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Verfahren zur Herstellung eines Schweißpulvergranulats mit heterogenem
Korn für die verdeckte Lichtbogenschweißung Für die verdeckte Lichtbogenschweißung
benötigt man Schweißpulvergranulate, deren chemische Zusammensetzung nicht nur von
ihrer Eignung als Flußmittel, sondern auch noch von den physikalischen, metallurgischen
und insbesondere den Festigkeitseigenschaften abhängt, die von der Schweißnaht verlangt
werden. Diese Eigenschaften der Schweißnaht lasen sich z. B. dadurch in gewissem
Umfang beeinflussen, daß das Schweißpulver entsprechende Legierungsbestandteile
enthält.
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Die Schweißpulver wurden lange Zeit vorwiegend in der Weise hergestellt,
daß man Rohstoffe entsprechender Eignung in dem jeweils gewünschten Mischungsverhältnis
durch Erhitzen zum Schmelzen brachte, die Schmelze dann zu einer glasharten Masse
erstarren ließ, die ihrerseits anschließend bis auf die gewünschte Granulatgröße
zerkleinert, insbesondere gemahlen wurde (Verfahrensgruppe I).
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Dieses Herstellungsverfahren ist heute noch vielfach in Gebrauch und
hat den Vorteil, daß beim Zerkleinern der vollkommen homogenen Schmelze ein Granulat
mit ebenfalls homogenem Korn entsteht, dessen chemische Zusammensetzung unabhängig
von dem Grad der Zerkleinerung immer konstant bleibt. Es ändert sich also auch die
Zusammensetzung der verbleibenden Körnchen nicht, wenn man die feinsten Besandteile
als Staub absieht. Dieses Absieben ist deshalb erforderlich, weil der Staub die
Abfuhr der beim Schweißvorgang entstehenden Gase erschwert oder gar unmöglich macht
und weil die Staubentwicklung beim Schweißen lästig und ungesund ist.
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Der Staubanfall kann bis zu 30 % der Gesamtmenge und mehr betragen
und ist auch in wirtschaftlicher Hinsicht sehr nachteilig, da der Staubanteil ja
vorher mit erhitzt und gemahlen werden muß und weil dieser Vorgang sich nochmals
wiederholt, wenn der Staubanteil hinterher bei der erneuten Granulatherstellung
wieder als Rohstoff zugesetzt wird. Außerdem hat die wiederholte Erhitzung einen
nachteiligen Einfluß auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften.
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Indessen ist die Herstellung des durch Schmelzen erzeugten homogenen
Granulats deshalb nachteilig, weil das Schmelzen mit anschließendem Zerkleinern
einen hohen Wärme- und Leistungsaufwand mit aufwendigen Fertigungseinrichtungen
erfordert. Ferner können solche an sich erwünschten Bestandteile nicht zugeführt
werden, bei denen die Gefahr besteht, daß sie bei der hohen Temperatur, die der
Schmelzvorgang erfordert, ganz oder im wesentlichen oxydieren oder in Gasform entweichen.
Außerdem können beim Schmelzen neue Verbindungen (Silikate u. dgl.) entstehen, deren
Wirkung und Eigenschaften von denen der eingebrachten Stoffe abweichen.
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Um Nachteile dieser Art zu vermeiden, arbeiten die einschlägigen Fachleute
schon lange an der Entwicklung anderer Herstellungsverfahren, bei denen man ohne
die Erhitzung auf Schmelztemperatur auszukommen suchte. Hierbei wurden die feingemahlenen
Rohstoffbestandteile unter Zusatz von Wasserglas als Bindemittel in einer Mischmaschine
gemischt, um eine möglichst gleichmäßige Rohstoffverteilung zu erreichen. Es entsteht
dabei ein feuchtes Agglomerat, aus dem man nach den damaligen Erkenntnissen der
Fachleute ein brauchbares Granulat nur dadurch erzeugen konnte, daß man entweder
die Masse durch Düsen preßte und das aus den Düsen herausgepreßte Band in genügend
trockenem Zustand in Granulat zerhackte, oder dadurch, daß man die Masse als Ganzes
oder in Klumpen trocknete bzw. sinterte, um sie anschließend zu Granulat zermahlen
zu können.
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In jedem Fall hat bei dieser Art der Granulatherstellung (Verfahrensgruppe
1I) das einzelne Korn in entsprechender Weise wie das Agglomerat, aus dem es durch
Zerkleinern entsteht, einen heterogenen Aufbau. Da man hierbei mit einer geringeren
Erhitzungstemperatur auskommt, besteht die Möglichkeit, der Mischung gewisse erwünschte
Bestandteile beizufügen, die bei der höheren Schmelztemperatur der nach der Verfahrensgruppe
I hergestellten Pulver oxydieren, neue Verbindungen eingehen bzw. in Gasform
entweichen
würden. Auch war der Wärmeaufwand für das Erhitzen und der Energieaufwand für das
Zerkleinern der durch Zusammenbacken oder Sintern entstandenen heterogenen Masse
geringer. Indessen war der Staubanfall beim Mahlen der gesinterten Masse zu einem
heterogenen Granulat trotz vielfach anzutreffender gegenteiliger Angaben nur unbeträchtlich
geringer, als wenn die geschmolzene Masse zu einem homogenen Granulat gemahlen wurde.
Insgesamt waren die Herstellungskosten (bei der Verfahrensgruppe 1I) gegenüber denjenigen
bei der herkömmlichen Herstellung (Verfahrensgruppe I) nur unbedeutend gesunken.
Außerdem fiel das (nach der Verfahrensgruppe I1) erzeugte Pulver oft recht ungleichmäßig
aus. Wenn im Einzelfall auf Grund einer besonders zufriedenstellenden Lieferung
eine Nachbestellung erfolgte, so wurde häufig die Nachlieferung selbst dann ungünstig
beurteilt, wenn sie derselben Herstellungscharge wie die Erstlieferung entstammte.
Es war sehr schwierig, die Ursache hierfür zu finden; die bekannten heterogenen
Pulver für die verdeckte Lichtbogenschweißung haben sich angesichts ihrer Nachteile,
welche die Vorteile teilweise wieder aufheben, nie so durchsetzen können, daß sie
die Produktionsmengen der durch Schmelzen erzeugten Schweißpulvers härten erreichen
oder gar überflügeln können.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein qualitativ gutes; gleichmäßiges
und praktisch staubfreies Schweißpulvergranulat in einer Weise herzustellen, die
wesentlich weniger kostspielig und weniger zeitraubend ist, und zwar gegenüber sämtlichen
Verfahren, die bisher auf dem in aller Welt hochentwickelten Gebiet der Schweißpulverherstellung
vorgeschlagen und in Gebrauch waren, wobei es zunächst unklar war, ob dieses Ziel
sich leichter mit einem homogenen oder einem heterogenen Korn oder sonstwie erreichen
ließ.
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Die Aufgabe wurde gemäß der Erfindung schließlich dadurch gelöst,
daß auf der Basis eines heterogenen Korns das Schweißpulvergranulat durch die Anwendung
des an sich bekannten Granulatformens (vgl. »Chemie-Ingenieur-Technik«, 1953; S.437)
in der Weise erzeugt wird, daß den zur Pulverherstellung benötigten trocken gemischten
Rohstoffen eine geeignete Flüssigkeit allmählich in feinverteilter Form zugegeben
wird, bis die für das Schweißen erforderlich Korngröße erreicht ist, worauf die
Körnchen in an sich bekannter Weise getrocknet und gegebenenfalls geglüht werden.
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Das hat den großen Vorteil, daß das Granulat ohne irgendwelche Umwege
unmittelbar aus der Rohstoffmischung unter Zuführung eines feinen Flüssigkeitsnebels
entsteht, also ohne daß die Mischung durch Schmelzen bzw. Einteigen in den flüssigen
bzw. knetbaren Zustand übergeführt zu werden braucht, der bisher ein anschließendes
Zusammenbacken und unter erheblicher Staubentwicklung ein mechanisches Zerkleinern
auf die gewünschte Korngröße erforderte. Das soll im folgenden- an einem Beispiel
erläutert weiden, wobei noch auf weitere Vorteile hinzuweisen sein wird.
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Man mischt die zur Pulverherstellung benötigten Rohstoffe zunächst
trocken in dem jeweils erforderlichen Mischungsverhältnis. Die Rohstoffe können
im wesentlichen aus feingemahlenem Tonmehl, aus härteren keramischen Bestandteilen,
Flußmitteln und auch solchen Zusätzen bestehen, die mit dem Metall der Schweißnaht
eine erwünschte Legierung eingehen können. Der Rohstoffmischung wird dann eine geeignete
Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, unter Druck in feinverteilter Form mittels Düsen
zugeführt. Diese Wasserzufuhr erfolgt äußerst langsam, z. B. derart, daß nur 11
Wasser minütlich bei einer Mischgutmenge von etwa 100 kg zugeführt wird. Die sehr
feinen Tröpfchen des Wassernebels treffen dabei innerhalb einer geeigneten Misch-
und Granuliermaschine auf kleinste in Bewegung befindliche Mischgutpartikelchen,
die sich an Nachbarpartikelchen, z. B. Tonmehlteilchen, anhängen, um sich darauf
noch wiederholt an weitere Panikelchen oder Partikelgrüppchen anzuhängen, bis die
gewünschte Korngröße des Granulats, z. B. maximal 1,5 mm, erreicht ist. Die meisten
Körnchen haben dann erfahrungsgemäß eine Größe, die in der Nähe von etwa 1 mm liegt,
und Körnchen unter 0,2 bis 0,3 mm Größe kommen praktisch nicht vor. Es werden hierbei
die einzelnen Körnchen schalenartig wie Schneewalzen von unten her aus kleinen Rohstoffpartikelchen
aufgebaut. Das wird zweckmäßig als »Granulatformen« bezeichnet (vgl. Reich in »Chemie-Ingenieur-Technik«,
1953, S. 437), während für die Körnchenherstellung von oben her, nämlich bei den
älteren Verfahren durch Zerkleinern einer starren Masse, der Ausdruck »Granulieren«
sich empfiehlt.
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Das durch Granulatformen erzielte Granulat wird anschließend, z. B.
in einem Trockenapparat mit Heißluftumwälzung, einem Bandtrockner oder auf Horden
leicht getrocknet und dann beispielsweise in einem Drehofen einem Glühvorgang unterworfen,
wobei alle für den späteren Schweißvorgang unerwünschten Dämpfe und Gase entweichen.
Da das Granulat beim aufbauenden Granulatformen bereits seine endgültige Korngröße
bekommt, erübrigen sich alle weiteren Arbeiten, insbesondere das kostspielige Zerkleinern,
das bei den bisherigen Herstellungsverfahren erforderlich war. Das neue Verfahren
ist also überraschend einfach, zeit- und energiesparend gegenüber allen Verfahren,
die bisher in der gesamten Welt bei der Herstellung von Schweißpulvern für die verdeckte
Lichtbogenschweißung angewandt worden sind. Beim Glühen der kleinen Körnchen kommt
man natürlich mit niedrigeren Temperaturen, die vorzugsweise unter 7.000° C liegen,
aus, als wenn größere Gebilde, die z. B. Klumpen- oder Kuchenform haben, geglüht
oder gar geschmolzen werden müssen.
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Wenn sich einige übergroße Körner durch unerwünschtes Anhängen an
Nachbarkörnchen bilden sollten, so können diese leicht abgesiebt werden, sofern
sie sich nicht bei ihrer Bewegung im Drehofen von selbst auf die gewünschte Korngröße
zurückbilden. Umgekehrt ist auch ein Absieben der kleinsten Körnchen, die üblicherweise
als Staub bezeichnet werden und im Durchmesser kleiner als 0,2 mm sind; empfehlenswert.
Dieser Anteil kann leicht unter 3 bis 5 11/o gehalten werden und ist also wesentlich
geringer als bei den bekannten Herstellungsverfahren. Diese geringe Staubmenge,
die praktisch nur bei der Weiterverarbeitung des an sich staubfreien Granulats beim
Trocknen, Fördern, Glühen usw. durch Abrieb entsteht, kann unter Umständen auch
im Schweißmittel belassen werden, weil sie in dieser Größenordnung bedeutungslos
ist.
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Dadurch, daß die endgültige Körnung des Schweißpulv;.rs bereits bei
der Verarbeitung der Rohstoffbestandteile durch das aufbauende Granulatformen
entsteht,
bekommen die Körnchen des Granulats praktisch alle die gleiche Zusammensetzung und
eine gute, rieselfähige Form, die beim Aufbringen auf die Schweißstelle leicht fließt
und nicht zur Klumpen-oder Brückenbildung neigt.
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Die Körnchen haben auch nicht die Tendenz, sich beim Transportieren
oder bei wiederholtem Umfüllen in andere Behälter zu entmischen, wie das erfahrungsgemäß
bei solchem heterogenen Schweißpulvergranulat zu befürchten ist, das durch Zermahlen
einer (z. B. unter Verwendung von Wasserglas) zusammengebackenen heterogenen Schweißmittelmasse
entstanden ist. Es ist ganz klar, daß beim Zerbrechen eines nicht homogenen Granulatkuchens,
der als heterogener Körper aus verschiedenen Mischungsbestandteilen einschließlich
Wasserglas zusammengebacken ist, manche Rohstoffteilchen (da sie miteinander keine
chemische Verbindung eingegangen sind) sich nicht genauso verhalten, wie alle anderen
Teilchen. Es werden also die Teilchen des einen Rohstoffs leichter zu Staub zermahlen
als andere Teilchen und daher beim Aussieben des Staubes zu einem höheren Prozentsatz
der Mischung entzogen. Diese Entmischungsgefahr besteht bei dem bekannten durch
Zerkleinern (Granulieren) entstandenen heterogenen Granulat ebenfalls, wenn es (zum
Transport) mehrmals umgeschüttet wird und dabei Gelegenheit hat, sich nach dem spezifischen
Gewicht seiner Bestandteile zu sortieren. Das ist ein erheblicher Nachteil der bekannten
heterogenen Schweißpulver, der beim Vertrieb mitunter zu unerträglichen Schwierigkeiten
geführt hat und mit ein Anlaß dafür gewesen sein mag, daß vor der Entstehung vorliegender
Erfindung die Schweißmittelhersteller dem durch Schmelzen erzeugten Schweißpulver
weitgehend den Vorzug vor den auf dem Markt befindlichen heterogenen Schweißpulvern
gegeben haben. Anderseits besteht diese Entmischungsgefahr bei dem neuen und fortschrittlich
durch Granulatformen hergestellten Schweißpulver nicht mehr. Das ist ein bedeutender,
nicht ohne weiteres voraussehbarer Vorteil, der zudem mit einfachsten Mitteln erreicht
wird, wobei verschiedene komplizierte und kostspielige Verfahrensschritte, die bisher
durchweg als erforderlich galten, infolge Anwendung des an sich bekannten Granulatformens
als entbehrlich erkannt wurden.
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Das neue Verfahren hat noch den weiteren Vorteil, daß es erlaubt,
mit niedrigeren Herstellungstemperaturen als bisher zu arbeiten. Hierdurch können
auch solche Legierungs- und ähnliche Bestandteile als Schweißpulverbestandteile
verwendet werden, die bei den bisher höheren Temperaturen nicht zusatzbar waren.
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Auch ist es natürlich viel leichter und einfacher, ein Granulat als
eine größere zusammenhängende Masse durchzutrocknen und zu entgasen. Das bedeutet
eine wesentliche Verkürzung der Trockenzeit, also eine erhebliche Kosteneinsparung.
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Weiterhin braucht bei dem neuen Herstellungsverfahren die Glühtemperatur
nicht so genau eingehalten zu werden, wie dies bisher erforderlich war.