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Verfahren zum Lichtbogenschweissen mit im Stromkreis liegendem Werkstück und körniges Flussmittelpulver zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenschweissen mit im Stromkreis liegendem Werk- stück und einem sich verbrauchenden Elektrodendraht, insbesondere ein mit einem magnetisches Fluss- mittel enthaltenden Schutzgas durchgeführtes Metallichtbogenschweissverfahren, in dem ein nackter Draht automatisch durch einen Schweissbrenner vorgeschoben und ein körniges Flussmittelpulver in einem Traggas suspendiert und von diesem in den Brenner eingeleitet wird.
In demBrenner werden unter der Wirkung eines durch den Schweissstrom um den Draht herum erzeugten Magnetfeldes Flussmittelteilchen von dem Draht angezogen. Wenn dieser Draht dann in der Schweisslache zugeführt wird, bedeckt und reinigt das Flussmittel die Lache ; ferner unterstützt es die durch das Gas bewirkte Abschirmung des Vorgangs gegenüber der Verunreinigung aus der Atmosphäre.
Die Vorteile des mit pulverhaltigem Schutzgas durchge führten Metallichtbogenschweissverfahrens sind bereits in der Schweisstechnik bekannt und vos besonderer Wichtigkeit in jenen Fällen, in denen auf de Wirtschaftlichkeit des Schweissens besonderer Wert gelegt wird. Von besonderer Bed2utu g ist de relativ hohe Abschmelzleistung, die beim Unterhandschweissen 50-100 und beim vertikalen und überkopfschweissen 200-300 grösser ist als mit umhüllten Elektroden. Ausser den hohen Abschmelzleistungen ist noch der sparsame Verbrauch des Flussmittels pro Gramm des abgelagerten Schweissmetalls zu beachten.
Insgesamt können die Kosten auf diese Weise um 25-65% unter d-e des händischen Schweissens mit umhüllter Elektrode gesenkt werden. Man erhält Schweissungen mit grosser, gleichmässiger Eindringtiefe, während Hinterschneidungen und Porenbildung nicht beachtet werden. Bei Schweissgeschwindigkeiten, die etwa 50-lolo höher sind als die mit umhüllten Elektroden erzielten Geschwindigkeiten, kommt man bei dem Verfahren zu Gesamtschweisskosten, die 35-75% niedriger sind als bei Verwendung von umhüllten Elektroden.
Bisher unterlag das Verfahren jedoch einer Anzahl von Beschränkungen.
Ein beträchtlicher Nachteil bestand darin, dass das Verhältnis der Flussmiottel- zu der Drahtmenge relativ hoch sein muss und je nach der Art der Schweissarbeit zwischen 0, 50 : 1 und I, 0 : 1 beträgt. Dies war zum Teil darauf zurückzuführen, dass zum Schutz der Schweisslache vor der Oxydation und Nitrierung eine ungewöhnlich grosse Flussmittelmenge erforderlich ist. Zur Einstellung des für die jeweilige Schweissarbeit erforderlichen Verhältnisses zwischen Flussmittel- und Drahtmenge mussten in dem System zur Zuführung des Flussmittels kostspielige und komplizierte mechanische Einstellvorrichtungen vorgesehen werden. Eine weitere Schwierigkeit trat bei relativ geringen Schweissstromstärken, z.
B. von weniger als 500 A bei Schweisselektroden von 2, 4 mm Durchmesser auf, wenn mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom normaler Polarität (Elektrode negativ) gearbeitet wurde. Beim Arbeiten mit normaler Polung und Stromstärken unter 500 A war der Schweissvorgang dlrch starkes Spritzen und geringe Stabilität des Lichtbogens gekennzeichnet. Infolge dieser Einschränkung konnten beim Arbeiten mit Wechselstrom oder Gleichstrom normaler Polarität (Elektrode negativ) die Vorteile des Verfahrens bei niedrigen Schweissstromstärken nicht erzielt werden.
Die begrenzte Sichtbarkeit des Lichtbogens stellt einen weiteren Nachteil dar. Infolge der relativ hohen Ablagerung von Flussmitteln an der Schweissstelle, insbesondere bei rechtwinkeligen Stumpfstössen
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Lichtbogenschen Flussmittel zurückgeführt. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurden abwechselnde Schweissnähte angewendet, die eine kostspielige Vorbereitung der Ränder erfordern. Dadurch wurde das Verfahren auf Nähte beschränkt, die dem Schweissarbeiter eine genügende Sicht gestatten, sich aber nicht unbedingt durch eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit der Schweissung auszeichneten.
Vor dsm Schweissen auf stark verrosteten Werkstücken muss das Metall mit hohen Kosten bereinigt werden, um die aufReaktionen mit dem Rost zurückzuführende Tendenz zur Porenbildung in dem Schweissmetall auf ein Minimum herabzusetzen.
Die Erfindung bezweckt daher vor allem für ein solches Verfahren ein körniges Flussmittelpulver zu schaffen, das ein Arbeiten mit einem Mengenverhältnis von 0, 20 : 1 bis 0, 30 : 1 zwischen Flussmittel und Draht ermöglicht.
Ferner bezweckt die Erfindung die erfolgreiche Anwendung des Verfahrens mit mässigen Schweissstromstärken beim Arbeiten mit Gleichstrom normaler Polarität (Elektrode negativ) oder mit Wechselstrom zu gestatten, um eine höhere Abschmelzleistung zu erzielen. Allgemein betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Metallichtbogenschweissen mit im Stromkreis liegendem Werkstück mit einem sich verbrauchenden elektrodendraht in einem den Lichtbogen umgebenden Schutzgas, das magnetisches Flussmittelpulver an das Lichtbogenende des Elektrodendrahtes abgibt, in dem zu schweissendewerkstückteile aus Stahl zur Bildung einer Naht stumpf gestossen werden, das Werkstück und eine Eisenmetallelektrode an eine Lichtbo- genschweissstromquelle angeschlossen werden,
ein Strom CO2-GAs um den Endteil des Drahtes herum abgegeben wird, vor dieser Abgabe in den Gasstrom ein körniges Flussmittelpulver eingeleitet wird, ein Schweisslichtbogen gezündet und im Zuge des längs der Naht fortschreitendsn Schweiss' organges der Draht der Naht zugeführt wird.
ErfindungsgemässwirdeinkörnigesFlussmittelpulverfolgenderZusammensetzungverwendet :
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<tb>
<tb> Mangandioxyd <SEP> Spuren <SEP> - <SEP> 20%
<tb> Mangnesiumoxyd <SEP> Spuren <SEP> - <SEP> 10%
<tb> Ti02 <SEP> 10-30010
<tb> Tonerde <SEP> Spuren <SEP> - <SEP> 15%
<tb> Fluorid <SEP> 1-10%
<tb> Silizi <SEP> nai <SEP> 2-20o <SEP>
<tb> Mangan <SEP> 2-20% <SEP>
<tb> Magnetische <SEP> Komponente <SEP> (Fe <SEP> 0) <SEP> 5-25%
<tb> Kaliumtitanat <SEP> 2-20% <SEP>
<tb> + <SEP> Bindemittel <SEP>
<tb>
Die Erfindung umfasst ferner ein körniges Flussmittelpulver der obigen Zusammensetzung. In einer Ausführungsform ist ein derartiges Flussmittelpulver zusammengesetzt aus 13, 10/0 Mangandioxyd, 3,3%
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Der Grund filz die erhöhte Stabilität des Lichtbogens und das verbesserte Arbeiten nach dem erfin- dungsgemässen Verfahren kann technologisch noch nicht einwandfrei erklärt werden. Es wird jedoch angenommen, dass diese Vorteile vor allem auf die Anteile der magnetischen Komponente, das als Desoxydator wirkenden Siliziums und des als Lichtbogenstabilisator und Fluidisator wirkenden Kaliumtitanats zurückzuführen sind.
Es wurde festgestellt, dass durch Zusatz von Kalium vorzugsweise in Form von Kaliumtitanat der Schweisslichtbogen bei Verwendung von Wechselstrom oder von Gleichstrom normaler Polarität als Schweissstrom stabilisiert wurde. Ausserdem hat das Vorhandensein des Kaliums besonders in Form des Titanats einen vorteilhaften Einfluss auf den Schmelzpunkt des Flussmittels und seine Fähigkeit zum einwandfreien Benetzen des zu schweissenden Stahls. Bei Vorhandensein von geregeltenKaliummengen kann nan die gewünschte Abschirmwirkung mit einer geringeren Flussmittelmenge pro Einheit der abgelagerten Schweisse erzielen.
Ferner ist das geschmolzene Flussmittel so damflüssig, dass es die Gefahr einer Bildung ; von in- regelmässig verteilten Lachen oder Einschlüssen des Flussmittels auf der Oberfläche des Schweissmetalls beseitigt. Derartige unerwünschte Erscheinungen beeinträchtigten bisher d ie Wirtschaftlichkeit des Schweissverfahrens, weil sie die Anwendung einer grösseren Flussmittelmenge zum Abdecken des Schweissmetalls erforderlich machten, so dass die Betriebskosten stiegen.
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es hat sich gezeigt, dass man bei einem Zusatz von 10% Kaliumtitanat hochwertige Schweissungen erhält. Ähnliche, aber weniger ausgeprägte Ergebnisse können mit 5% Kaliumtitanat erhalten werden.
Die Versuche zeigen jedoch, dass bei einer Menge von mehr als 15% Kaliumtitanat das Flussmittel für hochwertige Schweissungen zu dünnflüssig wird, obwohl für gewisse Schweissungen bis zu 20% Kaliumtitanat oder eine äquivalente Menge von kalium-und titanhaitigen Verbindungen zweckmässig sind. Kaliumtitanat hat sich auch deshalb als der geeignete Kaliumträger erwiesen, weil es im Gegensatz zu Kaliumsilikat nicht hydroskopisch ist.
Es hat sich als zweckmässig erwiesen, went das Kaliumtitanat in körniger Form vorhanden ist. Hai-
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durch ein Sieb mit einer Maschsngrösse von 0, 043 mm hindurchgehen. In Schweissversuchen mit K2TiO3 in dieser Form erhielt man ungleichmässige und unbefriedigende Ergebnisse. Eine unbefriedigends Bindung zwischen den Komponenten des Flussmittels war zum Teil darauf zurückzuführen, dass die sehr feinen Teilchen des K2TiO3 nur schwer mit dem Natriumsilikat gebunden werden können. Durch störende Reaktionen gingen die Bindeeigenschaften des Silikats verloren.
In einem Versuch zur Herabsetzung dieser Schwierigkeiten wurden etwa 50% des flüssigen Natriumsi-
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schen übrig.
In einem ändern Versuch wurde ein gröberes K2TiO3 verwendet, um die chemische Reaktion zwischen dem K2TiO3 und dem als Bindemittel verwendeten Silikat herabzusetzen. Dieses wünschenswerte Ergebnis wurds dadurch erzielt, dass das handelsübliche K2TiO3 zunächst mit einem Lichtbogen geschmolzen wird, dann durch Abschrecken zum Erstarren gebracht wurde, worauf die Masse gemahlen und erneut klassiert wurde. Bei Zusatz dieses K2TiO3-Granulats zu dem Flussmittel konten alle Bestandteile gemeinsam trockenvermengt und dann mit dem flüssigen Bindemittel gemischt werden.
In Schweisszersuchen wurde festgestellt, dass ein Flussmittel von hoher Gleichmässigkeit mit einem K TiO, folgender Körnung erhalten wurde :
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<tb>
<tb> Siebgröge
<tb> mm
<tb> < 0,833 <SEP> 0%
<tb> < 0, <SEP> 833 > 0, <SEP> 147 <SEP> 50-65% <SEP>
<tb> < 0, <SEP> 094 <SEP> max. <SEP> 30%
<tb> > 0,043 <SEP> max. <SEP> 20%
<tb>
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[.---K2TiO3, das gröber ist als die vorstehend angegebene Körnung, kann licht mehr einwandfrei gebunden werden und ist daher unzweckmässig.
Zum Vergröbern des K2TiO3 kann man es auch durch Erhitzen bis knapp unter den Schmelzpunkt agglomerieren, wobei man ähnliche Ergebnisse erhält. Eine weitere Möglichkeit besteht im Lichtbogenschmel-
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dem K2TiO3.
Die verbesserten Ergebnisse sind vielleicht darauf zurückzuführen, dass d ie Menge der in dem Flussmittel vorhandenen magnetischen Bestandteile herabgesetzt wird. Versuche haben gezeigt, dass mit der erfindangsgemässen Zusammensetzung das Verfahren nur dann einwandfrei darchgeführt werden konnte,
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Sehr überraschend sind die erfindangsgemäss erzielbaren hohen Desoxydationspotentiale bei gleichzeitiger Herabsetzung der pro Einheit der Schweisse verbrauchten Flussmittelmenge. Dies trägt ebenfalls zu einem besseren Schweissen auf verrostetem Blech bei. Da das Flussmittel kein Eisen enthält, erhält man eine dinnflüssigere Lache als bei den eisenpulverhaltigen bekannten Flussmitteln.
Durch das Eisenpulver wird das schmelzflüssige Flussmittel rascher abgekühlt und daran gehindert, das schmelzflüssige Schweissmetall vollkommen zu bedecken. Infolgedessen ist die Schweissbarkeit gering und der Flussmittelverbrauch hoch, wodurch der Wirkungsgrad des Verfahrens weiter herabgesetzt wird. Bei Verwendung des erfindungs- gemässen Flussmittels dagegen können mit einer geregelten Menge des magnetischen Bestandteils auf wirtschaftliche Weise Schweissen von einer schweisstechnisch vorteilhaften Beschaffenheit erhalten werden.
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Ferner erhielt man ausgezeichnete Ergebnisse (ausgedehnte Schlackendecke, gute Desoxydation des Schweissmetalls), wenn als Desoxydationsmittel vor allem Ferrosilizium verwendet wurde. Es hat sich gezeigt, dass man mit einem Zusatz von Silizium in Form von Ferrosilizium von weniger als 9% keine genügende Desoxydation und minderwertige Schlacken von geringer Fliessfähigkeit und eine unregelmässige Gestalt der Schweissraupe erhielt. Bei Mengen von mehr als 18% wurde die Fliessfähigkeit des Schweissmetalls beeinträchtigt, so dass die Haftung zwischen dem Grund-und dem Schweissmetall schlecht und die Schweisse zu dick war. Bei einem weiteren Zusatz von Silizium als Ferrolegierung (Mengen von mehr als 180/0) kann die Zugfestigkeit je nach der Art der Schweisse zu hoch werden. Bei bestimmten Schweissen,
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Gehaltzulässig bzw. erforderlich sein.
Es wurde erkannt, dass eine hohe Fliessfähigkeit des Flussmittels und ausgezeichnete Ergebnisse auf verrostetem Blech mit geringeren Mengen Fluorid (CaF2 oder Kryolith) als in den bekannten handelsüb- lichen Flussmitteln erhalten werden können. Die Ursache für dieses Ergebnis ist nicht vollständig erkannt, wird aber zum Teil auf den hohen Siliziumgehalt und die geringeren Anteile des magnetischen Bestandteils und des magnetischen Oxyds zurückgeführt. Freies Fluorid reagiert mit dem (im Rost vorhandenen) Wasser- stoff und verhindert dadurch eine Porenbildung in der Schweisse.
Infolge des niedrigeren Fluoridgehalts ist die Rauchbildung geringer, so dass die Sichtbarkeit des Lichtbogens erhöht wird., Angesichts der verbesser- ten Sichtbarkeit des Lichtbogens gestattet die Erfindung ohne weiteres das Schweissen einer rechtwinkligen
Stumpfnaht. Ferner erleichtert die Erfindung die Durchführung des Verfahrens und die Erzielung optimaler
Ergebnisse auch bei geringerer Geschicklichkeit.
Die Zeichnung zeigt eine graphische Darstellung der Schweissgüte als Funktion des Rostzusatzes bei
Verwendung des erfindungsgemässen bzw. eines üblichen Flussmittels.
Vor der Erfindung war ein Verhältnis von 0, 40 : l bis 0, 60 : 1 zwischen Flussmittel-und Drahtmenge für ein genügendes Abdecken der Schweissnaht erforderlich. Bei geringeren Flussmittelmengen werden kei- ne einwandfreien Schweissungen erhalten. Mit dem erfindungsgemässen Flussmittel wird jedoch eine ge- nügende Bedeckung schon bei einem Verhältnis von 0, 36 : l zwischen Flussmittel-und Drahtmenge er- zielt, was Ersparnissen von 20 bis 25% entspricht, ohne dass die physikalischen Eigenschaften der Schweisse beeinträchtigt werden.
Mit einem Verhältnis von 0, 30 : 1 zwischen der Flussmittel- und der Drahtmenge durchgeführte Mehrlagenschweissungen unterschieden sich vorteilhaft von dem Verhältnis von 0, 55 : 1, das bei den bekannten Flussmitteln erforderlich war. Die Röntgenntersuchung zeigte, dass die erfindungs- gemäss hergestellten Schweissen porenfrei waren. Die mechanischen Eigenschaften waren ebenfalls vor- teilhaft.
Die leichte Entfernung der Schlacke ist darauf zurückzuführen, dass in dem erfindungsgemässen
Schweissverfahren weniger Flussmittel verbraucht wird. Dadurch werden ferner die zur Durchführung des
Verfahrens erforderlichen Einstellungen vereinfacht. Bei Verwend mg des erfindungsgemässen Flussmittels genügt eine anfängliche Einstellung fou dite meisten Schweissbedingungen. Die bisher zur Regelung der
Flussmittelzufuhr erforderlichen, komplizierten Einrichtungen entfallen, und es können auch weniger ge- schickte Bedienangspersonen verwendet werden.
Bestimmte magnetische Flussmittel sind besonders für das Arbeiten mit Gleichstrom umgekehrter Po- larität (Elektrode positiv) bestimmt. Bei einer solchen Polung ist jedoch die Abschme1zleistung geringer, was bei bestimmten Anwendungen die Gesamtkosten des Verfahrens erhöhte. Erfindungsgemäss wurde über- raschenderweise eine Erhöhung der Abschmelzleistung um 25% bei Verwendung von Gleichstrom normaler
Polarität (Elektrode negativ) erzielt, wobei der Flussmittelverbrauch tatsächlich herabgesetzt wurde. Es wird ingenommen, dass das erfindungsgemässe Flussmittel beim Arbeiten mit Gleichstrom normaler Pola- rität zu einer höheren Stabilität des Lichtbogens und zur Herabsetzung des Spritzens führt. Die erhöhte
Abschmelzleistung stellt einen weiteren Vorteil des Verfahrens beim Unterhandschweissen dar.
Die mit dem erfindungsgemässen Flussmittel auf stark verrostetem Blech erzielten Ergebnisse sind aussergewöhnlich gut. Das Problem der Porenbildung beim Schweissen von verrostetem Weichstahl wird ebenfalls durch die Anwendung der Erfindung verringert. Zur Prüfung der bei verrostetem Blech erzielten Ergebnisse wurden mit gewöhnlichemflussmittel und dem erfindungsgemässen Flussmittel eine Anzahl von horizontalen Kehlnahtschweissungen durchgeführt. Bei Verwendung des erfindungsgemässen Flussmittels führten Rostzugaben von 0, 193 g/cm auf die Oberfläche der Naht noch nicht zu einer sichtbaren Porenbildung, während bei dem bekannten magnetischen Flussmittel nur eine Zugabe von 0,118 g/cm zulässig war.
Das mit dem erfindungsgemässen Flussmittel erzielte Schweissergebnis war auch dem mit den handelsüblichen umhüllten Elektroden erhaltenen weit überlegen.
Die Schweissgüte wurde ferner an 6, 35 mm starkem Weichstahlmaterial mit einem walzzunderbedeckten
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<tb>
<tb> 0 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 198 <SEP> g/ein <SEP> gegeben.Kostzugape <SEP> g/cm)
<tb> 0 <SEP> 0,098 <SEP> 0,115 <SEP> 0,145 <SEP> 0.
<SEP> 197
<tb> Flussmittel <SEP> Flussmittel <SEP> Flussmittel <SEP> Flussmittel <SEP> Flussmittel
<tb> Erfin-Erfin-Erfin- <SEP> "fin-Erfin- <SEP>
<tb> Nor- <SEP> dungs- <SEP> Nor- <SEP> dungs- <SEP> Nor- <SEP> dungs- <SEP> Nor- <SEP> dungs- <SEP> Nor- <SEP> dungsschweissfehler <SEP> mal <SEP> gemäss <SEP> mal <SEP> gemäss <SEP> mal <SEP> gemäss <SEP> mal <SEP> gemäss <SEP> mal <SEP> gemäss
<tb> Pfeilmarken <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 3 <SEP> 8 <SEP> 0 <SEP> 8 <SEP> 3 <SEP> 8
<tb> Sichtbare
<tb> Porenbildung <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 10 <SEP> 4 <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 10
<tb> Raupenprofil
<tb> und <SEP> Flächenhelligkeit <SEP> 8 <SEP> 10 <SEP> 4 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 7 <SEP> 3 <SEP> 7 <SEP> 2 <SEP> 7
<tb> Insgesamt <SEP> 28 <SEP> 30 <SEP> 17 <SEP> 23 <SEP> 8 <SEP> 25 <SEP> 7 <SEP> 25 <SEP> 5 <SEP> 25
<tb> Durchschnitt <SEP> 9,
3 <SEP> 10 <SEP> 5,7 <SEP> 9,3 <SEP> 2,7 <SEP> 8,3 <SEP> 2,3 <SEP> 8,3 <SEP> 1,7 <SEP> 8. <SEP> 3
<tb>
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<tb>
<tb> Pfeilmarken <SEP> Sichtbare <SEP> Poren- <SEP> Raupenprofil
<tb> Anzahl <SEP> der <SEP> bilden3 <SEP> Anzahl <SEP> und <SEP> OberflächenBewertung <SEP> Marken/cm <SEP> der <SEP> Locher/cm <SEP> helligkeit
<tb> 0 <SEP> 11, <SEP> 8 <SEP> 2 <SEP> schlecht <SEP>
<tb> 2 <SEP> 9, <SEP> 4 <SEP> 0,8 <SEP> sehr <SEP> mangelhaft
<tb> 4 <SEP> 7,1 <SEP> 0,4 <SEP> mangelhaft
<tb> 6 <SEP> 4,7 <SEP> 0 <SEP> genügend
<tb> 8 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP> 0 <SEP> gut
<tb> 10 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> ausgezeichnet
<tb>
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