DE10043045A1 - Schweißbadsicherung sowie Verfahren zur Herstellung solcher Schweißbadsicherungen - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißbadsicherung aus keramikartigem Material zu schaffen, welches eine Sinterung bei der Erweichungstemperatur der Bestandteile erfordert und zugleich die Nachteile des Standes der Technik, wie beispielsweise ungleichmäßige Aushärtung einer Wasserglaskomponente mittels Kohlendioxidgas oder explosionsartige Freisetzung von Wasserdampf beim Schweißen bei der Verwendung von Sorelzement als Bindemittel, vermieden werden. DOLLAR A Diese Aufgabe wird durch eine Schweißbadsicherung mit einem Gehalt an Quarzmehl sowie an Wasserglas gelöst, die aus einem Formkörper mit einem Gehalt an wasserfreiem Kaolin besteht, welcher im steifplastischen Zustand geformt und durch Tempern unterhalb der Sintertemperatur verfestigt worden ist. DOLLAR A Die Erfindung ist beim Schmelzschweißen insbesondere dicker Bleche anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft Schweißbadsicherungen, wie sie vor allem beim Stumpf­ schweißen langer Nähte zwischen zwei Blechen durch Kleben, Klemmen oder manchmal auch magnetisch unter der Schweißfuge befestigt werden, damit das schmelzflüssige Metall im Moment der Schweißung nicht durch diese Fuge "hindurchfällt", sondern Gelegenheit zum Erstarren erhält. Durch die Form der Schweißbadsicherung kann weiterhin die gewünschte Form der Schweißnaht (meist eine leicht bogenförmig konvexe Form) beeinflußt sowie durch Bestandteile oder Zusätze (sogenannte "Schweißpulver") der Schweißbadsicherung der Schmelzvorgang selbst günstig beeinflußt werden. Dabei unterscheidet man le­ gierende Schweißpulver, aus denen Bestandeile eine Legierung mit dem ge­ schweißten Metall eingehen und auf diese Weise die stofflichen Eigenschaften der Schweißnaht verbessern und nicht legierende Schweißpulver, welche zu Schlacken schmelzen und so eine glatte Oberfläche der Schweißnaht ergeben und/oder den Zutritt von Luftsauerstoff verhindern bzw. sogar reduzierend wirken.

Grundsätzlich bestehen die Schweißbadsicherungen aus Keramik oder aus einem Metall, wegen der guten Wärmeleitungs-Eigenschaften meist Kupfer (H. Gräfen (Hrsg.), Lexikon der Werktstofftechnik, Düsseldorf 1991, S. 897). Um eine Mehr­ fachnutzung zu ermöglichen, ist auch eine Kombination beider Materialien in der Weise bekannt, daß Träger aus Metall durch thermisches Spritzen mit einem ke­ ramischen Werkstoff beschichtet werden. In gleicher Weise kann nach mehrfa­ cher Verwendung eine Regenerierung erfolgen (DE 197 25 437 A1).

Dies ändert nichts an der Tatsache, daß Schweißbadsicherungen aus Keramik in aller Regel nur einmal verwendbar sind. Hier ist die Entwicklungsarbeit darauf zu konzentrieren, das Herstellungsverfahren der Keramik oder eines keramikähnli­ chen Stoffes rationeller zu gestalten.

So ist es speziell zur Herstellung von Schweißbadsicherungen bekannt, ein Ge­ misch aus Quarzsand, Schweißpulver und Wasserglas durch Begasung mittels Kohlendioxid auszuhärten (DE 29 20 650). Dieses Aushärten muß in der endgül­ tigen Form erfolgen. Die Begasung erfolgt nur für 3 bis 5 Sekunden und ist ein schwer kontrollierbarer Verfahrensschritt ist, weil man nie sicher sein kann, ob die von der Form abgedeckten, von der freien Oberflächen entfernten Bereiche des Formling genügend ausgehärtet sind. Eine plastische Formgebung ist bei diesem Gemisch und Verfahren nicht möglich.

Der Aufwand zur Sinterung des Formlings bei der Herstellung keramischer Schweißbadsicherungen wird auch bei einem Verfahren vermieden, bei welchem die kalthärtende keramische Masse aus einem Gemisch von Magnesiumchlorid­ lauge und kaustischer (gebrannter) Magnesia besteht (DD 2 61 976 A1). Dieses auch als Sorelzement bekannte Gemisch hat bei der vorgesehenen Applikation den Nachteil, daß es sich nicht durch plastische Verarbeitung formen läßt, da die Topfzeiten des Gemisches in der Größenordnung von Minuten liegen. Weiterhin hat das Gemisch den Nachteil, daß das auch im ausgehärteten Zustand noch enthaltende Wasser beim Schweißen explosionsartig entweicht und den Schweißprozeß erheblich stört bzw. zunichte macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißbadsicherung aus kera­ mikartigem Material zu schaffen, welches keine Sinterung bei der Erwei­ chungstemperatur der Bestandteile erfordert und zugleich die Nachteile des Standes der Technik bei der Anwendung der Schweißbadsicherung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Überraschend wurde gefunden, daß der Zusatz wasserfreien Kaolins zu einem Gemisch aus Quarzmehl, Tonerde und Wasserglas in doppelter Hinsicht eine vorteilhafte Wirkung entfaltet. Zum einen dient es als Plastifikator bei der Form­ gebung, insbesondere durch Extrusion, was für die Schweißbadsicherungen als langgestreckte Profile mit konstantem Querschnitt ein besonders vorteilhaftes Formgebungsverfahren ist. Zum anderen hat es die Wirkung eines Schweißpul­ vers bei der Ausbildung einer sauberen Schweißnaht. Diese Funktion kann der natürliche, wasserhaltige Kaolin nicht erfüllen, da sich dessen chemisch gebun­ denes Wasser bei den genannten Aushärtungstemperaturen nicht vollständig entfernen läßt und es bei der Schweißtemperatur ebenfalls zu der oben geschil­ derten explosionsartigen Freisetzung von Wasser bzw. Wasserdampf käme. Fig. 1 zeigt eine Schweißnaht, welche unter Anwendung der erfindungsgemäßen Schweißbadsicherung hergestellt wurde. Fig. 2 zeigt hingegen eine Schweißnaht, welche mit einer Schweißbadsicherung ohne wasserfreies Kaolin hergestellt wur­ de.

Der Gehalt an Tonerde gibt der erfindungsgemäßen Schweißbadsicherung nach einer Temperung bei etwa 600°C eine ausreichende Formfestigkeit, die auch beim und nach dem Schweißvorgang erhalten bleibt.

Das Quarzmehl dient der Ausbildung einer Schlacke beim Schweißen, auf wel­ cher die Schmelze des zu schweißenden Metalls ruht.

Das trockene Wasserglas dient als bei relativ niederen Temperaturen aushärten­ des Bindemittel, wobei durch eine genau bemessene Zugabe von Wasser zum Gesamtversatz die gewünschte Viskosität, Plastizität und Klebewirkung für das gewählte Formgebungsverfahren, wie beispielsweise Pressen oder Extrudieren, einstellbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung sind:
Die möglichen Aufbereitungs- und Formgebungsverfahren sind kompatibel zu denjenigen, mit denen Schweißbadsicherungen aus Keramik hergestellt werden. Durch den Wegfall des Sintervorganges und durch den Einsatz preisgünstiger Rohstoffe lassen sich gegenüber gesinterter Keramik Kosteneinsparungen erzie­ len.

Die erfindungsgemäße Schweißbadsicherung ist für alle Lichtbogenschweißver­ fahren, wie beispielsweise MAG, MIG, WIG und UP-Schweißen und auch für eine große Gruppe zu schweißender Materialien von unlegierten Baustählen bis zu hochlegierten Stählen sowie Aluminium einsetzbar.

Die Anpassung an das zu schweißende Material und an das Schweißverfahren kann auch durch zusätzliches Einbringen von Schweißpulver, welches beispiels­ weise außer dem bereits im Grundversatz vorhandenen Aluminiumoxid und Quarzsand meist noch Flußmittel, wie Fluoride, sowie Legierungsbildner, wie Mangan, Titan und/oder Molybdän enthält, in den Versatz zur Herstellung der Schweißbadsicherungen erfolgen. Die Eigenschaften des Schweißpulvers, wobei es wiederum vor allem um die Bildung einer Schmelze bzw. Schlacke während des Schweißprozesses geht, bleiben bei der Aushärtung der Schweißbadsiche­ rungen bei den relativ niederen Temperaturen erhalten, da keine chemische Um­ setzung bzw. Mischphasenbildung mit den anderen Versatzbestandteilen erfolgt.

Durch das Tauchen der ausgehärteten Schweißbadsicherungen nach der Tempe­ rung in eine Silikonatlösung wird ein Schutz gegen die Aufnahme von Wasser aus der Umgebung geschaffen, der auch bei langer Lagerung wirksam.

Die Form der Schweißbadsicherung kann dem Anwendungsfall, wie beispielswei­ se Stumpfstoß oder T-Stoß mit unterschiedlichen Luftspalten, angepaßt werden.

Die Befestigung der Schweißbadsicherung kann durch die gebräuchlichen selbstklebenden Aluminiumbänder erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Die beiden beigefügten Abbildungen zeigen einen Vergleich des Aussehens der Schweißnähte mit und ohne Anwendung der Erfindung und betreffen den fol­ genden speziellen Applikationsfall:
Es wurden Stahlplatten aus St 37 mit einer Dicke von 8 mm und einer Fase von 45° auf einer Länge von 250 mm mit Hilfe des Metall-Schutzgas-Schweißens (MSG) von Hand geschweißt. Dabei wurden die Stahlplatten an ihren Stirnseiten derart geheftet, daß ein Spalt mit einer Breite von 3 mm bis 4 mm entstand. Unter diesen Spalt wurden zum einen die erfindungsgemäßen (Fig. 1) und zum anderen Schweißbadsicherungen ohne wasserfreien Kaolin (Fig. 2) geklebt. Daraufhin wurde mit einer Stromstärke von etwa 200 A und einer Spannung von 23 V bis 25 V sowie einer Geschwindigkeit von etwa 25 cm/min eine V-Naht geschweißt. Als Schutzgas diente ein Gemisch aus 82% Argon und 18% Kohlendioxid.

Die Formgebung der Schweißbadsicherungen wird nachfolgend am Beispiel der Extrusion und des Trockenpressens erläutert:

Extrusion

Es wird ein Versatz der folgenden Zusammensetzung in Masse-% vorbereitet:

Tonerde	19
Quarzmehl	56
wasserfreier Kaolin	12
trockenes Wasserglas	13

wobei zunächst die ersten drei aufgeführten Bestandteile in einen auf 15°C ge­ kühlten Kneter gegeben werden. Das trockene Wasserglas wird separat in ein Gefäß eingewogen und in 70% der zuvor durch Versuche ermittelten, zur Erzie­ lung der richtigen Viskosität erforderlichen Wassermenge gelöst. Diese Wasser­ glaslösung wird langsam den anderen Bestandteilen im laufenden Kneter zuge­ geben und untergemischt. Mit dem restlichen Wasser erfolgt im gleichen Kneter die "Feineinstellung" der Viskosität. Die fertige Masse kann einige Stunden bis zu maximal einem Tag in luftdicht verschlossenen Behältern gelagert werden, ohne daß die Verarbeitbarkeit leidet. Dann erfolgt die Extrusion, wobei der Extruder möglichst ebenfalls auf 15°C gekühlt werden sollte.

Nach dem Verlassen des Extruder-Mundstückes werden die Grünlinge auf die gewünschte Länge geschnitten und auf Brettern aus Holz ohne Abdeckung bei Raumklima gelagert. Nach einem Tag sind sie soweit getrocknet und gehärtet, daß sie getempert werden können. Die Temperung erfolgt über 2 Stunden bei et­ wa 600°C. Es ist vorteilhaft, die Schweißbadsicherungen nach der Temperung kurz in eine Silikonatlösung zu tauchen. Nach einer Trockenzeit von etwa 2 Stun­ den sind sie gebrauchsfertig und können für die Anwendung beim Kunden bei­ spielsweise auf selbstklebendes Aluminiumband aufgebracht werden.

Trockenpressen

Der gleiche Versatz, wie oben bei der Extrusion beschrieben, wird einschließlich trockenem Wasserglas in einem Intensivmischer bei 500 U/min etwa 2 Minuten gemischt. Durch eine schrittweise Zugabe von Wasser wird ein Aufbaugranulat gebildet, welches zur Vermeidung von Trocknung bzw. Aushärtung in luftdichten Behältern gelagert wird. Dann erfolgt die Formgebung durch Trockenpressen. Die weitere Verarbeitung entspricht dem Ausführungsbeispiel für die Extrusion.

Claims (7)

1. Schweißbadsicherung mit einem Gehalt an Quarzmehl sowie an Wasserglas, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Formkörper mit einem Gehalt an wasserfreiem Kaolin besteht, welcher im steifplastischen Zustand geformt und durch Tempern unterhalb der Sintertemperatur verfestigt worden ist.

2. Schweißbadsicherung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Tonerde, welcher dem Formkörper nach der Temperung sowie während des bzw. nach dem Schweißvorgang eine ausreichende Formfestigkeit gibt.

3. Schweißbadsicherung nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch den folgenden Zusammensetzungsbereich in Masse-%:

4. Schweißbadsicherung nach einem der bisherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch den Zusatz eines herkömmlichen Schweißpulvers.

5. Verfahren zur Herstellung von Schweißbadsicherungen nach einem der bishe­ rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem trockenen Versatz Wasser zur Einstellung der Viskosität für das gewünschte Formgebungsverfahren, vor­ zugsweise Trockenpressen oder Extrudieren (Strangpressen) zugegeben wird, die Formgebung des Profils der Schweißbadsicherung erfolgt und dann bei 500°C bis 800°C, vorzugsweise bei etwa 600°C, eine Temperung zum Aushärten und zum vollständigen Entfernen des eingebrachten Wassers erfolgt.

6. Verfahren zur Herstellung von Schweißbadsicherungen nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß pulverförmiges oder granuliertes Wasserglas als bei niedrigen Temperaturen aushärtendes Bindemittel eingesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die fertigen Schweißbadsicherungen in eine Silikonatlösung getaucht werden.