DE1508320A1 - Flussmittel zum Schweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flussmittel zum Schweißen und besonders ein solches, das für die Verwendung zum Schweißen von schwach legierten hochfesten Stählen geeignet ist.

Zur Erzielung einer hochwertigen Verschweißung ist die Verwendung eines Flußmittels notwendig, um einen Schutzüberzug über dem Metall an der Schweißstelle zu erzeugen, der Oxydation des Metalls und andere unerwünschte Veränderungen im Metall beim Schweißen verhindert. Das besondere angewendete Flußmittel hängt von der Art des zu verschweißenden Metalls und dem angewandten Schweißverfahren ab.

Das erfindungsgemäße Flußmittel ist zum Schweißen von Stahl und besonders schwach legierten hochfesten Stählen vorgesehen. Während es bei einer Anzahl von Schweißverfahren, beispielsweise der Elektro-Schlacken-Methode, befriedigend ist, ist es besonders gut geeignet für das Unterpulver-Lichtbogenschweißverfahren. Das Unterpulververfahren wendet eine Deckschicht von geschmolzenem Flußmittel an, um eine Schweißdrahtelektrode und den geschmolzenen Grundwerkstoff der zu verschweißenden Teile von der Atmosphäre abzuschirmen. Die bei Unterpulververfahren angewandten Flußmittel sind Gemische von granulierten schmelzbaren Stoffen, die auf dem Auftragwerkstoff um das Ende der Drahtelektrode und den Grundwerkstoff in der Schmelzzone aufgetragen sind. Das Unterpulververfahren wird viel benutzt, da es unter anderem die Vorteile aufweist, leicht einer automatischen Anlage angepasst zu werden, da es mit beachtlich höheren Geschwindigkeiten als die meisten anderen bekannten Schweißverfahren durchgeführt werden kann und man Verschweißungen von großer Stärke erzielt.

Es sind bereits Flußmittel zum Schweißen vorgeschlagen worden, die für schwach legierte hochfeste Stähle besonders gut geeignet sind, die

Schweißverbindungen von besonders hoher Kerbschlagzähigkeit und bemerkenswerten anderen mechanischen Eigenschaften ergeben. Diese Flußmittel sind jedoch teuer in der Herstellung.

Entsprechend dieser Erfindung wird ein neues und verbessertes Flußmittel zum Schweißen angegeben, das beachtlich weniger kostspielig ist als die früher vorgeschlagenen Flußmittel. Die mit den neuen Flußmitteln hergestellten Schweißnähte sind in ihren mechanischen Eigenschaften den unter Verwendung der früher vorgeschlagenen Flußmittel hergestellten Schweißnähten im allgemeinen überlegen oder zumindest gleichwertig. Da das erfindungsgemäße Flußmittel nicht teuer ist, ist es genauso gut von praktischem Nutzen beim Schweißen weniger hochwertiger Stähle wie hochfester Stähle. Die neuen Flußmittel ergeben Schweißverbindungen von besonders hoher Festigkeit und hoher Kerbschlagzähigkeit. Außerdem ist das erfindungsgemäße Flußmittel in geschmolzenem Zustand während dem Schweißvorgang in hohem Maße fließfähig, und dementsprechend erzeugt es eine glatte Oberfläche auf der Schweißnaht, wodurch die Entfernung der Schlacke von der Schweißverbindung erleichtert wird.

Das erfindungsgemäße Flußmittel zum Schweißen enthält ein Gemisch aus im wesentlichen 0-15 Gew.-% Aluminiumoxyd (Al[tief]2O[tief]3), 0-15 Gew.-% Manganoxyd (MnO), 10-50 Gew.-% Calciumfluorid (CaF[tief]2), 5-55 Gew.-% Natriumfluorid (NaF) und restlich Siliziumdioxyd (SiO[tief]2) und Calciumoxyd (CaO), wobei die letztgenannten beiden Bestandteile in einem Gew.-Verhältnis SiO[tief]2 : CaO etwa 2:1 bis 1:1 vorhanden sind und der Gehalt an Calciumfluorid und Natriumfluorid mindestens 40 Gew.-% beträgt.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Flußmittel verwendet man Rohstoffe vorzugsweise von üblichem handelsmäßigen Reinheitsgrad, obwohl Verunreinigungen die Wirkung des Flußmittels gewöhnlich nicht merklich nachteilig beeinflussen. Man verwendet vorzugsweise Rohmaterialien einer Teilchengröße <0,297 mm (50 mesh screen). Zur Herstellung der Flußmittel werden Kieselerde, Kalk, Aluminiumoxyd, Manganoxyd, Flußspat und Natriumfluorid in den gewählten Anteilen in trockenem Zustand zu einem gleichmäßigen Gemisch vermischt. Man kann mineralische Kieselerde mit mindestens 90 % SiO[tief]2 und maximal 5 % Aluminium verwenden. Der Kalk kann ebenfalls handelsübliche Reinheit aufweisen und mindestens 92 % CaO nach Trocknen bei 1093°C (2000°F) enthalten, sowie ferner maximal 1,5 % Magnesium und

2 % Aluminium. Ebenso kann man Manganoxyd von handelsüblicher Reinheit verwenden mit minimal 45 % Mangan, maximal 8 % Eisen, maximal 5 % Aluminium, maximal 1 % Zink, Arsen und Blei und maximal 2 % Barium. Man verwendet calziniertes Aluminiumoxyd von handelsüblicher Reinheit mit 99 % Al[tief]2O[tief]3 nach Trocknen bei 1093°C (2000°F). Man kann technisches Natriumfluorid mit mindestens 95 % NaF verwenden.

Man kann das erfindungsgemäße Flußmittel aus den genannten Rohmaterialien auf übliche Weise herstellen, wie durch Schmelzen, Sintern oder unter Verwendung von Bindemitteln.

Beim Schmelzverfahren werden die Rohmaterialien mechanisch zusammengemischt und das Gemisch in einen Graphittiegel gebracht und auf etwa 1316 - 1427°C (2400 - 2600°F) zum Schmelzen erhitzt. Nach weiteren 20 min. Erhitzen des Gemischs zur Erzielung einer vollkommenen Schmelze wird auf Raumtemperatur abgeschreckt und dann das Gemisch zerkleinert und gemahlen.

Bei der Herstellung des Flußmittels durch Sintern wird ein mechanisches Gemisch der Bestandteile in einem Ofen auf etwa 900°C (1650°F) etwa

1,5 h erhitzt. Das Gemisch wird dann abgekühlt, zerkleinert, zur Erzielung der gewünschten Teilchen-Größenverteilung gesiebt und auf gleiche Weise wie die geschmolzenen Materialien verwendet.

Bei der Herstellung des Flußmittels unter Verwendung von Bindemitteln werden die Bestandteile mit Wasserglas in einem Verhältnis von etwa 1 Teil Wasserglas auf 3 Teile Flußmittelgemisch vermischt. Diese Masse wird dann etwa 3 h auf 482°C (900°F) erhitzt, zerkleinert, gesiebt und auf übliche Weise verwendet. Von den drei geeigneten Methoden zur Herstellung des Flußmittels wird im allgemeinen das Schmelzverfahren bevorzugt angewandt.

Die Tabelle 1 bringt mehrere spezifische Beispiele von erfindungsgemäßen Flußmitteln zum Schweißen, die nach der Schmelzmethode hergestellt wurden. Die Analysen wurden ermittelt aus den Gemischen der Bestandteile vor dem Zusammenschmelzen.

Tabelle 1

Analyse der Flußmittel in Gew.-%

Die genannten Flußmittel verwandte man zum Schweißen von HY-80-Stahl, d.i. ein hochfester, niedriglegierter Stahl mit einer Streckgrenze (0,2 % Dehnung) 5620 - 7030 kg/cm[hoch]2 (80000 - 100000 psi). HY-80-Stahl hat die folgende Zusammensetzung:

Element Gew.-%

Kohlenstoff < 0,22

Mangan 0,1 - 0,4

Phosphor < 0,035

Schwefel < 0,04

Silizium 0,15 - 0,35

Nickel 2 - 2,75

Chrom 0,9 - 1,4

Molybdän 0,23 - 0,35

Die genaue Zusammensetzung von HY-80-Stahl ist beschrieben in US-Government Specification MIL-S-16216D (NAVY).

Für die Verschweißungen verwandte man einen Schweißdraht von 0,4 cm (5/32") Durchmesser der folgenden chemischen Zusammensetzung außer Eisen:

Element Gew.-%

C 0,09

S 0,004

P 0,006

Si 0,74

Mn 1,40

Cr 0,04

Ni 1,03

Cu 0,48

Mo 0,28

Zr 0,076

Man stellte Schweißverbindungen mit dem beschriebenen 0,4 cm (5/32") dicken Schweißdraht an 2,54 cm (1") dicken HY-80-Stahlplatten mit einer einfachen Abschrägung von 45° her. Es wurden mechanische Prüfungen vorgenommen, deren Ergebnisse in der Tabelle 2 wiedergegeben sind. Es wurde ein Wärmeangebot von 17520 Joule/cm (44500 joules/inch) zugeführt bei umgepoltem Gleichstrom 550 A Stromstärke, 27 V Bogenspannung, bei einem Vorschub der Elektrode 50,8 cm/min (20"/min). Eine andere Schweißverbindung unter Verwendung des Flußmittels D wurde auf gleiche Weise hergestellt, jedoch wurde ein

Wärmeangebot von etwa 21260 Joule/cm (54000 joules/inch) durch Gleichstromgegenpolung mit 600 A Stromstärke und 30 V Bogenspannung zugeführt, deren Versuchsergebnisse in der Tabelle 2 durch einen [hoch]+ gekennzeichnet sind. Man verwandte Schweißdrahtelektroden aus blankem Metall und das granulierte Flußmittel wurde an der Schweißstelle in ausreichender Menge zugeführt.

Tabelle 2

Mechanische Eigenschaften des Schweißmetalls

Aus der Tabelle 2 ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Flußmittel eine Schweißnaht mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie der Grundwerkstoff ergibt. Von besonderem Interesse ist die hohe Kerbschlagzähigkeit der erhaltenen Schweißnähte bei Verwendung des erfindungsgemäßen Flußmittels. Aus den Daten ist zu ersehen, daß die bevorzugte Flußmittelzusammensetzung das Flußmittel F darstellt.

Man kann das erfindungsgemäße Flußmittel für andere Schweißmethoden verwenden, beispielsweise als Flußmittelkern eines röhrenförmigen Schweißdrahts. Der Zusatz von gewissen Stoffen zum Schweißkern, die als Schutzgas über der Schweißstelle wirken, wird ebenfalls in Betracht gezogen, wie von R.A. Wilson in "Welding Journal" Band 40 Nr. 1, Januar 1961, beschrieben wurde. Außerdem kann man das erfindungsgemäße Flußmittel mit Metallteilchen vermischen, die beispielsweise die gleiche Analysenzusammensetzung wie der Schweißdraht oder der zu verbindende Stahl aufweisen. Solche Flußmittelgemische sind dem Fachmann gut bekannt und da diese bei der Elektroschweißung von der Schweißstelle magnetisch angezogen werden, kann man sie auch da verwenden, wo eine Zuführung des Flußmittels auf Grund der Schwerkraft nicht möglich ist.

Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind beispielhaft und viele Varianten und Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Erfindungsbereich abzuweichen.

Claims (1)

1. Flußmittel zum Schweißen, gekennzeichnet durch einen Gehalt an im wesentlichen maximal etwa 15 Gew.-% Aluminiumoxyd, maximal etwa 15 Gew.-% Manganoxyd, etwa 5 - 50, vorzugsweise 10 - 50 Gew.-% Calciumfluorid, etwa 5 - 55, vorzugsweise 38 Gew.-% Natriumfluorid und restlich Siliziumdioxyd und Calciumoxyd in einem Gew.-Verhältnis etwa 2:1 bis 1:1, wobei der Gehalt an Calciumfluorid und Natriumfluorid mindestens 40 Gew.-% beträgt.