DE1783028B1

DE1783028B1 - Verwendung von unlegierten und niedriglegierten baustaehlen fuer geschweisste konstruktionen

Info

Publication number: DE1783028B1
Application number: DE19681783028
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Rer Nat Degenkolbe; Bruno Dr-Ing Muesgen
Original assignee: Huettenwerk Oberhausen AG
Current assignee: Huettenwerk Oberhausen AG
Priority date: 1968-09-20
Filing date: 1968-09-20
Publication date: 1973-08-23
Also published as: BE738766A; ES371465A1; FR2019467A1; CH519578A; NL6914188A; US3674577A

Description

sich also bezüglich der subkritischen Versprödung grundsätzlich anders als nach den bekannten Erfahrungen zu erwarten, wenn sie nach einem Glühen im Bereich oder oberhalb des oberen Umwandlungspunktes beschleunigt abgekühlt und anschließend einem Anlaßprozeß unterworfen werden. Die beschleunigte Abkühlung nach dem Glühen erfolgt im allgemeinen durch Abschrecken in Wasser (Wasservergütung). In vielen Fällen ist ein Abschrecken in Öl ausreichend (ölvergütung). Bei der Verschweißung derartigvorbehandelter Werkstoffe erhält man Schweißverbindungen, die im Nahtbereich zwischen Schmelzlinie und dem unbeeinflußten Grundwerkstoff annähernd gleich hohe Zähigkeitswerte aufweisen. Damit haben die Schweißverbindungen die gleiche Sicherheit gegen Sprödbruch wie der unbeeinflußte Grundwerkstoff. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß dieses Verhalten auch bei tiefen Temperaturen sich einstellt. Daher bezieht sich die Erfindung insbesondere auf die Verwendung von unlegierten und niedriglegierten Baustählen, die in der beschriebenen Weise wärmebehandelt wurden, für Anwendungsfälle in der Tieftemperaturtechnik.

Im übrigen kann man im Rahmen der Erfindung mit den verschiedenen Stählen arbeiten, wie die nachstehenden Ausführungsbeispiele, an Hand derer die Erfindung erläutert wird, zeigen.

Beispiel 1
An einem Stahl der Zusammensetzung

0,10 % C,
0,26% Si,
1,2% Mn,
0,014% P,
0,016% S,
0,012% Al,
Rest Fe

wurden im normalgeglühten und im wassergeglühten Zustand Schweißversuche durchgeführt, um das unterschiedliche Zähigkeitsverhalten in der Nähe der Schweißnaht zu studieren. In den beiden genannten Wärmebehandlungszuständen wurden folgende mechanischen Eigenschaften erreicht. Als NDT-Temperatur (Nil-ductility-transition-temperatur) gilt diejenige Temperatur, unterhalb der ein in der Rißeinleitungsraupe der Pelh'niprobe erzeugter Anriß vom Grundwerkstoff nicht mehr aufgefangen wird. Versuchsdurchführung und Definition der NDT-Temperatur werden in ASTN E 208 - 63 T beschrieben):

Wärmebehandlung

Festigkeitseigenschaften

as oB (55

Kerbschlagzähigkeit (kgm/cm²) Abstand von der Schmelzlinie (mm) 0 3 6 10 100

NDT-Temp. (⁰C)

Abstand von der Schmelzlinie (mm)
0 3 6 10 100

Normalgelüht ...
Vergütet

32 47 31
36 49 32

6
5

1,5 9 4,5
9

-15 -20 -25 -40 -50
-80 -80 -75 -75 -75

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß bei der Verarbeitung des normalgeglühten Werkstoffes in etwa 6 mm Abstand von der Schmelzlinie ein deutliches Minimum in der Kerbschlagzähigkeit eintritt. Bei Verwendung des wasservergüteten Stahles wurde dieses Minimum nicht beobachtet. Im Bereich der Schmelzlinie wird wie bei unvergüteten Stählen die Kerbschlagzähigkeit infolge der Gefügeänderung etwas beeinträchtigt, die subkritische Zone bleibt jedoch unbeeinflußt. — Die Untersuchung der wärmebeeinflußten Zone neben der Schweißnaht erfolgt im allgemeinen durch Kerbschlagbiegeversuche, indem man die Kerblage systematisch verändert. Selbstverständlich läßt sich dieses Werkstoffverhalten auch mit anderen Sprödbruchprüfmethoden verfolgen. Untersuchungen dieser Art wurden mit dem Drop-Weight-Test nach Pellini durchgeführt, indem die Lage des in der Rißeinleitungsraupe eingebrachten Sägeschnittes variiert wird. Das günstige Verhalten wasservergüteter Stähle hinsichtlich einer Versprödung im subkritisch beanspruchten Werkstoffbereich läßt sich mit dem Drop-Weight-Test in gleicher Weise zeigen wie bei Prüfung mit Kerbschlagbiegeproben.

Dabei erhält man bei Betrachtung der NDT-Temperatur folgendes Bild. Bei Lage des Sägeschnittes 3 bis 6 mm neben der Schmelzlinie beträgt die Verschiebung der Ubergangstemperatur 25 bis 30° C im Vergleich zu den Werten des Grundwerkstoffes. Durch Wasservergüten des Stahls erhält man erwartungsgemäß zunächst eine verbesserte NDT-Temperatur im Grundwerkstoff. Entscheidend ist, daß diese verbesserte Übergangstemperatur in dem subkritisch erwärmten Bereich neben der Schmelzlinie keine Beeinflussung erfährt. In dem Gebiet 3 bis 6 mm neben der Schmelzlinie, das bei dem normalgeglühten Werkstoff stark versprödet war, sind neben der Schweißnaht des wasservergüteten Stahles die ursprünglichen Zähigkeitseigenschaften des Stahles erhalten geblieben.

Beispiel 2

In einer weiteren Untersuchungsreihe wurde ein leicht mit Ni legierter Stahl untersucht, der gleichzeitig einen höheren C-Gehalt aufwies. Es handelt sich um einen Werkstoff der folgenden chemischen Zusammensetzung:

0,16% C,

0,30% Si,

1,30% Mn,
0,014% P,
0,015% S,
0,039% Al,

0,28% Ni,

Rest Fe.

55 Wärmebehandlung

Walzzustand
Vergütet...

Festigkeitseigenschaften

o_s

38 57 28
44 60 29

Kerbschlagzähigkeit
(kgm/cm²)

Abstand von der Schmelzlinie (mm)
0 3 6 10 100

2
6,5

4 4
8,5 8

Prüf temperatur: — 6O⁰C.

Auch bei diesem Stahl zeigten die Schweißverbindungen einige Millimeter neben der Schmelzlinie eine deutliche Minderung der Kerbschlagzähigkeit. Beim Verschweißen des gleichen Bleches nach einer Wasservergütung (910°C/Wasser, 630°C/Luft) ist dieses Zähigkeitsminimum neben der Naht eliminierbar.

Die Kerbschlagzähigkeit zeigt praktisch die gleichen Eigenschaften zur Schmelzlinie bzw. zum überkritischen beeinflußten Gebiet hin.

Beispiel3

Das Verhalten NiV-legierter Stähle als nirdriglegierte Stähle wird an einem Werkstoff folgender Zusammensetzung erläutert:

0,18% C, 0,53 °/₀Si, l,34°/₀Mn, 0,016 % P, 0,011% S, 0,041% Al, 0,46% Ni, 0,08% V, Rest Fe.

Wärmebehandlung

Normalgeglüht
Vergütet..

Festigkeitseigenschaften

43
62

58
71

25
20

Kerbschlagzähigkeit (kgm/cm²)

Abstand von der Schmelzlinie (mm) 0 3 6 10 100

4,5 3,1 3,5 7,8 10,8 6,2 8,5 8,3 9,7 11,1

Dieser Stahl besitzt ebenfalls im normalisierten Zustand nach dem Schweißen eine zähigkeitsarme Zone neben der Schweißnaht im Abstand von etwa 3 bis 6 mm von der Schmelzlinie entfernt. Wesentlich günstiger verhält sich dieser Bereich, wenn der Werkstoff vor dem Schweißen vergütet wird. Eine subkritische Versprödung tritt nicht ein.

Claims

1 2

Patentanspruch· Nähten auf und läßt sich durch die Schweißparameter,

Elektrodentyp, Stromstärke usw. nicht steuern. Auch

Verwendung von unlegierten und niedriglegier- die Vorwärmtemperatur und eine Spannungsarmten Baustählen mit einer Richtanalyse 0,06 bis glühung nach dem Schweißen scheinen hierauf ohne 0,24% Kohlenstoff, maximal 0,60 % Silicium, 0,40 5 Einfluß zu sein.

bis 1,60 °/₀ Mangan, maximal 3,5 % Nickel, maxi- In allen hochbeanspruchten Schweißkonstruktionen, mal 1,0 °/o Chrom, maximal 0,20 °/₀ Vanadin und wie Lagerbehälter, Druckbehälter, Rohrleitungen, maximal 0,5 °/₀ Molybdän sowie übliche Verun- Druckleitungen, Brücken, Stahlhochbauten und Fahrreinigungen, die durch Glühen oberhalb des zeugen kann der auftretende Zähigkeitsverlust zu oberen Umwandlungspunktes, Abschrecken in io einer schwerwiegenden Verringerung der Sprödbruch-Wasser oder in öl und Anlassen vergütet wurden sicherheit führen. Besondere Bedeutung hat dieses für geschweißte Konstruktionen mit unterdrückter Verhalten der schweißbaren Baustähle in der Tiefsubkritischer Versprödung im Bereich der Schweiß- temperaturtechnik. Hier wird im allgemeinen auch in naht, — und zwar auch bei tiefen Temperaturen. der Wärmeeinflußzone ein Mindestwert für die Kerb-15 Schlagzähigkeit vorgeschrieben. Für zahlreiche Anwendungsfälle bedeutet daher das Auftreten einer

Die Erfindung bezieht sich auf unlegierte und subkritischen Versprödung neben der Schmelzlinie, niedriglegierte Baustähle und deren Verwendung für daß man einen Werkstoff höherer Zähigkeit als der geschweißte Konstruktionen. Anwendungszweck es erfordert, einsetzen muß, um

Die in der Technik als unlegierte oder niedrig- 20 den Abfall der Zähigkeit durch subkritische Versprölegierte Baustähle bekannten und gebräuchlichen dung aufzufangen. Dazu werden im allgemeinen Baustähle (vgl. DIN 17006) werden auch für die Her- Werkstoffe mit einem höheren Gehalt an Nickel oder stellung von geschweißten Konstruktionen eingesetzt. anderen teuren Legierungselementen eingesetzt.
Dazu gehören insbesondere auch Stähle, die durch Bei einem schweißbaren Baustahl, dessen Zusam-

eine Richtanalyse von 0,06 bis 0,24% C, maximal 25 mensetzung der eingangs angegebenen Richtanalyse 0,60% Si, 0,40 bis 1,60% Mn, maximal 3,5% Ni, ähnlich ist, bei dem der Kohlenstoffgehalt jedoch bis maximal 1,0% Cr, maximal 0,20 % V und maximal 0,50C geht, (deutsche Auslegeschrift 1071734) er-0,5 % Mo und übliche Verunreinigungen aufweisen. wartet man, im Rahmen besonderer Abstimmung der Beim Schweißen von Baustählen ändert sich unter dem Gehalte an Schwefel und Phosphor, im ungealterten Einfluß der Schweißwärme das Gefüge der der Naht 30 Zustand hohe Festigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit benachbarten Zone. Dadurch können Festigkeits- und im gealterten Zustand auch bei tiefen Tempera- und Zähigkeitseigenschaften dieses Bereiches erheb- türen gute Kerbzähigkeit. Subkritische Versprödung lieh beeinflußt werden. Durch eine entsprechende Ab- ist auch hier zu befürchten. Zwar hat man bei dem Stimmung der Schweißbedingungen, wie Elektroden- bekannten Baustahl übliche Wärmebehandlungen, typ, Stromstärke, Spannung, Schweißgeschwindigkeit, 35 z. B. Abschreckung, Vergütung oder Verformung Nahtaufbau, versucht man, in dem Teil der wärme- unterhalb Ac₃ durchgeführt, um die Festigkeitseigenbeeinflußten Zone, der beim Schweißen auf Tempe- schäften zu verbessern. Das reicht jedoch nicht aus, raturen oberhalb Ac₃, d. h. im überkritischen Gebiet, um die subkritische Versprödung zu unterdrücken, erwärmt wird, ein möglichst feinkörniges und zähes zumal die Vergütung als übliche Wärmebehandlung Gefüge herbeizuführen. 4° nur für Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt über

In einem bis zu etwa 10 mm neben der Schmelz- 0,75 C in Frage kommt.

linie liegenden Bereich, der keine im Lichtmikroskop Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zuerkennbare Gefügebeeinflussung erfahren hat und gründe, bei einem Baustahl der eingangs beschriebenen dessen Temperatur während des Schweißens den Richtanalyse die subkritische Versprödung neben unteren Umwandlungspunkt Ac₁ nicht überschreitet, 45 Schweißnähten zu vermeiden. Es sollen so unlegierte tritt jedoch eine beachtliche Verminderung der Zähig- oder niedriglegierte Baustähle dort Verwendung keit auf, die als subkritische Versprödung bezeichnet finden können, wo bisher wegen der auf subkritischen wird. Die Folge der subkritischen Versprödung kann Versprödung solcher Baustähle beruhenden Mängel sein, daß neben der Schweißnaht die Kerbschlag- durch Legierungselemente zähe Werkstoffe eingesetzt Zähigkeit weniger als 50 % des im Grundwerkstoff vor- 50 werden mußten.

liegenden Schlagarbeitswertes beträgt. Zu diesem Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von

Phänomen wird beispielsweise auf einen Aufsatz von unlegierten und niedriglegierten Baustählen mit einer C ab elk a in der Zeitschrift »Schweißtechnik«, 4, Richtanalyse 0,06 bis 0,24% Kohlenstoff, maximal (1954), S. 35 bis 43, verwiesen. 0,60 % Silicium, 0,40 bis 1,60% Mangan, maximal

Die subkritische Versprödung tritt unabhängig von 55 3,5 % Nickel, maximal 1,0 % Chrom, maximal 0,20 % der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes Vanadin und maximal 0,5 % Molybdän sowie übliche auf. Man findet sie in Feinkornstählen im gleichen Verunreinigungen, die durch Glühen oberhalb des Maße wie in Grobkornstählen, d. h. in nicht mit Alu- oberen Umwandlungspunktes, Abschrecken in Wasser minium oder anderen Feinkornbildnern desoxidierten oder in Öl und Anlassen vergütet wurden für geStählen. Die subkritische Versprödung wurde beob- 60 schweißte Konstruktionen mit unterdrückter subachtet im warmgewalzten bzw. warmverformten Zu- kritischer Versprödung im Bereich der Schweißnaht, — stand ebenso wie in Werkstoffen, die einer Normal- und zwar auch bei tiefen Temperaturen,
glühung oder einem von einem Normalglühen ge- Überraschenderweise zeigt sich im Rahmen der

folgten Anlassen unterworfen waren. Ein Einfluß des erfindungsgemäßen Verwendung nicht das als sub-Schweißverfahrens hat sich bisher nicht nachweisen 65 kritische Versprödung bezeichnete Phänomen. Unlassen. Die subkritische Versprödung tritt gleicher- legierte und niedriglegierte Baustähle der angegebenen maßen bei der Lichtbogenschweißung mit Stabelek- Richtanalyse, die wegen ihres niedrigen Kohlenstofftroden als auch neben unter Pulver geschweißten gehaltes üblicherweise nicht vergütet werden, verhalten