Schweisselektrode Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweisselek trode zum Schweissen von Stahl und Stahllegierungen mit einer Umhüllung, deren schlackenbildender Teil basisch ist und Erdalkalifluorid sowie Erdalkalikar- bonat in einer Menge, die beim Schweissen eine schüt zende Kohlendioxydatmosphäre zu liefern vermag, und ausserdem ein Bindemittel, wie z. B. Wasserglas, und ferner Metallpulver enthält, wobei die Umhüllung mindestens angenähert frei von wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie z. B.
Wasser, Kohlehydraten und organischen Bindemitteln ist.
Die eingangs definierte Schweisselektrode wird auch als eine Elektrode von der wasserstoffarmen Art bezeichnet, weil die Umhüllung praktisch frei von Wasserstoff liefernden Verbindungen ist, ab gesehen von einer minimalen Menge Wasser, die durch intensive Erhitzung auf 300 bis 500 C nicht ausgetrieben ist, bei welcher Temperatur die verwen deten Erdalkalicarbonate sich noch nicht in beträcht lichem Masse zersetzen.
Weiter sind diese Elektroden dadurch typiert, dass die Umhüllung meist Wasserglas enthält, das als Bindemittel zur Verwendung kommt, sowie auch an dere Silikate, für welche mitunter freies SiO2, Kaolin und Bentonit gewählt wurde, und dass die beim Schweissen entstandene Schlacke derart aufgebaut ist, dass die Menge an basischen Oxyden, wie z. B. CaO, MgO, MnO, K20 und Na2O grösser als die an sämt lichen sauren Oxyden ist, wie z. B. SiO2 und Ti02 zusammen, beide in Grammol ausgedrückt (siehe Pogodin-Alexejew < Theorie der Schweissprozesse 11953] S. 184 ff.).
Die erfindungsgemässe Elektrode zeichnet sich da durch aus, dass in der Umhüllung der Elektrode ZrO2, in einer Menge von 15 bis 30 Gew.% ZrO2, auf den nichtmetallischen Teil der Umhüllung bezogen, und eine Menge Silikat, als SiO2 gerechnet, die höchstens 100 Gew.% der verwandten Menge ZrO2 entspricht, .enthalten ist.
Die Erfindung schafft eine Schweisselektrode von der vorerwähnten Art, welche die Eigenschaft hat, dass die Schlacke beim Schweissen, auch wenn dies mit hoher Fortlaufgeschwindigkeit erfolgt, dem Flammbogen gut folgt, die erstarrte Schlacke leicht und vollständig von der Schweissung entfernt werden kann und die Schweissung selbst schön aussieht und vorzügliche mechanische Eigenschaften hat.
Unter dem nichtmetallischen Teil der Umhüllung ist der Teil zu verstehen, der keine Metalle, unter denen im vorliegenden Fall auch Siliciumlegierungen zu verstehen sind, enthält.
Vorzugsweise wird das ZrO2 ausschliesslich in Form von Zirconiumsilikat verwendet, und neben Zirconiumsilikat und Wasserglas sind keine anderen Silikate in der Umhüllung enthalten. Das Zirconium- silikat ist beträchtlich billiger als ZrO2. Es kommt in der Natur meist als Zirconium-Orthosilikat (ZrSiO4) vor.
Die gewünschten Eigenschaften der Schlacke ent stehen namentlich, wenn als Bindemittel ausschliesslich Natronwasserglas oder höchstens 25 0/o davon an Kaliwasserglas vorhanden ist. Wenn mehr Kaliwas serglas verwendet wird, hat dies eine übermässige Er- niedrigung der Viskosität der Schlacke zufolge. Die Verwendung von Kalium ist bekanntlich erwünscht, um den Schweissbogen beim Schweissen mit Wechsel strom zu stabilisieren.
Obwohl Elektroden nach der Erfindung, wenn sie von der Kontaktelektrodenart sind und ihre Umhül lung ZrO2 ausschliesslich in Form von Zirconium- Orthosilikat enthält, und infolgedessen immer ziem lich viel Si02 enthalten, gut schweissbar sind, ins- besondere beim Schweissen einer Kehlnaht in Wan nenlage, werden beim Schweissen in anderen Lagen mit der Elektrode nach dieser Ausführungsform der Erfindung manchmal nicht die gewünschten günsti gen Schweisseigenschaften erhalten.
Vorzugsweise wird- denn auch eine Umhüllung verwendet, bei der der SiO2 Gehalt der Umhüllung höchstens 50 Gew.% des ZrO2 Gehaltes beträgt und die somit mehr ZrO2 enthält, auf das SiO2 bezogen, als bei Verwendung von Zirconium-Orthosilikat als einzige Quelle des ZrO2 erreichbar ist. Dies kann da durch geschehen, dass Zirconium-Orthosilikat zusam men mit nichtgebundenem ZrO2 in der Umhüllung verwendet wird.
Auch ist es möglich, ein Zirconiumsilikat in Form eines Silikats mit einem höheren ZrO2 Gehalt als das Orthosilikat (ungefähr 67 Gew.%) zu verwenden, zweckmässig mit einem 70 Gew.% übersteigenden Gehalt, z. B. 80 bis 84 Gew.%.
Die Elektroden nach der Erfindung haben alle den Vorteil, dass sich die Schlacke ausserordentlich leicht von dem niedergeschmolzenen Schweissmetall löst. Oft löst sie sich von selbst oder zum Teil. Ge wöhnlich genügt ein leichter Hammerschlag, um die Schlacke in grossen, zusammenhängenden Stücken von dem Werkstück abspringen zu lassen. Dabei liefert die Elektrode nach der Erfindung eine schön aus sehende Schweisse mit einer flachen und regelmässigen Zeichnung und einem günstigen Profil. Die Elektrode kann unbedenklich mit Wechselstrom und mit Schleppführung geschweisst werden; sie liefert eine Schweisse mit vorzüglichen mechanischen Eigenschaf ten.
Die Umhüllung schmilzt beim Schweissen regel mässig nieder und ergibt eine dem Lichtbogen gut folgende Schlacke.
In der beiliegenden Zeichnung zeigt Fig. 1 eine mit einer Kontaktelektrode nach der Erfindung erhal tene Schweissung. Fig. 2 zeigt eine Schweissung unter Verwendung einer wasserstoffarmen Kontaktelek trode, die dadurch erhalten ist, dass der Umhüllung einer eisenpulverfreien Elektrode von der wasserstoff armen Art, die sich in der Praxis gut bewährt hat, Eisenpulver beigegeben wird.
Die Menge Erdalkalifluorid - zweckmässig wird bei dieser Umhüllung Calciumfluorid verwendet kann ziemlich klein gewählt werden, so dass die der Verwendung dieses Stoffes anhaftenden bekannten Nachteile stark herabgesetzt werden. Eine Menge von 8 bis 16 Gew.%, auf den nichtmetallischen Teil des Umhüllungsgemisches bezogen, reicht für Kon taktelektroden aus. Die Menge an Erdalkalikarbonat beträgt gewöhnlich dabei mindestens das Doppelte der Menge an Erdalkalifluorid.
Bei der Verwendung von kein reduzierendes Me tall enthaltendem Eisenpulver werden 5 bis 30 Gew.% an reduzierendem Metall verwendet, auf den nicht metallischen Teil der Zusammensetzung der Umhül lung bezogen. Die Menge Eisenpulver beträgt für Kontaktelektroden gewöhnlich 40 bis 65 Gew.% der ,gesamten Umhüllung, wobei die obere Grenze von der Form und Grösse der Einzelteilchen und auch von der Gesamtmenge an elektrisch leitenden Bestandtei len der Umhüllung abhängt. Weil der Eisenpulver gehalt nicht so hoch gesteigert werden darf, dass die Umhüllung einen Teil des Schweissstromes zum Werk stück über den Berührungspunkt der Umhüllung mit dem Werkstück abführt. Der Aussendurchmesser der umhüllten Elektrode beträgt zweckmässig ungefähr das Zweifache des Kerndurchmessers.
Elektroden mit einem dünnen Kern von etwa 3 und 4 mm Durchmes ser wird z. B. ein Aussendurchmesser von mindestens 6 bzw. 8 mm gegeben. Für dickere Kerne wird eine Umhüllung verwendet, welche die Elektrode ein we nig dünner als das Doppelte des Kerndurchmessers macht.
Es wurde weiter festgestellt, dass bei einer freien Bogenschweisselektrode nach der Erfindung der Ge halt an Erdalkalifluorid in der Umhüllung weniger als 10 Gew.% betragen kann, auf den nichtmetalli schen Teil der Umhüllung bezogen. Vorzügliche Er gebnisse werden z. B. mit nur 7 0/o Kalciumfluorid erhalten.
Der Vorteil ist ein zweifacher: a) die Lichtbogenstabilität wird besser in dem Masse, wie weniger Erdalkalifluorid vorhanden ist; b) die schädlichen fluoridhaltigen Dämpfe werden geringer.
Zweckmässig ist das Gewichtsverhältnis zwischen dem Gehalt an Calciumfluorid und Calciumkarbonat in der Umhüllung kleiner als 1 : 4. Dies ist eine Folge des niedrigen Calciumfluoridgehaltes. Dieses Verhält nis liegt bei normalen basischen Umhüllungen ohne Zirconiumoxyd zwischen 1 : 1 und 1 : 3.
Eine Umhüllung für eine solche freie Lichtbogen elektrode nach der Erfindung mit einem sehr nied rigen CaF2 Gehalt braucht nur höchstens 35 Gew.0/o Eisenpulver zu enthalten. Bei einer Kontaktelektrode beträgt die Menge gut 100 0/o, auf den nichtmetalli schen Teil der Umhüllung bezogen.
Sowohl Kontaktelektroden als :auch freie Licht bogenelektroden nach der Erfindung weisen ein ganz besonderes und klares Kennzeichen in der Schlacke auf.
Die der Schweissraupe zugewandte Seite dieser Schlacke hat nämlich ganz oder teilweise eine sehr typische hellgraue Farbe im Gegensatz zur dunkel farbigen oberen Seite. Deshalb unterscheidet sich diese Schlacke und mithin auch die Elektrode nach der Erfindung, welche diese Schlacke liefert, von sämtlichen anderen bekannten basischen Schlacken.
Bei der Untersuchung der Schlacken der Elek troden nach der Erfindung, also sowohl von Kontakt elektroden als auch von freien Lichtbogenelektroden durch Röntgendiffraktion, hat es sich gezeigt, dass sie Zr02 enthalten, auch wenn der Umhüllung kein Zr02 sondern lediglich ZrSi04 zugesetzt worden ist.
Dieses freie Zr02 ist in der Schlacke in kristallinischer Form vorhanden, und es ist wahrscheinlich, dass die hell graue Farbe in der Schlacke hiermit zusammenhängt. Ausführungsbeispiele Für eine Kontaktelektrode wurde eine Umhül lungszusammensetzung durch Mischung der folgen den pulverförmigen Stoffe hergestellt:
EMI0003.0001
Flussspat <SEP> (CaF2) <SEP> 60 <SEP> g
<tb> Kalkspat <SEP> (CaCO3) <SEP> 240 <SEP> g
<tb> Silico-Mangan <SEP> (70 <SEP> 0/o <SEP> Mn, <SEP> 20 <SEP> % <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Fe) <SEP> 35 <SEP> g
<tb> Ferrosilicium <SEP> (45 <SEP> 0/o <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Fe) <SEP> 35 <SEP> g
<tb> Zirconiumsilikat <SEP> (65 <SEP> 0/o <SEP> ZrO2, <SEP> 35'/o <SEP> SiO2) <SEP> 160 <SEP> g
<tb> Eisenpulver <SEP> 550 <SEP> g Dieses Gemisch wurde mit 80 cm3 Natronwasser glas und einem organischen Pressmittel zu einer Paste geknetet.
Mit dieser Paste wurden weichstählerne 4 mm starke Kerndrähte umhüllt und die Umhüllung eine Stunde in einem auf 350 C erhitzten Ofen getrock net, wobei sich das organische Pressmittel zersetzt. Der Elektrodendurchmesser betrug dann 8,3 mm. Eine der Elektroden wurde unter Verwendung eines Wechselstromes von 220 A auf einer flachen Platte mit Schleppführung niedergeschmolzen. Nachdem die Schlackenschicht durch einen leichten Hammerschlag von der Platte gelöst und entfernt worden war, ent stand die in Fig. 1 dargestellte Schweissraupe.
Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass eine gute ausgeflos sene und schön gezeichnete Schweisse ohne Schlak- kenreste entsteht.
Zum Vergleich ist in Fig. 2 eine Schweisse dar gestellt, die auf die gleiche Weise durch Nieder schmelzen einer ZrO2-freien Kontaktelektrode von der wasserstoffarmen Art entsteht. Die Schlacke die ser Schweissraupe löste sich zum Teil erst nach einigen kräftigen Hammerschlägen. Nach Abklopfen ent stand schliesslich die in Fig. 2 dargestellte Schweisse, in der bei a) rückständige Schlackenreste dargestellt sind. Es zeigt sich, dass die Schlacke schlecht aus geflossen ist und ein grobes Profil hat.
Es stellt sich heraus, dass die mechanischen Eigen schaften des niedergeschmolzenen Schweissmetalles nach Fig. 1 noch etwas besser als die bereits hoch wertigen Eigenschaften des Schweissmetalles nach Fig. 2 sind.
Wenn beim vorgenannten Rezept 160 g Zir- coniumsilikat durch 90 g Zirconiumsilikat zu sammen mit 70 g nichtgebundenem ZrO2 er setzt werden, entsteht eine Schweisselektrode, die sich nicht nur beim flachen Niederschmelzen von Schweissmetall gut bewährt, sondern mit der auch eine stehende Winkelschweissung mit einem günstigen Flachprofil erhalten werden kann, und mit der auch waagrecht-senkrecht (horizontal Schweissen in einer vertikalen Ebene) geschweisst werden kann, und so dann die gleichen schönen Resultate wie beim Schwei ssen einer Kehlnaht in Wannenlage erhalten werden.
Ein im wesentlichen gleichwertiges Resultat entsteht dadurch, dass anstatt der Verwendung von 160 g Zirconiumsilikat mit einem Gehalt von 65 0/o ZrO2 aus dem ersten Beispiel, 160 g Zirconiumsilikat mit einem Gehalt von 81 Gew.% (19 0/o SiO2) an ZrO2 verwendet wird.
Für eine freie Lichtbogenelektrode ergab das nachfolgende Rezept für die Umhüllung vorzügliche Schweissergebnisse.
EMI0003.0015
Flussspat <SEP> (CaF2) <SEP> 30 <SEP> g
<tb> Kalkspat <SEP> (CaCO3) <SEP> 205 <SEP> g
<tb> Silicomangan <SEP> 20 <SEP> g
<tb> Ferrosilicium <SEP> 27 <SEP> g
<tb> Zirconiumsilikat <SEP> 143 <SEP> g
<tb> Eisenpulver <SEP> 125 <SEP> g
<tb> Organisches <SEP> Pressmittel <SEP> 10 <SEP> g
<tb> Natronwasserglas <SEP> 42 <SEP> cm3
<tb> Kaliumwasserglas <SEP> 8 <SEP> cm3 Der Durchmesser des Kerndrahtes für diese Um hüllung betrug 5 mm; die umhüllte Elektrode hatte, nach Trocknen während einer Stunde auf 350"C, einen Durchmesser von 8,2 mm. Die Stromstärke war 230 A Wechselstrom (50 Per.) und die Bogen spannung 32 Volt.
Die offene Spannung des Schweiss transformators betrug 80 Volt.
Es sei bemerkt, dass in den vorgenannten Rezep ten das Silicomangan und Ferrosülicium zu den me tallischen Teilen gerechnet werden.