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Verfahren zur Herstellung von Schweißnähten mit hohen Warmstreckgrenzen
sowie seine Anwendung Für die Herstellung hochbeanspruchter geschweißter Konstruktionselemente
sind neuerdings Stähle entwickelt worden, die eine ungewöhnlich hohe Streckgrenze
und ein hohes Streckgrenzenverhältnis bei Raum- und erhöhter Temperatur aufweisen.
Es handelt sich hier um mit Kupfer und Nickel legierte Stähle, die außerdem noch
einen geringen Molybdänzusatz sowie Spuren der Elemente Tantal-Niob, Bor oder Titan
aufweisen (s. »Stahl und Eisen« 1952, Nr. 21, S. i261-67). Diese Stähle haben die
Eigenschaft, nach der Warmverformung oder nach der normalisierenden Glühung, selbst
bei sehr langsamen Abkühlungsgeschwindigkeiten, wie sie bei der Wärmebehandlung
dickwandiger Konstruktionselemente, z. B. Kesseltrommeln, gegeben sind, in der Zwischenstufe
zu erstarren. Werden derartige Stähle angelassen, so entsteht infolge Zerfalls der
Zwischenstufe ein Gefüge, das die außerordentlich hohen Festigkeitseigenschaften
bei Raum- und erhöhter Temperatur hervorruft. Ein weiterer großer Vorteil dieser
Stähle ist der, daß die bei der Entstehung der Zwischenstufe auftretende Vo lumenvergrößerung
geringer ist als bei der Entstehung der Martensitstufe und vor allem bei höheren
Temperaturen stattfindet, bei denen sich entstehende Spannungen noch ausgleichen
können. Infolgedessen sind diese Stähle schweißunempfindlich.
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Die Zusammensetzung der legierten Stähle, die praktisch Anwendung
findet, ist folgende: o,io bis
0,20 °/o Kohlenstoff, 0,3 bis
0,5 °/o Silizium, o,6 bis 1 % Kupfer, o,8 bis 1 °/o Nickel, o,8 bis _ °/o
Mangan, Ö,T5 bis 0,24 °/o Molybdän, o,oor bis o,o6 °/o Tantal-Niob oder Bor oder
Titan, Rest Eisen mit den üblichen Beimengungen.
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Es läge nun nahe, für die Verschweißung dieser Stähle Schweißdrähte
zu verwenden, die im niedergeschmolzenen Zustand die gleiche Zusammensetzung aufweisen,
wie der vorstehend erwähnte zu schweißende Stahl. Es hat sich aber gezeigt, daß
die hohe Erhitzung des Schweißdrahtes auf über 2ooo° C offenbar andere Bedingungen
bezüglich der Gefügeausbildung hervorruft als sie beim Erstarren eines Stahlblockes
gleicher Zusammensetzung gegeben sind. Es wurde nämlich festgestellt, daß bei der
angeführten Zusammensetzung des niedergeschmolzenen Schweißgutes keine Erstarrung
in der Zwischenstufe eintrat, sondern daß eine Erstarrung in der Perlitstufe stattfindet,
die im angelassenen Zustand wesentlich geringere Festigkeitseigenschaften aufweist,
als sie im Grundmaterial vorliegen. Da aber verlangt werden muß, daß auch die Schweißverbindung
gleich hohe Festigkeitseigenschaften aufweist als das Grundmaterial, so war die
Verwendung der eingangs erwähnten Stähle für geschweißte Konstruktionselemente in
Frage gestellt. Besonders war das der Fall, wenn diese Elemente einer normalisierenden
Glühung unterzogen wurden und bei der langsamen Abkühlung sich ein grobstreifiger
Perlit ausbildete.
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Erfindungsgemäß gelingt es jedoch, sowohl bei der raschen Abkühlung
nach dem Schweißen wie auch nach einer sehr langsamen Abkühlung nach normalisierender
Glühung mit Sicherheit Zwischenstufengefüge auch im Schweißgut zu. erzielen, indem
der Kupfergehalt im niedergeschmolenen Schweißgut erhöht wird, vorzugsweise auf
über 1 °/o, wobei der Legierungsgehalt der sonstigen Legierungselemente etwa derselbe
ist wie im Grundmaterial. .
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Die technische Auswirkung der Erfindung sei an folgendem Beispiel
erläutert. Dafür wurde ein 8o-mm-Blech folgender Zusammensetzung verwendet: o,18
Kohlenstoff, 0,95 °/o Mangan, o,4o °/o Silizium, o,85 °/o Kupfer, o,8 °/o Nickel,
o,2o % Molybdän, 0;002 °/o Tantal-Niob, Rest Eisen mit den üblichen Beimengungen.
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Abschnitte des Bleches wurden nach entsprechender Vorbereitung auf
einer Schweißmaschine verschweißt, und zwar mit einer Schweißnaht folgender Zusammensetzung:
o;17 °/o Kohlenstoff, 1,54 °/o Mangan, 0,30 % Silizium, o,82 % Kupfer,
0,75 °/o Nickel, 0,45 °/o Molybdän, o,oo22 °/o Tantal-Niob, Rest Eisen mit
den üblichen Beimengungen.
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Die Analyse des niedergeschmolzenen Schweißgutes ergab: o;15 °/o Kohlenstoff,
o,92 °/o Mangan, 0;40 °% Silizium, o,92 °/o Kupfer, o,86 °/o Nickel, 0,30 Molybdän,
0;0014 °/o Tantal-Niob.
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.(Die Analysenunterschiede sind durch den Abbrand bzw. durch die Einwirkung
des aufgeschmolzenen Grundwerkstoffes bedingt.) .
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Der geschweißte Abschnitt wurde bei 8700 C normalisiert und mit einer
Abkühlungsgeschwindigkeit von io°/min abgekühlt. Die Härteprüfung ergab, daß ungeglüht
das Blech eine Festigkeit von etwa 85 kg/mm2, die Schweiße dagegen nur eine solche
von 65 kg/mm2 aufwies. Die Gefügeuntersuchung zeigte,' daß dieser Unterschied darauf
zurückzuführen war, daß das Blech in der Zwischenstufe, die Schweiße dagegen in
der Perlitstufe erstarrt war. Nach 5stündiger Glühung bei 625° C, d. h. nach Anlassen
der Zwischenstufe, wurden im vollen Blech und in der Schweißverbindung folgende
Werte festgestellt
Ein Vergleich der Ergebnisse aus dem vollen Blech und der Schweißverbindung zeigt,
;daß die Streckgrenze der Schweißverbindung bei Raumtemperatur um 11 kg/mm2, bei
35o° C beinahe um 18 kg/mm2, tiefer liegt als im Blech., Im Streckgrenzenverhältnis
ist der Unterschied bei Raumtemperatur gering, dagegen bei 35o° C äußerordentlich
hoch.
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Es wurde folgender Versuch durchgeführt Abschnitte des gleichen Bleches
wurden mit dem gleichen Schweißdraht verschweißt, jedoch .in die Schweißfuge Kupferdrähte
eingelegt, die beim Schweißen zum Aufschmelzen gebracht wurden und somit den Kupfergehalt
des niedergeschmolzenen Schweißgutes erhöhten. Das Schweißgut hatte folgende Analyse:
o,16 °/o Kohlenstoff, o,84 °/o Mangan, o,42 °/o Silizium, 1,29 °% Kupfer; o,9o °%
Nickel, o,28 °% Molybdän, o,oo12 °/o Tantal-Niob, Rest Eisen mit den üblichen Beimengungen.
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Schon die Härteprüfung zeigte, daß das nicht geglühte Schweißgut diesmal
eine Festigkeit von über 85 kg/mm2 aufwies: Im Gefügebild war vorwiegend Zwischenstufe
zu erkennen. Die Festigkeitseigenschaften, die nach dem Normalisieren und Anlassen,
d. h. nach gleicher Wärmebehandlung (87o° C normalisiert, 5 Stunden bei 625° C angelassen)
wie beim ersten Versuch, festgestellt wurden, waren folgende: "
| Streckgr Festigk. Dehnung Ein Streckgr. |
| Verh. |
| kg/__2 kg/mm2 0/0 schng |
| bei 2o0C1 51,z |
| 68,0 |
| 16,3 |
| 52,8 |
| 75,0 |
| bei3500C 47,2 66,3 12,5 31,2 69,5 |
Die Ergebnisse zeigen, daß diesmal infolge des erhöhten Kupfergehaltes fast die
gleichen Festigkeitswerte erzielt wurden wie im vollen Blech und daß damit das gewünschte
Ziel, nämlich in der Schweißverbindung die gleichen Festigkeitseigenschaften wie
im vollen Blech zu erzielen, erreicht wurde.
Wenngleich die Erfindung
in erster Linie das Schweißen von mit dem Schweißgut zusammensetzungsmäßig gleichartigem
Grundwerkstoff bezweckt, lassen sich die hohen Werte im Schweißgut auch dann erzielen,
wenn andere Stahltypen als Grundwerkstoff gewählt werden. Voraussetzung ist dabei
die Anwendung der Regel, daß die zur Verwendung kommende Elektrode bzw. der Schweißdraht
eine Zusammensetzung aufweisen, die nach dem Abschmelzen unter Berücksichtigung
des Abbrandes die Einhaltung der oben angegebenen Analysengrenzen gewährleistet.
-Es werden z. B. Vergütungsstähle mit hoher Streckgrenze derart verschweißt werden
können, um die durch das Vergüten erreichten hohen Festigkeitseigenschaften ohne
nochmalige Abschreckbehandlung auch in der Schweiße zu erzielen.