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Verfahren zum Verbinden und Aufbauen von metallischen Werkstücken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbindung eines Stahl-, Gußeisen-
oder Nichteisenmetallteiles mit einem gleichartigen oder ungleichartigen Teil und
auf das Auftragen eines Stahl-, Gußeisen- oder Nichteisenmetallteiles.
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Das Verfahren ist anwendbar auf legierte Stähle, wie Molybdänstahl,
Vanadiumstabl, Chrom-Nickel-Stahl sowie rostfreie Stähle.
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Die Erfindung wird im folgenden für die Verwendung bei Stahllegierungen
beschrieben.
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Bei den üblichen Schweißverfahren entstehen Hochtemperatur-Schmelzschweiß-Stellen
durch lokales Schmelzen des Stahles und Einfüllen eines geschmolzenen Stahlzusatzmaterialis
mittels einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme oder des elektrischen Lichtbogens.
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Die Nachteile des Schmelzschweißens sind: Spannungen, Verwerfungen,
Sprünge und in vielen Fällen die Bildung von hartem und brüchigem Marttensit an
der Schweißstelle, Vermischung des Zusatzmaterials mit dem Grundmetall und bei einer
der Hitze ausgesetzten Zone Wachstum des Kornes und andere Änderungen in der Gefügestruktur.
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Um hohe Arbeitstemperaturen zu vermeiden, wird vielfach ein
Lötverfahren benutzt, welches darin besteht, daß der Stahl auf die Schmelztemperatur
eines Nichteisenlötmaterials erhitzt wird, die niedriger als die Schmelztemperatur
des Stahles liegt. Nachteile des Lötens sind: ungleichartige Füllmetalle, niedrigere
Festigkeit und Härte, insbesondere bei höheren Temperaturren, Unmöglichkeit einer
Hitzebehandlung und Sichtbarkeit der Verbindung. Wesentlich ist auch, daß Lötmetalle,
nur in einem sehr begrenzten Temperaturbereich eine Bindung eingehen.
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Die Erfindung soll die im vorstehenden aufgeführten Nachteile beseitigen.
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Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zum Verhinden und Aufbauen
von metallischen Werk-@stücken mit Hilfe eines im geschmolzenen Zustand aufgebrachten
Füllwerkstoffes darin, daß auf die zu verbindenden oder aufzubauenden Stellen des
Werkstückes eine Schweißraupe von. legierter Stahlzusammensetzung aufgetragen wird,
wobei auch die Bindungszone des Werkstückes ständig auf Temperaturen unterhalb dessen
Schmelztemperatur gehalten wird.
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Da das Verfahren nach der Erfindung die Vorteile des Schweißens mit
denen des Lötens vereint, wird das neue Verfahren zweckmäßig als »Schweiß-Löt-Verfahren«
bezeichnet.
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Das Verfahren nach der Erfindung gestattet es auch, die physikalischen
und chemischen Eigenschaften der aufzutragenden legierten Stahlraupe nach Belieben
zu verändern und die Eigenschaften der Raupe vollkommen unabhängig von den Eigenschaften
des Grundwerkstoffes zu halten.
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Durch die Erfindung ist es weiter möglich geworden, einen wesentlich
erweiterten Arbeitstempera turbereich zu schaffen gegenüber den Bereichen beim Schmelzschweißen
und Löten. Dieser erweiterte Temperaturbereich erleichtert die Ausführung des Verfahrens.
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Die Erfindung benutzt zwei Haupttypen von Legierungen, welche Fließ-
und Bindeeigenschaften besitzen, die zur Ausführung des Verfahrens notwendig sind.
Die erste Art von Legierungen basiert auf Stahl. Sie enthält weniger als 1,7% Kohlenstoff
in gebundener Form und ist mit Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Elementen
legiert. Die zweite Type der Legierungen basiert auf Nichteisenmetallen, sie enthält
jedoch beträchtliche Zusätze von Stahl.
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Dadurch entstehen Verbindungen und Eutektika zwischen Eisen, Kohlenstoff,
Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Elementen. Diese Zusammenstellungen ermöglichen
die Veränderung der physikarlis chen und chemischen Eigenschaften der Zusatzstoffe.
Außerdem ist es möglich, die Farbe der Raupe dem Grundmetall anzugleichen.
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Versuche haben gezeigt, daß die Fließ- und Bindeeigenschaften der
legierten Stahlzusätze von überragender Wichtigkeit für die Ausführung des Schweißlötens
sind.
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Wenn ein legierter Tropfen des Zusatzstahleis mit richtiger Bindetemperatur
auf die Oberfläche des Stahles aufgetragen wird, verzinnen die besser fließenden
Bestandteile das Grundmetall im Anfang des Verfahrens und tragen und verteilen die
höherschmelzenden Legierungsbestandteile wie ein Fließmedium.
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Je länger die notwendige Temperatur für die
Diffusion
und Durchdringung des Tropfens in das Grundmetall gehalten wird, desto vollkommener
werden alle metallurgischen Reaktionen innerhalb der aufgetragenen Raupe und an
der Grenzzone sein, und um so vollkommener wird die Bindung durch Durchdringung
und Diffusion zwischen Raupe und Grundmetall erzielt werden, und zwar bei der niedrigstmöglichen
Bindetemperatur.
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Beispiele für zweckmäßige Legierungen in Gewichtsteilen für den Auftragwerkstoff
sind folgende:
| Legierung C |
| Fe Mn si P Cr Ni Cu |
| Mo Ca B |
| 1 0,877 81,65 8,80 5,50 2,75 - - - - - - |
| 2 0,57 73,25 4,96 3,05 1,53 11,40 5,10 - - - - |
| 3 0,231 57,60 1,70 2,57 1,28 9,66 15,59 11,31 - - - |
| 4 0,137 89,70 0,34 3,25 1,63 3,58 1,56 - - - - |
| 5 0,121 79,40 0.31 3,10 1,56 2,25 1,00 12,50 - - - |
| 6 0,118 69,40 0,29 4,80 2,40 - - 23,00 - - - |
| 7 0,111 68,95 0.31 2,98 1,49 - 13,10 13,10 - - - |
| 8 0,111 68,27 0,30 2,91 1.45 - 12,80 12,80 1,51 - - |
| 9 0,069 53,20 - 2,98 1,49 11,15 18,05 13,10 - - - |
| 10 0,063 52,42 - 2,91 1,45 10,90 17,65 12,80 - 0,70 1,16 |
Alle diese Legierungen. besitzen sehr gute Fließ-und Bindungseigenschaften an allen
Arten von Stählen. Die Härte der Raupen variiert von weich zu nicht bearbeitbar.
Die Farbe bearbeiteter Raupen variiert von Eisenweiß zu Rötlich, und das Gefüge
ist dicht, nicht porös.
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Die Legierungen Nr. 1 und 2 haben höheren Kohlenstoffgehalt und liefern
schwer bearbeithare Raupen. Die Raupen .der übrigen Legierungen sind bearbeitbar.
Die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen 8, 9 und 10 ist 'hervorragend. Legierung
8 zeigt großen Widerstand gegen Abnutzung und bietet gutes Gleitvermögen. Die beschriebenen
Legierungen, welche .eine begrenzte Zahl von Nichteisenzusätzen enthalten, z°igen,
daß weitere Möglichkeiten für die Entwicklung von Schweißlötzusatzmaterialien mit
den verschiedensten Eigenschaften bestehen.
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Die Schweißlötung von höherlegierten Kohlenstoffstählen -ergibt eine
sogenannte normalisierte Struktur, welche für das Fertigprodukt des Stahles wünschenswert
ist. Schweißlöten von rostfreien Stählen vermeidet die verminderte Korrosionsbeständigkeit,
welche durch Schmelzschweißen in Form von Zwischenkristallkorrosion herbeigeführt
wird.
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Versuche mit gewissen Zusatzilegierungen, z. B. Nr. 8, zeigten, daß
Schweiß:lötun:g von anderen Grundmetallen, wie Gußeisen, Kupfer- und Kupferlegierungen
und Nickel- und Nickellegierungen .sowie die Verbindung von Stahl zu Gußeisen, Kupfer
und Nickel enthaltenden. Legierungen möglich ist.
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Die Schweiß-Löt-Methode verwendet vorzugsweise auch Flußmittel mit
metallischen Zusätzen in Pulverform. Die metallischen Pulverinseln nehmen höhere
Temperaturen -an als das Grundmetall. Folglich setzt während -der Vorwärmung Vorlegieren
oder Diffusion dieser Bestandteile in das noch feste Grundmetall ein, und die legierte
Oberflächenhaut oder Bindungsschicht bildet sich während der verhältnismäßig langen
Vorwärmeperiode, bevor der eigentliche Schweiß-Löt-Vorgang beginnt.
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Diese Bindungsschichten sind besonders wichtig in dem Fall, daß stählerne
Schweißraupen auf leichtschmelzende Metalle aufgetragen werden sollen. Die erste
Bindungsschicht wird zweckmäßig Legierungsphasen mit Solidu.stempera.turen unter
dem Schmelzpunkt des Grundwerkstoffes enthalten. Auf diese erste Bindungsschitht
werden dann höherschmelzende Bindungsschichten mit steigender Legierungsaffinität
zum eigentlichen Füllwerkstoff aufgebaut und schließlich der stählerne Füllwerkstoff
aufgeschmolzen. Dadurch ist es auch möglich, die Zusammensetzung des Füllwerkstoffes
an diejenige dies Grundwerkstoffes anzugleichen, was in vielen Fällen, insbesondere
bei Anwendung auf eisenbasierte Grundwerkstoffe, eine wesentliche Verbilligung des
Verfahrens bedeutet.
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Für die vorgenannten Schweißlote Nr. 1 bis 10 wurden Flußmittel verwendet,
welche Hydroxyde, Phosphoroxyde, Carbonate und Phosphate für Reinigungszwecke, Borate
und Chloride für die Stahlbasis, Cryolit für Kupfer, Borocalcit, Silicocalcit und
Fluorspat für die Behandlung von Nickel-Chrom usw. enthielten. Zweckmäßige f_Tl>erhrückungszusätze
sind: pulverisierte Stähle, Spiegeleisen, Phosphoreisen, Kupfer usw.
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Im folgenden wird ein praktischer Schweißlötvorgang beschrieben, wenn
dieser .mit dem Gasbrenner ausgeführt wird, welcher gute Temperaturkontrolle bietet.
Das Grundmetall wird entlang der Schweißstelle vorgewärmt und örtlich zur Bindetemperatur
gebracht. Die niedrigste Temperatur, die notwendig ist, um Bindung zu erzielen,
hängt von der Zusammensetzung des Werkstoffes und vom gewählten Füllmaterial ab.
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Folgende Arbeitstemperaturen wurden mit Zusatzlegierung Nr. 10 angewandt:
auf Eisen, Kohlenstoff, Molybdän, Chrom-Nickel und anderen legierten Stählen ungefähr
1000° C, auf Kupfer, Alpaka ungefähr 900° C und auf hoch kupferhaltigem Messing
ungefähr 850° C. Das Flußmittel kann sowohl auf den Grundwerkstoff als auch auf
das Zusatzmaterial aufgetragen werden. Der Schweißbrenner wird zunächst steil gegen
das Werkstück gerichtet, um im Grundmaterial gleichmäßige Wärme zu verteilen. Sobald
die Bindetemperatur örtlich am Beginn der Schweißstelle- erreicht ist, wird die
Flamme von vorzugsweise neutraler Gasmischung etwas von der Oberfläche des Werkstückes
entfernt und unter mehr flachem Winkel gegen dasselbe gerichtet, um es nicht zu
überhitzen oder zu schmelzen und um es auf der notwendigen Bindetemperatur zu erhalten.
Der Zusatz-stab wird ungefähr rechtwinklig zur Flamme gehalten, jedoch derart, daß
er nicht deren vorwärmende Wirkung verhindert, und sodann das Ende des Zusatzstabes
oder -drahtes geschmolzen. Nun wird die Flamme wieder näher und steiler gegen das
Werkstück gerichtet und ein geschmolzener Tropfen des Zusatzmaterials auf die feste
Oberfläche des Werkstückes gebracht und durch die .gleichzeitige Bewegung des Stabes
und der Flamme in der Richtung
des Schweißlötens vorwärts gezogen,
um das Überhitzen des Grundmetalls zu vermeiden. Nun wird die Flamme .etwas vorn
Werkstück entfernt und gegen dasselbe flach, beinahe tangential an den flüssigen
Tropfender Raupe gehalten und auch leicht seitwärts geschwenkt. Dadurch wird die
Oberflächenspannung der, Raupe gegen das Grundmetall erniedrigt, und die kinetische
Energie der Flamme begünstigt den Fluß der Raupe über das Grund@metall und zieht
durch Saugeffekt Gasblasen und Unreinigkeiten an die Oberfläche des Bades und gewährleistet
dadurch dichte, reine und nicht poröse Raupen. Der Vorgang wird so lange wiederholt,
bis die gewünschte Raupenlänge und Breite aufgetragen ist.
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Wenn der Kohle-Lichtbogen verwendet. wird, wird eine dicke Schicht
von dem Flußmittel in Pastenform auf die Oberfläche. des Grundmetalls aufgetragen,
um es vor Oxydation zu schützen. Außerdem wird der Zusatzstahl in ständigem Kontakt
mit dem Grundmetal1 gehalten, wobei der elektrische Bogen zwischen der Kohlenelektrode
und dem Zusatzmaterial gezogen wird, dessen Ende dadurch abgeschmolzen und auf das
feste Grundmetall aufgetragen wird, welches infolgedessen nur indirekt erhitzt,
jedoch nicht geschmolzen wird.
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Im Fall, daß die Zusatzstähle als Elektroden in elektrischen Schweißmaschinen
verwendet werden, wird folgendermaßen vorgegangen: Ein Flußmittel in Pastenform,
welches beträchtliche Mengen von Legierungsbestandteilen gemäß der chemischen Zusammensetzung
enthält, die für die Raupe und auch hochschmelzende Mineralien erforderlich ist,
wird als starke Schicht auf die Oberfläche des Werkstoffes und der Elektrode aufgetragen.
Sobald der elektrische. Bogen zwischen der Elektrode und den metallischen Bestandteilen
des Flußmittels gezogen wird, werden diese geschmolzen und bilden eine vorläufige
Zone von Diffusion mit dem Grundmaterial. Dieses wird wieder nur indirekt erhitzt,
jedoch nicht geschmolzen, da hohe Abschmelzgeschwindigkeit und kreisende Bewegung
der Elektrode während des elektrischen Schweißlötens eingehalten wird.
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Eine andere elektrische Methode, mit der Schweißlöten ausgeführt werden
kann, .besteht darin, daß der Grundwerkstoff durch elektrische Induktionswicklungen
erhitzt wird und die Sehweißlötzusätze durch Induktionswärme abgeschmolzen werden.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Schweiß-Löt-Methode das
Verbinden und Auftragen von vielen eisenhaltigen Metallen und Nichteisenmetallen
bei einem beträchtlich erweiterten Arbeitstemperaturbereich und ohne den Grundstoff
zu schmelzen :ermöglicht. und dazu speziell legierte Stähle verschiedenster Eigenschaften
als Zusatzmaterial, vorzugsweise. in Verbindung -mit Flußmitteln, verwendet. Das
Verfahren. das Schweißlötens kombiniert und verbessert die Vorteile und. vermeidet
die Nachteile des üblichen Schmelzschweißens und Lötens; es eröffnet ferner neue
Möglichkeiten in der Verbindung und im Auftragen von Metallen.