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Verfahren zum Gleichstrom-Lichtbogenschweißen von Stahl unter einem
oxydierenden Schutzgas Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gleichstrom-Lichtbogenschweißen
von Stahl unter einem oxydierenden Schutzgas, insbesondere Kohlendioxyd, mit einer
abschmelzenden Elektrode als Kathode und mit dem Schmelzbad gesondert zugeführten
metallischen Zusatzstoffen.
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Beim Schweißen von Stahl ist Kohlendioxyd verhältnismäßig reaktionsträge
und hat sich zum Fernhalten von Luft in der Umgebung des Lichtbogens gut bewährt.
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Unter Kohlendioxyd als Schutzgas geht bei den meisten bekannten Verfahren
das Metall von der Elektrode tropfenförmig auf das Werkstück über, was ein sehr
unruhiges Brennen des Lichtbogens und ein Zerreißen der Gashülle zur Folge hat.
Dabei bilden sich zahlreiche Spritzer, die an dem Werkstück haften und sich in dem
Mundstück des Schweißkopfes ansammeln. Diese Fehler kann man zum Teil abstellen,
indem man gewisse Beziehungen zwischen Schweißstrom, Spannung und Drahtvorschubgeschwindigkeit
einhält. Dies führt zu einem Lichtbogen, dessen sichtbare Länge klein ist und der
praktisch unter die Oberfläche des Werkstückes versenkt ist. Zwar hat diese Arbeitsweise
technischen Erfolg erlangt, jedoch sind mit einem derartigen »versenkten« Bogen
gewisse Schwierigkeiten und Nachteile verbunden.
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Die beim Schweißen von Eisenwerkstoffen nach den bekanntenVerfahren
mit sich verbrauchender Elektrode unterKohlendioxyd als Schutzgas auftretende Porosität
wird vermutlich vor allem durch die sogenannte Redoxreaktion zwischen Eisenoxyd
und Kohlenstoff verursacht. Diese metallurgische Reaktion läuft in geschmolzenem
Stahl ab, in dem gelöstes Eisenoxyd durch gelösten Kohlenstoff unter Entwicklung
von Kohlenmonoxyd reduziert wird, das als Gas entweicht und ein Kochen oder Wallen
des Schmelzbades und dadurch Spritzer hervorruft. Diese Reaktion tritt auch beim
Wiederschmelzen von unberuhigten und halb beruhigten Stählen während des Schweißens
ein und wird bei allen Stählen gefördert, wenn das geschmolzene Metall noch einer
oxydierenden Atmosphäre, wie z. B. Kohlendioxyd, ausgesetzt wird. Eine schädliche
Menge des entwickelten Gases kann in dem erstarrenden Schweißmetall eingeschlossen
werden, was zu einer nachteiligen Porosität in der Schweiße führt.
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Es ist bekannt, daß die Freisetzung von Kohlenmonoxyd durch die Redoxreaktion
zwischen Eisenoxyd und Kohlenstoff in dem Schmelzbad durch eine Schweißelektrode
aus beruhigtem, Desoxydationsmittel enthaltendem Stahl beherrscht werden kann. Drähte
; aus beruhigtem Stahl, der mindestens 0,25% eines desoxydierenden Mittels, wie
z. B. Silicium, enthält, können eine ausreichende Desoxydations-Restkraft besitzen.
Die technische Anwendung des Verfahrens wird jedoch durch den unregelmäßigen und
ungezielten tröpfchenförmigen Metallübergang beim Schweißen unter Kohlendioxyd als
Schutzgas mit üblichen Bogenlängen verhindert, da sich viele Spritzer bilden und
Stickstoff aus der umgebenden Luft wegen des Aufreißens der Kohlendioxydhülle eindringt.
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'Man hat auch schon unter inertem Gas hochwertige Sprühschweißungen
in allen Metallen und in allen Lagen erzielt, indem man unter Verwendung von abschmelzenden
Elektroden mit einem Gleichstrombogen (Elektrode negativ) oder einem Wechselstrombogen
arbeitete. Derartige Schweißverfahren setzen zu der Elektrode sogenannte Steuermetalle
hinzu, die in der inerten Schutzgasatmosphäre mit dem Metall der Elektrode zusammenwirken
und dadurch das Phänomen des Sprühüberganges hervorrufen.
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Ein beträchtliche Verminderung der Einheitskosten beim Schweißen mit
gasgeschützter Abschmelzelektrode läßt sich erreichen, wenn Argon oder Helium durch
Kohlendioxyd ersetzt werden. Ferner bringt das Arbeiten unter Kohlendioxyd als zusätzliche
Vorteile höhere Schweißgeschwindigkeiten, tiefere Durchschweißung und günstige Schweißraupenkonturen.
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Im Hinblick auf die mit inertgasgeschützten Bögen erzielten Ergebnisse
ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem zu den kohlendioxydgeschützten Bögen
Zusatzstoffe
hinzugefügt werden, um den gewünschten Sprühübergang des Metalls von der Elektrode
zum Werkstück zu erreichen. Die in dem mit kohlendioxydgeschütztem Bogen herrschenden
elektrischen und chemischen Bedingungen sind jedoch vollkommen von den Bedingungen
verschieden, die in einem mit inertem Gas geschützten Bogen vorliegen. Dies erklärt
vermutlich die Tatsache, daß ein Mittel in einem mit inertem Gas geschützten Bogen
das Absprühen bewirkt, in einer oxydierenden Atmosphäre, wie z. B. Kohlendioxyd,
jedoch nicht den geringsten günstigen Einfluß auf den Metallübergang ausübt. Beispielsweise
ist festgestellt worden, daß Caesiumverbindungen, wenn sie beim Schweißen uriberuhigter
oder halb beruhigter Stähle einer beruhigten oder desoxydierenden Elektrode zugesetzt
werden, dann keinen günstigen Einfluß ausüben, wenn man unter Kohlendioxyd schweißt.
Die Anwesenheit desoxydierender Elemente, wie z. B. Silicium, Aluminium und Titan
neben Mangan in Anteilen über 0,25°/o in der Elektrode scheint also die Wirkung
von Caesium, Sprühen hervorzurufen, nachteilig zu beinflussen, wenn man - statt
in einer inerten - in einer oxydierenden Atmosphäre arbeitet. Es hat sich jedoch
herausgestellt, daß sich ein spritzerfreier Übergang erreichen läßt, wenn gewisse
Zusätze zu einer Elektrode aus uriberuhigtem Stahl, d. h. zu einer Elektrode, die
Eisenoxyd und wenig oder keine Desoxydationsmittel enthält, hinzugegeben werden.
Wegen ihrer Unfähigkeit, das Schmelzbad zu desoxydieren, befriedigt eine derartige
Elektrode für das gesuchte Verfahren allein jedoch noch nicht.
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Ziel der Erfindung ist also ein Lichtbogenschweißverfahren zur Erzeugung
einwandfreier Schweißgutablagerungen in Werkstücken aus uriberuhigtem oder halb
beruhigtem Stahl ebenso wie aus beruhigtem Stahl durch spritzerfreien Sprühübergang
des Schweißmetalls in einem Lichtbogen üblicher Länge - d. h. 4,5 mm oder länger
- unter Kohlendioxyd, wobei eine gewünschte desoxydierende Wirkung in dem Schmelzbad
sichergestellt ist, obwohl die Elektrode selbst nur relativ kleine Mengen desoxydierender
Elemente enthält.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Elektrode in an sich bekannter
Weise aus uriberuhigtem Stahl mit weniger als 0,25% Desoxydationsmitteln besteht
und daß sie in an sich bekannter Weise von einer Caesiumverbindung überzogen ist,
die wenigstens 0,01% des Elektrodengewichtes an Caesium enthält, und daß der metallische
Zusatzstoff aus einem Desoxydationsmittel, insbesondere Titan oder Aluminium, besteht
oder in an sich bekannter Weise wirksame Mengen davon enthält.
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Die mit Caesium überzogene Elektrode bewirkt einen Sprühübergang des
Metalls von der Elektrode zum Werkstück, während der Zusatzstoff eine Redoxreaktion
zwischen Eisenoxyd und Kohlenstoff verhütet.
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Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die metallischen
Zusatzstoffe in an sich bekannter Weise entweder dem Schmelzbad in Form eines Zusatzdrahtes
frei zugeführt oder entlang der Nahtfuge auf das Werkstück aufgelegt. Vorzugsweise
wird Draht verwendet, der aus Titan besteht oder Titan enthält. Die durch das Titan
erzeugte dünne Schlackenschicht ist flüssiger und läßt sich leichter von der Schweiße
entfernen.
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Die Erfindung läßt sich entweder von Hand oder rillt automatischen
Anlagen durchführen.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer automatischen
Anlage. Bei der praktischen Durchführung der Erfindung wird eine Elektrode aus uriberuhigtem
Stahl oder einem Stahl mit weniger als 0,25% eines Desoxydationsmittels, wie z.
B. Silicium, verwendet, die mit einer Caesiumverbindung überzogen ist. Durch Erzielung
eines Sprühüberganges im Schweißbogen wird die Hauptquelle von Schweißspritzern
ausgeschaltet. Um dagegen eine Redoxreaktion im Schmelzbad zwischen Eisenoxyd und
Kohlenstoff zu verhüten, führt man einen Zusatzdraht, der ganz oder zum Teil aus
einem desoxydierenden Mittel besteht, in den Rand des Schmelzbades ein. Vorzugsweise
wird das zugesetzte desoxydierende Mittel in den äußeren Teil des Schweißbogens
an der Führungskante des durch diesen Bogen im Werkstück erzeugten Bades von geschmolzenem
Metall eingeführt, damit es durch die Wirkung des Bodens auf das Bad gründlich mit
dem Nietall in dem Bad vermischt und gelöst wird.
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Der Sprühübergang des Metalls von der Elektrode zum Werkstück verhütet
das Spritzen und ermöglicht es, mit einem Lichtbogen zu arbeiten, der 3 bis 6,5
mm über die Oberfläche des Werkstückes hinausreicht. Durch die Verhütung der Redoxreaktion
zwischen Eisenoxyd und Kohlenstoff wird ein Kochen oder Wallen des geschmolzenen
Schweißmetalls und somit ebenfalls ein Verspritzen vermieden. Dies führt zur Bildung
einer nicht porösen Schweiße, wenn das Metall des Schmelzbades erstarrt. Die Verhütung
des Verspritzens von Metall im Bogen und aus dem Schmelzbad gewährleistet einen
nicht turbulenten Fluß des Schutzgases und damit einen ungeminderten Schutz in der
Umgebung des Bogenendes der Elektrode, des Bogens und des durch den Bogen im Werkstück
gebildeten Schmelzbades. Die Einführung des Hilfsdrahtes in das Schmelzbad zur Unterbindung
der Redoxreaktion zwischen Eisenoxyd und Kohlenstoff und die dadurch erfolgende
Zugabe von desoxydierendem Metall ergibt ferner eine Schlacke, die zur Oberfläche
des geschmolzenen -Schweißmetalls steigt und über der Schweiße eine Schutzdecke
bildet, wenn diese die durch den nicht turbulenten Fluß von Kohlendioxydgas entstandene
Schutzhülle nach außen passiert.
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Die Menge der das Sprühen hervorrufenden Caesiumverbindung ist nicht
kritisch oberhalb von ungefähr 0,01% des Elektrodengewichtes.
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Eine 1,6-mm-Elektrode 1 der obigen Zusammensetzung, die mit einem
Caesiumüberzug versehen wurde, bringt in einer durch die Gasdüse 7 austretenden
Kohlendioxydatmosphäre ein Absprühen hervor, wenn sie mit einer Geschwindigkeit
von ungefähr 378 cm/Min. einem Lichtbogen 6 von 33 Volt und 350 Ampere zugeführt
wird und die Elektrode 1 ungefähr 2,5 cm über das Kontaktrohrende 4 übersteht. Das
Unruhigwerden des Metalls des Schmelzbades 5 in dem Werkstück 3 wird vermieden,
indem ein 1,6-mm-Draht 2 aus Aluminium mit einem Gehalt von 5% Silicium mit einer
Geschwindigkeit von ungefähr 51 cm/Min. in das Schmelzbad eingeführt wird. Wenn
man die Elektrode 1 nicht soweit herausragen läßt, vermindert sich wegen der geringen
Widerstandserhitzung bei gleichem Schweißstrom die Vorschubgeschwindigkeit für die
Elektrode. Zur Verhinderung des Unruhigwerdens des Schmelzbades kann als Zusatzdraht
9 an Stelle des genannten Aluminiumdrahtes ein 1,6-mm-Draht aus technisch reinem
Titan verwendet werden. In jedem der gegebenen Beispiele beträgt die Schweißgeschwindigkeit
ungefähr 46 cm/Min. Bei Verwendung eines Aluminiumdrahtes zur Desoxydation des Schweißmetalls
kann das Gewicht des in das Schmelzbad 5 eingeführten Drahtes 2 in der
Größenordnung
von 2,8 bis 5,5 % des verwendeten Elektrodenmetalls variieren, im Fall eines Titandrahtes
von 8,5 bis 9,0°/o.
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Titan- und Aluminiumdrähte werden zur Desoxydation in erster Linie
deshalb benutzt, weil sie leicht zu erhalten und bequem zu handhaben sind. Titan
und Aluminium sind typisch für eine bekannte Gruppe von Stahldesoxydationsmetallen,
die in geschmolzenem Stahl eine größere Affinität zu Sauerstoff als zu dem aufgelösten
Kohlenstoff besitzen. Diese Metalle werden schon bei der Stahlherstellung zur Verhinderung
des Unruhigwerdens benutzt; zu ihnen gehören auch die Zusatzmetalle Silicium, Chrom,
Vanadin und Zirkon. In Anbetracht der bekannten Äquivalenz dieser Metalle bei der
Desoxydation von geschmolzenem Stahl ist es für den Fachmann selbstverständlich,
daß im Bedarfsfall auch jedes dieser Zusatzmetalle an die Stelle des verwendeten
Aluminiums und Titans treten kann. Diese Metalle bilden mit Sauerstoff schmelzbare
Schlacken, die an die Oberfläche des geschmolzenen Stahles steigen. In allen Fällen
enthält die Schweißelektrode vorzugsweise in an sich bekannter Weise Mangan zu einem
geeigneten Prozentsatz, um in dem geschmolzenen Schweißmetall Mangansulfid zu bilden
und dadurch die Entstehung von Eisensulfid in der Schweiße zu verhindern, die sie
rotbrüchig machen würde.
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Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Caesiumhydroxyd als
Mittel zum Hervorrufen des Sprühens beschränkt, da andere Caesiumverbindungen ebenso
gut wirken. Solche Verbindungen sind Caesiumchlorid, Caesiumcarbonat, Caesiumnitrat
u. dgl., die sämtlich den gewünschten Sprühübergang unter Kohlendioxyd ergeben,
wenn sie auf eine Elektrode aufgebracht werden, die im wesentlichen frei von desoxydierendem
Metall ist.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, das desoxydierende Metall in irgendeiner
bekannten Weise in das Schmelzbad einzubringen. Je nach den Lichtbogenbedingungen
ist es wünschenswert, einen Desoxydierungsdraht einer genügenden Dicke zu verwenden,
so daß geschmolzenes Metall, das durch die Hitze des Bogens an dem Ende des Drahtes
gebildet wird, sich nicht sammelt und Tropfen bildet, die von Zeit zu Zeit auf dem
Draht zurücklaufen. Die Dicke des Drahtes soll so sein, daß er gleichmäßig schmilzt
in dem Maße, wie er in das Schmelzbad eingeführt wird. Der Desoxydationsdraht kann
ganz aus einem der oben genannten Desoxydierungsmetalle oder aus Legierungen eines
oder mehrerer dieser Metalle bestehen. Es ist bekanntlich auch möglich, das desoxydierende
Metall dadurch zu dem Schweißmetall hinzugeben, daß man es entlang der Schweißlinie
anordnet, so daß es, wenn der Bogen das Werkstück entlang bewegt wird, geschmolzen
und dem Schmelzbad in passender Menge zugesetzt wird.