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Verfahren zum Lichtbogenschweißen von Stahl mit einer abschmelzenden
Stahlelektrode Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen
von Stahl unter Verwendung einer abschmelzenden Elektrode.
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Bei mehreren dieser bekannten Verfahren mit kontinuierlich zugeführter
Elektrode erfolgt die Flußmittelzufuhr durch die Elektrode selbst. Hierbei wird
oft eine Elektrode mit einer das Flußmittel enthaltenden Seele verwendet, es wird
aber auch die Elektrode mit einem das Flußmittel enthaltenden Mantel versehen, der
indessen so aufgebracht sein muß, daß der Strom unter Anwendung besonderer Mittel
durch den überzug hindurch zu dem Kerndraht gelangt. Diese Verfahren bedingen jedoch
hohe Elektrodenkosten und führen zu Schwierigkeiten im Betrieb, wenn zufriedenstellende
Schweißungen erzielt werden sollen.
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Als anderer Lösungsversuch des Problems ist das Schutzgas-Metall-Lichtbogenschweißverfahren
bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Elektrode als kontinuierlicher blanker Draht
in die Schweißzone eingeführt, während gleichzeitig die den Lichtbogen umgebende
Zone und das Schweißbad mit einem Gas abgeschirmt wird, das mit dem Bad nicht reagiert.
Es ist auch schon bekannt, der Schweißnaht außerdem einen Zusatz- oder Füllstab
kontinuierlich zuzuführen, der gleichfalls in seinem Führungsrohr von einem auf
die Schweißstelle geblasenen inerten Gas umgeben ist. Dieser zweite Gasstrom soll
eine Oxydation des geschmolzenen Metalls durch andernfalls am Füllstab haftende
Luft verhindern.
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Bei der Anwendung dieser bekannten Schutzgaslichtbogenschweißverfahren
ist es sehr schwierig, stabile Schweißbedingungen zu erhalten, wenn eine Gleichstromschweißquelle
in direkter Polarität, d. h. mit Anschluß des negativen Pols an die Elektrode, oder
wenn eine Wechselstromschweißquelle benutzt wird. Die Verfahren sind in ihrer Anwendbarkeit
in erster Linie auf Gleichstromquellen umgekehrter Polarität beschränkt. Es ist
zwar seit langem bekannt, daß höhere Metallabscheidungsgeschwindigkeiten (Kilogramm
abgeschiedenes Metall je Stunde) beim Schutzgaslichtbogenschweißen mit Gleichstromquellen
in direkter Polarität erzielt werden könnten, doch steht dem der erwähnte Mangel
an Stabilität der Schweißbedingungen entgegen. Ein anderer Nachteil dieses bekannten
Schweißverfahrens liegt darin, daß, während der Lichtbogen und das Schweißbad zwar
gegen atmosphärische Verunreinigungen abgeschirmt sind, das Bad nicht gleichzeitig
auch wirksam mit einem Flußmittel versehen, gefrischt oder legiert werden kann,
was indessen sehr erwünscht ist, um keine teuren Spezialsorten von Schweißstäben
verwenden zu müssen.
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Weiterhin ist es beim bekannten Schutzgaslichtbogenschweißverfahren
nicht möglich, das abgeschiedene Metall während der endgültigen Verfestigung und
Abkühlung dagegen zu schützen, daß es der Luft und damit der Oxydation ausgesetzt
ist; außerdem sind die erforderlichen Mengen an Schutzgas sehr groß und ist das
Schutzgas, z. B. Argon. sehr teuer; sodann ist es nicht möglich, die Abkühlgeschwindigkeit
des Schweißmetalls so zu steuern, daß die Porosität vermindert und die gewünschten
mechanischen Eigenschaften der Schweißstelle erhalten werden; andere spezielle Legierungsbestandteile
als die in der Elektrode vorhandenen können nicht hinzugefügt werden, und schließlich
ist es, greift man nicht zu besonders behandelten Elektrodenstäben, nicht möglich,
CO, als Schutzgas zu verwenden, ohne hierbei übermäßig viele Spritzer in Kauf nehmen
zu müssen.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren ist das »Unter-Pulver-Schweißen«,
bei dem eine blanke Elektrode in die Schweißzone unter einer Schicht einer granulierten
Schweißkomposition kontinuierlich zugeführt wird, die hierbei schmilzt und das Ende
der Elektrode
sowie das geschmolzene Schweißmetall bedeckt, es dabei
abschirmt und auch frischt. Obwohl dieses Verfahren Schweißungen der gewünschten
physikalischen Eigenschaften bei niedrigen Kosten (insbesondere für automatisches
Schweißen) ergibt, begrenzt der Nachteil, daß man das Schweißbad nicht sieht, seine
Anwendung beim Handbetrieb. Dies gilt auch für ein weiteres bekanntes Verfahren,
bei dem eine Schweißkomposition an der blanken Elektrode heruntergelassen und diese
Hülle nochmals von einer weiteren Hülle aus Schutzgas umgeben wird, sowie für ein
ganz ähnliches Verfahren, bei welchem das die Elektrode schützende Gas Pulver mitführt
und dieses in den Lichtbogen trägt. Nach einem wieder anderen bekannten Vorschlag
wird das Flußmittel in einem reduzierenden oder neutralen Gas, das als Träger dient,
innerhalb eines Rohres dem Lichtbogen, zugeleitet und das Flußmittel genau auf die
Schweißstelle gebracht. Zu den bisher bereits aufgezählten Nachteilen kommt bei
dem letztgenannten Verfahren noch hinzu, daß das Blasen des Gases einen unerwünschten
Blaseffekt auf den Lichtbogen bewirkt. Auch wurde bei diesem Verfahren der Nachteil
festgestellt, daß durch die Einführung des granulierten Schweißmittels in die Schweißzone
das in das Bogenplasma eindringende Mittel den Bogen zur Instabilität veranlaßt.
Obwohl das Verfahren eine gewisse Ersparnis an Schweißmittel ergibt, sind praktisch
immer noch diejenigen Teile des Mittels, die vor dem Bogen oder seitlich von ihm
niederfallen, vergeudet, da sie nicht zur Verschlackung, Frischung oder einem Schutz
der Schweißzone beitragen.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden alle die zuvor aufgezählten
Nachteile vermieden. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen
von Stahl mit einer abschmelzenden Stahlelektrode, einem das Elektrodenende und
den Lichtbögen umhüllenden Schutzgasstrom sowie mit einer zusätzlich zugeführten;
in einem Trägergasstrom suspendierten granulierten Schweißkomposition, und ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägergasstrom mit einer granulierten Schweißkomposition
getrennt vom Schutzgasstrom zur Abschirmung des Lichtbogens und unmittelbar hinter
dem in Schweißnahtrichtung vorbewegten Lichtbogen zugeführt wird.
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Durch die Erfindung werden außer einer weitgehenden Einsparung an
Schweißmitteln eine erhöhte Metallübertragungsleistung, eine erhöhte Lichtbogenstabilität
und eine verbesserte Schweißraupenform erzielt. Vorzugsweise besitzt der Trägergasstrom
die gleiche Zusammensetzung wie der Schutzgasstrom, und der Schweißmittelstrom wird
gleichförmig über die Breite der Schweißraupe eingeführt, um die Schweißzone gleichmäßig
zu bedecken.
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Die erhöhte Metallübertragungsleistung ist ein gegenüber den bekannten
Schutzgaslichtbogenschweißverfahren besonders erheblicher Vorteil. Bekanntlich haben
sich mit abschmelzender Drahtelektrode durchgeführte Schweißverfahren (sogar Sigmaverfahren)
mit direkter Polarität; d. h. negativ gepolter Elektrode, bisher in der Praxis für
das »Positions«-Schweißen vor allem wegen der geringen Metallüberträgungsleistung,
aber auch wegen der ungleichen Metallübertragung, der Instabilität des Bogens und
des hohen Fülldrahtverbrauches nicht durchgesetzt. Diese Nachteile sind zum Teil
durch den Zusatz von Sauerstoff zu reinem Argon-Schutzgas (z. B: Argon mit 5 % O,)
überwunden worden; die Metallübertragung kann auf diese Weise z. B. um 30 % erhöht
und die Bogenstabilität verbessert werden.
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Durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung, ein granuliertes
Schweißmittel hinter dem Bogen einzuführen, ist die Metallübertragungsleistung beim
Schweißen mit direkter Polarität um 80% höher als diejenige, welche mit dem bisher
bekannten Schutzgaslichtbogenschweißverfahren bei im übrigen gleichen Schweißbedingungen
erzielt wurde. Ein bedeutsam hoher Anstieg der Metallübertragungsleistung wird durch
das Verfahren gemäß der Erfindung indessen auch bei umgekehrter Polarität, d. h.
bei Anschluß der Elektrode an den positiven Pol einer Gleichstromquelle, erzielt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung.
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Die einzige Figur der Zeichnung veranschaulicht schematisch eine Einrichtung,
die zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignet ist.
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Ein Stahlschweißstab oder -draht 10 wird von einer Drahthaspel 12
mit Hilfe von Stabzufuhrsteuermitteln 14 abgezogen, die von einem Regelmotor 16
angetrieben werden; Stab oder Draht werden mit einer Schweißpistole 18 gegen das
Werkstück 20 gerichtet. Ein Leistungszufuhrkabel 22 ist an die Pistole 14 angeschlossen,
um den Stab 10 mit Strom zu versorgen, während ein ebensolches (nicht veranschaulichtes)
Kabel an das Werkstück 20 angeschlossen ist, um den elektrischen Schweißstromkreis
zu speisen. Schaltkabel 24 verlaufen zum Abzug 26 der Schweißpistole 18 und steuern
die Erregung des Schweißstromkreises. Innerhalb der Pistole 18 ist ein Kühlwasserumlauf
vorgesehen und an die Einlaßleitung 28 sowie an die Auslaßleitung
30 angeschlossen, welche das Leitungszufuhrkabel22 umgibt. Die Bogen- und
Schweißzonen werden mittels eines Gasstromes abgeschirmt, welcher durch die Leitung
31 in die Pistole eingeführt wird und konzentrisch um die Elektrode herum heraustritt.
Pulverisiertes Granulat 32 wird der Schweißpistole 18 in einem Gasstrom durch die
Leitung 34 zugeführt. Das Pulver wird dem Trägergasstrom in einem Pulververteiler
36 beigegeben, der einen geschlossenen Trichter 38 aufweist, in welchem das Pulver
32 gespeichert wird. Ein Gestell 40 auf Federn 42 wird elektrisch in Schwingung
versetzt; wodurch Pulver über die Leitung 44 dem Trägergasstrom zugetrieben wird,
welcher die Leitung 46 durchfließt, die mit der Leitung 34 der Schweißpistole 18
in Verbindung steht. Ein Druckausgleich des Trichters oberhalb des Granulats 32
wird durch die Leitung 48 des Verteilers 36 bewirkt.
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Wird der Stab 10 mit dem Werkstück 20 in Berührung gebracht, um den
Lichtbogen 50 zu zünden und den Schweißvorgang zu starten, tritt Schutzgas aus der
Düse rings um den Stab 10 aus und bildet eine Schutzgashülle 52 um den Bogen herum.
Das über die Leitung 34 in die Schweißpistole 18 eingeführte Pulver tritt durch
die Leitung 54 innerhalb der Schweißpistole in die Schweißzone 56 an einem Punkt
unmittelbar hinter dem Bogen (auf der der Schweißrichtung entgegengesetzten Seite
des Bogens) aus und bildet eine Schicht geschmolzener Schlacke, welche die Schweißzone
schützt.
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Bei einer bestimmten praktischen Durchführung des Verfahrens nach
der Erfindung wurde eine Vorrichtung der in der Zeichnung veranschaulichten Art
verwendet,
um Stahl mit einem Spezial-Schweißstahldraht mit einem Durchmesser von 1,6 mm und
einem Schutzgasgemisch von 95% Argon und 5% Sauerstoff zu schweißen. Ein pulverisiertes
granuliertes Schweißmittel wurde in einem Trägergasstrom von 851 je Stunde in gleicher
Zusammensetzung wie Schutzgas suspendiert und durch ein Rohr mit einem Außendurchmesser
von 6,4 mm hindurch in die Schweißzone an einer Stelle unmittelbar hinter dem Bogen
eingeführt, der durch einen Gasstrom aus 95 % Argon und 5 % Sauerstoff bei einer
Zufuhrgeschwindigkeit von 7081 je Stunde abgeschirmt war. Bei 360 A und 27 V Gleichstrom
umgekehrter Polarität wurde eine einzelne Raupe aufgebracht; die Raupe war glatt
und gut gebildet, der Lichtbogen stabil.
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Bei einer anderen Durchführung des neuen Verfahrens wurde die gleiche
Vorrichtung angewendet, um Stahl mit einem Spezial-Schweißstahldraht mit einem Durchmesser
von 1,2 mm zu schweißen. Das Schutzgas bestand aus 95 % Argon und 5 % Sauerstoff,
die Schutzgaszufuhrgeschwindigkeit betrug 11331 je Stunde. Ein pulverisiertes, granuliertes
Schweißmittel war in einem Trägergasstrom der gleichen Zusammensetzung wie derjenigen
des Schutzgases suspendiert; das flüssigkeitsartige Pulver wurde 5 in die Schweißzone
an einer Stelle unmittelbar hinter dem Bogen durch ein Rohr mit einem Außendurchmesser
von 6,4 mm hindurch mit einer Gasströmungsgeschwindigkeit von 11331 je Stunde und
einer Pulverströmungsgeschwindigkeit von 4,54 kg je Stunde eingeführt. Bei 185 A
30 V Gleichstrom direkter Polarität und bei einer Arbeitsweise mit senkrechter Position
wurde eine einzelne Raupe aufgetragen. Photographien mit 10 000 Aufnahmen je Sekunde
ließen die hohe Bogenstabilität unter den 15 erwähnten Schweißbedingungen erkennen.
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Die folgende Tabelle gibt Daten für Gleichstrom direkter Polarität
bei vertikalem Aufwärtsschweißen von Stahl für drei Schweißarbeiten, die nach dem
Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchzo geführt wurden, sowie für drei
weitere Schweißarbeiten, die nach den bekannten üblichen Schutzgaslichtbogenschweißverfahren
durchgeführt wurden.
| Gasgeschwindigkeit Metallübertragungs- |
| Ampere Volt Schutzgas Zusatz leistung |
| Liter je Stunde % |
| 190 28 A 1133 Schweißmittel 60 |
| 185 30 95 % A - 5 % 02 1133 Schweißmittel 80 |
| 200 33 He 1699 Schweißmittel 95 |
| 275 30 A 1133 keines 0 |
| 265 31 95 % A - 5 % 0 ., 1133 keines 30 |
| 250 36 He - 1699 keines 0 |
| Anmerkung: |
| Das Schweißmittel wurde mit 4,54 kg je Stunde zugeführt. Es
wurde ein Spezial-Schweißdraht mit einem Durchmesser |
| von 1,2 mm benutzt. |
| Als Metallübertragungsleistung wird der Prozentsatz des übertragenen
Metalls bezeichnet, welcher die Platte erreicht. |
Aus obiger Tabelle ist ersichtlich, daß die Einführung des granulierten Schweißmittels
in die Schweißzone an einer Stelle unmittelbar hinter dem Bogen gemäß dem Verfahren
nach der Erfindung den Prozentsatz der Elektrodenmetallübertragung zum Werkstück
von Werten zwischen 0 und 30% auf Werte zwischen 60 bis 95% für gleiche Schutzgaszusammensetzungen
und Strömungsgeschwindigkeiten erhöht.
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Es ist ohne weiteres möglich, an Stelle der pulverisierten granulierten
Schweißmittel gemäß dem Verfahren nach der Erfindung granulierte feste Schweißmittel
ähnlich den silikathaltigen zu benutzen, wie sie in der Technik der Unter-Pulver-Schweißung
mit Schutzmitteln in fester Phase verwendet werden. Auch können den Schweißmitteln
Desoxydierungsmittel oder andere die Schweißung modifizierende legierende Mittel
zugesetzt werden, wenn dies erwünscht ist.
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Die Schweißmittel, die bei dieser Schweißtechnik benutzt werden, haben
für gewöhnlich als Hauptbestandteile eine silikathaltige, schlackenerzeugende Komponente,
die zur Bildung einer geschmolzenen, schützenden Schicht zum Abschirmen und Formen
des Schweißbades geeignet ist, sowie eine Metallhalogenkomponente, welche der Schlacke
elektrische Leitfähigkeit verleiht. Einige der Verbindungen, die in der schlackenerzeugenden
Komponente erfolgreich benutzt worden sind, sind: Titandioxyd, Manganoxyd, Ferrooxyd,
Siliziumoxyd (als Silikat in Verbindung mit wenigstens einem der hier aufgeführten
Oxyde), Kalziumoxyd, Magnesiumoxyd, Zirkonoxyd, Kaliumoxyd, Natriumoxyd, Lithiumoxyd,
Strontiumoxyd Bariumoxyd. Als Halogene, die als eine Leitfähigkeit verleihende Komponente
erfolgreich benutzt worden sind, seien genannt: Natrium-Aluminium-Fluorid, Kalium-Silizium-Fluorid,
Kalzium-Fluorid und Kalzium-Titan-Fluorid. Oft ist auch erwünscht, in das Schweißmittel
Komponenten einzuschließen, die während des Schweißvorganges in das Schweißfüllmittel
übergeführt werden, in der Schweißung erscheinen und deren Eigenschaften modifizieren,
beispielsweise Eisenmangan, Ferrosilizium, Ferrochrom, Kalziummolybdat, Kohlenstoff
oder dessen reduzierbare chemische Verbindungen u. dgl. m.
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Die Teilchengröße des granulierten Schweißmittels kann sich über weite
Bereiche ändern, wobei die Grenzen insbesondere durch die Dimensionen der Pulverdurchlässe
der Einrichtung und die Möglichkeit, das Pulver in dem Trägergasstrom zu dispergieren
und zu suspendieren, festgelegt sind.
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Das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendete Schutzgas kann
jedes bisher beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen verwendete Schutzgas sein
oder
enthalten, beispielsweise Argon, Helium, Kohlendioxyd oder deren Gemische mit oder
ohne geringe Mengen von Sauerstoff bis zu annähernd 15 0/0.
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In gleicher Weise kann das in dem Verfahren nach der Erfindung verwendete
Trägergas im allgemeinen jedes bisher beim gasgeschützten Lichtbogenschweißen verwendete
Gas sein oder enthalten; seine Zusammensetzung kann mit derjenigen des Schutzgases
identisch sein oder von ihr abweichen.
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Die mittlere Zusammensetzung des granulierten Schweißmittels, die
beiden Schweißarbeiten der Beispiele und der weiter oben stehenden Tabelle verwendet
worden sind, ergibt sich durch Analyse angenähert wie folgt:
| Ca0 -I- Ba0 .................. 22,5% |
| CaF2 ........................ 5,5 0/0 |
| Si02 ......................... 37,5% |
| A1203 ........................ 14,5% |
| Mg0 . . . . . .................. 11,25% |
| Mn0 ........................ 7,25% |
| wobei |
| Ba0 ......................... 2,00/a max. |