DE60310788T2

DE60310788T2 - Schweißmaterial zum Erhöhen der Schweißverbindungsstärke

Info

Publication number: DE60310788T2
Application number: DE60310788T
Authority: DE
Inventors: Akihiko 2-1 Sengen 1-Chome Tsukuba-shi Ohta; Naoyuki 2-1 Sengen 1-Chome Tsukuba-shi Suzuki; Yoshio 2-1 Sengen 1-Chome Tsukuba-ahi Maeda
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2023-03-01
Also published as: CN1443624A; KR20030071634A; EP1340831A1; US20030219352A1; DE60310788D1; JP2003251493A; EP1340831B1; KR100521560B1; CN1265935C

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
1 ist eine Photographie eines dehnungsgebrochenen Teils einer Stoßschweißverbindung, wenn ein Schweißmaterial gemäß der Erfindung verwendet wird.
2 zeigt eine Härteverteilung in der Umgebung eines Schweißteils im Fall von 1.
3 zeigt eine Restspannungsverteilung in der Umgebung eines Schweißteils im Fall von 1.
4 ist eine Photographie eines dehnungsgebrochenen Teils einer Stoßschweißverbindung, wenn ein im Handel erhältliches Schweißmaterial verwendet wird.
5 zeigt eine Härteverteilung in der Umgebung eines Schweißteils im Fall von 4 und
6 zeigt eine Restspannungsverteilung in der Umgebung eines Schweißteils im Fall von 4.
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.
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.
Überdies wird ein Ni und Cr aufweisendes Legierungsmaterial als ein vorteilhafteres Material beschrieben.
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.
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.
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.
Wie beschrieben wurde, kann die Erfindung auf verschiedene Stahlmaterialtypen angewendet werden.
Beispielsweise führt sie zu einer bemerkenswerten Wirkung beim Schweißen von sehr feinkörnigem Stahl mit einem Kristallkorndurchmesser von 3 μm oder weniger.
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.
BEISPIEL
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.

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.
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.
Tatsächlich betrug die Dehnungsstärke der Verbindung bei Verwendung des Schweißmaterials gemäß der Erfindung 838 MPa, was derjenigen des Basismaterials glich.
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.

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.
Unter diesen Umständen wurde bestätigt, dass gemäß der Erfindung ein sehr wirksames Schweißen unter den Bedingungen von 100 % CO₂-Schutzgas möglich war.
Tabelle 1
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.

Claims

Ein Schweißverfahren unter Verwendung eines Schweißmaterials, das eine eisenbasierte Legierung ist, mit: Si in dem Bereich von 0,6 Gew.% bis 2,0 Gew.%, Ni von 2 bis 20 Gew.%, Cr von 2 bis 20 Gew.%, C von 0,5 Gew.% oder weniger, Mn von 2, 0 Gew.% oder weniger, Mo von 0, 5 Gew.% oder weniger, P und S von weniger als 0,02 Gew.%, 0,5 Gew.% oder weniger von Al, W, Ta, V, Hf und Zr und Ausgleich-Eisen und unvermeidbaren Unreinheiten, wobei das Gesamtverhältnis von Metallelementen mit Ausnahme von Ni, Cr und Eisen 5,0 % oder weniger ist und wobei die Legierung eine martensitische Transformation hat, die bei Raumtemperatur oder einer Temperatur in der Umgebung der Raumtemperatur beendet ist, und Druckspannung in der Schweißfuge hat.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schweißen ein nur CO₂ Gas verwendendes Schutzgas- bzw. Schutzgaslichtbogenschweißen ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schweißen ein Stoßverbindungsschweißen ist.