EP0336161A1 - Verfahren zur Verbesserung der Schwingfestigkeit von geschweissten hochfesten Stählen - Google Patents

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EP0336161A1
EP0336161A1 EP89104670A EP89104670A EP0336161A1 EP 0336161 A1 EP0336161 A1 EP 0336161A1 EP 89104670 A EP89104670 A EP 89104670A EP 89104670 A EP89104670 A EP 89104670A EP 0336161 A1 EP0336161 A1 EP 0336161A1
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EP
European Patent Office
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ste
energy
preheating temperature
preheating
strength
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89104670A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Dr. Dipl.-Ing. Hoffmann
Bruno Dr. Dipl.-Ing. Müsgen
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication of EP0336161A1 publication Critical patent/EP0336161A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints

Definitions

  • TIG post-treatment of the weld seam transitions can, however, increase the vibration resistance of the welded joints.
  • the fatigue strength of the base material is achieved with low-strength steels, with the high-strength and high-strength steels the fatigue strength of the welded joint is considerably lower than the fatigue strength of the base material.
  • preheating is not used in the TIG post-treatment of the welded joints, both in the guidelines cited above and in practice. This is based, among other things, on on the fact that targeted investigations in the TIG aftertreatment of butt welds made of HT 80 (a steel with a strength of 850 N / mm2) with preheating to 200 ° C and without preheating showed no differences in the fatigue strength.
  • HT 80 a steel with a strength of 850 N / mm2
  • the object of the invention is seen to improve the fatigue strength of welded joints made of high-strength steel by means of an improved TIG aftertreatment of the weld seams, preferably to increase the fatigue strength of the non-welded steel (base material).
  • the invention can be advantageously configured as follows.
  • Laser beams can also be used for this.
  • TIG path energy in the range of 17 - 21 kJ / cm, which e.g. with 200 A current, 16 V voltage and 10 cm / min feed speed.
  • the TIG treatment of the butt welds made of StE 500 can be carried out at room temperature.
  • a saturation preheating temperature of at least 30 ° C is to be used with a sheet thickness of 14 - 16 mm. With preheating above 30 ° C, almost the same fatigue strength is achieved in the weld zone as that of the base material. When preheating to around 70 ° C, the fatigue strength of the TIG-treated weld zone and the base material are fully in agreement. For reasons of economy, preheating will not significantly exceed the temperature that leads to almost the same or corresponding fatigue strength on the one hand of the weld seam and on the other hand of the base material. This temperature is therefore called “saturation preheating temperature" in the application text for the short description.
  • the saturation preheat temperature is at least 80 ° C with the same sheet thickness and distance energy, with preheating to 180 ° C the fatigue strength of the weld seam is just as high as that of the base material.
  • the saturation is determine the preheating temperature by linear interpolation between the above temperatures and, if in doubt, choose a little higher as a precaution.
  • the required saturation preheating temperature is determined by extrapolation.
  • a lower saturation preheat temperature in such a way that the preheat temperature is lowered by around 4 ° C per kJ / cm by which the track energy exceeds 19 kJ / cm.
  • a higher saturation preheating temperature is expedient, in such a way that the preheating temperature is increased by around 6 ° C. per kJ / cm by which the path energy falls below 19 kJ / cm.
  • a saturation preheating temperature of at least 30 ° C must be maintained with a section energy of approx. 28 kJ / cm and at least 120 ° C with a section energy of approx. 9 kJ / cm.
  • the saturation preheat temperature is at least 145 ° C with a track energy of about 28 kJ / cm and at least 235 ° C with a track energy of about 9 kJ / cm.
  • the saturation preheat temperatures at different line energies can be obtained by interpolation between the three value pairs (28 kJ / cm; 35 ° C), (19 kJ / cm; 70 ° C), (9 kJ / cm; 125 ° C) will.
  • this saturation preheating temperature can be achieved for different line energies by interpolation between the three value pairs (28 kJ / cm; 145 ° C), (9 kJ / cm; 180 ° C), (9 kJ / cm; 235 ° C) determine.
  • the saturation preheating temperatures can be determined from the characteristic curves analogous to StE 890 and StE 690.
  • the intermediate range for the feed speeds ie between approx. 20 and 10 cm / min, can also advantageously be used, for example the value pairs (150 A; 7 cm / min), (150 A; 20 cm / min ), (250 A; 10 cm / min), (250 A; 23 cm / min).
  • the invention recommends that the welded workpieces to be post-treated are preheated to at least one hardness limiting temperature and WIG-treated with such a stretching energy that the hardness areas in the post-treated weld area are at least approximately limited to the maximum hardness values permitted by the acceptance companies.
  • the weld seam must be heated to at least the saturation preheating temperature in order to maintain the fatigue strength and, if the preheating temperature is higher for the hardness limitation, at least to the latter temperature.
  • the preheating temperature for the hardness limitation to approx. 300 HV 10 should be at least approx. 300 ° C for the steel quality StE 890, at least approx. 200 ° C for the steel quality StE 690 and for the steel quality StE 500 must be at least approx. 100 ° C.
  • preheating temperature should be chosen with a track energy under 20 kJ / cm.
  • a hardness limitation preheating temperature of at least approx. 200 ° C should be selected for a section energy of approx. 30 kJ / cm and a hardness limitation preheating temperature of at least approx. 400 ° C for a section energy of approx. 10 kJ / cm.
  • the hardness limitation preheating temperature is about 30 kJ / cm with a track energy approx. 100 ° C and at a track energy of approx. 10 kJ / cm at least approx. 300 ° C.
  • the workpieces should be preheated to a hardness limit preheating temperature that is at least as high as the saturation preheating temperature. If the latter is lower, it must be exceeded during preheating up to the hardness preheating temperature.
  • the workpieces should be preheated to at least one hardness limitation preheating temperature, which is appropriate for the steel quality StE 890 depending on the distance energy (kJ / cm) by interpolation between the three pairs of values (30 kJ / cm; 200 ° C), (20 kJ / cm; 300 ° C), (10 kJ / cm; 400 ° C).
  • the hardness limitation preheating temperature should be interpolated between the three pairs of values (30 kJ / cm; 100 ° C), (20 kJ / cm; 200 ° C), (10 kJ / cm; 300 ° C).
  • Workpieces made of high-strength steel with a fatigue strength between 250 and 600 N / mm2 should be heated to at least one hardness limitation preheating temperature, which results from the analog characteristics in the remaining areas for the dependence of the hardness limitation preheating temperature on the section energy for StE 890 and StE 690.
  • the saturation preheating temperature or the hardness limitation preheating temperature can also be introduced into the workpiece by the preceding connection welding, but must then also be maintained during the subsequent TIG aftertreatment.
  • the heating is usually done with burners.
  • the welded workpieces can be left on before or after the TIG treatment.
  • the tempering temperatures must be chosen so low that there is no significant drop in fatigue strength.
  • TIG post-treatment of high-strength steels e.g. StE 690, StE 890 etc.
  • high-strength steels e.g. StE 690, StE 890 etc.
  • the TIG post-treatment of weld seams on steel workpieces disclosed above requires, as explained, a preheating temperature which is dependent on the material, the TIG path energy and the geometry. Since the heat dissipation from the weld into other parts of the workpiece depends on the geometry (thickness, type of seam) of the weld area, it is readily apparent to the person skilled in the art that the parameters of the TIG treatment must be adapted accordingly.
  • the values for the stretch energy (kJ / cm) and / or the saturation preheating temperature and / or the hardness limiting temperature in the case of a different workpiece geometry can be adjusted according to the changed heat dissipation in the workpiece.
  • the weld seam transitions of the workpieces made of high-strength steels are made by inert gas arc welding using a tungsten electrode or by one Aftertreated laser beam or other local energies with an electrical path energy selected from a predetermined range.
  • the welded workpiece zones to be treated are preheated.
  • Fig. 3 shows the relationship between the path energy and the preheating temperature, which must be maintained at least in order to achieve the same fatigue strength in the butt seam (15 mm) as in the base material, i.e. it shows the saturation preheating temperature curves for the steel grades StE 890, StE 690 and StE 500.
  • the current strength is plotted against the feed rate.
  • the values of the track energy and preheating temperature can be selected so that the Vickers hardness HV 10 does not exceed a limit value which is given as expedient.
  • the indication TIG means the measured values obtained in the TIG seam area and the indication "WEZ" means the measured values of the "heat affected zone", which immediately follows the workpiece.
  • the meaning of the information "TIG” and "WEZ" corresponds to that of FIG. 5.
  • the operational control with regard to the adherence to the treatment parameters for lowering the number of shapes, which leads to an increase in the fatigue strength, can be carried out primarily by the simple and inexpensive control of the TIG seam width, since between the TIG seam width and the transition radius is a direct proportionality and there is an inverse proportionality between the TIG seam width and the number of shapes. Therefore, the fatigue strength can be calculated from the TIG seam width at constant preheating temperature with path energies up to approx. 50 kJ / cm.

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Abstract

Bauteile bzw. Werkstücke aus geschweißten hochfesten Stählen (Zugfestigkeit größer als 500 N/mm²), die einer Schwingbeanspruchung unterliegen, haben den Nachteil, daß die Schwingfestigkeit im Bereich der Schweißnaht erheblich geringer ist als die Schwingfestigkeit des Grundwerkstoffs. Das gilt auch für solche hochfesten Stähle, bei denen die Schweißnahtübergänge mittels der bekannten Wolfram-Inertgasmethode nachbehandelt worden sind. Gemäß der Erfindung kann die Nachbehandlung der Schweißnähte mittels örtlicher Energiezufuhr, vorzugsweise durch ein Inertgas-Lichtbogenschweißen mittels Wolframelektrode, in der Weise erfolgen, daß das Werkstück mindestens auf die von der Stahlqualität abhängige Sättigungsvorwärmtemperatur vorgewärmt wird und dann die Schweißnahtzone mit einer bestimmten Streckenenergie (kJ/cm) nachbehandelt wird. Dabei wird erreicht, daß Schweißnaht und Grundwerkstoff eine übereinstimmende Dauerschwingfestigkeit erreichen. In Fig. 4 zeigt die von den Bezugszeichen 1 bis 7 umrandete Gesamt-Fläche die brauchbaren Bereiche der Stromstärke, der Streckenenergie und der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode. Für geschweißte Werkstücke bzw. Bauteile, die im Off-shore-Bereich eingesetzt werden und daher nicht an Luft, sondern auch im Meerwasser schwingbeansprucht sind, tritt zusätzlich die Gefahr der Spannungsrißkorrosion auf, die durch das Vorwärmen auf die Härtebegrenzungstemperatur <= Sättigungsvorwärmtemperatur vermieden werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Schwingfestigkeit von geschweißten hochfesten Stählen, bei dem die Schweißnaht-Übergänge mit örtlicher Energiezufuhr und mit einer aus einem vorgegebenen Bereich ausgewählten Streckenenergie (kJ/cm) nachbehandelt werden. Es ist be­kannt, daß der Schweißnahtübergang zum Grundwerkstoff der kritische Bereich und dominierende Ausgangspunkt für die Schwingbrüche von Schweißnähten ist und an dieser Stelle auch die Maßnahmen zur Verbesserung der Schwingfestigkeit anzusetzen sind. Es ist auch bekannt, daß die nicht nachbe­handelten Stumpfnahtschweißverbindungen aus niedrig-festen Stählen, genauso wie aus höher- und hochfesten Stählen, nur eine maximale Dauerschwingfestigkeit von ungefähr 200 N/mm² (bei S = 0) erreichen.
  • Durch eine WIG-Nachbehandlung der Schweißnahtübergänge kann man jedoch die Schwingfestigkeit der Schweißverbindungen erhöhen. Mit der bisherigen WIG-Nachbehandlungsarbeitsweise wird bei den niedrig-festen Stählen die Dauerschwingfestig­keit des Grundwerkstoffes erreicht, bei den höher- und hoch­festen Stählen ist die Dauerschwingfestigkeit der Schweiß­verbindung erheblich geringer als die Dauerschwingfestigkeit des Grundwerkstoffes. Zur Zeit (ZIS-Mitteilungen, Halle 28 (1986) 9, Seite 959 - 966 und IIW DOC.VIII-829-77, 1- 28) liegen die höchsten Einzelwerte der Dauerschwingfestigkeit WIG-nachbehandelter Schweißverbindungen an Luft bei max. 345 N/mm² bei S = 0 (S ist defniiert als σ U/ σ 0, das ist das Verhältnis der Unterspannung zur Oberspannung einer Schwingungsamplitude).
  • Für die WIG-Nachbehandlung der Schweißnahtübergänge von Ver­bindungen, die einer Schwingbeanspruchung an Luft unter­worfen sind, kennt man aus dem Schrifttum lediglich grobe Richtlinien. Der heute gültige Standard der Richtlinien ist in "The method of TIG dressing", Welding in the world, 3/4 1976 (V,14), 1 - 7 festgelegt, wie dies auch aus dem Ver­gleich mit dem neuesten Schrifttum hervorgeht, VBK 0024, "Vorschrift für Berechnung und Konstruktion 0024", Ausgabe 12/1982, VEB Schwermaschinenbaukombinat TAKRAF, Leipzig.
  • Während für die Herstellung von Schweißverbindungen in Ab­hängigkeit vom Kohlenstoffäqivalent eine Mindestvorwärmtem­peratur vorgeschrieben ist, z.B. Welding Inst. contract re­port C 215/22/71, 1 - 16, IIW Doc XIII-698-73, wird auf ein Vorwärmen bei der WIG-Nachbehandlung der Schweißverbindungen sowohl in den oben zitierten Richtlinien als auch in der Praxis verzichtet. Dies beruht u.a. darauf, daß gezielte Untersuchungen bei der WIG-Nachbehandlung von Stumpfnähten aus HT 80 (einem Stahl mit 850 N/mm² Festigkeit) mit Vor­wärmen auf 200°C und ohne Vorwärmen keine Unterschiede in der Dauerschwingfestigkeit ergeben haben.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik wird die Aufgabe der Erfindung darin gesehen, durch eine verbesserte WIG-Nach­behandlung der Schweißnähte die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen aus hochfestem Stahl zu verbessern, und zwar vorzugsweise bis zur Dauerschwingfestigkeit des nicht geschweißten Stahles (Grundwerkstoff) zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die nachzubehandeln­den Schweißnähte auf eine Temperatur oberhalb Raumtemperatur vorgewärmt werden. Untersuchungen der Anmelderin haben er­geben, daß dadurch - im Gegensatz zu der oben dargelegten Ansicht - eine wesentliche Erhöhung der Schwingfestigkeit der geschweißten hochfesten Stähle bis zur Dauerschwingfestig­keit des nicht geschweißten Grundwerkstoffes erreicht werden kann.
  • Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft aus­gestaltet sein.
  • Es ist möglich, die zum Aufschmelzen der kritischen Schweiß­nahtübergänge notwendige örtliche Energiezufuhr durch Inert­gas-Lichtbogenschweißen mit Wolframelektroden (WIG-Schweißen) einzubringen.
  • Man kann hierzu auch Laserstrahlen einsetzen.
  • Zweckmäßig kann mit einer WIG-Streckenenergie im Bereich von 17 - 21 kJ/cm gearbeitet werden, die z.B. mit 200 A Strom­stärke, 16 V Spannung und 10 cm/min Vorschubgeschwindigkeit erzielbar ist.
  • Die WIG-Behandlung der Stumpfnähte aus StE 500 kann bei Raum­temperatur erfolgen.
  • Für die WIG-Behandlung der Stumpfnähte aus StE 690 ist bei einer Blechdicke von 14 - 16 mm eine Sättigungsvorwärmtem­peratur von mindestens 30°C anzuwenden. Bei einem Vorwärmen ber 30°C wird in der Schweißnahtzone schon fast die gleiche Dauerschwingfestigkeit erreicht, wie die des Grundwerkstof­fes. Bei einem Vorwärmen auf etwa 70°C stimmen die Dauer­schwingfestigkeiten der WIG-behandelten Schweißnahtzone und des Grundwerkstoffes miteinander voll überein. Aus Wirtschaft­lichkeitsgründen wird man beim Vorwärmen nicht wesentlich über diejenige Temperatur hinausgehen, die zur fast gleichen bzw. übereinstimmenden Dauerschwingfestigkeit einerseits der Schweißnaht und andererseits des Grundwerkstoffes führt. Die­se Temperatur wird daher im Anmeldungstext zur kurzen Kenn­zeichnung "Sättigungsvorwärmtemperatur" genannt.
    Für die WIG-Behandlung der Stumpfnähte aus StE 890 beträgt die Sättigungsvorwärmtemperatur bei gleicher Blechdicke und Streckenenergie mindestens 80°C, bei einem Vorwärmen auf 180°C ist die Dauerschwingfestigkeit der Schweißnaht genau­so hoch wie die des Grundwerkstoffes.
    Für Stahlqualitäten mit einer Zugfestigkeit, die zwischen der für StE 500, StE 690 und StE 890 liegt, ist die Sättigungs­ vorwärmtemperatur durch lineare Interpolation zwischen den vorgenannten Temperaturen zu ermitteln und im Zweifelsfall vorsorglich etwas höher zu wählen.
  • Für Stahlqualitäten mit noch höheren Zugfestigkeiten wird die erforderliche Sättigungsvorwärmtemperatur durch Extra­polation ermittelt.
  • Bei einer Streckenenergie über 19 kJ/cm kann man eine nie­drigere Sättigungsvorwärmtemperatur wählen, und zwar derart, daß die Vorwärmtemperatur um je rund 4°C erniedrigt wird je kJ/cm, um die die Streckenenergie 19 kJ/cm überschreitet. Bei Streckenenergien unter 19 kJ/cm ist eine höhere Sätti­gungsvorwärmtemperatur zweckmäßig, und zwar derart, daß die Vorwärmtemperatur um je rund 6°C erhöht wird je kJ/cm, um die die Streckenenergie 19 kJ/cm unterschreitet.
  • Bei der Stahlqualität StE 690 muß bei einer Streckenenergie von etwa 28 kJ/cm eine Sättigungsvorwärmtemperatur von min­destens 30°C eingehalten werden und bei einer Streckenenergie von etwa 9 kJ/cm mindestens 120°C.
  • Bei der Stahlqualität StE 890 beträgt die Sättigungsvorwärm­tempertur bei einer Streckenenergie von etwa 28 kJ/cm min­destens 145°C und bei einer Streckenenergie von etwa 9 kJ/cm mindestens 235°C.
  • Bei der Stahlqualität StE 690 können die Sättigungsvorwärm­temperaturen bei verschiedenen Streckenenergien durch In­terpolation zwischen den drei Wertepaaren (28 kJ/cm; 35°C), (19 kJ/cm; 70°C), (9 kJ/cm; 125°C) erhalten werden.
  • Bei der Stahlqualität StE 890 kann man diese Sättigungsvor­wärmtemperatur für verschiedene Streckenenergien durch In­terpolation zwischen den drei Wertepaaren (28 kJ/cm;145°C), (9 kJ/cm; 180°C), (9 kJ/cm; 235°C) ermitteln.
  • Es ist zweckmäßig, für die Vorwärmtemperatur mindestens den Wert der Sättigungsvorwärmtemperatur einzuhalten, um gleiche Dauerschwingfestigkeiten im Schweißbereich wie im übrigen Werkstückbereich zu erreichen.
  • Für hochfeste Stahlqualitäten mit einer Dauerschwingfestig­keit zwischen 250 und 600 N/mm² kann man die Sättigungsvor­wärmtemperaturen aus den zu StE 890 und StE 690 analogen Kennlinien ermitteln.
  • Günstige Verfahrensparameter, bei denen Schweißfehler wie Mulden und Poren vermieden werden, liegen bei einem Abstand der für die WIG-Nachbehandlung verwendeten Schweißelektrode von der Schweißnahtoberfläche zwischen etwa 2 bis 8 mm, ins­besondere 5 mm, einer Stromstärke von etwa 150 A bis 250 A, einer Elektrodenvorschubgeschwindigkeit von etwa 2 bis 33 cm/min und einer Streckenenergie von etwa 6 bis 60 kJ/cm.
  • Bei einer Streckenenergie zwischen ca. 20 bis 60 kJ/cm ar­beitet man vorteilhaft und zuverlässig störungsfrei in einem Bereich, der zweckmäßig durch die folgenden vier Wertepaare von Stromstärke und Vorschubgeschwindigkeit begrenzt ist: (150 A; 2 cm/min), (150 A; 7 cm/min); (250 A; 4 cm/min), (250 A; 10 cm/min).
  • Bei einer Streckenenergie zwischen ca. 6 bis 10 kJ/cm ist ein Bereich vorteilhaft, der durch drei Wertepaare (150 A; 20 cm/min), (250 A; 23 cm/min), (250 A; 33 cm/min) begrenzt ist.
  • In den vorgegebenen Bereichen der Stromstärke ist auch der Zwischenbereich für die Vorschubgeschwindigkeiten, d.h. zwi­schen ca. 20 und 10 cm/min vorteilhaft anwendbar, das sind Z.B. die Wertepaare (150 A; 7 cm/min), (150 A; 20 cm/min), (250 A; 10 cm/min), (250 A; 23 cm/min).
  • Bei geschweißten Werkstoffen, die im Offshore-Bereich einge­setzt werden sollen, tritt in den aufgehärteten Schweißnaht­bereichen der im Meerwasser schwingbeanspruchten Schweißkon­struktionen zusätzlich die Gefahr der Spannungsrißkorrosion auf. Hierzu empfiehlt die Erfindung, daß die nachzubehandeln­den geschweißten Werkstücke mindestens auf eine Härtebegren­zungstemperatur vorgewärmt und mit einer solchen Strecken­energie WIG-behandelt werden, daß die Härtebereiche im nach­behandelten Schweißnahtbereich zumindest annähernd auf die von den Abnahmegesellschaften maximal zulässigen Härtewerte begrenzt sind. Dabei muß die Schweißnaht mindestens auf die Sättigungsvorwärmtemperatur für die Einhaltung der Dauer­schwingfestigkeit erwärmt werden und, wenn die Vorwärmtem­peratur für die Härtebegrenzung höher liegt, zumindest bis auf die letztere Temperatur.
  • Es ist vorteilhaft, die Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur so hoch zu wählen, daß die Härtewerte von ca. 300 HV 10 nicht überschritten werden.
  • Bei einer WIG-Streckenenergie von 20 kJ/cm soll die Vorwärm­temperatur für die Härtebegrenzung auf ca. 300 HV 10 bei der Stahlqualität StE 890 mindestens ca. 300°C, bei der Stahl­qualität StE 690 mindestens ca. 200°C und bei der Stahlqua­lität StE 500 mindestens ca. 100°C betragen.
  • Bei einer Streckenenergie über 20 kJ/cm soll zweckmäßig eine niedrigere und bei einer Streckenenergie unter 20 kJ/cm eine höhere Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur gewählt werden.
  • Für die Stahlqualität StE 890 soll bei einer Streckenenergie von etwa 30 kJ/cm eine Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur von mindestens ca. 200°C und bei einer Streckenenergie von etwa 10 kJ/cm eine Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur von minde­stens ca. 400°C gewählt werden.
  • Für die Stahlqualität StE 690 beträgt die Härtebegrenzungs­vorwärmtemperatur bei einer Streckenenergie von etwa 30 kJ/cm ca. 100°C und bei einer Streckenenergie von etwa 10 kJ/cm mindestens ca. 300°C. Die Werkstücke sollen auf eine Härte­begrenzungsvorwärmtemperatur vorgewärmt werden, die minde­stens so hoch ist wie die Sättigungsvorwärmtemperatur. Wenn letztere niedriger liegt, muß sie beim Vorwärmen bis zur Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur überschritten werden.
  • Die Werkstücke sollen mindestens auf eine Härtebegrenzungs­vorwärmtemperatur vorgewärmt werden, die sich für die Stahl­qualität StE 890 in Abhängigkeit von der Streckenenergie (kJ/cm) durch Interpolation zwischen den drei Wertepaaren (30 kJ/cm; 200°C), (20 kJ/cm; 300°C), (10 kJ/cm; 400°C) ergibt.
  • Bei StE 690 soll zur Ermittlung der Härtebegrenzungsvorwärm­temperatur zwischen den drei Wertepaaren (30 kJ/cm; 100°C), (20 kJ/cm; 200°C), (10 kJ/cm; 300°C) interpoliert werden.
  • Werkstücke aus hochfesten Stahlqualitäten mit einer Dauer­schwingfestigkeit zwischen 250 und 600 N/mm² sollen auf mindestens eine Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur erwärmt werden, die sich aus den analogen Kennlinien in den Rest­bereichen für die Abhängigkeit der Härtebegrenzungsvorwärm­tempertur von der Streckenenergie für StE 890 und StE 690 ergibt.
  • Die Sättigungsvorwärmtemperatur bzw. die Härtebegrenzungs­vorwärmtemperatur kann auch durch das vorausgehende Verbin­dungsschweißen in das Werkstück eingebracht werden, muß dann aber auch während der anschließenden WIG-Nachbehandlung ge­halten werden.
  • Normalerweise erfolgt die Erwärmung mit Brennern.
  • Zur Entspannung können die geschweißten Werkstücke vor oder nach der WIG-Behandlung angelassen werden. Bei einer Anlaß­behandlung nach der WIG-Behandlung müssen die Anlaßtempera­turen jedoch so niedrig gewählt werden, daß kein wesentlicher Schwingfestigkeitsabfall erfolgt.
  • Die WIG-Nachbehandlung hochfester Stähle (z.B. StE 690, StE 890 usw.) ohne oder ohne ausreichende Vorwärmtemperatur führt zu einer Vorschädigung des Werkstückes, die durch eine Anlaßbehandlung nicht rückgängig gemacht werden kann.
  • Die vorstehend offenbarte WIG-Nachbehandlung von Schweiß­nähten an Werkstücken aus Stahl erfordert, wie dargelegt, eine vom Werkstoff, der WIG-Streckenenergie und der Geome­trie abhängige Vorwärmtemperatur. Da nun die Wärmeableitung aus der Schweiße in andere Teile des Werkstückes von der Geometrie (Dicke, Nahtart) des Schweißnahtbereiches abhängt, ist es für den Fachmann ohne weiteres einsichtig, daß die Parameter der WIG-Behandlung entsprechend angepaßt sein müssen. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die für die WIG-Behandlung von Stumpfnähten bei Blechen mit einem Dickenbereich von 14 bis 16 mm gültigen Werte für die Streckenenergie (kJ/cm) und/oder die Sättigungsvorwärm­temperatur und/oder die Härtebegrenzungstemperatur bei ab­weichender Werkstück-Geometrie (z.B. abweichende Blechdik­ke, Nahtart) entsprechend der veränderten Wärmeabführung im Werkstück angepaßt werden.
  • Stahlqualitäten mit hohem Kohlenstoffäquivalent haben beson­ders rißempfindliche Gefüge. Daher ist bei derartigen Stäh­len die Streckenenergie und/oder die Sättigungsvorwärmtem­peratur und/oder die Härtebegrenzungstemperatur im Vergleich zu den bisher mitgeteilten Werten zu erhöhen.
  • Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbei­spiele der Erfindung erläutert. Es zeigen im einzelnen, je­weils bei einer Stumpfnaht und 15 mm Blechdicke:
    • Fig. 1 eine Darstellung, bei der die Dauerschwingfestigkeit in N/mm² gegen die Vorwärmtemperatur in °C aufgetra­gen ist, für drei Stahlqualitäten,
    • Fig. 2 eine Darstellung der Dauerschwingfestigkeit in N/mm² gegen die WIG-Streckenenergie kJ/cm, für die Stahl­qualität StE 890,
    • Fig. 3 eine Darstellung der WIG-Streckenenergie in kJ/cm gegen die Sättigungsvorwärmtemperatur für die Stahl­qualitäten StE 500, StE 690 und StE 890,
    • Fig. 4 eine Darstellung der Stromstärke in Ampere gegen die Vorschubgeschwindigkeit in cm/min, aus der die vor­teilhaften Bereiche ersichtlich sind,
    • Fig. 5 eine Darstellung der Vickershärte in HV 10 gegen die Streckenenergie für die Stahlqualität StE 890 bei mehreren Sättigungsvorwärmtemperaturen,
    • Fig. 6 eine Darstellung der Vickershärte HV 10 gegen die Streckenenergie ohne Vorwärmen für die Stahlqualitä­ten StE 500, StE 690 und StE 890.
  • Bei diesem Verfahren zur Verbesserung der Dauerschwingfestig­keit, bei dem zwangsläufig auch die Zeitschwingfestigkeit - das ist die Schwingfestigkeit unterhalb der Dauerschwing­festigkeit im Zeit- und Kurzzeitfestigkeitsbereich - erhöht wird, werden die Schweißnahtübergänge der Werkstücke aus hochfesten Stählen durch ein Intertgas-Lichtbogenschweißen mittels Wolframelektrode bzw. durch einen Laserstrahl oder andere örtliche Energien mit einer aus einem vorgegebenen Bereich ausgewählten elektrischen Streckenenergie nachbehan­delt. Die nachzubehandelnden geschweißten Werkstückzonen werden vorgewärmt.
  • Die Fig. 1 zeigt dazu die für die Stumpfnaht (15 mm) aus den drei Stahlqualitäten StE 890, StE 690 und StE 500 bei ver­schiedenen Vorwärmtemperaturen und Streckenenergien erreich­te Dauerschwingfestigkeit, die mit zunehmender Streckenener­gie und Vorwärmtemperatur zunimmt und schließlich den auf der rechten Seite der Darstellung ersichtlichen jeweiligen Grenzwert (horizontale Geraden), nämlich die Dauerschwing­festigkeit des jeweiligen Grundwerkstoffes, erreicht. Zum Beispiel wird bei StE 890 bei 180°C Vorwärmtemperatur und einer Streckenenergie von 19 kJ/cm in der Schweißnaht die­selbe Dauerschwingfestigkeit erreicht wie im Grundwerkstoff (Sättigungsvorwärmtemperaturen).
  • In Fig. 2 wird anhand von Einzelabmessungen gezeigt, daß die Dauerschwingfestigkeit der Stumpfnaht (15 mm) (Stahlsorte StE 890) mit zunehmender Streckenenergie und Vorwärmtempera­tur zunimmt, jedoch ohne Vorwärmen (Raumtemperatur RT = 20°C) ab ca. 30 kJ/cm (200 A) wieder abnimmt, ohne die Dauerschwing­festigkeit des Grundwerkstoffes auch nur annähernd zu errei­chen. Bei 200°C Vorwärmtemperatur jedoch wird die Dauer­schwingfestigkeit des Grundwerkstoffes schon bei 15 kJ/cm Streckenenergie erreicht und dieses Niveau bleibt auch bei höheren Streckenenergien erhalten, so daß von der Sätti­gungsvorwärmtemperatur an ein für die praktische Anwendung geeigneter breiter Arbeitsbereich der Streckenenergie zur Verfügung steht.
  • Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen den Streckenenergie und der Vorwärmtemperatur, die mindestens eingehalten werden muß, um in der Stumpfnaht (15 mm) die gleiche Dauerschwing­festigkeit zu erreichen wie im Grundwerkstoff, d.h. sie zeigt die Sättigungsvorwärmtemperaturkurven für die Stahl­sorten StE 890, StE 690 und StE 500.
  • In Fig. 4 ist die Stromstärke gegen die Vorschubgeschwindig­keit aufgetragen. Der durch die Kreise mit den Bezugszeichen (1) bis (7) umrandete Flächenbereich, Stromstärke ca. 150 bis 250 A und Streckenenergie ca. 6 bis 60 kJ/cm, ergibt ein in der Regel gutes Ergebnis bei der WIG-Nachbehandlung. Besonders überraschend ist, daß gute Ergebnisse in dem Flä­chen-Teilbereich erzielt werden, der umrandet ist durch die Kreise (1), (2), (6), (7), d.h. 150 bis 250 A Stromstärke mit einer Streckenenergie von ca. 20 bis 60 kJ/cm, und wei­terhin in dem Flächen-Teilbereich, der umrandet ist durch die Kreise (3), (4), (5) und der bestimmmt ist durch eine Stromstärke zwischen 150 und 250 A sowie eine Streckenener­gie zwischen etwa 6 und 10 kJ/cm. Dabei ist es zweckmäßig, den Abstand der Schweißelektrode von der Schweißnahtober­fläche auf ca. 5 mm (mit einer Toleranz bis + 2 mm) einzu­stellen.
  • Aus Fig. 5, in der die maximale Härte gegen die Strecken­energie aufgetragen ist, können die Werte der Streckenener­gie und Vorwärmtemperatur so ausgewählt werden, daß die Vickershärte HV 10 einen als zweckmäßig vorgegebenen Grenz­wert nicht überschreitet. In der Fig. bedeutet die Angabe WIG" die in dem WIG-Nahtbereich erhaltenen Meßwerte und die Angabe "WEZ" die Meßwerte der "Wärmeeinflußzone", die sich zum Werkstück hin unmittelbar anschließt.
  • Fig. 6 zeigt die entsprechenden Kurven bei To = RT (Raum­temperatur 20°C) für die drei dort bezeichneten Stahlquali­täten. Die Bedeutung der Angabe "WIG" und "WEZ" stimmt mit der von Fig. 5 überein.
  • Bei entsprechend den obigen Diagrammen durchgeführten WIG-­Nachbehandlungen der Schweißnähte wurden mit Streckenenergien zwischen 6 und 60 kJ/cm WIG-Nahtbreiten zwischen 5 und 12 mm erzielt, die näherungsweise Übergangsradien zwischen 10 und 30 mm und Formzahlen zwischen 1,12 und 1,02 zur Folge haben, und zwar in der Weise, daß durch die höheren Streckenener­gien höhere WIG-Nahtbreiten sowie Übergangsradien und durch letztere niedrigere Formzahlen und damit höhere und bei Be­rücksichtigung der Sättigungsvorwärmtemperatur sogar Höchst­werte der Schwingfestigkeit erzielt werden.
  • Die Betriebskontrolle bezüglich der Einhaltung der Behand­lungsparameter zur Erniedrigung der Formzahl, die zu einer Erhöhung der Schwingfestigkeit führt, kann vornehmlich durch die einfache und kostengünstige Kontrolle der WIG-Nahtbreite erfolgen, da zwischen der WIG-Nahtbreite und dem Übergangs­ radius eine direkte Proportionalität und zwischen der WIG-­Nahtbreite und der Formzahl eine umgekehrte Proportionalität besteht. Daher ist die Schwingfestigkeit aus der WIG-Naht­breite bei konstanter Vorwärmtemperatur bei Streckenenergien bis zu ca. 50 kJ/cm berechenbar.
  • Die für die WIG-Nachbehandlung von Stumpfnähten (15 mm Blech) gültigen offenbarten Größenwerte können mit Hilfe der Kor­rekturfaktoren gemäß dem t8/5-Konzept (Stahl-Eisen-Werkstoff­blatt 088) auf andere Blechdicken und Schweißnahtarten um­gerechnet werden. Das ist mit Hilfe des Kohlenstoffäquiva­lentes weiterhin auch möglich für Stähle mit vergleichbarer Festigkeit aber stark abweichendem Kohlenstoffäquivalent.

Claims (26)

1. Verfahren zur Verbesserung der Schwingfestigkeit von ge­schweißten Werkstücken aus hochfesten Stählen, bei dem die Schweißnaht-Übergänge mit örtlicher Energiezufuhr mit einer aus einem vorgegebenen Bereich ausgewählten Strek­kenenergie (kJ/cm) nachbehandelt werden, dadurch gekenn­zeichnet, daß die nachzubehandelnden geschweißten Werk­stückzonen auf eine Temperatur oberhalb Raumtemperatur (20°C) vorgewärmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche Energiezufuhr durch ein Inertgas-Lichtbogen­schweißen mittels Wolframelektrode erfolgt (WIG-Behand­lung).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche Energiezufuhr durch Laserstrahlbeaufschlagung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß für Stumpfnähte bei Blechdicken von 14 bis 16 mm und bei einer Streckenenergie von 17 bis 21 kJ/cm die Sättigungsvorwärmtemperatur für Stahlqualitäten von StE 500 bis StE 890 im Bereich oberhalb der Raumtempera­tur liegt, und zwar für die Stahlqualität StE 690 minde­stens 30°C und für die Stahlqualität StE 890 mindestens 80°C beträgt, und daß für Stahlqualitäten mit der dazwi­schenliegenden Zugfestigkeit die Mindestvorwärmsättigungs­temperatur annähernd linear interpoliert und für Stahl­qualitäten mit höherer Zugfestigkeit extrapoliert werden.
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß bei einer höheren Streckenenergie eine nie­drigere Sättigungsvorwärmtemperatur gewählt wird, und zwar so, daß, vorzugsweise bei einem Verfahren nach Anspruch 4, die Vorwärmtemperatur um je rund 4°C erniedrigt wird je kJ/cm, um die die Streckenenergie 19 kJ/cm überschreitet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß bei einer niedrigeren Streckenenergie eine höhere Sättigungsvorwärmtemperatur gewählt wird und zwar so, daß, vorzugsweise bei einem Verfahren nach An­spruch 4, die Vorwärmtemperatur um je rund 6°C erhöht wird je kJ/cm, um die die Streckenenergie 19 kJ/cm unter­schreitet.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeich­net, daß für die Stahlqualität StE 690 bei einer Strecken­energie von etwa 28 kJ/cm eine Sättigungsvorwärmtemperatur von mindestens 30°C und bei einer Streckenenergie von etwa 9 kJ/cm eine Sättigungsvorwärmtemperatur von mindestens 120°C gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeich­net daß für die Stahlqualität StE 890 bei einer Strecken­energie von etwa 28 kJ/cm eine Sättigungsvorwärmtemperatur von mindestens 145°C und bei einer Streckenenergie von etwa 9 kJ/cm eine Sättigungsvorwärmtemperatur von mindestens 235°C gewählt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stahlqualität StE 690 in Abhängigkeit von der Streckenenergie (kJ/cm) minde­stens die Sättigungsvorwärmtemperaturen eingehalten wer­den, die sich durch Interpolation zwischen den drei Wer­tepaaren (28 kJ/cm; 30°C), (19 kJ/cm; 70°C), 9 kJ/cm; 120°C) ergeben.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stahlqualität StE 890 in Abhängigkeit von der Streckenenergie (kJ/cm) minde­stens die Sättigungsvorwärmtemperaturen eingehalten wer­den, die sich durch Interpolation zwischen den drei Wer­tepaaren (28 kJ/cm; 145°C), (19 kJ/cm; 180°C), 9 kJ/cm; 235°C) ergeben.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für hochfeste Stahlqualitä­ten mit Dauerschwingfestigkeiten zwischen 250 und 600 N/mm² die Sättigungsvorwärmtemperaturen mindestens die Werte haben, die sich aus den analogen Kennlinien wie denen für StE 890 und StE 690 nach den Ansprüchen 9 und 10 er­geben.
12. Verfahren zur Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit von geschweißten, hochfesten Stählen, bei dem die Schweiß­naht-Übergänge durch ein Inertgas-Lichtbogenschweißen mittels Wolframelektrode (WIG) und mit einer aus einem vorgegebenen Bereich ausgewählten elektrischen Strecken­energie (kJ/cm) nachbehandelt werden, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Abstand der Schweißelek­trode von der Schweißnahtoberfläche zwischen etwa 2 bis 8 mm, vorzugsweise 3 bis 7 mm, insbesondere von 5 mm, die Stromstärke mindestens 150 A und höchstens 250 A be­trägt, daß die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit minde­stens 2,0 cm/min und höchstens 33 cm/min beträgt, und daß die Streckenenergie im Bereich von 6 bis 60 kJ/cm liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Streckenenergie zwischen ca. 20 bis 60 kJ/cm in einem Bereich gearbeitet wird, der durch die vier Werte­paare (Stromstärke; Vorschubgeschwindigkeit) von (150 A; 2 cm/min), (150 A; 7 cm/min), (250 A; 4 cm/min), (250 A; 10 cm/min) begrenzt ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Streckenenergie zwischen ca. 6 bis 10 kJ/cm in einem Bereich gearbeitet wird, der durch die drei Werte­paare (Stromstärke; Vorschubgeschwindigkeit) von (150 A; 20 cm/min), (250 A; 23 cm/min), (250 A; 33 cm/min) be­grenzt ist.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachzubehandelnden ge­schweißten Werkstücke mindestens auf eine solche Härte­begrenzungsvorwärmtemperatur vorgewärmt und mit einer solchen Streckenenergie WIG-behandelt werden, daß die Härtewerte auf ca. 300 HV 10 begrenzt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer WIG-Streckenenergie von 20 kJ/cm die Härtebe­grenzungsvorwärmtemperatur für die Stahlqualität StE 890 mindestens ca. 300°C, für die Stahlqualität StE 690 min­destens 200°C und für die Stahlqualität StE 500 mindestens 100°C beträgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Streckenenergie über 20 kJ/cm eine niedrigere Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur gewählt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Streckenenergie unter 20 kJ/cm eine höhere Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur gewählt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stahlqualität StE 890 bei einer Streckenenergie von etwa 30 kJ/cm eine Härtebe­grenzungsvorwärmtemperatur von mindestens ca. 200°C und bei einer Streckenenergie von etwa 10 kJ/cm eine Härtebe­grenzungsvorwärmtemperatur von mindestens ca. 400°C ge­wählt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stahlqualität StE 690 bei einer Streckenenergie von etwa 30 kJ/cm eine Härtebe­grenzungsvorwärmtemperatur von mindestens ca. 100°C und bei einer Streckenenergie von etwa 10 kJ/cm eine Härtebe­grenzungsvorwärmtemperatur von mindestens ca. 300°C ge­wählt wird.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke mindestens auf eine Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur vorgewärmt werden, die sich für die Stahlqualität StE 890 in Abhän­gigkeit von der Streckenenergie (kJ/cm) durch Interpola­tion zwischen den drei Wertepaaren (30 kJ/cm; 200°C), (20 kJ/cm; 300°C), (10 kJ/cm; 400°C) ergibt.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke mindestens auf den Wert der Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur er­wärmt werden, der sich für die Stahlqualität StE 690 in Abhängigkeit von der Streckenenergie (kJ/cm) durch Inter­polation zwischen den drei Wertepaaren (30 kJ/cm; 100°C), (20 kJ/cm; 200°C), (10 kJ/cm; 300°C) ergibt.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstücke aus hochfesten Stahlqualitäten mit einer Dauerschwingfestigkeit zwischen 250 und 600 N/mm² auf mindestens eine Härtebegrenzungs­vorwärmtemperatur erwärmt werden, die sich aus den ana­logen Kennlinien in den Restbereichen für die Abhängig­keit der Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur von der Strek­kenenergie für StE 890 und StE 690 ergibt.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsvorwärmtem­peratur bzw. die Härtebegrenzungsvorwärmtemperatur be­reits durch das der Nachbehandlung vorausgehende Verbin­dungsschweißen in das Werkstück eingebracht und gehalten wird.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die WIG-Behandlungen von Stumpf-Schweißnähten bei Blechen mit einem Dickenbe­reich von 14 bis 16 mm gültigen Werte für die Strecken­energie (kJ/cm) und/oder die Sättigungsvorwärmtemperatur bei abweichender Werkstück-Geometrie (Z.B. Blechdicke, Nahtart) entsprechend der veränderten Wärmeableitung im Werkstück angepaßt werden.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Stähle mit höherem Koh­lenstoffäquivalent und den dadurch bedingten rißempfind­lichen Gefügearten die Streckenenergie und/oder die Sät­tigungsvorwärmtemperatur entsprechend erhöht werden.
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