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Verfahren zur Herstellung von abschmelzbaren Lichtbogenschweisselektr'oden
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Lichtbogen arbeitenden Prozess. In diesem Falle wird das Flussmittel ganz unabhängig von der Elektrode zugeführt und kann in seiner Menge beliebig gewählt werden. Bei den nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Elektroden hingegen ist dies nicht möglich, da hier das Flussmittel im Inneren der Elektrode untergebracht ist und der zur Verfügung stehende Raum nur einen Bruchteil des Raumes ausmacht, der für die Aufnahme eines Flussmittels der bei den beiden vorerwähnten Verfahren verwendeten Art erforderlich wäre.
Es war daher die Aufgabe zu lösen, das für einen wirksamen Schutz des Schweissmetalls nötige Volumen an schlackenbildenden Substanzen zur Verfügung zu stellen, wobei die Oberfläche der Elektrode freigehalten, das Material aber auch nicht gesondert von der Elektrode zur Anwendung gebracht werden sollte.
Dies wird erfindungsgemäss durch Kombination zweier Massnahmen ermog- licht, nämlich einerseits durch Zusammenschmelzen der schlackenbildenden Bestandteile zu einem synthetischen schlackenartigen Produkt, worauf dieses geschmolzene Material an Stelle des voluminöseren Ausgangsmaterials in das Innere der Elektrode eingeführt wird, und anderseits durch den Schutz des Lichtbogens durch gesonderte Zuführung von Kohlendioxydgas, wobei dessen Sauerstoffgehalt zum Teil dazu verwendet wird, um sich mit Bestandteilen des genannten verschmolzenen Produktes direkt im Lichtbogen zu den gewünschten Oxyden zu verbinden und in dieser Weise das Volumen der Schlackenschicht zu vergrössern. Durch diese Massnahme wird eine weitere wesentliche Bedingung, nämlich das Flussmittel von Bestandteilen zu befreien, die selbst Schutzgase zu entwickeln vermögen, erfüllt.
Zum Schutz des Bogens ist beim Arbeiten mit den nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Elektroden die Anwendung eines inerten oder neutralen Gases von grosser Wichtigkeit.
Unter "Schutzgas" ist entweder ein inertes Gas wie Argon oder Helium oder ein neutrales Gas wie Kohlendioxyd zu verstehen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Sicherheit Ist Kohlendioxyd zu bevorzugen. Es braucht nur so viel von dem Schutzgas verwendet werden, wie nötig ist, um den Bogen selbst und seine beiden Enden, von denen Ionen ausgesendet werden, abzuschirmen.
Zum Schweissen von gewöhnlichem Stahl mit niederem Kohlenstoffgehalt besteht das Rohr der Elektrode. aus gewöhnlichen weichen Stählen, z. B. der Type SAE 1010 oder SAE 1015. Solche weiche Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt werden bevorzugt, da sich aus ihnen leicht Rohre biegen und die gebildeten Rohre leicht auf-und abwickeln. lassen.
Die BereitUng des Flussmittels kann im wesentlichen nach den in der Praxis bisher bewährten Gesichtspunkten erfolgen. Z. B. kann es die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie das während des letzten Vierteljahrhunderts in der Industrie allgemein verwendete Flussmittel für ummantelte Elektroden, jedoch mit zwei wesentlichen Unterschieden : 1. Weglassung derjenigen Bestandteile der üblichen Flussmittel, welche der Entwicklung eines Schutzgases für den Lichtbogen dienen und 2. Vermeidung gewisser Umstände, welche bei dem bekannten Verfahren nicht stören, wie nachstehend näher erläutert wird.
Ganz allgemein muss erfindungsgemäss dieEntwicklung jedesGases zufolgeeiner chemischenReaktion innerhalb des Kernes des Lichtbogens (mit Ausnahme einer erwünschten zeitweisen Freisetzung von Sauerstoff) vermieden werden. Dies erfordert, dass alle Substanzen, die in die Elektrode eingebracht werden
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des Betriebeseiner Wärmevorbehandlung unterzogen werden, um alle unerwünschten Gase auszutreiben, bevor die Produkte in die Elektrode eingebracht werden, oder, nach dem Einbringen, bevor sie für die Schweissung benützt werden.
Stoffe vom Typ desFerromangans, Ferrosiliziums oderFerrotitans, die durch einen Schmelzvorgang gewonnen werden und daher bereits vorgeschmolzen und entgast vorliegen, benötigen nur eine geringe Erwärmung (etwa 1210 C), um etwaige anhaftende Feuchtigkeit von diesen als Desoxydationsmittel verwendeten Stoffen zu entfernen. Das angewendete Flussmittel muss aber noch mindestens ein. vorzugsweise zwei oder mehrere Oxyde wie Manganoxyd, Silizium - oder Titandioxyd oder Kombinationen eines oder mehrerer dieser Oxyde enthalten und im Falle der Anwesenheit von Oxyden ist eine energischere Wärmebehandlung der mechanischen Flussmittelmischung notwendig. Insbesondere soll hiedurch eine Dehydratisierung bewirkt werden, wofür Temperaturen von etwa 2600 C geeignet sind.
Aus folgenden Gründen wird aber eine höhere Temperatur von mindestens 6500 C bevorzugt.
Das Gesamtvolumen der schlackenbildenden Stoffe ist durch die Grösse des Hohlraumes im Elektrodeninneren bestimmt, welcher Hohlraum vorzugsweise möglichst klein gehalten werden soll. Aus diesem Grunde werden die Oxyde und andern Bestandteile des schlackenbildenden Materials durch Schmelzen in einer reduzierenden Atmosphäre in einen kompakten Zustand übergeführt, bevor sie In die Elektrode eingeführt werden. Ebenso wichtig ist es erfindungsgemäss, dass die Bestandteile für die Herstellung des schlackenbildenden Produktes chemisch miteinander reagiert haben, bevor sie in die Elektrode gefüllt werden.
Dies ist aus anderen Gründen als denen einer Volumverringerung wichtig ; eine wohlausgewogene Schutzschlackenmischung muss inert sein, sie muss die richtige Viskosität besitzen, damit eine Schlackenschicht von gleichmässiger Dicke erzielt werden kann, sie muss weiterhin die richtige Dichte aufweisen und soll nach Möglichkeit sich nach der Verfestigung von selbst abheben.
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wenn die Flussmittelmischung ein Silikat wie Natrium- und/oder Kaliumsilikat enthält, genügt zur Wärmebehandlung eine hohe Back- oder Sintertemperatur. Es wurde aber gefunden, dass bessere Resultate erzielt werden, wenn das Silikat mit den Oxyden vermischt und die Temperatur so hoch gehalten wird, dass die mechanische Mischung zu einer flüssigen Phase zusammenschmilzt.
Anwendung niedrigerer als der hiefür benötigten Temperaturen ist wohl möglich, doch wird der Prozess hiedurch ungünstig beeinflusst.
Nachstehend wird eine Anweisung für die Herstellung einer bevorzugten, für das Schweissen von gewöhnlichem Stahl allgemein anwendbaren Mischung gegeben. Selbstverständlich können auch stark abweichende Zusammensetzungen mit Vorteil angewendet werden, die sich für denpachmannunter Berück- sichtigung der bereits dargelegten Gesichtspunkte ohne weiteres ableiten lassen. Die nachstehende Formel entspricht den Erfordernissen beim Schweissen von nur teilweise desoxydiertem Stahl unter den üblichen Bedingungen der Praxis in nahezu idealer Weise :
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<tb> 20 <SEP> Gew.-Teile <SEP> Natriumsilikat <SEP> krist.
<tb>
50""Rutil
<tb> 4""Manganoxyd
<tb>
Diese Mischung wird, vorzugsweise in dünner Schicht, bei einer Ofentemperatur von etwa 4800 C erhitzt, bis sie zu wallen aufhört. Bei längerer Dauer dieser Behandlung würden auch niedrigere Temperaturen genügen. Bessere Qualität wird aber durch Erhitzen auf noch wesentlich höhere Temperaturen erzielt. Annehmbar gute Ergebnisse werden bei 6500 Cerhalten, 8800 C ist jedoch vorzuziehen und als noch wirkungsvoller erwies sich Schmelzen in einem Kohlelichtbogen. Zum Backen, Sintern oder Schmelzen des Flussmittels kann ein elektrischer Lichtbogenofen oder ein mittels Brennstoffen beheizter Ofen verwendet werden. Das bis zum Schmelzfluss erhitzte Material wird dann in offene Formen gegossen und besitzt nach dem Erkalten kristalline Struktur.
Es wird hierauf bis zur Erzielung der gewünschten Korngrösse pulverisiert.
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sintert oder geschmolzen zu werden brauchen, unter mechanischer Vermischung zugefügt werden. Nach der bevorzugten Formel werden gemischt :
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<tb>
<tb> 80 <SEP> Gew.-Teile <SEP> der <SEP> oben <SEP> beschriebenen <SEP> Grundsubstanz,
<tb> 40""handelsübliches <SEP> reines <SEP> Silizium <SEP> (vorgeschmolzen),
<tb> 30""Ferromangan <SEP> (80-20grädig, <SEP> vorgeschmolzen). <SEP>
<tb>
Diese Mischung wird nun in die Elektrode eingebracht und auf beliebige Weise zu genügender Dichte zusammengepresst, so dass unter den Bedingungen, denen die Elektrode unter weiterem Zusammenpressen noch unterworfen wird, keine Hohlräume entstehen können.
Ein geeignetes Rutil ist z. B. das unter dem Namen Ruflux Nr. 61 oder 84 durch die Titanium Corporation of America in den Handel gebrachte Produkt. Ferromangan mit andern Mengenverhältnissen als 80 - 20 kann mit den gleichen Ergebnissen verwendet werden, wenn sich dies durch andere Abänderungen als nötig erweist.
Zum Schweissen eines bis zu einem durchschnittlichen Grad desoxydierten Stahles wird die Mischung vorzugsweise in einer Menge von lllo des Gesamtgewichtes der Elektrode angewendet. Das Verhältnis von Flussmittel zu Stahl kann jedoch innerhalb eines verhältnismässig weiten Bereiches schwanken, abhängig von der Stahltype, seiner Oberflächenbeschaffenheit usw.
Wenn die oben angegebene Zusammensetzung auch als die bevorzugte bezeichnet wurde, so sind für andere Stahlsorten doch nach bekannten Prinzipien vorzunehmende Abänderungen dieser Zusammensetzung vorzuziehen.
Ebenso kann die röhrenförmige Elektrode statt aus SAE 1010-oder SAE 1015-Stahlfür manche Zwecke aus einer andern Stahlsorte bestehen, wenn dies aus an sich bekannten Gründen zweckmässiger ist.
Die Vorzüge der Erfindung können, zumindest theoretisch, auch bei Verwendung einer Elektrode erzielt werden, die nicht Rohrform besitzt. Sie kann z. B. der Länge nach mit Vertiefungen versehen sein.
Die Rohrform wird deshalb bevorzugt, weil sie eine vollständig gleichmässige Zufuhr des Flussmittels gestattet und völligen Ausschluss von Luftfeuchtigkeit gewährleistet.
Die Schlackendecke wird hauptsächlich durch die erwähnten Oxyde gebildet, obwohl vielleicht etwa 3/4 des Siliziums und Mangans, die in dem Flussmittel als Ferrolegierungen anwesend sind, auf Sauerstoff treffen, mit welchem sie sich vereinigen und daher in Form von Oxyden an die Oberfläche steigen und die Schlackenschicht verstärken. Ein Überschuss an Silizium und Mangan ist erwünscht, teils um sicher zu
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gehen, dass aller in der Schmelze vorhandene Sauerstoff aufgenommen wird und teils um der Schmelze erwünschte Legierungseigenschaften zu verleihen. Wenn der zu schweissende Stahl vollständig desoxydiert und insbesondere wenn er rein war, sind geringere Mengen an Silizium und Mangan vorzuziehen, damit durch den Überschuss an diesen Stoffen das Schweissmetall nicht spröde wird.
Beim Schweissen von nicht desoxydiertem ("rimmed") Stahl hingegen ist die Verwendung eines hohen Prozentsatzes an Silizium und Mangan zweckmässig.
Es ist zu beachten, dass etwa 53 Gew. ulo des obigen Flussmittels aus Stoffen bestehen, die nur aus Verbindungen von Sauerstoff mit metallartigen Elementen bestehen, welche eine grössere Affinität zu Sauerstoff besitzen als Eisen. Der Ausdruck"metallartig"wurde gewählt, weil Silizium vielfach als Nichtmetall bezeichnet wird, obwohl es sich im vorliegenden Fall als Metall verhält. Die Menge von 53% kann für manche Fälle ohne Nachteil verringert werden ; unter ganz seltenen Umständen oder bei unsach- gemässer Durchführung des Verfahrens kann dieser Anteil bis auf etwa 2rP/o sinken.
Andere Metalle, deren Oxyde verwendet werden können, sind Vanadin, Niob, Kalium, Aluminium und Zirkonium, und, weniger vorteilhaft, Kalzium und Natrium. Für die meisten Zwecke sollen in den End-Oxyden mindestens 7 51o Titandioxyd, d. h. Rutil, anwesend sein.
Die oben angegebene Zusammensetzung eignet sich insbesondere für das Schweissen mit positiver Elektrode (wenn sie auch anderweitig anwendbar ist). FüldenFachmann ist es ohneweiters möglich, "diese Mischung den Erfordernissen des Schweissens mit netagiver Elektrode oder Wechselstrom anzupassen (etwa durch Erhöhung der Rutilmenge oder Ersatz des Kaliumsilikats durch Natriumsilikat).
Eine der wichtigsten Bedingungen ist, dass die schlackenbildenden Substanzen ihrem Charakter und ihrer Menge nach die Ausbildung einer die Schweisse zuverlässig bedeckenden Schlackenschicht ermöglichen, welche dick genug und von geeigneter Konsistenz für eine gute Abdeckung ist. Unter Verwendung der obigen Mischung stellt eine Menge von etwa 61o des Gesamtgewichtes der Elektrode etwa die minimale Menge an Flussmittel dar, um den gestellten Erfordernissen zu genügen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von. abschmelzbaren Ltchtbogenschweisselektroden für Schweissverfahren, bei denen der Lichtbogen durch eine Gasschutzhülle abgedeckt wird und das Flussmittel längs der Elektrode gleichmässig verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die schlackenbildenden Stoffe, z. B, Alkalimetallsilikate und wenigstens ein Oxyd, das kein Eisenoxyd ist, innig gemischt werden und diese Mischung dann auf ungefähr 4800 C erhitzt wird, bis keine Gasentwicklung mehr stattfindet, dann diese Mischung bei wesentlich höheren Temperaturen, z. B. 6500 C-880 C, vorverschmolzen wird, diese Schmelze dann abgekühlt und pulverisiert, mit den legierungsbildenden und desoxydierenden Bestandteilen des Flussmittels, z. B.
Silikaten und Eisenmanganverbindungen, die auch einer Hitzebehandlungunterworfen worden sind, vermischt wird, und die fertige Mischung dann in die Lichtbogenschweisselektrode eingelagert wird.