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Verfahren zum automatischen Schweissen mittels elektrischen Lichtbogens und zu seiner Durchführung geeignete Elektrode
EMI1.1
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Seele einer fortlaufenden Elektrode geeignet sind, da ihre Verwendung viele Nachteile nach sich zieht, insbesondere starke und zahlreiche Spritzverluste, geräuschvolles Abbrennen, Sprühen des Lichtbogens und die Bildung einer grobschuppigen Schweissraupe.
Die durchgeführten Versuche haben indessen gezeigt, dass gewisse Zusammensetzungen des Kernes ein ruhiges Abbrennen der Elektrode bewirken, nur sehr feine Sprühungen verursachen, selbst bei hohen Wechselstromstärken. Die erzielten Schweissraupen sind sehr glatt, von konvexem Querschnitt und die Schlacke löst sich sehr leicht nach Abkühlung.
Um diese Ergebnisse zu erzielen, benutzt man eine Elektrode, deren Kern eine Mischung von desoxydierenden Stoffen und von schlackenbildenden Stoffen enthält, dereu Gewicht 24 - 42ci des Gewichtes der metallischen Hülle beträgt. Diese Mischung setzt sich erfindungsgemäss zusammen aus 4 - 20% desoxydierenden Stoffen und aus 80-96% schlackenbildenden glasartigen Körnern, welch letztere durch vorheriges Zusammenschmelzen von 60-85% Titanoxyd, 5-10% Manganoxydul und 10-30% Silizium- oxyd gewonnen wurden.
Eine bevorzugte Zusammensetzung des Kernes ist folgende :
EMI2.1
<tb>
<tb> Ferromangan <SEP> affiné <SEP> (enthaltend <SEP> 80% <SEP> Mangan) <SEP> 12'Yo
<tb> Mischung <SEP> von <SEP> schlackenbildenden <SEP> Stoffen <SEP> 88%
<tb> 1000/0
<tb>
Zusammensetzung der schlackenbildenden Mischung :
EMI2.2
<tb>
<tb> TiOz <SEP> 660/0 <SEP>
<tb> Si02 <SEP> 191in,
<tb> MnO <SEP> 3%
<tb> FeO <SEP> + <SEP> Alj <SEP> ; <SEP> 0 <SEP> + <SEP> CaO <SEP> + <SEP> MgO <SEP> + <SEP> Na20 <SEP> + <SEP> K20 <SEP> 9%
<tb> 1000/0
<tb>
Es ist empfehlenswert, dass dieser Kern kein freies oder gebundenes Wasser enthält, ferner keine Karbonate oder andere Stoffe, welche Gase bei dem Schmelzen entwickeln. Vorzugsweise wird die Mischung von schlackenbildenden Stoffen vorher vollständig geschmolzen und befindet sich in Form von glasartigen Körnern.
Die Elektrode wird von einer Hülle aus Weichstahl gebildet, welche die den Kern bildende Mischung umgibt.
Obwohl das Gewicht des Kernes zwischen 24 - 420/0 des Gewichtes der metallischen Hülle schwanken kann, erhält vorzugsweise der Kern solche Abmessungen, dass sein Gewicht 371o des Gewichtes der metallischen Hülle beträgt.
Bei der angegebenen Zusammensetzung für den Kern sind die Viskosität und die Oberflächenspannung der geschmolzenen Schlacke relativ hoch. Es folgt daraus, dass die flüssige Schlacke sich immer in einem gewissen Abstand hinter dem Lichtbogen befindet, so dass sie das geschmolzene Metall unter der Elektrode unabgedeckt lässt, so dass dieses dem Stickstoff der atmosphärischen Luft ausgesetzt ist. Es würde daraus in einem gewissen Grad eine Nitrierung des Metalls stattfinden. deren unheilvolle Wirkungenauf die Qualität des Schweissgutes bekannt sind. Um eine solche Nitrierung des geschmolzenen Metalles zu vermeiden, ist die Anwendung eines Schutzgases erforderlich, welche die atmosphärische Luft von dem geschmolzenen Metall abhält, solange dieses nicht von der flüssigen Schlacke abgedeckt ist.
Die besten Ergebnisse sind bis heute mit Kohlensäureanhydrid erzielt worden, welches überdies günstige Wirkungen auf die Stabilität des Lichtbogens hat. Dieses Gas wird gewöhnlich über das Schmelzbad durch ein Rohr geführt, welches das Mundstück der Drahtführung umgibt. Der Verbrauch an Kohlensäuregas beträgt zwischen 5 und 40 Liter je Minute, wenn man mit einer Durchschnittsstromstärke von 250 bis 750 A schweisst.
Das Abschmelzen der Elektrode ist in einer Kohlensäureatmosphäre ruhiger als an der Luft. Die Übertragung des geschmolzenen Metalls findet in feinen Tropfen statt und die Aussprühungen sind nicht nennenswert.
In dem Verfahren nach der Erfindung ist der Lichtbogen sichtbar und beleuchtet die zu schweissende Verbindung.
Beim Schweissen mit der vorstehend beschriebenen Elektrode stammt die Schweisse fast ausschliesslich von der Metallhülle und die Schlacke fast ausschliesslich von dem Kern der Elektrode.
Diese Elektrode gibt zwar einwandfreie Schweissungen, doch wurde beobachtet, dass das Schmelzen dieser Elektrode unter Kohlendioxyd durch eine einfache Änderung ihres Aufbaues beträchtlich verbessert werden kann, u. zw. vor allem durch eine sehr beträchtliche Verminderung von Spritz- und Zerstäubeeffekten.
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Um diese Verbesserung zu erzielen, wird der grösste Teil des Metallanteiles der Elektrode nicht mehr in einer dickwandigen Hülle angeordnet, sondern die erfindungsgemässe Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metallhülle elektrisch mit inneren Fortsätzen verbunden ist, deren Gewicht grösser ist als das der Hülle, und die mit dem Kern in Berührung stehen, der 24-42% des Gewichtes der Hülle samt Fortsätzen wiegt. Der grösste Teil des Elektrodenmetalles ist daher innerhalb der Hülle angeordnet und von dem Kernpulver umgeben.
Eine weitere Verbesserung des Schmelzens der Elektrode erzielt man, wenn, im Querschnitt gesehen, die Länge der Konturen aller inneren Fortsätze grösser ist als der Aussenumfang der Hülle. Dies gewährleistet eine gute Verteilung der metallischen, elektrisch leitenden Elemente in den Schlackenbildnern, aus denen der Kern vor allem besteht.
Vermittels einiger Anpassungen kann die Mehrzahl der automatischen Schweissmaschinen nach dem Verfahren gemäss der Erfindung arbeiten.
Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich besonders gut zum Schweissen von waagrechten Stumpfnähten an senkrechter Wand.
Die Ausführung von waagrechten Stumpfnähten an senkrechter Wand wird im allgemeinen von Hand ausgeführt. Bei diesem "Waagrechtschweissen" an senkrechter Wand hat das geschmolzene Metall das Bestreben, nach vorne und nach dem unteren Ende der Nahtfuge zu fliessen. Das flüssige Metall wird nur durch die Oberflächenspannung0 in Stellung gehalten, welche mitunter in bezug auf das Gewicht des geschmolzenen Schweissmetalles nicht ausreichend ist. Das Volumen des Schmelzbades, welches auf diese Weise in Stellung gehalten werden kann, ist sehr gering. Aus diesem Grunde wurde die automatische Lichtbogenschweissung, welche mit sehr starken Schweissströmen und mit beträchtlichen Schmelzbädern arbeitet, lange Zeit bei diesen Schweissarbeiten für nicht durchführbar gehalten.
Indessen ist es neuerdings mit dem Unter-Pulver-Schweissverfahren (Schweissung mit verdecktem lichtbogen) gelungen, in guter Weise waagrechte Nähte an senkrechter Wand auszuführen. Bei diesem Verfahren wird das flüssige Metall durch eine Böschung von körniger Schlacke unter Mitwirkung einer Zwischenschicht von geschmolzener Schlacke in Stellung gehalten, wobei die Böschungsschicht auf einem abnehmbaren, längs der Schweissnaht verlaufenden Träger aufruht.
Die praktische Durchführung dieser Schweissungen mit abgedecktem Lichtbogen weist viele Schwierigkeiten auf, welche zurückzuführen sind auf Unregelmässigkeiten in der Vorbereitung, auf fehlende Sichtbarkeit der Naht und auf die Schwierigkeit, die körnige Schlacke an einer senkrechten Fläche anzuordnen und'zu halten sowie diese wiederzugewinnen. Ferner erfordert dieses Verfahren eine vollständig trockene Schlacke, welche die Durchführung dieser Schweissungen bei schlechten atmosphärischen Bedingungen (Nebel, nasser Witterung und Regen) im Freien unmöglich macht.
Die obengenannte Zusammensetzung der Schlacke ist ebenfalls derart, dass die Oberflächenspannung des abgeschmolzenen Schweissgutes genügend hoch ist. Um indessen umfangreiche Schmelzbäder in der waagrechten Nahtfuge an senkrechter Wand in Stellung zu halten, wird man das flüssige Metall aussen abstützen müssen. Zu diesem Zweck wird man eine abnehmbare0 Metalleiste vorzugsweise aus Kupfer, gegebenenfalls mit Kühlung durch Wasserumlauf, verwenden, welche die geschmolzene Schlacke trägt, sie schnell abkühlt und unter Vermittlung der viskos gewordenen Schlacke das flüssige Metall abstützt.
Vorzugsweise wird diese Leiste an dem unteren Blech parallel zur Naht verlaufend in einer Höhe angebracht, dass ihre obere Fläche unterhalb der unteren Lippe der Schweissfuge liegt, u. zw. in einem 2 - 7 Zehntel der Dicke des unteren Bleches betragenden Abstand von dieser Fugenlippe. Man kann in dieser Weise zwei senkrechte 12 mm Bleche stumpf gegeneinander in einer Lage zusammenschweissen.
Durch die Sichtbarkeit des Lichtbogens kann das Verfahren auch bei unvollkommen vorbereiteten Fugen Anwendung finden, da der Schweisser im Verlaufe der Arbeit die Stellung der Elektrode, die Vorschubgeschwindigkeit und die Schweissstromstärke ändern kann.
Die Abstützleiste kann durch irgendein geeignetes Mictel gegen das untere Blech gehalten werden.
Zur Durchführung von Schweissverbindungen grosser Länge wird der Support von mehreren Leisten gebildet, welche stumpf zusammenstossen. Dieser Support kann durch eine bewegte endlose Kette, welche Latten aus Kupfer trägt, ersetzt werden.
Um diese Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung zu erleichtern, verwendet man vorteilhafterweise eine Maschine zum automatischen Schweissen, die einen Schweisskopf aufweist, der von einem beweglichen Support getragen wird, welcher es gestattet, die Schweissmaschine parallel zur Nahtfuge zu verschieben, wobei der genannte Support eine endlose Kette trägt, die parallel zur Verschiebungsrichtung des Supportes angeordnet ist und welche Metallatten trägt, welche sich nacheinander unter die Schweissstelle bewegen, um die Schlacke zu halten.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine forLlaufende Elektrode zur Durchführung des Schweissverfahrens nach der Erfindung, die von einer metallischen Hülle gebildet wird, welche einen Kern umschliesst, wie er in dem Verfahren gemäss der Erfindung angegeben ist.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in schematischer Weise zwei Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung, eine Maschine zur Ausführung des Verfahrens und eine Elektrode gemäss der Erfindung.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine Ansicht einer Schweissverbindung, zwischen zwei senkrecht stehenden Blechen, welche mit ihren Kanten aneinanderstossen während der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ; Fig. 2 und 3 senkrechte Schnitte nach den Linien II-II und III-III der Fig. l ; Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht eines Teiles einer automatischen Schweissmaschine in der Stellung, welche sie einnimmt während der Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung, in welcher eine, mehrere Abschnitte von Kupferlatten tragende endlose Kette verwendet wird ; Fig. 5 eine Seitenansicht der Maschine nach Fig. 4 :. Fig. 6 in grösserem Massstab einen senkrechten Schnitt des in der Nähe der Schweissstelle befindlichen Teiles der Maschine nach den Fig. 4 und 5.
Fig. 7 - 10 zeigen vergrössert im Querschnitt verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Elektrode.
In diesen verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In den Fig. 1-3 bezeichnen l und 2 zwei zu verschweissende senkrechte Stahlbleche, welche mit ihren Kanten zusammenstossen, 3 die mit der Schweisse auszufüllende waagrechte Fuge, 4 die niedergelegte Schweissraupe, 5 die Schlacke, welche das Metall abdeckt. und 6 eine Metallatte vorzugsweise aus Kupfer, welche die Schlacke im Schmelzzustand getragen hat. Die Schlacke hat wiederum das Metall 4 im Schmelzzustand getragen bzw. abgestützt.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird die obere Fläche 7 der an dem unteren Blech 2 angebrachten Latte 6 durch einen Träger 8 ein wenig unterhalb der unteren Lippe 9 der Schweissfuge 3 gehalten.
Der Abstand der Latte 6 von der Lippe 9 beträgt ungefähr 3 Zehntel der Dicke des unteren Bleches.
Die Elektrode, welche zum Absetzen der Schweissraupe 4 und der Schlacke 5 verwendet wurde, weist in einem Stahldraht einen Kern von der Beschaffenheit und Zusammensetzung, welche oben bereits angegeben sind, auf. Das Absetzen des Schweissgutes wurde durchgeführt in einer Atmosphäre von Kohlensäure, welche das Metall gegen Nitrierung durch den Stickstoff der Luft schützt.
Die in den Fig. 4 - 6 dargestellte Maschine weist einen Schweisskopf 10 auf, der von einem beweglichen Support 11 getragen wird, welcher z. B. von einem auf einem I-Profil 12 fahrbaren Wagen gebildet wird. Die Verschiebung des Wagens kann parallel zur Fuge 3 zwischen den senkrechten übereinanderstehenden Blechen 1 und 2 erfolgen. Ein Seelendraht 13 wird in Richtung des Pfeiles X durch die Rollen 14 vorgeschoben. Der hohle Draht enthält einen Kern 15 (Fig. 6) von der oben angegebenen Art. Seine Lage ist mit Bezug auf den Schweisskopf 10 einstellbar. Er geht durch eine Drahtführung 16, welcher der Strom durch den Leiter 17 zugeführt wird, und dann durch ein Mundstück 18, welchem man Kohlensäureanhydrid durch ein Rohr 19 zuführt.
Der Kohlendioxydstrahl wird an die Stelle der Naht geleitet, an welcher der Lichtbogen zwischen dem Draht 13 und den zu verschweissenden Blechen übertritt.
In der dargestellten Maschine trägt der Wagen 11 ausser dem Kopf 10 eine Plattform 20, auf welcher zwei Kettenräder 21 und 22 gelagert sind. Das erstere dieser Räder kann durch einen Elektromotor 23 und einen Geschwindigkeitsminderer angetrieben werden. Dieses Kettenrad bewegt eine aus einer Mehrzahl miteinander gelenkig verbundener Platten 24 bestehende Kette. Diese Platten werden gegen das untere Blech 2 gehalten, wenn sie zwischen diesem und einer Führungsschiene 25 hindurchgehen, deren Stellung mit Bezug auf einen festen Support 26 durch Muttern 27 geregelt werden kann. Die obere Fläche 28 der Platten 24 liegt um ein geringes unter der unteren Lippe der durch das Schweissgut auszufüllenden Fuge 3. Sie spielen bei Durchführung des Verfahrens die gleiche Rolle wie die abnehmbare Latte 6 nach den Fig. 1-3.
Während des Schweissvorganges gehen diese Platten nacheinander durch die Schweisszone, wo sie die flüssige Schlacke halten und abkühlen.
Die in Fig. 4 gezeigte Elektrode 13 besitzt eine Metallhülse 29, von der einzelne Teile zu in dem körnigen Material des Kernes 15 verteilten Rippen 30 einwärtsgebogen sind.
Wie vorstehend angegeben, besteht der Kern aus einem Gemisch von Desoxydationsmitteln, wie Ferrolegierungen und Schlackenbildnern. Das Gewicht dieses Kernes beträgt zwischen 24 - 42 Gew. -% des aus der Hülle 29 und den Rippen 30 bestehenden Metallanteiles der Elektrode.
Diese Rippen bilden zusammen mit der Hülle 29 einen einzigen, ununterbrochenen elektrischen Leiter. Sie bewirken daher eine feine Verteilung des Lichtbogenstromes über den ganzen Elektrodenquerschnitt und beschränken ihn nicht wie bei der vorstehend beschriebenen rohrförmigen Elektrode nur auf die Hülle.
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Eine derartige Elektrode, die dadurch hergestellt wird, dass man einen Blechstreifen abkantet und um sich selbst herumwickelt, ist bereits bekannt, wurde aber bisher nur mit einem Bogen in freier Luft verwendet. Bei Verwendung einer schmelzbaren Elektrode der beschriebenen Art mit einem körnigen Kern, der in einer Hülle eingeschlossen ist, welche keine Innenvorsprünge oder Rippen aufweist, in einer Kohlendioxydatmosphäre, ist es für den Forscher nicht selbstverständlich, dass das Vorhandensein von Rippen in der angegebenen Menge in dem erfindungsgemässen Verfahren den Spritz- und Zerstäubeeffekt sehr beträchtlich herabsetzen könnte.
In der in Fig. 8 gezeigten Elektrode haben die metallischen Innenrippen die Form von Radialvorsprüngen 30.
In der in Fig. 9 gezeigten Elektrode kreuzen sich die beiden Hauptstege 30 längs zueinander senkrechten Durchmessern. Jeder Arm des Kreuzes wird wieder von einem kleinen Streifen 30'gekreuzt, der von beiden Seiten des Armes vorsteht. Diese Elemente sind miteinander und mit der Hülle 29 durch Schweissungen 31 verbunden.
In der Elektrode gemäss Fig. 10 sind zwei zu ineinandergreifenden Spiralen gewickelte Streifen 30 mit der Hülle 29 verschweisst. Zwei ebenfalls mit der Hülle 29 verschweisste Radialrippen 30" erstrecken sich in den Kern 15 und erreichen die Spiralen in der Nähe ihres Mittelpunktes.
Es sind auch andere Ausführungsformen denkbar, soweit sie die Forderungen der Erfindung erfüllen, insbesondere hinsichtlich des Gewichtsverhältnisses zwischen der Hülle und den Innenrippen, zwischen dem körnigen Kern und dem Metallanteil und gegebenenfalls auch des Verhältnisses zwischen der Gesamtlänge der Innenrippen und dem Aussenumfang der Hülle.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum automatischen Schweissen mittels elektrischen Lichtbogens in einer Schutzgasatmosphäre von Kohlensäure mit einer fortlaufend schmelzbaren, nichtumhüllten Elektrode, die einen Kern aufweist, der 24 - 420/0 des Gewichtes des Metallteiles der Elektrode wiegt und der aus einer Mischung von desoxydierenden und schlackenbildenden Stoffen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern eine körnige Mischung enthält, bestehend aus desoxydierenden Stoffen in einer Menge von 4 bis 201o und schlackenbildenden glasartigen Körnern in einer Menge von 80 bis 96ci, welche glasartigen Kör-
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10 bis 30% Siliziumoxyd gewonnen wurden.