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Beim Elektroschweißen mit Schmelzelektrode, in denen das Schmelzbad
ganz oder teilweise durch eine Schlackendecke geschützt wird, entsteht diese letztere
durch das Schmelzen eines Schweißmittels. Hierbei wird das Schweißmittel, das aus
einem pulverförmigen oder granulierten Stoff besteht, vorher derart auf die Stücke,
die verbunden oder verstärkt werden sollen, aufgebracht, daß es zugleich die Spitze
des Drahtes, der als Schmelzelektrode benutzt wird, und das Schmelzbad bedeckt.
In anderen Verfahren mit freiem Lichtbogen kann das Schweißmittel durch verschiedene
Mittel in die Nähe des Lichtbogens gebracht werden, wobei es schmilzt und dabei
die schützende Schlacke bildet, ohne den Lichtbogen den Augen des Schweißers zu
entziehen.
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Die meisten der bekannten Schweißmittel beruhen auf der Basis von
Mangan-Aluminium-Silikaten und Erdalkalimetallsilikaten. Ihr Hauptnachteil ist die
schlechte Widerstandsfähigkeit der erhaltenen Schweißnaht gegenüber Schlag und Stoß,
charakterisiert durch die schlechten Meßwerte der Kerbschlagzähigkeit, z. B. auf
UF-Proben.
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Es ist versucht worden, den geschilderten Mangel durch Erhöhung der
Basizität des Schweißmittels zu vermeiden. Damit die basischen Bestandteile kräftig
wirken können, hat es sich als notwendig erwiesen, ihnen eine ansehnliche Menge
von Schmelzmitteln zuzufügen, die aus Fluoriden der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle
oder des Aluminiums bestehen. Vermittels dieser Zusätze hat man die erwähnten Schweißmittel
entwickeln können, die es ermöglichen, auch gegen Stoß und Schlag widerstandsfähige
Verbindungen zu erzielen. Diese Schweißmittel haben jedoch den Nachteil, daß, sobald
sie eine gewisse Menge Siliziumdioxyd enthalten, das Schweißgut sich sehr schnell
mit Silizium auflegiert. Dies ist für die mechanischen Eigenschaften, insbesondere
die Kerbschlagzähigkeit, nachteilig. Beim gleichen Gehalt des Schweißmittels an
Siliziumdioxyd ist die Zunahme des Siliziumgehalts des Schweißgutes um ebenso viel
größer, je mehr das Schweißmittel an Schutzmetallen, wie Mangan, Titan, Aluminium
od. a., enthält. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, als basische Schweißmittel
nur Gemische zu verwenden, die arm an Siliziumdioxyd und an Schutzmetallen sind.
Diese Notwendigkeit hat wiederum Nachteile. Einer ist eine große Empfindlichkeit
des Schweißgutes gegenüber Poren-Bildung auf schlecht vorbereiteten Fugen oder auf
rostigen Stücken. Eine weitere Folge ist, falls man Wechselstrom benutzt, ein hoher
Stromverbrauch, wenn die gleiche Arbeit mit derselben Geschwindigkeit ausgeführt
werden soll. Dabei setzt sich nämlich eine reichlichere Schlackendecke ab, die zu
einem bedeutenden Verbrauch an Schweißmittel führt.
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Es ist weiterhin ein Flußmittel für das Elektroschlackeschweißen bekannt,
das aus 32,6 (°/o) SiO2, 7,6 Ca0, 7,0 Mg0, 5,3 MnO, 15,9 CaF2, 1,6 Fe0 und 9,4 A1203
besteht, wobei jedoch die Zusammensetzung der restlichen Anteile von 20,6 °/o unbekannt
ist. Dieses Flußmittel enthält im übrigen keine Schutzmetalle. Dabei ist beschrieben,
daß der Wasserstoffgehalt im geschweißten Material niedriger liegt als im Ausgangsmaterial,
daß jedoch eine Anreicherung an Wasserstoff aus der Umgebung erfolgen kann, besonders
aus dem Feuchtigkeitsgehalt der Schlacken-Bestandteile.
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Schließlich ist ein basisches Schweißpulver für die Schweißung von
unlegiertem und legiertem Stahl bekannt, bei dem die molekulare Zusammensetzung
üblicher Bestandteile im Verhältnis MnO: Si02 = 1 bis 2,2, vorzugsweise 1,15 bis
1,7, A1203 : Ti02 = 1,5 bis 3,5, vorzugsweise 2,0 bis 3,0; Ca0 : Mg0 = 1,0 bis 2,0,
vorzugsweise 1,2 bis 1,6, und einem Basizitätsverhältnis von 1,1 bis 1,5 steht.
Dabei können als weitere Bestandteile Elemente, Verbindungen, Legierungen einzeln
oder in Mischungen in dem basischen Schweißpulver enthalten sein, die in dem zu
verschweißenden Werkstoff enthalten sind oder in diesen hineinlegiert werden sollen.
Dieses bekannte Schweißpulver enthält in allen Fällen verhältnismäßig viel Mangan.
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Die Erfindung erstrebt ein basisches Schweißmittel, das verhältnismäßig
viel Siliziumdioxyd und das Schutzmetalle enthält, ohne daß jedoch der Siliziumgehalt
des Schweißgutes überhöht ist.
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Vor der Schilderung der erfindungsgemäßen Art der Komponenten und
der Gewichtsverhältnisse seien zwei einleitende Bemerkungen vorausgeschickt: 1.
Alle im folgenden angegebenen Verhältnisse sind in Gewichtsprozenten ausgedrückt.
Die Prozentsätze sind auf das Gesamtgewicht der nichtmetallischen Bestandteile bezogen.
Der Metallzusatz ist ebenfalls ausgedrückt in Gewichtsprozentsätzen dieses gleichen
nichtmetallischen Anteils. Die Metallbeimischungen können sehr unterschiedlich sein,
ohne über den Rahmen der Erfindung hinauszugehen.
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2. Die angezeigten chemischen Gemenge ergeben sich aus einer Gesamtanalyse,
ohne Berücksichtigung der möglichen Verbindungen zwischen den Komponenten oder ihrer
physikalischen Beschaffenheit. Es ist z. B. von geringem Interesse, ob das Siliziumdioxyd
als Quarz oder als kieselsaures Salz eingebracht wird; nur der Gesamtgehalt des
Zuschlages an Siliziumdioxyd (SiO2) ist in Betracht zu ziehen. Weiter ist beobachtet
worden, daß die wirksamsten Bestandteile in der Schlacke als Säurebestandteil das
Siliziumdioxyd, als basische Bestandteile die Oxyde der Erdalkalimetalle sind.
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Die Erfindung betrifft ein pulverförmiges oder granuliertes Schweißmittel
für die verdeckte Lichtbogenschweißung oder das Schweißen mit freiem Lichtbogen
von gewöhnlichen oder Spezialstählen, welches zumindest teilweise durch Agglomeration,
d. h. ohne Verschmelzung aller seiner Bestandteile, hergestellt ist und schlackenbildende,
gegebenenfalls untereinander verbundene Bestandteile enthält, denen metallische
Zuschlagstoffe beigegeben sind, deren Zusammensetzung derjenigen des zu schweißenden
Metalls entspricht. Die Erfindung besteht darin; daß die schlackenbildenden Bestandteile
einen Gesamtanteil nichtmetallischer Bestandteile umfassen, der sich, ausgedrückt
in Gewichtsprozent, zusammensetzt aus: 9 bis 48 % übliche Fluoride, besonders
Kalziumfiuorid, wobei vom Kalziumfluorid abgesehen die Summe der Gehalte an den
übrigen Fluoriden höchstens 15 °/o beträgt; 9 bis 34°/o übliche. Erdalkalimetalloxyde,
besonders Kalziumoxyd, wobei vom Kalziumoxyd abgesehen die Summe der Gehalte an
den übrigen Erdalkalimetalloxyden höchstens 15 °/o beträgt und die Fluoride und
Erdalkalimetalloxyde zusammen 20 bis 58 °/o ausmachen;
28 bis 58
°/o Siliziumdioxyd, wobei der Gewichtsanteil der vorstehend aufgeführten Erdalkalimetalloxyde
weniger als sieben Zehntel des Gewichtsanteils des Siliziumdioxyds betragen muß
und das Gesamtgewicht der Fluoride, der Erdalkalimetalloxyde und des Siliziumdioxyds
60 bis 1000/, ausmacht; 0 bis 400/, Tonerde; und daß der metallische Anteil des
Schweißmittels sich auf 3 bis 250/, des Gesamtgewichts der nichtmetallischen
Bestandteile beläuft und aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Mangan,
Titan, Aluminium, Magnesium, Chrom, Molybdän, Nickel, Vanadium, Kobalt, Wolfram,
Niob, Kupfer und 0 bis 2 °/o sonstige Metalle, gegebenenfalls miteinander oder mit
Eisen legiert, gegebenenfalls zusammen mit Silizium besteht.
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Auf Grund der Erfindung ist es überraschenderweise möglich, durch
eine besondere Wahl der Komponenten und ihrer Gewichtsverhältnisse bedeutende Mengen
von Siliziumdioxyd in einem basischen Schweißmittel einzubringen, das Schutzmetalle
enthält, ohne daß der Siliciumgehalt des Schweißgutes die zulässigen Werte überschreitet.
Das erfindungsgemäße Schweißmittel kann ebenso allgemein und ebenso sparsam verwendet
werden wie die besten bekannten Schweißmittel und verleiht der Schweißnaht eine
bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoß und Schlag.
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Gemäß der Erfindung wird ein Schweißmittel erhalten, das zugleich
die Eigenschaften eines sauren und eines basischen Schweißmittels aufweist und das
wenigstens zu 60 °/o seines nichtmetallischen Anteils aus Siliziumdioxyd, Oxyden
der Erdalkalimetalle und Fluoriden zusammengesetzt ist.
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Unter den Erdalkalimetalloxyden wird vorzugsweise das Kalziumoxyd
(Ca0) gewählt; die Summe der anderen Erdalkalimetalloxyde darf 1501, nicht
überschreiten. Unter den Fluoriden wird Flußspat (CaF2) bevorzugt; die Summe der
übrigen Fluoride darf nicht über 15 °/o hinausgehen.
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Die Gewichtsverhältnisse des Siliziumdioxyds, der Erdalkalimetalloxyde
und der Fluoride, die in dem nichtmetallischen Anteil des Schweißmittels enthalten
sind, müssen betragen: 28 bis 58 °/o für das Siliziumdioxyd, 20 bis 58 °/o für die
Erdalkahmetalloxyde und die Fluoride, davon wiederum 9 bis 34 °/o Erdalkalimetalloxyde.
Letzteres Mengenverhältnis muß kleiner als sieben Zehntel des Gewichtsanteils des
Siliziumdioxyds sein. Die Menge der Fluoride muß zwischen 9 und 48 °/o bleiben.
Alle anderen nichtmetallischen Bestandteile werden als wenig wirksam für die Frischungseigenschaften
der Schlacke angesehen, vorausgesetzt, daß ein Grenzwert nicht überschritten wird.
Unterhalb dieser Grenze kann ihr Vorhandensein dagegen in vielen Fällen vorteilhaft
oder auch notwendig sein, um eine fehlerfreie Verschmelzung und eine saubere Schweißnaht
zu erhalten.
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Unter den anderen nichtmetallischen Bestandteilen wird allein die
Tonerde ohne Schaden 40 °/o erreichen können. Wenn weitere nichtmetallische Komponenten
außer Siliziumdioxyd, Erdalkalimetalloxyden, Fluoriden und Tonerde vorhanden sind,
soll deren Summe 30 °/o nicht überschreiten, wobei jede für sich wie untenstehend
begrenzt ist.
| Maximal dürfen erreichen: |
| die Dioxyde des Titans und des |
| Zirkoniums ..................... 300/,o |
| die Manganoxyde .................. 200/, |
| die Chromoxyde ................... 200/0 |
| die Eisenoxyde .................... 1501, |
| die Alkalien ....................... 100/0 |
| das Borsäureanhydrid .............. 10% |
Die Summe der anderen nichtmetallischen Komponenten darf 100/() erreichen.
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Dem erfindungsgemäßen nichtmetallischen Anteil muß man Schutzmetalle
zufügen, die unentbehrlich für die Erzielung einer Schweißnaht mit guter Kerbschlagzähigkeit
sind, auch wenn sie mit einem Grundmetall zweifelhafter Qualität stark verdünnt
sind. Man wird überdies in gewissen Fällen andere Metalle als Eisen ersetzen müssen,
die im Schweißdraht enthalten sind und teilweise beim Schweißen verlorengegangen
sind, oder in die Schweiße Metalle einführen, die nicht im Draht enthalten sind.
Dieser Zusatz von Metallen, die untereinander oder mit Eisen legiert oder auch nicht
legiert sind und die als »Aktive Metalle« bezeichnet werden und wozu Mangan, Titan,
Aluminium, Magnesium, Chrom, Molybdän, Nickel, Vanadium, Kobalt, Wolfram, Niob oder
Kupfer zählen, beträgt mindestens 3 °/o bis maximal 25 °/o, davon können 0 bis 2
°/o sonstige Metalle sein. Man muß in diesen Anteil auch die etwaigen Zugaben von
Silizium einrechnen, obwohl es sich um ein Nichtmetall handelt. Man kann schließlich
auch, wenn man es wünscht, dem erfindungsgemäßen metallischen Anteil neben den aktiven
Metallen in den erfindungsgemäßen Mengen als Zusatzmetalle solche Metalle beifügen,
die identisch mit denjenigen sind, die in dem mit dem Schweißmittel verwendeten
Draht enthalten sind und die in genau entsprechenden Verhältnissen gemischt oder
legiert sind, wie sie im Draht vorliegen.
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Wenn z. B. das Schweißmittel in Verbindung mit einem Draht aus weichem
Martinstahl verwendet werden soll, um gewöhnlichen Stahl zu schweißen, wird das
Zusatzmetall aus handelsüblichem Eisenpulver bestehen. Man vermehrt so das Gewicht
des Schweißmittels statt eines gleichen Gewichtes an Draht, und man verändert auf
gleiche Art und Weise die elektrischen Daten sowie die magnetischen, thermischen
und wirtschaftlichen Eigenschaften des Schweißmittels, ohne dadurch das Verhalten
wesentlich zu verändern, auch nicht bei Zugaben bis zu 75 °/a. Die Zusätze an aktivem
Metall (Schutzmetall) müssen dann vergrößert werden, sollen jedoch auf ein Maximum
von 25 °/o begrenzt bleiben.
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Da die Gewichtsverhältnisse der Fluorverbindungen und der Metalle
in dem Schweißmittel beträchtlich sind, kann seine Herstellung nicht durch Verschmelzen
der gesamten Menge der Komponenten ausgeführt werden. Man kann so verfahren, daß
man die am schwersten schmelzenden Komponenten durch eine vorherige Verschmelzung
vereinigt, dann folgt eine Zerkleinerung durch Vermahlen oder auf andere
Weise
und eine Zusammenballung (Agglomeration) der erhaltenen Körner mit den übrigen Komponenten
- darunter die Fluoride und Metalle - mit oder ohne Hilfe eines Bindemittels bei
einer deutlich tieferen Temperatur als bei der ersten Verschmelzung. Indessen ist
es einfacher, ohne vorherige Verschmelzung vorzugehen, nämlich durch direkte Agglomeration
der pulverförmigen Bestandteile - mit oder ohne Bindemittel - bei einer solchen
Temperatur, daß mindestens ein Teil des Gemisches nicht verflüssigt wird. Es ist
auch möglich, eine Agglomeration bei Raumtemperatur mit Hilfe eines Bindemittels
vorzunehmen, wie z. B. eines in Wasser gelösten Alkalisilikats (Wasserglas), mit
anschließender Erhitzung (Brennen) bei genügend hoher Temperatur. Dadurch werden
das Wasser des Silikats und eventuell flüchtige Bestandteile ausgetrieben, ohne
daß jedoch die Komponenten schmelzen. In der Praxis ist für dieses letztere Herstellungsverfahren
eine Temperatur von 300 bis 700°C angemessen. In dem üblichen Fall, wo das Schweißmittel
in Form von Pulver oder als Granulat verwendet werden muß, wird die gewünschte Körnung
entweder direkt während der Agglomeration oder durch späteres Vermahlen erreicht.
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Eine Anwendung des Herstellungsverfahrens mit vorheriger Verschmelzung
eines Teils der Bestandteile besteht darin, als Teilkomponenten des Agglomerats
industrielle Nebenprodukte oder Altmaterialien zu verwenden, die ihrer Herkunft
nach aus Schmelzen entstanden sind und deren chemische Analyse mit den durch die
Erfindung vorgeschriebenen Bedingungen übereinstimmt, wie - als nicht einschränkende
Beispiele - metallurgische Schlacken oder keramische Abfälle.
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Im folgenden sei ein nicht einschränkender Hinweis für das erfindungsgemäße
Schweißmittel genannt; das in seinem nichtmetallischen Anteil so viel wie möglich
an den erfindungsgemäßen Bestandteilen in Form von natürlichen Mineralien, von Gemischen
oder chemischen Verbindungen an Si02, Ca0, CaF2, TiO2, A1203, Zr02, Naz0 und K20
enthält. Diese sind die vorteilhaftesten unter den erfindungsgemäß möglichen Komponenten.
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Ohne Erhitzen wird mit Hilfe von 29 kg eines flüssigen Wasserglases,
das aus 62 °/o H20, 3111/0 SiO2 und 7
% Na20 besteht, ein Pulvergemisch agglomeriert,
welches enthält:
| 40 kg Wollastonit mit 52,5 °/o Si02 |
| und 47,5 °/o Ca0, |
| 16 kg Flußspat mit 100 % CaF2, |
| 5 kg Quarz mit 1000/0 Si02, |
| 3 kg Rutil mit 100 °% TiO2, |
| 7 kg Bauxit mit 100 °/o A1203, |
| 6 kg Zirkon mit 33,3 °/o Si02 und 66,7 °/o ZrO2, |
| 12 kg Feldspat mit 75 °/o Si02, 16,5 % A1203 |
| und 8,5 % K20, |
| B kg Ferromangan mit 80 °% Mn und 20 °/o Fe, |
| 2 kg Ferrotitan mit 45 % Ti und 55 °/o Fe. |
Nach dem Brennen bei 500°C und Granulieren werden 110 kg Schweißmittel folgender
erfindungsgemäßen Zusammensetzung für das Schweißen mit verdecktem Lichtbogen gewonnen,
das
| a) 100 kg nichtmetallische Produkte, enthaltend |
| 46 kg Si02, |
| 19 kg Ca0, |
| 16 kg CaF2, |
| 3 kg TiO2, |
| 9 kg A1203, |
| 4 kg Zr02, |
| 2 kg Na20, |
| 1 kg K,0, |
| b) und 10 kg an Metallen enthält, davon |
| 6,4 kg Mangan, |
| 0,9 kg Titan, |
| 2,7 kg Eisen. |
In den obigen Zahlen ist als Basis ein solches Gesamtgewicht angenommen, daß die
Teilgewichte den gleichen Wert haben wie die weiter oben festgesetzten Prozentsätze.
Es ist also festzustellen, daß die Teilgewichte mit der Erfindung übereinstimmen,
da die folgenden Bedingungen berücksichtigt sind:
Der folgende Versuch beweist die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Schweißmittels
sowohl gegenüber den klassischen nicht basischen Schweißmitteln als gegenüber den
basischen Schweißmitteln mit niedrigem Siliziumdioxydgehalt.
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Mit Wechselstrom werden nach dem Verfahren der verdeckten Lichtbogenschweißung
mit einem Draht aus weichem Martinstahl mit 0,5°/o Mangangehalt und einem Durchmesser
von 5 mm zwei Flacheisen von 12 mm Dicke aus gewöhnlichem Thomasstahl und einer
Spaltbreite von 5 mm und einer Stützplatte von 12 mm aneinandergeschweißt. Für ein
befriedigendes Ergebnis werden folgende Einstellungen gewählt: Lichtbogenspannung
ungefähr 36 Volt, Vorlauf des Drahtes ungefähr 140 cm/Min. und Vorlauf des Transportkarrens
auf ungefähr 50 cm/Min. bei einer Stromstärke von 900 bis 1000 Ampere, je nach dem
Schweißmittel.
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Unter solchen Bedingungen geben die klassischen nicht basischen Schweißmittel
schlechte Kerbschlagzähigkeiten wegen des ungünstigen Wärmekreislaufs infolge der
Bildung einer einzigen Lage von bedeutender Dicke. Die basischen Schweißmittel mit
geringem Siliziumdioxydgehalt erzeugen Poren in der Schweißnaht, da ja das Probestück
zwei Bedingungen in sich vereinigt, eine hohe Wechselstromstärke und einen breiten
Spalt. Sofern es gelingen sollte, eine Porenbildung zu vermeiden, wird eine schwache
Kerbschlagzähigkeit erreicht. Die in all diesen Fällen erhaltenen Kerbschlagzähigkeiten
variieren je nach dem Schweißmittel von 4 bis 8 kgm/cm2. Dagegen liegen die Kerbschlagzähigkeiten
von mit dem erfindungsgemäßen Schweißmittel niedergelegten Schweißnähten in der
Größenordnung von 11 bis 15 kgm/cm2 eindeutig höher.