DE1577014A1

DE1577014A1 - Verfahren zum Stumpfschweissen von Eisen und Staehlen

Info

Publication number: DE1577014A1
Application number: DE19651577014
Authority: DE
Inventors: Teiki Ito; Koh Moriyama; Takeshi Nishi
Original assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 1964-05-29
Filing date: 1965-05-28
Publication date: 1969-12-04
Also published as: BE664582A; GB1116666A; US3494019A

Description

Verfahren zum Stumpfschweißen von Eisen und Stählen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stumpfschweißen von Eisen und Stählen und insbesondere ein Stumpfschweißverfahren, durch das die Festigkeit der geschweißten Abschnitte von hochfestem oder ultrahochfestem Stahl der Bauwerkstoffe verbessert wird.

Der Sprödbruch von Stahlbausteffen entsteht hauptsächlich in den Schweißungen, insbesondere in der Wärmezone. D.h., dieser Fehler wird dadurch verursacht, daß die Struktur der Schweiße des Stahles, die durch die Wärme während der Schweißung beeinflußt wird, durch die Schweißwärme sich verändert, wodurch insbesondere die Zähfestigkeit der Schweiße vermindert wird entsprechend der Zunahme der Kristallkorngröße, wodurch

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an dieser Stelle eine Spannungsspitze entsteht. Neuerdings wird hochfester Stahl als Baustoff gefordert und um dieser Forderung zu begegnen, wurden viele Versuche durchgeführt, um den Stählen eine hohe oder ultrahohe Zugfestigkeit zu geben. Werden jedoch diese Stähle geschweißt und als Baumaterial verwendet, so ist es notwendig, daß die Festigkeit der Schweiße und insbesondere die Zähfestigkeit der Wärmezone so hoch ist wie die des Grundmaterials, und zu diesem Zweck ist eine Technik für hochfestes Schweißen erforderlich.

Es ist jedoch bei den üblichen Schweißtechniken, die bisher ausgeübt wurden, unmöglich, die Fehler in der Schweiße und der Wärmezone von hochfestem oder ultrahochfestem Stahl vollständig zu unterbinden, genausowenig wie es möglich ist, den obigen Forderungen zu entsprechen im Hinblick auf Schweißverfahren und zerstörungsfreie Prüfung, um kleine Schäden festzustellen.

Deshalb ist ein Ziel der Erfindung ein Schv/eißverfahren für die oben erwähnten Baustoffe, insbesondere für hochfeste und ultrahochfeste Stähle, wobei bei den su schweißenden Stahlwerkstoffen vielstufige Randabschnitte angenommen werden, und die Wärniezone nahezu parallel mit der Oberfläche des Stahlwerkstoffes verläuft.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist ein Schweißverfahren, in dem die von der Wärme beeinflußten Teile der Schweiße eine hohe Festigkeit haben, auch wenn beim Schweißen eine hohe

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Wärmezufuhr angewendet wird.

Diese und andere Ziele der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung anhand der Zeichnung lklar, in der: Pig. 1 verschiedene Beispiele zeigt, bei denen beim Stumpfschweißen von Stahlplatten die Schweißränder in üblicher Weise vorbereitet sind.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Verbindungsfuge beim Stumpfschweißen von Stahlplatten.

Pig* 3 zeigt ein anderes Beispiel der erfindungsgemäßen Verbindungsfuge beim Stumpfschweißen von Stahlplatten. Pig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Schweißung, wobei beim Stumpfschweißen die übliche, in Pig. 1 gezeigte Fuge verwendet wurde.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der Schweiße, wobei beim Stumpfschweißen die erfindungsgemäße, in Fig. 2 gezeigte Verbindungsfuge verwendet wurde.

Die Figuren 6 bis ti zeigen Bruchstücke aus Zugspannungsversuchen der Schweiße, wobei beim Stumpfschweißen die übliche Fuge verwendet wurde.

Die Figuren 9 bis 12 zeigen Bruchstücke der Schweiße aus Zugversuchen, wobei beim ntunpfochweißen die erfindungagemäße Fuge verwendet wurde.

Fi£. 13 zeigt die Form der Schweiße, wenn ein starker Sugvereuch angewandt wurde.

Beim Stumpf sch weil.-en von Stahlplatten haben die Ränder 2

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des zu verschweigenden Grundmaterials 1 eine einfache Fugenform, z. B. eine x-förmige Fuge wie in Pig. 1 gezeigt, um die notwendige Ken.:e an Schv/eißriietall einzufügen. Wenn jedoch beim Stumpfschweißen eine derartige einfache übliche Fügenform verwendet wird, bildet sich die von der Wärme beeinflußte Zone verhältnismäßig senkrecht zur Plattenfläche und verhältnismäßig schmal aus. In der Wärme zone wird die Korngröße des Kristalin des Grundmaterial durch die Schweißwärme vergröbert unu. diese Zone wird spröd im Vergleich mit anderen Teilen des Grundmaterial. Wird ein derartiger in üblicher Weise geschweifter Stahl als Bauwerkstoff verwendet, so ist es sehr wahrscheinlich, αate in den schmalen Wärmezonen Spannungsspitzen auftreten, wouurch diese Zonen geringe Festigkeit und Zähigkeit haben mit dem Ergebnis, daß das Bauteil zerstört werden kann. Dasselbe kann auftreten bei der Verwendung der üblichen 'I-förmigen, U-förmigen, V-förmigen, Z-förmigen und I-förnigen Verbindungsfugen.

Erl'indungsgenäÖ sina in einem Stumpfschweiöverfahren für Eisen und Sthlwerkstoffe die Verbindungsiugen der zu verschweißenden Eiser, oder Styh Lwerkstof f e in zwei oder mehr Stufenabschnittt. z?· ausgebildet, daU der V/inkel der Fuge an der Inn^nse i. t« d.?r Lücke oder des Zv/ischenraums zwischen beiden Päi.^f-rn rri; .ji ist als der an der Außenseite, wodurch der ^of!v:pijbere:/^:. "ier ₍.:eschv;eiiJten l'etallflache vergrößert

BAD ORIGINAL 909849/0619

werden kann. Die Beispiele des Winkels der Verbindungsfuge dieser Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt; d. h. in Pig, 2 ist eine X-förmige oder Doppel-V-Fuge gezeigt, m_t einer abgeschrägten Fläche 2, um die erste Winkelstufe der Fuge au bilden und einer abgeschrägten Fläche Jy, um die zweite Winkelstufe der Fuge zu bilden, die breiter als die erste Stufe ist. In Fig. 3 ist ein Beispiel einer 3-stufigen erfindungsgemäßen Fuge gezeigt, worin eine abgeschrägte Fläche 4 zusätzlich an der Außenseite der zweiten sciirägen Fläche 2 von FiL. 2 .gebildet ist, wodurch sich eine dritte Winkelstufe der Fuge ergibt, die viel breiter als die zweite Winkelstufe ist. Beim Stumpfschweißen wird unter Verwendung einer derartigen vielstufigen Fuge, eine H-förmige Schweiße mit einem großen Bereich von Schweißmetail 5 erreicht. Deshalb ist die spröde Wärme25one nahezu parallel zur Fläche der Stahlplatte ausgebreitet una verläuft auch längs zur Stahlplatte, wodurch die Möglichkeit zur Bildung einer Spannungskonzentration in dem schmalen Teil extrem vermindert ist,

Daher wird beim erfindungsgemäßen Stumpfschweißverfahren, insbesondere bei hochfesten oder ultrahochfesten Stählen, die Festigkeit der Schweiße erhöht, die Bildung einer Bruchstelle in der Schweiße kann verhindert v/erden, und selbst wenn Fehlstellen entstehen, so nimmt die zur Ausbreitung der Fehistellen benötigte Energie stark zu, wodurch eine Ausbreitung der Fehlstellenbildung verhindert wird»

^BAD VAGINAL

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,Um eine Fuge zu bilden, um eine gewünschte Menge von Schweißmetall im Verfahren der Erfindung zu erhalten, wird an der oberen Seite des Randes der Stahlplatte eine verhältnismäßig atufenartig abgeschrägte Fläche 2 gebildet, die die erste Winkelstufe der Fuge ergibt, weiter wird an der Außenseite der ersten Schrage eine verhältnismäßig lose abgeschrägte Fläche 3 oder 4 ausgebildet, damit sich das Schweißmetall mehr ausbreiten kann. Die erfindungsgemäße Verbindungsfuge kann, wie oben angeführt, in zwei oder drei Stufen geformt werden, sie kann natürlich auch in vier oder mehr Stufen geformt werden. In dieser Hinsicht wird jedoch vorzugsweise bei einer drei- oder mehrstufigen Fuge, deren Form unter Berücksichtigung der Dicke aer Stahlplatte, die zu verschweißen ist, und der Wirtschaftlichkeit in der Herstellung der Platte bestimmt.

Weiterhin kann nach dem erfindungsg-ruäBen Verfahren die Form der Fuge ein konvexer Kreiu sein. Bisher wurde die Erfindung am Beispiel einer X-fcrmigen oder Doppel-V-Fuge erläutert, die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall begrenzt, sondern sie ist auch bei ü-förmigen, V-förmigen, Z-förmigen, Y-förmigen oder I-förmigen Fugen, die symmetrisch oder asymmetrisch sein können, verwendbar.

Das erfindungsgemäße Stumpfschwemmverfahren kann bei Schutemetallelektroschweißen, Kohlendioxydgasschweißen, Inertgaselefetroschweißen, Unterwasserelektroschweißen und allen anderen Schmelzschweißverfahren verwendet werden. Bei diesen wird

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ein Bruch bei niederer Beanspruchung besonders stark verhindert, wenn daa erfindungsgemäße Verfahren bei einem Schweißvorgang angewandt wird, der eine große V/armezufuhr erfordert.

Das folgende Beispiel zeigt ein erfindungsgemaßes Stumpfschweißverfehren, ohne jedoch dieses in irgendeiner Weise einzugrenzen.

Beispiel:

Es wurde eine hochfeste Stahlplatte verwendet, deren Zusammensetzung und Zugfestigkeit in der folgenden Taeelle dargestellt werden.

Tabelle 1

Zusermneneetz¹! -■? -in Gewi cM s ρ ro :■■>·■'; ■ ■ ■- \_;nd 'lU'aDatmunA in xp/ren

G Si Mn P S Ou Ni C: i:o '■: J< Lu-"-'/*? TTi^-

:.. ϊ^: 0.30 0.90 0.011 0,09 0.24 1,24 0,60 0.56 0,0'- 0.0',; 105

'Dp. α Stumpfschweißen wurde durchgeführt, indem die in Fig. 1 gezeigte übliche Nut und die in den Fig. 2 und 't- dargestellten erfindungsgemäßen Nuten verwendet wurden. Die v/inkel der Ränder, die Dimensionen der Fuge, dif: Dicke der Plavten_} etc. sind in Tabelle 2 gezeigt, in der die Bezugszeichen A bis Ii den Bezugszeichen A bis N in den Fig. 1 bis 3 entsprechen.

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Tabelle 2

Dimension der Fuge und Dicke der Platte

Versuchsstücke- ABC D EP G HIJKLMN

1, 2 60° 90° 12mm 7,2mm 19,2mm1,5mm - - - -- - -

60° 90° 24mm 14mm 38mm 2mm - - - -- - -

4, 5 60° 90° 12mm 7,2mm 19,2mm 1,5 140⁰140°4mm 4mm- - -

60° 90° 24mm 14mm 38 mm 2mm 140^O140°7mm 7mm- - -

60° 60° 10mm 10mm 38mm 0mm 100°100°5mm 6mm 4 3 HO⁰UO⁰

mm mm ·

Die Schweißbedingungen sind in Tabelle 3 zusammen mit den Ergebnissen von ausgedehnten Zugversuchen dargestellt. Das Versuchsstücke hatte die in Fig. 13 dargestellte Form, in der a = 420 mm, b = 606 mm, c = 70 mm Radius und d = 960 mm sind.

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Versuchsstück Nr.

Tabelle 3
Schweiiibedingungen und Versuchsergebnisse von Schweißungen

Plattendicke Schweißlage Bruchfe- Sehweißwärme Bruchstelle Sprödbruchflache

stigkeit (Joule/cm) in io

kp/mm

	1 2 3	übliche X-Puge	19,2 19,2 38	vertikal nach unten nach unten	67,6 99,6 104,9	42 20 22	000 000 000	Wärmeζone Wärmezone Wärmeζone	70 io 40 io 35 io	■
co O										I
to CD to	4	Zwei-	19,2	vertikal	104,0	42	000	Wärmeζone und Grundmaterial	12 io
CD CD	5	Stufen- Fug e	19,2	nach unten	105,4	20	000	Grundmaterial	*\J /0*
CO	6		38	nach unten	106,7	22	000	Grundmaterial	ο io
	7	Drei-Stufen-	38	nach unten	105,6	40	000	Grundmaterial	3 io
		Fuge

(Die gebrochenen Teile der Teststücke sind die, die in gezackter Form in den Pig. 6 bis 12 gezeichnet sind; Pig. 6 entspricht dem Teststück Nr. 1, Fig. 7 dem Teststück Nr. 2, Fig. dem Teststück Nr. 3, Fig. 9 dem Teststüok Nr. 4, Fig. 10 dem Teststück Nr. 5, Fig. 11 dem Teststück Nr. 6 und Fig. 12 dem Teststück Nr. 7.)

Wie in den obigen Ergebnissen dargestellt, ist im Falle der Verwendung der üblichen X-fÖrmigen Fuge und der Annahme einer großen SchweilBwärme (Teststück Nr. 1, Fig. 6) das Testetück an der Stumpfschweißstelle bei der niederen Spannung von 67,6 kp/mm gebrochen und der Sprödbruchprozentsatz der Bruchfläche war in diesem Fall über 70 $. Wogegen im Falle der Verwendung der erfindungsgemäßen zweistufigen und dreistufigen Nut (Teststücke Nr. 4 bis 7, Fig. 9 bis 13) die Festigkeit der Verbindungen so hoch wie die des Grundmaterials war, auch wenn das Stumpfschweißen bei großer Schweißwärme durchgeführt wurde (Teststücke Nr. 4 und 7, Fig. 9 bis 13). In diesem Fall war die Bruchstelle nicht auf die von der Schweißwärme beeinflußte Zone begrenzt, sondern reichte über eine Fläche, die einen Teil des Grundmaterials und die Wärmezone einschloß, und die Sprödbruchfläche betrug 3 und 12 $, was im Vergleich mit den üblichen Fugen extrem nieder ist. Weiterhin war, in dem Fall, in dem der Platte eine verhältnismäßig niedere Schweißwärme zugeführt wurde (Teststücke Nr. 3 und 6) Fig. 8 und 11), obwohl die Gefahr von Brüchen bei. niederer Beanspruchung auch bei der Verwendung der üblichen

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X-förmigen Fuge gering ist, die Bruchfestigkeit der Versuchs-8tücke etwas größer als diejenige der Stücke, die die konventionelle Fuge hatten, und der Prozentsatz der Sprödbruchfläche der Versuchsstücke war geringer als derjenige der Stücke, die die konventionelle Fuge hatten. Darüber hinaus Bind bei konventionellen Schweißbedingungen mit niederer Schweißwärmezufuhr einige Schweißstellungen nicht anwendbar. D. h. dae Schweißen mit niederer Wärmezufuhr ist schwierig in vertikaler Stellung, obwohl flaches Schweißen, Horizontaleohweißen und Überkopfschweißen möglich ist. Dies ergibt fatale Fehler beim Bau von Bauwerken, wenn das konventionelle Schweißverfehren angewandt wird. Andererseits kann das erfindungßgemäße Schweißverfahren, das zwei- oder mehrstufige Fugen verwendet, angewandt werden, wenn irgendeine beliebige Schweißwärme gefordert ist, und der Wirkungsgrad des Verfahrene ist in jedem Falle groß. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders für Bauwerke geeignet.

Wie schon erwähnt, ist die verstärkende Wirkung der Schweißverbindung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausreichend, und der Fehler des Sprödbruches ist durch das erfindungsgemäße Verfahren überwunden, auch dann, wenn hochfester oder ultrahochfester Stahl geschweißt wird.

Die Beziehungen zwischen den Winke Ji der ersten und zweiten schrägen Flächen der zweistufigen Fuge sind in Tabelle 4-dargestellt. D. h. in Tabelle 4 sind die Ergebnisse der

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Untersuchung über die Festigkeit stumpfgeschweißter Verbindungen dargestellt, bei denen vielfach der Winkel der äußeren Fuge mit 60° vom Winkel der ersten Fuge geändert wurde. Wird die äußere Fuge in einem Winkel von 90° ausgeführt, so entsteht dadurch eine niedere Bruchfestigkeit beim senkrechten Schweißen bei großer Schweißwärme, wogegen die Festigkeit der Verbindung stabil war, wenn für den Winkel der äußeren Fuge mehr als 100° genommen wurde. Dies zeigte, daß durch Verwendung der Zwei-Stufen-Fuge, mit einem Winkel von 90° für die äußere Fuge, die spröde wärmäaeeinflußte Zone nicht genügend Dehnungsvermögen hat, um das Auftreten eines Sprödbruchee zu verhindern. Das bedeutet, daß die Wirkungsweise der Erfindung weiterhin verbessert worden kann, durch Verwenden einer Verbindungsfuge mit größerem Winkel.

Tabelle 4
Beziehungen zwischen den Winkeln der 1. und 2. Fuge

riattendicke ßchweißlage Schweißwärme Fugen- Bruchfe-

(Joule/cm) winkel stigkeit

(kp/mm )

Zwei-	19,2	vertikal	42000	90°	88,6
Stufen-	19,2	It	It	100°	101,2
Fuge	ti	ti	Il	120°	103,4
	It	tt	It	140°	103,8

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zum Stumpfschwei 13en von Eisen- und Stahlwerkstoffen mit Stufen, die vielstufige abgeschrägte Ebenen an dem Schweißrand eines jeden Werkstoffs bilden, so daß der Winkel der äußeren luge größer ist als der Winkel der inneren Fuge und wobei die Werkstoffe, die eine so ausgebildete Fuge haben, auf konventionelle Weise stumpfgeschweißt werden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese vielfache Stufe zweistufig ist und der Winkel der inneren ersten Fuge 60° beträgt, während der Winkel der äußeren zweiten Fuge mehr als 100 beträgt.

3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Fuge symmetrisch ist.

4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Fuge asymmetrisch ist.

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