-
Verfahren zur Herstellung eines für die automatische verdeckte Lichtbogenschweißung
geeigneten Schweißpulvers Es sind elektrische Schweißverfahren bekannt, bei denen
die abzuschmelzende Elektrode dauernd in eine Schmelze eines vorwiegend aus Silikaten
bestehenden, vorher lose auf die Schweißstelle aufäCscliiittten Scliw,eißpulvers
eintaucht. Diese bekannten Schweißpulver, die in der Hauptsache aus ftuorhaltigen,
sauren bis höchstens neutralen Silikaten bestehen und beim Schmelzen mehr oder weniger
viskose Flüssigkeiten bilden, haben verschiedene Nachteile.
-
Der verhältnismäßig hohe Kieselsäuregehalt und die verhältnismäßig
große Menge an Schlacke, die über drein Scliweil.igtit liegt bzw. schwimmt, bedingen
eine starke lecinflussung der Zusammen setzung des Schweißgutes. Diesem Umstand
wird zwar dadurch begegnet, daß man, unter Berücksichtigung z. B. des unter
der Einwirkung der Schlacke auftretenden Abbrandes an wertvollen Legierungsbestandteilen,
vor allem von Mangan usw., Schweißdraht mit vermehrten Legierungsbestandteilen verwendet,
so daß diese die Abbrandverluste des Grundmaterials wieder ausgleichen. Die Schweißdrähte
werden auf diese Weise allerdings nicht unwesentlich verteuert.
-
Ein weiterer Nachteil läßt sich jedoch schwer beheben, daß nämlich
durch dieUmsetzung derKiesels.äure mit Mangan nach der Reaktionsgleichung Si 02
-1- 2 Mn =:2 Mn O + Si das Schweißgut aufsilici,ert wird.
-
Ein weiterer ,schwer zu behebender Nachteil dieses Schweißpulvers
zeigt sich dann, wenn mit Rost oder Feuchtigkeit bedeckte Metalle verschweißt werden
sollen. In diesem Fall bilden sieh in der Schweißhitze durch die Reaktion der Feuchtigkeit
bzw. der hydroxylhaltigen Eisenverbindungen mit dem Eisen Wasserstoffbläschen, welche
durch
die im Verlaufe der Abkühlung zäher werdende Schlackenhaube nicht mehr hindurchtreten
können und die Güte der Schweißnaht, hauptsächlich bei Kehlnähten, verschlechtern.
-
Umfangreiche Versuche hatten das Ziel, die genannten Nachteile durch
ein entsprechend hergestelltes Schweißpulver von günstigerer Zusammensetzung zu
vermeiden. Es wurde gefunden, daß man allen Anfordezungen gerecht werdende Schweißpulver
für die automatische Lichtbogenschweißung dann erhält, wenn, man bei hoher Temperatur
einen homogenen kieselsäurefreien oder -armen Schmelzfluß, vorwiegend basischen
Charakters, auf der Basis von Metallsalzen, insbesondere von Fluoriden, hergestellt,
in denen Metalloxyde, insbesondere solche der Erdalkalien und des Aluminiums, durch
Vermittlung von Titansäure in Lösung gebracht wurden, nach Ablauf aller Umsetzungsreaktionen
die homogene Mischung erstarren läßt und nach dem Erkalten der Schmelze zur gewünschten
Korngröße zerkleinert. Schmelzflüssige Titansäure besitzt eine hohe Lösungswirkung,
ist neutral und läßt die reinigende Wirkung der basischen Bestandteile der Lösung
z. B. auf Phosphor- und Schwefelbestandteile des Grundmaterials voll zur Geltung
kommen.
-
Es sind zwar basische Schweißmittel qualitativ ähnlicher Zusammensetzung
bei der Herstellung ummantelter Schweißelektroden zur Verwendung gelangt, jedoch
liegen die hier zur Verwendung kommenden Stoffe nicht als bei hoher Temperatur erzeugte
homogene Mischung bzw. Lösung vor, sondern die Bestandteile werden lediglich in
dem gewünschten Verhältnis zusammengemischt und mit geeigneten Bindemitteln oder
durch Druckanwendung auf die metallischen Elektroden aufgebracht. Erst beim Schweißvorgang
schmelzen die Mischungsbestandteile zusammen und: bilden eine dünne, vom Lichtbogen
durchbrochene Haut über der verschweißten Naht. Ihre Menge ist im Vergleich zum
eingeschmolzenen Schweißgut gering und dementsprechend die Beeinflussung durch das
Schweißmittel geringfügiger als bei der verdeckten automatischen) Lichtbogenschweißung.
-
Hier wirkt die unter der Schutzhaube eines Schweißpulvers befindliche
bzw. daraus gebildete Schlacke, die in dicker Schicht unter und zwischen seitlichen
noch ungeschmolzenen Pulverschichten liegt, sowohl mechanisch als auch chemisch
stark auf das Schweißgut ein. Außerdem wird hier im allgemeinen mit wesentlich höheren
Stromstärken geschweißt, bei denen erfahrungsgemäß die metallurgischen Reaktionen
sich wegen der längeren Reaktionszeit vollständiger abspielen können.
-
Bei der Verwendung der bekannten ummantelten Elektroden hat die Ummantelung
die Aufgabe, durch Bildung einer dünnen Schlackenschicht auf dem flüssigen Metall
dieses vor Oxydation zu schützen. Sie soll ferner durch Abgabe ionisierender Bestandteile
das gleichmäßige Brennen des Lichtbogens auch mit Wechselstrom ermöglichen.
-
Die Anforderungen bei der verdeckten automatischen Lichtbogenschweißung
sind- insofern noch ganz anderer Art, als nicht nur eine bestimmte günstige Zusammensetzung
des Schweißpulvers mit besonderen metallurgischen Eigenschaften wichtig ist, sondern
auch noch auf bestimmte elektrische Eigenschaften der schmelzflüssigen Schlacke
geachtet werden muß, so daß ein stetiges gleichmäßiges Brennen des Lichtbogens unter
der Pulveroberfläche ermöglicht wird,. Die Leitfähigkeit des Pulvers darf einerseits
nicht so hoch sein, daß der Lichtbogen zum Pulver selbst überspringt. Sie muß aber
andererseits, so hoch sein, daß sie die Ausbildung eines ständigen Lichtbogens zwischen
Werkstück und Schweißelektrode unterhalb der Haube des Schweißpulvers ermöglicht.
Es ist hierbei die Tatsache zu berücksichtigen, daß die Schlacke nicht eine dünnen
Schutzüberzug auf dem geschmolzenen Metall bildet, ,sondern eine flüssige Zone,
die an Gewicht und Schichtdicke mit dem Schweißgut ungefähr vergleichbar ist. Durch
die vergrößerte Schlackenmenge und durch den von der Schlacke ausgeübten größeren
Druck kann auf Grund einer geeigneten Zusammensetzung der Schlacke die Zusammensetzung
dies Schweißgutes viel wirksamer beeinflußt werden als im Falle der Verwendung ummantelter
Elektroden, deren Schlackenbildung im Vergleich zum Schweißgut geringer ist. Alle
diese Faktoren, unterstreichen die Bedeutung einer richtig zusammengesetzten Sc'hweißpulvermasse,
die aus den obenerwähnten Gründen bis in die Nähe der Erstarrung eine geringe Viskosität,
einen scharfen Schmelzpunkt undbasischen Charakter hat.
-
Als besonders, geeignet erwies sich eine erfindungsgemäße Mischung
mit einem Titandioxydgehalt von 5 bis zu 200/0, einem Gehalt an Metallsalzen, insbesondere
an Fluoriden zwischen 4o und 700/0, neben 5 bis i50/0 Erdalkalioxyd, 5 bis 200/0
Aluminiumoxyd sowie kleineren Mengen von Oxyden der Eisengruppe, insbesondiere Mangan-
, oxyd. Der Gehalt an Titansäure ist wesentlich, denn er verleiht dem Schmelzgut
eine Leichtflüssigkeit bis, dicht an -den scharfen Schmelzpunkt und ist im übrigen
insofern neutral, als er die Zusammensetzung des Schweißgutes nicht ungünstig beeinflußt,
wie z. B. Siliciumdioxvd. Der Anteil an Titandioxyd kann auch über die angegebene
Grenze von, 2o % erhöht werden, was z. B. auf Kosten des Hauptbestandteils, z. B.
der Fluoride, erfolgen kann. Allerdings bietet eine weitere Erhöhung des Titansäureanteils,
keine weitere Steigerung der günstigen Eigenschaften und verbietet sich schließlich
wegen seines hohen Preises.
-
Ein Schweißpulver der oben angegebenen Zusammen Setzung ermöglicht
es auch, Sonderstähle, vor allem austenitische Werkstoffe, zu verschweißen, ohne
daß eine nachteilige Beeinflussung durch das Schweißpulver, wie z. B. ein hoher
Abl)r@,nd an wertvollen Legierungsbestandteilen, wie er bei dien kieselsäurehaltigen
Schweißpulvern auftritt, beobachtet werden kann. Durch Erhöhung des Mangan, oxydgehaltes
kann vielmehr der Mangangehalt des Schweißgutes noch erhöht werden, und es ist andererseits
nicht erforderlich, Schweißdrähte mit besonders hohem Mangangehalt zu verwenden.
-
Die obenerwähnte neue Eigenschaft des Schweißpulvers,
nämlich
einen dünnflüssigen Schmelzfluß bis dicht an das Gebiet des Schmelzpunktes zu bilden,
ermöglicht dlie Verwendung der automatisch verdeckten Lichtbogenschweißun g auf
einem sehr @vichtigen Gebiet, nämlich dem der Verschweißung rostiger oder sonstwie
verunreinigter MetallobeT-flächen, wie es z. B. bei Arbeiten auf offenen Montagestellen,
heim Brückenbau usw. vorkommt. Die Leichtflüssigkeit der Schlacke gestattet den
bei der Reaktion der Verunreinigungen mit denn Eisen entstehendet Gasbläschen (insbesondere
Wasserstoff) den Durchtritt durch die Schlacke, was früher bei der `'c@r\\eii(iung
der alten, verhältnismäßig zähen und glasartig erstarrenden kieselsäurehaltigen
Schlacke nicht möglich war.
-
1)1e Besonderheit eines weiteren Erfindungsschrittes besteht darin,
draß man durch Zusatz von kcihles:iureabgebenden Carbonaten aus der Gruppe der Erdalkalien
und/oder der Eisengruppe bzw. von Mischungen von Oxyden mit kohlenstoffhaltigen
IZeduktionsinitteln bis zu 16% eine bestimmte kleine Gasmenge entwickelt, welche
die bei der Reaktion der Vertuireinigtingen sich bildenden Reaktionsgase fortspült.
Die Versuche zeigten, daß auf diese Weise Schweißnähte in einer unter diesen Verhältnissen
noch nicht erreichten Güte erzielt werden konnten.
-
Eine Erhöhung des Gehaltes an Karbonaten über den angegebenen höchsten
Gehalt von 16% ist nicht zweckmäßig, da der Schweißvorgang durch die zunehmend lebhaftere
Gasentwicklung allzusehr beeinträchtigt wird.
-
Die neuartige Zusammensetzung des Schweißpulvers bedeutet somit eine
vollständige Abkehr von den bisherigen Grundsätzen bei der Herstellung derartiger
Schweißpulver insofern, als man statt saurer bis höchstens neutraler Mischungen
solche basischen Charakters verwendet und daß man statt stark kiese säurehaltiger,
glasartiger Mischungen solche ohne (><fier mit nur wenig Kieselsäure sowie mit
scharfem Schmelzpunkt verwendet. Auch der Grundsatz, nur wenig gasegtwickelnde Pulver
zu verwenden, wurde durch Zusatz von Carbonaten bewußt aufgegeben.
-
EM Beispiel möge die hervorragenden Eigenschaften des neuen Schweißpulvers
erläutern: Es wurde eine 2o-iriin-V-Naht an einem Baublech mit 8-ium-Scliweil.idralit
unter Verwendung dies bisher gebräuchlichen, stark kieselsäurehaltigen Schweißpulvers
einerseits und des neuen basischen titandiox) dhaltigen Schweißpulvers andererseits
verschw eißt.
-
Die \ erwendete Stromstärke betrug 125o Ampere, die Scliweißsl)annung
40 Volt, die Schweißgeschwindigkeit 300 mm/Min.
-
1)1e "Zusammensetzung des Schweißpulvers als Funktion der Zusammensetzung
von Grundmaterial, Schweißdraht und Schweißpulver wurde untersucht. Der Vergleich
der sowohl mit dem bekanntere: als auch dein neuen Schweißpulver erhaltenen Zusammensetzung
der sonst unter genau gleichen Bedingungen erzielten Schweißnaht soll zur Beurteilung
dies neuen Schweißpulvers dienen. Als Typus für die Beimengungen, welche die Eigenschaften
des Materials vorzugsweise beein Russen, seien die Kohlenstoff-, Mangan-, Silicium-,
Phosphor- und Schwefelgehalte in dem verschweißten Blech und im Sc:hweiß@draht sowie
die theoretische Zusammensetzung des Schweißgutes angeben, welche sich aus dem eingeschmolzenen
Gewichtsverhältnis von Schweißdraht und Grundmaterial ergeben würde. Das Grundmaterial
enthielt, bezogen auf das Gewicht, 0,07% Kohlenstoff, 0,3% Mangan, 0,0080/0 Silicium,
0,056% Phosphor, 0,0170/0 Schwefel.
-
Der Schweißdraht hatte dementsprechende Gehalte von 0,16% Kohlenstoff,
3,5% Mangan, 0,125% Silicium, o,oi8% Phosphor, o,oi2% Schwefel.
-
Die eingeschmolzenen Mengen an Grundmaterial und Schweißdraht wurden
an einer Schlifffläche quer zur Schweißnaht planimetrisch ermittelt. Daraus ergab
sich ein Sollgehalt dies Schweißgutes, d,. h. die theoretische Mischkonzentration,
von o,io6% Kohlenstoff, 1,58% Mangan, 0,05480/0 Silicium, 0,0412% Phosphor, 0,0148%
Schwefel.
-
Der durch Analyse ermittelte tatsächliche Gehalt an Legierungsbestandteilen
und Verunrein @igungen betrug bei einer mit altem Schweißpulver erhaltenen Schweißnaht:
o,o8% Kohlenstoff, entsprechend 24% Abbrand, o,98 % Mangan, entsprechend 38% Abbrand,
0,21% Silicium, entsprechend 28o % Zunahme, 0,043% Phosphor, entsprechend 4% Zunahme,
0,02190% Schwefel, entsprechend 42% Zunahme. Dagegen wurden bei einer Schweißnaht,
hergestellt unter Verrwendung dies neuen Pulvers, unter sonst gleichen Bedingungen
folgende Gehalte analytisch ermittelt: Kohlenstoff o,o95% (io% Abbrand), Mangan
1,57% (0,6% Abbrand), Silicium 0,041% (251/o Abbrand), Phosphor 0,0330/0 (20% Abbrand),
Schwefel o,,oii% (28% Abbrand).
-
Wie die Ergebnisse und Analysen zeigen, ist beii dem finit dem alten
Pulver erhaltenen Schweißgut vor allem ein erheblicher Abbrand von 38% Mangan, .eine
unerwünschte Zunahme um 28o % Silicium und eine: solche um 42% Schwefel eingetreten
(bezogen auf dien theoretischen Gehalt der Mischung = ioo%). Beide Zunahmen sind
für die Güte der Schweißnaht unerwünscht.
-
Im Gegensatz hierzu zeigt die Analyse der mit dem neuen Schweißpulver
erhaltenen Schweißnaht eine praktisch unveränderte Konzentration dies Mangans, eine
wesentliche Abnahme des unierwünschten Silicium-, Phosphor- und Schwefelgehaltes
gegenüber der theoretisch ermittelten Zusammensetzung, also eine wesentliche Qualitätsverbesserung
der Schweißnaht gegenüber den. bisherigen Ergebnissen.