DE1220236B - Schweissmittel - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 23k

Deutsche Kl.: 49 h-36/10

Nummer: 1220236

Aktenzeichen: G 37809 VI a/49 h

Anmeldetag: 22. Mai 1963

Auslegetag: 30. Juni 1966

Schweißmittel

Die Erfindung betrifft ein Schweißmittel, insbesondere zum Schweißen von niedriglegiertem Stahl hoher Festigkeit, vor allem nach dem Unterpulverbzw. Elektroschlacke-Schweißverfahren.

Für qualitativ hochwertige Schweißungen sind Schweißmittel unumgänglich erforderlich. Ihre Art und die Weise ihrer Anwendung hängen ab von dem zu verschweißenden Werkstoff, also dem Grundwerkstoff, und dem angewandten Schweißverfahren. Ohne Berücksichtigung dieser Variablen ist der allgemeine Zweck eines Schweißmittels die Bildung einer Schutzschicht für den Grundwerkstoff und das Schweißmetall an der Schweißstelle selbst, um eine Oxydation und/oder andere unerwünschte Veränderungen des Werkstoffs während des Schweißens zu vermeiden.

Beim Unterpulver-Schweißverfahren werden Überzüge von Schweißmittel angewandt, um den Schweißdraht und die Metallschmelze vor den Atmosphärilien zu schützen. Als Schweißdraht für dieses Schweißverfahren eignet sich beispielsweise ein Material, wie es in der USA.-Patentschrift 3 115 406 beschrieben ist. Als Schweißmittel wird in diesem Fall eine neutrale Masse angewandt, wie sie beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 751 478 beschrieben ist und von der Firma »Linde Air Products« unter der Bezeichnung »neutrales Schweißmittel, Qualität 80« in den Handel gebracht wird. Es ergab sich leider, daß die Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindung bei wirtschaftlich interessanten Schweißgeschwindigkeiten und dem hierfür erforderlichen Wärmeangebot nicht zufriedenstellten. Es ist auch bereits ein geschmolzenes Schweißmittel auf der Basis von Metalloxyden in Form von Manganoxyd, Kieselsäure, Calciumoxyd, Magnesiumoxyd, Titandioxyd, Aluminiumoxyd, Natriumoxyd und gegebenenfalls Kaliumoxyd, Wolframoxyd, Vanadiumoxyd, Molybdänoxyd, Nickeloxyd, Kobaltoxyd und Chromoxyd bekanntgeworden.

Diese Schweißmittel für die verdeckte Lichtbogenschweißung enthalten auch Metalle oder Metallegierungen, die dem Rohgemisch vor dem Einschmelzen in Pulverform zugesetzt werden. Für besonders hinsichtlich Wasserstoffaufnahme oder Schädigung durch.Atmosphärilien gefährdete Schweißungen enthält der Versatz für die Erschmelzung der bekannten Schweißpulver auch noch Flußspat oder Kryolith bis etwa 30 Gewichtsprozent. Der Fluoridszusatz bei diesem bekannten Schweißmittel hat den Zweck, eine bessere Trennung von Schlacke und Schmelze des Schweißmetalls und damit gerigere Einschlüsse in der Schweißstelle zu erreichen.

Die Erfindung betrifft nun Schweißmittel, insbesondere zum Schweißen von niedriglegiertem' Stahl hoher Festigkeit, vor allem nach dem Unterpulver- bzw. Anmelder:

General Dynamics Corporation,'

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und
Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Thomas Ballass, Troy, Ohio;

Bernard Joseph Freedman, Groton, Conn.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Mai 1962 (196 875)

Elektroschlacke-Schweißverfahren, bestehend aus 17 bis 40% Natriumaluminiumfluorid (Na₃AlF₈), 5 bis 20 °/o Aluminiumoxyd (Al₂O₃), 5 bis 15 % Manganoxyd (MnO), Rest Siliciumdioxyd und Calciumoxyd in einem Gewichtsverhältnis der beiden Bestandteile von 2:1. Besonders bevorzugt wird ein Schweißmittel aus 30 % Natriumaluminiumfluorid, 15 % Aluminiumoxyd, 10 °/o Manganoxyd, Rest Siliciumdioxyd und Calciumoxyd in einem Gewichtsverhältnis der beiden Bestandteile von 2:1,

Das erfindungsgemäße Schweißmittel kann in bekannter Weise auch übliche Metallpulver in üblichen Mengen enthalten und aus der Schmelze durch Granulieren od. dgl. hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Schweißmittel soll also für die Schweißung niedriglegierter, hochfester Stähle, wie beispielsweise die amerikanische Stahlgüte HY-80, dann zur Anwendung gelangen, wenn von der Schweißnaht sehr hohe Festigkeit und auch hohe Kerbschlagzähigkeit gefordert wird. Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schweißmittel verwendet man vorzugsweise handelsübliche Qualitäten der Rohprodukte, deren eventuell vorhandene Verunreinigungen die Güte der Schweißungen nicht beeinträchtigen. Die Rohprodukte werden vorzugsweise mit einer Korngröße von 100% < 0,297 mm angewandt. Die Rohprodukte, also Quarz, Kalk, Manganoxyd, Tonerde, Kryolith, werden in den vorbestimmten Mengenverhältnissen trocken gemischt. Als Quarz wird ein Handelsprodukt mit mindestens 90% SiO₂ und maxi-

609 587/245

mal 5 % Aluminium angewandt. Als Kalkkomponente eignet sich ein Produkt mit: mindestens 92 % CaO nach dem Brennen bei 1100° C sowie gegebenenfalls mit maximal 1,5 % Magnesium und 2 % Aluminium. Als Manganoxydkomponente eignet sich ein Handelsprodukt mit zumindest 45 % Mangan, maximal jedoch 8 % Eisen, 5 % Aluminium und 1 % Zink, Arsen und Blei, sowie 2% Barium. Als Aluminiumoxydkomponente wird gebrannte Tonerde der Handelsgüte verwendet, wobei das' Brennen bei 1100° C stattfand und der Aluminiumoxydanteil mindestens 99% beträgt. Als Natriumaluminiumfluoridkomponente kann handelsüblicher Kryolith verwendet werden.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Schweißmittels geschieht entweder durch Schmelzen oder Sintern oder anderes Binden, wie dies üblich ist. ■

Soll beispielsweise das Produkt erschmolzen werden, so werden die Rohprodukte gemischt und in einem Graphittiegel bei etwa 1315 bis 1425°C bis zum Schmelzen erhitzt, die_: Schmelze auf dieser Temperatur etwa 20 Minuten gehalten, auf Raumtemperatur abgeschreckt, gebrochen und auf die erforderliche Korngröße gemahlen. Das so erhaltene Schweißmittelgranulat läßt, sich unbegrenzt lange ohne Aufnahme von Feuchtigkeit lagern.

Soll das erfindüngsgemäße Schweißmittel durch Sintern hergestellt Werden, so wird das Gemisch der Rohprodukte etwa 1,5 Stunden auf 900° C erhitzt und auf diese Weise gesintert, dann abgekühlt, gebrochen und wie das erschmolzene Produkt auf das gewünschte Granulat verarbeitet. Es ist aber auch eine chemische Bindung'¹— beispielsweise mit Wasserglas — möglich. Dabei wendet man 1 Teil Wasserglas auf 3 Teile des Gemisches aus dem Rohprodukt an.

Das Ganze wird dann 3 Stunden auf 480°C erhitzt, um die Wasserglasbindung wirksam zu machen, und anschließend zu Granulat verarbeitet.

Das nach dem Schmelzverfahren hergestellte Schweißmittel wird bevorzugt.

Die folgende Tabelle 1 bringt eine Gegenüberstellung von erfindungsgemäßen Schweißmitteln A bis E gegenüber den üblichen Schweißmitteln X und Y, hergestellt durch Schmelzen und Granulieren.

Tabelle 1 - -

Schweißmittelanalyse in Gewichtsprozent

	Na3AlF0	Al2O3	MnO	SiO2	CaO
A	5	15	10	47	23
B	10	15	10	43	22
" C	15	15	10	40	20
D	20	15	10	37	18
E	30	15	10	30	15
X	0	12	16	36	20
Y	0	12	8	40	24

Die zum Vergleich dienenden Schweißmittel X und Y bekannter Zusammensetzung enthalten noch je 8 Gewichtsprozent CaF₂ und je 8 Gewichtsprozent MgO.

Die Schweißmittel wurden zur Verschweißung hochfester, niedriglegierter Stähle mit wirtschaftlich interessanten Schweißgeschwindigkeiten angewandt. Als Grundwerkstoff dient Stahl der Güte HY-80, das ist ein hochfester, niedriglegierter Stahl mit Streckgrenzenwerten von 56,4 bis 70,3 kg/mm² und folgender Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): Kohlenstoff

< 0,22 %, Mangan 0,1 bis 0,4 %, Phosphor < 0,035 %, Schwefel < 0,04 %, Silicium 0,15 bis 0,35%, Nickel 2 bis 2,75 %, Chrom 0,9 bis 1,4%, Molybdän 0,23 bis 0,35%, Rest Eisen.

Diese Stahlplatten wurden unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schweißmittel A bis E und der bekannten Schweißmittel X und Y mit Hilfe eines Schweißdrahtes, Drahtstärke etwa 4 mm, der Zusammensetzung in Gewichtsprozent: Kohlenstoff

< 0,12, Mangan 1,3 bis 1,6, Phosphor < 0,015, Schwefel < 0,015, Silicium < 0,2, Nickel 0,75 bis 1, Chrom < 0,15, Molybdän 0,15 bis 0,25, Kupfer 0,6 bis 0,9 mit zusätzlich < 0,15% ün Überzug, Zirkonium 0,15 bis 0,25, Aluminium 0,04, Rest Eisen, verschweißt. In der folgenden Tabelle 2 ist die analytisch bestimmte Zusammensetzung des jeweils mit den erfindungsgemäßen Schweißmitteln A bis E erreichten Schweißmetalls in Gewichtsprozent zusammengestellt.

	C	S	P	Si	Tabelle :	ι	Mo	Ni	Cr	Cu	Zr ·
	0,09	0,011	0,014	0,84	Mn	0,28	1,13	0,30	0,40	0,01 '
A	0,10	0,013	0,008	0,72	1,07	0,28	1,12	0,28	0,39	0,01
B	0,10	0,027	0,013	0,73	1,11	0,29	1,07	0,27	0,42	0,01
C	0,12	0,013	0,010	0,66	1,21	0,30	1,09	0,29	0,42	0,02
D	0,07	■0,010	0,014	0,64	1,16	0,29	1,08	0,21	0,42	0,02.
E				1,28

Das Schweißen erfolgte mit einer Bogenspannung von 27 V, Stromstärken von 550 bis 800 Amp. und Vorschubgeschwindigkeiten des Schweißdrahtes von ungefähr 42 bis 56 cm/Min.
In der folgenden Tabelle 3 sind die Festigkeitswerte der Schweißungen zusammengestellt.

	Platten stärke	Zugfestigkeit	0,2%-Streck- grenze	Tabelle 3	Einschnürung	- Ct (St Raum	arpy-Ker Alagenerj	Dschlagzä ;ie in kg ·	ligkeit m)bei
Schweiß mittel	cm	kg/mm2	kg/mm2	Dehnung*	°/o .	temperatur	-180C	-51° C	-62°C ~\
	2,54	80,5	68,0	7.	50,3	4,28	2,76	2,07	1,65 ·
A	2,54	80,6	63,2	19,4	50,0	7,3	4,55	2,62	- 2,07 ';
B	2,54	82,5	65,0	18,7	52,5	8,55	6,06	3,58	2,35
C	2,54	. 92,8	68,7	19,4	51,1	9,25	7,16	4,69	3,58
D	2,54	80,1	59,5	18,6	57,8 ' '	10,5	7,85	5,38	5,24 . :
E	2,54	71,0	58,2	21,5	50,5	5,38 '	4,69	2,9	V nicht
X	2,54	■ 77,2	61,5	.20	46	4,14	3,31	2,76	I entsprochen
Y			18,6

Bezogen auf vierfachen Durchmesser des Prüfstahls.

I 220 236

Daraus ergibt sich, daß die Schweißuiigen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schweißmittel, was die mechanischen Eigenschaften, und zwar die Streckgrenze und die Kerbschlagzähigkeit, insbesondere in der Kälte anbelangt, gegenüber den vergleichsweise untersuchten Schweißungen mit bekannten Schweißmitteln überragend sind. Beste Werte erhält man mit dem erfindungsgemäßen Schweißmittel, das 20 bis 30% Natriumaluminiumfluorid enthält, also entsprechend Schweißmittel E.

Zum Vergleich der Überlegenheit der erfindungsgemäßen Natriumaluminiumfluorid enthaltenden Schweißmittel wurde noch folgender Versuch angestellt:

Schweißmittel 1 nach der Erfindung aus 27% SiO₂, 13 % CaO, 10 »/ο MnO, 15 % Al₂O₃ und 35 % Na₃AlF₆ und ein Vergleichsprodukt Schweißmittel 2, bestehend aus 53% SiO₂, 27% CaO, 5% MnO und 15% Al₂O₃, wurden mit einem Schweißdraht der Zusammensetzung 0,09% C, 1,4% Mn, 0,74% Si, 1,03 Ni, 0,04% Cr, 0,28Mo, 0,48% Cu, 0,076% Zr, 0,004% S, 0,006 % P, Rest Eisen, Schweißdrahtstärke etwa 4 mm, bei einer mehrschichtigen Schweißung eines 25,4 mm starken Stahlblechs untersucht.

Es ergab sich dabei, daß mit beiden Schweißmitteln die Trennung der Schlacke leicht war, das Aussehen der Perlen glatt, die Schweißung einwandfrei und der Feuchtigkeitsgehalt des Schweißmittels < 0,05 % betrug.

Die Bestimmung der Feuchtigkeit im Schweißmittel erfolgte in der Weise, daß die Proben 4 Stunden bei 34⁰C und 96% relativer Luftfeuchtigkeit gehalten wurden. Dann wurden die Proben in einem Elektroofen bei 925° C und strömendem Sauerstoff bis zur Gewichtskonstanz gehalten, der entweichende Wasserdampf in einem Absorber aufgefangen und dessen Gewichtszunahme als Feuchte des Flußmittels berechnet. Daraus ergibt sich, daß die Anwesenheit von Natriumaluminiumfluorid hinsichtlich Schlackentrennung und Feuchtigkeitsaufnahme des Schweißmittels keine Bedeutung hat. Es kann also damit durch den Kryolithanteil in dem neuen Schweißmittel nicht der angestrebte Zweck der besseren Trennung von Schlacke und damit der Herabsetzung der Schlackeneinschlüsse und der Schwierigkeiten mit Feuchtigkeit im Schweißmittel erreicht werden.

Im Gegensatz zu dieser angeblichen Wirksamkeit von Natriumaluminiumfluorid auf die Verbesserung der Schlackentrennung und auf die Herabsetzung der Feuchtigkeitsaufnahme des Schweißmittels ist bei den erfindungsgemäßen Schweißmitteln durch die spezielle Zusammensetzung und den Natriumaluminiumfluoridgehalt insbesondere die Kerbschlagzähigkeit wesentlich verbessert. Die geht aus folgender Tabelle 4 hervor, wo die Werte für obige beide Schweißmittel 1 nach der Erfindung und Schweißmittel 2 in bekannter Weise ohne Natriumaluminiumfluorid, gegenübergestellt sind.

Tabelle 4

Schweißmittel

1
2

Charpy-Kerbschlagzähigkeit

(kg · m) bei
Raumtemperatur

12,0
3,31

-18° C

6,1
2,62

-51°C

6,2
1,79

-85°C

5,37
1,24

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Schweißmittels erstreckt sich nicht nur auf das Unterpulver- und das Elektroschlacken-Schweißverfahren, sondern es sind alle möglichen ähnlichen Schweißverfahren, insbesondere mit ummanteltem oder gefülltem Schweißdraht unter Schutzgas u. dgl. möglich. Für besondere Zwecke enthält das erfindungsgemäße Schweißmittel Metallteilchen, z. B. der Zusammensetzung entsprechend dem Schweißdraht oder dem Grundwerkstoff.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schweißmittel, insbesondere zum Schweißen von niedriglegiertem Stahl hoher Festigkeit, vor allem nach dem Unterpulver- bzw. dem Elektroschlacke-Schweißverfahren, bestehend aus 17 bis 40% Natriumaluminiumfluorid, 5 bis 20% Aluminiumoxyd, 5 bis 15% Manganoxyd, Rest Siliciumdioxyd und Calciumoxyd in einem Gewichtsverhältnis der beiden Bestandteile von 2:1.

2. Schweißmittel nach Anspruch 1, bestehend aus 30% Natriumaluminiumfluorid, 15% Aluminiumoxyd, 10% Manganoxyd, Rest Siliciumdioxyd und Calciumoxyd in einem Gewichtsverhältnis der beiden Bestandteile von 2:1.

3. Schweißmittelnach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in an sich bekannter Weise zusätzlich noch übliche Metallteilchen in üblichen Mengen enthält.

4. Schweißmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus dem Schmelzfluß durch Granulieren hergestellt worden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Österreichische Patentschrift Nr. 194 209.

609 587/245 6.66 © Bundesdruckerei Berlin