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Umhüllte Stahlelelitrode fiir elektrische Liehtbogenschweissung.
Bei der elektrischen Lichtbogenschweissung von Stahl mit Stahlelektroden wird bekanntlich während des Sehweissprozesses von dem geschmolzenen Schweissgut aus der umgebenden Luft Sauerstoff und Stickstoff aufgenommen, wodurch die Eigenschaften des niedergesehmolzenen Materials erheblich verschlechtert werden. Insbesondere wird dasselbe dadurch spröde. Die Kerbzähigkeit, die bei gutem, weichem Flussstahl etwa 15-30 kg mjcm2 beträgt, geht in der Schweissnaht bis auf etwa 1 kg mjcm2 zurück, wenn Elektroden aus weichem Kohlenstoffstahl ohne Umhüllung verwendet werden.
Solche Schweissungen sind natürlich sehr gefährdet, wenn gelegentlich eine starke stossweise Beanspruchung der Schweissnaht auftritt oder die Möglichkeit einer Bildung von Anrissen durch Wärmedehnungen usw. vorliegt. Sie dürfen für Schweissverbindungen nicht verwendet werden, deren Bruch schlimme Folgen haben kann, wie dies z. B. bei Dampfkesseln der Fall ist.
Durch Anwendung von Legierungsbestandteilen im Stahl der Elektroden, wie z. B. Mangan, die sich leichter mit dem Sauerstoff der Luft verbinden als Eisen, und deren Oxyde die Güte der Schweissnaht weniger beeinträchtigen, konnte man die Kerbzähigkeit derselben bis auf etwa 5 m/cm steigern.
Ein anderer Weg hiezu ist die Anwendung von Umhüllungen der Elektroden, um die Luft von dem Lichtbogen fernzuhalten. Die meisten gebräuchlichen Umhüllungen haben aber fast keine Einwirkung auf die Kerbzähigkeit der Schweissnaht, da sie entweder zu dünn sind, um wirksam zu sein, oder selbst Stoffe enthalten, welche eine Oxydation oder sonstige Verunreinigung der Schweissnaht bewirken.
Nur einzelne Umhüllungen eventuell kombiniert mit Legierungsbestandteilen in dem Stahlkern der Elektrode, ergeben Kerbzähigkeitswerte der Schweissnaht von etwa 5 bis 10 kg mjcm2. Dabei zeigt sich der Übelstand, dass sowohl die'Legierungsbestandteile als auch die Umhüllungen, welche auf die Kerbzähigkeit günstig einwirken, gewöhnlich gleichzeitig eine erhebliche Porigkeit der Schweissnaht mit sieh bringen, welche natürlich leicht Undichtigkeiten und ungenügende Festigkeit zur Folge hat.
Auch können erhebliche Poren im Bruchquerschnitt der Kerbschlagporen höhere Schlagarbeiten ergeben, als der gleiche Werkstoff in porenfreiem Zustande aufweist, so dass die Poren die Kerbzähigkeit grösser erscheinen lassen, als sie tatsächlich ist. Diese Poren (Gasblasen) sind eine Folge chemischer Umsetzungen, die in dem geschmolzenen Schweissgut unter der Einwirkung des Luftsauerstoffes, der Legierungsbestandteile des Elektrodenkerns und der Bestandteile der Umhüllung vor sich gehen.
Durch eine lange Reihe eingehender Versuche ist es gelungen, eine Elektrode herzustellen, welche eine praktisch porenfreie Schweissnaht liefert, deren Kerbzähigkeit der des gewalzten Grundmaterials etwa gleich gemacht werden kann. Die Erfindung bezieht sich dabei vorzugsweise auf einen Schweissstab, dessen Kern aus einem besonders reinen Stahl, insbesondere einem Stahlkern besteht, welcher im sauren Siemens-Martin-Ofen aus reinstem Einsatz erschmolzen wurde.
Gemäss der Erfindung wird eine Umhüllung verwendet, die keinerlei Bestandteile enthält, welche schädlich auf die Schweissnaht einwirken. Eine solche Umhüllung wurde gefunden in einer Mischung von möglichst reinem Magnesiumsilikat (z. B. Talkum) und Wasserglas. Die Umhüllung muss so stark ausgeführt werden, dass sie in bekannter Weise einen das abschmelzende Ende der Elektrode umgebenden und etwas vorstehenden Krater bildet, der den Lichtbogen teilweise einhüllt und vor Luftzutritt schützt.
Die schmelzende Umhüllung bildet einen Glasfluss, der, von dem Kraterrand herabtropfend und durch
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die hohe Lichtbogentemperatur teilweise verdampfend, einen weiteren Schutz ausübt, insbesondere auch das Stahlschmelzbad als flüssige Schlackenschicht luftabsehliessend bedeckt. Wesentlich ist hiebei das Fehlen von Bestandteilen in der Umhüllung, die bei der innigen Berührung mit dem geschmolzenen Stahl bei hoher Temperatur einen ungünstigen Einfluss auf den Stahl ausüben, insbesondere Sauerstoff und andere Verunreinigungen auf ihn übertragen, wie es z. B. bei einem Gehalt an Kohlensäure abgebenden Bestandteilen oder leicht reduzierbaren Oxyden der Fall wäre.
Die Umhüllung muss deshalb möglichst auch in festem Zustande den Schweissstab als dichte homogene Masse bedecken und hat zweckmässig keine porige oder faserige Struktur, um das Aufnehmen von Feuchtigkeit und andern Verunreinigungen vor der Benutzung zu vermeiden. In geschmolzenem Zustande ist die Schlacke dünnflüssig und benetzt den Stahl gut, so dass sie nicht örtliche Zusammenballungen bildet, sondern sich gleichmässig ausbreitet. Sie hat zweckmässig auch nicht die Eigenschaft, bei der hohen Temperatur selbst Sauerstoff aus der Luft aufzunehmen und auf den geschmolzenen Stahl zu übertragen.
Es ist zwar bekannt, für umhüllte Schweissstäbe eine Umhüllung auf der Grundlage von Asbest und Wasserglas zu verwenden. Hiebei bevorzugte man vor allen Dingen blauen Asbest, da dieser infolge des hohen Eisenoxydgehaltes eine dünnflüssige Schlacke von verhältnismässig niedrigem Schmelzpunkt bildet, wodurch das Schweissen erleichtert wird. Der Magnesiumsilikat enthaltende weisse Asbest ergab dagegen eine schwerer schmelzende und deshalb das Schweissen behindernde Schlacke und galt daher nicht als vorteilhaft. Die Auswahl der Umhüllungen erfolgte dabei bisher im wesentlichen nach rein empirischen Methoden, wobei man zwar die Beobachtung machte, dass Asbest manchmal etwas bessere Ergebnisse lieferte, aber nicht die Erkenntnis gewann, dass das bisweilen in grösserer Menge
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mässig hervorragend gute Schweissungen ergaben.
Erst durch die eingehenden wissenschaftlichen Forschungen der Anmelderin wurde ermittelt, dass die Umhüllung aus möglichst reinem Magnesiumsilikat hergestellt werden muss, und andere z. B. in dem üblichen Asbest meist enthaltene Stoffe schädlich wirken. Erst diese Erkenntnis ermöglichte es, das Material für die Schweissstabumhüllungen so auszuwählen, dass eine gleichmässige hohe Güte der Schweissungen erzielt wird und Verbindungen durch Schweissung hergestellt werden können, an deren Sicherheit die höchsten Anforderungen gestellt werden müssen, wie es z. B. bei Dampfkesseln der Fall ist.
Die Umhüllung kann zur Erhöhung ihrer Wirksamkeit Zusätze erhalten, wie z. B. Ferromangan, die ohne Bildung schädlicher Verunreinigungen etwa noch zutretenden Luftsauerstoff an sich reissen oder durch Abgabe von Legierungsbestandteilen, wie z. B. Mangan, Molybdän usw. die Güte des niedergeschmolzenen Stahles erhöhen.
Es wurde gefunden, dass solche Zusätze am besten wirken, wenn sie sich möglichst nahe an dem
Stahlkern befinden. Um dies zu erreichen, können mehrere Umhüllungsschichten übereinander auf- getragen werden, von denen die innere die Zusatzstoffe vorwiegend enthält bzw. bei denen der Gehalt an Zusätzen nach aussen abnimmt. Wegen des gleichmässigen Konzentrationsüberganges wird hiedurch ein gleichmässiges Abschmelzen der Umhüllungsmasse erreicht, so dass das Auftreten von nicht oder unvollkommen geschmolzenen Bestandteilen in der Schlacke bzw. in der Schweissnaht vermieden wird.
Elektroden aus reinem Stahl, die mit der beschriebenen Umhüllung versehen sind, ergeben praktisch porenfreie Schweissungen von etwa 10 bis 15 leg mjcm2 Kerbzähigkeit.
Eine weitere Erhöhung der Kerbzähigkeit wurde dadurch erreicht, dass die beschriebene Um- hüllung noch mit einem Mantel aus nichtschmelzendem Material umgeben wurde, der eine Verlängerung des den Lichtbogen schützenden Kraters bewirkt und dadurch den Luftzutritt noch mehr abhält.
Hiebei hat sich eine Bewicklung mit Papier bewährt, das durch Imprägnierung mit Wasserglas in bekannter Weise in gewissem Masse feuerbeständig gemacht wird. Die schmelzende innere Umhüllung fliesst nunmehr innen an dem vorstehenden Papierkrater herab, der sich dabei so stark erhitzt, dass das von ihm aufgesogene Wasserglas auch geschmolzen wird und sich mit der inneren Umhüllung vermischt, während das Papier von aussen verbrennt oder nach Verkohlung mechanisch abbröckelt.
An sich ist eine Papierumhüllung bei Elektroden bekannt, jedoch hat die Anwendung einer derartigen Papierlage über einer pastenförmigen Umhüllung nach der Erfindung den wesentlichen
Vorteil, dass die Kraterbildung wirksam erleichtert wird und daher die Gesamteigenschaften der Schweiss- naht verbessert werden.
Das Papier darf ebenfalls keine für die Schweissung schädlichen Bestandteile enthalten, da solche in die Schlacke und aus dieser in den geschmolzenen Stahl gelangen könnten. Am besten bewährte sich ein sehr reines Löschpapier, das auch die erforderliche Saugfähigkeit zur Aufnahme einer genügenden
Menge Wasserglas besitzt. Falls hiebei die Wasserglasschmelztemperatur, die von der prozentualen
Zusammensetzung der äusseren Schicht abhängt, zu hoch liegen sollte, so wird als Imprägniermittel für die Papierumhüllung vorteilhaft ein passendes Gemisch von Natron-und Kaliwasserglas gewählt.
In jedem Fall ist die Schmelztemperatur der Papierumhüllung bzw. deren Imprägnierung durch die
Zusammensetzung der Grundstoffe bedingt, wesentlich tiefer als die der inneren Umhüllung, da die
Papiermantelimprägnierung von dem schmelzenden Magnesiumsilikat-Wasserglasgemisch der inneren
Umhüllung in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt werden soll.
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Durch diesen verbesserten Schutz wird die Kerbzähigkeit der Schweissnaht auf 20 kg m/c und höher gesteigert, bei praktischer Freiheit von Poren. Zugfestigkeit und Dehnbarkeit sind gleich-
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regelmässig erreicht, selbst bei den grössten praktisch vorkommenden Dicken des Grundmaterials.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Umhüllte Stahlelektrode für elektrische Lichtbogenschweissung, bei welcher die Umhüllung Magnesium-und Alkalisilikat enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsmasse aus einer Paste von Wasserglas und möglichst reinem Magnesiumsilikat besteht, die frei von Bestandteilen ist, welche Sauerstoff oder andere Verunreinigungen auf den Stahl übertragen können, insbesondere frei von Kohlensäure abgebenden Bestandteilen und leicht reduzierbaren Oxyden, während in ihr desoxydierende oder legierende Bestandteile verteilt sind, wobei sie aussen von einem Papiermantel mit Wasserglasimprägnierung bedeckt wird.