Verfahren zum Überziehen von Schweissstäben aus Leichtmetall mit einer Umhüllung. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen von Schweissstäben aus Leichtmetall mit einer Umhüllung.
Bekanntlich muss die Umhüllungsmasse solcher Schweissstäbe die Fähigkeit besitzen, Leichtmetall-, z.B. Aluminiumoxydschichten, die .die zuschweissende Metalloberfläche be decken, zu lösen. Weiterhin muss sie auch, insbesondere bei Verwendung der Schweiss stäbe als Schweisselektroden, die bei der Er hitzung im Schweisslichtbogen entstehenden Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen des Aluminiums, des Magnesiums und anderer Legierungsbestandteile auflösen können.
Hierbei ist es von Bedeutung, dass durch die Aufnahme der Oxyde und Nitride der Schmelzpunkt der Umhüllungsmasse und der Erstarrungspunkt der resultierenden Schlacke nicht wesentlich erhöht wird, dass die Umhül lung nicht wasseranziehend ist, dass die Ioni- sierbarkeit der Funkenstrecke erhöht wird und dass die entstehende Schlacke spröde ist und leicht von der Schweissnaht entfernt wer den kann.
Über die Beachtung dieser und einer Reihe weiterer Anforderungen darf bei der Auswahl und Zusammenstellung der Mischungsbestandteile, aus denen die Um- hüllungsmasse besteht, nicht übersehen wer den, dass an die mechanische Festigkeit der Umhüllung beim Transport und bei der Handhabung der Schweissstäbe nicht un erhebliche Anforderungen gestellt werden.
Besteht die Umhüllungsmasse aus einem. Salzgemisch, dann können bei der Aufbrin gung des Salzbreies auf die .Stäbe Reak- tionen mit dem Metall beispielsweise auch während des Troeknungsprozees.es eintreten, durch welche -die Viskosität des Salzbreies, mit dem der Stab bedeckt worden ist, schon kurz nach der Aufbringung auf den ,Stab so stark abnimmt, dass die Umhüllung zu fliessen beginnt und von dem Stab abläuft.
Weiterhin kann die mechanische Festigkeit der Umhüllung beispielsweise dadurch stark vermindert werden, dass bei der Erstarrung der Salzkruste spröde Kristallarten entstehen.
Man hat nun, soweit die Ursache für das Auftreten solcher Störungen erkannt worden ist, unter anderem dadurch Abhilfe zu schaf fen versucht, dass man den Mahlungsgrad und damit die Zahl der für die Kristallisation zur Verfügung stehenden Keime erhöhte. oder dadurch, dass man der für die Umhül lung zu benutzenden Mischung die Viskosität steigernde Stoffe, Bindemittel oder Kolloide zusetzte. Diese Massnahmen haben aber nur wenig zur Verbesserung der Brauchbarkeit der Schweissstäbe beitragen können.
Bei An wendung organischer Kolloide wird Kohlen stoff in die Umhüllung eingeführt, der sich gerade bei der Schweissung von Leichtmetall schädlich auswirken kann, und bei Anwen dung anorganischer Bindemittel oder Kol loide, wie z. B. von Bolus alba, muss man mit unerwünschten Verlagerungen des Schmelz punktes der Umhüllung bezw. des Erstar rungspunktes der Schlacke rechnen.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung dieser Nachteile und geht dabei von\ der Erkenntnis aus, dass die oben genannten, von der Umhüllungsmasse beim eigentlichen Schweissvorgang zu lösenden Aufgaben nur von Salzen übernommen werden können, und sie erstrebt deshalb die Schaffung von Schweissstäben, deren Umhüllungsmasse aus schliesslich aus Salzen aufgebaut ist und doch alle oben genannten Forderungen bezüglich der Eigenschaften dieser Masse erfüllen kann.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass die Schweissstäbe in mindesten:, eine breiige Mischung aus mindestens zwei verschiedenen Salzen mit mindestens vier verschiedenen Ionen, die so ausgewählt sind. dass mindestens zwei Salze miteinander in Reaktion treten, getaucht werden.
Die Art der bei der Leichtmetall schweissung zu verwendenden Salze ist an sich bekannt. Es sind hauptsächlich die Halogenide der Alkalimetalle, der Erdalkali- metalle und der Erdmetalle, doch können auch die Salze der fixen Säuren dieser Me- talle der Mischung zugesetzt werden, wie z. B. die Sulfate, Phosphate und dergleichen.
Essei zum Beispiel angenommen, dass die Umhüllung aus zwei Salzen bestehen soll, deren Kationen Ma und Mb und deren Anionen Ra und Rb ind, wobei das Anion R,., eine grössere Affinität zu dem Kation Mb hat als zu dem Kation Ma,
und die Affinität des Anions Ra zu Mb kleiner ist als die Affi- nität des Anions Rb zu Mb. Stellt man nun die Umhüllungsmasse so her, dass man die Salze Ma-Ra und MbRb zu einem Brei anrührt, dann werden zwischen den Salzen keine irgendwie gearteten Reaktionen eintreten.
Eine solche Umhüllungsmasse wird aber, selbst wenn sie sich zum Beispiel im Tauchverfahren auf den Metallstab aufbringen lässt und auf ihm befriedigend trocknet, keine ausreichende Bindung aufweisen, und zwar weder gegen über dem Metallstab noch die einzelnen iSalz- kristalle untereinander. Rührt man aber den Salzbrei unter Verwendung der Salze Ma Rb und M,,Ra an, dann wird folgende Austausch reaktion eintreten:
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Ma <SEP> R,b <SEP> -L <SEP> 31b <SEP> Ra <SEP> * <SEP> Ma <SEP> Ra <SEP> -f-- <SEP> Mb <SEP> Rb. Überzieht man den Stab mit einer solchen Salzmischung kurz vor dem Ende oder am Ende der in ihr stattfindenden Reaktion, dann zeigt die so geschaffene Umhüllung eine überraschend hohe Bindekraft, Festigkeit und Zähigkeit im Vergleich zu der oben genann ten, anders hergestellten Umhüllung chemisch identischer Zusammensetzung.
Die Gedanken, die zu der Erfindung ge führt haben und wahrscheinlich die richtige Begründung für die Erscheinung geben, sind folgende Die mechanische Widerstandsfähigkeit der Umhüllung gegen Stoss- und Schlag beanspruchung hängt davon ab, dass gröbere und feinere Kristallkörner in einem geeig neten Mischungsverhältnis vorliegen, ins besondere aber, dass die gröberen Kristalle der einen Komponente des Gemisches durch feine Körner einer andern Mischungskompo nente miteinander verkittet werden.
Dieser Zustand wird, wie Untersuchungen weiterhin ergeben haben, in befriedigendem Umfang dann erreicht, wenn die den Kitt zwischen den groben Kristallen abgebenden kleinen Kristalle nicht von vornherein in die Mischung eingeführt worden sind, sondern erst in ihr entstehen.
Deshalb ist es auch wünschenswert, dass die Umsetzung im Salzgemisch nicht voll-
EMI0003.0003
Statt des Doppelsalzes Ma Ra . Mb Rb können auch Doppelsalze nach dem Typus Ma. Mb (Rb) oder (Mb) Ra . Rb beZw. beide entstehen: in jedem Falle ist aber .die neu entstehende Ver bindung zu beiden der Hauptkristalle MaRb und Mb Ra chemisch verwandter als diese beiden Kristalle unter sich. Diese nähere Verwandtschaft bedingt aber eine höhere Adhäsion und verleiht daher der Mischung eine grössere Festigkeit.
Das neu entstehende Salz bildet also gewissermassen eine Brücke zwischen den Kristallen der beiden Salze Ma Rb und Mb Ra.
Die vorstehende chemische Erläuterung ist einfacher verständlich als eine Erklärung mit Hilfe kristallographischer Erkenntnisse, denn bei der Erstarrung eines Systems, das aus mindestens vier Elementen besteht, sind die Vorgänge schon recht verwickelt, jeden falls aber ist einzusehen, dass bei dieser Er starrung, wenn der Salzbrei nach den oben erläuterten Erkenntnissen zusammengemischt wurde, verschiedenartige Mischkristalle ent stehen können, die im Sinne einer besseren Bindung der erstarrten Masse wirken.
Die Viskosität des Salzbreies, von der das Haftenbleiben der nassen Mischung auf dem Stab abhängt, wird von den Umsetzungen, die zu den neuen Salzverbindungen führen., unter Umständen nicht unerheblich beein flusst. Vielfach verlaufen diese Umsetzungen exotherm. Die infolgedessen auftretende Wärmesteigerung hat eine Verringerung der Viskosität des die Umhüllung bildenden Salz breies und unter Umständen sein Abfliessen von dem Stab zur Folge. Es ist deshalb beim Auftreten störender Wärmetönungen zweck- ständig ;gemäss .der oben angeführten Formel erfolgt, was auch praktisch kaum eintreten kann.
Die Formel ist nur schematisch und dient zur Erleichterung des Verständnisses.
Praktisch werden beiden meisten in Be tracht kommenden .Salzgemischen als Reak- tionsprodukte neue Salze entstehen, etwa nach der Formel: mässig, dass die Umsetzung vor dem Auf tragender Mischung erfolgt.
Auch kann die Kristallisation der Salz verbindungen die Viskosität beeinflussen. Die durch die Umsetzung der eingeführten Kationen und Anionen entstandenen Verbin dungen wirken hemmend auf die Kristalli sation der übersättigten Mischung, so dass trotz. längeren Stehens die Mischung tauch fähig bleibt. Erst infolge der grossen Ober fläche, welche die dünnen Überzüge nach dem Tauchen auf den Stäben aufweisen und der damit bedingten Entwässerung tritt -die gewünschte Kristallisation ein.
Die Unterbringung der verschiedenen, für die Erfüllung der Aufgaben der Umhüllung notwendigen Salzanteile kann im übrigen in einer, in zwei oder noch mehr verschiedenen Lagen vorgenommen werden, was an sich be kannt ist.
Es hat sich sogar, umstörende Neben reaktionen zwischen den verschiedenen Salzen auszuscheiden, als zweckmässig erwiesen, eine Gruppierung ,der verschiedenen Salze auf die vensehiedenen Lagen vorzunehmen, abgesehen davon, dass (Salze mit höherer Wasserauf- nahmefähigkeit zweckmässig in. den innern Schichten ,der Umhüllung untergebracht wer den.
Ebenso ist es zweckmässig, wegen der Erwärmung der Stäbe, die Höhe ,des iSchmelz- punktes der verschiedenen Schichten zu be- rücksichtigen.
Eine zweckmässige Anordnung,der ,Schioh- ten besteht darin, dass die 'Schicht, welche dem Metallstab am nächsten ist, zum .grössten Teil aus Fluoriden besteht, .entsprechend -dem Verhältnis F : Cl : 2 : 1, während bei den folgenden Schichten F :
Cl @ 2- : 1 sein kann. Die Fluoride sind bei der hohen Lichtbogen - temperatur beständiger als die Chloride, so dass die Verdampfung des Flussmittels ge ringer wird. Die Porigkeit der Schweissnaht wird infolgedessen vermindert.
An einem besonderen Ausführungsbei- spiel einer Umhüllungsmasse, die zum Schweissen von Aluminium-Magnesiumlegie rungen brauchbar ist, soll die Erfindung wei ter erläutert werden: Die Masse besteht im trockenen Zustand aus 28 Gewichtsteilen NaF, 24 Teilen NaCl und 28 Teilen LiCl. Dieses Ausführungsbeispiel erfüllt also ge rade die Forderung der Erfindung, dass min destens vier verschiedene Ionen vorhanden sein müssen; denn diese Masse kann, wenn ihr Wasser zugesetzt wird, in die Ionen Na, Li. F und Cl zerfallen. Nun besitzt das Natrium aber eine höhere Affinität zum Chlor als zum Fluor, und die Affinität des Lithiums zum Chlor ist anderseits geringer als die des Natriums.
Infolgedessen wird sieh das in die Mischung eingeführte Na- triumfluorid mit dem Lithiumchlorid ganz oder teilweise umsetzen. Es wäre also falsch, wenn man die gesamte Natriummenge in Form des Chlorsalzes und das Lithium in Form des Fluorsalzes in die Mischung ein bringen würde, obwohl die quantitative chemische Zusammensetzung einer solchen Mischung gleich der der oben genannter. wäre.
Zum Sehweissen von andern Aluminium legierun.gen, wie z. B. manganhaltige Legie rungen, verwendet man neben den oben ge nannten Salzen noch geringe Zusätze von AlF3 und K2(SO4), KF, KCl und derglei chen. Wie gesagt, sind diese Salze jedoch an sich bekannt.
Die einzelnen Schichten der Umhüllung können weiterhin Zusätze von Salzen der zweiten bis achten Gruppe des periodischen Systems enthalten, wie zum Beispiel:
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MgCl2 <SEP> A1C13 <SEP> SiCl4
<tb> CaCl2 <SEP> ScCl3 <SEP> TiCl4
<tb> VCl5 <SEP> CrCl3 <SEP> MnCl2 <SEP> FeCl3 oder die entsprechenden Sulfate oder Fluo- ride. Die angeführten Salze sind alle fähig, an der Reaktion im oben geschilderten Sinne teilzunehmen.
Je nach der Zusammensetzung der Mischung, die für die Herstellung der ein zelnen Lagen Anwendung findet, weist natürlich das Verfahren der Vorbereitung und Aufbringung des Salzbreies Abweichun gen auf. So werden zum Beispiel solche Salze, die leicht löslich sind, mit weniger Lösungsmittel zu Brei angerührt oder ver- mahlen als schwer lösliche Salze. Im all gemeinen wird die Menge des Lösungsmittel' bemessen nach der für das Aufbringen des Salzbreies auf den Stab günstigsten Visko sität.
Die Lösungsmittelmenge wird also meist nicht dazu ausreichen, die Mischungs partner gänzlich aufzulösen. Sie muss aber so bemessen sein, dass diejenigen Anteile, die, wie oben dargelegt, miteinander umgesetzt werden sollen, in Lösung gebracht werden können. Es ist naheliegend, dass gegebenen falls auch von der Löslichkeitsveränderung durch die Temperatur Gebrauch gemacht wird, ebenso wie es unbenommen ist. die Menge des Lösungsmittels zunächst so weit zu steigern, dass eine mehr oder weniger voll kommene Auflösung herbeigeführt und dann durch Entfernung des grössten 'Teils des Lösungsmittels die Kristallisation in .der er wünschten Weise gelenkt wird.
Ausführungsbeispiel: Es soll ein aus einer Aluminiumlegierung mit ungefähr 2 % Mg und 1 % Mn bestehender Stab zum Schweissen eines Werkstückes der selben Legierung mit einer Umhüllung aus drei verschiedenen Schichten versehen wer den. Zu diesen Zwecke werden die Tauch massen fol^-endermassen angesetzt:
EMI0004.0040
<I>1. <SEP> Ta-uchynasse:</I>
<tb> 90 <SEP> Teile <SEP> NaF
<tb> 42 <SEP> " <SEP> LiCl
<tb> 1.00 <SEP> " <SEP> 11,.0 <SEP> von <SEP> 20, <SEP> C werden zur Reaktion gebracht, wobei eine Erwärmung auftreten kann. Nach der Ab kühlung werden zugesetzt:
EMI0005.0000
118 <SEP> Teile <SEP> NaCl
<tb> 112 <SEP> " <SEP> AlF,.
Na kann ganz oder teilweise mit K ver tauscht werden. Die Reaktion tritt in glei cher Weise ein.
EMI0005.0002
<I>.'?. <SEP> Tauchmasse:</I>
<tb> 54 <SEP> Teile <SEP> KF
<tb> 42 <SEP> " <SEP> LiCl
<tb> 50 <SEP> " <SEP> H20 <SEP> von <SEP> <B>920'</B> <SEP> C werden zur Reaktion gebracht. Nach der Abkühlung werden zugesetzt: 74 Teile KCl.
An die Stelle von K kann ganz oder teil weise auch Na treten. Die Reaktion tritt in gleicher Weise ein.
EMI0005.0003
<I>3. <SEP> Tauchmasse:</I>
<tb> 84 <SEP> Teile <SEP> NaF
<tb> 75 <SEP> " <SEP> LiCl
<tb> 150 <SEP> " <SEP> H.0 <SEP> von <SEP> 20' <SEP> C werden zur Reaktion gebracht. Nach der Ab kühlung werden zugesetzt:
EMI0005.0005
335 <SEP> Teile <SEP> NaCl
<tb> <B>1.6,8</B> <SEP> " <SEP> AlF,
<tb> 34,2 <SEP> " <SEP> A12(S04),
<tb> 14,2 <SEP> " <SEP> Na2804. An Stelle von Na kann ganz oder teilweise K treten, die Reaktion tritt in gleicher Weise ein.
Diese Massen sind in ihrer Tauchfähig keit beständig. In .der laufenden Herstellung werden die Stäbe in Gruppen von mindestens 20 Stück in :der angegebenen Reihenfolge getaucht. Nach jedem Tauchvorgang ist ein Trocknen bei von 20 bis auf<B>180'</B> C steigen- ,den Temperaturen notwendig. Der Trocken vorgang wird zweckmässig in einem Ofen mit steigender Temperatur vorgenommen und er streckt sieh über mindestens 2-4 Stunden. Nach dem Trocknen sind die Schichten fest und lösen sich beim nächsten Tauchvorgang nicht ab.