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Umhüllte Schweißelektrode mit Nickel-Kupfer-Drahtkern zum Lichtbogenschweißen
Die Erfindung betrifft eine umhüllte Schweißelektrode mit einem Drahtkern aus einer
Nickel-Kupfer-Legierung zum Lichtbogenschweißen.
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Bisher bemühte man sich, Schweißelektroden auf Nickel-Kupfer-Basis
mit guter Betriebsfähigkeit herzustellen, bei denen es möglich war, duktile Schweißnähte
und/oder Auftragsschweißungen in allen Stellungen zu erzeugen, wobei die Schweißnähte
praktisch frei von Rißbildung und Porosität sind, selbst wenn sie mit Eisen verdünnt
sind. Die bei der Erzielung einer derartigen Kombination von Eigenschaften auftretenden
Schwierigkeiten werden durch die reichhaltige hierauf bezügliche Literatur erläutert.
So war z. B. die frühest bekannte Nickel-Kupfer-Schweißelektrode dazu bestimmt,
die nachteilige oydierende Wirkung der umgebenden Luft auf die überhitzte Masse
von geschmolzenem Metall beim Schweißen von Nickel-Kupfer-Legierungen mit blanken
Schweißstäben auf Nickel-Kupfer-Basis zu überwinden. Zur Erzielung dieses Zweckes
war der Stab mit reduzierenden Materialien, z. B. Titan, überzogen, um den Schweißbogen
von der Atmosphäre abzuschirmen. Die reduzierenden Materialien wurden an dem Stab
durch Verwendung eines flüssigen Schellacks gehalten, und sie betrugen zwischen
0,5 % und 10 Gewichtsprozent der Elektrode. Obwohl dieser primitiv überzogene
Schweißstab ein erheblicher Schritt vorwärts war, wies er trotzdem ernsthafte Beschränkungen
auf, insbesondere da seine Betriebsfähigkeit schlecht war und die erzeugten Schweißablagerungen
etwas porös waren und eine erhebliche Neigung zur Rißbildung aufwiesen.
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Um die erste bekannte Nickel-Kupfer-Elektrode zu verbessern, wurden
Versuche unternommen, ihre Betriebsfähigkeit zu erhöhen. Dabei ergab sich eine Elektrode
mit einem Nickel-Kupfer-Kerndraht und einem durch Eintauchen aufgebrachten Flußmittel,
das diejenigen Bestandteile enthielt, die nunmehr als übliche schlackenbildende
und flußmittelbildende Bestandteile betrachtet werden, z. B. Calciumfluorid (Flußspat),
Natriumfluorid, Kohlenstoff u. dgl. Zweifelsohne besaß diese bekannte- Elektrode
eine verbesserte Betriebsfähigkeit, jedoch wurde mit dieser Elektrode die Porosität
in der Schweißnaht nicht beseitigt. Tatsächlich sind die unter Verwendung dieser
Elektrode hergestellten Schweißnähte etwas porös und reißen, wenn sie auch mit ziemlich
kleinen Mengen Eisen verdünnt sind. Späterhin wurde dieser Schweißstab etwas abgewandelt,
um das Aufpressen des Flußmittelüberzugs zu erlauben. Trotzdem besaß die abgewandelte
aufgepreßte Elektrodenart die gleiche Empfindlichkeit gegenüber Porosität bei Eisenverdünnung:
In Anbetracht dieser neuen Schwierigkeiten wurde eine weitere abweichend umhüllte
Elektrode entwickelt, um die Wirkungen der Eisenverdünnung zu beseitigen. Bei dieser
Elektrode wurde teilweise die nachteilige Empfindlichkeit gegenüber Eisenverdünnung
durch eine Verminderung des Kohlenstoffgehaltes und einen Zuschlag an Niob überwunden,
jedoch wurden dabei auch die Betriebsf'ähigkeitseigenschaften der Elektrode, insbesondere
in der Aufwärtsschweißstellung, vermindert. Weiterhin zeigte die niobhaltige Elektrode
eine starke Neigung zur Porosität in den Wiederzündungsflächen.
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Es ergibt sich eindeutig aus der Geschichte der Nickel-Kupfer-Schweißelektroden,
daß bisher mindestens eine vorteilhafte Eigenschaft geopfert werden mußte, um eine
schädliche Eigenschaft zu vermeiden. In Anbetracht dessen war man in der Industrie
bisher gezwungen, einen Vorrat von jeder dieser Elektrodenarten zu haben, um jedem
ihrer speziellen Erfordernisse gerecht zu werden. Darüber hinaus besaß keine der
vorstehend aufgeführten Elektroden eine gute Betriebsfähigkeit in sämtlichen Stellungen,
noch konnten mit ihnen Schweißnähte und/oder Auftrags-
Das trockene Fiu3mittel der erfindungsgemäßen Umhüllung enthält die folgenden Bestandteile
in den nachfolgend aufgeführten Mengen (in Gewichtsteilen des trockenen Flußmittels):
| Tabelle 1 |
| Bestandteile Bereich |
| Mangancarbonat................... 10 bis 80 |
| Erdalkalicarbonat, z. B. Calcium- |
| carbonat, Bariumcarbonat, Stron- |
| tiumcarbonat und Mischungen |
| davon ........................ bis zu 40 |
| Mangancarbonat plus eventuell Erd- |
| alkalicarbonat ................. 10 bis 80 |
| Kryolith .......................... 5 bis 30 |
| Titandioxyd ....................... 10 bis 35 |
Aus Tabelle I ergibt es sich auch, daß bis zu 40 Teile Erdalkalicarbonat Teil für
Teil für eine gewisse Menge, jedoch nicht für das gesamte Mangancarbonat in dem
Flußmittel eingesetzt werden können. So muß das Flußmittel stets mindestens 10 Gewichtsteile
an Mangancarbonat enthalten. Falls weiterhin kein Erdalkalicarbonat in dem Flußmittel
vorhanden ist, liegt das Mangancarbonat in Mengen von 10 bis 80 Gewichtsteilen des
trockenen Flußmittels vor.
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Die Elektrodenumhüllung mit der Zusammensetzung der Bestandteile,
die vorhergehend in Tabelle 1 aufgeführt ist, ergibt optimale Betriebsfähigkeit,
und in Verbindung mit dem Drahtkern und den anderen Bestandteilen der Elektrode
ergibt sich die gewünschte gute Qualität der Schweißnaht in Verbindung mit ausgezeichneter
Betriebsfähigkeit. Jeder Bestandteil der Flußmittelumhüllung und des Drahtkerns
erfüllt eine spezielle Funktion mit jedem anderen Bestandteil der Elektrode. Zum
Beispiel sollte der Kryolith in dem Flußmittel in Verbindung mit den restlichen
Bestandteilen der Elektrode in den in Tabelle 1 aufgeführten Mengen vorhanden sein,
da gefunden wurde, daß er ein wirksames Flußmittel ist und bei der Auflösung von
Oxyden hilft und dazu dient, einen niedrigen Anteil an nichtmetallischen Einschlüssen
in dem Schweißmetall aufrechtzuerhalten. Kryolith hilft bei der Entfernung von Oxyden
zur Erzielung einer gesunden Schweißnaht und ist äußerst wirksam, um der Schlacke
die geeignete Viskosität und Oberflächenspannung zu verleihen, damit das geschmolzene
Schweißmetall in senkrechten und Überkopf-Stellungen verwendet werden kann. Falls
andererseits mehr als 30 Teile Kryolith in dem Flußmittel vorhanden sind, wird die
Betriebsfähigkeit der Elektrode verschlechtert, da er ein Rückschmelzen des konisch-kegelförmigen
Schildes von an der Spitze der Elektrode gebildetem Flußmittel verursacht, welches
natürlich den Drahtkern den schädlichen Einflüssen der umgebenden Atmosphäre aussetzt.
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Das Titandioxyd ist in dem Flußmittel in Verbindung mit den restlichen
Bestandteilen der Elektrode in Mengen von 10 bis 35 Gewichtsteilen des Flußmittels
vorhanden, da es eine gute Bogenstabilität und Schlackenbildungseigenschaften ergibt.
Zu wenig Titandioxyd ergibt eine pulvrige Schlacke, welche
schwierig
zu entfernen ist. übermäßige Mengen Titandioxyd erhöhen die Gefahr der Schweißbildung
und sind zu vermeiden.
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Wenn mehr als die maximale Menge von 80 Teilen an Carbonaten verwendet
wird, besitzt die Schlacke eine Neigung, pulvrig und krümelig zu werden, und ist
so sehr schwierig zu entfernen. Wenn weniger als 10 Teile Gesamtcarbonat vorhanden
sind, ist die Schlacke ungleichmäßig, der Schutz des Bogens ist fehlerhaft, und
der Bogen wird unstabil. Die in Tabelle I aufgeführten Mengen Mangancarbonat sind
ebenfalls wesentlich. Ohne diesen Bestandteil ist die Schlackenentfernung sehr schwierig.
Falls zuviel oder zu wenig Mangancarbonat in dem Flußmittel vorhanden ist, ist die
Betriebsfähigkeit und die Schlackenbildungseigenschaften des Flußmittels nachteilig
beeinflußt. Das Erdalkalicarbonat, vorteilhafterweise Calciumcarbonat, wird Teil
für Teil für eine Menge des Mangancarbonats in dem Flußmittel eingesetzt und sollte
in Verbindung mit dem restlichen Teil des Flußmittels den in der Tabelle I aufgeführten
Bereich ausmachen und vorteilhafterweise in Mengen zwischen 10 bis 30 Gewichtsteilen
des trockenen Flußmittels vorliegen, um nach der Zersetzung eine gasförmige Schutzhülle,
welche den Bogen umgibt, zu ergeben. Auf diese Weise hilft es, das überhitzte Metall
bei seinem Übergang von der Elektrodenspitze zur Schweißperle vor den schädlichen
Einflüssen der umgebenden Atmosphäre zu schützen.
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Weiterhin können Auspreßhilfsmittel, wie z. B. Bentonit oder andere
ähnliche kolloidale Tone, und Feuchthaltemittel, wie z. B. Alginate, Gummis, Glykolate,
Natriumcarboxymethylcellulose u. dgl., zu dem trockenen Flußmittel in Mengen bis
zu insgesamt etwa 5 Gewichtsteilen des Flußmittels zugegeben werden, um die Auspreßbarkeit
des Flußmittels zu verbessern.
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Der Drahtkern bildet die große Masse der Legierungsablagerung, und
jedes darin enthaltene Element muß in Verbindung mit dem Rest der Elektrode in den
vorstehend ausgeführten Mengen enthalten sein. So sollten Nickel und Kupfer natürlich
in den vorstehend aufgeführten Mengen vorliegen, da sie eine Legierungszusammensetzung
mit guter Korrosionsfestigkeit, Festigkeit, Duktilität u. dgl. ergeben.
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Aluminium und Titan müssen ebenfalls in dem Drahtkern in den vorstehend
aufgeführten Mengen enthalten sein, da zu geringe Menge von jedem eine übermäßige
Wiedererhitzungsporosität und eine übermäßige Raupenporosität ergeben. Obwohl die
Titan-und Aluminiumgehalte über ihre maximalen Werte ohne nachteilige Beeinflussung
der Betriebsfähigkeit der Elektrode gesteigert werden können, verursacht dies, daß
der Drahtkern sehr schwierig zu verarbeiten ist; deshalb ist der Titangehalt auf
3% und der Aluminiumgehalt auf 4% begrenzt.
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Der Kohlenstoffgehalt des Drahtkerns beträgt weniger als 0,12°/o,
da andernfalls die Schweißablagerungen und/oder Auftragsschweißungen, die unter
Verwendung der Elektrode hergestellt werden, eine Neigung zur Warmrißbildung, insbesondere
falls Verdünnung mit Eisen erfolgt, aufweisen. Eine niedrige Menge Kohlenstoff,
beispielsweise etwa 0,05%, trägt zur Steigerung der Festigkeit der Schweißablagerung
bei.
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Vorteilhafterweise hat der Drahtkern die in der folgenden Tabelle
II aufgeführte Zusammensetzung (in Gewichtsprozent des Kerns).
| Tabelle II |
| Element |
| Vorteilhafter Beispiel |
| Bereich |
| Nickel............ Rest 64,8 |
| Kupfer ........... 27 bis 33 30 |
| Aluminium ........ 1 bis 2,5 1,5 |
| Titan ............. 0,5 bis 2 1,5 |
| Mangan .......... 0,5 bis 1,5 1 |
| Eisen ............. bis zu 3 1 |
| Kohlenstoff ....... bis zu 0,08 bis zu 0,08 |
| Silicium ........... 0,1 bis 0,3 0,2 |
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, die speziellen
Bestandteile des trockenen Flußmittels in den in der nachfolgenden Tabelle lII aufgeführten
Mengen zu verwenden (Gewichtsteile des trockenen Flußmittels).
| Tabelle III |
| Bevorzugte Bestandteile Bereich Beispiel |
| Mangancarbonat ........ 10 bis 20 15 |
| Calciumcarbonat ........ 10 bis 30 21 |
| Kryolith ................ 10 bis 22 17 |
| Titandioxyd ............ 15 bis 30 22 |
| Mangan * .............. 5 bis 12 8 |
| Niob ** ................ bis zu 6 6 |
| Silicium*** ............ 0,6 bis 1,8 1,2 |
| Bentonit ............... 2 bis 5 3 |
| * Beispielsweise als elektrolytisches Manganpulver. |
| ** Beispielsweise als Ferro-Niob-Legierung mit einem Ge- |
| halt von etwa 60 Gewichtsprozent Niob. |
| *** Beispielsweise als Nickel-Silicium-Legierung mit einem |
| Gehalt von etwa 30 % Silicium, etwa 1 A/o Calcium, wo- |
| bei der Rest im wesentlichen aus Nickel besteht. |
Die zur Herstellung des Flußmittels verwendeten Bestandteile liegen in pulverförmigem
Zustand vor. Im allgemeinen haben die gemischten Bestandteile üblicherweise eine
Teilchengröße zwischen etwa 50 und etwa 300 Mikron, obwohl Flußmittelbestandteile
mit unterschiedlicher Teilchengröße ebenfalls verwendet werden können, wie es für
die Fachleute geläufig ist.
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Ein in Wasser dispergierbares Bindemittel wird gewöhnlich in der Flußmittelumhüllung
verwendet, um einen dauerhaften und harten Überzug auf dem Nickel-Kupfer-Legierungsdrahtkern
nach dem Trocknen und Backen zu ergeben. Vorteilhafterweise ist der Binder vom Silikattyp,
da dieser einen dauerhaften Überzug ergibt, welcher kein erneutes Backen vor der
Verwendung erforderlich macht. Der Binder vom Silikattyp kann eine wäßrige Lösung
von Natriumsilikat und/oder Kaliumsilikat sein. In der folgenden Tabelle IV sind
die Mengen (in Gewichtsteilen des trockenen Flußmittels) der Bestandteile angegeben,
welche zu dem Binder verwendet werden können. Selbstverständlich kann jedoch eine
Silikat-
Lösung mit einem unterschiedlichen spezifischen Gewicht,
als es hier aufgeführt wurde, ebenfalls verwendet werden.
| Tabelle IV |
| Bestandteil ( Bereich Beispiel |
| Natriumsilikatlösung |
| (47° Baum6) .... 10 bis 20 15 |
| Wasser ........... soviel wie nötig 2 |
| zur Auspreßbarkeit |
Die Flußmittelumhüllung kann auf den Drahtkern in jeder geeigneten Weise, z. B.
durch ein Strangpreßverfahren, aufgebracht werden und auf der Drahtoberfläche durch
eine geeignete Trocknung oder ein Backen getrocknet werden. Dabei ergibt sich eine
harte, anhaftende Umhüllung von hoher mechanischer Festigkeit, welcher relativ widerstandsfähig
ist gegenüber mechanischer Schädigung unter normalen Handhabungsbedingungen. Eine
zufriedenstellende Trocknung oder Backbehandlung der Mischung aus Flußmittel und
Bindemittel besteht in einem normalen kontinuierlichen Ofentrocknungsarbeitsgang
und einer anschließenden Backbehandlung, wobei die Temperatur allmählich auf etwa
316° C gesteigert wird und bei dieser Höhe etwa 2 Stunden gehalten wird.
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Beispiele für typische Elektrodenabmessungen (Kerndurchmesser plus
Flußmitteldicke) sind in Tabelle V aufgeführt. Sämtliche Abmessungen sind in Millimeter
gegeben.
| Tabelle V |
| Kern- Elektroden- Elektroden- |
| durchmesser durchmesser, durchmesser, |
| Bereich Beispiel |
| 2,38 3,0 bis 3,8 3,3 |
| 3,17 4,3 bis 5,08 4,5 |
| 3,96 5,3 bis 5,8 5,5 |
| 4,76 6,3 bis 6,8 6,6 |
Jedoch kann selbstverständlich die Dicke der Kerndurchmesser und der Flußmittelumhüllung
beträchtlich von den in der vorstehenden Tabelle angegebenen Verhältnissen abweichen.
In den meisten Fällen beträgt die Flußmittelumhüllung üblicherweise zwischen etwa
25 und etwa 35 Gewichtsprozent der Elektrode.
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Die Zusammensetzung der niedergelegten Schweiße variiert natürlich
etwas in Abhängigkeit von der genauen Zusammensetzung des Flußmittels, der Zusammensetzung
des Drahtkerns und der Zusammensetzung des zu schweißenden Grundmetalls. Darüber
hinaus ist die Kombination von sämtlichen Flußmittelzusammensetzungen nach den Tabellen
I und III mit sämtlichen Zusammensetzungen des Drahtkerns innerhalb des breiten
Bereichs oder innerhalb der vorteilhaften Bereiche und der Beispiele nach Tabelle
Il im Bereich der Erfindung möglich. Jedoch besitzen sämtliche Schweißablagerungen,
die entsprechend der Erfindung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden
hergestellt wurden, Zusammensetzungen (in 11/o) in dem in Tabelle VI aufgeführten
Bereich.
| Tabelle VI |
| Bestandteile Bereich Vorteilhafter Beispiel |
| Bereich |
| Nickel....... Rest Rest 61,9 |
| Kupfer ...... 15 bis 45 27 bis 33 30 |
| Eisen ....... 0 bis 40 bis zu 3 1,0 |
| Mangan ..... 0,5 bis 8 2 bis 4 4 |
| Silicium ..... 0,1 bis 1,3 0,4 bis 1,0 0,8 |
| Aluminium .. bis zu 1,5 bis zu 0,5 0,2 |
| Titan ........ bis zu 1,5 bis zu 0,8 0,6 |
| Niob ........ bis zu 4 bis zu 2,0 1,5 |
| Kohlenstoff . . bis zu 0,08 bis zu 0,03 0,01 |
Ebenfalls gehört es zur Erfindung, Elektroden mit Flußmittelkernen zu verwenden
oder Elektroden, die aus gepulvertem Metall, welches innerhalb einer dünnen metallischen
Hülle zusammengehalten wird, bestehen. Weiterhin können die Legierungszusätze, z.
B. Silicium, Mangan und gegebenenfalls Niob, entweder völlig im Kern oder völlig
im Flußmittel enthalten sein. So kann Silicium, Mangan und/oder Niob in gepulverter
Form zu der Flußmittelzusammensetzung der Tabelle I in derartigen Mengen zugesetzt
werden, daß die Zusammensetzung der Schweißablagerungen innerhalb der in Tabelle
VI aufgeführten Bereiche liegt, d. h., Mangan kann in Mengen (bezogen auf das Gewicht
des trockenen Flußmittels) bis zu 20 Teilen, z. B. 5 bis 12 Teilen, vorliegen. Das
metallische Mangan ist zusätzlich zu dem als Mangancarbonat in dem Flußmittel vorhandenen
Mangan anwesend. Jedoch ist in sämtlichen Fällen Mangan in der Elektrode in einem
Bereich zwischen 0,5 und 7,0 Gewichtsprozent des Elektrodengewichts vorhanden und
vorteilhafterweise zwischen 2 und 411/o des Elektrodengewichts. Das metallische
Mangan in dem vorstehend aufgeführten Bereich steigert die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen
Schweißmetalls und vermindert das Vorkommen von Rißbildung, insbesondere bei stark
behinderten, dicken Querschnittsschweißungen. Das vorteilhafterweise in der Elektrode
enthaltene Silicium macht 0,4 bis 1 o/11 aus. Silicium verbessert die Schweißfestigkeit
ebenso wie Mangan. Weiterhin ist Silicium besonders vorteilhaft zur Verminderung
der Rißbildung beim Schweißen und zur Verbesserung der Schweißnahtduktilität auf
Grund seiner die Festigkeit steigernden Wirkung auf die kupferreichen Teile der
Schweißperlenstruktur. Falls der maximale Siliciumgehalt in der Elektrode überstiegen
wird, erzielt das Silicium die umgekehrte Wirkung und steigert die Rißbildung beim
Schweißen. Silicium ist vorteilhafterweise als Nickel-Silicium-Legierung mit einem
Gehalt von 0,5 bis 1,5 % Calcium, 25 bis 35% Silicium zu verwenden, wobei der Rest
im wesentlichen aus Nickel besteht. Obwohl jedoch auch Ferrosilicium verwendet werden
kann, weist es den Nachteil auf, daß es üblicherweise höhere Mengen Sauerstoff enthält,
welcher natürlich schädlich wirkt.
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Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel
1 Eine Elektrode wurde hergestellt aus einem Drahtkern, welcher 30 % Kupfer, 1%
Eisen, 10/m Mangan, 0,2% Silicium, 1,5% Aluminium, 1,5% Titan, etwa 0,01% Kohlenstoff
und 64,8 11/G Nickel (Rest) enthielt. Der Drahtkern wurde mit der Flußmittelzusammensetzung,
welche unter »Beispiel« in Tabelle III aufgeführt ist, durch Auspressen überzogen,
wobei ein Bindemittel verwendet wurde, welches aus etwa 15 Gewichtsteilen Natriumsilikatlösung
(etwa 47° Baumd) und etwa 2 Gewichtsteilen Wasser bestand. Die so hergestellte Elektrode
wurde gleichmäßig getrocknet und anschließend bei etwa 316° C während etwa 2 Stunden
gebacken.
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Beispiel 2 Eine Stoßverschweißung wurde in der flachen Stellung zwischen
zwei Stücken von Nickel-Kupfer-Legierungsplatten von 12,7 cm Breite und 38,1 cm
Länge und 31,7 mm Dicke (5" - 15" - 11/4") hergestellt. Jede Platte bestand aus
einer Legierung mit einem Gehalt von 0,15% Kohlenstoff, 1,17% Mangan, 1,2% Eisen,
0,21% Silicium, 31% Kupfer, 0,014% Aluminium, 0,012% Titan, 0,05% Magnesium und
66,20/0 (Rest) Nickel. Die Stoßpräparierung für eine 38,1-cm-Kante jeder Platte
entsprach der MIL-E-17496-1:3 Military Spezification, F i g. 3. Dieser Stoß besteht
aus einer 30°-Abflachung für die unteren 1,25 cm der Plattendicke und einer 15°-Abflachung
für die oberen 1,9 cm der Plattendicke. Ein Feld von 1,58 mm wurde am Fuß des Stoßes
belassen. So bildeten die beiden Stoßhälften eine doppelt abgeschrägte V-förmige
Verbindung mit einem 60°-Winkel zwischen den beiden Gliedern für die unteren 1,2
cm des Stoßes, und der V-Winkel ändert sich abrupt auf 30° bei einem Punkt bei 1,9
cm vom oberen Teil des Stoßes. Ein 2,38-mm-Fußzwischenraum wurde vorgesehen und
der Stoß fest mit drei schweren U-Klatnmein an jeder Seite stuf eine 15,2 cm dicke
Stahlschweißplatte mit einem geriffelten Kupferrückband, welches unter dem Fuß des
Stoßes zentriert war, geklammert. Drei Einspannkanten aus Kohlenstoffstalhl, die
maschinell genau in die doppelt abgeflachte V-förmige Auskerbung paßten, wurden
an jeder Seite des Stoßes angebracht und eine in der Mitte, um eine maximale Einspannung
zu gewährleisten und ein Verwerfen während des Schweißens zu verhindern, Eine Elektrode
mit der im Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzung und mit der in der vorstehenden
Tabelle V für einen Durchmesser von 4,76 mm Drahtkern angegebenen Dicke wurde zum
Schweißen des Stoßes verwendet. Nachdem die Platten geschweißt waren, wurde der
Stoß vom Tisch freigegeben, umgekehrt aufgelegt und eine Dichtraupe auf der Fußseite
abgelagert. Der Stoß wurde dann röntgenographisch untersucht unter Verwendung eines
2 % empfindlichen Penetrameters, wie es in Welding Handbook, 1957, section 1-8.39,
der American Welding i Society beschrieben ist, wobei sich keine Anzeichen von Porosität,
eingeschlossener Schlacke oder Rißbildung ergaben. Nach der Röntgenuntersuchung
wurde der Stoß in der Weise in Querschnitte zerlegt, daß eine Hälfte der Schweißung
quer zerlegt wurde, 1 so daß sich sechs Querschnitte von 9,5 mm Breite für Seitbiegungsteste
ergaben, Die Schweißablagerung auf der anderen Hälfte des Stoßes wurde von der Platte
abgeschnitten und zu einem Standardprobestück von 13 mm Dicke als Gesamtschweißmetallzugfestigkeitsprobestück
verarbeitet.
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Die sechs Querschnitte wurden jeweils an beiden Seiten unter Verwendung
einer feinkörnigen, kautschukgebundenen Schleifscheibe poliert und mit verdünnter
Salpetersäure geätzt, um die Schweißstruktur sichtbar zu machen. Diese polierten
und geätzten Schnitte wurden anschließend auf beiden Seiten mit einer Vergrößerung
von dreißig Durchmessern (30mal) auf das Auftreten von Schweißfehlern untersucht.
Fünf der sechs Querschnitte waren völlig frei von Rißbildungen, Sprüngen, Porosität
oder anderen Fehlern irgendwelcher Art. Eine Seite von einem der sechs Probestücke
enthielt nur zwei äußerst kleine Rißchen, z. B, war einer 0,39 mm und der andere
1,1 mm lang, was mehr als zufriedenstellend unter derartig scharfen Einspannungen
ist. Durch diese äußerst gute Schweißqualität unter den vorstehend beschriebenen,
äußerst nachteiligen Bedingungen ergibt sich die Eignung der Elektrode nach der
Erfind dung, Schweißnähte von außergewöhnlicher Festigkeit auch in stark belasteten,
außergewöhnlich dicken Querschnitten herzustellen.
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Nach der Untersuchung der sechs Querschnitte wurde jeder einem Seitbiegetest
unterworfen, jeder Schnitt wurde 180° über eine Stahlnadel mit einem Durchmesser
vom Vierfachen der Probestückdicke, d. h. 38,1. mm (4" - 3/8" =11/s") gebogen. Die
Probestücke wurden so gebogen, daß der Querschnitt der Schweißnaht in Querspannung
war. Nach Beendigung des Testes, d. h. wenn die Schenkel des Biegeprobestücks praktisch
parallel waren, wurden die gebogenen Oberflächen erneut auf Fehler untersucht. Diese
Untersuchungen wurden bei 15facher Vergrößerung durchgeführt. Bei den sechs Seitbiegestücken
wies keines irgendwelche Risse, Sprünge oder offene Fehler von mehr als 2,3 mm Länge
auf. Ein Probestück zeigte lediglich einen Kaltriß, während ein anderes zwei Kaltrisse
zeigte, und jeder Kaltriß war nicht länger als etwa 1,5 bis 2,3 mm Länge. So traten
auch nach den äußerst scharfen Seitbiegetesten lediglich eine außergewöhnlich und
bemerkenswert kleine Anzahl von Fehlerre auf. Dies beweist erneut die Festigkeit
der Schweißablagerung und deren Duktilität selbst unter äußerst ungünstigen Umständen.
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Das Gesamtschweißmetallprobestück für den Zugversuch wurde bei Raumtemperatur
untersucht, wobei die in der folgenden Tabelle VII aufgeführten Ergebnisse erhalten
wurden.
| Tabelle VII |
| Probestückdurchmesser ........... 1,304 cm |
| Probestückfläche ................. 1,296 cm2 |
| Bruchlast ........................ 7150 kg |
| Zerreißfestigkeit .................. 55,0 kg/mm2 |
| Fließlast (0,2% Dehnung) ......... 4000 kg |
| Streckgrenze (0,20/0 Dehnung) ..... 30,8 kg/mm2 |
| Dehnung (5,08 cm Meßiänge) . . . ... 45% |
| Einschnürung .................... 43% |
Aus diesem Zugversuch ergibt sich weiterhin, daß die mit den erfindungsgemäßen Elektroden
erhaltenen Ablagerungen sowohl fest als duktil sind und daß sie
tatsächlich
fester als die heißgewalzten und getemperten Nickel-Kupfer-Legierungsplatten aus
0,15 °/o Kohlenstoff, 1,1% Mangan, 10/0 Eisen, 0,21% Silicium, 31% Kupfer, praktisch
aus Nickel sind. Diese Platten haben eine Zerreißfestigkeit von etwa 52,7 kg/mm2
und eine 0,210/9-Streckgrenze von etwa 24,6 kg/mm2 bei Raumtemperatur.
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Beispiel 3 Eine Stoßverschweißung wurde praktisch unter den gleichen
Verhältnissen wie im Beispiel 2 mit der einzigen Ausnahme hergestellt, daß die verwendete
Elektrode einen Durchmesser hatte, wie er in der vorstehenden Tabelle V bei einem
Drahtkern von 3,96 mm Dicke angegeben ist. Die Röntgenaufnahme dieser Naht zeigte
ebenfalls, daß die Naht von Porosität und anderen Fehlern frei ist. Weiterhin zeigten
die Seitbiegungsprobestücke nach der im Beispiel 2 beschriebenen Untersuchung noch
weniger Defekte als die Schweißnähte, die mit der Elektrode mit einem Drahtkern
von 4,76 mm angefertigt worden waren. Dies wurde erreicht ohne irgendeinen Verlust
an Duktilität und/oder Festigkeit, da die Zerreißfestigkeit, die Streckgrenze und
die Duktilitätswerte des Gesamtschweißmetalls praktisch die gleichen waren, wie
sie in Tabelle VII des Beispiels 2 aufgeführt sind. Beispiel 4 Eine Stoßschweißung
an flachgestellten Platten ähnlich derjenigen nach Beispiel2 wurde zwischen einer
Platte aus Nickel-Kupfer-Legierung mit derselben Zusammensetzung wie die Nickel-Kupfer-Platten
des Beispiels 2 und einer Platte aus einem Kohlenstoffstahl mit 0,35% Mangan, 0,04%
Schwefel, 0,15019 Kohlenstoff, 0,01,1/o Phosphor und dem Rest praktisch aus
Eisen hergestellt. Jede Platte war 12,7 cm breit und 38,1 cm lang und 31,7 mm dick
(5" - 15" - 11/4'1. Dieselbe Stoßherstellung, Einspannung, Schweißverfahren, Elektrodenzusammensetzung
und Größe wie im Beispiel 2 wurden für diese Schweißung angewandt: Nach der Schweißung
wurde die Naht röntgenuntersucht bei einer Empfindlichkeit von 21/e. Es wurde keine
Porosität, Rißbildung oder mitgerissene Schlacke bei der Röntgenuntersuchung beobachtet,
trotz der Eisenverdünnung aus der Kohlenstoffstahlplatte. Die Schweißnaht wurde
dann in der im Beispiel e beschriebenen Weise in Querschnitte zerteilt und ergab
sechs Querschnitte von 9,5 mm Dicke für die Seitbiegungsteste und ei Gesamtschweißmetallzugfestigkeitsprobestück.
Die Seitbiegeschnitte wurden für eine Untersuchung vor der Biegung, wie im Beispiel
2 beschrieben, präpariert. Bei einer Untersuchung bei 30facher Vergrößerung auf
beiden Seiten der sechs Schnitte erwiesen sich sämtliche Schnitte absolut frei von
Rissen, Sprüngen, Porosität oder Fehlern irgendeiner anderen Art.
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Nach Beendigung dieser Untersuchungen wurden die Schnitte den Seitbiegetesten
unterworfen. Nach der Biegung um 180° wurden die Biegeoberflächen bei 15facher Vergrößerung
untersucht. Keiner der Seitbiegeschnitte zeigte Fehler von mehr als 1,5 mm Länge,
und tatsächlich zeigte nur ein einziger Schnitt einen Fehler von dieser Länge. Es
war ein Durchschnitt von nur etwa zwei Fehlern (Kaltrisse) zwischen 0,39 und 0,79
mm Länge je Schnitt, obwohl die Schweißnaht erheblich mit Eisen verdünnt war. Diese
außergewöhnliche Qualitätshöhe einer Schweißnaht, die unter derartig scharfen Bedingungen
angefertigt wurde, zeigt weiterhin die Eignung dieser Elektrode zur Herstellung
von Schweißnähten von hoher Qualität und ebenso ihre unerwartete Eignung zur Verbindung
von Kupfer-Nickel-Legierungen an Werkstoffe auf Eisenbasis, wobei keine Verminderung
der Qualität auftritt.
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Das Gesamtschweißmetallprobestück wurde bei Raumtemperatur im Zugversuch
untersucht und zeigte die in Tabelle VIII aufgeführten Ergebnisse.
| Tabelle VIII |
| Probestückdurchmesser ........... 1,28 cm |
| Probestückfiäche ................. 1,29 cm2 |
| Bruchlast ........................ 7260 kg |
| Zerreißfestigkeit .................. 56,2 kg/mm2 |
| Fließlast (0,2% Dehnung) ......... 3980 kg |
| Streckgrenze (0,2% Dehnung) ..... 30,8 kg/mm2 |
| Dehnung (5,08 cm Meßlänge) ...... 46% |
| Einschnürung .................... 43% |
Aus der vorstehenden Tabelle VIII gehen klar die Duktilität und Festigkeit der Schweißnähte
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden hervor, auch wenn die Schweißnaht
erheblich mit Eisen verdünnt ist.
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Beispiel 5 Eine Schweißung wurde in sämtlichen Bedingungen dem Beispiel
4 entsprechend, mit der Ausnahme, daß die verwendete Elektrode einen Durchmesser
hatte, der in der Tabelle V für einen Drahtkern von 3,96 mm Durchmesser aufgeführt
ist. Die Röntgenuntersuchung bei 2%iger Empfindlichkeit ergab, daß diese Schweißnaht
ebenfalls völlig frei von `Rissen, Porosität oder irgendwelchen anderen Fehlern
war. Nach der Biegung zeigte lediglich einer der sechs Seitbiegetestprobestücke
einen Defekt, der größer war als 0,79 mm, und dies war lediglich ein Riß von nur
etwa 1,58 mm Länge. Die sechs Seitbiegeprobestücke hatten einen Durchschnitt von
etwa 1,5 Defekten je Probestück zwischen 0,39 und 0,79 mm Länge. Unter derartig
scharfen und harten Testbedingungen müssen diese Ergebnisse als mehr als ausreichend
bezeichnet werden. Tatsächlich sind sie überraschend gut. Die Zerreißfestigkeit,
die Streckgrenze und die Duktilitätswerte des Gesamtschweißmetalls waren praktisch
die gleichen wie für die Schweißnaht, die mit einer Elektrode mit einem Drahtkern
von 4,76 mm Durchmesser hergestellt worden war.
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Beispiel 6 Um weiterhin die Toleranz für Eisen der mittels der erfindungsgemäßen
Elektroden hergestellten Ablagerungen aufzuzeigen, wurde eine Auftragsschweißung
auf eine Kohlenstoffstahlplatte von 9,5 - 76 - 152 mm hergestellt, die aus 0,38%
Mangan, 0,03% Schwefel, 0,17% Kohlenstoff, 0,015% Phosphor, Rest praktisch Eisen
bestand. Die verwendete Elektrode hatte die Zusammensetzung für Flußmittel und Drahtkern,
wie es im Beispiel 1 angegeben
ist. Weiterhin war der Durchmesser
der Elektrode wie in Tabelle V für einen Drahtkern von 4,76 mm angegeben. Die Platte
wurde von Zunder und Rost befreit und auf einen 38,1 mm dicken Stahlschweißtisch
mit vier C-Klammern geklammert. Eine Auftragsschweißung von sechs Raupen Breite
und zwei Lagen Höhe wurde direkt auf die Stahlplatte aufgebracht. Nach der Aufbringung
wurde die obere Oberfläche der Ablagerung glattgeschliffen, um die Raupenrippen
zu entfernen, und dann auf einer feinkörnigen, kautschukgebundenen Schleifscheibe
poliert.
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Die Unterseite der Kohlenstoffstahlplatte wurde maschinell auf eine
Gesamtdicke, einschließlich des Schweißauftrags, von 9,5 mm Dicke abgearbeitet.
Diesem Probestück wurde dann eine 180°-Längsbiegung über eine Stahlnadel von 38
mm Durchmesser gegeben. Wenn die beiden äußeren Enden des Biegeprobestücks parallel
waren, wurde der Prüfversuch beendet und die gebogene Oberfläche des Probestücks
einer Untersuchung bei 15facher Vergrößerung unterworfen. Bei der Untersuchung ergab
sich, daß das gebogene Probestück völlig frei von Fehlern irgendwelcher Art war,
was eindeutig auf eine hohe Toleranz für Verdünnung mit Eisen hinweist. Darüber
hinaus bedeutet dies die völlige Eignung dieser Elektrode zum Schweißen von eisenhaltigen
Metallen an Kupfer-Nickel-Legierungen oder zur Auftragsschweißung an Werkstoffen
auf Eisenbasis mit den durch die erfindungsgemäßen Elektroden erzeugten Nickel-Kupfer-Legierungen.
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Beispiel 7 Drei weitere Auftragsschweißungen auf Kohlenstoffstahl
wurden unter Verwendung von Elektroden mit Zusammensetzungen praktisch wie im Beispiel
1 angefertigt. Jede der Auftragsschweißungen wurde in identischer Weise im Beispiel
6 durchgeführt. In einem Fall jedoch hatte die Elektrode einen Durchmesser wie in
der Tabelle V für einen 3,96-mm-Drahtkern angegeben. Die anderen beiden Elektroden
hatten einen Drahtkern von 3,17 und 2,38 mm, und der Gesamtdurchmesser von jeder
Elektrode, d. h. Drahtkern plus Flußmittelumhüllung, war so, wie er in Tabelle V
für Elektroden mit diesen Kerndurchmessern angegeben ist. Sämtliche Schweißungen
waren völlig frei von Fehlern nach 180°-Biegeversuchen.
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Beispiel 8 Eine Stoßverbindung, die aus zwei Nickel-Kupfer-Legierungsplatten
mit der Zusammensetzung der Nickel-Kupfer-Legierungsplatten des Beispiels 2 bestand,
wurde züm Schweißen in der überkopfstellung hergestellt. Jede Platte war 1,25 cm
dick, 12,7 cm breit und 25,4 cm lang. Eine 25,4-cm-Kante jeder der Platten
wurde eine 40°-Abschrägung mit einem 1.,58-mm-Stoß am Fuß gegeben. Diese Platten
wurden dann in einem Abstand von 6,35 mm aufgestellt. Sie wurden dann an einem 9,5
mm dicken, 50,8 mm breiten und 25,4 cm langen Nickel-Kupfer-Legierungsrückstreifen
befestigt. Die Platten wurden dann mit der Oberseite nach unten auf eine 38,1 mm
dicke Stahlplatte von 20,3 cm Breite und 120 cm Länge geklammert. Die Stahlplatte
wurde in einer horizontalen Stellung etwa 210 cm oberhalb des Bodens aufgehängt.
Eine Schweißelektrode mit einem Drahtkern von 3;96 mm Durchmesser und einem Gesamtdurchmesser
von etwa 5,5 mm wurde verwendet. Die Zusammensetzung der Elektrode war wie im Beispiel
1. Das Schweißen, die Entfernung der Schlacke und jegliches Schleifen, das erforderlich
war, wurden mit der Schweißverbindung, die auf die Stahlplatte geklammert war, in
der überkopfstellung vorgenommen. Die Schweißung wurde nicht entfernt von der Festhaltunterlage,
bis die letzte Raupe niedergelegt war.
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Nach der Schweißung wurde der 9,5 mm dicke Rückstreifen maschinell
abgearbeitet, bis er bündig mit der Rückseite der 1,25 cm geschweißten Platte abschloß.
Die Naht wurde dann röntgenographisch untersucht mit 2%iger Empfindlichkeit. Bei
der Röntgenuntersuchung ergab sich, daß die Schweißnaht praktisch frei von Porosität,
mitgerissener Schlacke oder anderen Fehlern irgendwelcher Art war. Diese gute Qualität
der Festigkeit, selbst in einer Stoßschweißung, die in der extrem schwierigen überkopfstellung
mit einer Elektrode von relativ großem Durchmesser gefertigt war, zeigt die Vielseitigkeit
und die gleichmäßig ausgezeichnete Betriebsfähigkeit der erfindungsgemäßen Elektroden.
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Beispiel 9 Um den Einfluß von Mangan auf die Schweißqualität aufzuzeigen,
wurde ein Bruchversuch an einer X-Schweißung durchgeführt, um die Schweißablagerungen
einzustufen. Das Schweißprobestück bestand aus zwei Barren von 76,2 - 25,4 mm Fläche,
zwischen welchen eine Schweiße niedergelegt wurde. Jeder Barren enthielt 66,28%
Nickel, 31'% Kupfer, 0,94% Mangan, 0,033'% Magnesium, 0,23% Silicium, 0,15% Kohlenstoff
und 1,35% Eisen. Die beiden Barren wurden zusammen entlang der 76,2 mm Länge aufgestellt,
so daß die anstoßenden Oberflächen der beiden Barren ein Doppel-V-förmiges Gebilde
ergaben. Schweißnähte wurden hergestellt, zwei zur gleichen Zeit auf entgegenstehenden
Seiten, und das Probestück auf unterhalb 93° C zwischen jedem Durchgang abkühlen
gelassen. Nach der Schweißung wurde das Probestück an zwei Stellen im Abstand von
2,54 cm zur Makrountersuchung geschnitten. Die vier Querschnittsflächen, die sich
aus den beiden Schnitten ergaben, wurden dann auf einer feinkörnigen, kautschukgebundenen
Schleifscheibe poliert, mit verdünnter Salpetersäure zur Ermittlung der Schweißkonstruktur
geätzt und bei 30facher Vergrößerung auf das Auftreten von Rissen untersucht. Bei
diesem Prüfversuch ergibt sich eine außergewöhnlich hohe Spannung, und er dient
als wertvoller Maßstab zur Bestimmung der Empfindlichkeit gegen Rißbildung von Schweißablagerungen
aus Legierungen mit hohem Nickelgehalt. Die Ergebnisse dieser Verusche unter Verwendung
von Elektroden mit den nachfolgend aufgeführten Zusammensetzungen sind in Tabelle
IX aufgeführt.
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Die in der Tabelle IX für jeden Schweißversuch aufgeführte Rißzahl
stellt die Durchschnittszahl von Rissen dar, die bei 30facher Vergrößerung in den
vier X-Nahtschweißungsquerschnitten von jedem Probestück festgestellt wurden.
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Wie sich aus der nachstehenden Tabelle ergibt, wird die günstigste
Wirkung vonMangan bei einem Gehalt von etwa 4,5 % in der Schweißablagerung erreicht.
| Tabelle IX |
| Schweißung Zusammensetzung der Umhüllung, %* 0% Mn X-Schweißung |
| Nr. CaC03 I NasA1F6 I Ti02 1 MnC03 I Mn 1 Bentonit in der Schweißung
Risse je Schnitt |
| 1 30 29 29 9 0 3 1,61 6,0 |
| 2 27 26 26 18 0 3 2,30 4,3 |
| 3 26 24 24 18 5 3 3,38 2,5 |
| 4 24 23 22 18 10 3 4,57 0,5 |
| 5 22 21 21 18 15 3 5,68 0,5 |
| * In jedem Fall bestand der Drahtkern aus 67,5 % Nickel, 0,04%
Kohlenstoff, 0,75% Mangan, 0,36% Eisen, 29,07% |
| Kupfer, 0,11% Silicium, 0,42% Titan, 1,64% Aluminium und 0,022
% Magnesium. |
Die Erfindung ist anwendbar auf das Schweißen und Auftragsschweißen von Nickel-,
Eisen- und Kupferlegierungen, die bis zu 100% Nickel, bis zu 100% Eisen, bis zu
etwa 100% Kupfer, bis zu etwa 0,33% Kohlenstoff, bis zu 30°/o Kobalt, bis zu etwa
51)/o Silicium, bis zu etwa 30 % Mangan, bis zu etwa 30 % Chrom und bis zu, etwa
5 % jeweils von Aluminium und Titan enthalten. Zum Beispiel ist die Erfindung besonders
geeignet zum Schweißen von Nickel-Kupfer-Legierungen aneinander, zum Schweißen dieser
Legierungen an Stahl und zum Aufschweißen dieser Werkstoffe auf Stahl, zum Schweißen
der überzogenen Seite von mit Nickel-Kupfer-Legierungen beschichteten Stählen und
zum Schweißen von Nickel-Kupfer-Legierungen, Weichstahl, AISI-200-, -300-, -400-
und -500-Stählen aneinander und auch in allen Lagen, wobei Porosität und Warmrißbildung,
selbst bei bemerkenswerter Verdünnung der Schweißung mit Eisen, nicht auftreten.
Die gute Schweißnahtqualität, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden
möglich wird, erlaubt die Verwendung von Lichtbogenschweißverfahren, selbst bei
den kritischen Anwendungsgebieten, wobei Sicherstellung von Spitzenqualität von
äußerster Bedeutung ist.