DE1508351A1 - Abschmelzender Stahlschweissdraht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen abschmelzenden Schweißdraht zur Verbesserung der Streckgrenze unter mindestens Beibehaltung der Schlagfestigkeitseigenschaften beim Schweißen von niedrig legierten kerbschlagzähen Stählen hoher Streckgrenze.

Die Entwicklung von Schweißdrähten erfolgt naturgemäß auf empirischem Wege, wobei verschiedene Bestandteile, wie Kohlenstoff, Nickel, Mangan, Chrom, Molybdän und Kobalt in unterschiedlicher Menge benutzt werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften im Schweißgut zu erhalten und zugleich für gute Schweißbarkeit zu sorgen. Dies trifft insbesondere für die Entwicklung von Drähten zum Schweißen der verhältnismäßig neuen niedrig legierten kerbschlagzähen Stähle hoher Streckgrenze zu.

Ein niedrig legierter Stahl mit einer Mindeststreckgrenze von etwa 56 kg/mm[hoch 2] hat ungefähr die folgende Zusammensetzung: maximal 0,18 % Kohlenstoff (C); 0,10 bis 0,40 % Mangan (Mn); 1,00 bis 1,80 % Chrom (Cr); 2,00 bis 3,25 % Nickel (Ni); 0,20 bis 0,60 % Molybdän (Mo); 0,15 bis 0,35 % Silizium (Si); maximal 0,025 % Phosphor (P); maximal 0,025 % Schwefel (S); Rest Eisen.

Ein niedrig legierter Stahl mit einer Mindeststreckgrenze von etwa 91 bis 105 kg/mm[hoch 2] hat ungefähr die folgende typische Zusammensetzung: 0,12 % C; 1,0 % Mn; 0,25 % Si; 5,0 % Ni; 0,50 % Cr; 0,50 % Mo; 0,07 % V; Rest Eisen.

Diese Stähle wurden entwickelt, um auch bei niedrigen Temperaturen ein gutes Verhalten bei Schlagbeanspruchung zu erzielen, während hohe Streckgrenzenwerte aufrechterhalten bleiben. Die Fertigung solcher Stähle ist verhältnismäßig einfach. Durch Auswahl der chemischen Zusammensetzungen, des Stahlherstellungsverfahrens und der Wärmebehandlung läßt sich eine gute Kombination aus Zähigkeit und Festigkeit ohne weiteres erreichen. Eine gleichartige Anpassungsfähigkeit ist jedoch bei der Herstellung von Schweißverbindungen nicht anzutreffen. Die Eigenschaften der Schweiße entsprechen im wesentlichen den bei Abschreckung mit sehr geringfügiger Wärmebehandlung zwecks Vergütung erhaltenen Eigenschaften. Es müssen daher Schweißdrähte entwickelt werden, die die gewünschten Eigenschaften in dem einer Schweißung entsprechenden Zustand aufweisen. Dies erwies sich als sehr schwieriges Problem.

Bislang begünstigten die meisten bei der Drahtherstellung verwendeten Elemente die Festigkeit der Schweißung, waren jedoch für die Kerbschlagzähigkeitseigenschaften von Nachteil. Während beispielsweise Kohlenstoff bekanntlich die Festigkeit bei Stahl erhöht, hat er einen äußerst ungünstigen Einfluß auf die Kerbschlagzähigkeit und vermindert außerdem die Widerstandsfähigkeit gegen eine Rissbildung des Schweißguts.

Es wurde unerwartet gefunden, daß ein Tantalzusatz zum Schweißgut in einer Menge zwischen ungefähr 0,005 bis 0,20 % die Streckgrenze erhöht, während die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts mindestens beibehalten wird.

Ein Hauptziel der Erfindung ist demgemäß die Schaffung eines Schweißdrahts für das Lichtbogenschweißen von niedrig legierten kerbschlagzähen Stählen hoher Streckgrenze, bei dem die Streckgrenze des Schweißguts durch einen Tantalzusatz zum Schweißdraht in einer Menge verbessert wird, die ausreicht, den höheren Streckgrenzenwert zu erhalten, ohne daß die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts merklich herabgesetzt wird.

Ein weiteres Ziel ist die Schaffung einer abschmelzenden

Schweißdrahtelektrode für das Schutzgaslichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode, bei dem der abschmelzenden Drahtelektrode Tantal in einer Menge von ungefähr 0,005 bis 0,20 Gewichtsprozent zugesetzt ist.

Erfindungsgemäß wird ein abschmelzender Stahlschweißdraht geschaffen, der eines oder mehrere der Legierungselemente Nickel, Mangan, Chrom, Molybdän und Kobalt enthält und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er einen Gehalt von 0,005 bis 0,20 Gewichtsprozent Tantal hat.

Tantal wurde bereits zur Verbesserung der Eigenschaften von einigen jüngst entwickelten Stählen, beispielsweise von Chrom-Kupfer-Nickel-Stählen benutzt. Nach bisheriger Auffassung kann als Austauschstoff Niobium vorgesehen werden, um die verbesserten Stahleigenschaften herbeizuführen. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß Tantal bei Zusatz in bestimmtem Mengenbereich zu einem Schweißdraht, der abschmilzt und das Schweißgut bildet, in unerwarteter Weise die Streckgrenze verbessert, während die Kerbschlagzähigkeit erhalten bleibt. Auf der anderen Seite hat Niobium, das hinsichtlich der Verbesserung der Eigenschaften von Stahl bislang als Äquivalent für Tantal angesehen wurde, einen nachteiligen Einfluß auf die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts im Bereich von Raumtemperatur bis herab zu ungefähr -73°C.

Während in der bevorzugten Ausführungsform das Grundmerkmal der Erfindung in Verbindung mit Schweißdrähten erläutert wird, die Tantal enthalten, ist es auch möglich, daß Tantal dem Schweißgut aus einer anderen Quelle, beispielsweise aus einem Schweißmittel, zugesetzt wird.

Die untenstehende Tabelle I gibt die zulässigen und vorzugsweise benutzten Bereiche der chemischen Zusammensetzung der erfindungsgemäß geschaffenen Drähte in Gewichtsprozent an.

Der Kohlenstoffgehalt ist mit unter 0,30 % angegeben, da in Stahl eine gewisse Menge Kohlenstoff vorhanden sein muß; für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sollte der Kohlenstoffgehalt jedoch - wie gesagt - kleiner als 0,30 % sein.

Bekanntlich haben auch andere Faktoren als die Drahtzusammensetzung Einfluß auf die erhaltenen Schweißergebnisse. So sind beispielsweise das Schutzgas, die Stromdichte und der Drahtdurchmesser einige der eine Rolle spielenden Parameter. Die Daten sind vorliegend derart angeführt, daß dem Durchschnittsfachmann das Wesen der Erfindung klar verständlich wird und eine technische Lehre vermittelt wird, die es erlaubt, die Erfindung unter Erzielung der genannten Ergebnisse praktisch anzuwenden.

Die Erfindung ist auf Stahldrähte beschränkt, die mit mindestens einem Legierungselement, wie Nickel, Chrom, Mangan, Molybdän und Kobalt, legiert sind. Gewöhnlich sind zur Erzielung des geeigneten Gleichgewichts von Festigkeit und Zähigkeit in der Schweißnaht die metallischen Bestandteile auf verschiedene Elemente, insbesondere Nickel, Chrom, Mangan und Molybdän, verteilt. Soll der Draht zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen mit abschmelzender Elektrode verwendet werden, wird außerdem Silizium als Deoxydationsmittel zugesetzt.

Die Entdeckung des unerwarteten Einflusses von Tantal auf die Eigenschaften des eingetragenen Schweißguts erfolgte während Versuchen an Stumpfstößen mit einem Öffnungswinkel von 45° an zwei Stahlteilen der erfindungsgemäß betrachteten Art. Die einander zugekehrten Kanten der Werkstücke waren absichtlich eine erhebliche Strecke voneinander entfernt gehalten, um jeden Zweifel hinsichtlich möglicher Einflüsse durch Aufnahme von Elementen oder Metallen aus dem Grundwerkstoff auszuschließen. Die Testproben wurden aus dem Mittelteil der Schweißung herausgeschnitten, wie dies bei der Auswertung der Eigenschaften des Schweißguts üblich ist.

Die Drähte A bis C in Tabelle II wurden bei den obenerwähnten Versuchen benutzt. Die Schweißbedingungen waren für jede Drahtprüfung im wesentlichen die gleichen. Der Lichtbogenstrom betrug 355 A, die Lichtbogenspannung 23 ½ V Gleichstrom (Elektrode positiv), die Drahtstärke 2,38 mm Durchmesser. Als Schutzgas wurde Argon+ 2 % 0[tief 2] in einer Menge von 1,42 m[hoch 3]/h benutzt. Die Schweißgeschwindigkeit betrug 35,6 cm/min. Die Vorheiztemperatur lag bei 66°C, die Temperatur zwischen der Einbringung der einzelnen Schweißraupen bei 93°C. Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle III zusammengefasst.

Weitere Drähte wurden gefertigt, bei denen als Zusatz Niobium statt Tantal verwendet wurde. In der Tabelle IV sind die Zusammensetzungen dieser Drähte angegeben.

Diese Drähte wurden unter den gleichen Bedingungen geprüft, wie sie oben für die Drähte A-C genannt sind. Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle V zusammengefasst.

Aus den obigen Daten folgt, daß im Gegensatz zu den zu erwartenden Ergebnissen Niobium auf die Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen nicht den gleichen günstigen Einfluß wie Tantal hat.

Andere Drähte ähnlich den Drähten A bis C in Tabelle II lassen sich fertigen, um hochfeste Werkstoffe zu schweißen. Typische Drahtzusammensetzungen für derartige Drähte sind in Tabelle II unter D bis I angeführt. Jeder dieser Drähte enthielt ungefähr 0,015 % Tantal.

Im Laufe weiterer Untersuchungen wurden zwei Drähte mit im wesentlichen gleicher chemischer Zusammensetzung jedoch unterschiedlichen Mengen an Tantal hergestellt. Verwiesen sei auf Tabelle VI. Beide Drähte enthielten 0,012 % oder 120 Teile je Million Stickstoff. Dies ist verglichen beispielsweise mit den Drähten D bis H in Tabelle II eine mäßige Stickstoffmenge.

Die Drähte wurden unter Bedingungen ähnlich wie den für die Drähte A bis C genannten geprüft. Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle VII zusammengestellt. Die Schweißung, die mit dem 0,014 % Tantal enthaltenden Draht ausgeführt wurde, hatte bei -51°c und -73°C höhere Kerbschlagzähigkeitswerte. Außerdem führte dieser Draht, obwohl er 0,01 % weniger Kohlenstoff enthielt, zu Schweißungen, die eine um ungefähr 1,4 bis 2,1 kg/mm[hoch 2] höhere Streckgrenze aufwiesen.

Aus diesen Daten kann gefolgert werden, daß bei Vorhandensein einer mäßigen Stickstoffmenge ein kleiner Betrag an Tantal einen höheren Stickstoffgehalt des Schweißguts zulässt. Dies ist von besonderem Nutzen, da es schwierig ist, den Stickstoffgehalt abzusenken.

Claims (9)

1. Abschmelzender Stahlschweißdraht, der eines oder mehrere der Legierungselemente Nickel, Mangan, Chrom, Molybdän und Kobalt enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Gehalt von 0,005 bis 0,20 Gewichtsprozent Tantal hat.

2. Abschmelzender Schweißdraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich Silizium enthält.

3. Abschmelzender ferritischer Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gewichtsprozent aus weniger als 0,30 % C; 0,1 bis 2,5 % Mn; 1 bis 12 % Ni; 0,05 bis 1,5 % Mo; 0,05 bis 1,5 % Cr; 0 bis 4 % Co; maximal 0,6 % Si; 0,005 bis 0,20 % Ta und gegebenenfalls kleineren Mengen von Cu, Ti, Zr, Al, V, S und P, Rest Eisen besteht.

4. Abschmelzender ferritischer Draht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Cu, Ti, Zr, Al, V, S und P, falls vorhanden, auf bis zu 1,00 % Cu, bis zu 0,05 % Ti, bis zu 0,05 % Zr, bis zu 0,05 % Al, bis zu 0,05 % V, bis zu 0,015 % S und bis zu 0,015 & P belaufen.

5. Abschmelzender ferritischer Draht nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gewichtsprozenten besteht aus 0,04 bis 0,16 % C; 1,25 bis 1,80 % Mn; 1,50 bis 3,00 % Ni; 0,20 bis 1,25 % Mo; 0,4 bis 0,80 % Cr; 0,2 bis

0,6 % Si; 0,005 bis 0,20 % Ta; 0 bis 1,00 % Cu; 0 bis 0,05 % Ti; 0 bis 0,05 % Zr; 0 bis 0,05 % Al; 0 bis 0,05 % V; 0 bis 0,015 % S; 0 bis 0,015 % P, Rest Eisen.

6. Abschmelzender ferritischer Draht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gewichtsprozent besteht aus 0,11 % C; 0,004 % S; 0,004 % P; 1,70 % Mn; 0,35 % Si; 2,50 % Ni; 0,85 % Mo; 0,60 % Cr; 0,20 % Cu; 0,02 % V, Spuren von Al, Spuren von Zr, Spuren von Ti, 0,02 % Ta, Rest Eisen.

7. Abschmelzender ferritischer Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gewichtsprozent besteht aus 0,059 % C; 0,009 % S; 1,47 % Mn; 0,16 % Si; 1,77 % Ni; 0,32 % Mo; 0,15 % Cr; 0,17 % Cu; 0,021 % Al; 0,036 % Ti; 0,01 % Zr; 0,014 % Ta, Rest Eisen.

8. Abschmelzender ferritischer Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gewichtsprozent besteht aus 0,08 % C; 0,007 % S; 0,003 % P; 1,50 % Mn; 0,25 % Si; 2,50 % Ni; 0,50 % Mo; 0,40 % Cr; 0,45 % Cu; 0,02 % V; 0,01 % Al; 0,001 % Ti; 0,01 % Zr; 0,015 % Ta; 0,005 % N[tief 2], Rest Eisen.

9. Abschmelzender ferritischer Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gewichtsprozent besteht aus 0,12 % C; 0,007 % S; 0,006 % P;

1,25 % Mn; 0,30 % Si; 2,75 % Ni; 0,85 % Mo; 0,55 % Cr; 0,10 % Cu; 0,01 % V; 0,03 % Al; 0,01 % Ti; 0,03 % Zr; 0,015 % Ta; 0,005 % N[tief 2], Rest Eisen.