DE1296931B

DE1296931B - Verfahren zum Schweissen von Metallen mit verdecktem Lichtbogen oder nach dem Elektroschlacke-Schweissverfahren

Info

Publication number: DE1296931B
Application number: DE1963S0085679
Authority: DE
Inventors: Danhier Francois Georges
Original assignee: SOUDURE AUTOGENE ELECT
Current assignee: SOUDURE AUTOGENE ELECT
Priority date: 1962-06-21
Filing date: 1963-06-14
Publication date: 1969-06-04
Also published as: BE619234A; GB1021923A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Metallen, insbesondere Eisenmetallen oder -legierungen, mit verdecktem Lichtbogen oder nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren, wobei der zwischen mindestens einer Metallelektrode und den zu schweißenden Werkstücken fließende elektrische Strom ein Schmelzbad erzeugt, das von einer flüssigen, nichtbasischen Schweißmittelschlacke bedeckt ist.
Die Erfindung hat verschiedene Mittel zur Verbesserung der durch diese Verfahren üblicherweise erzielbaren Schweißverbindungen zum Gegenstand. Dabei beziehen sich diese Mittel auf den Fall, daß die normalerweise verwendete flüssige Schlacke bzw. das Schweißmittel nichtbasisch ist.
Der Ausdruck »nichtbasische Schlacken« umfaßt erfindungsgemäß diejenigen Schlacken, die von Schweißern allgemein als »saure Schlacken, neutrale Schlacken oder halbbasische Schlacken« bezeichnet werden. Beim Schweißen mit verdecktem Lichtbogen oder beim Elektroschlackeschweißen besitzen diese Schlakken einen Basizitätswert unter 1,4.
Der Basizitätswert ist das Verhältnis wobei B den Prozentsatz in Gewichtsteilen von CaO + Mg0 -I- BaO + K20 -f- Na20 -f- Li20 -E-- CaF2 -t- MnO und A den Prozentsatz in Gewichtsteilen von Si02 -!- (A1203 + Ti02 -i- Zr02) bezeichnet.
Es sind mehrere Schmelzschweißverfahren bekannt, z. B. das Lichtbogenschweißen von Hand mit ummantelten Elektroden, das automatische Schweißen mit verdecktem Lichtbogen, das automatische Schutzgas-Lichtbogenschweißen unter Verwendung von Seelenelektroden sowie das sogenannte Elektroschlacke-Schweißverfahren, das metallurgische Schlacken verwendet, die das geschmolzene und das sich verfestigende Metall bedecken.
Diese Schlacken üben einen großen Einfluß auf die Güte des dem Schweißen ausgesetzten Metalls aus. Man sucht, die Schlacken so zusammenzusetzen, daß sie dem vorliegenden Metall eine große Kerbschlagzähigkeit vermitteln.
Bekanntlich erhält man beim Lichtbogenschweißen von Hand bei Eisen und Stählen die besten mechanischen Eigenschaften mit basischen Schweißmitteln, d. h. solchen, die viele basische Bestandteile wie CaF2, Mg0, Ca0, Ba0, MnO usw. und wenig saure Bestandteile wie Si02, TiO2, A1203 usw. enthalten.
Bei gewissen Verfahren (verdecktem Lichtbogen-, Elektroschlackeschweißen) besitzt die Schlacke neben ihrer metallurgischen Wirkung noch eine oder mehrere physikalische Wirkungen.
Bei verdecktem Lichtbogenschweißen soll sie eine geeignete Form der Schweißraupe sicherstellen, für längere Zeit einen gewissen Flüssigkeitszustand des Schmelzbades bewahren, wobei sie die aus dem Metall während der Verfestigung entweichenden Gase durchläßt, und den Lichtbogen unsichtbar stabilisieren.
Beim Elektroschlacke-Schweißverfahren fließt durch die Schlacke ein starker Strom. Deshalb soll die Schlacke bei diesem Verfahren einen ausreichenden elektrischen Widerstand aufweisen, damit sich nach dem Jouleschen Effekt die notwendige Schmelzwärme an den Rändern der zu verschweißenden Werkstücke entwickelt. Ferner soll sie bei diesem Verfahren eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den Kupferklötzen einerseits und dem verfestigten Metall sowie den Stirnseiten der miteinander zu verschweißenden Werkstücke bilden, gegen die die Kupferklötze angelegt werden.
In derartigen Fällen verlangt die physikalische Aufgabe der Schlacke Zusammensetzungen, die nicht immer ausgezeichnet im metallurgischen Sinne sind. Beispielsweise ist es beim Schweißen mit verdecktem Lichtbogen und beim Elektroschlackeschweißen bequem und daher sehr häufig, sogenannte saure oder neutrale Schlacken zu verwenden, deren Gehalt an Si02 mehr als 35 Gewichtsprozent beträgt. Diese Schlacken erlauben nicht die Ablagerung eines sehr reinen Metalls. Dies hat nachteilige Wirkungen hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindung zur Folge. So weisen diese Schweißverbindungen insbesondere eine geringe Schlagfestigkeit auf.
Die Erfindung erlaubt es, die mechanischen Eigenschaften von Schweißungen mit verdecktem Lichtbogen und nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren unter völliger Beibehaltung der wirtschaftlichen und technologischen Vorteile der Verwendung saurer oder neutraler Schlacken zu verbessern.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der nichtbasischen Schlackenschicht eine beträchtliche Menge eines Schweißmittels, das beim alleinigen Schmelzen auf dem Schmelzbad zunächst eine nichtbasische Schlacke ergibt, mit einer geringen Menge eines weiteren Schweißmittels, das beim alleinigen Schmelzen eine basische Schlacke ergibt und durch mindestens eine Rohrelektrode entsprechend ihrem Abschmelzen zugeführt wird, auf dem Schmelzbad im flüssigen Zustand miteinander gemischt werden, wobei die durch das Schmelzen der Elektrode erzeugte basische Schlackenmenge so bemessen ist, daß die nach dem Vermengen beider Schlacken erzeugte Schlacke wiederum nichtbasisch ist.
Die mit der Elektrode zugeführten basischen Stoffe wirken zunächst allein auf einen großen Teil des Schweißmetalls ein und mischen sich dann mit den sauren Bestandteilen.
Das am Elektrodenende abschmelzende Metall erreicht eine sehr hohe Temperatur, und folglich ist auch die von der Elektrode zugeführte basische Schlacke außerordentlich heiß. Jedes beim Abschmelzen der Elektrode entstehende flüssige Tröpfchen besteht aus flüssigem, überhitztem Metall und flüssiger, basischer Schlacke.
Diese Tröpfchen werden kräftig in das Schmelzbad gestürzt. Der Metallanteil mischt sich mit der Schweiße (Mischung des von der Elektrode stammenden Metalls mit dem geschmolzenen Metall des Grundwerkstoffes), während die basische Schlacke in die flüssige Schweiße hineingeschleudert wird. Dadurch unterliegt dieses Metall metallurgischen Reaktionen, durch die es gereinigt wird. Anschließend steigt die basische Schlacke wieder an die Oberfläche des Schmelzbades empor, wo sie sich mit der weniger heißen, von außen zugefügten sauren Schlacke vermischt.
Die schließlich sich ergebende Mischung ergibt eine neutrale oder saure Schlacke, deren Zusammensetzung den technologischen Erfordernissen des gewählten Verfahrens und dem geschweißten Metall entspricht und angepaßt ist.
Die nachstehende Beschreibung der beiden Schweißvorgänge mit verdecktem Lichtbogen nach einem bekannten Verfahren und nach demVerfahren gemäß der Erfindung erlaubt es, festzustellen, daß letzteres beträchtliche Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahren bietet.
An zwei Blechen von 25 mm Dicke aus einem Stahl St 52 wurde eine Stumpfschweißung mit verdecktem Lichtbogen vorgenommen. Der verwendete Stahl, Siemens-Martin-Stahl, bestand aus 0,180/0 Kohlenstoff, 0,21% Silizium, 1,2 0/0 Mangan, 0,03 0/0 Schwefel und 0,016% Phosphor, Rest Eisen.
Zwischen den Stirnseiten beider Bleche wurde eine Y-förmige Fuge hergestellt, wobei die Schrägflächen miteinander einen Winkel von 70° einschlossen, während die lotrechten Flächen etwa 4 mm hoch waren.

Beim üblichen Schweißen mit verdecktem Lichtbogen verwendete man ein handelsübliches, granuliertes Schweißmittel, dessen in der Praxis übliche Zusammensetzung wie folgt ist:

Si02 ............................ 45%

AI203............................ 30/0

CaF2 ............................ 501,

MnO ............................ 35%

Mg0 ............................ 4%

Ca0 ............................. 5%

Verschiedenes .................... 3%

100-/'

Der Basizitätswert dieses Schweißmittels beträgt 0,7. Das Schweißmittel enthält etwa 33 Gewichtsprozent Sauerstoff. Es hat das Aussehen von gefärbten Glaskörnern.

Das Schweißen wurde in fünf Stufen entsprechend der in Tafel 1 aufgeführten Weise durchgeführt, wobei eine blanke volle Elektrode mit 4,8 mm Durchmesser verwendet wurde, die mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle verbunden war.
Um mit dem Schweißmittelgranulat eine Zugfestigkeit von mehr als 55 kg/mm2 zu erzielen, wurde in üblicher Weise eine Elektrode aus weichem Stahl mit 1,8 bis 2% Mangan und 0,09 bis 0,120/0 Kohlenstoff verwendet.

Für jeden Meter Schweißnaht wurden 3,6 kg Elektrodenmaterial und 4,8 kg Schweißmittel verbraucht.

Die gleichen Bleche wurden dann nach dem Verfahren gemäß der Erfindung verschweißt, wobei hierfür ein saureres Schweißmittel verwendet wurde, dessen Basizitätswert 0,35 bei folgender Zusammensetzung betrug:

Si02 ............................. 56%

AI203............................. 30/0

MnO ............................. 39%

Verschiedene Stoffe ................ 20/0

Die verwendete Elektrode besaß eine Seele von 4,8 mm Außendurchmesser. Sie hatte einerseits einen Mantel aus weichem Stahl, der 75 0/0 des Gesamtgewichts ausmachte und folgende Zusammensetzung aufwies:

Kohlenstoff..................... 0,061)/o

Mangan........................ 0,200/0

Verschiedenes .................. 0,100/0

Eisen .......................... 99,640/0

und andererseits eine Seele, die 25 0/0 des Gesamtgewichts der Elektrode ausmachte, aus einem basischen Schweißmittel der folgenden Zusammensetzung:

Ferromangan affine (80% Mangan

und 10/0 Kohlenstoff) ............ 80/,

CaF2 ............................ 36%

MnO ............................ 14%

Si02 ............................ 80/0

Ca0 ............................. 16%

Mg0 ............................ 140/0

Siliziummangan (25 % Silizium,

74% Mangan, 1% Kohlenstoff) ... 10/0

Verschiedene Stoffe ............... 30/0

1000/0

Der Basizitätswert der aus dem Schweißmittel der Seele durch Schmelzen gebildeten Schlacke war 9.

Das Schweißen selbst wurde unter den gleichen Bedingungen wie bei dem Versuch nach Tafel f für den vorhergehenden Schweißvorgang durchgeführt.
Je laufendem Meter Schweißnaht betrug der Verbrauch an Elektroden mit basischer Seele 4,8 kg und an saurem Schweißmittel 3,8 kg.
Die verfestigte Schlacke, die die Schweißnaht des Probestückes umschloß, das nach dem üblichen Schweißverfahren geschweißt war (Probe A), wurde mit derjenigen des anderen, gemäß der Erfindung geschweißten Probestückes (Probe B) verglichen.

Die Ergebnisse dieser Analysen sind nachstehend in Tafel 11 aufgeführt:

Tafel Il

Schlacke Schlacke

der Probe A der Probe B

°/o %

Sioz ................... 41,5 40,7

Ca0 ................... 5,8 6

Mg0 .................. 4 3,5

CaF2 .................. 4 6

MnO................... 34,1 33,6

A1203.................. 2,8 2,2

Fe0 und verschiedene

Stoffe ................ 7,8 8

Die Basizitätswerte der Schlacken betrugen für Probe A 0,70 und für Probe B 0,75.

Andererseits wurden Proben zur Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit nach Charpy UF mit schlüssellochförmiger Kerbe und Charpy V mit U-förmiger Kerbe quer zur Schweißnaht entnommen, wobei die Achse dieser beiden Proben in der Mittelebene der Blechdicke lag und die Kerben senkrecht zu den großen Flächen der Bleche angebracht waren.

Die Charpy-UF-Proben wurden bei einer Temperatur von + 20°C, die Charpy-V-Proben bei Temperaturen von - 10, - 20 und - 30°C zerrissen. Einige Charpy-UF-Proben wurden einem Kaltschmieden (10°/oige Stauchung) unterworfen und anschließend 2 Stunden lang bei 250°C gealtert. Die Ergebnisse (Mittelwerte von je fünf Proben) sind nachstehend in Tafel III aufgeführt:

Tafel III

Charpy UF Charpy V Charpy V Charpy V Charpy UF

-i- 20°C - 10°C - 20°C - 30°C -f- 20°C

mkp/cm2 mkp/cm2 mkp/cm2 mkp/em2 mkp/cm2

Probenzustand geschweißt, un- geschweißt, un- geschweißt, un- geschweißt, un- geschweißt, kalt-

behandelt behandelt behandelt behandelt geschmiedet

und gealtert

Probe A ........ 7,3 3,86 2,60 1,75 3,13

Probe B" ........ 12,92 6,51 4,46 3,60 6,52

Die Schweißnähte der Proben A und B hatten das gleiche äußere Erscheinungsbild. Dies erklärt sich auch aus der Tatsache, daß die nach dem Schweißen erhaltene Schlacke in beiden Fällen praktisch, wie Tafel II ausweist, gleich war.

Nichtsdestoweniger war die Kerbschlagzähigkeit der Probe B, wie Tafel III ausweist, viel größer als diejenige der Probe A.
Es wurden zahlreiche Vergleichsschweißversuche mit verdecktem Lichtbogen und nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren an weichen Stählen und schwachlegierten Stählen vorgenommen. In allen Fällen wurde die Kerbschiagzähigkeit der Schweißnaht bei sonst gleichen Bedingungen durch die Verwendung von zusammengesetzten Elektroden verbessert, die basische Stoffe sowie Alkalifluoride oder Erdalkalifluoride enthielten und in Verbindung mit von außen zugeführten sauren Schweißmittelgranulaten benutzt wurden.

An Stelle einer basischen Elektrode, deren Seele die obenerwähnte Zusammensetzung aufweist, kann man auch zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung andere basische Elektroden verwenden, deren Schweißmittelseele folgende Zusammensetzung besitzt:

Ferromangan affin6 (80 °/o Mangan und

10/, Kohlenstoff) ................... 6 bis 110/,

CaF2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 bis 5001,

MnO ............................... 10 bis 18 °/o

Si02 ............................... 0 bis 16°/o

Ca0 -E- Mg0 ........................ 10 bis 30 °/o

Siliziummangan (25 0/, Silizium, 74 °/o

Mangan, 10/, Kohlenstoff) .......... 1 bis 20/0

Verschiedene Stoffe .................. 0 bis 6 °/o

100

Das Verhältnis des Gewichtes der Schweißmittelseele zum Gesamtgewicht der Elektrode kann zwischen 20 und 36 °/o schwanken.

Gleichermaßen kann auch die Zusammensetzung des sauren Schweißmittels, das dem Schmelzbad unabhängig von der Elektrode zugeführt wird, zwischen folgenden Grenzen liegen:

Si02 ........................... 45 bis 65 °/o

A1203........................... 0 bis 6°/0

MnO ........................... 30 bis 50 °/o

Verschiedene Stoffe .............. 0 bis 40/,

Bekanntlich ist die Kerbschlagzähigkeitvon Schweißnähten elektrisch geschweißter weicher Stähle oder schwachlegierter Stähle um so besser, je geringer der Kohlenstoffanteil in diesen Schweißnähten ist. Aus diesem Grunde besitzen die allgemein verwendeten Elektroden nur einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt.
Indes ist es infolge der Vermischung mit dem Metall des zu schweißenden Werkstückes, dessen Kohlenstoffgehalt häufig 0,2 °/o überschreitet, schwierig, eine Schweißung mit verdecktem Lichtbogen durchzuführen, bei der die Schweißnaht einen sehr geringen Kohlenstoffanteil aufweist. Die Verwendung von stark oxydierenden Schlacken bei der üblichen Schweißung mit verdecktem Lichtbogen würde einen erhöhten Eisenoxydgehalt in der Schweiße zur Folge haben, was schließlich die Kerbschlagzähigkeit herabsetzen würde.
Die Erfindung erlaubt es demgegenüber, den Kohlenstoffanteil des Schmelzbades zu verringern und anschließend die kohlenstoffarme Metallschmelze unmittelbar vor ihrer Verfestigung zu desoxydieren.
Hierzu verwendet man vorteilhaft eine Rohrelektrode mit einer oxydierende Stoffe enthaltenden Schweißmittelseele zur Entkohlung des Schmelzbades und ein nichtbasisches, desoxydierendes, granuliertes Schweißmittel, das das beim Entkohlen durch die Elektrode oxydierte Schmelzbad hinter der Elektrode desoxydiert.
Bei dem Schweißverfahren mit verdecktem Lichtbogen wird der Grundwerkstoff durch den vom Elektrodenende ausgehenden Lichtbogen zum Schmelzen gebracht. Der Lichtbogen trifft dabei auf den noch festen Grundwerkstoff vor dem Schmelzbad auf. Der geschmolzene und überhitzte Grundwerkstoff, der sich mit dem Metall der Elektrode vermischt, kühlt unter einer flüssigen Schlackendecke allmählich bis zur Verfestigung ab. Wenn die zu verschweißenden Werkstücke beispielsweise aus einem Stahl von der Güte eines St 52 mit 0,18 °/o Kohlenstoff bestehen, enthält die Schweißnaht zu viel Kohlenstoff, um eine gute Kerbschlagzähigkeit zu besitzen, falls hierbei das übliche Schweißverfahren mit verdecktem Lichtbogen angewendet wird.
Dieser Mangel kann durch das Schweißverfahren gemäß der Erfindung dadurch vermieden werden, daß man eine Elektrode verwendet, die eine genügend große Menge oxydierender Stoffe, z. B. Eisenoxyd, enthält. Durch das Schmelzen des Grundwerkstoffes wird dann auch dessen Kohlenstoff verbrannt und entweicht in Form von Kohlenmonoxyd. Das oxydierte Metall bleibt hinter der vorwärts bewegten Elektrode zurück und reagiert mit der sie vor dem Verfestigen abdichtenden Schlacke.
Indem unabhängig von der Elektrode ein desoxydierendes Schweißmittel in das Schmelzbad eingegeben wird, sei es, daß es sich hierbei um ein teilweise reduziertes Mangansilikat oder eine Mischung aus Kalziumsilikat und glasartigem Mangan sowie desoxydierenden Stoffen wie Siliziummangan, Ferrosilizium, Ferrotitan oder anderen Eisenverbindungen handelt, wird das hinter der Elektrode befindliche flüssige Metall fortschreitend desoxydiert, wobei die Desoxydationsprodukte zur Oberfläche des Schmelzbades hochsteigen und sich mit der Schlackenschicht vereinigen. Auf diese Weise kann man eine vollendet desoxydierte Schweiße erhalten, deren Kohlenstoffanteil unter 0,05 °/o liegt.
Man kann gleichermaßen aber auch eine sehr gut desoxydierte Schweiße mit geringem Kohlenstoffgehalt ohne Verwendung eines desoxydierende Stoffe enthaltenden Schweißmittels erhalten, wenn man wie folgt vorgeht.
Man verwendet zwei in Schweißrichtung mit geringem Abstand hintereinander angeordnete, jedoch ein einziges Schmelzbad bewirkende Elektroden, deren vordere die zum Entkohlen des Schmelzbades erforderlichen oxydierenden Stoffe und deren hintere die zum Desoxydieren des von der vorderen Elektrode oxydierten Schmelzbades erforderlichen desoxydierenden Stoffe zuführen.
Die beiden Elektroden können entweder parallel an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sein oder unabhängig voneinander durch zwei verschiedene Stromquellen gespeist werden. Die Elektroden befinden sich etwa um 5 bis 40 mm in der Bewegungsrichtung der Schweißmaschine voneinander entfernt.
Die vordere Elektrode kann beispielsweise eine Elektrode mit einer Schweißmittelseele sein, die eine große Menge oxydierender Bestandteile, z. B. Eisenoxyd, enthält. Diese Elektrode bringt den Grundwerkstoff zum Schmelzen und verbrennt dessen Kohlenstoff. Die sich ergebende Schweiße ist sehr kohlenstoffarm, besitzt jedoch einen unerwünscht hohen Sauerstoffanteil. Die zweite Elektrode ist z. B. eine Elektrode mit einer Seele, die außer dem Schweißmittel die notwendigen Legierungsbestandteile, einschließlich Mangan, sowie eine angemessene Menge wirksamer Desoxydationsmittel wie Aluminium, Ferrosilizium, Ferrotitan ohne Kohlenstoff, Ferromagnesium usw. enthält.
Das durch die zweite Elektrode in den hinteren Abschnitt des Schmelzbades eingebrachte Metall desoxydiert die Schweiße der ersten Elektrode völlig mittels seiner Desoxydationsstoffe und führt ihr zudem noch die gegebenenfalls erforderlichen Legierungsbestandteile zu. Die Desoxydationsprodukte und die gebildete Schlacke steigen an die Oberfläche des Schmelzbades und vermischen sich dort mit der Schlacke, die sich aus der Schmelze des außer durch die Elektroden dem Schmelzbad zugeführten granulierten Schweißmittels ergibt.
Das Wechselspiel der oxydierenden und desoxydierenden Wirkungen der Elektroden auf das Schmelzbad beim Schweißen mit verdecktem Lichtbogen führt zu außerordentlich guten Ergebnissen, wenn zwei hintereinander angeordnete Elektroden mit basischer Schweißmittelseele verwendet werden und wenn das zur Bildung der das Schmelzbad bedeckenden Schlacke verwendete, nichtbasische Schweißmittel so bemessen ist, daß nach seiner Vermengung mit den basischen Schlacken der abschmelzenden Elektroden eine nichtbasische Schlacke gebildet wird.
Die zweite basische Elektrode, die zugleich Desoxydationsmittel enthält, desoxydiert nicht nur die von der ersten Elektrode entkohlte Schweiße, sondern reinigt mittels ihres basischen Schweißmittels zugleich auch die Schweiße.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die hintere basische Elektrode durch zwei Elektroden ersetzt wird, deren eine rohrförmig gestaltet ist und ein basisches Schweißmittel sowie gegebenenfalls desoxydierende Stoffe enthält und deren andere blank ist und 0,3 bis 20/0 Mangan sowie 0 bis 2 °/o Silizium enthält.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die hintere basische Elektrode durch zwei gleichartige Rohrelektroden ersetzt wird, die ein basisches Schweißmittel sowie desoxydierende Stoffe enthalten, und daß diese beiden Elektroden mit gleichem Abstand hinter der ersten Elektrode und fast symmetrisch mit einem Abstand von 5 bis 25 mm voneinander in bezug auf die Schweißrichtung angeordnet sind.
Das Verhältnis der von den Elektroden gebildeten basischen Schlacke zu der sauren oder neutralen Schlackenschicht, die unabhängig hiervon aus dem Schweißmittel auf dem Schmelzbad gebildet wird, ist so gewählt, daß die sich schließlich ergebende Schlakkenschicht ihre nichtbasische Eigenschaft behält.
Durch die angegebenen Maßnahmen kann man eine vorzüglich desoxydierte Schweiße mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,040/, erzielen.
Eine andere Maßnahme zur Verbesserung der Güte der Schweiße bei dem Schweißverfahren mit verdecktem Lichtbogen besteht darin, daß mit Hilfe eines Gases die in den Zwischenräumen zwischen den Körnern des die Schweißstelle bedeckenden Schweißmittels enthaltene Luft ausgetrieben wird. Dadurch, daß man die in der Schweißmittelschicht befindliche Luft austreibt, erhält man eine sehr stickstoffarme Schweiße.
Man kann zu diesem Zwecke verschiedene Gasarten verwenden, die sich nicht schädlich auf die Güte der Schweiße auswirken. Vorteilhaft wird in die Körnerschicht des an der Schweißstelle befindlichen Schweißmittels ein oxydierendes Gas geblasen. Man kann aber darüber hinaus mit Vorteil in die Körnerschicht des Schweißmittels auch Kohlendioxyd einblasen. Ferner können Argon, eine Argon-Sauerstoff-Mischung, eine Argon-Kohlendioxyd-Mischung oder auch eine Argon-Sauerstoff-Kohlendioxyd-Mischung zur Verwendung gelangen. Gleichzeitig mit der Entfernung des Stickstoffes treiben die Gase auch das bei den ersten Reaktionen des im Stahl enthaltenen Kohlenstoffes entstehende Kohlenoxyd aus. Die Gase haben aber auch noch andere Wirkungen. So stellte man beispielsweise fest, daß Kohlendioxyd das Eindringen des Lichtbogens in den Grundwerkstoff verbessert, während Argon das Schmelzbad vergrößert. Andererseits bewirkt ein oxydierendes Gas in allen Fällen, in welchen dieses in die im Bereich der Schweißstelle befindliche Granulatschicht eingeblasen wird, eine gründliche Entkohlung des Schmelzbades.
Die F i g. 1 zeigt schematisch eine Schweißverbindung während des Schweißens mit verdecktem Lichtbogen im lotrechten Längsschnitt. Um eine gashaltige Atmosphäre in der granulierten Schweißmittelschicht zu erhalten, kann man danach ein Rohr 2 verwenden, dessen Auslaßöffnung 3 auf die Schweißstelle 4 gerichtet ist, und dorthin eine stickstofffreie Gasmischung leiten. Die Verbindungsstelle zwischen den beiden zu verschweißenden Werkstücken, von denen das eine mit 5 bezeichnet ist, ist von einer Schicht 6 aus granuliertem Schweißmittel bedeckt, das in geschmolzenem Zustand eine Schlackenschicht bildet.
Die Schweißelektrode ist als Rohrelektrode 7 ausgebildet und enthält eine Seele 8 aus Stoffen, die teils eine Schlackenschicht bilden und teils Desoxydationsmittel darstellen. Die Elektrode 7 rückt entsprechend ihrem Abschmelzen in einem Elektrodenhalter 9 vor und wird zugleich mit dem Rohr 2 parallel zur Schweißverbindung im Sinne des Pfeiles X bewegt. Zwischen dem Ende der Elektrode 7 und den zu schweißenden Werkstücken bildet sich in der Schweißmittelschicht 6 ein Lichtbogen. Durch die Wirkung des Lichtbogens ergibt sich ein Metallschmelzbad 10 und eine auf diesem lagernde Schicht 11 geschmolzener Schlacke. Die verfestigte Schweiße sowie die verfestigte Schlacke sind mit 12 und 13 gekennzeichnet.
Schweißt man einen Stahl mit 0,2 % Kohlenstoff, so genügen schon 151/Min. Gas, um die Luft und das Kohlenoxyd auszutreiben. Wenn das verwendete Gas aus einer Mischung von 50 °/o CO, und 50 °/0 02 besteht, kann der Kohlenstoffgehalt der Schweiße auf mindestens 0,04 °/o reduziert werden, wobei zugleich infolge der aus Schweiß- und Desoxydationsmitteln zusammengesetzten Elektrode eine gute Desoxydation gewährleistet ist. In diesem Fall kann ein handelsübliches, saures Schweißmittel verwendet werden. Besteht das verwendete Gas aus C02, so ist die Entkohlung weniger stark, der Kohlenstoffanteil beträgt dann etwa 0,06 °/o, jedoch kann dann der Lichtbogen besser eindringen.
Will man Kohlendioxyd der Schweißstelle mittels einer Rohrelektrode zuführen, so ist es zweckmäßig, daß man in die Rohrelektrode ein im Lichtbogen zerfallendes Karbonat, z. B. Kalziumkarbonat oder Magnesiumkarbonat oder Eisenkarbonat, einlagert.
In allen Fällen, wo der Stickstoff zwischen den Körnern des Schweißmittels durch ein Gas ausgetrieben wird, sollen ein nichtbasisches Schweißmittel und basische Elektroden verwendet werden.
Beim Elektroschlacke-Schweißverfahren dagegen wird der Grundwerkstoff durch die Wirkung einer überhitzten flüssigen Schlackenschicht geschmolzen, durch die ein elektrischer Strom fließt. Das auf diese Weise geschmolzene Metall fließt unter der Wirkung der Schwerkraft in das Schmelzbad und verbindet sich dort ; mit dem flüssigen von der bzw. den Elektroden stammenden Metall und verfestigt sich dann.
Wenn man nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren einen weichen oder schwachlegierten Stahl schweißt, geht man, um den Kohlenstoffgehalt der Schweiße stark zu verringern und eine ausgezeichnete Desoxydation zu gewährleisten, erfindungsgemäß vorteilhaft so vor, daß man ein granuliertes, stark oxydierendes Schweißmittel, das im geschmolzenen Zustand und in Berührung mit dem geschmolzenen Grundwerkstoff diesen oxydiert und entkohlt, und mindestens eine Rohrelektrode zur Zuführung desoxydierender Stoffe in das Bad zur Reduktion des bei der Entkohlung in das Schmelzbad eingeführten Eisenoxyds verwendet.
Unter einem stark oxydierenden Schweißmittel ist ein solches zu verstehen, dessen Sauerstoffgehalt während der Herstellung absichtlich erhöht worden ist. Beispielsweise kann ein handelsübliches Schweißmittel, dessen Zusammensetzung vorstehend angegeben worden ist, einen Sauerstoffanteil von 33 % aufweisen. Wird es während seiner Herstellung im Elektroofen dann mit Sauerstoff behandelt, so kann es schließlich einen Sauerstoffanteil von etwa 49 °/a besitzen.
Das von dem stark oxydierenden Schweißmittel entkohlte und oxydierte Metall mischt sich mit dem von der Elektrode abschmelzenden Metall. Die Elektrode ist vorteilhaft eine Rohrelektrode, deren Seele das Schweißmittel und einen erhöhten Anteil an Desoxydationsmitteln wie Ferrosilizium, Ferrotitan, Siliziummangan, Ferromangan usw. enthält.
Das Eisenoxyd des Grundwerkstoffes wird reduziert und der Sauerstoff entweicht aus der Schweiße in Form von Mangansilikat oder Mangantitanat und vermischt sich dann mit der geschmolzenen Schlackenschicht.
Vorteilhaft ist das granulierte, stark oxydierende Schweißmittel sauer, während die Seele der Rohrelektrode, die die desoxydierenden Stoffe enthält, basisch ist. Man erhält auf diese Weise eine völlig desoxydierte Schweiße mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,07 °/o.
Eine vorteilhafte Abwandlung des Verfahrens zum Schweißen von weichem oder schwach legiertem Stahl nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren, wobei der größere Teil der Schweißmittel während des Schweißens durch Rohrelektroden zugeführt wird, besteht darin, daß ein Teil der Bestandteile für eine oxydierende, das Schmelzbad bedeckende Schlacke mit mindestens einer Rohrelektrode zugeführt wird, die eine dicke Seele aus Schweißnüttel und gegebenenfalls Eisenpulver sowie einen sehr dünnen Mantel besitzt, und daß eine Rohrelektrode mit desoxydierenden Stoffen sowie gegebenenfalls Legierungsstoffen vorgesehen ist, bei der die aus dem Mantel herrührende Eisenmenge im Verhältnis zu den übrigen Elektroden viel größer ist.
Das Querschnittsverhältnis des leitfähigen Mantels der oxydierenden Elektroden zu dem leitfähigen Mantel der desoxydierenden Elektroden ist dabei vorteilhaft geringer als 0,7.
F i g. 2 der Zeichnung zeigt einen lotrechten Querschnitt durch dicke, lotrecht stehende, miteinander zu verschweißende Bleche im Bereich der Schweißstelle während des Schweißvorganges nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren.
In der Mittelebene dieser Bleche, von denen das eine Blech mit 14 bezeichnet ist, ist eine Rohrelektrode 15 mit dickem Stahlmantel gezeigt, die der Schweißstelle eine beträchtliche Menge Schweißmetall zuführt. Die Seele dieser Elektrode 15 enthält Desoxydationsmittel und gegebenenfalls Legierungsstoffe sowie Bestandteile einer im wesentlichen basischen Schlacke.
Darüber hinaus sind zwei weitere Elektroden 16 und 17 vorgesehen, welche einen viel dünneren Mantel besitzen, dafür aber eine viel dickere Seele als die Elektrode 15 haben.
Die Seelen der Elektroden 16 und 17 bestehen außer aus oxydierenden Stoffen, wie z. B. Eisenoxyd oder Eisenkarbonat, aus Bestandteilen für eine saure Schlacke, z. B. Silizium, Mangansilikat, Glas, Kalzium-Siliko-Aluminaten oder Rutil (Ti02). Gegebennenfalls können die Seelen der Elektroden 16 und 17 auch noch Eisenpulver enthalten.
Die Elektroden 16 und 17 mit oxydierender Seele schmelzen viel rascher ab als die Elektrode 15 mit basischer Seele, wobei sie in das aus der Schlackenschicht 18 gebildete und das Schmelzbad 19 bedeckende Bad eindringen. Wenn beispielsweise das Schlackenbad 55 mm tief ist, ergibt es sich, daß sich die Spitze der basischen, desoxydierenden Elektrode 15 etwa 10 mm oberhalb der Oberfläche 20 des Schmelzbades 19 befindet, während sich die Enden der sauren, oxydierenden Elektroden 16 und 17 etwa 30 mm oberhalb der Oberfläche des Schmelzbades 19 befinden.
Infolgedessen ist das Schlackenbad trotz seiner kräftigen Durchwirbelung so heterogen, daß der obere Teil erheblich saurer und sauerstoffreicher ist als der untere und mittlere Teil, der in Berührung mit dem Mittelteil der Oberfläche 20 des Schmelzbades 19 erheblich mehr basisch und weniger stark oxydiert ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Kohlenstoff des Grundwerkstoffes teilweise zu verbrennen und dabei in vollkommener Weise eine gute Reinigung und wirksame Desoxydation der Schweiße, insbesondere in der Mitte derselben, wo im allgemeinen die geringste Kerbschlagzähigkeit anzutreffen ist, zu gewährleisten.
Will man die Schweiße beim Elektroschlackeschweißen von weichem oder schwach legiertem Stahl entkohlen, so kann man wie folgt vorgehen.
Man verwendet mindestens eine Rohrelektrode, die mindestens 20/, Desoxydationsmittel enthält. Ferner bringt man auf die Schweißstelle eine beträchtliche Menge Schweißmittel, das für sich auf dem Metall-Schmelzbad geschmolzen eine Schlacke ergibt, und oxydiert die Oberfläche dieses Schlackenbades durch Aufblasen eines oxydierenden Gases. Man kann hierfür vorteilhaft C02, eine Mischung von CO, und 02, Luft oder ähnliche Gase verwenden.
Die an ihrer Oberfläche oxydierende Schlacke beginnt nun, das Grundmetall zu erodieren, zu schmelzen, zu entkohlen und zu oxydieren. Dieses fließt in das Schmelzbad und mischt sich dort mit dem stark desoxydierten Metall, das von der abschmelzenden Elektrode herrührt. Das schließlich verfestigte Metall ist kohlenstoffarm und ausreichend desoxydiert.
Wenn die verwendete Schlacke schwach sauer, z. B. halbbasisch ist, werden die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung noch besser.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Schweißen von Metallen, insbesondere Eisenmetallen oder Eisenmetallegierungen, mit verdecktem Lichtbogen oder nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren, wobei der zwischen mindestens einer Metallelektrode und den zu schweißenden Werkstücken fließende elektrische Strom ein Schmelzbad erzeugt, das von einer flüssigen, nichtbasischen Schweißmittelschlacke bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung dieser Schlackenschicht eine beträchtliche Menge eines Schweißmittels, das beim alleinigen Schmelzen auf dem Schmelzbad zunächst eine nichtbasische Schlacke ergibt, mit einer geringen Menge eines weiteren Schweißmittels, das beim alleinigen Schmelzen eine basische Schlacke ergibt und durch mindestens eine Rohrelektrode entsprechend ihrem Abschmelzen zugeführt wird, auf dem Schmelzbad im flüssigen Zustand miteinander gemischt werden, wobei die durch das Schmelzen der Elektrode erzeugte basische Schlakkenmenge so bemessen ist, daß die nach dem Vermengen beider Schlacken erzeugte Schlacke wiederum nichtbasisch ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basizitätswert der aus dem nichtbasischen Schweißmittel für sich geschmolzenen Schlacke unter 1 liegt, während derjenige der aus der Schweißmittelseele der Elektrode geschmolzenen basischen Schlacke größer als 2 ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer basischen Schlacke eine Rohrelektrode verwendet wird, deren Seele aus 6 bis 11°/o Ferromangan affin6 (80°/o Mangan und 10/, Kohlenstoff), 30 bis 50 °/o CaF2, 10 bis 18 °/o MnO, 0 bis 16 °/o SiO2, 10 bis 30 °/o CaO und Mg0, 1 bis 2 °/o Siliziummangan (25 °/o Silizium, 74 °/o Mangan, 10/, Kohlenstoff) und 0 bis 6 °/o verschiedener Stoffe derart zusammengesetzt ist, daß sich 1000/, ergeben, und 20 bis 360/, des Gesamtgewichtes der Elektrode ausmacht, während man unabhängig von dieser Elektrode auf das Schmelzbad ein saures Schweißmittel aufbringt, das aus 45 bis 65 °/o SiO2, 0 bis 6 °/o A1203, 30 bis 50 °/o MnO und 0 bis 4 °/o verschiedener Stoffe derart zusammengesetzt ist, daß sich 100 °/o ergeben.
4. Verfahren zum Schweißen von weichem oder schwach legiertem Stahl mit verdecktem Lichtbogen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohrelektrode mit einer oxydierende Stoffe enthaltenden Schweißmittelseele und ein nichtbasisches, desoxydierendes, granuliertes Schweißmittel verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Schweißrichtung mit geringem Abstand hintereinander angeordnete, jedoch ein einziges Schmelzbad bewirkende Elektroden, deren vordere die zum Entkohlen des Schmelzbades erforderlichen oxydierenden Stoffe und deren hintere die zur Desoxydation des von der vorderen Elektrode oxydierten Schmelzbades erforderlichen desoxydierenden Stoffe zuführen, verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Elektrode eine solche verwendet wird, deren Schweißmittelseele neben den desoxydierenden Stoffen Legierungselemente enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hintereinander angeordneten Elektroden basische Schweißmittelseelen besitzen und daß das zur Bildung der das Schmelzbad bedeckenden Schlacke verwendete, nichtbasische Schweißmittel so bemessen ist, daß nach seiner Vermengung mit den basischen Schlacken der abschmelzenden Elektroden eine nichtbasische Schlacke gebildet wird. B.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere basische Elektrode durch zwei Elektroden ersetzt wird, deren eine rohrförmig gestaltet ist und ein basisches Schweißmittel sowie gegebenenfalls desoxydierende Stoffe enthält und deren andere blank ist und 0,3 bis 2 °/o Mangan sowie 0 bis 2 °/o Silizium enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere basische Elektrode durch zwei gleichartige Rohrelektroden ersetzt wird, die ein basisches Schweißmittel sowie desoxydierende Stoffe enthalten, und daß diese beiden Elektroden fast symmetrisch mit einem Abstand von 5 bis 25 mm voneinander in bezug auf die Schweißrichtung angeordnet sind.
10. Verfahren zum Schweißen von Stahlteilen mit verdecktem Lichtbogen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Gases die in den Zwischenräumen zwischen den Körnern des die Schweißstelle bedeckenden Schweißmittels enthaltene Luft ausgetrieben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Körnerschicht des an der Schweißstelle befindlichen Schweißmittels ein oxydierendes Gas geblasen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Körnerschicht des Schweißmittels Kohlendioxyd eingeblasen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxyd mittels eines durch die Körnerschicht gesteckten Rohres eingeblasen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlendioxyd dadurch in die Körnerschicht des Schweißmittels an der Schweißstelle eingeführt wird, indem in eine rohrförmige Elektrode ein im Lichtbogen zerfallendes Karbonat eingelagert wird.
15. Verfahren zum Schweißen von weichem oder schwach legiertem Stahl nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein granuliertes, stark oxydierendes Schweißmittel und mindestens eine Rohrelektrode zur Zuführung desoxydierender Stoffe in das Bad verwendet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das granulierte, stark oxydierende Schweißmittel sauer ist, während die Seele der die desoxydierenden Stoffe enthaltenden Rohrelektrode basisch ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der größere Teil der beim Schweißen benötigten Schweißmittel durch Rohrelektroden zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Bestandteile für eine oxydierende, das Schmelzbad bedeckende Schlacke mit mindestens einer Rohrelektrode zugeführt wird, die eine dicke Seele aus Schweißmittel sowie gegebenenfalls Eisenpulver und einen sehr dünnen Mantel besitzt, und daß eine desoxydierende Stoffe enthaltende Rohrelektrode vorgesehen ist, deren Mantel im Verhältnis zu der :oder den übrigen Elektroden eine viel größere Menge Eisen enthält.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsverhältnis des leitfähigen Mantels der oxydierenden Elektroden zum leitfähigen Mantel der desoxydierenden Elektroden geringer als 0,7 ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Seele der die desoxydierenden Stoffe enthaltenden Rohrelektrode zusätzlich Legierungsbestandteile enthält.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydierende Schlackenschicht nichtbasisch ist und daß die die desoxydierenden Stoffe zuführende Rohrelektrode eine basische Seele besitzt.
21. Verfahren zum Schweißen von weichem oder schwach legiertem Stahl nach dem Elektroschlacke-Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Desoxydationsmittel enthaltende Rohrelektrode verwendet wird, daß ferner der Schweißstelle eine beträchtliche Menge an Schweißmitteln zugeführt wird, die durch ihr Schmelzen auf dem Metallschmelzbad eine Schlackenschicht bilden, und daß die Oberfläche des Schlackenbades durch ein auf diese geblasenes, oxydierendes Gas mit Sauerstoff angereichert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die das Metallschmelzbad bedeckende Schlacke leicht sauer ist.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die das Metallschmelzbad bedeckende Schlacke halbbasisch ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die die Desoxydationsmittel zuführende Rohrelektrode eine basische Seele besitzt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die die Desoxydationsmittel zuführende Rohrelektrode zusätzlich Legierungsbestandteile enthält.