DE60024761T2

DE60024761T2 - Schweisszusatzwerkstoff und Verfahren zum Herstellen einer Schweissverbindung

Info

Publication number: DE60024761T2
Application number: DE60024761T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Chiba-shi Morikage; Takahiro Chiba-shi Kubo; Koich Chiba-shi Yasuda; Keniti Mizushima Amano; Kazuo Tsukuba-shi Hiraoka; Akihiko Tsukuba-shi Ohta; Chiaki Tsukuba-shi Shiga
Original assignee: JFE STEEL CORP TOKIO/TOKYO; JFE Steel Corp; National Research Institute for Metals
Current assignee: National Institute For Materials Science Tsuk Jp
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2020-12-16
Also published as: KR20010062494A; US20010038001A1; EP1108495A2; US7325717B2; EP1108495A3; US20050252579A1; KR100520371B1; US20030201263A1; DE60024761D1; EP1108495B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Schweißmaterial, das vorzugsweise zur Schweißung großformatiger Stahlstrukturen verwendet wird, so beispielsweise für Schiffe, Brücken, Tanks, Baumaschinen und dergleichen. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verbesserung der Schweißrissbeständigkeitseigenschaften sowie der Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften einer Schweißverbindung.
Hintergrund der Erfindung
Auf dem Gebiet großformatiger Stahlstrukturen, also beispielsweise bei Schiffen, Wasserfahrzeugen, Rohrleitungen, Brücken, Tanks, Baumaschinen und dergleichen, besteht die Notwendigkeit, die Festigkeit des hierfür verwendeten Stahls zu erhöhen, um das Gewicht der Struktur als Ganzes zu verringern. Was das in derartigen Stahlstrukturen verwendete Stahlmaterial angeht, wird hauptsächlich sogenannter „niedriglegierter Stahl" verwendet, der weniger als 10 Gew.-% oder besonders bevorzugt weniger als 5,0 Gew.-% an Legierungselementen (Cr, Ni, Mo und dergleichen) enthält. Die Festigkeit des niedriglegierten Stahls liegt im Allgemeinen in einem Bereich von 290 bis 1180 MPa.
Aufgrund der erwähnten Notwendigkeit, ein Stahlmaterial mit höherer Festigkeit zu entwickeln, wird vorzugsweise niedriglegiertes Stahlmaterial mit hoher Festigkeit verwendet. Bei derartigem niedriglegiertem Stahlmaterial treten jedoch vergleichsweise oft bei niedriger Temperatur während des Schweißens Rissbildungen auf. Derartige Niedertemperaturrissbildungen an Schweißverbindungen des hochfesten Stahlmaterials werden hauptsächlich durch Wasserstoff verursacht, der in dem Schweißmetall während des Schweißvorganges verteilt wird. Während des Abkühlens verteilt sich der Wasserstoff und konzentriert sich insbesondere in denjenigen Abschnitten, in denen sich die mechanische Beanspruchung konzentriert, so beispielsweise an den Anschlussendabschnitten und den Basisabschnitten, die durch die Schweißwärme gehärtet werden, wodurch sich Risse darin bilden. Bekanntermaßen gilt, dass mit Zunahme des Diffusionswasserstoffes in dem Schweißmaterial sowie mit Ansteigen der (mechanischen) Beanspruchungen die Entstehung von Niedertemperaturschweißrissen wahrscheinlicher wird. Darüber hinaus ist bekannt, dass mit zunehmender Menge des Diffusionswasserstoffes die (mechanische) Beanspruchung sinkt, die für die Bildung der Niedertemperaturschweißrisse ausreicht. Die Grenzkurve der Bildung von Niedertemperaturschweißrissen ist schematisch in 2 dargestellt.
Um eine derartige Niedertemperaturrissbildung während des Schweißens zu verhindern, werden üblicherweise die nachfolgenden Verfahren eingesetzt: (1) Vorerwärmen beim Schweißen, (2) geeignete Nacherwärmung unmittelbar nach dem Schweißen, (3) Verwendung von Schweißmaterialien vom wasserstoffarmen Typ; sowie mit Blick auf das Stahlmaterial als zu schweißendes Material: (4) Verwendung eines Stahlmaterials, in dem Kohlenstoff oder dergleichen auf das Niedrigkohlenstoffäquivalent verringert wird, um so die Schweißhärtbarkeitseigenschaften zu verringern, (5) Verwendung einer Stahlmaterials, bei dem der P_CM-Wert verringert wird, um so die Anfälligkeit für Niedertemperaturschweißrissbildung verringern.
Das Vorerwärmen und/oder Nacherwärmen während des Schweißens ist jedoch äußerst aufwändig und zeitraubend, und es führt unvermeidlicherweise zu höheren Kosten für den Schweißvorgang sowie zu einer niedrigeren Effizienz desselben. Darüber hinaus enthält für den Fall eines hochfesten Stahles der Klasse 780 MPa oder mehr ein derartiger hochfester Stahl vergleichsweise große Mengen von Legierungselementen, die zur Sicherstellung einer höheren Festigkeit hinzugesetzt werden, und es bedarf daher im Wesentlichen einer Vorerwärmung während des Schweißens mit Blick auf die Verhinderung der Niedrigtemperaturrissbildung während des Schweißens unabhängig von der Verwendung von Schweißmaterialien wasserstoffarmen Typ.
Um die vorgenannten Probleme zu lösen, schlägt beispielsweise die offengelegte Druckschrift JP-A-9-253860 ein Schweißverfahren vor, bei dem hochfester Strahl der Klasse von 760 bis 980 N/mm² mittels Wolfram-Inertgas-Schweißen (TIG) geschweißt wird, wobei ein fester Draht mit 7,5 bis 12,0 Gew.-% Ni und 2 Gew.-ppm oder weniger H verwendet wird, und zwar bei einer Drahtzuführrate von 5 bis 40 g/min, wobei die Ms-Punkttemperatur des gesamten Schweißmetalls bei 400 °C oder darunter liegt. Entsprechend diesem Schweißverfahren kann ungeachtet der Tatsache, dass ein hochfester Stahl der Klasse von 760 bis 980 N/mm² mit Überdicke (mehr als 50 mm) verwendet wird, das Entstehen von Schweißrissen verhindert werden.
Darüber hinaus offenbart die offengelegte Druckschrift JP-A-11-138290 ein Schweißverfahren, bei dem ein durch Schweißen erzeugten Schweißmetall eine Martensitumwandlung während des Abkühlprozesses nach dem Schweißen erfährt, um so in einen Zustand zu gelangen, in dem sich das Schweißmaterial bei Raumtemperatur im Vergleich zum Zustand desselben zu Beginn der Martensitumwandlung ausgedehnt hat. Diese Druckschrift beschreibt eine Eisenlegierung, deren Martensitumwandlungsanfangstemperatur in einem Bereich von 170 bis 250 °C (einschließlich 170 °C und ausschließlich 250 °C) als Schweißmaterial verwendet wird.
Die in der offengelegten Druckschrift JP-A-9-253860 beschriebene Technik ist jedoch auf das Wolfram-Inertgas-Schweißen beschränkt. Dies bedeutet, dass ein Problem dahingehend auftritt, dass, wenn andere Schweißverfahren, bei denen die Menge des Diffusionswasserstoffes vergleichsweise groß ist (2 Gew.-ppm oder mehr), bei dieser Technik eingesetzt werden, immer noch eine Vorerwärmung notwendig ist, um Schweißrisse zu verhindern.
Darüber hinaus tritt bei der in der offengelegten Druckschrift JP-A-11-138290 beschriebenen Technik ein Problem auf, das unter der Bezeichnung „overmatching" (Überanpassung) bekannt ist, bei dem die Festigkeit des Schweißmaterials größer als die Festigkeit der geschweißten Materialien wird.
Die Druckschrift EP-A-0 850 719 aus dem Stand der Technik offenbart zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung, bei dem eine Eisenlegierungsverbindung zum Einsatz kommt, die eine Martensitumwandlungsanfangstemperatur in einem Bereich von 170 °C bis 250 °C aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorgenannten Probleme aus dem Stand der Technik zu lösen, und ein Schweißmaterial, die Verwendung des Schweißmaterials sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung bereitzustellen, wobei die Niedertemperaturrissbildung einer hochfesten Schweißverbindung an Stahl mit 490 bis 1180 MPa verhindert werden kann, ohne dass eine Vorerwärmung durchgeführt würde, wobei die Ermüdungsfestigkeit (fatigue strength) beziehungsweise Dauerfestigkeit der Schweißverbindung verbessert werden kann, und wobei die Festigkeit des Schweißmetalls auf einen geeigneten Wert reguliert werden kann. Es ist zudem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schweißverbindung bereitzustellen, bei der die Niedertemperaturrissbildung während des Schweißens verhindert werden kann.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erfolgte ein experimentelles Schweißen eines hochfesten Stahles der Klasse von 490 bis 1180 MPa unter Verwendung verschiedener Arten von Schweißmaterialien sowie eine intensive Beobachtung der Niedertemperatunissbildung, der Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung, sowie von Faktoren, die die Festigkeit des Schweißmaterials beeinflussen, sowie eines Verfahrens zur Verhinderung der Niedertemperaturrissbildung.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat man als Ergebnis herausgefunden, dass zum Zwecke der Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung wichtig ist, dass das Schweißmetall eine Zusammensetzung mit einer Temperaturlängenzunahmekurve (einer thermischen Längenausdehnungskurve) aufweist, bei der das Schweißmaterial eine Martensitumwandlung während des Abkühlvorganges nach dem Schweißen erfährt, und das Schweißmetall nach der Abkühlung auf Raumtemperatur einen Zustand erreicht, bei dem das Schweißmaterial im Vergleich zum Zustand zu Beginn der Martensitumwandlung ausgedehnt ist.
Darüber hinaus hat man im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass bedingt durch die Tatsache, dass das Schweißmaterial eine Martensitumwandlung während des Abkühlvorganges nach dem Schweißen erfährt und einen Zustand bei Raumtemperatur erreicht, bei dem das Schweißmetall im Vergleich zum Zustand desselben zu Beginn der Martensitumwandlung ausgedehnt ist, die Zugfestigkeitsbeanspruchung, die in dem Schweißmetall während des Abkühlvorganges auftritt, gesenkt oder in eine Kompressionsrestbelastung umgewandelt werden kann. Darüber hinaus hat man herausgefunden, dass bedingt durch den gleichen Mechanismus verhindert wird, dass sich die Zugfestigkeitsbelastung an den Endabschnitten oder den Basisabschnitten, wo die Härtung durch die Schweißwärme erfolgt, konzentriert, sich die Ermüdungsfestigkeit des Schweißverbindungsabschnittes verbessert und zudem verhindert wird, dass der Diffusionswasserstoff diffundiert und sich in dem Endabschnitt oder dem Basisabschnitt konzentriert, wodurch ohne Vorerwärmung eine Niedertemperaturrissbildung verhindert wird.
Als Ergebnis der Untersuchung der Umwandlungseigenschaften des Schweißmetalls, die am besten zur Verbesserung der Rissbeständigkeitseigenschaften geeignet sind, hat man im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zudem herausgefunden, dass die Schweißrissbildungsrate auf 0 sinkt, wenn das Ausmaß der Längenausdehnung in einem Temperaturbereich von einer Temperatur, bei der die Längenzunahme aufgrund der Martensitumwandlung (das heißt die Temperatur, die unmittelbar nach Beginn der Martensitumwandlung bei dem Abkühlvorgang, bei dem die Temperatur der Ausdehnung am geringsten ist, beobachtet wird) in eine Ausdehnung übergeht, bis 50 °C in einer Temperaturlängenzunahmekurve (einer thermischen Ausdehnungskurve) bei 2 × 10^–3 bis 8 × 10^–3 mm/mm(Probe) liegt.
Darüber hinaus hat man im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass durch Zulassen einer angemessenen Austenitrestmenge in dem Schweißmetall die Festigkeit des Schweißmetalls derart reguliert werden kann, dass sie in einem geeigneten Bereich liegt, sodass eine übermäßige Überanpassung (Die Überanpassung ist Folge einer zu hohen Festigkeit) verhindert werden kann, während die vorgenannten Eigenschaften des Schweißmetalls erhalten bleiben.
Wird ein Schweißmetall mit der vorgenannten Zusammensetzung hergestellt, so ist es notwendig, nicht nur das Schweißmaterial zu berücksichtigen, sondern auch den Grad der Verteilung (Dilution), der sich aus dem Schweißmaterial ergibt. Hierbei ist wesentlich, dass das Schweißen durch Regulieren der Zusammensetzung der Schweißmaterials und der Schweißbedingungen (so beispielsweise der während des Schweißens zugeführten Wärme) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des niedriglegierten Stahles als zu schweißendes Material erfolgt. Bezüglich des Schweißmaterials hat man im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung herausgefunden, dass eine Verbindung, deren Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) in einem Bereich von 0 bis 170 °C (einschließlich 0 °C und ausschließlich 170 °C) liegt, wenigstens den bei herkömmlichen Stahlstrukturen gültigen Schweißbedingungen genügt.
Die vorliegende Erfindung basiert auf einer Analyse sowie Ergänzung der vorbeschriebenen Erkenntnisse.
Insbesondere wird bei der vorliegenden Erfindung ein Schweißmaterial gemäß Definition in Anspruch 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Schweißmaterials sind in Ansprüchen 2 und 3 niedergelegt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung gemäß Definition in Anspruch 4 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Ansprüchen 5 bis 9 niedergelegt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schweißverbindung gemäß Definition in Anspruch 10 bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schweißverbindung sind in Ansprüchen 11 und 12 niedergelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine erläuternde Ansicht, in der schematisch die Temperaturlängenzunahmekurve für ein Beispiel der Umwandlungseigenschaften eines Schweißmetalls gezeigt ist.
2 ist eine erläuternde Ansicht, bei der schematisch die Grenze bezüglich des Auftretens einer Niedertemperaturrissbildung einer Schweißverbindung gezeigt ist.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Beispiel für eine Stoßnahtschweißverbindung als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine erläuternde Ansicht, in der ein Beispiel für eine kreuzförmige Schweißverbindung als Beispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
Beschreibung der Erfindung
Das Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung enthält eine Legierung auf Eisenbasis mit einer Zusammensetzung, deren Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) in einem Bereich von 0 bis 170 °C (einschließlich 0 °C und ausschließlich 170 °C) liegt. liegt die Ms-Punkttemperatur bei 170 °C oder höher, so wird die Festigkeit des Schweißmetalls im Vergleich zu derjenigen eines niedriglegierten Stahlmaterials als zu schweißendem Material zu hoch, obwohl der Grad der Ausdehnung des Schweißmaterials aufgrund der Martensitumwandlung vergleichsweise hoch ist. Demgegenüber werden, wenn die Ms-Punkttemperatur niedriger als 0 °C ist, aufgrund der Tatsache, dass der Ausdehnungseffekt des Schweißmetalls aufgrund der Martensitumwandlung während des Abkühlvorganges nicht ausreicht, die Niedertemperaturrissbildungseigenschaften weder verbessert, noch wird die Ermüdungsfestigkeit in zufrieden stellendem Umfang erhöht. Daher ist das Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung auf eine Legierung auf Eisenbasis mit einer Zusammensetzung beschränkt, deren Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) in einem Bereich von 0 bis 170 °C (einschließlich 0 °C und ausschließlich 170 °C) liegt. Im Ergebnis werden die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften verbessert, und die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung nimmt zu.
Indem darüber hinaus die Ms-Punkttemperatur des Schweißmaterials in einem Bereich von 0 bis 170 °C (einschließlich 0 °C und ausschließlich 170 °C) gewählt wird, verbleibt bei Raumtemperatur eine geeignete Menge von Restaustenit in dem Schweißmaterial. Entsprechend kann eine anomale Zunahme der Festigkeit aufgrund der Zusetzung großer Mengen von Legierungselementen unterbunden werden, und die Festigkeit des Schweißmetalls kann bei einem geeigneten Wert gewählt werden. Kurzum, eine Konzentration der Beanspruchungen in dem Schweißmetall kann verhindert werden.
Nachstehend wird die Zusammensetzung des Schweißmaterials der vorliegenden Erfindung, bei dem die Ms-Punkttemperatur in einem Bereich von 0 bis 170 °C (einschließlich 0 °C und ausschließlich 170 °C) liegt, beschrieben. Man beachte, dass die chemischen Bestandteile und die Ms-Punkttemperatur des Schweißmaterials der vorliegenden Erfindung Werte darstellen, die bezüglich eines Aufbringmetalls erhalten werden, das nach den Bestimmungen der japanischen Industrienorm JIS Z 3111 hergestellt worden ist.
Das Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung enthält eine Legierung auf Eisenbasis mit einer Zusammensetzung, die 0,20 Gew.-% oder weniger C, 6,0 bis 16,0 Gew.-% Cr und 6,0 bis 16,0 Gew.-% Ni enthält. Man bevorzugt, wenn die Zusammensetzung darüber hinaus 1,0 Gew.-% oder weniger Si und 2,5 Gew.-% oder weniger Mn enthält. Man bevorzugt, wenn die Zusammensetzung zudem 4,0 Gew.-% oder weniger Mo und/oder 1,0 Gew.-% oder weniger Nb enthält. Die Zusammensetzung enthält als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen (anstelle von „Gew.-%" wird nachstehend vereinfacht „%" geschrieben).
C ist dasjenige Element, das die Martensithärte ebenso wie die Schweißhärtbarkeitseigenschaften erhöht und dadurch die Niedertemperaturrissbildung erleichtert. Daher wird vorgezogen, wenn die C-Menge so weit als möglich verringert wird. Der C-Gehalt soll mit Blick auf die Verhinderung der Schweißrissbildung bei 0,20% oder weniger und vorzugsweise bei 0,10% oder weniger liegen.
Cr ist dasjenige Element, das einer Absenkung der Martensitumwandlungsanfangstemperatur dient, und das aus diesem Grunde eines der wichtigen Elemente in dem Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung darstellt. Es ist notwendig, dass der Cr-Gehalt in dem Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung bei 6,0% oder mehr liegt. Liegt der Cr-Gehalt bei weniger als 6,0%, so ist notwendig, dass kostenintensives Ni und einige Elemente, die die Verformbarkeit verschlechtern, in großen Mengen zugesetzt werden, um die Martensitumwandlungsanfangstemperatur unter 170 °C zu senken, wodurch ein Problem mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit sowie die Produktivität entsteht. Demgegenüber tritt, wenn der Cr-Gehalt 16,0% übersteigt, Ferrit in dem Schweißmaterial auf, was mit Blick auf die Zähigkeit nicht bevorzugt wird. Daher sollte der Cr-Gehalt des Schweißmaterials in einem Bereich von 6,0 bis 16,0% liegen.
Ni ist dasjenige Element, das das Martensit stabilisiert und stellt eines der wichtigen Elemente zur Absenkung der Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) unter 170 °C dar. Bedingt hierdurch sollte der Ni-Gehalt bei der vorliegenden Erfindung bei 6,0% oder mehr liegen. Demgegenüber steigert, wenn der Ni-Gehalt 16,0% übersteigt, dieser Ni-Gehalt den Preis des fertigen Schweißmaterials, was wirtschaftlich nachteilig ist.
Darüber hinaus wird aufgrund der Tatsache, dass Si die Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) senkt, vorgezogen, wenn eine vergleichsweise große Menge von Si enthalten ist, wodurch die Ms-Punkttemperatur gesenkt wird. Gleichwohl wird, wenn der Si-Gehalt 1,0% übersteigt, die Formbarkeit verschlechtert, wodurch die Produktivität des Schweißmaterials schlecht wird. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Si-Gehalt 1,0% oder weniger beträgt.
Mn wirkt als Desoxidationsmittel. Übersteigt der Mn-Gehalt 2,5%, so verschlechtert sich die Formbarkeit, wodurch die Produktivität des Schweißmaterials sinkt. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Mn-Gehalt derart reguliert wird, dass er bei 2,5% oder weniger liegt.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Schweißmetall wenigstens eines der Elemente Mo oder Nb enthalten.
Mo kann zugesetzt werden, damit die Korrosionsbeständigkeitseigenschaften des Schweißmaterials verbessert werden. Gleichwohl wird, wenn der Mo-Gehalt 4,0% über steigt, die Formbarkeit verschlechtert, weshalb die Produktivität des Schweißmaterials sinkt. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Mo-Gehalt bei 4,0% oder weniger liegt.
Nb senkt die Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur). Daher wird vorgezogen, wenn eine vergleichsweise große Menge von Nb enthalten ist, wodurch die Ms-Punkttemperatur gesenkt wird. Gleichwohl wird, wenn der Nb-Gehalt 1,0% übersteigt, die Formbarkeit verschlechtert, wodurch die Produktivität des Schweißmaterials sinkt. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Nb-Gehalt auf 1,0% oder weniger beschränkt ist.
Die Gehalte, die über die beschriebenen hinausgehen (das heißt der Rest), sind durch Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen gegeben. Derartige unvermeidbare Verunreinigungen können 0,050% oder weniger N, 0,080% oder weniger O, 0,010% oder weniger P und 0,010% oder weniger S enthalten. Selbstverständlich kann mit Blick auf die Korrosionsbeständigkeitseigenschaften eine Cu-Plattierung des Schweißmaterials vorgenommen werden.
Das Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung weist mit Blick auf seine Zusammensetzung vorzugsweise den vorgenannten Bereich auf, wobei der Gehalt an C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo und Nb des Schweißmaterials vorzugsweise derart reguliert wird, dass er der nachfolgenden Formel (1) genügt. Man beachte, dass bei der vorliegenden Erfindung für den Fall, dass eines der Elemente von Formel (1) in Wirklichkeit nicht in dem Schweißmaterial enthalten ist, die Formel (1) derart verwendet wird, dass die Menge des nicht vorhandenen Elementes gleich 0 gesetzt wird. 0 ≤ 719 – 795C – 35,55Si – 13,25Mn – 23,7Cr – 26,5Ni – 23,7Mo – 11,85Nb < 170 (1)
Hierbei stellen C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo und Nb den Gehalt jeweils an jedem Element (in Gew.-%) dar.
Durch Regulieren der Zusammensetzung der Schweißmaterials derart, dass die Zusammensetzung die vorgenannte Formel (1) erfüllt, kann die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeit verbessert werden, die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung gesteigert werden, und die anomale Zunahme der Festigkeit des Schweißmetalls unterdrückt werden. In einigen Fällen können die Schweißrissbildungsbeständigkeitseigenschaften sowie die Ermüdungsfestigkeit einfach sichergestellt werden, obwohl die Zu sammensetzung des Schweißmaterials nicht der vorgenannten Formel (1) genügt. In derartigen Fällen tritt jedoch das Problem der Überanpassung (overmatching) auf, was von einer starken Zunahme der Festigkeit des Schweißmetalls herrührt.
Darüber hinaus wird vorgezogen, wenn das Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung eine Zusammensetzung aufweist, bei der das Ausmaß der Längenausdehnung in einem Temperaturbereich von einer Temperatur, bei der die Längenzunahme aufgrund der Martensitumwandlung (das heißt die Temperatur, die unmittelbar nach Beginn der Martensitumwandlung bei dem Abkühlvorgang, bei dem die Temperatur der Ausdehnung am geringsten ist, beobachtet wird) in eine Ausdehnung übergeht, bis 50 °C in einer Temperaturlängenzunahmekurve (einer thermischen Ausdehnungskurve) bei 2 × 10^–3 bis 8 × 10^–3 mm/mm(Probe) liegt.
Man beachte, dass das Ausmaß der Längenausdehnung des Schweißmaterials der vorliegenden Erfindung einen Wert darstellt, den man für ein Schweißmetall erhält, das entsprechend den Bestimmungen der japanischen Industrienorm JP Z 3111 hergestellt worden ist.
Ist das Ausmaß der Längenausdehnung in dem vorgenannten Temperaturbereich geringer als 2 × 10^–3 mm/mm(Probe) oder größer als 8 × 10^–3 mm/mm(Probe), so bleibt eine Zugfestigkeitsrestbelastung in dem Schweißabschnitt erhalten, wodurch Rissbildungen wahrscheinlich werden.
Eine Schweißverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung wird hergestellt, indem unter Verwendung des Schweißmaterials die Schweißmaterialien zusammengeschweißt werden.
Bei der Schweißverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein niedriglegierter Stahl als zu schweißendes Material verwendet. Als niedriglegierter Stahl wird ein hochgradige Zugfestigkeit aufweisendes Stahlmaterial der Klasse von 490 bis 980 MPa mit einer Dicke von 20 mm oder mehr bevorzugt, wobei ein überdickes hochgradige Zugfestigkeit aufweisendes Stahlmaterial der Klasse von 490 MPa mit einer Dicke von 75 mm oder mehr und ein hochgradige Zugfestigkeit aufweisendes Stahlmaterial der Klasse von 590 bis 1180 MPa besonders bevorzugt werden. Die Zusammensetzung des niedriglegierten Stahlmaterials, das bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, ist je doch keinen besonderen Beschränkungen unterworfen. Es kann jedes herkömmliche bekannte Stahlmaterial eingesetzt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Schweißmetall mit einer geeigneten Zusammensetzung gebildet, indem die Zusammensetzung des Schweißmaterials, das Schweißverfahren und die Schweißbedingungen in Abhängigkeit von den zu schweißenden Materialien reguliert werden. Bei der Herstellung der Schweißverbindung der vorliegenden Erfindung können beliebige Schweißverfahren eingesetzt werden, so beispielsweise Schutzmetallbogenschweißen, Gasmetallbogenschweißen, Unterpulverschweißen und FCW-Schweißen. Bezüglich der Form der Verbindung können beliebige Formen verwendet werden, wie sie für Großstrukturen wie Schiffe, Wasserfahrzeuge, Rohrleitungen, Brücken, Tanks, Baumaschinen und dergleichen (insbesondere Kehlnahtschweißverbindungen, so beispielsweise Übereckverbindungen, kreuzförmige Schweißverbindungen vom Nichtlastübertragungstyp und Stoßnahtschweißverbindungen) zum Einsatz kommen.
Nachstehend wird das Schweißmetall der Schweißverbindung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei dem Schweißmetall der Schweißverbindung der vorliegenden Erfindung weist die Temperaturlängenzunahmekurve (die thermische Zunahmekurve) hiervon eine Temperaturzunahmekurve auf, bei der das Schweißmetall bei Raumtemperatur im Vergleich zum Zustand desselben zu Beginn der Martensitumwandlung ausgedehnt ist. 1 zeigt ein Beispiel der Temperaturlängenzunahmekurve des Schweißmaterials der Schweißverbindung der vorliegenden Erfindung. Das Schweißmetall (durchgezogene Linie) der vorliegenden Erfindung zeigt eine Martensitumwandlung während des Abkühlvorganges und erreicht bedingt durch die Ausdehnung aufgrund der Martensitumwandlung bei Raumtemperatur einen Zustand, in dem das Schweißmetall im Vergleich zum Zustand desselben zu Beginn der Martensitumwandlung ausgedehnt ist. Durch Einsatz eines Schweißmetalls mit einer derartigen Zusammensetzung in der Schweißverbindung nimmt die Zugfestigkeit bedingt durch die Einschnürung während des Abkühlvorgangs ab, oder die Kompressionsbelastung bleibt. Demgegenüber ist für den Fall einer Schweißmetalls, dessen Zusammensetzung jenseits des Bereiches der vorliegenden Erfindung (gepunktete Linie) ist, aufgrund der Tatsache, dass die Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms) vergleichsweise hoch ist, und der Grad der Ausdehnung bedingt durch die Martensitumwandlung vergleichsweise gering ist, das Schweißmetall bei Raumtemperatur in einem Zustand, in dem das Schweißmetall bedingt durch die Abkühlung nach der Umwandlung geschrumpft ist. Man beachte, dass sich das Profil der Umwandlung des Schweißmetalls der vorliegenden Erfindung aus der Temperaturlängenzunahmekurve (einer thermischen Ausdehnungskurve) ergibt, die durch kontinuierliche Messung von Veränderungen bei der Längenzunahme (bedingt durch die normale thermische Ausdehnung) entsprechend den Temperaturänderungen hergestellt werden kann.
Um ein Schweißmetall in einem derartigen Zustand zu erhalten, ist es notwendig, dass die Zusammensetzung des Schweißmetalls, das abhängig von den zu schweißenden Materialien, dem Schweißmaterial und den Schweißbedingungen veränderlich ist, diejenige Zusammensetzung ist, deren Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) in einem Bereich von 50 bis 170 °C (einschließlich 50 °C und ausschließlich 170 °C) liegt. Liegt die Ms-Punkttemperatur bei 170 °C oder mehr, so sinkt der Grad der Ausdehnung durch die Martensitumwandlung, und das Extremum der Umwandlungsausdehnung wird mit Blick auf die Raumtemperatur zu hoch. Im Ergebnis tritt bedingt durch die Abkühlung nach der Umwandlung eine Wärmeeinschnürung auf, wobei eine Zugfestigkeitsrestbeanspruchung entsteht, wodurch die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften schlechter werden. Darüber hinaus ist für den Fall, dass die Ms-Punkttemperatur niedriger als 50 °C ist, der Ausdehnungseffekt durch die Martensitumwandlung während des Abkühlvorganges nicht ausreichend, und die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften werden nicht derart stark verbessert. Bedingt hierdurch ist die Zusammensetzung des Schweißmetalls der vorliegenden Erfindung auf eine Zusammensetzung beschränkt, bei der die Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) des Schweißmetalls in einem Bereich von 50 bis 170 °C (einschließlich 50 °C und ausschließlich 170 °C) liegt. Im Ergebnis werden die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften bedeutend verbessert.
Ungeachtet der Tatsache, dass die Ms-Punkttemperatur des Schweißmetalls in einem Bereich von 50 bis 170 °C (einschließlich 50 °C und ausschließlich 170 °C) liegt, ist für den Fall, dass das Ausmaß der Längenausdehnung des Schweißmetalls in einem Temperaturbereich von der Temperatur, bei der die Längenzunahme bedingt durch die Martensitumwandlung unmittelbar nach Beginn der Umwandlung (1, Punkt T) in eine Ausdehnung übergeht, bis 50 °C in einer Temperaturlängenzunahmekurve geringer als 2 × 10^–3 mm/mm(Probe) ist, sehr wahrscheinlich, dass Niedertemperaturrisse entstehen, da die Zugfestigkeitsrestbelastung auf denjenigen Abschnitt wirkt, der von der Schweiß hitze betroffen ist. Demgegenüber wird für den Fall, dass das Ausmaß der Längenausdehnung des Schweißmetalls in dem vorgenannten Temperaturbereich von dem Punkt T bis 50 °C den Wert 8 × 10^–3 mm/mm(Probe) übersteigt, eine Zugfestigkeitsrestbeanspruchung in den Basisabschnitten des Schweißmetalls erreicht, wodurch es sehr wahrscheinlich wird, dass eine Rissbildung in dem Schweißmetall auftritt. Daher wird bevorzugt, wenn das Ausmaß der Längenausdehnung des Schweißmetalls in dem Temperaturbereich von der Temperatur (Punkt T), bei der die Längenzunahme bedingt durch die Martensitumwandlung unmittelbar nach Beginn der Umwandlung in eine Ausdehnung übergeht, bis 50 °C in einer Temperaturlängenzunahmekurve für jedes Schweißmetall bei 2 × 10^–3 mm/mm(Probe) bis 8 × 10^–3 mm/mm(Probe) liegt.
Um ein Schweißmetall mit einer Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) in einem derartigen Bereich zu erhalten, ist die Zusammensetzung des Schweißmetalls eine Zusammensetzung auf Eisenbasis, die 0,20 Gew.-% oder weniger C, 3,0 bis 13,0 Gew.-% Cr und 3,0 bis 13,0 Gew.-% Ni enthält. Es wird vorgezogen, wenn die Zusammensetzung auf Eisenbasis des Weiteren 1,0 Gew.-% oder weniger Si und 2,5 Gew.-% oder weniger Mn und darüber hinaus 4,0 Gew.-% oder weniger Mo und/oder 1,0 Gew.-% oder weniger Nb enthält. Die Eisenlegierungszusammensetzung enthält als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen (anstelle von „Gew.-%" wird nachstehend vereinfacht „%" geschrieben).
C ist dasjenige Element, das die Martensithärte ebenso wie die Schweißhärtbarkeitseigenschaften erhöht und dadurch die Niedertemperaturrissbildung erleichtert. Daher wird vorgezogen, wenn die C-Menge so weit als möglich verringert wird. Der C-Gehalt soll mit Blick auf die Verhinderung der Schweißrissbildung bei 0,20% oder weniger und vorzugsweise bei 0,12% oder weniger liegen.
Cr ist dasjenige Element, das einer Absenkung der Martensitumwandlungsanfangstemperatur dient, und das aus diesem Grunde eines der wichtigen Elemente in dem Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung darstellt. Es ist notwendig, dass der Cr-Gehalt in dem Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung bei 3,0% oder mehr liegt. Liegt der Cr-Gehalt bei weniger als 3,0%, so ist notwendig, dass kostenintensives Ni und einige Elemente, die die Verformbarkeit verschlechtern, in großen Mengen zugesetzt werden, um die Martensitumwandlungsanfangstemperatur unter 170 °C zu senken, wodurch ein Problem mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit sowie die Produktivität entsteht. Demgegenüber tritt, wenn der Cr-Gehalt 13,0% übersteigt, Ferrit in dem Schweißmateri al auf, was mit Blick auf die Zähigkeit nicht bevorzugt wird. Daher sollte der Cr-Gehalt des Schweißmaterials in einem Bereich von 3,0 bis 13,0% liegen.
Ni ist dasjenige Element, das das Martensit stabilisiert und stellt eines der wichtigen Elemente zur Absenkung der Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) unter 170 °C dar. Bedingt hierdurch sollte der Ni-Gehalt bei der vorliegenden Erfindung bei 3,0% oder mehr liegen. Demgegenüber steigert, wenn der Ni-Gehalt 13,0% übersteigt, dieser Ni-Gehalt den Preis des fertigen Schweißmaterials, was wirtschaftlich nachteilig ist.
Darüber hinaus wird aufgrund der Tatsache, dass Si die Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) senkt, vorgezogen, wenn eine vergleichsweise große Menge von Si enthalten ist, wodurch die Ms-Punkttemperatur gesenkt wird. Da jedoch Si als Desoxidationsmittel aus dem Schweißmaterial hauptsächlich zugesetzt wird, führt der Versuch, den Si-Gehalt des Schweißmetalls auf mehr als 1 % Prozent zu steigern, zu einer Verschlechterung der Formbarkeit bei der Herstellung des Schweißmaterials. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Si-Gehalt 1,0% oder weniger beträgt.
Mn wirkt als Desoxidationsmittel aus dem Schweißmaterial. Ein Versuch, den Mn-Gehalt des Schweißmetalls auf mehr als 2,5% zu steigern, führt unvermeidlicherweise zu einer Verschlechterung der Formbarkeit bei der Herstellung des Schweißmaterials. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Mn-Gehalt derart reguliert wird, dass er bei 2,5% oder weniger liegt.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Schweißmetall wenigstens eines der Elemente Mo oder Nb enthalten.
Mo kann zugesetzt werden, damit die Korrosionsbeständigkeitseigenschaften des Schweißmaterials verbessert werden. Gleichwohl wird, wenn der Mo-Gehalt 4,0% übersteigt, die Formbarkeit unvermeidlicherweise bei der Herstellung des Schweißmaterials verschlechtert. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Mo-Gehalt bei 4,0% oder weniger liegt.
Nb senkt die Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur). Daher wird vorgezogen, wenn eine vergleichsweise große Menge von Nb enthalten ist, wodurch die Ms-Punkttemperatur gesenkt wird. Gleichwohl wird, wenn der Nb-Gehalt 1,0% übersteigt, die Formbarkeit unvermeidlicherweise bei der Herstellung des Schweißmaterials verschlechtert. Entsprechend wird vorgezogen, wenn der Nb-Gehalt auf 1,0% oder weniger beschränkt ist.
Bezüglich der über die vorgenannten Elemente hinausgehenden Elemente bestehen keine besonderen Beschränkungen. V, Cu, REM können in einer Menge von jeweils 0,5% oder weniger enthalten sein. Man beachte, dass für den Fall, dass einige Elemente, die nicht die vorbeschriebenen Elemente sind, und die unvermeidlicherweise in den zu schweißenden Materialien oder dem Schweißmaterial enthalten sind, in das Schweißmaterial eingemischt sind, keinerlei Probleme auftreten.
Das Schweißmaterial der vorliegenden Erfindung weist mit Blick auf seine Zusammensetzung vorzugsweise den vorgenannten Bereich auf, wobei der Gehalt an C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo und Nb des Schweißmaterials vorzugsweise derart reguliert wird, dass er der nachfolgenden Formel (3) genügt. Man beachte, dass bei der vorliegenden Erfindung für den Fall, dass eines der Elemente von Formel (3) in Wirklichkeit nicht in dem Schweißmaterial enthalten ist, die Formel (3) derart verwendet wird, dass die Menge des nicht vorhandenen Elementes gleich 0 gesetzt wird.
Mit Blick auf eine weitere Verbesserung der Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften wird vorgezogen, wenn die Zusammensetzung des Schweißmetalls derart reguliert ist, dass die nachfolgende Formel (3) erfüllt ist. 50 ≤ 719 – 795C – 35,55Si – 13,25Mn – 23,7Cr – 26,5Ni – 23,7Mo – 11,85Nb < 170 (3)
Hierbei stellen C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo und Nb den Gehalt jeweils an jedem Element (in Gew.-%) dar.
Durch Regulierung der Zusammensetzung des Schweißmetalls derart, dass es der Zusammensetzung der vorgenannten Formel (3) genügt, werden die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften verbessert. Genügt die Zusammensetzung des Schweißmetalls nicht der Formel (3), so ist das Ausmaß der Längenzunahme durch die Martensitumwandlung des Schweißmetalls vergleichsweise klein, die Zugfestigkeitsrestbeanspruchung, die in der Schweißverbindung entsteht, wird nicht derart stark verringert, oder die Kompressionsrestbeanspruchung tritt nicht auf. Im Ergebnis sind die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften schlecht.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Schweißnaht gebildet, indem die zu verschweißenden Materialien (die aus niedriglegierten Stahlmaterialien bestehen) miteinander unter Verwendung des Schweißmaterials verschweißt werden. Hierbei sind die Zusammensetzung des Schweißmaterials wie auch die Schweißbedingungen (so beispielsweise die während des Schweißens zugeführte Wärme) von der Zusammensetzung des niedriglegierten Stahlmaterials abhängig, und zwar derart, dass das Schweißmaterial mit der vorgenannten Zusammensetzung dabei gebildet wird.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung von Schweißverbindungen mit verschiedenen Verbindungsformen anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. 3 zeigt ein Beispiel der Herstellung einer Schweißverbindung durch Mehrlagenschweißen, bei dem als Beispiel angegebene Endabschnitte des zu schweißenden Materials 11 einander gegenüberliegen (die Endabschnitte der zu schweißenden Materialien 11 sind derart bearbeitet, dass sie eine vorgegebene Nutform (in diesem Fall eine kreuzförmige Nut) aufweisen, und eine Anzahl von Schweißlagen ist sich schichtartig überlappend in der Nut angeordnet. Die Anzahl der schichtartig gestapelten Schweißlagen ist in Abhängigkeit von der Plattendicke des zu schweißenden Materials festgelegt. In dem in 3 gezeigten Fall wird aufgrund der Tatsache, dass die zu schweißenden Materialien äußerst dick sind, vorgezogen, wenn die Schweißlagen von beiden Seiten bezüglich des Dickenzentrums der Platten derart gestapelt werden, dass die Schweißabschließlagen 10 an beiden Seiten der Platte ausgebildet sind. Man beachte, dass die Schweißlagen von nur einer Seite der Platte aufgestapelt werden können.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das durch jedes Lagenschweißen geformte Schweißmetall derart präpariert, dass es ein Schweißmetall mit einer Zusammensetzung darstellt, dessen Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) in einem Bereich von 50 bis 170 °C (einschließlich 50 °C und ausschließlich 170 °C) liegt.
Im Ergebnis wird die in dem Schweißmetall entstehende Zugfestigkeitrestbeanspruchung durch die Umwandlungsausdehnung oder die Kompressionsbeanspruchung gesenkt, oder die Kompressionsbeanspruchung wird beibehalten, wodurch die Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften verbessert werden. Hierbei wird vorgezogen, wenn eine nächste Schicht auf die vorher aufgebrachte Schicht aufgestapelt wird, wenn die Temperatur des Schweißmetalls der vorher aufgebrachten Schicht nicht niedriger als die Martensitumwandlungsanfangstemperatur (Ms-Punkttemperatur) ist.
Man beachte, dass es in vielen Fällen des Mehrlagenschweißens hinnehmbar ist, wenn nur dasjenige Schweißmetall, das durch wenigstens die erste Lagenschweißung oder die abschließende Lagenschweißung gebildet ist, die vorgenannte Schweißmetallzusammensetzung, wie in 3(b) gezeigt, aufweist. Diese einfache Anordnung verhindert ebenfalls das Auftreten einer Niedertemperaturrissbildung, ohne dass eine Vorerwärmungs- und/oder eine Nacherwärmungsbehandlung von Nöten wären. Kurzum, es ist nicht immer notwendig, dass diejenigen Schichten des Schweißmaterials, die nicht die erste Schicht oder nicht die abschließende Schicht sind, aus dem Schweißmaterial mit der vorgenannten Zusammensetzung und den vorgenannten Eigenschaften bestehen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird vorgezogen, wenn wenigstens die erste Schicht oder die abschließende Schicht des Schweißmetalls, die durch jedes Lagenschweißen gebildet sind, derart ausgebildet sind, dass das Ausmaß der Längenausdehnung hiervon in einem Temperaturbereich von der Temperatur, bei der die Längenzunahme bedingt durch die Martensitumwandlung unmittelbar nach Beginn der Umwandlung in eine Ausdehnung übergeht, bis 50 °C bei 2 × 10^–3 mm/mm(Probe) bis 8 × 10^–3 mm/mm(Probe) liegt. Durch Festlegen des Ausmaßes der Längenausdehnung des Schweißmetalls innerhalb des vorgenannten Bereiches werden die Eigenschaften hinsichtlich einer Beständigkeit gegenüber einer Anfälligkeit für Schweißrissbildungen verbessert.
Darüber hinaus kann, wie in 4 gezeigt ist, die vorliegende Erfindung effektiv bei der Herstellung einer kreuzförmigen Schweißverbindung eingesetzt werden. In diesem Fall wird wie in dem vorhergehenden Fall vorgezogen, wenn das Schweißmaterial und die Schweißbedingungen derart reguliert werden, dass das sich ergebende Schweißmetall die Zusammensetzung des vorgenannten Bereiches der vorgenannten Erfindung aufweist. Bei einer derartigen Anordnung kann das Auftreten von Niedertemperaturrissen wie im vorgenannten Fall verlässlich verhindert werden.
Selbstredend kann die vorliegende Erfindung auch in Fällen des Aufbautenschweißens und dergleichen verwendet werden, darunter beim Kehlnahtschweißen, Umfangsschweißen und Reparaturschweißen.
Nachstehend werden Beispiele für bevorzugte Zusammensetzungen eines zu schweißenden Materials und eines Schweißmaterials angegeben.
Als zu schweißendes Material wird ein hochgradig zugfestes Stahlmaterial der Klasse 780 MPa gewählt, enthaltend: 0,05 bis 0,20% C, 0,05 bis 0,30% Si, 0,50 bis 1,50% Mn, 3% oder weniger Cr, 3% oder weniger Ni, 1 % oder weniger Mo, wenigstens zwei Elemente aus einer 0,5% oder weniger Cu, 0,020% oder weniger Nb, 0,02% oder weniger V, 0,02% oder weniger Ti und 0,020% oder weniger P umfassenden Gruppe, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. In diesem Fall wird als Schweißmaterial für das Schutzbogenschweißen ein Schweißmaterial gewählt, wobei die Zusammensetzung des Schweißmaterials entsprechend den Bestimmungen der japanischen Industrienorm JIS Z 3111 enthält: 0,20% oder weniger C, 1,00% oder weniger Si, 2,0% oder weniger Mn, 3 bis 13% Cr, 3 bis 13% Ni, wenigstens ein Element aus einer 1,0% oder weniger Mo, 0,10% oder weniger Nb, 0,05% oder weniger Ti, 0,10% oder weniger V und 0,5% oder weniger Cu enthaltenden Gruppe sowie Reststoffe, darunter Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen. Hierbei wird vorgezogen, wenn das Schweißen mit einer Wärmezufuhr von 5 bis 50 kJ/cm ausgeführt wird. Für den Fall des Gasmetallbogenschweißens wird vorgezogen, wenn das Schweißen bei einer Wärmezufuhr von 5 bis 100 kJ/cm vorgenommen wird.
Beispiele
Beispiel 1
Die Schweißrissbildungseigenschaften wurden unter Verwendung der niedriglegierten Stahlmaterialien (Stahlplatten mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 als zu schweißende Materialien, unter Verwendung der Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 (die Zusammensetzung des Aufbringmetalls wurde mit einer Messung gemäß der japanischen Industrienorm JP Z 3111 gemessen) als zu schweißendes Material und unter Verwendung von Teststücken entsprechend den Bestimmungen der japanischen Industrienorm JP Z 3158 unter den Schweißbedingungen in Tabelle 3 untersucht.
Die Tests wurden in einer Atmosphäre vorgenommen, deren Temperatur bei 30 °C und deren relative Feuchtigkeit bei 80% (Bedingung 1) lagen, sowie an einer Atmosphäre, deren Temperatur 20 °C und deren relative Feuchtigkeit 60% betrugen (Bedingung 2), wobei keine Vorerwärmung erfolgte. Die Testwiederholungszahl war 3, und mit Blick auf die in den Schweißabschnitten entstehenden Risse wurden das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von Rissen und die Rissrate gemäß den Bestimmungen der japanischen Industrienorm JP Z 3158 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurde keine Niedertemperaturrissbildung beobachtet, obwohl keine Vorerwärmung vorgenommen wurde. Bei dem Vergleichsbeispiel wurde demgegenüber unter Bedingung 1 (einer harten Testbedingung) das Auftreten von Rissen beobachtet.
Beispiel 2
Eine Stoßnahtverbindung und eine kreuzförmige Schweißverbindung (wobei die Verbindungslänge bei 0,5 m lag) wurde gemäß 3 und 4 hergestellt: indem niedriglegierte Stahlmaterialien (Stahlplatten) mit den Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 als zu schweißendes Material verwendet wurden, und indem ein Teil der Schweißmaterialien, deren Zusammensetzungen (Die Zusammensetzungen des Aufbringmetalls wurden entsprechend der japanischen Industrienorm JP Z 3111 gemessen) in Tabelle 2 gezeigt sind, und zwar unter Schweißbedingungen, die in Tabelle 5 gezeigt sind (ohne Vorerwärmung und Nacherwärmung).
Bezüglich dieser Schweißverbindungen wurde der Zustand während des Auftretens von Rissen in den Schweißabschnitten durch Beobachtung der Oberflächen der Abschnitte untersucht. Darüber hinaus wurden die Härte bezüglich jeder Schweißverbindung des Ausgangsmaterialabschnittes und die Härte jedes Schweißmetallabschnittes (die durchschnittliche Härte der Schweißmetallverbindung) gemessen. Darüber hinaus wurde die Menge des Restaustenits in dem Schweißmetall mittels Röntgenbeugungsverfahren gemessen. Darüber hinaus wurden durch Ermüdungstests hergestellte Bruchstücke dieser Schweißverbindungen gesammelt, und es wurde in der Atmosphäre bei Raumtemperatur der unidirektionale Ermüdungstest mit pulsierender Spannung vorgenommen, um Ermüdungsfestigkeitswerte nach der 2000000. Bewegung zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 gezeigt.
Aus den Ergebnissen wird verständlich, dass bei dem vorliegenden Beispiel keine Ausbildung auftritt, dass es eine hohe Ermüdungsfestigkeit sowie hervorragende Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften beim Schweißen sowie hervorragende Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften aufweist. Darüber hinaus ist bei dem vorliegenden Beispiel aufgrund der Tatsache, dass die Menge des Restaustenits in dem Schweißmetall vergleichsweise groß ist, die Härte des Schweißmetalls vergleichsweise niedrig und die Festigkeitsdifferenz zwischen dem Schweißmetall und dem Ausgangsmaterial vergleichsweise klein. Entsprechend kann eine merkliche Zunahme der Festigkeit des Schweißmetalls unterdrückt werden. Demgegenüber ist bei dem Vergleichsbeispiel, dessen Zusammensetzung jenseits des Bereiches der vorliegenden Erfindung lag, die Menge des Restaustenits klein, die Härte des Schweißmetalls hoch und damit die Festigkeitsdifferenz zwischen dem Schweißmetall und dem Ausgangsmetall merklich groß, obwohl bei dem Beispiel keine Schweißrissbildung, eine vergleichsweise hohe Ermüdungsfestigkeit sowie hervorragende Niedertemperaturrissbildungsbeständigkeitseigenschaften und Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften beim Schweißen auftraten, und zwar genauso wie bei dem Beispiel der vorliegenden Erfindung. Kurzum, der Grad der Überanpassung des Vergleichsbeispiels ist größer als bei den Beispielen der vorliegenden Erfindung.
Beispiel 3
Es wurden die Schweißrissbildungseigenschaften bei Verwendung niedriglegierter Stahlmaterialien (Stahlplatten) mit Zusammensetzungen gemäß Tabelle 7 als zu schweißendes Material unter Verwendung der Zusammensetzungen gemäß Tabelle 8 (die Zusammensetzungen des Aufbringmetalls wurden entsprechend der japanischen Industrienorm JP Z 3111 gemessen) als Schweißmaterial und unter Verwendung der Teststücke entsprechend den Bestimmungen der JP Z 3158 unter den Schweißbedingungen gemäß Tabelle 9 untersucht.
Die Tests wurden in einer Atmosphäre ausgeführt, in der die Temperatur bei 30 °C und die relative Feuchtigkeit bei 80% (Bedingung 1) lagen, sowie in einer Atmosphäre, bei der die Temperatur bei 20 °C und die relative Feuchtigkeit bei 60% (Bedingung 2) lagen, und dies ohne Vorerwärmen. Anschließend erfolgte eine Analyse der Zusammensetzung des ausgebildeten Metalls in der Umgebung des Wulstmittelabschnittes. Die Anzahl der Testwiederholungen lag bei 3, und mit Blick auf die in dem geschweißten Abschnitt gebildeten Risse wurden das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von Rissen sowie die Rissrate entsprechend den Bestimmungen der japanischen Industrienorm JP Z 3158 bestimmt.
Entsprechend wurde ein Teststück für den thermischen Ausdehnungstest aus dem gebildeten Schweißmetall herausgenommen, und es wurde eine Temperaturlängenzunah mekurve aufgenommen. Das Ausmaß der Längenausdehnung pro Millimeter (Probe) in dem Temperaturbereich von derjenigen Temperatur, bei der die Längenzunahme bedingt durch die Martensitumwandlung unmittelbar nach Beginn der Umwandlung in eine Ausdehnung übergeht, bis 50 °C, wurde aus der Temperaturlängenzunahmekurve bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 gezeigt.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurde keine Niedertemperaturrissbildung beobachtet, wenn das Beispiel unter Bedingung 2 hergestellt wurde, obwohl hierbei keine vor Vorerwärmung vorgenommen wurde. Demgegenüber wurde bei dem Vergleichsbeispiel, dessen Zusammensetzung jenseits des Bereiches der vorliegenden Erfindung liegt, die Bildung von Rissen beobachtet, wenn das Beispiel unter Bedingung 2 hergestellt wurde.
Bei dem vorliegenden Beispiel, dass der vorbeschriebenen Formel (3) genügt, wurde keine Niedertemperaturrissbildung beobachtet, und zwar auch dann nicht, wenn das Beispiel unter Bedingung 1 hergestellt wurde, die härter als Bedingung 2 ist. Die Schweißverbindungen mit den Nummern 3 bis 18 sowie 3 bis 21 als Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigen vergleichsweise große Ausmaße der Längenausdehnung in einem Bereich von 5,8 × 10^–3 bis 7,1 × 10^–3 mm/mm(Probe) Probe. Diese Ergebnisse zeigen eindeutig die merkliche Verbesserung der Schweißrissbildungsbeständigkeitseigenschaften.
Beispiel 4
Eine Stoßnahtschweißverbindung und eine kreuzförmige Schweißverbindung (wobei die Verbindungslänge 0,5 m betrug), siehe 3 und 4, wurden hergestellt, und zwar durch Verwendung eines Teils des niedriglegierten Stahlmaterials (Stahlplatten) mit den Zusammensetzungen gemäß Tabelle 7 als schweißende Materialien und unter Verwendung eines Teils des Schweißmaterials, dessen Zusammensetzung (die Zusammensetzungen des Aufbringmetalls wurden entsprechend der japanischen Industrienorm JP Z 3111 gemessen) gemäß Tabelle 8 gegeben war, und zwar unter den Schweißbedingungen gemäß Tabelle 11 (ohne Vorerwärmen und Nacherwärmen). Bezüglich dieser Schweißverbindungen wurden der Zustand der Rissbildung in den Schweißabschnitten durch Untersuchen der Oberfläche der Abschnitte untersucht. Man beachte, dass mit Blick auf einen Teil der Verbindungen die erste und die letzte Schicht aus dem Schweißmaterial in dem Bereich der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 12 gezeigt.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurde für die Schweißverbindungen mit den Nummern 4-3 und 4-4 keine Rissbildung beobachtet.
Gewerbliche Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung kann bei der Schweißung eines hochgradig zugfesten Stahlmaterials der Klasse von 490 bis 980 MPa das Auftreten von Niedertemperaturrissen verhindert werden, ohne dass eine Vorerwärmung vorgenommen werden müsste. Entsprechend wird die Arbeitseffizienz während des Schweißvorganges verbessert, und es wird ein merklicher Effekt in gewerblichen Anwendungen erreicht. Darüber hinaus ist das Schweißmetall der vorliegenden Erfindung mit Blick auf Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften hervorragend und unterdrückt die anomale Zunahme der Festigkeit des Schweißmetalls. Auf diese Weise kann eine Konzentration der Beanspruchung an dem Schweißmaterial verhindert werden, wodurch ein Effekt der Verbesserung der Formbarkeit von Stahlstrukturen erreicht wird.

Claims

Legierungs-Schweißmaterial auf Eisenbasis, das in Gew.-% umfasst: maximal 0,20% C; zwischen 6,0 und 16,0% Cr; zwischen 6,0 und 16,0% Ni, wobei es wahlweise des Weiteren umfasst: maximal 1,0% Si; maximal 2,5% Mn; wenigstens (a) maximal 4,0% Mo oder (b) maximal 1,0% Nb; wobei der Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen sind, und das Material eine Martensitumwandlungs-Anfangstemperatur in einem Bereich von wenigsten 0°C und weniger als 170° hat.
Material nach Anspruch 1, das Gehalte an C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb hat, die die folgenden Formel (1) erfüllen: 0 ≤ 719 – 795C – 35,55Si – 13,25Mn – 23,7Cr – 26,5Ni – 23,7Mo – 11,85Nb < 170 (1)wobei C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb jeweils einen Gehalt an jedem Element (Gew.-%) darstellen.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei Längenausdehnung in einem Temperaturbereich von (a) einer Temperatur, bei der Längenzunahme aufgrund von Martensitumwandlung unmittelbar nach dem Beginn der Umwandlung zu Ausdehnung wird, bis (b) 50°C in einer Temperatur-Längenzunahme-Kurve in einem Maß von 2 × 10^–3 bis 8 × 10^–3 mm/(Proben)mm auftritt.
Verfahren zum Herstellen einer Schweißverbindung, wobei zu verschweißende Materialien (11) unter Verwendung eines Schweißmaterials nach Anspruch 1 miteinander verschweißt werden, um eine Schweißverbindung herzustellen, das die folgenden Schritte umfasst: Einsetzen eines niedrig legierten Stahlmaterials als ein zu verschweißendes Material (11), das eine Zusammensetzung hat, die umfasst: 0,05 – 0,20% C; 0,05 – 0,30% Si; 0,50 – 1,50% Mn; 3% oder weniger Cr; 3% oder weniger Ni; 1 % oder weniger Mo; wenigstens 2 Elemente der Gruppe, die aus 0,5% oder weniger Cu, 0,020% oder weniger Nb, 0,02% oder weniger V, 0,02% oder weniger Ti und 0,020% oder weniger P besteht, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind; Ausbilden eines Schweißmetalls durch Schweißen; und Regulieren der Zusammensetzung des Schweißmaterials und der Schweißbedingungen entsprechend der Zusammensetzung des zu schweißenden Materials (11), so dass das Schweißmetall eine Eisenlegierungszusammensetzung ist, die maximal 0,20 Gew.-% C, zwischen 3,0 und 13 Gew.-% Cr, zwischen 3,0 und 13,0 Gew.-% Ni umfasst, wahlweise des Weiteren 1,0 Gew.-% oder weniger Si, 2,5 Gew.-% oder weniger Mn, wenigstens (a) maximal 4,0% Mo oder (b) maximal 1,0% Nb und wahlweise V, Cu, REM jeweils in einer Menge von 0,5% oder weniger umfasst, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, und eine Martensitumwandlungs-Anfangstemperatur in einem Bereich von 50°C bis weniger als 170°C hat.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Schweißmetall so reguliert wird, dass die Gehalte an C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb desselben eine folgende Formel (3) erfüllen: 50 ≤ 719 – 795C – 35,55Si – 13,25Mn – 23,7Cr – 26,5Ni – 23,7Mo – 11,85Nb < 170 (3)wobei C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb jeweils den Gehalt an jedem Element (Gew.-%) darstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei das Schweißmetall während eines Abkühlprozesses nach dem Schweißen martensitische Eigenschaften annimmt und dann bei Raumtemperatur einen Zustand erreicht, in dem das Schweißmetall gegenüber einem Zustand desselben, in dem die Martensitumwandlung begann, ausgedehnt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Schweißmetall in einem Temperaturbereich von (a) einer Temperatur, bei der Längenzunahme aufgrund von Martensitumwandlung unmittelbar nach dem Beginn der Umwandlung zu Ausdehnung wird, bis (b) 50°C in einer Temperatur-Längenzunahmen-Kurve in einem Maß von 2 × 10^–3 bis 8 × 10^–3 mm/(Proben)mm Längenausdehnung erfährt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Schweißen Mehrlagenschweißen ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Zusammensetzung des Schweißmetalls, das durch Schweißen der ersten Lage oder weiter durch Schweißen der abschließenden Lage des Mehrlagenschweißens ausgebildet wird, folgende Formel (3) erfüllt: 50 ≤ 719 – 795C – 35,55Si – 13,25Mn – 23,7Cr – 26,5Ni – 23,7Mo – 11,85Nb < 170 (3),wobei C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb jeweils den Gehalt an jedem Element (Gew.-%) darstellen.
Schweißverbindung, bei der zu schweißende Materialien (11) unter Verwendung eines Schweißmaterial miteinander verschweißt werden, die umfasst: ein niedrig legiertes Stahlmaterial als zu schweißendes Material, und ein Schweißmetall, das durch Schweißen ausgebildet wird, wobei das Schweißmetall eine Eisenlegierungszusammensetzung ist, die maximal 0,20 Gew.-% C, zwischen 3,0 und 13,0 Gew.-% Cr, zwischen 3,0 und 13,0 Gew.-% Ni enthält und wahlweise des Weiteren umfasst: maximal 1,0 Gew.-% Si; maximal 2,5 Gew.-% Mn; oder des Weiteren enthält wenigstens (a) maximal 4,0 Gew.-% Mo und (b) maximal 1,0 Gew.-% Nb; und wahlweise V, Cu, REM jeweils in einer Menge von 0,5% oder weniger, und wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, und eine Martensitumwandlungs-Anfangstemperatur in einem Bereich von wenigstens 50°C und weniger als 170°C hat, und das Schweißmetall eine Zusammensetzung ist, die eine Temperatur-Längenzunahme-Kurve aufweist, bei der sich das Schweißmetall bei Raumtemperatur verglichen mit einem Zustand desselben, in dem Martensitumwandlung beginnt, in einem ausgedehnten Zustand befindet.
Schweißverbindung nach Anspruch 10, wobei ein Maß der Längenausdehnung des Schweißmetalls in einem Temperaturbereich von (a) einer Temperatur, bei der Längenzunahme aufgrund von Martensitumwandlung unmittelbar nach einem Beginn der Umwandlung zu Ausdehnung wird, bis (b) 50°C in einer Temperatur-Längenzunahme-Kurve 2 × 10^–3 bis 8 × 10^–3 mm/(Proben)mm beträgt.
Schweißverbindung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Schweißmetall so reguliert wird, dass die Gehalte an C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb desselben folgende Formel (3) erfüllen: 50 ≤ 719 – 795C – 35,55Si – 13,25Mn – 23,7Cr – 26,5Ni – 23,7Mo – 11,85Nb < 170 (3)wobei C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Nb jeweils den Gehalt an jedem Element (Gew.-%) darstellen.
Einsatz eines Schweißmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Schweißen eines niedrig legierten Stahls, der umfasst: 0,05–0,20% C; 0,05–0,30% Si; 0,50–1,50% Mn; 3% oder weniger Cr; 3% oder weniger Ni; 1 % oder weniger Mo; wenigstens zwei Elemente der Gruppe, die aus 0,5% oder weniger Cu, 0,020% oder weniger Nb, 0,02% oder weniger V, 0,02% oder weniger Ti und 0,020% oder weniger P besteht, und wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind.