DE2061606C3

DE2061606C3 - Verwendung eines Schweißelektrode aus einer schwachlegierten Stahllegierung

Info

Publication number: DE2061606C3
Application number: DE2061606A
Authority: DE
Inventors: Paul Theodore Corcoran; William Thomas Delong
Original assignee: Teledyne Inc
Current assignee: Teledyne Inc
Priority date: 1969-12-30
Filing date: 1970-12-15
Publication date: 1973-10-31
Also published as: CA948001A; DE2061606B2; FR2074430A5; US3667924A; DE2061606A1; GB1306410A; BE760986A

Description

25

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Schweißelektrode aus einer mit Nickel. Chrom, Molybdän und Mangan schwachlegierten Stahllegierung zur Erzielung eines Schweißgutes mit hoher Streckgrenze und guter Kerbschlagzähigkeit sowohl vor als auch nach Spannungsfreiglühung.

Auf dem Gebiet der schwachlegierten, hochfesten Stähle mit Streckgrenzen über 63,2 kg/mm² besteht ein Bedarf an hochleistungsfähigen Schweißmetallen, die in einem einlagigen Schweißgut Werte für Streck- und Zugfestigkeit sowie Kerbschlagzähigkeit etwa annähernd gleich denen des Grundmetalls besitzen, sowohl in unsymmetrisch aufgetragenen als auch im entspannten Zustand.

Durch Schweißen aufgetragener Werkstoff muß stets sorgfältiger zusammengestellt sein als plattenförmiges Material, weil ihm die Vorteile der mechanischen Warmverarbeitung fehlen, die eine Kornverfeinerung im Plattenmaterial ergeben. Trotz dieses Nachteiles sind für schwachlegiertes Schweißgut Analysen und Verfahren des Auftragens entwickelt worden, die asymmetrisch aufgetragenen Werkstoff mit einer Streckgrenze ergeben, die wenigstens das zur Verfügung stehende warmverarbeitete und wärmebehandelte Plattenmaterial erreicht, während auch eine entsprechende Zähigkeit erzielt wird. Alle solcher bekannten Schweißmetalle — gleichgültig, nach welchem Verfahren sie hergestellt worden sind — sind bisher während der Spannungsfreiglühung einer Versprödung unterworfen, die die Kerbschlagzähigkeit unter die brauchbare Grenze bringt.

Es sind Schweißaufträge aus 0,061% Kohlenstoff, 0,91% Mangan, 0,016% Phosphor, 0,021% Schwefel, 0.29% Silizium, 1,24% Nickel, 0,39% Chrom und 0,28% Molybdän bzw. Schweißaufträge, die aus 0,057% Kohlenstoff, 0,83% Mangan, 0,017% Phosphor, 0,023% Schwefel, 0,20% Silizium, 2,48% Nickel, 0,41% Chrom und 0,36% Molybdän bestehen, bekannt (USA.-Patentschrift 2913 814).

Des weiteren ist bereits ein hochfestes, nach einer Spannungsfreiglühung ebenfalls nicht versprödendes Schweißgut bekannt, das unter anderem aus 0,05 bis 0,12% Kohlenstoff, 0,4 bis 1% Mangan, 4 bis 6% Nickel. 0,4 bis 0,9% Chrom, 0,4 bis 0,7% Molybdän, 0,16 bis 0,4% Silizium, bis je 0,010% Schwefel und Phosphor, Rest Eisen besteht. Hierbei kann die erforderliche Festigkeit nur durch zusätzliche Verwendung einer zwei- oder dreifachen Kombination aus Silizium, Titan und Aluminium erzielt werden (USA.-Patentschrift 3 290 128).

Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte, schwachlegierte Schweißelektrode mit hoher Kerbschlagzähigkeit und Streckgrenze vorzuschlagen, wobei die Kerbschlagzähigkeit und die Streckgrenze nach einer Spannungsfreiglühung beibehalten werden sollen.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung einer Schweißelektrode aus einer mit Nickel, Chrom. Molybdän und Mangan schwachlegierten Stahllegierung zur Erzielung eines Schweißgutes mit einer Streckgrenze über 91,4 kg/mm² und einer Kerbschlagzähigkeit nach Charpy bei -5TC von über 2,75 kgm (Schlagarbeit) sowohl vor als auch nach einem 16stündigen Spannungsfreiglühen bei 550 C und einer Zusammensetzung, die im Bereich von 0,07 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,35 bis 0,75% Mangan, 0,25 bis 0,55% Silizium, 0,20 bis 1,35% Chrom, 3,0 bis 4,0% Nickel, 0,35 bis 1,0% Molybdän, bis 0,012% Phosphor, bis 0,012% Schwefel, Rest Eisen liegt.

Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der Schweißaufträge gemäß der Erfindung besteht darin, daß sie die erwünschten Eigenschaften im spannungsfreigeglühten Zustand zeigen, wenn sie mit niedrigwasserstoffhaltigen, mit Kalkfluorid überzogenen Elektroden aufgetragen werden, die herkömmliche unberuhigte Stahldrahtkerne kommerzieller Qualität besitzen. Solche Elektroden ergeben erhebliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber den einfacheren, aber aufwendigeren Drähten hoher Reinheit, und Gas-Metall-Lichtbogen (GMA) -Verfahren, die ebenfalls in der Praxis der Erfindung verwendet werden können, sind bisher in großem Umfang bei der Untersuchung und Herstellung von schwachlegierten Stahlschweißmetallen hoher Streckgrenze verwendet worden.

Dem Fachmann ist bekannt, daß die Verwirklichung der optimalen Eigenschaften der Schweißaufträge gemäß der Erfindung von den Bedingungen abhängt, unter denen die Schweißaufträge bzw. das Schweißgut hergestellt sind. Auf dem Gebiet der schwachlegierten Stähle mit hoher Streckgrenze sind bestimmte Praktiken, z. B. geringe Schweißwärmezufuhr und kleine Raupengröße, bekannt, um die Festigkeit und Zähigkeit des Schweißgutes auf Grund asymmetrischer Verschweißung so groß wie möglich zu machen. Zusätzlich zu dieser an sich bekannten Praxis haben andere allgemeine Faktoren, die sich auf das Schweißgut beziehen, einen bestimmten Einfluß auf den Grad der Beibehaltung der maximal zu erzielenden Schweißguteigenschaften. Beispielsweise ist es bekannt, daß die Eigenschaften des Schweißmetallgutes um so eher das Optimum für einen bestimmten Gesamtlegierungsabgleich erreichen, je hö-

her die Schweißmetallreinheit ist, unter der nicht nur geringe Werte von Rest- oder Fremdelementen wie z. B. Phosphor, Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff verstanden werden, sondern auch Gesichtspunkte wie die Größe und Form von eingeschlossenen Verunreinigungen usw.

Der spezielle Schweißvorgang, der bei der Herstellung des Schweißauftrages verwendet wird, hat einen Einfluß auf die Endeigenschaften des Schweißauftrages. Man hat festgestellt, daß das Gas-Wolfram- Lichtbogen (GTA)-Verfahren mit vorlegierten Füllmetallzusätzen hoher Reinheit, die ein Schweißmetall höchster Reinheit ergeben, die optimalen Eigenschaften für die Schweißmetallaufträge gemäß der Erfindung erzielen läßt. Wenn das Gas-Metall-Lichtbogen (GMA)-Verfahren, das Argon-Sauerstoff oder äquivalente Schutzgase und vorlegierten Elektrodendraht verwendet, angewandt wird, sind die Eigenschaften des resultierenden Schweißauftrages etwas niedriger, wenigstens im Vergleich zu denen, die nach dem GTA-Verfahren erhalten werden, obgleich die charakteristischen Eigenschaften noch sehr gut sind. Eines der Merkmale der Erfindung wird darin gesehen, daß die Schweißaufträge mit charakteristischen Eigenschaften, die ziemlich nahe denen liegen, welche mit dem G MA-Verfahren erhalten werden, mit einem erheblich geringeren Kostenaufwand aus in geeigneter Weise hergestellten niedrigwasserstoffhaltigen, mit Kalkfluorid überzogenen Elektroden hoher Qualität erhalten werden können. Schweißaufträge, die mit anders überzogenen Elektroden oder nach dem Unterpulver-Lichtbogenschweißen hergestellt werden, zeigen im allgemeinen schlechtere Eigenschaften in bezug auf die, die nach den vorerwähnten Verfahren hergestellt sind, und zwar bis zu einem Grad, der von dem jeweiligen angewendeten Verfahren und der Reinheit der erhaltenen Schweißaufträge abhängt.

Die unten aufgeführten Versuchsdaten wurden aus verschiedenen Schweißgutproben erhalten, sowohl nach der bekannten Technik als auch in Verbindung mit der Lehre nach der Erfindung. In jedem Falle war das Schweißverfahren zur Erzielung der Testproben folgendes:

Das Plattenmaterial, das verschweißt werden sollte, bestand aus zwei 2,5 cm dicken Stahlstücken, wie sie von der United States Steel Corporation unter der Bezeichnung HY-130 (T) vertrieben werden. Die Abmessungen eines jeden Stahlstückes betrugen 25 cm Länge und 10 cm Breite. Die Analyse der Platte zeigte, daß ihre Zusammensetzung wie folgt ist: 0,12% Kohlenstoff, 0,90% Mangan, 0,34% Silizium, 0,59% Chrom, 4,96% Nickel, 0,50% Molybdän, 0,002% Phosphor, 0,008% Schwefel, 0,06% Kupfer, 0,064% Vanadium, 0,025% Aluminium, Rest Eisen. Die Stoßstelle an der Schweißnaht war ein einzelnes »V«, die Vorbereitung erfolgte durch Brennschneiden und anschließendes Schleifen. Die Abschrägung betrug 22,5° an der Platte.

Die Schweißelektrode hatte einen Durchmesser 0,4 cm und war eine niedrigwasserstoffhaltige, 15% Metallfluorid, etwa 5 bis 15% Erdalkalikarbonat, bis zu etwa 10% Schlackenbildner and Modifikator und etwa 0,5 bis 8% anorganisches Bindemittel. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit werden vorzugsweise alle Legierungsmaterialien für die erfindungsgemäß zu verwendende Elektrode durch den überzug eingeführt. Natürlich ist es auch möglich, alle oder einen Teil der Legierungselemente durch den Kerndraht einzuführen.

Weiter wurde für das Testschweißverfahren eine 2,5 cm dicke Halteplatte mit mindestens 2,5 cm Breite längs der gesamten Stoßstellenlänge verwendet, wobei diese Halteplatte aus dem gleichen Stahl wie das verschweißte Platteiunaterial bestand. Die Schweißstellung war flach, und der Schweißstrom betrug 1.85 A Gleichstrom ± 5A. Die Schweißspannung betrug 24 V und die Wärmezufuhr 12kJoule/cm ±2 kJoule.

Um die Einflüsse von variablen Größen beim Schweiöverfahren auf die Ausbildung der Schweißaufträge soweit wie möglich herabzusetzen, wurden alle Testplatten unter identischen Bedingungen innerhalb der Grenzen verschweißt, die bei dem Unterpulver-Lichtbogenschweißen möglich sind. Bei den Versuchsreihen wurde nur eine Schweißmaschine und nur eine Energiequelle verwendet. Schweißungen mit mehreren Durchgängen wurden dadurch erhalten, daß Strangraupen und eine Temperraupenauftragsfolge verwendet wurden. Jeder Durchgang bei dem Testschweißen wurde mit nur einer Elektrode abgeschlossen, und im Testbereich wurde nicht angefahren und angehalten. Die Vorheiz- und die Zwischendurchlauftemperatur beim Testschweißen wurde auf 120⁰C plus/minus 14° C gehalten. Um durch Wasserstoff entstandene Risse im Auftrag auszuschließen oder so gering wie möglich zu erhalten, wurde eine Mindestverzögerungsdauer zwischen zwei Durchläufen von einer Stunde angewendet. Die Schweißmetallspannbolzen mit einem Durchmesser von 0,9 cm und einem Charpy-V-Kerbenschlagprobenexemplar wurden entsprechend den Schweißaufträgen bearbeitet und sowohl im asymmetrisch verschweißten Zustand als auch nach einem IGstündigen Verweilen bei 55O°C und einem anschließenden Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von HPC pro Stunde geprüft.

Nachstehende Tabelle I zeigt die chemische Analyse von zwei Schweißaufträgen, erzielt mit erfindungsgemäß zu verwendenden Elektroden. In jedem Falle ist der Restbestandteil des Schweißauftrages Eisen.

Tabelle 1

mit Kalkfluorid überzogene Elektrode mit Flußstahlkern, die den allgemeinen Vorschriften für diese Klasse von Elektroden entsprach. Sie enthielt etwa 45 bis 80 Gewichtsprozent Kern und etwa 20 bis 55 Gewichtsprozent überzug. Der Ubcr.'ug enthielt in Gewichtsprozent der Elektrode bis etwa 30% Eisenpulver und Legierungsmetallpulver, über 2% bis etwa 7% reduzierendes Metallpulver, etwa 4 bis Schweißauftrag

Chemische Analyse in Gewichtsprozent
C Mn Si Cr Ni Mo P S

0,083
0,124

0,56
0,53

0,45

0,36 0,98

0,96

3,62
3,68

0,75
0,36

0,010
0,010

0,010 0,010

Nachstehende Tabelle 2 zeigt die chemische Analyse einer Reihe von Schweißaufträgen bekannter Art, die mit den mit den erfindungsgemäß zu verwendenden Elektroden erzielten Schweißaufträgen in den weiter unten aufgeführten Tabellen 3 und 4 verglichen werden. Auch hier ist der Restbestandteil des Schweißauftrages wiederum Eisen.

Schweißauftrag

Tabelle 2 Chemische Analyse in Gewichtsprozent

0,077
U,086
0,122
0,076
0,084
0,126
0,133
0,086
0,084

Mn

1,07
0,76
0,55
1,09
0,84
1,07
0,59
0,7'
0,79

Si

0,41
0,44
0,47
0,38
0,46
0,41
0,53
0,47
0,45

1,09
0,78'
0,53
0,50
0,73
0,52
0,54
0,80
1,25

3,52 5,14 6,26 3,56 5,10 3,60 3,65

Mo

0,35 0,18 0,35 0,74

0,39 0,75

5,140,57 5,08|0,5&

0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010

0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010'

Chemische Analyse in Gewichtsprozent

C I Mn 1 Si I Cr ! Ni I Mo I P

0,010 0,010 0,010 0,010

Die folgende Tabelle 3 zeigt einige der mechanischen Eigenschaften der Schweißaufträge in asymmetrischer Verschweißung nach den obigen Tabellen 1 und 2. In eier Tabelle 3 ist die Streckgrenze die Beanspruchung, bei der eine plastische Verformung von 0,2% erreicht wird. Eine Verlängerung und eine Verringerung der Fläche sind in Prozent bei Bruchpunkt angegeben.

Tabelle 3

Schweißauftrag Nummer

Streck	Zugfestig
grenze	keit
(kg/mm²)	(kg/mm²)
96,2	111,0
94,1	111,4
94,8	107,1
94,1	110,0
93,5	117,3
100,4	105,0
95,9	113,3
98,3	112,3
101,1	116,7
94,1	113,8
91,3	115,2
95,5	111,2
1053	114,6

Streck-

grenze/Zug-

festigkeits-

verhältnis

0,87

0,84

0,89

0,86

0,80

0,96

0,84

0,88

0,87

0,82

0,79

0,86 0,92 Nicht getestet Nicht getestet

18,6

16,4 11,4 15,7 15,7 19,3 12,2 17,2 20,0 16,4 17,9 14,3 Querschnittsverringeiung

62,1

57,1

56,3

54,8

46,1

64,1

54,8

56,3

58,5

57,7

51,0

39,3

Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit (Schlagarbcit) (kgm) ■

11,28
8,53

10,72
8,60
7,50

11,62
7,98
9,22
8,39
7,77
6,54
8,60

15,7 I 58,5 j 5,78
im asymmetrisch geschweißten
im asymmetrisch geschweißten

9,76
7,15
9,55
7,15
6,46
9,96
5,85
7,98
6,40
5,02
4,33
6,53
3,00
Zustand
Zustand

-51-C

7,84

5,50

7,56

5,54

4,68

9,70

3,37

6,32

4,81

2,40

2,20

4,75

1,39

«asss

von lire pro Stunde.

Tabelle 4

Schweißauftrag Nummer

Streckgrenze

(kg/mm²)

99,8

96,5

92,0

95,5

102,6

99,0

99,8

111,0

101,8

Zugfestigkeit

(kg/mm²)

107,5 104,2 97,6 99,0 112,0 107,8 106,8 105,8 118,0 111,3

Streck-	Dehnung
grenze/Zug-
festigkeits-	(%)
verhältnis	18,6
0,93	14,3
0,93	17,9
0,95	17,2
0,96	19,3
0,92	19,3
0,95	17,2
0,93	18,6
0,94	16,4
0,94	19,3
0,91

Querschnittsverringerung

60,7
56,3
60,7
55,5
55,5
59,9
47,0
54,8
45,5
55,5

Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit

(Schlagarbeit)

(kgm)

C

-18°C

-5l°C

9,56	6,40	3,78
^,09	4,40	2,82
4,81	2,54	1,86
3,30	1,72	1,44
3,92	2,54	1,31
1,37	1,17	0,55
1,51	1,24	1,10
4,46	2,54	1,79
2,82	1,65	0,89
0,96	0,75	0,48

Fortsetzung

Schweiß- auflrag Nummer	Streck grenze (kg/mm²)	Zugfestig keit (kg/mm²)	Streck- grenze/Zug- festigkeits- verhältnis	Dehnung (%)	Querschnitts verringerung (%)	Charp 27° C	fr-V-Kerbschlagzä (Schlagarbeit) (kgm) -18°C	ligkeil -5I°C
K L M N O	95,9 99,8 98,4 91,3 95,5	106,0 107,5 108,2 99,8 104,8	0,90 0,93 0,91 0,92 0,91	17,2 16,4 20,0 21,5 18,6	61,3 59,9 59,9 62,7 59,9	1,51 1,79 5,98 9,35 5,98	1,37 1,10 3,30 5,64 2,54	1,17 0.76 2,00 2,06 1,65

Wie angegeben, sind die Schweißaufträge A und B Beispiele für verbesserte, mit der erfindungsgemäß zu verwendenden Elektrode niedergelegte Schweißaufträge. Während die anderen Schweißaufträge, die noch angegeben sind, außerhalb der Zusammensetzungsgrenzwerte der Erfindung in bezug auf ein oder mehrere Elemente liegen, sind die Zusammensetzungen so ausgewählt, daß sie Legierungseffekte mit der minimalen Anzahl von Versuchen ergeben. Die Aufträge A und B zeigen Streckgrenzwerte größer als 91,4 kg/mm² sowohl mit asymmetrischer Verschweißung als nach der Spannungsfreiglühung.

Eine graphische und statistische Auswertung der Daten in dieser und anderen Reihen ergaben die oben beschriebenen Grenzen bei Analysen der erfindungsgemäßen Aufträge.

Es ist nicht genau bekannt, warum der bei den verbesserten Schweißaufträgen gemäß der Erfindung vorgenommene Legierungsausgleich dem ähnlicher, bekannter schwach legierter Schweißaufträge hoher Festigkeit in der Beibehaltung von Eigenschaften bei Spannungsfreiglühung, insbesondere bezüglich der Kerbschlagzähigkeit bei -5TC, überlegen ist. Der Hauptfaktor erscheint jedoch der niedrige Mangangehalt zu sein, und zwar in Verbindung mit erhöhtem Chromgehalt, wo dies erforderlich ist, um den Festigkeitswert beizubehalten. Beispielsweise ist der Auftrag F ein typischer bekannter Auftrag mit sehr guten Eigenschaften bei asymmetrischer Verschweißung (vgl. Tabelle 3); eine Spannungsfreiglühung dieses Auftrages bewirkt jedoch eine erhebliche Versprödung, wie die auffällige starke Abnahme der Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit bei allen drei Testtemperaturen zeigt (vgl. Tabelle 4). Der Auftrag F enthält 1,09% Mangan und 0,50% Chrom; der Auftrag A, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, ist weitgehend identisch mit dem Auftrag F mit der Ausnahme, daß er 0,56% Mangan und 0,98% Chrom enthält, was im wesentlichen die Umkehr der Mengen dieser Elemente im Auftrag F darstellt. Die untere Grenze von 0,35% Mangan bewirkt die Vermeidung möglicher Schwierigkeiten auf Grund ungenügender Mischung von Schwefel mit Mangan unterhalb dieses Wertes. Während man bisher der Meinung war, daß Nickel ein wesentliches Legierungselement zur Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit bei niedriger Temperatur war, zeigt die Erfindung, daß Nickel einen etwas unbestimmten Einfluß ausübt. Empirisch ergibt sich, daß Werte von etwa 2 und etwa 3,5% für eine gute Kerbschlagzähigkeit bei Spannungsfreiglühen günstig sind, wobei bei 3,5% Nickel ein Optimum erreicht wird, daß jedoch hoher Nickelgehalt in der Größenordnung von 5% oder mehr die Kerbschlagzähigkeitseigenschaficii bei Spannungsfreiglühung nachteilig beeinflußt. Die niedrigen Schwefel- und Phosphorwerte tragen sicherlich zur Beibehaltung der guten Eigenschaften bei, wenngleich sie nicht von selbst hohe Festigkeitseigenschaften oder gute Kerbschlagzähigkeiten bewirken. Die Grenzen bei den anderen Elementen in den Auftragen, die man heutzutage für den besten Bereich hält, um die gewünschten Festigkeitswerte sicherzustellen, liegen fest.

Wie oben angegeben, hängt die Verwirklichung der maximalen Eigenschaften in den mit den erfindungsgemäß zu verwendenden Elektroden niedergelegten Aufträgen von der Verwendung günstiger Schweißpraktiken und -parameter ab. Bei ungünstiger Arbeitsweise, z. B. hoher Wärmeeingabe, keiner Verzögerung zwischen Durchläufen usw., können die Eigenschaften bei Spannungsfreiglühen und bei asymmetrischer Schweißung beeinträchtigt werden; jedoch können selbst in solchen Fällen die Eigenschaften, bei Spannungsfreiglühen insbesondere die Zähigkeit, der verbesserten Schweißaufträge als wesentlich günstiger angesehen werden als jene ähnlicher bekannter Aufträge, die den gleichen Verfahrensschritten unterzogen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Schweißelektrode aus einer mit Nickel, Chrom, Molybdän und Mangan schwachlegierten Stahllegierung zur Erzielung eines Schweißgutes mit einer Streckgrenze über 91,4 kg/mm² und einer Kerbschlagzähigkeit nach Charpybei-SrCvon über 2,75 kgm (Schlagarbeit) sowohl vor als auch nach einem 16stündigen Spannungsfreiglühen bei 550⁰C und einer Zusammensetzung, die im Bereich von 0,07 bis 0,10% Kohlenstoff, 0,35 bis 0,75% Mangan, 0,25 bis 0,55 Silizium, 0,20 bis 1,35% Chrom, 3,0 bis 4,0% Nickel, 0,35 bis 1,0% Molybdän, bis 0,012% Phosphor, bis 0,012% Schwefel, Rest Eisen liegt.

2. Verwendung einer Schweißelektrode der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung für den im Anspruch 1 genannten Zweck, wobei die Zusammensetzung des Schwei ßgutes sich zu 0,08 % Kohlenstoff, 0,5% Mangan, 0,4% Silizium, 1,0% Chrom, 3,5% Nickel, 0,75% Molybdän, weniger als 0,01% Phosphor, weniger als 0,01% Schwefel, Rest Eisen ergibt.