DD257931A3 - Zweischichten-formstueck - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweischichten-Formstueck fuer das einseitige Auftragsschweissen mit verzoegerter Abkuehlung an dickwandigen Maschinenteilen. Ziel ist die Schaffung eines Zweischichten-Formstueckes, das neben seiner Eigenschaft als Schweissbadsicherung eine verzoegerte Abkuehlung im Randbereich des auftragzuschweissenden Bauteiles und im Auftragsschweissgut ermoeglicht. Nach der Aufgabe ist ein Zweischichten-Formstueck so zu gestalten, dass eine niedrige Waermeleitfaehigkeit des aufhaertungsempfindlichen Grundwerkstoffes und Schweissgutes gesenkt und damit eine Rissbildung als Folge von unzulaessigem Haertegefuege in diesem Bereich vermieden wird. Kennzeichnend ist ein Formstueck, bestehend aus Schweisspulver und Feuerbeton, welches in der dem schmelzfluessigen Schweissgut zugewandten Schicht einen hoeheren Anteil des Mangan-Siliziumhaltigen Schweisspulvers hat, wobei der Anteil in diesem Bereich mehr als 70% betraegt, waehrend in der Feuerbeton-Schicht des Formstueckes der Schweisspulver-Anteil weniger als 20% betragen muss und die Dicke der Schicht durch die Schweissparameter bestimmt wird. Fig. 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Zweischichten-Formstück für das einseitige Auftragsschweißen mit verzögerter Abkühlung an dickwandigen Maschinenteilen, insbesondere für rißfreies Auftragsschweißen verschlissener Schwalbenschwanzbereiche an Hammerbären, bestehend aus dem Vergütungsstahl 36CrNiMo4.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß Schweißbadsicherungselemente vorzugsweise beim einseitigen Verbindungsschweißen größerer Werkstoffdicken durch teilautomatische Schweißverfahren mit hoher Abschmelzleistung eingesetzt werden. Sie haben dabei die Aufgabe, das Durchbrechen des relativ großen Schweißgutvolumens der ersten Lage zu verhindern und eine gleichmäßige Ausbildung der Unterseite zu erreichen. Weiterhin ist bekannt, daß Schweißbadsicherungen für den gleichen Verwendungszweck aus unterschiedlichen Werkstoffen und in unterschiedlicher Ausführung eingesetzt werden. Durch Versuchsschweißungen wurde festgestellt,

— daß Blech bestimmter Dicke und Länge entsprechend verformt werden kann, aber nicht über die notwendige Formstabilität bei hohen Vorwärm- und Schweißtemperaturen verfügt (unzulässiger Verzug).

— daß Stah!formstücke größerer Querschnitte zwar einen geringeren Verzug aufweisen, der aber für den vorliegenden Verwendungszweck immer noch zu groß ist. Außerdem ist die Wärmeleitfähigkeit von Stahl für den vorgesehenen Anwendungsfall zu groß.

— daß Kupferformstücke bei den gefahrenen Schweißparametern und der erforderlichen Brennerstellung angeschmolzen werden, was negative Beeinflussung des Auftragsschweißgutes (Aufhärtung, Rißgefahr) zur Folge hat. Bezüglich der Wärmeleitfähigkeit sind die Verhältnisse bei Kupfer noch ungünstiger als bei Stahl.

— daß die bekannten keramischen Schweißbadsicherungen zum Auftragsschweißen wenig geeignet sind. Die untersuchten Keramikelemente schmelzen auch bei teilautomatischen Schweißen unterschiedlich tief auf und platzen teilweise unter der direkten Wärmeeinwirkung des Lichtbogens. Folgen sind unregelmäßige Schweißgutausbildung und unzulässige Fremdkörpereinschlüsse im schmelzflüssigen Schweißgut.

— daß lose Pulverschüttung nicht in der erforderlichen Form und Höhe zu halten ist.

In der DE-AS 1533544 wird eine feste Schweißunterlage beschrieben, die aus Metall-und Flußmittel-Pulver gemischt und unter Verwendung von Wasserglas gepreßt in ein metallisches Gehäuse eingebettet wird. Eigene Versuche mit dem Bindemittel Wasserglas haben nachgewiesen, daß sich dies hergestellte Formstück beim Trocknen verzieht. Außerdem wurde festgestellt, daß sich die Oberfläche durch die Wärmewirkung des Lichtbogens als Folge des vorhandenen Restwassers im Formstück örtlich aufbläht.

Das in der DE-OS 2920650 beschriebene Badsicherungselement für Einlagenschweißung besteht aus einem Gemisch von Quarzsand, Schweißpulver und Wasserglas, was mit Kohlendioxid begast und ausgehärtet wird. Der Einsatz erfolgt durch Einlegen der rechteckigen Form in ein metallisches Trägerprofil. Das Befestigen am Schweißteil erfolgt mit Magnetkraft.

Eigene Untersuchungen mit dem Bindemittel Wasserglas haben ergeben, daß bei einem Verhältnis 90% Trockenmasse, 10% Wasserglas ein gleichmäßiges Vermischen schwierig und die Festigkeit des Teiles gering ist. Wird der Wasserglasanteil erhöht, entweicht der Wasseranteil durch Aushärten der Oberfläche des Formstückes nicht vollständig.

Beim Schweißen tritt dann das bereits beschriebene örtliche Aufblähen ein, was sich negativ auf das Schweißgut auswirkt (Porenbildung).

Der in der DS-PS 39393 beschriebene flexible Streifen aus Glasfaser scheidet für den vorgesehenen Anwendungsfall aus, da eigene Untersuchungen nachgewiesen haben, daß bei den gefahrenen Schweißparametern der Glasfaserstreifön durchgeschmolzen wird. Außerdem ist die erforderliche Formstabilität nicht vorhanden.

In der DS-PS 153112 wird ein hitzebeständiger und feuerfester konstruktiver Leichtbeton für hohe Aufheizgeschwindigkeiten beschrieben, der nach traditionellen Methoden der Betontechnologie zu Fertigbauteilen verarbeitet werden kann. Er ist geeignet für Betriebstemperaturen bis 1200^cC und mit hoher Geschwindigkeit auf- und abheizbar (400°C/h).

Alle diese vorbeschriebenen Lösungen besitzen als Schweißbadsicherung den gemeinsamen Nachteil, daß sie nur das Halten des schmelzflüssigen Schweißgutes in einer bestimmten Position, jedoch keine verzögerte Abkühlung ermöglichen, was für den vorliegenden Anwendungsfall zum rißfreien Auftragsschweißen entscheidende Voraussetzung ist.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung ist ein Zweischicht-Formstück für das vorzugsweise einseitige Auftragsschweißen zu schaffen, mit dem außer der bekannten Aufgabe einer Schweißbadsicherung eine verzögerte Abkühlung im Randbereich des auftragzuschweißenden Bauteiles und im Auftragsschweißgut erreicht wird.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zweischicht-Formstück für das einseitige Auftragsschweißen dickwandiger Maschinenteile zu entwickeln, wobei dieses so zu gestalten ist, daß eine niedrige Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist, dadurch die Abkühlungsgeschwindigkeit des aufhärtungsempfindlichen Grundwerkstoffes und Schweißgutes gesenkt und damit Rißbildung als Folge von unzulässigem Härtegefüge in diesem Bereich vermieden wird. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß ein Formstück angeordnet ist, bestehend aus Schweißpulver und Feuerbeton, welches in der dem schmelzflüssigen Schweißgut zugewandten Schicht einen höheren Anteil an Mangan-Silizium-haltigen Schweißpulver hat, wobei der Anteil in diesem Bereich mehr als 70% beträgt, während im übrigen Bereich des Formstückes der Schweißpulver-Anteil weniger als 20% betragen muß und die Dicke der mit Schweißpulver angereicherten Schicht durch die Schweißparameter bestimmt wird.

Die Wirkungsweise des Zweischicht-Formstückes ist wie folgt:

Der Vergütungsstahl 36CrNiMo4 ist wegen seiner Härterißneigung nur bedingt zum Schmelzschweißen geeignet. Es muß daher nicht nur eine bestimmte Vorwärmtemperatur im Schweißbereich vorhanden sein, sondern auch eine bestimmte Abkühlungsgeschwindigkeit eingehalten werden, damit in der Wärmeeinflußzone des Grundwerkstoffes und im Schweißgut, beide mit einer Grundfestigkeit von etwa 1000MPa, kein rißanfälliges Härtegefüge bei der Abkühlung nach dem Schweißen entsteht.

Im vorliegenden Anwendungsfall gilt das insbesondere für den randnahen Schwalbenschwanzbereich des Bauteiles und das randnahe Auftragsschweißgut.

Das Zweischicht-Formstück ist daher so aufgebaut, daß die schweißnahtnahe Schicht mit ihrem erhöhten Schweißpulveranteil durch die Wärmeeinwirkung als Folge der hohen Temperaturen vom Lichtbogen und schmelzflüssigen Schweißgut zum überwiegenden Teil in eine Schlackepuffer-Schicht umgeschmolzen wird. Dabei muß gesichert sein, daß die durch den Schweißvorgang eingebrachte Wärmemenge als Folge der Wärmeleitfähigkeit nicht zu schnell aus der Schlackenpuffer-Schicht und der kleinen Restschicht mit erhöhtem Schweißpulveranteil und damit auch aus dem Grundwerkstoff und Auftragsschweißgut abgeleitet wird. Die für das rißfreie Auftragsschweißen notwendige Abkühlungsgeschwindigkeit wird durch das Zusammenwirken einer bestimmten Dicke der Schicht mit erhöhtem Schweißpulveranteil mit der geringen Wärmeleitfähigkeit der dahinterliegenden Feuerbetonschicht erreicht. Das heißt, die aus dem Schweißbereich abwandernde Wärme gelangt relativ schnell und ohne größere Wärmeverluste zur Feuerbetonschicht. Dort wird der Wärmeableitungsvorgang durch die geringe Wärmeleitfähigkeit so stark eingeschränkt, daß in der Schlackenpuffer-Schicht und in der Restschicht mit dem erhöhten Schweißpulveranteil eine dem Wärmestau ähnlicher Effekt erreicht wird. Die Folge ist verzögerte Abkühlung durch verringerte Abkühlungsgeschwindigkeit im randnahen Grundwerkstoff und randnahen Auftragsschweißgut, die ausreicht, um bei der Abkühlung im Temperaturbereich 850...500°C kein rißanfälliges Härtegefüge entstehen zu lassen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1 Schematische Darstellung des Zweischichten-Formstückes .."

Fig. 2 Schematische Darstellung der verzögerten Abkühlung im Zweischichten-Formstück

Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um das einseitige Mehrlagen-Auftragsschweißen verschlissener Schwalbenschwanz-Bereiche an einem Hammerbär. Die Stahlmarke 36CrNiMo4, welche als Hammerbär-Werkstoff eingesetzt wird, ist wegen seiner Härterißneigung nur bedingt schmelzschweißbar. Wenn wie im vorliegenden Anwendungsfall auftragsgeschweißt werden soll, muß neben der erforderlichen Vorwärmtemperatur eine bestimmte Abkühlungsgeschwindigkeit eingehalten werden, um das Entstehen eines zur Rißbildung neigenden Härtegefüges im Grundwerkstoff und Schweißgut zu vermeiden. Diese Feststellung trifft insbesondere für den randnahen Schwalbenschwanz-Bereich des Bauteiles und das randnahe Auftragsschwei Jen zu. Das Entstehen von rißbegünstigendem Härtegefüge in den genannten Bereichen als Folge zu hoher Abkühlungsgo>schwindigkeit im Temperaturbereich 850...500⁰C wird durch das Zweischichten-Formstück 1, bestehend aus der Sch ι rr.;, erhöhtem Schweißpulveranteil 2 und einer Feuerbeton-Schicht 3 vermieden. Seine Wirkungsweise ist wie folgt: Das intensive Abschmelzen des Zusatzwerkstoffes 5 im Lichtbogen 6 hat in Verbindung mit dem dadurch entstehenden schmelzflüssigen Schweißgut 7 einen kurzzeitig hohen Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff 11 und in das Zweischichten-Formstück 1 zur Folge. Dadurch entsteht im Grundwerkstoff 11 eine Wärmeeinflußzone 10, die im Randbereich besonders stark zur Aufhärtung neigt. Gleichzeitig wird durch die Temperatur des Lichtbogens 6 und des schmelzflüssigen Schweißgutes 7 die Schicht mit dem erhöhten Schweißpulveranteil 2 aufgeschmolzen und zu einer Schlackenpuffer-Schicht 8 umgewandelt. Die Dicke 4 der Schicht mit dem erhöhten Schweißpulver-Anteil 2 ist dabei so bemessen, daß nach dem Bilden der Schlackenpuffer-Schicht 8 nur noch eine geringe Dicke von 2 verbleibt. Die Folge ist, daß die abfließende Wärme ohne hohe Wärmeverluste die Übergangszone 9 zur Feuerbeton-Schicht 3 mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit schnell erreicht. Dadurch wird der Wärmeabfluß stark eingeschränkt, es entsteht in der restlichen Schicht 2 und in der Schlackenpuffer-Schicht 8 ein dem Wärmestau ähnlicher Effekt. Die Folge ist verzögerte Abkühlung durch verringerte Abkühlungsgeschwindigkeit in der Wärmeeinflußzone 10 des randnähen Grundwerkstoffes 11 und im randnahen Auftragsschweißgut 7. Geringerer Härtegefügeanteil und damit rißfreie Auftragsschweißung ist die Folge.

Claims (1)

1. Zweischichten-Formstück für das einseitige Auftragsschweißen mit verzögerter Abkühlung an dickwandigen Maschinenteilen, insbesondere für ein rißfreies Auftragsschweißen verschlissener Schwalbenschwanz-Bereiche an Hammerbären, bestehend aus einem Vergütungsstahl 36CrNiMo4, gekennzeichnet durch ein Formstück (1), bestehend aus Schweißpulver und Feuerbeton, welches in der dem schmelzflüssigen Schweißgut zugewandten Schicht (2) einen höheren Anteil des Mangan-Silizium-haltigen Schweißpulvers hat, wobei der Anteil in diesem Bereich mehr als 70% beträgt, während in der Feuerbeton-Schicht (3) des Formstückes (1) der Schweißpulver-Anteil weniger als 20% betragen muß und die Dicke (4) der Schicht (2) durch die Schweißparameter bestimmt wird.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen