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Schweißelektrode Die Erfindung bezieht sich auf das elektrische Lichtbogenschweißen,
insbesondere auf Schweißelektroden oder Schweißstäbe.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Stahl-Schweißelektrode
mit einer den Lichtbogen stabilisierenden Umhüllung für das Lichtbogenschweißen
unter Schutzgas mit sich verbrauchender Elektrode, insbesondere für Minuspolschweißung,
zu schaffen, wobei die Elektrodenumhüllung nur sehr dünn sein, aber durch ihre Zusammensetzung
optimale Verhältnisse beim Schweißen ergeben soll. Sie soll insbesondere für das
automatische und halbautomatische Liehtbogenschweißen geeignet sein.
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Beim Lichtbogenschweißen nach den bekannten Verfahren mit einer Elektrode,
die weder eine den Lichtbogen stabilisierende Umhüllung hat, noch von einer handelsüblich
reinen inerten Schutzgasatmosphäre umgeben ist, wurde festgestellt, daß die Verteilung
der durch den Lichtbogen zwischen Lichtbogenanode und -kathode entwickelten Wärmeenergie
nicht gleichmäßig ist. Ein großer Teil der Wärmeenergie des Lichtbogens wird an
der Kathode frei; tatsächlich kann die an der Kathode frei werdende Wärmeenergie
etwa das 1,8fache der Wärmeenergie an der Anode betragen. Diese Tatsache ergibt
einen übermäßig starken Abbrand der Schweißelektrode und nur unzureichendes Eindringen
der Schweiße in das Werkstück beim Schweißen mit negativer Elektrode und ein übermäßig
starkes Eindringen der Schweiße in <las Werkstück oder sogar ein Verbrennen des
Werkstückes beim Sehweißen mit positiver Elektrode (d. h. bei umgekehrter Polarität).
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Es ist daher im weiteren Sinne Ziel der Erfindung, eine Schweißelektrode
zu schaffen, bei deren Verwendung für die Lichtbogenschweißung d;e Verteilung der
Wärmeenergie des Lichtbogens zwischen Anode und Kathode so ausgeglichen sein soll,
daß mit ihr dauerhafte Schweißnähte mit genauen Abmessungen der Nähte und richtigem
Eindringverhältnis hergestellt werden können.
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Vor allem soll eine Stahlsehweißelektrode der oben beschriebenen Art
geschaffen werden, die insbesondere für das Schweißen mit negativer Elektrode geeignet
ist.
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Die Erfindung beruht auf Erkenntnissen aus zahlreichen Versuchen mit
Elektroden aus einem Stahldraht, welcher mit einer dünnen, sauerstoffhaltigen Umhüllung
oder einem solchen Niederschlag zur Stabilisierung des Lichtbogens versehen ist.
Die Umhüllung kann dabei aus einem Gemisch solcher Oxyde oder sauerstoffhaltiger
Stoffe bestehen wie Mangandioxyd, Kalziumoxyd, Titandioxyd, Zeroxyd, Lithiumcarbonat
und auch solcher Stoffe wie z. B. Kalziumfluorid. Bei den Versuchen wurde gefunden,
daß das Gleichgewicht der Wärmeenergie zwischen der Anode und der Kathode durch
eine Änderung der Zusammensetzung der Elektrodenumhüllung verschoben werden kann.
Es ist außerdem festgestellt worden, daß eine Umhüllung, die aus Titandioxvd, Mangandioxyd
und Kalziumoxyd (das nach der Herstellung der Elektrode in Kalziumkarbonat umgewandelt
wird sich besonders für eine Verschiebung des Gleichgewichtes der Wärmeenergie zwischen
Anode und Kathode eignet. Der Grundgedanke der Erfindung besteht nach diesen Erkenntnissen
darin, die Elektrode mit einer Umhüllung solcher Zusammensetzung zu versehen, welche
die optimalen Verhältnisse der Wärmeverteilung herstellt.
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Von besonderer Bedeutung ist daher die Entwicklung einer Elektrode,
deren Umhüllung im wesentlichen aus Titandioxyd, Mangandioxyd und Kalziumoxyd besteht,
wobei diese Komponenten so aufeinander abgestimmt sein sollen, daß beim Schweißen
mit normalen und mit hohen Geschwindigkeiten ein Gleichgewicht der Lichtbogenwärmeenergie
zwischen Anode und Kathode erreicht wird, wodurch Schweißnähte von hoher Qualität
mit genauen Nahtabmessungen und richtigem Eindringverhältnis der Schweiße in das
Werkstück erzielt werden können.
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Es ist eine Schweißelektrode bekanntgeworden, deren Umhüllung aus
Eisenpulver und Titandioxyd mit Zusätzen von Mangandioxyd bzw. Kalziurnoxyd besteht.
Das Eisenpulver bildet dabei einen wesentlichen Bestandteil der Umhüllung zur Erzielung
befriedigender
Schweißergebnisse. Die Menge der Umhüllung muß etwa
5 bis 40 Gewichtsprozent des Elektrodendrahtes betragen. Eine Beeinflussung des
Wärmegleichgewichtes ist mit einer derartigen Umhüllung nicht möglich.
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Demgegenüber beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß das Gleichgewicht
der Lichtbogenwärmeverteilung, welches Schweißnähte von hoher Qualität bei normalen
und hohen Schweißgeschwindigkeiten ergibt, durch genaue Proportionierung der Gewichtsanteile
von Titandioxyd, Mangandioxyd und Kalziumoxyd in einer Umhüllung erzielbar ist,
deren Gewicht nur ein verschwindend kleiner Bruchteil des Elektrodengewiohtes ist.
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Die Erfindung bezieht sieh demgemäß auf eine Schweißelektrode, insbesondere
für Minuspolschweißung in einer Schutzgasatmosphäre von im wesentlichen reinem inertem
Gas, aus einem dünnen Stahlkerndraht mit einer sauerstoffhaltigen Umhüllung, die
Titandioxyd, Mangandioxyd und Kalziumoxyd enthält. und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge der Umhüllung nur einige mg pro Meter Elektrodenlänge beträgt, und
daß sich die Umhüllung im wesentlichen nach Gewichtsanteilen zusammensetzt aus 55
bis 80 0% Titandioxyd, 10 bis 30 % Mangandioxyd, 10 bis 35 % Kalziumoxyd.
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Optimale Ergebnisse werden erfindungsgemäß mit einer Umhüllung erreicht,
die aus 65 % Titandioxyd, 20 0!o Mangandioxyd und 15 % Kalziumoxyd besteht.
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In den oben angegebenen Gewichtsverhältnissen wird aus den genannten
Stoffen in Pulverform mit Wasser, Alkohol oder anderen schnell verdunstenden Flüssigkeiten
eine Art Brei angerührt. Der Kerndraht wird aufgerauht und durch sogenanntes Tauchen
in einer geeigneten Vorrichtung mit diesem Brei überzogen. Der Überzug kann auch
in anderer Weise, z. B. mit Hilfe von Spezialwerkzeugen, aufgebracht werden. Ein
dünnflüssiger Brei kann auch auf den Draht aufgesprüht werden und der Draht dann
durch eine Reihe von Werkzeugen, vorzugsweise Ziehdüsen mit stufenweise abnehmendem
inneren Durchmesser gezogen werden. Der umhüllte Draht kann dann durch ein Venturirobr
getrieben werden, wobei er in dem Rohr unter 45° C mit Preßluft beblasen werden
kann, welche die überflüssige Umhüllung wegbläst.
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Ein wichtiges Merkmal der Elektrode nach der Erfindung hinsichtlich
ihrer besonderen Anwendung liegt darin, daß die Umhüllung oder der Niederschlag
sehr dünn ist. Der Begriff Niederschlag ist hier absichtlich gebraucht, um eine
Vorstellung von einer sehr dünnen Umhüllung zu geben. Es soll dadurch zum Ausdruck
kommen, daß das Material der Umhüllung im wesentlichen in den Vertiefungen der aufgerauhten
und/oder unebenen Oberfläche des Kerndrahtes liegt und vorzugsweise nicht den Draht
als Ganzes umgibt.
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Es sind eine große Anzahl Schweißnähte mit Stahlelektroden der oben
beschriebenen Umhüllung ausgeführt worden, und es ist dabei festgestellt worden,
daß diese Schweißnähte von hoher Oualität waren und genaue Abmessungen der Nähte
und ein richtiges Eindringverhältnis der Schweiße in das Werkstück aufwiesen.
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Die neuen Merkmale, die für die Erfindung charakteristisch gehalten
werden, sind vorstehend beschrieben. Die Erfindung selbst wird sowohl hinsichtlich
ihres Aufbaues als auch hinsichtlich ihrer Anwendung zusammen mit weiteren Merkmalen
und Vorteilen an Hand der folgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispieles
in Verbindung mit der Zeichnung -rläutert. Fig.1 zeigt in zum Teil aufgeschnittener
Darstellung wiedergegeben den Aufbau einer Elektrode nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ist ein Diagramm, in dem die Wirkung von verschiedenen Umhüllungen dargestellt
ist, wie sie praktisch nach der Erfindung verwendet werden können.
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Die in Fig.l dargestellte Elektrode besteht aus einem Stahlkerndraht
C mit einer dünnen Umhüllung K. Die Umhüllung K ist im wesentlichen aus einem Gemisch
von Mangandioxyd, Titandioxyd und Kalziumoxyd zusammengesetzt, welches so homogen
wie praktisch möglich gemischt ist. Erfindungsgemäß wurden dabei die ermittelten
Bereiche des prozentualen Gewichtsanteiles jeder der genannten Komponenten berücksichtigt,
die zu Schweißnähten hoher Qualität führen.
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Als abschließende Versuche wurde eine Anzahl von Elektroden mit verschiedenen
Umhüllungen hergestellt, die Lichtbogen-Wärmeverteilung bei den verschiedenen Elektroden
verglichen und in jedem Falle die hergestellten Schweißproben untersucht. Insbesondere
wurde eine große Zahl von Elektroden mit etwa 1,5 mm Durchmesser des Kerndrahtes
hergestellt, der folgende Zusammensetzung hatte:
| Kohlenstoff . . . . . . . .. .. . 0,08 o/o |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . . . 0,0250/0 |
| Phosphor . . . . . . . . . . . . . . 0,0560/9 |
| Mangan ............... 0,53 0/0 |
| Silizium .. .. .. .. .. .. ... 0,22 0/a |
| Chrom ................ 0,43 % |
| Nickel ................ 0,32 % |
| Kupfer ...... . . . .. .. .. . 0,39 0/0 |
| Eisen ................. Rest |
Die Elektroden waren mit Umhüllungen versehen, wie in der folgenden Tabelle ausgeführt
ist.
| Bestandteile in Gewichtsprozenten |
| Umhüllung Feg 04 1 7 102 1 Mn 02 ( Ca 0 |
| A ............. 100 - - - |
| B ............. - 80,0 10,0 10,0 |
| C ............. - 66,7 16,7 16,6 |
| D ............. - 62,5 25,8 11,7 |
| E ............. - 55,0 30,0 15,0 |
| F ............. - 33,4 33,3 33,3 |
In dieser Tabelle enthält die linke Spalte eine Reihe von Buchstaben zur Bezeichnung
der verschiedenen Umhüllungen, und die anderen Spalten enthalten die Bestandteile
der Umhüllung. Die Umhüllung A in der Tabelle besteht aus l'-,isen-Oxydul-Oxyd (Magneteisenstein).
Diese Schicht war auf chemischem Wege auf den Kerndraht aufebracht worden. Die anderen
Umhüllungen B bis F' sind aus verschiedenen Gemischen von Titandioxyd, Mangandioxyd
und Kalziumoxyd 'hergestellt. Die Schicht auf der Oberfläche des Drahtes war sehr
dünn, das Material nur in der Größenordnung von etwa 30 mg pro Meter Elektrodenlänge
für die Umhüllung A und etwa 6 bis 15 mg pro Meter für B bis F aufgetragen.
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Fig.2 ist ein Diagramm, das die verschiedenen Wärmeverteilungen bei
verschiedener Schweißstromstärke für die in der Tabelle aufgeführten Elektroden
erkennen läßt. In dem Diagramm ist der Elektrodenabbrand in cm pro Minute senkrecht
und der Schweißstrom
in Ampere waagerecht aufgetragen. Die in das
Diagramm aufgenommenen Schweißungen wurden mit negativer Elektrode in einer Argon-Schutzgasatmosphäre
mit einer Reinheit von 99,8% ausgeführt. Die Neigungen der Kurven A bis F sind ein
Maß für die an der Elektrode abgegebene L ichtbogenwärme und ein Maß für den Eindringgrad
der Schweiße in das Werkstück. Die Kurven für die Umhüllungen A und F geben die
Grenzen der Wärmeverteilung an, wie sie mit den in der Tabelle angeführten Umhüllungen
erreicht werden. Die größte Wärme wurde bei einer Elektrode mit der Umhüllung A
frei und die kleinste Wärme bei einer Elektrode mit der Umhüllung F. Es zeigt sich
daraus, daß sich der geringste Grad des Eindringens in das Werkstück bei der Umhüllung
A und der größte Grad des Eindringens für die Umhüllung F ergibt.
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Eine Untersuchung der mit diesen Elektroden hergestellten Schweißnähte
zeigt, daß die Bestandteile der Umhüllung zur Herstellung von Schweißnähten hoher
Oualität zwischen den extremen Kurven von A und F liegen müssen. Die hohe Wärmeverteilung
an der Kathode, die ein geringes Eindringen der Schweiße in das Werkstück ergibt,
ist nicht zufriedenstellend, weil der Eindringgrad nicht ausreicht und weil das
Elektrodenmaterial in zu hohem Maße abgelagert wird. Die niedrigste Wärmeverteilung
an der Kathode ist nicht zufriedenstellend, weil sich daraus ein übermäßig starkes
Eindringen in das Werkstück oder sogar ein Verbrennen des Werkstückes ergibt und
die Schweißgeschwindigkeit zu niedrig ist.
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Die Untersuchungen ergaben ferner, daß, da jeder der Bestandteile
der Umhüllung auf die anderen und mit den anderen Bestandteilen reagiert, jeder
Bestandteil eine besondere Wirkung aufweist. Das Mangandioxvd dissoziiert bei einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur und die Dissoziation scheint den Lichtbogen
zu stabilisieren. Das Titandioxyd und das Kalziumoxyd dissoziieren bei erheblich
höheren Temperaturen als das Mangandioxyd, aber in dem Ausmaß, in dem sie dissoziieren,
unterstützen sie die Wirkung des :Mangandioxydes bei der Stabilisierung des Lichtbogens.
Das Titandioxyd ist außerdem ein wirkungsvolles Mittel zur Herstellung des Breies
und erleichtert das Auftragen der Oxyde auf den Kerndraht C. Das Kalziumoxyd bestimmt
weitgehend die Wärmeverteilung des Lichtbogens. Es wurde gefunden, daß eine Zunahme
des Kalziumoxydgehaltes das Eindringen der Schweiße in das Werkstück verstärkt und
umgekehrt den Elektrodenabbrand verringert, wogegen eine Abnähme des Kalziumoxydes
eine entgegengesetzte Wirkung hat. Indessen wird der Kalziumoxydgehalt, der in der
Umhüllung zum Erreichen eines hohen Eindringgrades beigegeben sein kann, durch seine
Wirkung auf den Lichtbogen begrenzt. Es wurde nämlich festgestellt, daß beim Überschreiten
eines Gehaltes von 35 % Kalziumoxyd in der Umhüllung unruhige Lichtbögen entstehen,
wahrscheinlich wegen der unverhältnismäßig starken Wasserabsorption in der Umhüllung
durch das Kalziumoxyd. Auch das Titandioxyd bewirkt eine Zunahme des Eindringgrades
in das Werkstück und eine Abnahme der an der Schweißelektrode frei werdenden Wärme,
wenn sein Gewichtsanteil in der Umhüllung zunimmt. Die Wirkung von Titandioxyd in
dieser Richtung ist jedoch weniger ausgeprägt als die von Kalziumoxyd. Das Mangandioxyd
hat eine geringere Wirkung auf die Lichtbogenwärme-Verteilung als Titandioxyd oder
Kalziumoxyd, verbessert aber die Qualität der Schweißnaht. Erfindungsgemäß werden
Schweißnähte von hoher Oualität bei einer ziemlich hohen Schweißgeschwindiglceit
mit einer Elektrode hergestellt, die eine Umhüllung K bat, welche sich im wesentlichen
in Gewichtsprozenten aus folgenden Stoffen zusammensetzt:
| Titandioxyd . . . . . . . . 55 bis 80 % |
| Mangandioxyd...... 10 bis 30% |
| Kalziumoxvd ...... 10 bis 35 % |
Mit besonderem Vorteil ist ein Überzug anwendbar, welcher im wesentlichen aus 65
% Titandioxyd, 20 % Mangandioxyd und 15 % Kalziumoxyd besteht. Bei der Herstellung
der Elektrode wird der Kerndraht aufgerauht, und zwar durch ein Oberflächenbearbeitungsgerät,
z. B. ein Sandstrahlgebläse, welches sehr feine Unebenheiten in der Oberfläche des
Drahtes erzeugt. Auf die aufgerauhte Oberfläche wird die Umhüllung in einer sehr
dünnen Schicht von der Größenordnung nur weniger mg Umhüllungsmasse pro Meter Drahtlänge
aufgetragen. Die bei den Versuchen verwendeten Elektroden hatten einen Stahlkern
mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm; die Umhüllung betrug etwa 6 bis 15 mg/m.
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Die Bestandteile der auf den Draht aufgebrachten Umhüllungsmasse sind
praktisch bei der Erfindung in ziemlich reiner Form verwendet worden. Besonders
das Mangandioxyd, welches zur Herstellung zufriedenstellender Schweißelektroden
gemäß der Erfindung verwendet wurde, hatte eine Reinheit von 85 0/0. Eine Analyse
dieses Materials zeigte, daß sein Wassergehalt in Gewichtsprozent 14,6 % betrug.
Außerdem waren die folgenden Verunreinigungen enthalten
| Magnesium, Silizium, Kobalt 0,02 bis 0,2 0/0 |
| Eisen, Aluminium .......... 0,01 bis 0,1 0/0 |
| Titan ..................... 0,005 bis 0,5 0/0 |
| Nickel .................... 0,001 bis 0,010/0 |
| Die für das genannte Material angegebene Zu- |
| sammensetzung lautete: |
| In Säure lösliche Bestandteile . 0,21 0/0 |
| Chlorverbindungen (Anion-) . . 0,02 0/0 |
| Sulfate (Anion-) . . . . . .-. . . . . . . 0,32% |
| Alkalien und alkalische Erden 1.5 °% |
Bei dem verwendeten Kalziumoxyd ergaben sich außer dem reinen Kalziumoxy d zusätzlich
folgende Bestandteile:
| Gefällte unlösliche Bestandteile in Essig- |
| säure und Ammoniumhydroxyd .... 0,1 0/0 |
| Durch Erhitzung während der Analyse |
| aufgetretene Verluste, einschließlich |
| der Verluste durch chemische Reak- |
| tionen infolge ausgetriebener Feuch- |
| tigkeit und rein chemische Reaktionen 10,0 0/0 |
| Chlorverbindungen (Anion-) . . . . . . . . . 0,005% |
| Nitrate (Anion-) .................... 0,01 0/0 |
| Sulfate (Anion-) .................... 0,08 0/0 |
| alkalische Erden, wie äagnesiumoxyd 0,65 0/0 |
| Schwermetall, wie Blei . . . . . . . . . . . . . .
0,005010 |
| Eisen .............................. 0,0150/0 |
| Zink .............................. 0,015% |
Das oben beschriebene Kalziumoxyd wurde in den Brei eingerührt. Dieses Material
absorbiert Wasser und wird in Kalziumkarbonat umgewandelt. Das tatsächlich in der
Elektrodenumbüllung enthaltene Material ist daher wahrscheinlich Kalziumkarbonat.
Das
bei den Versuchen verwendete Titandioxyd kann etwa zu 95 % rein gewesen sein.
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Die Untersuchung der von Elektroden mit den beschriebenen neuen Umhüllungen
hergestellten Schweißnähte hat zu der Feststellung geführt, daß damit Nähte hoher
Qualität hergestellt werden können. Solche Schweißnähte hoher Qualität werden aber
nicht nur mit Elektroden mit einem Kerndraht des angegebenen Ausführungsbeispieles
und der vorbeschriebenen Umhüllung erzielt, sondern auch mit Elektroden mit Kerndrähten
verschiedener Zusammensetzungen.
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Während im vorstehenden nur einige besondere Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben wurden, sind hiervon viele Abwandlungen möglich. Die Erfindung
ist daher nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Ergänzend ist noch hinzuzufügen, daß die Oberflächenvorbehandlung,
z. B. die Aufrauhung des Elektrodenkerndrahtes, verschiedene Vorteile hat, von denen
der wichtigste der ist, daß die Menge des niederzuschlagenden Überzugsmaterials
dadurch erheblich erhöht werden kann, so daß eine angemessene Menge für die Stabilisierung
des Lichtbogens bei einem verhältnismäßig dünnen Überzug zur Verfügung steht. Die
Aufrauhung hat den weiteren Vorteil, daß zwischen den mit Umhüllungsmasse ausgefüllten
Vertiefungen in der Oberfläche des Kerndrahtes höherliegende Teile des Elektrodenkernes
stehenbleiben, über die der elektrische Kontakt zwischen Elektrodenkern und einer
Schweißstromquelle hergestellt werden kann.