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Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Drahtelektrode
Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen
mit abschmelzender Drahtelektrode.
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In Erkenntnis der Tatsache, daß atmosphärische Gase, insbesondere
Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf dazu neigen, die Güte einer Schweißurig zu
beeinträchtigen, z. B. durch Bildung von Metalloxyden und -nitriden oder durch Lösung
von Wasserstoff im geschmolzenen Metall, ist es üblich gewesen, die Schweißzone
gegen die umgebende Atmosphäre entweder mit Hilfe eines geschmolzenen Mineralschweißmittels
oder mit einem aus einer Düse rings um den Endteil der Elektrode herausgelassenen
Strom eines Schutzgases zu schützen. Das Mineralschweißmittel, das gewöhnlich überwiegend
aus einem Erdalkali-Metallsilikat besteht, ist herkömmlicherweise pulverisiert und
wird als eine dicke Pulverschicht entlang der zu schweißenden Naht angewandt. Während
die Schweißablagerung, die von der Schweißmittelschicht umhüllt ist, längs der Schweißnaht
vorgetragen wird, wird das geschmolzene Metall ständig gegen die Atmosphäre mit
Hilfe einer darüberliegenden Schicht des geschmolzenen Schweißmittels geschützt.
Obwohl dieses Schweißverfahren ohne weiteres zu Schweißurigen von vorzüglichem Aussehen
und entsprechenden physikalischen Eigenschaften führt, hat es den Nachteil, daß
es im allgemeinen nur auf Horizontalschweißungen anwendbar ist; des weiteren ist
der Schweißpfad von der Bedienungsperson wegen der Gegenwart der Schweißmittelschicht
nicht erkennbar. Während diese Schwierigkeiten zu einem großen Teil durch das Verfahren
behoben werden, bei welchem das geschmolzene Metall von einem Strom eines inerten
einatomigen Gases, z. B. Helium oder Argon, abgeschirmt wird, schrecken im allgemeinen
die Kosten des Schutzgases, wenn es in genügender Menge vorgesehen wird, um die
Verhinderung atmosphärischer Verunreinigungen zu gewährleisten, von der Anwendung
dieses Verfahrens für gewöhnliche Zwecke wie Schweißen von urilegierten Kohlenstoffstählen
ab.
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Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches
die Vorteile der zwei vorerwähnten Verfahren vereinigt, gleichzeitig aber nicht
den jedem Verfahren anhaftenden Nachteilen unterworfen ist.
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Umhüllte Elektroden werden im allgemeinen bei automatischen Schweißverfahren
wegen der Schwierigkeit der Zuleitung des Schweißstromes zu der Elektrode, während
sie dem Werkstück zugeführt wird, nicht angewandt. Andererseits ist bereits vorgeschlagen
worden, den Endteil der Elektrode, der aus dem stromleitenden Führungsrohr heraustritt,
durch ein pulverisiertes Schweißmittel hindurchzuführen, das eine gewisse Menge
von magnetischem Material enthält, die ausreicht, um das Schweißmittel unter dem
Einfiuß des von dem durch die Elektrode fließenden Schweißstrom erzeugten elektromagnetischen
Feldes an der Elektrode anhaften zu lassen. Nachteilig ist dabei, daß die Dicke
des Überzuges nur dadurch geändert werden kann, daß der Anteil der magnetischen
Komponente im Flußmittel geändert wird, oder dadurch, daß die mit Schweißmittel
gefüllte Düse gegen eine solche mit einer Mündung anderer Größe ausgetauscht wird,
aber gleichwohl kleinerer Größe, als sie der maximale Durchmesser desjenigen Überzuges
hat, der magnetisch festgehalten werden kann. In jedem Fall ist die Einregelung
derart, daß sie während des Schweißablaufes nicht rasch bewirkt werden kann.
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Dämpfe zum Schutz der Schweißzone werden in der üblichen Weise erzeugt,
wenn das Schweißmittel der Hitze des Lichtbogens unterworfen wird. jedoch wird die
geschmolzene tassenförmige Hülle rund um den Berührungspunkt der Elektrode, die
ein wesentliches Merkmal der umhüllten Elektrode ist, nicht erzeugt, so daß mehr
Schutzdämpfe erforderlich sind, was wiederum die Anwendung von wesentlich mehr Umhüllungsmaterial
notwendig macht, als im allgemeinen pro Kilogramm abgelagerten Schweißstabes angewandt
wird. Bei diesem Schweißverfahren verschlechtern Luftströme die Qualität der Schweißurig,
wodurch das Problem weiter kompliziert wird. Mit der größeren Menge des angewandten
gaserzeugenden Materials wird die Menge von Rauch und Qualm. erhöht, wobei Spritzer
ein noch ernsthafteres
Problem darstellen. Die starke Erhöhung der
Materialmenge, die erforderlich ist, um ausreichend Gas zum Schutz bei der Abwesenheit
der geschmolzenen Hülle zu erzeugen, bedeutet andererseits, daß die Menge der die
Schweißraupe bedeckenden Schlacken vergrößert wird. Dieses Verfahren ist daher nur
selten angewandt worden.
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Dasselbe gilt für einen ferner bekanntgewordenen Vorschlag, dem Schutzgas
als Suspension Schweißpulver in einstellbaren Mengen zuzusetzen. Da das Schweißmittel
dabei zusammen mit dem Schutzgasstrom direkt der Schweißzone zugeführt wird, treten
auch hier die vorstehend genannten Nachteile auf. Es ist wesentlich mehr Schweißmittel
erforderlich, als im allgemeinen pro Kilogramm abgelagerten Schweißstabes angewandt
wird. Die Menge an Rauch und Qualm sowie an Schlacken wird gleichfalls höher.
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Es wurde nun festgestellt, daß durch die erfindungsgemäße Kombination
folgender an sich bekannter Merkmale a) bis c) ein Schweißverfahren verwirklicht
werden kann, bei dessen Anwendung die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.
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a) Dem Schutzgas wird als Suspension Schweißpulver zugesetzt, dessen
Zusatzmenge regelbar ist; b) es wird ein Schweißpulver mit magnetischer Komponente
verwendet, das unter dem Einfluß des vom Schweißstrom um die Drahtelektrode erzeugten
magnetischen Feldes als Umhüllung an der Elektrode haftet; c) die zugesetzte Menge
des magnetischen Schweißpulvers hängt von der Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode
ab, derart, daß die Umhüllungsdicke konstant bleibt.
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Während frühere Vorschläge bereits gezeigt haben, daß es vorteilhaft
ist, ein Schweißmittel mit Hilfe des Schutzgasstromes zu transportieren und ein
magnetisches Mittel an der Elektrode haften zu lassen, um auf ihr einen Überzug
zu bilden, ist es erst durch die neue Erfindung erreicht worden, diese grundlegenden
Prinzipien in einer Weise auszugestalten, daß im Ablauf der Herstellung einer Schweißung
zwei bedeutsame Ergebnisse erzielt werden. Erstens erzeugt eine Einregelung des
Pulverflusses während der Zuführung der Elektrode mit konstanter Geschwindigkeit
eine entsprechende Änderung in der Dicke des Überzuges, was z. B. nützlich ist,
wenn die Lichtbogenspannung geändert wird, um die Tiefe des Schweißeinbrandes zu
ändern, und zweitens kann der Pulverfluß mit der Zufuhrgeschwindigkeit der Elektrode
derart in Relation gebracht werden, daß eine konstante Dicke des Überzuges aufrechterhalten
wird, so daß auf diese Weise sichergestellt wird, daß das Schweißbad zu jeder Zeit
angemessen geschützt ist. Darüber hinaus ermöglicht es die vorliegende Erfindung
im Falle, daß eine Elektrode anderen Durchmessers verwendet wird, die richtige Dicke
des Überzuges lediglich durch Einstellen eines Pulverventils zu gewährleisten, ohne
daß die Düse gegen eine solche mit einer unterschiedlichen Größe der Mündung ausgetauscht
werden muß, wie es aber notwendig sein würde, wenn die Elektrode direkt durch einen
Behälter für das magnetische Schweißmittel geführt wird.
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Wie ferner gefunden wurde, ergibt sich eine besonders vorteilhafte
Wirkung des Verfahrens nach der Erfindung durch Verwendung einer stündlichen Schutzgasmenge
von 0,28 bis 1,13 m3 und einer Schweißpulverzufuhr von 10 bis 150 g/min bzw. von
0,2 kg/kg Elektrodenmetall.
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Weitere Eigenschaften, Ziele und Vorteile der Erfindung sind aus den
Darstellungen eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung zu
ersehen. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zur Durchführung des
Verfahrens nach der Erfindung geeigneten Einrichtung und Fig. 2 eine vergrößerte
Ansicht des Lichtbogens und der Schweißzone nach Fig. 1.
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Das den magnetischen Bestandteil enthaltende Schweißmittel muß von
einer solchen Beschaffenheit und Zusammensetzung sein, daß es tatsächlich und wirksam
von einem Gasstrom befördert werden kann und während einer solchen Beförderung in
keiner Weise substantiell verändert wird. Es muß des weiteren befähigt sein, die
Elektrode unter dem Einfluß der Anziehungskräfte, die in der Elektrode bei für das
Schweißen verwandten Strömen verfügbar sind, wirksam einzuhüllen.
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Auf diese Weise ist die Zusammensetzung des pulverisierten magnetischen
Schweißmittels von größter Wichtigkeit. Vorzugsweise wird als einer der größeren
Bestandteile ein geschmolzenes Silikat, das einen kleinen Prozentsatz eines Halogensalzes
enthält, verwendet. Dieses wird zweckmäßigerweise als ein primärer Bestandteil angesehen,
mit welchem die anderen Bestandteile mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels wie
Natriumsilikat, Kalitunsilikat u. dgl. gebunden werden. Einige der als primäre Bestandteile
erfolgreich angewendeten Silikate sind solche der folgenden Stoffe: Mangan, Eisen,
Aluminium, Kalzium, Zirkonium, Kalium, Natrium, Lithium, Barium und Strontium oder
Gemische derselben. Auch ein Titanoxyd läßt sich zur Erzeugung des primären Bestandteiles
anwenden, wobei dann ein Titansilikat gebildet wird. Der primäre Bestandteil kann
auch aus einem der handelsüblichen Silikatschweißmittel bestehen, wobei das vor
allem zu bevorzugende ein Mangansilikat ist oder es enthält, dem eine kleine Menge
von Kalziumfluorid oder ein äquivalentes Leitfähigkeit verleihendes Halogenid vor
der Schmelzung zugesetzt wird.
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Die pulverisierte magnetische Schweißstabumhüllung wird durch Zermahlen
des Hauptbestandteiles zu einer einheitlichen Größe erzeugt, worauf ein magnetischer
Bestandteil und andere Zusätze, wie z. B. ein Desoxydationsmittel oder eine Legierung,
zugesetzt werden. Die Bestandteile werden sorgfältig vermischt und mittels Natrium-
und/oder Kaliumsilikat gebunden. Das entstehende Gemisch wird alsdann getrocknet,
z. B. bei 260 bis 316° C, und danach granuliert, und zwar in die für den Gebrauch
richtige Teilchengröße.
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Der magnetische Bestandteil der pulverisierten Umhüllung kann irgendein
geeignetes magnetisches Material, wie z. B. Eisenpulver oder Ferrite, aufweisen,
die magnetisch zum stromführenden Leiter hingezogen werden, unter dem hier der Schweißstab
verstanden wird. Bei Verwendung von pulverisiertem Eisen als magnetischem Bestandteil
wird der größere Teil davon geschmolzen und dem abgelagerten Schweißmetall einverleibt.
Gebraucht man Ferrit, so wird nur ein kleiner Teil des enthaltenen Eisens dem Schweißmetall
einverleibt.
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Das schützende Trägergas dient mehreren Zwecken. Erstens liefert es
eine magnetische Umhüllung für die Elektrode; zweitens schützt es den Berührungspunkt
der Elektrode in der Schweißzone gegen atmosphärische Gase. Das geeignetste schützende
Trägergas ist Kohlendioxyd oder ein einatomiges inertes Gas, wie Argon oder Helium.
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Die Menge des Schutzgases kann unter gewissen Bedingungen schwanken,
sollte aber innerhalb des Bereiches von 0,28 bis 1,13 m3/h liegen, abhängig von
der Schweißart und auch von der Größe des Schweißstromes. Der Strom läßt sich selbstverständlich
nach Belieben des Schweißers ändern, um jeweils die idealen Schweißbedingungen zu
schaffen. Wünschenswert ist weiter, daß die Menge der Umhüllung geändert werden
kann, und zwar kann in dem Maße, wie die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode verringert
wird, die Menge der Umhüllung entsprechend vermindert werden. Die Regelung kann
entweder
durch Einstellung der Einrichtung zur Pulvereinführung in den Gasstrom von Hand
vorgenommen werden, wobei gleichzeitig die Elektrodengeschwindigkeit beobachtet
wird, oder dadurch, daß der Pulververteiler direkt mit der Elektrodenzufuhreinrichtung
gekuppelt ist. Die erforderliche Menge von pulverisierter magnetischer Umhüllung
beträgt ungefähr 0,2 kg Umhüllung pro Kilogramm abgelagerten Schweißstabes, was
in manchen Fällen weniger ist als das Gewicht der Umhüllung auf einer normalen umhüllten
Elektrode. Wird ein Schweißstrom von 200 bis 800 Amp. angewandt, so wird das Schweißmittel
vorzugsweise bei einer Geschwindigkeit von 10 bis 150 g/min dem Gasstrom zugesetzt.
Bei einer umhüllten Elektrode besteht, um die gewünschten physikalischen Eigenschaften
zu erreichen, eine Begrenzung hinsichtlich der Dicke der Raupe, die in einem Schweißlauf
abgelagert werden kann. Beim Verfahren nach der Erfindung kann eine 1,27 cm dicke
Platte z. B. in zwei oder drei oder mehreren Durchläufen geschweißt werden, ohne
die physikalischen Eigenschaften des Schweißmittels zu beeinflussen. Dieses Merkmal
ist von besonderer Bedeutung wegen des Umstandes, daß eine Grenze für die Geschwindigkeit
besteht, mit welcher der Schweißer die Elektrode in Querrichtung von Hand bewegen
kann.
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Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, wird ein Metallschweißstab oder
-draht 10 vom Haspel 12 mit Hilfe von die Zufuhr steuernden Mitteln 14, die vom
geschwindigkeitsgeregelten Motor 16 angetrieben werden, abgezogen und durch die
Schweißpistole 18 gegen das Werkstück 20 geführt. Ein Kabel 22 führt von der Schweißstromquelle
23 zur Pistole 18, wo es die Elektrode 10 speist, während ein ähnliches Kabel 24
mit dem Werkstück 20 verbunden ist, um den elektrischen Schweißstromkreis zu schließen.
Pulverisiertes Material 26 wird im Schutzgasstrom durch die Leitung 28 zur Schweißpistole
18 getragen. Das Pulver wird in das Schutzgas durch den Pulververteiler 30 eingeführt.
Dieser weist den geschlossenen Trichter 32, in welchem das Pulver 26 verwahrt wird,
und die Regelnadel 34 auf, welche den Anteil des Pulverflusses zum Trägerstrom steuert.
Der Pulververteiler kann einer der bekannten Ausführungen sein; die in der Zeichnung
veranschaulichte Ausführungsform mittels Schwerkraftförderung ist nur ein Beispiel.
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Das aus dem Trichter 32 des Verteilers 30 austretende pulverisierte
Schweißmittel 26 gelangt in den Trägergasstrom der Leitung 28, die mit der
Düse 36 der Schweißpistole 18 in Verbindung steht, und wird in diesen Strom suspendiert.
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Sobald der Schweißstab 10 mit dem Werkstück 20 zum Zweck der Zündung
des Lichtbogens 40 und des Beginns des Schweißvorganges in Berührung gebracht wird,
wird Schutzgas aus der den Schweißstab 10 umgebenden Düse herausgelassen, um eine
Schutzhülle 41 rund um den Bogen 40 zu bilden. Das suspendierte pulverisierte Schweißmittel
26 wird in die Düse 36 der Schweißpistole 18 getragen, auf Grund seines magnetischen
Bestandteils zum stromführenden Elektrodenstab 10 gezogen und bildet auf diesem
einen gleichförmigen Überzug. Das Schweißmittel schmilzt mit dem Elektrodenstab
10 und gelangt in das Schweißbad 44 und bildet auf diese Weise eine Schutzschicht
46 aus geschmolzener Schlacke.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist bei Gleichstromschweißungen sowohl
mit negativer als auch mit positiver Elektrode sowie bei Wechselstromschweißungen
erfolgreich angewandt worden, um die verschiedensten Arten von Stählen, insbesondere
Kohlenstoffstähle, zu schweißen. Handschweißungen, bei denen das Verfahren nach
der Erfindung angewandt wurde, wurden sehr erfolgreich sowohl bei horizontalen als
auch vertikalen sowie Überkopfschweißungen ausgeführt.
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Im folgenden werden Beispiele verschiedener Anwendungen des Verfahrens
nach der vorliegenden Erfindung zum Schweißen von Kohlenstoffstählen gebracht. In
jedem Fall wies das bei der Zubereitung des Flußmittels verwandte herkömmliche Schweißmittel
die folgende ungefähre Zusammensetzung auf
| Ba0 -f- CaO .................... 50/0 |
| Ca F............................ 5,250/0 |
| Si02 ........................... 39 ± 20/0 |
| Ale 03 .......................... 30/0 |
| MnO ........................... 42 ± 2 0/0 |
| Mn OZ ..... . .................... 10/0 max |
| MgO ........................... 1,50/0 max |
| BaO ........................... 20/0 max |
Beispiel I Ein pulverisiertes Schweißmittel wurde durch Bindung eines mechanischen
Gemisches aus Materialien mit dem magnetischen Bestandteil gebildet. Die Bestandteile
waren
| Prozent I Teile |
| Herkömmliches Schweißmittel..... 70,1 1200 |
| Eisen .......................... 21,0 360 |
| FeMn (Flußeisen)................ 5,3 90 |
| FeSi ........................... 1,8 30 |
| Natriumsilikat .................. 0,9 40 |
| Kaliumsilikat ................... 0,9 40 |
In sieben Schweißdurchläufen wurde eine Stumpfschweißung in Kohlenstoffstahl erzeugt
unter den folgenden Schweißbedingungen
| Werkstückstärke .............. 1,27 cm |
| Elektrode .................... 0,130 /0 C,1,050/OMn, |
| 0,32 0/0 Si, Rest Fe |
| Elektrodendurchmesser ......... 2,38 mm |
| Pulvergröße ............. Durchgangsfähig |
| durch 0,833 mm |
| Gittermaschenweite |
| Pulververbrauch pro Stunde..... 2,72 kg |
| Strom ........................ 300 Amp. |
| Spannung..................... 27 Volt |
| Elektrodenzuführgeschwindigkeit 178 cm/min |
| Schweißgeschwindigkeit ......... 17,8 cm/min |
| Gasflußgeschwindigkeit (C02).. .. 0,566 m3/h |
Das Schweißmetall wies die folgenden Eigenschaften auf: Streckgrenze 4598 kg/cm2,
Zugfestigkeit 6004 kg/cm2; Dehnung 25 0/0, Einschnürung 56 0/0.
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Beispiel II Ein pulverisiertes Schweißmittel wurde durch Bindung eines
mechanischen Gemisches aus Materialien mit dem magnetischen Bestandteil gebildet.
Die Bestandteile waren
| Prozent I Tuile |
| Herkömmliches Schweißmittel..... 28,0 400 |
| Eisen .......................... 28,0 400 |
| Ti02 .......................... 23,8 340 |
| Kryolith........................ 5,6 80 |
| A1203.......................... 5,6 80 |
| Fe Mn ......................... 5,6 80 |
| FeSi........................... 1,4 20 |
| Natriumsilikat .................. 2;0 80 |
In fünf Schweißdurchläufen wurde eine Stumpfschweißung unter den
folgenden Schweißbedingungen erzeugt:
| Werkstückstärke .............. 1,27 cm |
| Elektrode .................... 0,13 %C, 1,05 %mn, |
| 0,32 % Si, Rest Fe |
| Elektrodendurchmesser ......... 2,38 mm |
| Pulvergröße .................. Durchgangsfähig |
| durch 0,833 mm |
| Gittermaschenweite |
| Pulververbrauch pro Stunde..... 1,81 kg |
| Strom ........................ 300 Amp. |
| Spannung..................... 30 Volt |
| Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit 196 cm/min |
| Schweißgeschwindigkeit......... 20,3 cm/min |
| Gasflußgeschwindigkeit (CO,) .... 0,849 m3/h |
Die entstandenen Schweißungen wiesen die folgenden Eigenschaften auf: Streckgrenze
4647 kg/cm'" Zugfestigkeit 5561 kg/cm2, Dehnung 29 °/a, Einschnürung
610/,.
Beispiel
III Ein pulverisiertes Schweißmittel wies die folgenden Bestandteile auf:
| Teile |
| Ti02 .............:................... 170 |
| Herkömmliches Schweißmittel .......... 200 |
| A1203................................. 40 |
| Kryolith ............................. 120 |
| Eisenmangan ......................... 40 |
| Zirkon-Silizium ........................ 43,5 |
| Feinpulverisiertes Aluminium |
| (2 bis 3 Mikron)...... ................ 17,5 |
| Eisen.................... .......... 300 |
| Natrium- und Kaliumsilikat-Binder |
Bei Anwendung von Bedingungen ähnlich denjenigen nach Beispiel II ergaben sich gesunde
Schweißungen.
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Zusätzlich kann, wo das pulverisierte Schweißmittel in einem Schutzgasstrom
suspendiert und so zur Elektrode geleitet wird, in bekannter Weise ein zweiter unabhängiger
Schutzgasstrom rund um den Lichtbogen und die Schweißzonen Anwendung finden, um
die Abschirmwirkung dieses Stromes zu ergänzen.