255456B
Application number: DE1964A0045232
Authority: DE
Inventors: Nils Erik Lindstrand; Per Olof Aronson
Original assignee: Svenska Metallverken AB
Current assignee: Svenska Metallverken AB
Priority date: 1964-02-01
Filing date: 1964-02-14
Publication date: 1967-11-30

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B23k

Deutsche KL: 49 h-31/01

Nummer: 1255 456

Aktenzeichen: A 45232 VI a/49 h

Anmeldetag: 14. Februar 1964

Auslegetag: 30. November 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schweißzusatzwerkstoff zum korrosionsfesten Schmelzschweißen von Legierungen auf Aluminiumbasis, insbesondere AlZnMg-Legierungen.

AlZnMg-Legierungen mit verhältnismäßig hohem Zn- und Mg-Anteil sowie einem Cu-Zusatz finden seit langem als hochfeste Legierungen insbesondere in der Flugzeugindustrie Verwendung. Ein großer Nachteil dieser Legierungen liegt jedoch in ihrer geringen Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion; außerdem sind sie zum Schweißen ungeeignet.

Während der letzten Jahre wurden schweißbare, Cu-freie Legierungen entwickelt, die einen geringeren Zn- und Mg-Anteil (etwa 5°/₀ Zn und 1% Mg) als die vorher erwähnten Legierungen aufweisen. Das hervorstechende Merkmal dieser Legierungen ist darin zu sehen, daß sie in geschweißtem Zustand die festesten im Handel erhältlichen Aluminiumlegierungen darstellen. Die Widerstandsfähigkeit des Basismetalls gegen Korrosion ist gut, doch da die Legierungen insbesondere für geschweißte Konstruktionen Verwendung finden sollen und die Widerstandsfähigkeit der Schweißnaht gegen Spannungskorrosion wesentlich geringer ist, sind die Verwendungsmöglichkeiten der Legierungen begrenzt.

Als Metall zum Schmelzschweißen hat man bisher Legierungen mit etwa 5% Si- oder etwa 5% Mg-Anteil oder ternäre AlMgSi-Legierungen verwendet. Von diesen werden wiederum am meisten die AlMg-Legierungen mit etwa 5°/o Mg verwendet, da mit ihnen die größte Festigkeit erzielt wird.

Zur Herabsetzung der Spannungskorrosion des Basismetalls sind Versuche mit Zusätzen zahlreicher verschiedener Elemente durchgeführt worden. Beispielsweise stellt Silber ein derartiges Element dar. Durch Verwendung von 0,3 bis 0,8 % Ag im Basismetall konnten bei diesen Legierungsarten gewisse Verbesserungen bezüglich der Festigkeit und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion erzielt werden.

Versuche, auf welchen die Erfindung aufbaut, haben die bereits früher beobachtete Einwirkung von Ag auf die erhöhte Festigkeit bei künstlicher Alterung bestätigt. Außerdem haben die Versuche gezeigt, daß

a) die Neigung zur Rißbildung während des Schmelzschweißens nicht durch Ag-Zusätze bis zu 0,4 °/₀ beeinflußt wird;

b) sich die Festigkeit von auf übliche Weise schmelzgeschweißtem Material bei Zusatz von Ag erhöht;

Schweißzusatzwerkstoff zum korrosionsfesten Schmelzschweißen von Legierungen auf Aluminium-Basis, insbesondere AlZnMg-Legierungen

Anmelder:

Aktiebolaget Svenska Metallverken,

Västeras (Schweden)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Wiemuth, Patentanwalt,

Düsseldorf-Oberkassel, Dominikanerstr. 37

Als Erfinder benannt:
Nils Erik Lindstrand,
Per Olof Aronson, Finspang (Schweden)

c) die Widerstandsfähigkeit der Schmelzschweißung gegen Spannungskorrosion bei Zusatz von Ag beträchtlich zunimmt.

Von den erwähnten Vorteilen ist c) äußerst wichtig; da jedoch ein angemessener Zusatz von Silber im Basismetall (etwa 0,3 %) den Preis der Legierung erhöht, wird diesem Verfahren zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion nur geringes praktisches Interesse entgegengebracht.

Schmelzschweißungen, die an bekannten AlZnMg-Legierungen mit und ohne Ag-Zusatz vorgenommen wurden, wurden auf Spannungskorrosion untersucht. Die Ag-freie Legierung (Legierung A) wies die folgende Zusammensetzung auf:

Mg 1,2%

Zn 4,9%

Cr 0,r7⁰/₀

Mn 0,24 %

Rest Al handelsüblicher Qualität

Die Ag-haltigen Legierungen wiesen zusätzlich 0,24 bzw. 0,40% Ag auf (Legierungen B und C).

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Als Schmelzschweißmetall wurde Ag-freier Schweißdraht aus einer AlMg-Legierung mit 5% Mg verwendet.

Zur Herstellung der Probestücke für die Untersuchung der Spannungskorrosion wurden zwei Flachstücke mit einem Querschnitt von 3 · 100 mm² nach dem WIG-Verfahren geschweißt (Wolframelektrode, inertes Gas, nichtleitender Schweißdraht), d.h. unter Herstellung einer stumpfen I-Verbindung zusammengeschweißt. Von der auf diese Weise hergestellten Schmelzschweißung wurden 10 mm breite Probestücke rechtwinklig zur Schweißrichtung abgeschnitten. Die Probestücke wurden den folgenden Wärmebehandlungen unterworfen:

1. natürliche Alterung

2. künstliche Alterung

3. künstliche Alterung

Schweißung Schweißung Schweißung künstliche Alterung
künstliche Alterung
natürliche Alterung

Die folgenden Untersuchungen der Spannungskorrosion wurden im Freien, in nicht zu schwerer Industrieatmosphäre und unter ständiger Zugbeanspruchung von 31,5 kg/mm² durchgeführt. Aus jeder Probelegierung wurden vier Proben entnommen, von denen die durchschnittliche Lebensdauer in Tagen errechnet wurde. Bei den Fällen, in denen nicht alle vier Prüfkörper innerhalb der Versuchszeit zerstört wurden, wurde dem Wert in der Tabelle das Zeichen »>« vorangesetzt. In der nachstehenden Tabelle I sind die Ergebnisse angeführt.

Tabelle I
Durchschnittliche Lebensdauer in Tagen

Legierung A
Legierung B
Legierung C

Wärmebehandlung

1 2 I 3

>78

20
65

>75
>63

30

35

Aus der Tabelle wird deutlich, daß bei Anwesenheit von Ag im Basismetall die Neigung zur Spannungskorrosion auch im geschweißten Material wesentlich verringert wird. Bei einer solchen die Umweltbedingungen nachahmenden Untersuchung auf Spannungskorrosion entstanden im Schweißmaterial selbst auf Sprödigkeit zurückgehende Bruchstellen. Bei der mikroskopischen Untersuchung wurde gefunden, daß die Brüche interkristallinen Charakter haben. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß die Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffes für die Widerstandsfähigkeit der Schmelzschweißung gegen Spannungskorrosion wesentlich ist. Aus diesem Grunde entstand die Anregung, zum Schmelzschweißen von Aluminiumlegierungen einen silberhaltigen Schweißzusatzwerkstoff zu verwenden.

Dabei hat sich herausgestellt, daß Aluminiumlegierungen, insbesondere AlZnMg-Legierungen, mit einem normalen Schmelzschweißmetall mit zusätzlichem Ag geschweißt, Schweißungen mit wesentlich reduzierter Neigung zur Spannungskorrosion ergeben.

Derartige Aluminiumlegierungen mit Silberzusatz haben als Lötmetall schon Anwendung gefunden. Der Silberzusatz bewirkt hier den Vorteil einer Schmelzpunkterniedrigung des Lotes, ohne die Korrosionsfestigkeit der Lötverbindung zu vermindern. Da bekanntlich das Lötverfahren, nämlich: das Verbinden von Metallteilen durch Einschmelzen eines niedriger schmelzenden Lotes, wobei das flüssige Lot in die zu verbindenden, nicht geschmolzenen Berührungsflächen eindringt, in metallurgischer Hinsicht vom Schmelzschweißen, nämlich: das Verbinden von Metallteilen, deren Berührungsflächen in flüssigen Zustand gebracht sind, meist unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes, völlig verschieden ist, konnte durch die Zusammensetzung des bekannten Lötmetalls der Erfindung keine Anregung gegeben werden, mit der ein Schweißzusatzwerkstoff für das Schmelzschweißen gefunden wurde, der die besondere Korrosionsform der Spannungskorrosion verhindert.

Nach der Erfindung ist ein Schweißzusatzwerkstoff zum korrosionsfesten Schmelzschweißen von Legierungen auf Aluminiumbasis, insbesondere AlZnMg-Legierungen, vorgesehen, der aus 2 bis 8 % Magnesium und/oder bis 8% Silicium und insgesamt bis 5% Kupfer, Mangan, Chrom, Zirkonium, Bor, Titan, Vanadium und/oder Lithium, 0,1 bis lO°/o Silber, Rest Aluminium, mit den üblichen Verunreinigungen besteht.

Nach einem Legierungsbeispiel gemäß der Erfindung kann der Zusatzwerkstoff 3 bis 8 °/„ Magnesium und 0,3 bis 3% Silber enthalten.

Zur Erzielung eines geeigneten Schweißzusatzwerkstoffes kann dieser aus 3 bis 8°/₀ Magnesium und bis l°/₀ Mangan, bis 1% Chrom, bis 0,5% Kupfer, bis 0,1% Zirkonium, bis 0,1% Bor, bis 0,5% Titan, bis 0,5 % Vanadium und/oder bis 0,1% Lithium sowie 0,5 bis 2,5 % Silber und zum Rest aus Aluminium mit den üblichen Verunreinigungen bestehen.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Schweißzusatzwerkstoff nach der Erfindung 3 bis 8 % Silicium und 0,3 bis 3% Silber enthalten.

Weiterhin kann der Schweißzusatzwerkstoff folgende Zusammensetzung haben: 3 bis 8% Silicium und bis 1% Mangan, bis 1% Chrom, bis 0,5% Kupfer, bis 0,1% Zirkonium, bis 0,1% Bor, bis 0,5% Titan, bis 0,5% Vanadium und/oder bis 0,1% Lithium, 0,5 bis 2,5% Silber, Rest Aluminium, mit den üblichen Verunreinigungen.

Ein Schweißzusatzwerkstoff nach der Erfindung, in welchem sowohl Mg als auch Si vorhanden sind, kann 2 bis 8% Magnesium, 0,5 bis 3% Silicium und 0,3 bis 3% Silber enthalten.

Beispiel

Es wurde ein Schweißzusatzwerkstoff nach der Erfindung in Form eines Schweißdrahtes aus einer AlMg-Legierung hergestellt, die 5 % Mg und 0,9 % Ag enthielt. Zwei Flachstücke 3 · 100 mm² wurden mittels dieses Schweißdrahtes unter Bildung einer stampfen I-Verbindung nach dem WIG-Verfahren zusammengeschweißt. Die Probestücke wurden im rechten Winkel zur Schweißrichtung abgetrennt. Als Basis-

Claims

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metall wurde eine bekannte AlZnMg-Legierung mit als legierter Bestandteil in dem Draht oder Stab vorfolgender Zusammensetzung verwendet: handen sein, sondern kann selbstverständlich auch in 2_n 4 go/ anderer Weise, beispielsweise als Zusatzmaterial, auf-

., ι'?o/° gebracht werden. So kann z. B. nach der Erfindung

£ ' '° 5 vorgesehen sein, daß auf die Außenfläche eines Draht-

Cr 0,17% kernes aus dem silberfreien Schweißzusatzwerkstoff

Mn 0,25 °/₀ das Silber als homogene Schicht von entsprechender

Rest Al handelsüblicher Qualität gleichmäßiger Dicke aufgebracht ist, oder nach einem

anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann

Außerdem wurde zum Vergleich diese AlZnMg- io das im Schweißzusatzwerkstoff enthaltene Silber als

Legierung mittels eines Schmelzschweißdrahtes der- Kern ausgebildet sein, der von einem entsprechend

selben Zusammensetzung wie oben angegeben, jedoch dicken Mantel aus dem silberfreien Schweißzusatz-

ohne Zusatz von Ag, verschweißt. Die geschweißten werkstoff umschlossen ist. Obgleich nach dem bevor-

Probestücke wurden im Freien unter konstanter zugten Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung vorgesehen

Beanspruchung geprüft. Von jedem Prüfwerkstoff 15 ist, daß das Silber als Legierungsbestandteil im

wurden vier Probestücke verwendet, von welchen die Schmelzschweißzusatzwerkstoff vorhanden ist, liegen

durchschnittliche Lebensdauer errechnet wurde. Die auch die zuletzt erwähnten Ausführungsformen im

Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefaßt. Rahmen der Erfindung.

Tabelle II 30 Patentansprüche:

Durchschnittliche Lebensdauer in Tagen _o }■ Schweißzusatzwerkstoff zum korrosionsfesten

Schmelzschweißen von Legierungen auf Aluminium-Beanspruchung 30 kg/mm² basis, insbesondere AlZnMg-Legierungen, da-

Schweißdraht ohne Ag-Zusatz 3 durch gekennzeichnet, daß er aus 2

Schweißdraht mit 0,9 % A₂ 7,5 ²S bis 8 % Magnesium und/oder bis 8 % Silicium

und insgesamt bis 5°/₀ Kupfer, Mangan, Chrom,

Es wird darauf hingewiesen, daß die Werte in Zirkonium, Bor, Titan, Vanadium und/oder

Tabelle II nicht unmittelbar mit den Weiten der Lithium, 0,1 bis 10 % Silber, Rest Aluminium mit

Tabelle I verglichen werden können, da die Messungen den üblichen Verunreinigungen besteht,

zu verschiedenen Zeiten durchgeführt wurden. Ein 30 2. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1,

Vergleich der Ergebnisse, die mit Ag-freiem und dadurch gekennzeichnet, daß er 3 bis 8°/₀ Magne-

Ag-enthaltendem Schmelzschweißdraht unter jeweils sium und 0,3 bis 3% Silber enthält,

identischen Versuchsbedingungen in Versuchsreihen 3. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 2,

erzielt wurden, zeigt jedoch, daß sich mit einem dadurch gekennzeichnet, daß er aus 3 bis 8°/₀

Ag-enthaltenden Schmelzschweißdraht gemäß der Er- 35 Magnesium und bis 1% Mangan, bis 1% Chrom,

findung bezüglich der Widerstandsfähigkeit gegen bis 0,5% Kupfer, bis 0,1% Zirkonium, bis 0,1%

Spannungskorrosion überlegene Ergebnisse erzielen Bor, bis 0,5% Titan, bis 0,5% Vanadium und/oder

lassen. bis 0,1% Lithium, 0,5 bis 2,5% Silber, Rest AIu-

Der Grund, daß bei diesem bevorzugten Schweiß- minium, mit den üblichen Verunreinigungen be-

zusatzwerkstoff ein Ag-Anteil von genau 0,9% zum ₄₀ steht.

Schweißen einer (Ag-freien) AlZnMg-Legierung ge- 4. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1,

wählt wurde, ist darin zu sehen, daß wegen der Ver- dadurch gekennzeichnet, daß er 3 bis 8 % Silicium

dünnung beim Schweißen im Schweißzusatzwerkstoff und 0,3 bis 3 % Silber enthält,

etwa derselbe Ag-Anteil erzielt wird, wie er bei einer 5. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1,

Schweißung mit einem Ag-freien Zusatzwerkstoff an ₄₅ dadurch gekennzeichnet, daß er 2 bis 8 % Magne-

einem Basismetall der gleichen Zusammensetzung, je- sium, 0,5 bis 3% Silicium und 0,3 bis 3% Silber

doch mit einem Zusatz von 0,4% Ag, vorliegen enthält.

würde. 6. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1,

In der Einleitung wurde erwähnt, daß durch das dadurch gekennzeichnet, daß er 5% Magnesium

Risiko der Spannungskorrosion bei einer geschweißten ₅₀ und 0,9 % Silber enthält.

AlZnMg-Legierung die Verwendung dieses Metalls 7. Schweißzusatzwerkstoff nach einem oder eine Einschränkung zur Folge hat. Mittels des mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn-Schweißzusatzwerkstoffes nach der Erfindung, dem zeichnet, daß auf die Außenfläche eines Drahteine Legierung zugrunde liegt, die auch bisher für kernes aus dem silberfreien Schweißzusatzwerkstoff diesen Zweck verwendet wurde, der jedoch jetzt ₅₅ das Silber als homogene Schicht von entsprechen-Silber hinzugefügt ist, wurde es möglich, das Risiko der gleichmäßiger Dicke aufgebracht ist. einer Spannungskorrosion auf einen Mindestwert zu 8. Schweißzusatzwerkstoff nach einem oder verringern und somit die Verwendung von AlZnMg- mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn-Legierungen auszudehnen. zeichnet, daß das im Schweißzusatzwerkstoff ent-Der Schweißzusatzwerkstoff gemäß der Erfindung 6₀ haltene Silber als Kern ausgebildet ist, der von kommt normalerweise in Form eines nichtleitenden einem entsprechend dicken Mantel aus dem silber-Schweißdrahtes oder eines Schweißstabes oder aber freien Schweißzusatzwerkstoff umschlossen ist.

als leitender Draht oder als stabförmige Elektrode

zur Verwendung. In Betracht gezogene Druckschriften:

Das Silber eines Schmelzschweißdrahtes oder eines ₆ Schweizerische Patentschriften Nr. 259880, 338680;

-Stabes gemäß der Erfindung muß nicht unbedingt französische Patentschrift Nr. 1180 893.

709 690/286 11.67 Q Bundesdruckerei Berlin