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Verfahren, Stahlsand und Vorrichtung zum Lichtbogen-Verbindungsschweissen mit abschmelzender Elektrode und verdecktem Lichtbogen (Unterpulverschweissen)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lichtbogen-Verbindungsschweissen mit abschmelzender Elektrode und verdecktem Lichtbogen (Unterpulverschweissen) unter Verwendung eines stromlos in den Lichtbogen eingebrachten Zusatzmetalls. Es ist bekannt, dass bei den üblichen
Unterpulver-Schweissverfahren auf Grund starker Überhitzung der Schweissstelle ein im Vergleich mit andern Lichtbogen-Schweissverfahren grosser Anteil des Grundmetalls aufgeschmolzen wird.
Das Ver- hältnis von abgeschmolzenem Elektrodenmetall zu aufgeschmolzenem Grundmetall liegt je nach Art des verwendeten Schweisspulvers zwischen den Werten 1 : 1,8 und 1 : 2. 1. Der verhältnismässig grosse An- teil des Grundmetalls in der Schweissschmelze verleiht den Unterpulver-Schweissverfahren eine hohe Sicherheit in der Verfahrensdurchführung und bedingt auch, vor allem bei extrem dicken Werkstücken, ihre Wirtschaftlichkeit. Demgegenüber genügt jedoch die Schweissnaht besonders hohen Qualitätsanforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Kerbschlagzähigkeit, nicht immer. Dieser Nachteil wird in erster Linie von Verunreinigungen verursacht, die durch den grossen Anteil des aufgeschmolzenen Grundmetalls, das im allgemeinen nicht die gleichen Reinheitsgrade wie das Elektrodenmetall aufweist, in die Schweissnaht gelangen.
Darüber hinaus hat die Überhitzung und starke Aufschmelzung des Grundmetalls zurFolge, dass gewisse Sondereigenschaften desselben, beispielsweise seine Primärfeinkörnigkeit, verloren gehen können.
Es wurde deshalb schon versucht, Mittel und Wege zu finden, den grossen Anteil des Grundmetalls in der Schweissschmelze zu verringern. Bei den unter diesem Gesichtspunkt entwickelten Verfahren wird neben der abschmelzenden Elektrode noch ein Zusatzmetall stromlos in die Schweissschmelze eingebracht. Hinsichtlich der Art und Weise, wie dieses Zusatzmetall am zweckmässigsten zugegeben wird, sind die verschiedensten Verfahren bekanntgeworden. Am bekanntesten sind die sogenannten Kaltdrahtverfahren, bei denen Schweissdrähte oder profilierte Schweissstäbe neben der abschmelzenden Elektrode in den Lichtbogen eingeführt werden. Bei einem andern bekannten Verfahren werden zusätzliche Schweissdrähte oder-stäbe in mehr oder weniger grossen Teilen in die Schweissfuge eingelegt.
Ausserdem ist es beim Unterpulver-Auftragsschweissen bekannt, Metallteilchen als Zusatzwerkstoff zu verwenden.
Alle diese bekannten Verfahren haben Nachteile, die als Folge eine Störung der Gleichmässigkeit des Lichtbogens und damit Fehler in der Schweissnaht bewirken. Beispielsweise wird beim Kaltdrahtverfahren durch das Einführen der Drähte oder Stäbe in den Lichtbogen die auf der Schweissschmelze schwimmende Schlackendecke, die den Lichtbogen gegen die Atmosphäre schützt, gestört. Das Einlegen von Drähten in die Schweissfuge wieder kann dadurch zu Schwierigkeiten führen, dass sich die Drähte, wenn es sich um längere Stücke handelt, unter dem Einfluss der Hitze vom Untergrund abheben und ihren elek-
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beschriebenen Regeln für die Verfahrensdurchführung führt zu einer Erhöhung der Schmelzleistung und damit, bei Verringerung des Einbrandes, zu einer grösseren Schweissgeschwindigkeit.
Sie hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Metallsand in seiner Zusammensetzung auf einfachste Weise dem Grundmetall angepasst und jeweils die am besten geeignete Zusammensetzung ausgewählt werden kann. Hiedurch ergeben sich äusserst vielseitige Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens.
Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemässe Unterpulver-Schweissverfahren beispielsweise bei seiner Anwendung auf das Stahlschweissen. Hier lässt sich mit Hilfe der Zusammensetzung des Metallsandes, d. h. in diesem Falle eines Stahlsandes, die Schweissschmelze in einfachster Weise metallurgisch beeinflussen. Zu diesem Zweck enthält der erfindungsgemässe Stahlsand geringe Mengen von Legierungbestandteilen, die einerseits die Zahl der Kristallisationskeime in der Schweissschmelze vergrössern und damit die Feinkörnigkeit der Schweissnaht verbessern und anderseits die im Stahl gelösten Mengen an Sauerstoff und Stickstoff abbinden.
Die Zugabe der gewünschten Metalle zum Stahlsand ist äusserst einfach und kann durchZumischen von geringen Mengen eines entsprechenden Metallsandes oder durch Zulegieren dieser Metalle zum Ausgangsmaterial des Stahlsandes geschehen. In jedem Falle ist dieses Zugabeverfahren der Legierungsbestandteile wesentlich einfacher und billiger als eine Beeinflussung der Schweissschmelze durch das bekannte Einlegen von Drähten bestimmter Zusammensetzung in die Schweissfuge oder als die Verwendung von entsprechend legierten Drahtelektroden, wobei bei letzteren noch hinzukommt, dass in diesen die Legierungsbestandteile erst in grösseren Mengen wirksam werden.
Erfindungsgemäss besitzt ein für das Schweissen von Qualitätsstählen geeigneter Stahlsand Phosphorund Schwefelgehalte von jeweils unter 0, 020/0, einen Siliziumgehalt unter 0, 150/0 und einen Mangangehalt zwischen 0,5 und 2, 50/0. Ausgezeichnete Schweissergebnisse können mit dem erfindungsgemässen Verfahren dann erzielt werden, wenn der Stahlsand eines oder mehrerer der Elemente Titan, Aluminium, Zirkon, Vanadium und Niob enthält.
Besondere Vorteile im Hinblick auf die angestrebten Reaktionseffekte mit Stahlbegleitem und damit auf eine gute Qualität der Schweissnaht sind von einem Stahlsand zu erwarten, dessen Zusammensetzung so mit den variablen Grössen des Verfahrens abgestimmt ist, dass, bezogen auf die gesamte Schweissgutmenge, in der Schmelze folgende Anteile an Zusatzelementen vorhanden sind :
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<tb>
<tb> Titan <SEP> 0,05 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 15% <SEP>
<tb> Aluminium <SEP> 0,05 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> %
<tb> Zirkonium <SEP> 0,02 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> Vanadium <SEP> 0,04 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 15% <SEP>
<tb> Niob <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> bis <SEP> 0, <SEP> 1%. <SEP>
<tb>
Liegen diese Zusatzelemente ausserhalb der angegebenen Grenzen, so ist mit einer Herabsetzung der Qualität der Schweissnaht zu rechnen. Insbesondere wirkt sich eine Überkonzentration nachteilig auf die Zähigkeit des Stahles aus. Die Anwendung der Zusatzelemente kann einzeln oder in Gruppen erfolgen, wobei bei der Gruppenanwendung etwas höhere Prozentsätze als bei der Einzelanwendung günstig sind. Durch sorgfältiges Abstimmen der Stahlsandzusammensetzung auf den zu schweissenden Stahl kann der Verunreinigungsgrad der Schweissschmelze wesentlich herabgesetzt und hohe Kerbschlag zähigkeitswerte können gesichert werden.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, die sich von den bekannten Vorrichtungen zum Unterpulverschweissen im wesentlichen dadurch erfindungsgemäss unterscheidet, dass sie, in Schweissrichtung gesehen, vor der Zugabeeinrichtung für das Schweisspulver einen Metallsandzugeber aufweist. Dieser Metallsandzugeber besitzt eine Dosiereinrichtung, mit der die Menge des in die Schweissfuge einzubringenden Metallsandes reguliert werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Schweissvorrichtung wird die Dosierung des Metallsandes in einfachster Weise dadurch erreicht, dass der Abstand der Mündung des Metallsandzugebers vom Boden der Schweissfuge auf bestimmte Werte eingestellt werden kann.
Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der Rieselfähigkeit des Metallsandes, die wieder von dessen Korngrössen-
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naue Dosierung erzielt werden. Diese Art der Bemessung, die eine Volumenmessung darstellt, hat zwar ein definiertes Schüttgewicht des Metallsandes zur Voraussetzung, doch gewährleistet sie in vorteilhafter Weise eine einfache und vor allem störunanfällige Zugabe des Metallsandes.
Die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Vorrichtung lässt die Wirkungsweise einer solchen Unterpulver-Schweissvorrichtung erkennen.
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Das Werkstück-l-das eine V-förmige Schweissfuge --2-- aufweist, soll mit Hilfe einer ab- schmelzenden Drahtelektrode --3-- verschweisst werden. Der Lichtbogen zwischen der Drahtelektro- de --3-- und dem Werkstück-l-brennt innerhalb einer Aufschüttung --4-- eines Schweisspulvers, welches durch eine im wesentlichen aus einem Behälter --6-- und einem Rohr --7-- bestehende Zugabeeinrichtung --5--, die in Schweissrichtung --8-- gesehen vor der Drahtelektrode --3-- angeordnet ist, der Schweissstelle zugeführt wird.
In Schweissrichtung gesehen vor der Zugabeeinrichtung --5-- für das Schweisspulver befindet sich erfindungsgemäss der Metallsandzugeber-9-, der ebenfalls im wesentlichen aus einem Behälter --10-- und einem Rohr --11-- besteht. Der Metallsandzugeber --9-- ist in seiner Höhe verstellbar. Eine Vorrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen der Mündung des Rohres --11-- und dem Boden der Schweissfuge --2-- ist schematisch durch ein Zahnrad --12-- und einer diesem zugeordneten Zahn- stange --13-- angedeutet.
Der Metallsand, der auf Grund seiner erfindungsgemässen Korngrössenzusammensetzung und der kugeligen Form der Körner eine gute und gleichmässige Rieselfähigkeit besitzt, kann durch die Einstel- lung des Abstandes zwischen der Mündung des Rohres --11-- und dem Boden der Schweissfuge --2-- auf einfachste Weise zuverlässig dosiert werden. Während des Schweissens, d. h. bei einer Vorwärtsbewegung der Schweisseinrichtung in Richtung des Pfeiles --8--, bildet sich so eine Aufschüttung --14-- des Me- tallsandes, die anschliessend von der Aufschüttung --4-- des Schweisspulvers überdeckt wird. Die Auf- schüttung --14-- des Metallsandes füllt im allgemeinen 2/3 bis 1/1 des Volumens der Schweissfuge aus.
Das erfindungsgemässe Unterpulver-Schweissverfahren eignet sich in der beschriebenen Art hervor- ragend für jede Art von Verbindungsschweissungen. Durch geeignete einfache Abwandlungen kann es darüber hinaus auch vorteilhaft für Auftragsschweissungen Verwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Lichtbogen-Verbindungsschweissen mit abschmelzender Elektrode und verdeck- tem Lichtbogen (Unterpulverschweissen) unter Verwendung eines stromlos in den Lichtbogen eingebrach- ten Zusatzmetalls, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmetall als Metallsand vor der
Durchführung der Schweissung und vor der Aufbringung des die Schweissfuge bedeckenden Schweisspul- vers, in die Schweissfuge eingebracht wird, wobei die Korngrösse der vorzugsweise kugeligen Körner des
Metallsandes zwischen 0,2 und 3, 0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8 mm, liegt.