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 &mgr;m 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.
Anspruch[de]
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.