DE1483457C

DE1483457C - Verwendung einer selbstverzehrenden blanken Schweißelektrode zum Lichtbogenschweißen ohne Schutzgas an Luft

Info

Publication number: DE1483457C
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: Kobayashi, Takuro, Sendaishi; Tezuka, Keizo, Tokio; (Japan)
Publication date: 1972-09-14

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer selbstverzehrenden, blanken Schweißelektrode, die aus 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, 0,8 bis 1,6% Mangan, 0,1 bis 0,3% Silicium, 0,2 bis 1,0% Zirkonium, Rest Eisen, besteht.

Beim Lichtbogenschweißen an der Luft unter Verwendung einer blanken Schweißelektrode bildet sich durch Absorption von Stickstoff und Sauerstoff eine große Zahl von Lufteinschlüssen in dem Schweißgut, die die Qualität der Schweißnaht herabsetzen.

Eine gewisse Verbesserung bedeutete das Schutzgas-Lichtbogenschweißen unter Verwendung einer mit einer Umhüllung versehenen Elektrode. Mit einigem Erfolg wurde eine Selenelektrode verwendet, die aus einem blanken Stahl besteht, jedoch im Kern ein Stabilisierungsmittel für den Bogen oder ein für das geschmolzene Metall verwendetes Material enthält. Bei Verwendung von blanken Elektroden ließ sich nur dann eine ausgezeichnete Schweißnaht erzielen, wenn Schweißverfahren, wie das Schweißen mit verdecktem Lichtbogen und einem körnigen Fließmittel oder ein Schutzgas-Lichtbogen-Schweißverfahren verwendet wurden. Dadurch werden die Schweißvorrichtung und die Schweißarbeit kompliziert. Es ist ferner zur Vermeidung des schädlichen Einflusses des Sauerstoffs bekannt, der Elektrode Mangan, Silicium oder andere Desoxydationsmittel zuzulegieren.

Die zuvor genannten Verfahren geben keinen Weg an, eine ausgezeichnete Schweißnaht durch offene Lichtbogenschweißung in der Luft unter Verwendung einer blanken Elektrode herzustellen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 171 707 ist bereits die Verwendung eines Zusatzdrahtes aus 0,05 bis 0,15% Kohlenstoff, bis 0,35% Silicium, 0,3 bis 1,5% Mangan, 0,05 bis 0,2% Titan und/oder Zirkonium, gegebenenfalls bis 3,5% Chrom, bis 1,5% Molybdän, bis 1,5% Nickel, bis 0,5% Kupfer, einzeln oder zu mehreren, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, für Schweißungen in Zwangslage bekannt. Als Ersatz für Titan und/oder Zirkonium können 0,001 bis 0,1% Erdalkalimetalle und/oder seltene Erdmetalle vorgesehen sein.

Aus der britischen Patentschrift 498 735 sind Schweißzusatzdrähte bekannt, die aus bis zu 1,2% Zirkonium und/oder bis zu 0,80% Titan, bis zu 0,45% Kohlenstoff, 0,25 bis 1% Silicium, 0,20 bis 3% Mangan, nicht mehr als 0,06% Schwefel und nicht mehr als 0,45% Phosphor, Rest Eisen, bestehen. Derartige Schweißdrähte können gegebenenfalls bis 0,4% Vanadium und/oder bis 1,5% Tantal sowie bis 0,50% AIuminium und/oder bis 0,3% Magnesium enthalten.

Aus der britischen Patentschrift 760 258 sind bereits selbstverzehrende Schweißelektroden bekannt, die aus 0,05% Kohlenstoff,. 0,3 bis 2,0% Mangan und 0,3 bis 1,0% Silicium, Titan, Aluminium, Chrom, Vanadium und Zirkonium, Rest Eisen, bestehen, die beim Lichtbogenschweißen mit. Kohlendioxyd-Schutzgas verwendet werden.

Bei diesen bekannten Schweißverfahren wird ein Zusatzdraht verwendet oder ein Schutzgas. -Diese Verfahren bzw. die dazu nötigen Vorrichtungen sind komplizierter als ein einfaches Lichtbogen-Schweißverfahren ohne Schutzgas mit selbstverzehrender Elektrode. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein solch einfaches Lichtbogenschweißverfahren ohne Schutzgas zu schaffen, mit dem sich eine Schweißnaht ohne Lufteinschlüsse und mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften herstellen läßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung einer selbstverzehrenden, blanken Schweißelektrode, bestehend aus 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, 0,8 bis 1,6% Mangan, 0,1 bis 0,3% Silicium, 0,2 bis 1,0% Zirkonium, Rest Eisen, zum Lichtbogenschweißen ohne Schutzgas an Luft.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthalten die erfindungsgemäß verwendeten Schweißelektroden zusammen mit Zirkonium, dem wirksamsten Denitrierungsmittel, als Grundelement eines oder mehrere der Elemente Titan, Cer, Hafnium, Beryllium, Uran, Aluminium, Bor, Tantal, Niob, Lanthan, Magnesium, Calcium, Vanadium, die eine starke Affinität zu Stickstoff besitzen und daher als Denitrierungselemente bezeichnet werden, so daß eine vielfache Wirkung dieser Elemente zur Geltung kommt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist daran zu sehen, daß bei Verwendung geeigneter Mengen an Desoxydationselementen zusammen mit Denitrierungselementen, wobei eine vergleichsweise geringe Menge an Denitrierungselementen infolge der Annahme der oxydierten Abfallprodukte der Denitrierungselemente eine ausreichende Denitrierungswirkung ausübt und die erhaltenen mechanischen Eigenschaften ausgezeichnet sind, geeignete Mangan- und Siliciummengen als Desoxydationselemente eingesetzt werden können. Die geeignete Manganmenge in der Elektrode soll 0,8 bis 1,6% und die Siliciummenge 0,1 bis 0,3% betragen.

Sind Mangan und Silicium in der Elektrode in den vorstehend beschriebenen Mengen vorhanden, dann übt eine vergleichsweise geringe Zirkoniummenge oder eine Zusammensetzung von Zirkonium mit einem oder mehreren der anderen Denitrierungselemeüte eine ausreichende Denitrierungswirkung aus. Wird also das Bogenschweißen in der Luft unter Verwendung eines blanken Stahldrahts als Elektrode durchgeführt, der derart legiert ist, daß der verwendete Draht Mangan und Silicium in den vorstehend angegebenen Mengen und 0,2 bis 1,0% "Zirkonium, insbesondere im Falle eines Stahldrahtes, 0,5 bis 1,0% der Zusammensetzung aus Zirkonium und einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Denitrierungselemente enthält, dann wird eine Schweißstelle mit vergleichsweise ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften erzielt, die frei von Lufteinschlüssen ist. Die vorstehend beschriebene Elektrode hat sich in der Praxis für offene Lichtbogenschweißverfahren ausgezeichnet bewährt. .

Beispiele
■ " . ·

Es wurden offene Lichtbogenschweißungen, d. h. ohne Schutzgas, durchgeführt, bei denen als Verbrauchselektroden

1. erfindungsgemäße Stahldraht-Elektroden verwendet wurden, die durch Zulegierung von Zirkonium oder einer Zusammensetzung von Zirkonium und einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen starken Denitrierungselemente und einer geeigneten Mangan- und Siliciummenge als Desoxydationselemente zur Herabsetzung der oxydierten Abfallprodukte dieser Denitrierungselemente zu einem 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff enthaltenden Stahl hergestellt wurden, und

2. Stahldraht-Elektroden zu Vergleichszwecken verwendet wurden, deren Zusammensetzung außerhalb der Erfindung liegt.

Die Ergebnisse sind in den Tabellen I bis III zusammengefaßt. Es wurde eine Anzahl von Stahlsorten mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen verwendet, da die Ergebnisse leicht und in einfacher Weise durch Veränderung der Gehalte an Mangan, Silicium und Denitrierungselementen gezeigt werden können, sind in der Tabelle I chemische Zusammensetzungsbereiche angegeben, wobei die verwendeten Elektrodenstahldrähte in Gruppen aufgegliedert wurden.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzungsbereiche von Gruppen von Verbrauchselektroden, die offenen Lichtbogenschweißverfahren verwendet wurden

bei

Elek troden gruppen	C %	Mn %	Si %	Zr %	Denitrierungselemente eines oder mehrere der Denitrierungs elemente Ti, Ce, Be, Hf, B, Al, U. La, Ta,	Zr und eines oder mehrere der Denitrie- rurigselemente Gesamtprozent	Bemerkungen
1- 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11	0,05 bis 0,15 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20 0,02 bis 0,20	0,5 bis 0,8 0,8 bis 1,6 0,8 bis 1,6 0,8 bis 1,6 0,8 bis 1,6 0,8 bis 1,6 0,8 bis 1,6 0,8'bis 1,6 0,8 bis 1,6 5,5 bis 7,0 1,0	0,03 bis 0,05 0,10 bis 0,30. 0,10 bis 0,30 0,10 bis 0,30 0,10 bis 0,30 0,10 bis 0,30 0,10 bis 0,30 0,10 bis 0,30 0,10 bis 0,30 0,10 bis 0,30 1,8 bis 2,5	0,20 bis 0,30 0,50 bis 0,60 0,80 bis 1,00 0,35 bis 0,50 0,25 bis 0,30 0,25 bis 0,30 0,15 bis 0,24 0,15 bis 0,24 0,15 bis 0,24 0,15 bis 0,24	Nb, Mg, Ca, V Gesamtprozent	0,5 bis 1,0 0,26 bis 0,35 0,4 bis 0,5 0,2 bis 0,35 0,4 bis 0,5 0,2 bis 0,35 0,2 bis 0,35	-
jedes Element weniger als 0,5 jedes Element weniger als 0,3 jedes Element weniger als 0,3 jedes Element weniger als 0,3 jedes Element weniger als 0,3 jedes Element weniger als 0,3 jedes Element weniger als 0,3	gewöhnlicher Stacheldraht erfindungs gemäß erfindungs gemäß erfindungs gemäß erfindungs gemäß erfindungs- gemäß erfindungs gemäß erfindungs gemäß erfindungs gemäß nicht erfin dungsgemäß nicht erfin dungsgemäß

Fortsetzung

Elek troden gruppen	0,02 0,02	C	0,20 0,20	Mn	0,1	Si	Zr	Denitrierungselemente eines oder mehrere der Denitrierungs elemente Ti, Ce, Be, Hf, B, Al, U, La, Ta,	Zr und eines • oder mehrere der Denitrie	Bemerkungen
12 13 ·					Nb, Mg, Ca, V Gesamtprozent	rungselemente Gesamtprozent
	bis bis	0,8 bis 1,6	0,25 bis 0,3	>0,5	>0,5	> 1,0	nicht erfin dungsgemäß nicht erfin dungsgemäß

Tabelle II ' ·

Schweißbedingungen (DCRI) und Grad des Auftretens von Lufteinschlüssen (gemäß JISZ 2341) zur Zeit des offenen Lichtbogenschweißens unter Verwendung verschiedener Elektrodenstahldrähte

(Durchmesser 1,6 mm)

Elektroden gruppen	Bogenspannung V	Schweißstrom A	Klassifizierung des Auftretens von Lufteinschlüssen	Bemerkungen
1	■22	200	Ausschuß	gewöhnlicher Stahldraht
2	22	200	über Klasse 2	erfindungsgemäß
·. 3	22	200	über Klasse 2	erfindungsgemäß
4	22	200	über Klasse 4	erfindungsgemäß
5	22	200	über Klasse 4	erfindungsgemäß
6	22	200 '	über Klasse 2	erfindungsgemäß
7	22	200	über Klasse 3	erfindungsgemäß
8	22 '	200	über Klasse 2	erfindungsgemäß
9	22	200	über Klasse 3	erfindungsgemäß
10	22	200	Ausschuß	nicht erfindungsgemäß
11 ..	22	200	Ausschuß	nicht erfindungsgemäß
12	22	200	Ausschuß	nicht erfindungsgemäß
13	22	200	Ausschuß	nicht erfindungsgemäß

Tabelle III

Mechanische Eigenschaften der nach dem offenen Lichtbogenschweißverfahren geschweißten Metalle unter Verwendung verschiedener Elektrodenstahlgruppen

Elektroden	Zugfestigkeit	Bruchdehnung	Kerbschlagwert a_k	Bemerkungen
gruppen	(kg/mm²)	(%)	(kgm/cm²)
1	25,2 bis 30,3	2,5 bis 5,0	0,5 bis 1,2	Zugfestigkeits-, Bruchdehnungs- und
				Kerbschlagwerte — niedrig
2	50,5 bis 56,2	21,3 bis 28,0	3,5 bis 4,0	Zugfestigkeits-, Bruchdehnungs-,
				Kerbschlagwerte, ausgezeichnet
3	55,3 bis 59,5	17,2 bis 23,2	3,3 bis 4,5	desgl.
4	57,5 bis 63,2	17,0 bis 18,5	3,6 bis 4,6	desgl.
• 5	52,5 bis 59,3 .	17,0 bis 19,5	3,5 bis 4,8	desgl.
6	50,5 bis 56,2	18,1 bis 23,5	-4,5 bis 7,3	desgl.
7	53,6 bis 59,3	17,0 bis 18,3	3,6 bis 5,2	desgl.
8	51,5 bis 56,2	18,2 bis 27,8	4,8 bis 9,3 ,	desgl.
9	54,3 bis 58,7	17,1 bis 22,0	3,8 bis 5,5	desgl. '
10	58,9 bis 62,5	16,7 bis 17,2	2,0 bis 4,7	Zugfestigkeit ausgezeichnet, Bruch-
				' dehnung und Kerbschlagwert
				jedoch nicht hoch ■
11	48,1 bis 52,2	15,0 bis 17,2	2,8 bis 4,5	mechanische Eigenschaften schlecht
12	51,4 bis 57,3	16,5 bis 20,0	2,1 bis 4,0	Bruchdehnung und Kerbschlagwert
				nicht gut
13	51,0 bis 55,6	15,5 bis 22,1	2,0 bis 4,7	desgl.

Die Gruppe 1 stellt einen gewöhnlichen Stahldraht dar. Die Gruppen 2 bis 4 werden von erfindungsgemäßen Elektroden gebildet, die 0,1 bis 0,3% Silicium und als Denitrierungselement lediglich Zirkonium in wechselnden Mengen enthalten. Zu der Gruppe 5 gehören erfindungsgemäße Elektroden, die relativ große Mengen Zirkonium zusammen mit weniger als 0,5% eines oder mehrerer anderer Denitrierungselemente enthalten, wobei der Gesamtgehalt an Zirkonium und anderen Elementen 0,5 bis 1,0% beträgt.

Zu der Gruppe 6 zählen ebenfalls erfindungsgemäße Elektroden, die eine einigermaßen große Menge Zirkonium zusammen mit einem oder mehrerer anderer Denitnerungselemente (jeweils weniger als 0,3%) enthalten, wobei der Gesamtgehalt an Zirkon und anderen Elementen 0,26 bis 0,35% beträgt. Beispielsweise können diese Elektroden 0,1% Kohlenstoff, 1,10% Mangan, 0,28% Silicium, 0,26% Zirkonium, 0,05% Titan und 0,015% Aluminium oder 0,12% Kohlenstoff, 1,08% Mangan, 0,26% Silicium, 0,28% Zirkonium, 0,05% Cer und 0,013% Aluminium enthalten.' Das bedeutet also, daß in dem ersten Beispiel Zirkonium, Titan und Aluminium und in dem zweiten Beispiel Zirkonium, Cer und Aluminium als Denitnerungselemente verwendet werden.

Zu den Gruppen 7 bis 9 gehören erfindungsgemäße Elektroden, wobei zwar die Mangan- und Siliciumgehalte mit denen der Gruppe 6 übereinstimmen, jedoch die Menge der Denitnerungselemente von der der Gruppe 6 verschieden ist.

Die Elektroden der Gruppe 10 enthalten eine größere Menge Mangan, während die Elektroden der Gruppe 11 eine größere Siliciummenge enthalten. Die Elektrodengruppe 12 enthält eine größere Menge Zirkonium, die Gruppe 13 hingegen eine überschüssige Menge des Gesamtgehaltes an Denitrierungselementen. Diese vier Gruppen fallen nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Unter Verwendung von Stahldrähten dieser Gruppen wurden mittels einer automatischen Schweißvorrichtung Schweißungen durchgeführt, wobei eine Schweißvorrichtung verwendet wurde, die mit einem mittels eines Selengleichrichters erzeugten Gleichstrom betrieben wurde. Es wurden an Planken aus einem unberuhigten Flußstahl Schweißstellen angebracht, das Auftreten von Lufteinschlüssen wurde gemessen und verglichen. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Ein offenes Lichtbogenschweißverfahren unter Verwendung eines normalen Stahldrahts der Gruppe 1 hat natürlich die Bildung von unzähligen Lufteinschlüssen zur Folge.

Sehr wenig Lufteinschlüsse werden im Falle der Gruppen 2 und 3 gebildet. Einigermaßen viele Lufteinschlüsse entstehen dann, wenn in der Gruppe 4 und 5 die Denitnerungselemente bis zu ihrem oberen Mengenbereich vorhanden sind, dies ist jedoch in der Praxis vernachlässigbar.

Im Falle der Gruppe 6 werden keine Lufteinschlüsse gebildet.

Für den Fall, daß der Gesamtgehalt an Denitrierungselementen in der Gruppe 7 nahe bei 0,5% liegt, weden einige Lufteinschlüsse gebildet (ungefähr 5 Lufteinschlüsse in 10 cm geschweißtem Metall), die Schweißstelle ist jedoch bis zu einem gewissen Ausmaß intakt.

Keine Luftzellen entstehen im Falle der Gruppe 8. Für den Fall, daß der Gesamtgehalt an Denitrierungselementen in der Gruppe 9 nahe 0,5% liegt, können, ebenso wie im Falle der Gruppe 7, einige Lufteinschlüsse entstehen. Dies hat dazu geführt, daß die obere Grenze des Gesamtgehalts aller Denitnerungselemente erfindungsgemäß auf 1,0% festgesetzt wurde. Die Gruppen 10 bis 13 fallen nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung, bei überschüssigen Mangan- und Siliciumgehalten entstehen sehr leicht Lufteinschlüsse.

In der Tabelle II sind die vorstehend angegebenen Resultate zusammengefaßt, während die Tabelle III die Ergebnisse der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der geschweißten Metalle unter Verwendung jeweils eines Elektrodenstahldrahtes zeigt.

Es muß ein bestimmter Standard festgelegt werden, mit dem die erfindungsgemäßen Ergebnisse verglichen werden können. Die derzeit festgelegten minimalen Standardwerte der mechanischen Eigenschaften von geschweißten Metallen, die mittels eines Schutzgasschweißverfahrens hergestellt wurden, sind: mehr als 43 kg/mm² Zugfestigkeit, mehr als 17% Bruchdehnung und ein Kerbschlagwert von 3,5 kgm/cm². Werden daher diese Werte als Standard für das vorliegende offene Bogenschweißverfahren genommen, dann sind alle Werte, die nicht unter den Standardwerten liegen, als sehr zufriedenstellend zu betrachten.

Im Falle der Gruppe 1 liegt der Zugfestigkeits-, Bruchdehnungs- und Kerbschlagwert jeweils unterhalb der Standardwerte. Im Falle der Gruppen 2 bis 5 sind die Zugfestigkeits-, Bruchdehnungs- und Kerbschlagwerte ausgezeichnet, während sie bei der Gruppe 6 oberhalb der Standardwerte liegen. Für die Gruppe 7 wurden einigermaßen zufriedenstellende Werte ermittelt, wenn auch die Bruchdehnung dann etwas schlechter wird, wenn der Gesamtgehalt an Denitrierungselementen in der Nähe von 0,5% liegt.

Im Falle der Gruppe 8 sind die mechanischen Eigenschaften die besten.

Im Falle der Gruppe 9 sind ebenso wie im Falle der Gruppe 7 die Werte einigermaßen zufriedenstellend, obwohl die Bruchdehnung dann etwas schlechter wird, wenn der Gesamtgehalt an Denitrierungselementen in der Nähe von 0,50% liegt.

Die Gruppen 10 bis 13 werden nach ihren erheblich variierenden Gehalten an Silicium, Mangan und Denitrierungsmitteln klassifiziert, die Elektroden dieser Gruppen sind für die Praxis nicht geeignet, da die mechanischen Eigenschaften schlecht sind.

Die Schweißung mit den erfindungsgemäß verwendeten Schweißelektroden kann beispielsweise bei einer Bogenspannung von 22 V und einer Schweißstromstärke von 200 A durchgeführt werden.

209508/213

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer selbstverzehrenden, blanken Schweißelektrode, bestehend aus 0,02 bis 0,20% Kohlenstoff, 0,8 bis 1,6% Mangan, 0,1 bis 0,3% Silicium, 0,2 bis 1,0% Zirkonium, Rest Eisen, zum Lichtbogenschweißen ohne Schutzgas an Luft.

2. Verwendung einer Schweißelektrode der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit einem Zirkoniumgehalt von 0,35 bis 0,5%, die zusätzlich noch weniger als 0,5% eines oder mehrerer der Denitrierungselemente Titan, Cer, Hafnium, Beryllium, Uran, Aluminium, Bor, Tantal, Niob, Lanthan, Magnesium, Calcium, Vanadium enthält, mit der Maßgabe, daß die Summe der Gehalte an Zirkonium und den Denitrierungselementen 0,5 bis 1,0% beträgt, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck.

3. Verwendung einer Schweißelektrode der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit einem ,Zirkoniumgehalt von 0,25 bis 0,3%, die zusätzlich noch weniger als 0,3% eines oder mehrerer der Denitrierungselemente Titan, Cer, Hafnium, Beryllium, Uran, Aluminium, Tantal, Niob, Lanthan, Magnesium, Calcium, Vanadium enthält, mit der Maßgabe, daß die Summe der Gehalte an Zirkonium und den Denitrierungselementen 0,26 bis 0,50% beträgt, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck.

4. Verwendung einer Schweißelektrode der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit einem Zirkoniumgehalt von 0,15 bis 0,24%, die zusätzlich noch weniger als 0,3% eines oder mehrerer der Denitrierungselemente Titan, Cer, Hafnium, Beryllium, Uran, Aluminium, Bor, Tantal, Niob, Lanthan, Magnesium, Calcium, Vanadium enthält, mit der Maßgabe, daß die Summe der Gehalte an Zirkonium und den Denitrierungselementen 0,2 bis 0,35% beträgt, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck.

5. Verwendung einer Schweißelektrode der in Anspruch 4 angegebenen Zusammensetzung mit der Maßgabe, daß die Summe der Gehalte an Zirkonium und den Denitrierungselementen 0,4 bis 0,5% beträgt, für den in Anspruch 1 angegebenen Zweck.