DE1615282A1

DE1615282A1 - Process for welding materials using an additional material

Info

Publication number: DE1615282A1
Application number: DE19671615282
Authority: DE
Inventors: Dieter Rodrian; Scheibe Dipl-Phys Willy
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1967-07-20
Filing date: 1967-07-20
Publication date: 1970-05-21

Description

Verfahren zum VerschweiB:en von Werkstoffen unter Verwendung eines Zusatzwerkstoffes. _ = Die Erfindung betrifft ein Verfahren: zum Verschweißen von Werkstoffen, welche in der Schweißnaht intermetallische Phasen und/oder spröde Mischkristalle bilden, unter Verwendung .eines Zusatzwerkstoffes. Process for welding materials using a filler metal. _ = The invention relates to a method: for welding materials, which intermetallic phases in the weld and / or brittle mixed crystals form, .One using additional material.

Das Verschweißen zweier .Werkstoffe ist in den meisten Fällen des- halb nicht möglich, weil in der Schmelzzone spröde intermetallische Phasen entstehen, die die Schweißnaht bereits während des Schweißens wieder rissig werden lassen: Selbst: wenn es in bestimmten Fällen gelingt, durch-Einhalten gewisser Schweißparameter"diese für, die Schweißnaht ungünstigen Konzentrationsbereiche zu umgehen oder zumindest auf schmale Zonen der Schweißnähtbreite einzuschränken; erhält man trotzdem noch nicht die für den technischen Einsatz der Schweißstücke.gefordertg Duktilität der Schweißnaht, wenn es nicht gleichzeitig gelingt, die Bildung von spröden hiischkristallen zu vermeiden. Welding two .Werkstoffe is in most cases DES semi impossible because brittle intermetallic phases are formed in the melting zone, the weld already during welding are again cracked leave: self: if it is possible in certain cases, certain by-compliance Welding parameters " to avoid concentration ranges that are unfavorable for the weld seam or at least to restrict them to narrow zones of the weld seam width; one still does not get the ductility of the weld seam required for the technical use of the welds, if the formation of brittle semi-crystals does not succeed at the same time to avoid.

Es ist bekannt, zur Verbesserung der Schweißnahtgüte geeignete Schweißzuaatzwerkstoffe zu verwenden. So lassen sich beispielsweise Schweißverbindungen zwischen hochlegierten Chromstählen (z.B. mit 12 °ä Chrom) und unlegierten, niedriglegierten oder austenitischen, nichtrostenden Stählen durch Verwendung von nichtrostenden Stählen oder Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen als Zusatzwerkstoffe herstellen. Erhebliche Schwierigkeiten bereitet es, wenn Eisenwerkstoffe mit Nichteisenmetallen rißfrei zu verbinden sind. Aluminium hat z.B. nur eine geringe Löslichkeit in festem Eisen und bildet mit ihm spröde Phasen.It is known to use suitable additional welding materials to improve the weld seam quality to use. For example, welded connections between high-alloy Chromium steels (e.g. with 12 ° ä chromium) and unalloyed, low-alloyed or austenitic, stainless steels by using stainless steels or nickel-chromium-iron alloys as additional materials. It causes considerable difficulties when ferrous materials are to be connected with non-ferrous metals without cracks. Aluminum, for example, has only a low level Solubility in solid iron and forms brittle phases with it.

Zur Verbindung von Eisen mit Aluminium werden beispielsweise Aluminium-Silizium-Legierungen oder Aluminium-Ls_agnesium-Zusatzwerkstoffe verwendet. Diese Zusatzwerkstoffe werden bei den herkömmlichen Verfahren als Elektroden,in Lichtbogen- oder Unterpulverschweißverfahren verschweißt.For example, aluminum-silicon alloys are used to combine iron with aluminum or aluminum-magnesium filler materials are used. These filler materials are in conventional processes as electrodes, in arc or submerged arc welding processes welded.

Diese Verfahren können jedoch nur bei sehr wenigen 1-lerkstoffkombinationen angewendet werden. Außerdem ist rast immer nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung notwendig. Sie haben außerdem den Nachteil, daß bei Präzisionsschweißungen es kaum möglich ist, Zusatzwerkstoffe in dieser Form anzuwenden und.daß bei sehr strengen Anforderungen an die Reinheit von Werkstoffen, wie dies z.B. in der Reaktortechnik der Fall ist, die o.a. Verfahren es nicht gestatten, geeignete Zusatzwerkstoffe in minimalsten Mengen zuzuführen, und dabei trotzdem noch haltbare,-duktile, rißfreie Schweißverbindungen zu erhalten. Außerdem sind für viele technisch. interessante Werkstoffkombinationen geeignete Zusatzwerkstoffe zu den o.a. Schweißverfahren nicht bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, vornehmlich für diejenigen Material- kombinationen, die in der Schweißnaht intermetallischen Phasen ynd/odex spröde Mischkristalle bilden und aus diesem Grunde keine rißfreien, duktilen Schweißverbindungen-liefern, ein Schweißverfahren zu finden, mit dem sich auch bisher nicht verschweißbare Werkstoffe verschweißen lassen und das die o.a. Mängel der bekannten Verfahren umgeht. However, these methods can only be used for very few 1-material combinations. In addition, heat treatment is always necessary after welding. They also have the disadvantage that with precision welds it is hardly possible to use filler materials in this form and that in the case of very strict requirements for the purity of materials, as is the case, for example, in reactor technology, the above-mentioned processes do not allow suitable Adding filler materials in minimal quantities while still maintaining durable, ductile, crack-free welded joints. Also, for many are technical. Interesting material combinations, suitable filler materials for the welding processes mentioned above are not known. The object of the invention is to find a welding process, primarily for those material combinations which form intermetallic phases and brittle mixed crystals in the weld seam and for this reason do not provide crack-free, ductile welded joints , with which materials that have not yet been welded can be produced let weld and that bypasses the above shortcomings of the known processes.

Diese Aufgabe wird in der Erfindung dadurch gelöst, daß eine dünne Folie eines solchen Zusatzwerkstoffes (C), welcher mit dem zu ver- schweißenden Werkstoffen (A und B) weder intermetallische Phasen noch spröde Mischkristalle bildet, in die Stoßfuge eingelegt und beidseitig-mit den angrenzenden Werkstoffen mittels eines an sich bekannten Dauer- oder gepulsten Elektronenstrahles verschweißt wird. Hierbei ist es äußerst wichtig, daß die Folie auf beiden Seiten gegen die zu verbindenden Werkstoffe verschweißt wird. Trifft der Elektronenstrahl nämlich auf'die Mitte der Folie, so findet neben dem Zerschmelzen der Folie ein gleichzeitiges Auf- schmelzen und Vermischen der zu verbindenden Werkstoffe und damit wiederum das Auftreten der intermetallischen Phasen und spröden Mischkristalle statt,, was die dazwischen gelegte Folie verhindern sollte. ob der Zusatzwerkstoff mit den. zu verschweißenden Werk- -stoffen intermetallische Phasen bildet, kann anhand des jeweiligen Zustandsdiagramm für die Werkstoffe fentge stellt werden. This object is achieved in the invention in that a thin film of such a filler material (C), which forms neither intermetallic phases nor brittle mixed crystals with the materials to be welded (A and B) , is inserted into the butt joint and on both sides with the adjacent materials is welded by means of a per se known continuous or pulsed electron beam . It is extremely important that the film is welded on both sides against the materials to be joined. If the electron beam hits the center of the foil, then , in addition to melting the foil, there is simultaneous melting and mixing of the materials to be joined, and thus in turn the occurrence of intermetallic phases and brittle mixed crystals, which the foil placed in between should prevent . whether the filler metal with the. to be welded works substances who intermetallic phases formed may be inferred from the relevant state diagram for the materials fentge provides be.

Ergibt sich hieraus, daß der rolienwerkstoff (C) mit dem Werkstoff Q%) zwar gut verschweißt iverder. -könnte, mit dem Werkstoff. (F3) aber intermetallische Phasen bildet, so muß gemäß der Erfindung eine heitere Folie eines geeigneten Zusatzwerkstoffes (D), welcher mit dem Werk- stoff (B) einerseits und dem Zusatzwerkstoff (C) andererseits intermetallische Phasen und/oder spröde Tischkristalle nicht bildet, ein- gelegt und jeweils beidseitig ;verschweißt werden. Auf keinen Fall darf der Elektronenstrahl auf die Mitte der Folie (D) gerichtet werden. .: Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird_eine Folie von einigen Zehntel Millimetern gewählt, vorzugsweise unter 0,3 mm, wenn die Verunreinigung durch den Zusatzwerkstoff besonders gering sein soll. Natürlich kann auch eine weitaus stärkere Zwischenlage von Zusatzwerkstoffen gewählt werden, nur wird dabei die Verunreinigung der Werkstoffe sehr viel größer und die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens, die ein-duktiles und rißfreies Verschweißen von intermetallischen Phasen und/oder spröde Mischkristalle bildenden Werkstoffen durch Einbringen. geringster Mengen eines Zusatzwerkstoffes ermöglichen sollte, z.T. verfehlt. It follows from this that the film material (C) is welded well to the material Q%). - could, with the material. (F3) but forms intermetallic phases , according to the invention a bright foil of a suitable filler material (D), which does not form intermetallic phases and / or brittle table crystals with the material (B) on the one hand and the filler material (C) on the other hand, must be used, inserted and welded on both sides . Under no circumstances should the electron beam be aimed at the center of the film (D) . .: In the method according to the invention, a film of a few tenths of a millimeter is selected, preferably less than 0.3 mm, if the contamination by the filler material is to be particularly low. Of course, a much thicker intermediate layer of additional materials can also be selected, but the contamination of the materials becomes much greater and the task of the method according to the invention, the ductile and crack-free welding of intermetallic phases and / or brittle mixed crystals forming materials by introducing them. should allow the smallest amounts of a filler material, sometimes missed.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet zur Verschweißung von nahezu allen technisch interessanten Eisenlegierungen mit Nichteisenmetallen wie z.B. Titan, -Zirkon und 'deren Legierungen, bei denen besonders spröde Mischkristalle auftreten, eine Vanadinfolie, da es bekannt ist, daß Vanadin besonders mit den höchschmelzenden Metallen keine intermetallischen Phasen und keine spröden Mischkristalle bildet. Bei derrt erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vanadinfolie, vorzugsweise von weniger als 0,3 mm Stärke gewählt, womit nur sehr wenig Vremdmaterial in die Schmelzzone eingebracht wird.The inventive method used for welding nearly all technically interesting iron alloys with non-ferrous metals such as titanium, -Zircon and its alloys, in which particularly brittle mixed crystals occur, a vanadium foil, as it is known that vanadium especially with the highest melting point Metals no intermetallic phases and no brittle mixed crystals. In the method according to the invention, a vanadium foil, preferably less chosen to be 0.3 mm thick, so that only very little foreign material enters the melting zone is introduced.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es beispielsweise gelungen, Cr Ni. 18 g -Stahl mit Zirkon durch Einschweißen einer 0,3 mm starken Vanadinfolie rißfrei und duktil zu verschweißen. Bei dem Versuch, diese OTerkstoffe ohne einen Zusatzwerkstoff nach einem konventionellen 'erfahren zu verschweißen, wurden in der Schmelzzone Mikrohärten von 1000 -- bis 1100 kp/mm2 gemessen. Die Schweißverbindung war so spröde, daß sie wenige Sekunden nach Beendigung des Schweißvorganges riß.With the method according to the invention it has been possible, for example, to Cr Ni. 18 g steel to be welded ductile and crack-free by welding in a 0.3 mm thick vanadium foil. In an attempt to weld these O-materials without a filler material using a conventional method, microhardnesses of 1000 to 1100 kp / mm2 were measured in the melting zone. The weld joint was so brittle that it broke a few seconds after the welding process was finished.

Mit dem Elektronenstrahlschweißverfahren konnten diese Werkstoffe durch Einhaltung bestimmter Schweißparameter zwar rißfrei verschweißt werden, es' traten jedoch in der Schmelzzone immer noch 14ikrohärte-Z-Terte in der Größenordnung von 700 kp/mm2 auf; so daß keine nennenswerte Biege- winkel erzielt werden konnten. Erst durch Zwischenlegen einer dünnen Vanadinfolie ist es gelungen, duktile Schweißverbindungen zu erzielen. Diese Proben konnten nicht nur bis 1900 rißfrei, sondern sogar mehrfach gebogen werden.With the electron beam welding process, these materials could be welded without cracks by adhering to certain welding parameters, but 14 microhardness Z values of the order of magnitude of 700 kp / mm2 still occurred in the melting zone; so that no bending angles worth mentioning could be achieved. Only by sandwiching a thin Vanadinfolie has been able to achieve ductile welded joints. These specimens could not only be bent without cracks until 1900, they could even be bent several times.

Gleich gute Ergebnisse wurden beispielsweise beim Verschweißen von anderen Fe/Ni/Ct-Lsgieruncgen mit Zirkon sowie von reinem Eisen mit Zirkon durch Verwendung einer Vanadinfolie von 0,3 mm Stärke, die beid- seitig, mittels eines gepulsten Elektronenstrahls verschweißt wurde, erzielt. Ebenso gut konnten nach diesem Verfahren Fe-Ni-Cr-Legierungen mit Zirkaloy oder Titan durch Verwendung einer 0,3 mm starken Vanadin-Folie rißfrei und duktil verschweißt werden. Equally good results have been welded, for example, when welding other Fe / Ni / Ct Lsgieruncgen with zirconium, as well as of pure iron with zirconium by using a Vanadinfolie thickness of 0.3 mm, which on both sides, by means of a pulsed electron beam was obtained. Fe-Ni-Cr alloys with zircaloy or titanium could equally well be welded without cracks and ductile by using a 0.3 mm thick vanadium foil.

Eisen-Nickel-Legierungen mit einem Nickelanteil von mehr als 25 96 konnten nicht mehr einwandfrei mit einer Vanadinfolie verschweißt werden, weil dann zwischen Nickel und Vanadin intermetallische Phasen auftreten. Hier wurde dann zwischen der Eisen-Nickel-Legierung und der Vanadinfolie eine weitere Folie aus Eisen eingelegt und wiederum beidseitig mittels eines gepulsten Elektranengtrahles verschweißt. Dadurch konnten also auch Nickel-Basis-Legierungen mit Zirkon, Zirkaloy, Titan usw. rißfrei und duktil verschweißt werden.Iron-nickel alloys with a nickel content of more than 25 96 could not properly welded to a Vanadinfolie be because intermetallic between nickel and vanadium phases occur. Here iron-nickel alloy and the Vanadinfolie was placed a further film made of iron, then, between the welded and again both sides by means of a pulsed Elektranengtrahles. As a result, nickel-based alloys could also be welded ductile and crack-free with zirconium, zircaloy, titanium , etc.

Anhand von Meßkurven soll der 2-3ikrohärte-Verlauf über die Schweiß- naht bei Verschweißung von Titan mit Cr Ni 18 &-Stahl bei Anwendung konventioneller und des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich ge- macht Werdern.Based on the measurement curves 2-3ikrohärte history to the welding seam for welding of titanium with Ni Cr 18 & -steel using conventional and the inventive process significantly overall makes islets.

Figur 1 zeigt den Mikrohärte-Verlauf Über die Schweißnaht, wie er beim Verschweißen von Titan mit Cr Ni 18 8-Stahl ohne Zusatzwerk-Stoffe auftritt: to Wurde hier lediglich mit einem gepulsten Elektronenstrahl unter Berücksichtigung der fier diese Werkstoffe günstigsten Schweißparameter geschweißt: Dabei wurden Mikrohärten von ungefähr 750 kp/mm2 gemessen. . Figur 2 zeigt den Mikrohärte-Verlauf beim Verschweißen von Titan._ mit Cr Ni 18 8-Stahl unter Verwendung einer 0,3 mm starken Vanadinfolie als Zusatzwerkstoff. plan erkennt aus der Figur, daß er praktisch nichts nützt, wenn der Elektronenstrahl mittig auf die Vanadinfolie gerichtet wird, weil dadurch die dünne Folie zerschmolzen und gleichzeitig die angrenzenden eTerkstoffe Titan und Cr Ni 18 8-Stahl aufgeschmolzen werden., so daß es wiederum zur Bildung spröder Mischkristalle kommt, wie die hohen Mikrohärte-werte von 850 kp/mm2 zeigen. Figur 3 zeigt nun den mikrohärte-Verlauf beim Verschweißen von Titan mit Cr Ni 18 8-Stahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Es wurde hier ebenfalls eine 0:3 mm starke Vanadinfolie in die Stoßfuge eingelegt und zweimal verschweißt, und zwar einmal mit dem Titan und dann mit dem Cr Ni 18 8-Stahl. Kan erkennt, daß im Kurvenverlauf keine Härtespitzen mehr auftreten und daß die Mikrohärten in der Schweißnaht'unter 300 kp/mm2 liegen.Figure 1 shows the microhardness curve over the weld seam, as it occurs when welding titanium with Cr Ni 18 8 steel without additional work materials: To weld only with a pulsed electron beam, taking into account the most favorable welding parameters for these materials: Measured microhardnesses of approximately 750 kgf / mm2. . FIG. 2 shows the microhardness curve when welding titanium with Cr Ni 18 8 steel using a 0.3 mm thick vanadium foil as filler material. plan recognizes from the figure that it is practically of no use if the electron beam is directed centrally onto the vanadium foil, because this melts the thin foil and at the same time melts the adjacent materials titanium and Cr Ni 18 8 steel The formation of brittle mixed crystals occurs, as the high microhardness values of 850 kp / mm2 show. FIG. 3 now shows the microhardness curve when welding titanium with Cr Ni 18 8 steel according to the method according to the invention. Here, too, a 0: 3 mm thick vanadium foil was inserted into the butt joint and welded twice, namely once with the titanium and then with the Cr Ni 18 8 steel. Kan recognizes that there are no more hardness peaks in the curve and that the microhardness in the weld seam is below 300 kp / mm2.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens die versprödende Wirkung der Mischkristalle und intermetallisehe Phasen in der Schweißnaht ausgeschaltet werden, wodurch sich nunmehr sehr duktile Verbindungen mit Biegewinkeln von 180o und darüber herstellen lassen. Zum Teil konnten die Schweißproben nicht nur bis 1800, sondern sogar mehrfach gebogen werden.With the method according to the invention, the embrittling effect of the Mixed crystals and intermetallic phases in the weld seam are eliminated, which now results in very ductile connections with bending angles of 180o and above can be produced. In some cases, the welding samples could not only be up to 1800, but can even be bent several times.

Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf eine oder zwei Folien. In Ausnahmefällen kann es notwendig werden, noch eine dritte oder weitere Folien zu verwenden. Es kommt nur darauf an, daß die jeu-,eils eingelegte Folie mit dem benachbarten Uerkstoff und Zusatzwerkstoff beim Verschweißen keine intermetallischen Phasen und/oder spröde Nischkristalle bildet.However, the invention is not limited to one or two films. In exceptional cases it may be necessary to add a third or additional slide to use. It just depends on the fact that the recently inserted foil with the neighboring Uerkstoff and filler material when welding no intermetallic Forms phases and / or brittle niche crystals.

Claims

1. A method for the concealment of Werkstoffen- which intermetallic in the weld phases and / or brittle mixed crystals education to, using an additional material, dadurch.gekennzeichnei :, that a thin film of such a filler material, which is connected to the to be welded materials either intermetallic phases still form brittle mixed crystals, is inserted into the butt joint , and is welded to the adjacent materials on both sides by means of a per se known continuous or pulsed electron beam . 2. The method according to claim 1, characterized in that at least one further film of another suitable filler material, which forms neither intermetallic phases nor brittle mixed crystals with the adjacent material and filler material , is inserted and welded on both sides . 3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that a film of a few tenths of a millimeter is selected ¢ m #: d, preferably less than 0.3 mm, if the contamination by the additional material should be particularly low. 4. The method according to claim 1, characterized gekenazeichnet, -dae for welding-on virtually all iron alloys technically interesting is used with a non-ferrous metals Vanadinfolie.