DE1540846A1

DE1540846A1 - Schweissverfahren fuer Stahl von hoher Zugfestigkeit

Info

Publication number: DE1540846A1
Application number: DE19651540846
Authority: DE
Inventors: Yoshio Akita; Hajine Nakamura
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1965-03-04
Filing date: 1965-06-19
Publication date: 1970-07-02
Also published as: US3484930A

Description

Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha, No. 4» 2-chome,

Ote-machi, Chiyoda-ku, Tokyo-to / Japan *

"Schweißverfahren für Stahl von hoher Zugfeatiglceit"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von voll hoher Zugfestigkeit.

Bekanntlich stehen die Festigkeit von Stahl und dessen Schweißbarkeit in einem gewissen Widerspruch zueinander. Je höher die Festigkeit des Stahls ist, umso ungünstiger ist seine Schweiß- ' barkeita Deshalb führt nicht nur im Falle von Stahl von ho- her Zugfestigkeit von mehr als 100 kg/mm , sondern auch im Falle-von Stählen geringerer Zugfestigkeit, von z.B. 80 kg/

mm , die außerordentliche Wärmeaufnahme während des Schweißvorganges zu einem geringeren Gharpy-Kerbschlag-Wert und einer größeren öprödigkeit in der VerschHmelzungslinie, d.h. der Grenze zwischen dem geachwelßten Metall und dee durch die Wärme beeinflußten Bereichs des geschweißten Körpers.

Neue Unterjaflen IM. 7 § ι Abs. ζ Nr. I Satz 3 deeÄnderunosses. v. % 1967) - 2 -

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ferner ändert sich die Härte dieser Grenzzone plötzlich unter damit gleichlaufendem Auftreten von geringeren Mängeln in dem durch daa Schweißen geschmolzenen Bereich, wie von Unterschneidungen, die ihrerseits zu Störungen, wie Sprödigkeitsbrüchen längs der Schweißnaht bereits bei einer Beanspruchung von zum Beispiel um 30 kg/mm , die weit geringer ist als die Zugbeanspruchung, der der Stahl bei seiner normalen Verwendung, gegebenenfalls ausgesetzt ist, liegt, führen· Unter diesen Umständen kann also die hohe Zugfestigkeit eines Stahle mit diesen Eigenschaften nicht wirksam ausgenutzt werden·

Es ist vielfach versucht worden, die Verschweißbarkeit von Stählen hoher Zugfestigkeit zu verbessern, um die Gefahr des Auftretens solcher Sprödigkeitsbrüche zu verhindern. Zum Beispiel sind die Wirkungen untersucht worden, die insoweit dadurch, daß dem Stahl Kohlenstoff und zusätzliche Legierungsbestandteile in verschiedenen anteiligen Mengen zugesetzt werden, erreicht werden, um zweckentsprechende Bedingungen hinsichtlich der Art der Vorwärmung, der Bemessung der Stärke und Spannung des Strome beim Verschweißen, ferner des Schweißstabes usw. zu ermitteln. Alle diese Bemühungen haben, obwohl sie als Ergebnis komplizierte Arbeitsmethoden vorschlagen,

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bisher nicht zu einer erfolgreichen Ausschaltung der oben erwähnten Nachteile und Schwierigkeiten geführt.

Durch dae Verfahren gemäß der Erfindung wird die Aufgabe, das Auftreten von Sprödigkeitsbrüchen in dem verschweißten Bereich von Stahl von hoher Zugfestigkeit zu verhindern, gelöst· Das neue Schweißverfahren zeichnet sich ferner gegenüber den für den gleichen Zweck bekannten sehr komplizierten Verfahren durch außerordentliche Vollkommenheit und Einfachheit aus. Bei seiner Anwendung entstehen keine Unterschneidungen bzw« Kerben und andere Mangel an dem geschweißten Körper, dessen metallurgische Struktur wird verbessert und die Schweißnaht verläuft schräg nach außen in die Oberfläche des geschweißten Bleches geneigt·

Gemäß der Erfindung wird an der zum Beispiel durch Stumpf- oder Kehlnahtschweißung hergestellten Schweißverbindung eines hochzugxfesten Stahls, dessen Zugfestigkeit mehr als 80 kg/mm beträgt, in der Nachbarschaft der Schmelzlinie während des oder auch, vor dem Verschweißen auf das Ende der Schweißkante des Grundmetalls eine mehr als 6 mm breite Schweißraupe mittels eines Schweißstabes aufgetragen, der aus einem Metall besteht, dessen Zugfestigkeit nicht höher ist als die des Grundmetalls.

Hierdurch werden die Voraussetzungen, die sich beim Auftre-

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ten yon Beanspruchungen des spröden Teils des Metalls ergeben₉ verbessert·

Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen anhand der Abbildungen beschrieben.

Pig. 1 ist ein Schnitt durch eine nach dem neuen Verfahren hergestellte Stumpfverschweißung,

Fig. 2 ist ein entsprechender Schnitt durch eine nach dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren hergestellte Kehlnahtverschweißung.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, welche die Bezieh«ngen zwischen der Temperatur■zur Zeit der Spannungseinwirkung und der Bruchfestigkeit eines Stahls mit einer Zugfestigkeit von 80 kg/mm erkennen läßt.

Fig. 4 zeigt die Ausbildung der Bruchoberflächen im Falle der in der folgenden Tabelle aufgeführten Probekörper.

Das Schweißverfahren gemäß der Erfindung ist nicht nur auf die Herstellung von Yerachweißungen mit sogenannten X-ffähten, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, sondern auch für das Stumpfschweißen mit anders ausgebildeten Schweißnähten und

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insbesondere auch Kehlnahtvers chweißungen, wie eine solche in Pig· 2 dargestellt ist, anwendbar.

Im Palle der in Pig. 1 gezeigten Schweißnaht von X-Porm, an Hand deren nunmehr das Schweißverfahren gemäß der Erfindung erläutert werden soll, werden die miteinander zu verschweißenden Körper, zum Beispiel Bleche 1 aus hochzugfestern Stahl, nach Bildung der Schweißfuge an ihren Kanten stumpf aneinandergestoßen und in der normalen Weise miteinander verschweißt, worauf aus einem Schweißstab von grosser Zähigkeit Raupen 4 von je mehr als 6 mm Breite im Bereich der Außenenden der verschmolzenen Bereiche 5 an die Oberflächen der verschweißten Körper angeschweißt werden. Ia Palle ixx. dieser Ausfuhrungsform erfolgt eine Vorerhitzung in je nach den Eigenschaften des Grundmetalls 1 gewählter Weise, und das Aufschweißen der Raupen 4 erfolgt mittels eines Schweißstabes von der gleichen oder einer nur etwae geringeren Zugfestigkeit wie das Grundmetall· Zusätzlich können die Oberflächen der Raupen 4, insbesondere falls eine spätere Kontrolle der Güte der Verachweis- sung durch Röntgenstrahlen erfolgen soll, durch einen Schleif Vorgang geglättet werden·

Es ist auch möglich, an den Stellen 4 der Fig. 1 bereits vor dem Verschweißen Raupen von mehr als 6 mm Breite auf-.'

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zuschweißen und dann das eigentliche Verschweißen der in der üblichen Weise stumpf aufeinandergestoßenen Teile vorzunehmen·

Sie Vergrößerung der Zahl der Arbeitsstufen bei Anwendung dee Verschweißungsverfahrens gemäß der Erfindung ist nicht wesentlich, weil sie sich auf das Aufschweißen der Raupen 4 beschränkt.

lach dem Verschweißen besteht die in Pig. 1 dargestellte Schweißverbindung aus dem die Schweißnaht bildenden Metall 2, welches, durch normales Schweißen im Bereich der X-Puge zwischen den beiden zu verschweißenden Teilen 1 geschmolzen wurde, dem Bereich 3 des Metalls, welcher durch die Schweißhitze beeinflußt wurde, und den Baupen 4, durch welche die Gefahr des Auftretens von Brüchen verhindert wird·

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Tabelle

Probekörper

Breite der zur Verhinderung dea Auftretens Ton Sprödigkeitsbrüchen aufgebrachten Raupe örtliche Lage
der Bruchfläche

Qualität der Bruchfläche

O (am)

Bruch erfolg ausschließlich als Folge der Sprödigkeit prozentuale Sprödigkeit 100 $

5 (ma)

Bruch erfolgt teilweise als Folge der Sprödigkeit prozentuale Sprödigkeit durchschnittlich 50 1*

8 (am)

Bruch verläuft nur durch das Grundmetall prozentuale Sprödigkeit 0 *

13 (■»)

Bruch verläuft nur durch das Grundmetall prozentuale Sprödigkeit

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Die Tabelle läßt die Eigenschaften des Schnittes wie auch die Zugbelastungι welche zum Bruch führt, ohne und im Falle des Vorhandenseins der Raupen gemäß der Erfindung, de ren Breiten r (Raupe 4) gemäß Fig. 1 O, 5, 8 und 13 mm betragen, erkennen.

Pig. 4· zeigt die Bruchflächen der Probekörper gemäß der Tabelle, wobei die in dieser Figur enthaltenen Zahlen die Breite der Raupen, in Millimetern ausgedrückt, angeben.

Der Probekörper A läßt erkennen, in welcher Weise der Bruch durch eine übliche Verschweißungsstelle von Stahl von hoher Zugfestigkeit ohne das erfindungsgemäße Aufbringen einer Raupe erfolgt. Die Bruchfläche liegt in der Verschmelzungslinie zwischen dem geschweißten Metall und dem Grundmetall und bildet die Ursache für einen durchgehenden Sprödigkeitebruch. Sie läßt die Nachteile des üblichen Verfahrens deutlich erkennen.

Im Falle des Probekörpers B, der aufgetragene Raupen von 5 mm Breite aufweist, ergab sich, daß ein Teil der Bruchflache rauh und duktil, dagegen ein anderer Teil von sil berweißer Farbe und spröde ist, wobei der Anteil der spröden Bruchfläche an dem Gesamtbereich der Bruchfläche durch-

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ichnittlioh 50 # beträgt· In diesem Falle tritt also die Wirkung der Raupe bereits in einem gewissen Grade ein.

Im Falle der Probekörper C und D, welche aufgetragene Baupen von Θ bzw· 13 mm Breite aufweisen, erfolgt ein Zähigkeitsbruch nur im Körper des Grundmetalls, während des Vorhandenseins der Schweißraupe, welche den auslaufenden Bereich des beim Schweißen geschmolzenen Teils überdeckt, das Auftreten eines Sprödigkeitsbruchs verhindert hat· Hieraus ist deutlich die Wirksamkeit des Schweißverfahrene gemäß der Erfindung, d.h. der Erfolg, der dadurch, daß auf die Oberfläche des beim Schweißvorgang geschmolzenen Bereichs eine Schweißraupe aufgebracht wird, erzielt wird, ersichtlich.

falls ferner die zusätzlichen Schweißraupen im mittleren Bereich der beim Schweißvorgang geschmolzenen Metallschicht angeordnet werden, so wirken sie im Sinne einer Verbesserung der Qualität der darunterliegenden Metallschichten und verhindern auch dadurch die Gefahr eines Sprödigkeitsbruches_β

Durch zahlreiche Versuche wurde bestätigt, daß der Erfolg des Verfahrens gemäß der Erfindung dadurch, daß die Breite

Sch
der zusätzlichen Weißraupen auf über 6 mm erhöht wird, regelmäßig noch verbessert wird.

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Pig. 3 zeigt die Wirkung der zusätzlichen Schweißraupe im Falle der Durchführung des Schweißvorganges unter sehr hoher Erhitzung eines Stahlmateriala^, von der hohen Zugfestigkeit von 80 kg/mm . Durch das Vorhandensein der Schweißraupe wird die Zugfestigkeit des verschweißten Körpers auf 76 kg/mm , d.h. auf ungefähr 95 # der Zugfestigkeit des Stahls gesteigert, während bei Fehlen der Schweißraupe bei der Versuchistemperatur von -100⁰C ein Bruch bereits bei einer Zugbelastung von etwa 40 kg/mm , d.h. nur etwa 50$ der Zugfestigkeit des Stahls auftritt.

Die Hauptwirkungen der Anbringung der zusätzlichen Schweißraupe bzw. -Raupen bei dem Schweißverfahren für Stahl von hoher Zugfestigkeit gemäß der Erfindung sind die folgenden:

1) Der Spalt, welcher an einem Ende der Schweißraupe auftritt, erstreckt sich nicht ohne weiteres bis in die Schweißnaht 5, da ein Ende der Schweißraupe von der Schweißnaht zurückfließt und die Schweißnaht 6 zwischen Baupe und Grundkörper scharf in die normale Richtung der Werkstückoberfläche zurückgebogen verläuft·

2) Geringfügige Fehler in der Kante des geschweißten Körpers, wie XsaJEK Kerben, verschwinden in der Regel durch

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dl· Wiederholung des SchmelzVorganges. Insbesondere da die §chweißraupe gemäß der Erfindung aus einem Schweißstab von geringer Zugfestigkeit und hoher Schweißbarkeit gebildet wird, wird dieses Ergebnis in vollkommener Weise erzielt·

3) See Gußgefüge des geschmolzenen Bereichs in der Nähe der Oberfläche der verschweißten Platte o. dgl. wird durch die Erhitzung in ein vergütetes Gefüge umgewandelt. Aue diesem Grunde wird dem verschweißten Bereich eine Zugfestigkeit von etwa dem gleichen Yfert wie der des Grundmetalle verliehen·

Die Verzögerung des Querschnitts des verschweißten Körpers, als Folge der Anordnung der zusätzlichen Schweißraupe bzw. -Baupen gemäß der Erfindung beträgt weniger als 10 ^c/i auf den Gesamtquerschnitt bezogen. Yifie oben anhand des Beispiels gemäß ?ig. 3 erläutert wurde, wird die Bruchfestigkeit mehr ale verdoppelt. Auch in dieser Hinsicht ist das Verfahren gemäß der Erfindung grundsätzlich verschieden von den z.B. für Aluminium und dergl. üblichen Schweißverfahren, oei welchen die Schweißraupe zum Zwecke der Vergrößerung des Querschnitte verstärkt und hierdurch aie des verschweißten Seile verstärkt wird. Im Falle von Flußstahl, bei welchem eich in dem Schmelzbereich weder ein erweichter noch ein

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spröder Teil ergibt, besteht die einzige Wirkung einer Verbindung der Schweißraupe in einer Vergrößerung des Querschnittes. Deshalb ist im Falle -von Flußstahl die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung, d.h. die Anbringung der zusätzlichen Raupe, ohne Interesse.

Wie oben erläutert wurde, werden durch das Schweißverfahren gemäß der Erfindung die kängel der bisher üblichen Verfahren zum Schweißen von Stahl von hoher Zugfestigkeit, von mehr als 80 kg/mm , beseitigt. Das bedeutet vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus eine Vergrößerung des Bereichs der Verwendungsmöglichkeiten dieser Stähle als Baumaterialien, der bisher durch die Schwierigkeiten, die bei diesen Stählen hinsichtlich der Herstellung von Schweißverbindungen vorhanden waren und die nicht überbrückt werden konnten, nur beschränkt war. Ferner ackann nunmehr insbesondere Stahl von hoher Zugfestigkeit in großem Umfange allgemein dort, wo es auf eine große Sicherheit der Schweißverbindung ankommt, wie für die Herstellung von Gefäßen hoher Druckfestigkeit, verwendet werden. In dieser Hinsicht erbringt das Verfahren gemäß der Erfindung einen Erfolg im Sinne der Steigerung der bisher erzielbaren Sicherheit unter Vereinfachung der Schweißtechnik gegenüber den bisher unter aolchen Voraussetzungen angeordneten Methoden.

Patentansprüche:

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Claims

154Ü346 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verschweißen von Körpern aus Stahl von hoher Zugfestigkeit von mehr als 80 kg/mm durch Stumpfoder Kehlnahtschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß auf den in die Oberfläche des Werkstücks auslaufenden Bereich der Schweißnaht eine Schweißraupe von mehr als 6 mm Breite, die aus einem Schweißstab hergestellt wird, dessen Zugfestigkeit nicht höher ist, ala die des Grundmetalls in der Nachbarschaft des Bereichs, in welchem die Schweißnaht des in normaler Weise geschweißten Metalls gebildet wird, aufgebracht wird.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schweißraupe bzw. Schweißraupen vor der eigentlichen Verschweißung aufgeschweißt sind«,

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die zusätzliche Schweißraupe bzw« -Raupen auf dem auslaufenden Bereich der Schweißnaht nach Bildung der normalen Schweißraupe aufgebracht sind.

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