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Schweiss-Zusammensetzung
Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Schweisszusammensetzungen zur Herstellung von Licht- bogen-Unterpulverschweissungen, die auch bei niedrigen Temperaturen eine hohe Schlagfestigkeit auf- weisen.
Übliche, gebundene Schweisszusammensetzungen ergeben nicht dauernd und befriedigend Schweissun- gen mit hoher Schlagfestigkeit. Dies beruht wenigstens zum Teil darauf, dass solche Zusammensetzun- gen gewöhnlich mit einem legierenden Stoff versehen sind, so dass die Schweiss-Chemie mit den Schweiss- bedingungen variiert und besonders auf elektrische Spannungsschwankungen empfindlich ist. Im allge- meinen kann jedoch die Tendenz einer gebundenen Zusammensetzung, atmosphärische Feuchtigkeit zu absorbieren, eine Wasserstoffversprödung des Metalls bewirken, wodurch sich schlechte Schlageigenschaf- ten, verbunden mit Bruch, ergeben. Bei Anwendung der erfindungsgemässen Zusammensetzung wird die
Schwierigkeit der Wasserstoffversprödung beträchtlich vermindert, da aus der Atmosphäre wesentlich we- niger Feuchtigkeit absorbiert wird.
Dies beruht darauf, dass die Teilchen geschmolzen sind und eine ho- mogene Konsistenz aufweisen.
Vor der Erfindung stand im Handel keine geschmolzene Schweisszusammensetzung zur Verfügung, die den modernen Erfordernissen hinsichtlich Schlagfestigkeit entsprach. Zum Beispiel wurde die Zusam- mensetzung von Linde "Unionmelt" 80 (USA-Patentschriftel1 Nr. 2, 200, 737 und Nr. 2,228, 639) bei erforderlichen guten Schlageigenschaften verwendet, sie war jedoch nicht völlig hinreichend. Ein ernster wirtschaftlicher Gesichtspunkt ergibt sich daraus z. B. beim Schiffbau mit HY-80 Stahl. Beim Schiffbau wurde bis jetzt weitgehend mechanisiertes Unterpulver-Lichtbogenschweissen angewendet, da es relativ billig ist und eine gleichbleibend gute Qualität ergibt. Wegen des Fehlens einer geeigneten Zusammensetzung konnte ein solches Verfahren jedoch nicht beim Schweissen von Unterseebooten aus HY-80 Stahl . angewendet werden.
Als Folge mussten überzogene Stabelektroden mit grossen wirtschaftlichen Opfern von Hand aus angewendet werden. Die Erfindung hilft dem genannten Mangel ab.
Das Hauptziel der Erfindung ist die Erstellung einer geschmolzenen Unterpulver-Schweisszusammen- setzung, die es ermöglicht, Schweissverbindungen mit hoher Qualität herzustellen, die relativ hohen Schlagkräften, besonders bei tiefen Temperaturen widerstehen können.
Ein weiteres Ziel ist die Erstellung einer Schweisszusammensetzung zur Anwendung mit legierten Schweissdrähten, die die Schweiss-Chemie von elektrischen Spannungsschwankungen unabhängig macht und trotzdem den erforderlichen Legierungsgehalt ergibt, um für bestimmte Stähle bestimmte Zugfestigkeiten zu erreichen.
EMI1.1
hältnis zwischen 0, 8 und 1, 8 liegt.
Die bevorzugte erfindungsgemässe granulierte Zusammensetzung setzt sich zusammen aus :
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EMI2.1
<tb>
<tb> Material <SEP> Gewicht
<tb> CaO <SEP> 44%
<tb> SiO2 <SEP> 41%
<tb> MnO <SEP> 4%
<tb> Kryolith <SEP> 8% <SEP> =4% <SEP> F
<tb> TiO2 <SEP> 1%
<tb> FeO <SEP> 1% <SEP> (max)
<tb> MgO <SEP> 1% <SEP> (max)
<tb> AlO, <SEP> 2% <SEP> (max)
<tb> Nap <SEP> 0, <SEP> 50/0 <SEP> (max) <SEP>
<tb>
Die Kerbschlagzähigkeit von Stahl ist eine Funktion der Prüftemperatur. Für Kohlenstoff-und niedriglegierte Stähle ist ihre maximale Energieabsorption bei Raumtemperatur und darüber charakteristisch. Bei niedrigeren Temperaturen nimmt die Schlagfestigkeit ab. Während einer solchen Änderung der Schlageigenschaften von Stahl existiert ein Temperaturbereich, in dem ein Übergang vom duktilen zum spröden Bruch existiert.
Eine solche Temperatur. ist ein nützlicher Index für den Metallurgen, da Stahl, der bei oder. unter der Übergangstemperatur Schlagbeanspruchungen ausgesetzt ist, plötzlich zerstört werden kann.
Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Prüfung von Schlageigenschaften ist der Einfluss der erwünschten Zugfestigkeit auf die Schlageigenschaften des Stahls. Gewöhnlich beobachtet man beim Erhöhen der Zugfestigkeit des Stahls ein Abnehmen der Schlagfestigkeit. Für eine sorgfältige Bewertung ist es daher erforderlich, beim Prüfen des Schlagwiderstandes die Zugfestigkeit zu berücksichtigen.
Die Entwicklung geschmolzener Schweisszusammensetzungen für die Herstellung von Stahlschwei- ssungen. mit hoher Schlagfestigkeit muss weitgehend empirisch und intuitiv erfolgen, da wissenschaftlich über die Einflüsse auf die Schlageigenschaften nur wenig bekannt ist. Ein Faktor ist die chemische ZusÅammensetzung von Schweissmetall, es können jedoch Schweissungen mit völlig verschiedenen Schlageigenschaften aus analytisch identischen Schweissmetallen entstehen. Weitere Faktoren sind Korngrösse und Mikrostruktur der Schweissung, jedoch können Stähle, die nach Beobachtung und Analyse in jeder Hinsicht identisch sind, in ihren Schlageigenschaften noch immer weitgehend verschieden sein.
Als Hauptbestandteil für Lichtbogen-Schweissstabüberzüge und in Flussmittel für Lichtbogen-Unterpulverschweissung wurde mit einigem Erfolg Wollastonit verwendet. Im letzteren Fall fehlten solchen Schweisszusammensetzungen erwünschte Schweisseigenschaften, während sie gleichzeitig gute, aber nicht völlig hinreichende Schlageigenschaften zeigten, wie sie für die heutigen Erfordernisse erwünscht sind.
Erfindungsgemäss ist eine Lösung des Problems nicht beschränkt auf die Veränderung der Schweisszusammensetzung durch Ändern des CaO/SiO,-Verhältnisses. Diese Bestandteile kommen auch im Wollastonit vor (CaSiO), u. zw. in einem CaO/SiO-Verhältnis von etwa 0, 93.
Neben guten Schlageigenschaften im Schweissmetall ist ein weiteres Problem bei der Entwicklung einer zufriedenstellenden Zusammensetzung die Aufrechterhaltung guter Schweissbarkeit bei der Anwendung der Zusammensetzung. Mit andern Worten sollte eine nützliche Zusammensetzung Schweissungen ohne Oberflächen- oder andele Fehler ergeben, welche gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Dies ersieht man aus der graphischen Darstellung der Kerbschlagzähigkeit verschiedener Schweissungen bei verschiedenen Temperaturen (Fig. 1 und 2).
Eine Reihe von mehrlagigen Versuchsschweissungen (unter Anwendung des Lichtbogen-Unterpulverschweissverfahrens) wurden mit handelsüblichen Kohlenstoff-, Carilloy T-1- und HY-80-Stählen unter Anwendung gebundener und geschmolzener Zusammensetzungen (wovon eine die erfindungsgemässe Zusammensetzung ist) durchgeführt. Erwünschtenfalls wurde die Spannung durch 24 min langes Erhitzen pro cm Dicke auf 566-5930C (für vergütete und getemperte Stähle) und auf 649 C (für Kohlenstoffstahl) entfernt.
Die mechanischen Schlageigenschaften verschiedener Schweissungen wurden für Stahlzusammensetzungen mit verschiedenen Zugfestigkeiten, nämlich 5273 und 7030 kg/cm2 ermittelt. Dabei wurden bei allen Zusammensetzungen (einschliesslich der erfindungsgemässen, geschmolzenen Zusammensetzungen) bei 5273 kg/cm geeignete handelsübliche Stahl-Schweisselektroden des Molybdän-Mangantyps, für die
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Untersuchungen bei 7030 kg/cm spezielle Legierungs-Schweisselektroden des Mangan-Molybdän-Nickel- typs verwendet.
Die Schlagfestigkeit solcher Schweissungen wurde als Fähigkeit der geschweissten Verbindung ange- geben, einen plötzlichen Schlag ungewöhnlicher Intensität ohne Zerstörung aufzunehmen. Der Stani dard Charpy "V" Kerbschlagzähigkeitstest ergibt eine Basis zur Messung dieser mechanischen Eigenschaft der geschweissten Verbindung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Reihe von Kurven, wo die Kerbschlagzähigkeit gegen die Temperatur aufgetragen ist. Darin ist B die bevorzugte, erfindungsgemässe Zusammensetzung, A die obere Grenze der untersuchten erfindungsgemässen Zusammensetzung und C die untere Grenze der untersuchten erfindungs- gemässen Zusammensetzung. F ist der beste frühere Standard einer handelsüblichen geschmolzenen Zu- sammensetzung (Unionmelt 80) D und E sind früher, handelsübliche gebundene Zusammensetzungen. Als
Bezugszustand der Übergangstemperatur zum Sprödigkeitsbruch ist ein Energieabsorptionszustand (ge- strichelte Linie 26) von 48, 6. 10. 4. kg cal eingezeichnet.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist für Stähle mit einer Zugfestigkeit von 5273 kg/cm die Energie der
Kurve A für Schweissungen, hergestellt aus einer Zusammensetzung beträchtlich grösser als jene, die mit einer andern der geprüften Zusammensetzung erhalten wurde. Die genannte Zusammensetzung stellt die obere Grenze dar, die im Bereich der in Betracht stehenden Zusammensetzungen ausführlich erforscht wurde. Das CaO/SiO-Verhältnis der Zusammensetzung von 1,8 ist grösser als jenes der andern Zusam- mensetzungen, einschliesslich jener, die der Kurve B entspricht und mit einem Verhältnis von 1, 06 be- vorzugt wird. Die der Kurve A entsprechende Zusammensetzung zeigte von der untersuchten Gruppe die günstigste Übergangstemperatur.
Ihre Schweisseigenschaften sind jedoch, verglichen mit jenen der bevor- zugten Zusammensetzung, relativ schlecht, was zu mangelnder Reproduzierbarkeit führt. Die Kurve C entspricht einem CaO/SiO-Verhältnis von 0, 89, welches bedeutend weniger wirksam ist, ab der Kurve B der bevorzugten Zusammensetzung entspricht.
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1, 06 ergab Schweissungen mit sehr günstigen Energieabsorptionswerten mit gleichbleibend guten Schweisseigenschaften. Schlagfestigkeitswerte mit dieser bevorzugten, erfindungsgemässen Zusammensetzung bei - 18 C sind doppelt so gross als jene der handelsüblichen geschmolzenen Standardzusammensetzung (Kurve F) und sind um etwa 500/0 grösser als jene der handelsüblichen, gebundenen Zusammensetzungen (Kurve D).
Der Übergangstemperaturbereich vom duktilen zum Sprödigkeitsbruch (dargestellt durch die fortgesetzten gestrichelten Kurven) liegt für die bevorzugte Zusammensetzung (Kurve B) und die Zusammensetzung mit aussergewöhnlich hohem CaO/SiO-Verhältnis (Kurve A) bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als fur die andern untersuchten Zusammensetzungen. Die Kurve B der erfindungsgemäss bevorzugten Zusammensetzung schneidet die Übergangslinie auch nicht bei Temperaturen von-74 C. Diese Zusammensetzung hat viel bessere Schlageigenschaften als die handelsüblichen gebundenen und geschmolzenen Zusammensetzungen (Kurven D, E, F).
EMI3.2
die obere Grenze der untersuchten Zusammensetzungen darstellt, nicht enthalten ist.
Im allgemeinen zeigen die Kurven verglichen mit jenen der Zugfestigkeit von 5273 kg/cm eine verminderte Schlagfestigkeit. Die Zusammensetzungen behalten jedoch ihre relativen Stellungen bei.
Man sieht also, dass die Schlageigenschaften der Schweissverbindung unter den bei der Prüfung vorherrschenden Bedingungen mit zunehmendem CaO/SiO-Verhältnis von 0,8 auf 1, 8, scharf ansteigen.
Der Überschuss an CaO, der eben über dem stöchiometrischen Verhältnis von 0,933 bis etwa 1,2 liegt, scheint von grösstem Nutzen zu sein.
Optimale Schlageigenschaften erhält man mit einem CaO-Gehalt von 33-55% und einem SiO-Ge- halt von 30-45%. Im allgemeinen erhält man eine erwünschte Schlagfestigkeit und gute Schweissbarkeit, wenn das CaO/SiO-Verhältnis 0, 93-1, 4 beträgt und daneben in der Schweisszusammensetzung andere geringere Zusätze vorhanden sind. Über den vorgeschlagenen Bereich gehender CaO-Gehalt beeinträchtigt die Schweissbarkeit der Zusammensetzung, obwohl die Schlageigenschaften etwas verbessert werden können. Weniger CaO als angegeben bewirkt in der Schweissung schlechtere Schlageigenschaften.
Kryolith (Na3AlF 6) wird als fluoridliefernder Stoff für die erfindungsgemässe Zusammensetzung bevorzugt. Enthält z. B. die erfindungsgemässe Zusammensetzung Wo Kryolith, ist die Schlagfestigkeit bei - 740C grösser als bei Anwendung von 6, 81o Calciumfluorid. Die Werte sind wie folgt :
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<tb>
<tb> Zusammensetzung <SEP> Fliessgrenze <SEP> Charpy <SEP> "V" <SEP> (kg <SEP> cal. <SEP> 10-4),
<tb> : <SEP> (kg/cm2) <SEP> +21 C <SEP> -46 C-510c-74 C <SEP>
<tb> Typ <SEP> A <SEP> (Kryolith) <SEP> 4148 <SEP> 322 <SEP> 227-181
<tb> Typ <SEP> B <SEP> (CaF2) <SEP> 3937 <SEP> 220 <SEP> - <SEP> 81 <SEP> 45 <SEP>
<tb>
Der optimale Kryolith-Gehalt betrâgt 4-15% der gesamten Zusammensetzung.
Oberhalb dieser Grenze wird die Schweissbarkeit beeinträchtigt, während mit einer geringeren Menge die Schlageigenschaften ungünstiger werden.
Um die Schweissbarkeit der Zusammensetzung hinsichtlich Schweisspocken und Porosität zu verbessern, wird der Zusammensetzung MnO zugefügt. Gunstige Schweisseigenschaften ergeben sich bei MnO-Gehalten von 2 bis 10ale.
Die Zugabe von Titanoxyd zur erfindungsgemässen Zusammensetzung beeinträchtigt die Schlageigenschaften des Schweissmetalls, wenn es in einer Menge von mehr als 10% zugesetzt wird. Durch solche Zusätze werden jedoch die Schlageigenschaften bei Raumtemperatur verbessert. Zusätze im Bereich von 5 - 100/0 scheinen hinsichtlich der Raumtemperatureigenschaften günstig zu sein, ohne die Tieftemperatureigenschaften ungünstig zu beeinflussen. Jedoch sind Zusammensetzungen, die im wesentlichen frei von Titanoxyd, billiger und haben bei Raum- und niedrigeren Temperaturen ausgezeichnete Schlageigenschaften. Die Oxyde von Magnesium und Eisen scheinen schädlich zu sein, ihre Maximalmenge sollte nicht mehr als je 1% betragen. Aluminiumoxyd kann bis zu 2% der Gesamtmenge zugegen sein.
Einige der handelsüblichen Lichtbogen-Unterpulverschweisszusammensetzungen werden durch Binden ausgewählter Oxyde von Kalzium, Silizium, Magnesium, Mangan, Aluminium, Zirkonium und Titan mit festem Silikat hergestellt. Im Gegensatz zu dieser angenommenen Praxis mit solchen gebundenen Zusammensetzungen ergab sich jedoch, dass bestimmte Mengen von Natriumoxyd oder Natriumsilikat in der geschmolzenen, erfindungsgemässen Zusammensetzung die Schlagfestigkeit des Schweissmetalls nicht verbessert, sondern eher ungünstig beeinflusst. Daher liegt die obere Grenze für den Natriumoxydgehalt in der erfindungsgemässen Zusammensetzung bei 0, 50ja.
Obwohl einzelne bis jetzt handelsübliche Zusammensetzungen grössere Mengen an Natriumoxyd oder-silikat enthalten, wurde gefunden, dass optimale Schlageigenschaften in geschmolzenen Zusammensetzungen erhalten werden, die nur geringe Mengen solcher Verbindungen enthalten.
Die bevorzugten Anteile und der Konzentrationsbereich der Komponenten der erfindungsgemässen Zusammensetzung sind wie folgt :
EMI4.2
<tb>
<tb> Bereich <SEP> bevorzugt
<tb> 33-55% <SEP> CaO <SEP> 44%)
<tb> 30-45%, <SEP> SiO2 <SEP> 41%) <SEP>
<tb> 0, <SEP> 8-1,8% <SEP> CaO/SiO2-Verhältnis <SEP> 1, <SEP> 67
<tb> 2 <SEP> - <SEP> 6% <SEP> MnO <SEP> 4%
<tb> 2-8% <SEP> Fluorid <SEP> 4% <SEP>
<tb> (wenn <SEP> Kryolith) <SEP> 4-15% <SEP> (wenn <SEP> Kryolith) <SEP> 8%
<tb> Spur <SEP> - <SEP> 10% <SEP> TiO2 <SEP> 1% <SEP> (max)
<tb> Spur-1% <SEP> (max) <SEP> FeO <SEP> 10/0 <SEP> (max)
<tb> Spur <SEP> - <SEP> 1% <SEP> (max) <SEP> MgO <SEP> 1% <SEP> (max)
<tb> Spur-2% <SEP> (max) <SEP> Al2O3 <SEP> 21o <SEP> (max)
<tb> Spur-0, <SEP> 5% <SEP> (max) <SEP> Na2O <SEP> 0, <SEP> 5% <SEP> (max)
<tb>
In den Bereich der Erfindung fällt die Zugabe ausgewählter Mengen von Chrom-und Molybdänoxyden (durch Schmelzen), um den Legierungsgehalt des Schweissmetalls einzustellen. Die Zugabe solcher Oxyde bewirkt vorwiegend ein Ansteigen der Zugfestigkeit. ähnlich kann zur Erzielung einer höheren Zugfestigkeit gepulvertes Nickel im Bereich von 1-4% durch Binden mit Natriumsilikat der erfindungs-
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gemässen Zusammensetzung zugefügt werden. Bei der Prüfung solcher Zusätze in der erfindungsgemässen
Zusammensetzung ergab sich, dass der Chromoxydgehalt 1 oxo und der Molybdänoxydgehalt 5'%'nicht über- schreiten sollte.
Die überlegenen Eigenschaften der erfindungsgemässen Zusammensetzungen wurden empirisch durch Vereinigen der verschiedenen Elemente in der erfindungsgemässen Zusammensetzung mit günstigen Eigen- schaften erreicht. Der Mechanismus, der für die günstigsten Schlageigenschaften verantwortlich ist, ist nicht genau bekannt. Nichtsdestoweniger wurden Schweissungen mit der erfindungsgemässen Zusammen- setzung mit dem Herstellungsverfahren für basische Schlacke bei der Siemens-Martin Stahlproduktion verglichen. Beim Schmelzschweissverfahren von Stahl treten Reaktionen, wie Entschwefelung und Entphosphorung auf. Die Gruppe der stark basischen Schweisszusammensetzungen, zu denen auch die erfindungs- gemässe gehört, begünstigt die Entschwefelungsreaktion, da es bekannt ist, dass starke Basizität zur in- tensiven Entfernung von unerwünschtem Phosphor und Schwefel wesentlich ist.
Die Schwefel- und Phos- phormengen, wie sie beim Schweissverfahren vorkommen, scheinen jedoch in keiner Weise mit solchen
Versuchen in Beziehung zu bringen sein. Es kann daher nicht gesagt werden, ob solche Bestandteile bei der Erzielung günstiger Schlageigenschaften mit der erfindungsgemässen Zusammensetzung von wesent- licher Bedeutung sind.
Da die Einschlüsse im Schweissmetall vorwiegend Silikate sind, ist anzunehmen, dass beim beträcht- lichen Vermindern des Silikatgehaltes im Schweissmetall, wie es bei der erfindungsgemässen Zusammen- setzung der Fall ist, entweder eine bedeutende Änderung in der Silikatchemie oder der mikroskopischen
Verteilung im Schweissmetall eintritt. Die Richtigkeit dieser Theorie kann aus den folgenden Werten ab- geleitet werden, wobei der Siliziumgehalt in der erfindungsgemässen Zusammensetzung um 10 - 20 Punk- te tiefer liegt als in einer handelsüblichen geschmolzenen Zusammensetzung, die eine normale Schlag- festigkeit ergibt.
Schweissmetallzusammensetzungen
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<tb>
<tb> geschmolzene, <SEP> handelsübliche <SEP> erfindungsgemässe <SEP> Zusammensetzung
<tb> Zusammensetzung, <SEP> W/Mn-Mo <SEP> Draht <SEP> mit <SEP> hoher <SEP> Schlagfestigkeit,
<tb> W/Mn-Mo <SEP> Draht
<tb> C <SEP> 0,06 <SEP> 0,07
<tb> Mn <SEP> 0,88 <SEP> 0,67
<tb> Si <SEP> 0, <SEP> 45 <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP>
<tb> P <SEP> 0, <SEP> 014 <SEP> 0, <SEP> 015 <SEP>
<tb> S <SEP> 0, <SEP> 022 <SEP> 0,024
<tb>
Für das Gleichstromschweissen, bei dem die Schweissung von der Oberseite der Verbundstelle her durchgeführt wird und die Oberfläche der Schweisse annähernd horizontal ist, soll die erfindungsgemässe Zusammensetzung vorzugsweise eine Korngrösse von weniger als 1, 7 mm aufweisen. Für das Wechselstromschweissen sollen alle Teilchen hingegen kleiner als 0, 32 mm sein.
PATENTANSPRÜCHE :
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1. Geschmolzene, granulierte Unterpulver-Schmelzschweisszusammensetzung zum Schweissen von Stählen mit hoher Schlagfestigkeit, bestehend aus 33-55 Gew.- CaO, 30-45 Gew.-% SiO2, 2 bis
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