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Das
vorliegende Patent betrifft ein Schweißverfahren, bei dem Schweißmaterialien
zum Erhöhen
der Stärke
von Schweißverbindungen
verwendet werden, und insbesondere ein Schweißverfahren, bei dem ein Schweißmaterial
zum Schweißen
oder Reparaturschweißen,
insbesondere zum Verhindern der Verringerung der Verbindungsstärke durch
Erweichen eines Teils, der für
Schweißwärme anfällig ist,
zum Verbessern der Schweißermüdungsstärke von
Schweißungen,
zum Verhindern von Schweißrissen
oder dergleichen verwendet wird.
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Bisher
wurde es zum Verhindern, dass ein Teil eines Basismaterials, das
für die
Schweißwärme anfällig ist,
durch diese Schweißwärme erweicht
wird, als notwendig angesehen, die Zusammensetzung einer Basismateriallegierung
anzupassen oder den Wärmeeintrag
zu verringern. Weil das Schweißmaterial
schrumpft, wenn ein Schweißteil
abgekühlt
wird, werden weiterhin restliche Dehnungsspannungen in dem Schweißteil induziert,
wodurch die Ermüdungsfestigkeit
des Schweißteils
erheblich verringert wird oder ein Schweißriss induziert wird. Dies
war ein Problem, das sich nicht vermeiden ließ.
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Zum
Lösen des
Problems aus dem Stand der Technik haben es die vorliegenden Erfinder
ermöglicht, die
Verbindungsstärke
bis auf das gleiche Niveau wie in dem Basismaterial zu erhöhen, indem
sie verhindert haben, dass ein Dehnungsbruch an einem erweichten
Abschnitt eines für
die Schweißwärme empfindlichen Teils
eingeleitet wird, indem sie eine restliche Druckspannung in einem
für die
Wärme empfindlichen
Teil induziert haben und die Haltewirkung durch ein Schweißmetall
hoher Stärke
verwendet haben, ohne dass sie herkömmlicherweise als notwendig
angesehene Techniken verwendet haben, bei denen Basismaterial-Legierungskomponenten
eingestellt wurden oder der Schweißwärmeeintrag verringert wurde.
Weiterhin haben die vorliegenden Erfinder als ein verbessertes neues
Schweißverfahren,
das wirksam ist, um die Ermüdungsstärke an dem
Schweißteil
zu verbessern oder einen Schweißriss
zu verhindern, ein Verfahren vorgeschlagen (japanisches Patent 3010211),
bei dem ein Kohlensäure-Schutzgas-Lichtbogenschweißen unter
Verwendung eines Schweißmaterials
ausgeführt
wird, in dem eine martensitische Transformationsausdehnung bei Raumtemperatur
oder einer Temperatur in der Umgebung davon, bei der das Schweißen abgeschlossen
ist, beendet ist. Bei diesem Verfahren kann die Restspannung in
der Nähe
eines Schweißbrenners
leicht unterdrückt
werden, indem zugelassen wird, dass das geschweißte Metall tief in ein Basismaterial
eindringt, wodurch die Ermüdungsstärke des
Schweißteils
erhöht
wird und auch das Verhindern des Schweißrisses erleichtert wird.
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In
Bezug auf ein solches neues Schweißmaterial, das die Schweißstärke erhöht, bleibt
jedoch Raum für
weitere Verbesserungen, um zu ermöglichen, dass es ein Schweißmaterial
für allgemeine
Zwecke ist, mit dem ein Schutzgas-Lichtbogenschweißen nur
unter Verwendung von Kohlendioxidgas beispielsweise beim Schweißen von
Verbindungen mit guter Wirksamkeit unter Bedingungen eines hohen
Stroms, einer hohen Spannung und einer hohen Schweißgeschwindigkeit
ausgeführt
wird.
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Unter
diesen Umständen
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein solches Schweißmaterial
mit einer niedrigen Transformationstemperatur zu verbessern, das
die vorliegenden Erfinder wie zuvor beschrieben vorgeschlagen haben,
und ein neues Schweißmaterial
für allgemeine
Zwecke bereitzustellen.
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Zum
Lösen der
vorstehend beschriebenen Probleme sieht die Erfindung ein Verfahren
nach Anspruch 1 vor. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren induziert eine restliche Druckspannung in der Nachbarschaft
eines Schweißteils
und erhöht
die Schweißverbindungsstärke durch
Transformationsausdehnung.
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1 ist
eine Photographie eines dehnungsgebrochenen Teils einer Stoßschweißverbindung,
wenn ein Schweißmaterial
gemäß der Erfindung
verwendet wird.
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2 zeigt
eine Härteverteilung
in der Umgebung eines Schweißteils
im Fall von 1.
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3 zeigt
eine Restspannungsverteilung in der Umgebung eines Schweißteils im
Fall von 1.
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4 ist
eine Photographie eines dehnungsgebrochenen Teils einer Stoßschweißverbindung,
wenn ein im Handel erhältliches
Schweißmaterial
verwendet wird.
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5 zeigt
eine Härteverteilung
in der Umgebung eines Schweißteils
im Fall von 4 und
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6 zeigt
eine Restspannungsverteilung in der Umgebung eines Schweißteils im
Fall von 4.
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Wenngleich
die Erfindung diese Merkmale hat, ist das gemäß der Erfindung verwendete
Schweißmaterial
in der Lage, restliche Schweiß-Druckspannungen
in das Schweißteil
aufzunehmen, indem eine Transformationsausdehnung des Schweißmaterials
bei Normaltemperatur ausgenutzt wird und unter Ausnutzung des Spannungsverhältniseffekts
von diesem geschweißt
wird, wobei das Ausdehnungsbrechen im erweichten Abschnitt des Schweißteils verhindert
wird und eine Beeinträchtigung
der Ermüdungsstärke oder
das Herbeiführen
eines Schweißrisses
auch verhindert wird.
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Bei
dem Schweißmaterial,
das, wie zuvor beschrieben wurde, eine verbesserte Version des Schweißmaterials
ist, das die vorliegenden Erfinder vorgeschlagen haben, wird die
martensitische Transformation bei Raumtemperatur oder bei einer
Temperatur in der Umgebung davon, bei der das Schweißen abgeschlossen ist,
beendet. Was diese Materialien angeht, ist eine eisenbasierte Legierung
dadurch gekennzeichnet, dass sie Si im Bereich von 0,6 Gew.-% bis
20 Gew.-% enthält.
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Überdies
wird ein Ni und Cr aufweisendes Legierungsmaterial als ein vorteilhafteres
Material beschrieben.
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Gewöhnlich ist
eine eisenbasierte Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung
(in Gew.-%) Ni: 2 bis 20, Cr: 2 bis 20, C (Kohlenstoff): 0,5 oder
weniger, Si: 0,6 bis 2,0, Mn: 2,0 oder weniger und Mo: 0,5 oder weniger
erwünscht.
Es erübrigt
sich zu bemerken, dass 0,5 oder weniger Nb, Ti, Al, W, Ta, V, Hf,
Zr oder dergleichen wahlweise hinzugefügt werden können. Das Gesamtverhältnis der
Metallelemente mit Ausnahme von Ni und Cr beträgt 5,0 oder weniger, und P
beträgt
wünschenswerterweise
insbesondere weniger als 0,02. Indem ein Si-Gehalt im Bereich von
0,6 bis 2,0 Gew.-% zugelassen wird, wie zuvor beschrieben wurde,
wird es möglich,
dass nur CO2 (Kohlensäuregas), das geringe Kosten
aufweist, als ein Schutzgas verwendet wird und ein Verbindungsschweißen hoher
Stärke
und dergleichen durch einen sehr wirksamen Vorgang ausgeführt werden.
Bei Verwendung des von den vorliegenden Erfindern vorgeschlagenen
Verfahrens lassen sich diese Merkmale nicht immer leicht erreichen.
Dies liegt daran, dass das Verfahren nicht für das Schweißen unter
Bedingungen eines Hochstrom-, Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeitsschweißens geeignet
ist.
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Wenngleich
es zulässig
ist, dass das Schutzgas nur Kohlensäuregas (CO2)
aufweist, kann das Schutzgas wahlweise mit einem Inertgas, wie Ar
(Argon) gemischt werden, so dass sich ein Mischgas ergibt.
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Gemäß der Erfindung
wird es, wie zuvor beschrieben wurde, durch die Verwendung des Schweißmaterials,
bei dem die martensitische Transformation in der Umgebung der Raumtemperatur
beendet ist, möglich, das
nur CO2-Gas enthaltende Schutzgas zu verwenden,
um ein Stoßverbindungsschweißen mit
hoher Leistungsfähigkeit
auszuführen
und eine Bruchposition in eine Seite des Basismaterials zu verschieben,
ohne dass solche Probleme wie ein Brechen bei einem für die Schweißwärme empfindlichen
Teil hervorgerufen werden, was sich bisher nicht vermeiden ließ, wodurch
die Stärke
des Basismaterials selbst im Fall der Schweißverbindung sichergestellt
werden kann. Beispielsweise kann die Schweißstärke im Schweißteil bis
zu einer hohen Stärke
von 800 MPa bis 1200 MPa erhöht
werden.
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Wie
beschrieben wurde, kann die Erfindung auf verschiedene Stahlmaterialtypen
angewendet werden.
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Beispielsweise
führt sie
zu einer bemerkenswerten Wirkung beim Schweißen von sehr feinkörnigem Stahl
mit einem Kristallkorndurchmesser von 3 μm oder weniger.
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Nachstehend
werden Beispiele für
das Ausführen
des Stoßverbindungsschweißens unter
Verwendung des Schweißmaterials
gemäß der Erfindung
angegeben, sie sollten jedoch nicht als die Erfindung einschränkend ausgelegt
werden.
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BEISPIEL
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Als
Stahl (Basismaterial), der in dem nachstehend beschriebenen Beispiel
geschweißt
wurde, wurde ein sehr feinkörniger
Stahl mit der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-%) verwendet: C:
0,092/Si: 0,31/Mn: 1,46/P: 0,010/S: 0,001/Al: 0,030/N: 0,0015/Nb:
0,019/Ti: 0,007/Fe: Rest.
- <1> Ein
Stoßverbindungsschweißen wurde
durch ein Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren
auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung (Gew.-%)
unter Verwendung des Schweißmaterials
gemäß der Erfindung,
das eine eisenbasierte Legierung mit:
C: 0,03
Si: 0,78
Mn:
1,94
Ni: 9,38
Cr : 9,31
Mo: 0,13
enthält und auch
unter Verwendung des 100 % CO2 enthaltenden
Schutzgases unter den Bedingungen einer Flussrate von 25 l/min,
285 A, 32 V und einer Schweißgeschwindigkeit
von 25 cm/min ausgeführt.
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1 ist
eine Photographie, in der ein Bruchzustand dargestellt ist, wobei
ein Teststück
einer stoßgeschweißten Verbindung
einem Dehnungsbrechen unterzogen wurde. Die Photographie zeigt,
dass eine Position, in der das Teststück verformt, gedehnt und gebrochen
wurde, von einer Position einer Schweißverstärkung entfernt ist.
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Dies
weist darauf hin, dass, wenngleich die wärmebeeinflusste Zone erweicht
ist, wie anhand der in 2 dargestellten Härteverteilung
ersichtlich ist, ein Brechen an dem erweichten Abschnitt verhindert
wurde. Mit anderen Worten wird, wie anhand der in 3 dargestellten
Restspannungsverteilung ersichtlich ist, herausgefunden, dass eine
restliche Druckspannung in dem erweichten Abschnitt in dem Schweißteil induziert wurde
und die so induzierte Restspannung in eine Richtung wirkt, in der
die Bearbeitungsdehnungsspannung beim Testen, die auf den erweichten
Abschnitt einwirkt, verringert wurde, wodurch das Brechen an dem
erweichten Abschnitt verhindert wurde, jedoch ein Brechen in einem
Basismaterialteil mit einer hohen Festigkeit auftrat.
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Tatsächlich betrug
die Dehnungsstärke
der Verbindung bei Verwendung des Schweißmaterials gemäß der Erfindung
838 MPa, was derjenigen des Basismaterials glich.
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Andererseits
zeigt 4 einen Bruchzustand, wobei ein Schweißverbindungs-Teststück, das
unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Schweißmaterials
mit der Zusammensetzung C: 0,09/Si: 0,32/Mn: 1,05/P: 0,008/S: 0,010/Ni:
2,71/Cr: 0,24/Mo: 0,49/Fe: Rest unter Bedingungen von 320 A, 31
V und einer Schweißgeschwindigkeit
von 25 cm/min geschweißt
wurde, einem Dehnungsbrechen unterzogen wurde. In diesem Fall fiel
der gebrochene Teil mit dem der Schweißwärme ausgesetzten Teil zusammen.
Eine Härteverteilung,
wie sie in 5 dargestellt ist, gibt an,
dass die wärmebeeinflusste
Zone erweicht ist. Im Fall dieses Materials ist das Schweißmaterial
mit dem Basismaterial analog. Bei einer in 6 dargestellten
Restspannungsverteilung wurde die Spannung entgegengesetzt zu derjenigen
des Schweißmaterials
gemäß der Erfindung
markiert. Daher ist die restliche Dehnungsspannung in der wärmebeeinflussten
Zone vorhanden, welche eine geringe Stärke aufweist und wodurch in
gewisser Weise die Bearbeitungsspannung erhöht wird, woraufhin in der wärmebeeinflussten
Zone ein Brechen auftrat. In diesem Fall wurde die Dehnungsstärke auf
739 MPa verringert.
- <2> Es
wurde Stahl mit einer Dicke von 2,4 mm in der gleichen Weise wie
zuvor beschrieben geschweißt, abgesehen
davon, dass die Schweißbedingungen
zu jenen, die in Tabelle 1 dargestellt sind, geändert wurden.
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Im
Fall des 0,5 (Gew.-%) oder weniger Si enthaltenden Schweißmaterials,
das im japanischen Patent 3010211 verwendet wurde, war ein Schweißen unter
den Bedingungen von 100 % CO2-Gas, eines
hohen Stroms, einer hohen Spannung und einer hohen Schweißgeschwindigkeit
nicht geeignet, und das Schweißen konnte
nicht unter den in Tabelle 1 dargestellten Bedingungen ausgeführt werden.
Weiterhin konnte das Schweißen
im Fall des vorstehend beschriebenen im Handel erhältlichen
Schweißmaterials
nicht unter den Bedingungen eines hohen Stroms, einer hohen Spannung
und einer hohen Schweißgeschwindigkeit
ausgeführt
werden.
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Unter
diesen Umständen
wurde bestätigt,
dass gemäß der Erfindung
ein sehr wirksames Schweißen unter
den Bedingungen von 100 % CO2-Schutzgas
möglich
war.
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Wie
vorstehend detailliert beschrieben wurde, wurde bei Verwendung des
Schweißmaterials
gemäß der Erfindung
ein Brechen des erweichten Abschnitts des Schweißteils, beispielsweise in einer
Stoßverbindung,
verhindert, wurde die Schweißstärke erhöht und wurde
weiter das Ausführen
eines Schweißens
mit einer hohen Wirksamkeit durch das nur mit CO2-Gas,
das kostengünstig
ist, abgeschirmte Lichtbogenschweißen unter den Bedingungen eines
hohen Stroms, einer hohen Spannung und einer hohen Schweißgeschwindigkeit ermöglicht.