DE19944972A1

DE19944972A1 - Verfahren zur Wärmeführung beim Metall-Inertgas- oder Metall-Aktivgasschweißen von metallischen Werkstoffen

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Publication number: DE19944972A1
Application number: DE1999144972
Authority: DE
Original assignee: INST FUEGETECHNIK und WERKSTOF; SMB STAHL und WALZWERK SERVICE
Current assignee: INST FUEGETECHNIK und WERKSTOF; SMB STAHL und WALZWERK SERVICE
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 1999-09-15
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Wärmeführung beim Metall-Inertgas- oder Metall-Aktivgasschweißen auf metallische Werkstoffe, insbesondere niedriglegierte und hochlegierte Stähle und vergütete Feinkornbaustähle mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer 900 N/mm·2·, bei der die Wärmeführung der Abkühlzeit in einem Bereich von 800 DEG C bis 500 DEG C für jede Lage aus der Gruppe von einer Wurzellage, Zwischenlagen und Decklagen über einen Zeitraum von 1 bis 20 Sekunden gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeführung beim Metall-Inertgas- bzw. Metall- Aktivgasschweißen von metallischen Werkstoffen, insbesondere Feinkornbaustähle mit einer Dehngrenze von 0,2% oder geringer über 900 N/mm².

Seit Jahren gibt es eine stetig wachsende Nachfrage nach immer höheren Stahlfestigkeiten, verbunden mit immer größeren Werkstoffdicken und guter Schweißbarkeit, die zur Entwicklung neuer hochfester Stähle geführt hat.

Hochfeste und vergütete Feinkornbaustählen werden beispielsweise im Fahrzeugkranbau, im Schwerlastfahrzeugbau, im Bergbau oder ähnlichem verwendet. Hierbei handelt es sich um Feinkornbaustähle, die bis 960 N/mm² eine 0,2% Mindestdehngrenze aufweisen. Für diese Werkstoffe gibt es Schweißtechnologien, die den Grundwerkstoff annähernde mechanische Gütewerte gestatten.

Als Schweißverfahren werden Metall-Inertgas (MIG)- bzw. Metall-Aktivgasschweißen (MAG) verwendet. Für hochfeste und vergütete Feincornbaustähle der obengenannten Art wird überwiegend die MAG-Schweißung verwendet. Ein wesentlicher Grund für den Einsatz des MAG-Schweißverfahrens ist der geringere Gehalt an diffusiblem Wasserstoff in der Schweißnaht und der damit verbundenen geringeren Kaltrißneigung der Schweißnähte.

In jüngster Zeit ist ein Feinkornbaustahl mit der Bezeichnung S 1100 Q auf dem Markt mit einer 0,2% Mindestdehngrenze von 1100 N/mm². Für diesen Werkstoff existiert noch keine Schweißtechnologie, die ein Schweißgut liefert, das dem Grundwerkstoff äquivalente mechanische Eigenschaften aufweist.

Die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung werden neben der chemischen Zusammensetzung von Grundwerkstoffen und Zusatzwerkstoffen durch die Abkühlzeit des Schweißgutes bestimmt.

Das Kennblatt SEW 090, Teil I (Verlag: Stahl-Eisen Düsseldorf) weist darauf hin, daß die Stähle mit 0,2% Dehngrenzen größer gleich 890 N/mm² dieser Abkühlzeitbereich besonders eng zu fassen sind, wenn im Schweißgut dem Grundwerkstoff äquivalente mechanische Gütewerte erreicht werden sollen.

Diese Forderungen bereiten vielen Anwendern Schwierigkeiten, da die meßtechnischen Voraussetzungen für die Bestimmung der Abkühlzeit nicht vorhanden sind.

Versucht man die 0,2%-Dehngrenze in einen Bereich oberhalb von 890 N/mm², so z. B. bei 1100 N/mm² über eine Verringerung der Abkühlzeit und eine Erhöhung der Schweißlagenzahlen aufzuheben, ist das Schweißgut nur ungenügend plastisch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es gewesen, ein Verfahren für metallische Werkstoffe zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Es wurde gefunden, daß die an die Erfindung gestellten Anforderungen durch das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren gelöst wurden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung war dementsprechend ein Verfahren zur Wärmeführung beim Metall-Inertgas- oder Metall-Aktivgasschweißen von metallischen Werkstoffen, insbesondere niedrieglegierte, hochlegierte Stähle und vergütete Feinkornbaustähle mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer als 900 N/mm², worin die Abkühlzeit der Schweißnaht während sie den Bereich von 800°C bis 500°C durchschreitet pro Wurzellage, pro Zwischenlage und pro Decklage jeweils 1 bis 20 Sekunden gehalten wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%- Dehngrenze oder größer 900 N/mm² dadurch erzielt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für die Wurzellage 1 bis 9 Sekunden gehalten wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%- Dehngrenze oder größer 900 N/mm² so geführt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800 °C bis 500°C liegt und für die Wurzellage bevorzugt 2 bis 7 Sekunden gehalten wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%- Dehngrenze oder größer als 900 N/mm² so geführt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für die Zwischenlagen bevorzugt 1 bis 10 Sekunden gehalten wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%- Dehngrenze oder größer 900 N/mm² so geführt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800 °C bis 500°C liegt und für die Zwischenlagen bevorzugt 1 bis 8 Sekunden gehalten wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%- Dehngrenze oder größer 900 N/mm² so geführt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800 °C bis 500°C liegt und für die Zwischenlagen bevorzugt 2 bis 6 Sekunden gehalten wird.

In einer Ausführungsfarm des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer als 900 N/mm² so geführt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für die Decklage 6 bis 20 Sekunden gehalten wird.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%- Dehngrenze oder größer als 900 N/mm² so geführt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für die Decklage 6 bis 16 Sekunden gehalten wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer Dehngrenze von 0,2% oder geringer über 900 N/mm² so geführt, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für die Decklage bevorzugt 6 bis 12 Sekunden gehalten wird.

So ist gemäß Fig. 3 eine Stumpfnaht nach dem Stand der Technik bisher mit einer Wurzellage (1), 5 Zwischenlagen (2 bis 6) und einer Decklage (7) hergestellt worden. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt 40% weniger an Zwischenlagen und weist eine 0,2%- Dehngrenze bei 1100 N/mm² auf.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmeführung werden weniger Zwischenlagen benötigt bei einer erhöhten Dehngrenze. Zusätzlich erfolgt hierdurch eine Kostenreduktion in der Herstellung betreffender Produkte.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und sind nicht einschränkend zu verstehen.

Um das Verfahren näher zu erläutern, wurden Bleche eines hochfesten Feinkornbaustahls des Typs S 1100 Q geschweißt. Die Versuche wurden an Stumpfnähten ausgeführt.

Hierzu wurden für die Vorbereitung der Stumpfnähte bei Blechdicken von 8 bis zu 25 mm K- Nähte oder Steilflanknähte gemäß der Fig. 1 oder Fig. 2 verwendet. Nach dem Schweißen der Wurzellage (1) erfolgte nacheinander die Aufbringung der Zwischenlagen (2) bis (4) und abschließend das Schweißen der Decklage (5).

Für Blechdicken oberhalb von 8 bis 25 mm wurden bevorzugt K-Nähte gemäß Fig. 2 verwendet. Hierbei wurde zuerst die Wurzellage (1) erstellt. Hieran wurden symmetrisch oberhalb und unterhalb der Wurzellage die Zwischenlagen (2) und (3) und daran anschließend die Decklagen (4) bzw. (5) geschweißt.

Der Lagenaufbau beginnt mit der Wurzellage, die im Allgemeinen nur einen geringen Querschnitt aufweist. Die Wurzellage wird mit einem Zusatzwerkstoff mit einer geringeren Festigkeit geschweißt, um Spannungsrisse zu vermeiden.

Die nachfolgenden Zwischenlagen, wie sie in den Fig. 1 und 2 definiert worden sind, sind in ihrem Querschnitt unter Anwendung einer definierten Streckenergie, die von dem Verhältnis des Produktes aus der Schweißstromstärke und der Lichtbogenspannung und der Schweißgeschwindigkeit abhängig ist, mit einem weiteren Zusatzwerkstoff verschweißt worden, der eine Mindestdehngrenze von 960 N/mm² aufwies.

Die Abkühlzeit der Zwischenlagen betrug 1 bis 10 Sekunden für Ausführungen gemäß der Fig. 1. Bevorzugt wurde eine Abkühlzeit von 1 bis 8 Sekunden verwendet, wodurch das Gefüge der Zwischenlage eine martensitische-bainitische Struktur aufwies.

In beiden Fällen ergaben sich hohe Aufmischungsgrade mit dem Grundwerkstoff, so daß sich eine hohe Dehnfestigkeit zwischen dem Grundwerkstoff und der Schweißnaht ergab. Beim Schweißen eines Feinkornbaustahl S 1100 Q gemäß den obenerwähnten Nahtvorbereitungen der Fig. 1 und 2 wurden 0,2%-Dehngrenzen im Bereich bis 1100 N/mm² erzielt.

In den Stumpfschweißnähten der K-Nähte und der Steilflankennähte wurden gemäß dem Grundwerkstoff entsprechende Dehngrenze durch das erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erzielt, daß die Abkühlung beim Mehrlagenschweißen in den Zwischenlagen der Schweißnähte mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit in einem Bereiche von 1 bis 10 Sekunden erfolgte.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmeführung bildet sich in den Zwischenlagen der Schweißnaht ein martensitisches-bainitisches Gefüge mit einem hohen Anteil an kohlenstoffarmen Martensit, aus.

Die Decklage der Schweißnaht gemäß der Fig. 1 oder 2 wird mit einer höheren Streckenergie ausgeführt, so daß die Abkühlzeit für im Bereich von 800°C bis 500°C zwischen 6 bis 20 Sekunden beträgt.

Durch die erfindungsgemäße Wärmeführung sind Nahtformen und Nahtgeometrien auswählbar und einsetzbar, die eine hohe Aufmischung des Grundwerkstoffes gewährleisten und beim Mehrlagenschweißungen die 0,2%-Dehngrenze in den Bereich von 1100 N/mm² verschieben.

Die erzielten Biegewinkel und Streckgrenzen entsprechen der DIN EN 288, Teil 3 und der DSV-Richltlinie 1702.

Claims

1. Verfahren zur Wärmeführung beim Metall-Inertgas- oder Metall-Aktivgasschweißen für metallische Werkstoffe, insbesondere niedriglegierte hochlegierte Stähle und vergütete Feinkornbaustähle mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer 900 N/mm² dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlzeit der Schweißnaht während sie den Bereich von 800°C bis 500°C durchschreitet pro Wurzellage, pro Zwischenlage und pro Decklage jeweils 1 bis 26 Sekunden gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall-Inertgas- oder Metall- Aktivgasschweißverfahren, das Mehrlagen-Lichtbogenschweißverfahren verwendet wird,

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit je unterschiedlicher Lage in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und. 1 bis 20 Sekunden gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen- Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer über 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für die Wurzellage 1 bis 9 Sekunden gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen- Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer über 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für die Wurzellage bevorzugt 2 bis 7 Sekunden gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen- Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer über 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für jede Zwischenlage 1 bis 10 Sekunden gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen- Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer über 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für jede Zwischenlage bevorzugt 1 bis 8 Sekunden gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer über 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für jede Decklage bevorzugt 6 bis 20 Sekunden gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer über 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für jede Decklage bevorzugt 6 bis 16 Sekunden gehalten wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeführung von vergüteten Feinkornbaustählen beim Mehrlagen-Lichtbogenschweißen mit einer 0,2%-Dehngrenze oder größer über 900 N/mm² so geführt wird, daß die Abkühlzeit in einem Bereich von 800°C bis 500°C liegt und für jede Decklage bevorzugt 6 bis 12 Sekunden gehalten wird.