DE1483491A1

DE1483491A1 - Schweissmittel zum Unterpulverschweissen

Info

Publication number: DE1483491A1
Application number: DE19651483491
Authority: DE
Inventors: Coless Thomas Louis; Rimer Kenneth Woodrow
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1965-01-05
Filing date: 1965-12-24
Publication date: 1969-10-02
Also published as: US3424626A; GB1135131A; AT262719B; NL6600106A; FR1462718A

Description

PATENTANWALT DfPL.-INQ. QERHARD SCHWAN 8 MÖNCHEN 8 ♦ QOEKZEK. STRASSE 15

UNION CARBIDE CORPORATION 270, Park Avanue, New York, N.Y. 10017, U.S.A,

Schweißmittel zum Unterpulverschweißen

Die Erfindung betrifft ein Schweißmittel zum Lichtbogenschweißen, insbesondere ein Schweißmittel zum Unterpulverschweißen*

Beim Unterpulverschweißen werden sin Schweißmittel und eine abschmelzende Metallelektrode, durch dia ein elektrischer Schweißstrom fließt, im Bereich eines Schweißstoßes geschmolzen. Das Schweißmittel bildet über dem geschmolzen

I. ,

nan Elektrodanmetall eins Schlacke» die das Schweißgut gegen die Atmosphäre schützt und ihth eine im wesentlichen

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glatte Oberfläche verleiht.

Schweißmittel zum Unterpulverschweißen verwenden im allgemeinen sauerstoffhaltiga Verbindungen, die während des Schweißvorgänge einige der Legierungselernsnte im Schweißpuddel oxydieren· Siliziumdioxyd, das in den meisten handelsüblichen Schweißmitteln in erheblichen mengen vorhanden ist,

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ist für diesen Effekt maßgebend verantwortlich, obwohl daran auch andere Oxyde, beispielsweise mangan- und Eisenoxyd, beteiligt sind. Neben dsm Auftreten von Legierungsverlusten können erhebliche mengen an Silizium in das eingetragene Schweißgut dadurch überführt werden, daß das Siliziumoxyd durch Legierungselerosnte reduziert wird, die im Schweißdraht und im Grundwerkstoff vorhanden sind. Oiesa Änderungen haben im allgemeinen beim Schweißen v/an Kohlenstoffstahl nur geringe Folgen, machen sich jedoch stark bemerkbar, wenn legierte Stähle oder Nickel und Nickellegierungen geschweißt werden.

Nickelbasislegierungen, wie Inconel und iflonel (deren Zusammensetzung weiter unten angegeben iat)_v soufie Iflaraging-Stähle und 9 ^-Nickelstahl werden bei Schweißkonstruktionen in zunehmendem RIaQe eingesetzt.

Eine typische Inconal-Legierung enthält ungefähr 70 % Nickel und 15 % Chrom, Rest Werkstoffe, wie Eisen, Rangen, Kupfer usw. fllonel besteht aus ungefähr 70 % Nickel und 30 % Kupfer in Verbindung mit weiteren geringfügigen Zusätzen, wie Titan, "maraging" bezeichnet die Art eines Alterungsprozesses, der zur Ausbildung hoher Zugfestigkeit in Stählen,wie 18 ^-und 24 Jß-Nickelstählen verwendet wird.

Die Verbindung der obengenannten Werkstoffe durch Unter-909840/0419

pulvarechweißen wurde in der Praxis nie in groß st am Un tang durchgeführt» «teil in Schiieißpuddel hohe Verluste

oxydierbarer Elemente auftreten/ die zu Schweißungen geringer Güte führen, die eich vom Grundwerkstoff chemisch etark unterscheiden, ttleitera echädlicha Einflüsse, «de Riaea und Sprünge, eind auf den geetsigerten Siliziumge« halt dea Schweißguta zurückzuführen, das bei Verwendung herkömmlicher Unterpulverschweißmittel erhalten wird·

Oer Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schweißmittel zua Schweißen von Verketoffen, wie Inconel, nonel, Baraging-Stählen und 9 jC-Nickelatahl, zu schaffen» bei dem der Siliziumübergang aua dem Schweißmittal in dee eingetragene Schwsißgut uarnachläaeigbar let« Dee neue Schweißmittel eoll außerdem vorzügliche Schweißbarkeit aufweieen und ein leichtee Entfernen dar Schlacke ermöglichen.

Das Schweißmittel für Unterpulverschweißen nech der Erfindung iat dadurch gekennzeichnet, daß ea im wesentlichen aus 30 bis 65 Geui.% eines oder mehrerer der Oxyds Al₅O₃, IRgO, TiO₂, ZrO₂ und CaO, 0 bis 5 Geui.% einer Kaliumverbindung sowie ei-rrem Rest aus einem oder mehreren der Fluoride Calciumfluorid, Natriumfluorid, Rlagneeiumfluorid, Lithiumfluorid, Kaliumfluorid und Kryolith und bis zu 3 Geui./S Siliziumoxyd besteht.

Schu'oiDmittel zum Unterpulverschweißen werden aus verechie-

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denen Rletalloxyden zusammengestellt, die mit Fluorldhaltigen Verbindungen kombiniert uierden. Im allgemeinen findet sich Siliziumdioxyd in handeleüblichen Schweißmitteln in erheblichen mengen, da es zu guter Schweißbarkeit führt und ein verhältnismäßig billiger Werkstoff ist. Zm allgemeinen liegt SiliziumdiQxyd in Anteilen von ungefähr 40 Gem. vor, dieser Anteil kann jedoch zwischen 20 und 80 % schwanken. Am häufigsten wird Siliziumdioxyd dem Schweißmittel in Form von mineralischen Verbindungen zugesetzt, die große Klengen anderer lüetalloxyde enthalten. Häufig erfolgt seine Zugabe auch in Torrn von Quarzsand. Beispiele der erwähnten, mineralischen Verbindungen sind Bantonit, ein Aluminiumsilikat; Ulollastonit, ein Calciumsilikat; Talk, ein fflagneeiumsilikat; Zirkon, ein Zirkoniumsilikat und verschiedene fllanganerze·

Bisher wurde Siliziumdioxyd ale notwendiger Bestandteil von Schweißmitteln zum Unterpulverschweißen angesehen· Siliziumdioxyd verleiht dem Schweißmittel die erforderlichen physikalischen und elektrischen Eigenschaften, Ee bildet mit den weiteren Beetandteilen des Schweißmittels eutektische Verbindungen, mittels deren eine Erstarrung bei einer Temperatur erreicht werden kann, die geringfügig unter dem Schmelzpunkt von Stahl liegt» Dadurch wird der Schweißpuddel gegen eine atmosphärische Oxydation einwandfrei geechOtzt« Ee ist bekannt, daß das Unterpulverschweißen erheblich stabiler abläuft, wenn der Siliziumdioxyd-

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- 5 -gehalt dee Schweißmittels hoch ist«

Fluoridverbindungen uisrden Schweißmitteln zum Unterpulverschweißen im allgemeinen zugesetzt, um die Viskosität des Schweißmittels herabzusetzen· Dies führt zu einer glatteren und gleichförmigeren Raupe· Die Fluoridverbindüngen sind an der Qxydations-Rsduktions-Rsaktion mit den Legiarung8elementan im Puddel nicht in größerem Umfang beteiligt, tragen jedoch zur Lichtbogenstabilität bei. Cs liegen außerdem Anzeichen dafür vor, daß die geschmolzenen Fluoride Wasserstoff aus Feuchtigkeit.aufnehmen. Diese Reaktion verringert die Wasserstoffmenge in der Schweiße, wodurch die Porosität herabgesetzt uiird. Fluoridverbindungen werden infolgedessen als wesentlicher Bestandteil aller Schweißmittel zum Unterpulverschweißen angesehen.

Es ist verhältnismäßig einfach, mineralien auszuwählen, die praktisch kein Siliziumoxyd enthalten. Die Auswahl einer wenig Siliziumoxyd enthaltenden Zusammensetzung, die wünschenswerte Schwelßeigsnschaften aufweist, stellt dagegen ein erhebliches Problem dar· Bestimmte Oxydsysteme erlauben nicht die Ausbildung einer zusammenhängenden, gleichförmigen Raupe, da sie keinen stabilen Bogen zur Folge haben. Durch sorgfältige Auswahl und gegenseitige Abstimmung verschiedener Oxyde gelang es jedoch, brauchbare Schweißmittel zu erzielen, die praktisch kain Silizium·

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oxyd enthalten und gleichwohl ausgezeichnete. Schweiße!· genechaften aufweisen.

Beispiele von erfindungsgamäß hergestellten Schmeißmitteln sind in folgenden angegeben.

TABELLE I

Zusammensetzung Gew. %

material	A	B	C
Al₂Q₃	....	35,0	28,0
TiO₂	27,00	26,0	25,0
RIgO	4,00	mm mm mm
CaO	2,00
ZrO₂	4,00	-.-
Hin-Erz (BInOΊΠηΟ«)	21,00		5,0
SiO₂	1,0	...	0,0
CaF₂	32,00	37,0	35,0
Na₃AlF₆ (Kryolith)	9,00	—	4,0
Kaliumverbindungen	......	2,0	3,0

Die obenstehende Tabelle gibt bevorzugte Prozentanteile der Bestandteile jedes Schu/eißmittele an. Die Prozentsätze jedes Bestandteils können für jedes der Schweißmittel . A, B und C in den unten angegebenen Bereichen variiert werden. 909840/0419

	0,0	A	TABELLE	II	5,0	B	40,0	5,0	C	40,0
	25,0	bis			5,0	bis	40,0	5,0	bis	40,0
Al₂O₃	1,0	bis	5,0		bis			bis
TiO₂	1.0	bis	35,0		«·■»«·
WgO	1,0	bis	10,0		t				•
CaO	10,0	bis	5,0	0,0		2,0	1,0	™	20,0
ZrO₂	0,0	bie	1.0,0	0,0	bis	3,0	0,0	bis	3,0
IBn-Erz	20,0	bia	30,0	20,0	bis	70,0	20,0	bis	40,0
SlO₂	1.0	bie	3,0	0,0	bis	5,0	1,0	bia	20,0
CaF₂		bis	40,0	O₉O	bis	5,0	0,0	bia	5,0
Na₃AlF₆			20,0		bia			bie
Kaliumver bindungen

Die Schweißmittel »erden vorzugsweise in üblicher Uleiae hergestellt, indem die Beatandteile trocken gemischt und dann in einem metallurgischen Ofen geschmolzen werden· Das Schmelzgemlach wird dann zwecke Eratarrung auf Abschrackblöcke vergossen· Die erstarrte Basse wird auf die erforderliche Korngr&Qe zerkleinert und let dann gebrauchsfertig.

Das oben eingeführte Schweißmittel A hat hohen Fluorld-Rlangan-Titanatgehalt und eignet sich insbesondere für Antuendungafälla, «ao es darauf ankommt, daß mangan im Schweißgut zurückgehalten wird. Da das Schweißmittel überwiegend Oxyde enthält, die etablier als fflanganoxyd sind, wird das Leglarungs·

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element mangan im geschmolzenen Schuieißgut vollständiger zurückgehalten und kann eine flianganaüfnähme aus dem darüber· liegenden Flußmittelbad erfolgen·

mit Hilfe dee Schweißmittels A wurden dichte, bei Röntgenprüfung fehlerfreie Schtueißungen in einer 25,4 min starken Wonelplatte erhalten. Der Stoß war als X-Naht ausgebildet, die an der einen Seite einen Öffnungswinkel won 75° und an der anderen Seite einen Öffnungswinkel von 70° hatte* Ale Schweißdraht wurde ein Nickellegierungsdraht verwendet, der 4 mm Durchmesser hatte und im wesentlichen aus 70 % Nl und 30 % Cu bestand. Die Schweiöung erfolgte in drei Lagern Die Lage 1 bei'28 V, 580 A Gleichstrom, Elektrode positiv und mit einer Schweißgeschwindigkeit von 55,8 cm/min; die Lage 2 bei 29 V, 600 A Gleichstrom, Elektrode positiv und einer Schtueißgeschiuindigkeit von fe 45,7 cm/min sowie die Lage 3 bei 30 U, 600 A Gleichstrom, Elektrode positiv und einer Schweißgeachuiindigkeit von 45,7 cm/min. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißung warent Zugfestigkeit 4930 kg/cm , Streckgrenze 2370 kg/c» » Dehnung 45,1 % und Einschnürung 72,8 %*

. Das Schweißmittel A eignet sich, wie gefunden wurde, auch als FlußraittelUberzug auf Elektrodenführurtgsrohren bei Prozessen, bei denen derartige Führungsrohre abschmelzen. -Dabei dient das abschmelzende Führungerohr zur Stromzuführung und Zentrierung eines Scbiueißdrsbts in einem Schweiß-

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stoß und füllt der Flußmittelüberzug auf dam Führungsrohr das Schlackenbed auf, uienn der Schtueißvorgang fortschrei··' tet« Die Zusammensetzung das Schweißmittels A führt zu einer hoch leitfähigen Schlacke? die Lichtbogenunterbre<» chungen kleinstroöglich hält, die Einleitung des Scbtuaißprozesses erleichtert und dessen Stabilität erhöht» Das Schweißmittel unterstützt ferner einen gleichmäßigen Einbrand des Schuiaißguts in den Grundwerkstoff _s wodurch Schweißungen mit einwandfreier Qberflächenbeechaffanheit und gleichförmigen Eigenschaften erhalten werden» Ein« brandkerben treten nur in varnachlässigbai'em Umfang; auf α Die geschmolzene Schlacke kann leicht abgelöst werden»

Das Schweißmittel B liefert ebenso wie das Schweißmittel A eine Schlacke mit hoher Leitfähigkeit.» Das Schweißmittel enthält kein mangan und ist daher für Anuiendungsfälle geeignet, wo eine ßlanganaufnahma im Schuseißpuddel nicht erwünscht istc Das fflanganoxyd 1st durch ein sehr stabiles Oxyd, nämlich Aluminiumoxyd, ersetzt« Andere stabile Oxyds lassen sich vertuenden und führen im wesentlichen zu gleichen Ergebnissen«, Kaliumverbindungen? wis Kaliumkarbonat, Kaliumfluorid und Kaliumoxyd, warden ale Lichtbogenstabilisatoren zugesetzt, um den SchweiSuorgang ruhiger und gleichmäßiger zu gestaltan_o Kalium kann auch in Form von Feldspat zugegeben werden, ein fllineral, das die Oxyde von Kalium und Natrium enthält. Ähnliche Verbindungen von Natrium oder Lithium sind ebenfalls anwendbare

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Das Schweißmittel C ähnelt dam Schweißmittel S₉ enthält jedoch et u/a θ mangan für Anwendungsfälle, bei denen eine gewisse ßlanganaufnähme erwünscht iat« Beispielsweise eignet eich dieses Schweißmittel beim Plattieren von Kohlenstoffstahl mit Inconel.

Die Schuieißmittel nach der Erfindung stellen auf dsm Gebiet der Schweißmittel zum Unterpulverschweißen einen ganz erheblichen Fortschritt dar· Sämtliche handelsüblichen Schweißmittel zum Unterpulverschweißen enthalten erhebliche Prozentsätze an oxydierenden Komponenten, die unter Schweißbedingungen das Schwaißgut oxydieren· Die Schweißmittel nach der Erfindung sind im wesentlichen aus nicht oxydierenden Bestandteilen zusammengesetzt, so daß leicht oxydierbare Elemente im Schweißdraht, deren Überführung in die Schweiße erwünscht ist, überführt werden können, ohne daß eine Oxydation eintritt« Es wird auf diese U/ei8e für einen fast vollständigen Übergang dieser Elemente aus dem Draht in die Schweiße gesorgt.

UJiβ oben ausgeführt, sind die Schweißmittel nach der Erfindung im wesentlichen frei von Siliziumoxyd. Im wesentlichen frei von Siliziumoxyd soll vorliegend bedeuten, daß das Schweißmittel im allgemeinen weniger als ungefähr 3 Gew./S Siliziumoxyd als Verunreinigung des Schweißmittels enthält· Die Flußmittel nach der Erfindung eignen sich in idealer l!/eiae dort, wo eine Siliziuraaufnahae in dar

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SchoieiBe schädlich 1st, doch gibt ee auch Antuendungafälle, mo eine SiliziunaurnahHie nicht so kritisch ist« Infolge* dessen lassen eich erfindungsgemäß auch Schweißmittel herstellen, die Mit Natriu«- oder Kaliumsilikat-Bindemitteln gebunden eind_v vie dies in der einschlägigen Technik bekannt iat· 3edoch ist es selbst in diesen Fällen zweckmäßig, den Sillziundloxydgehalt in der Größenordnung einer Verunreinigung des Flu8«ittele zu halten«.

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Claims

Patentanspruch·

1. Schweißmittel für Unterpulverech«aißen₉ dadurch gekennzeichnet, daß ea Im «eaantlichen aus SO bis 65 GeoujC ainaa oder Mehrerer dar Oxyde .AIgQ₃₉ IgO₉ TlO₂* ZrO₂ und CaO₉ 0 bie S Gew.jC einer Kaliumverbindung sowie einem Rest aus einem oder mehreren der Fluoride CaI-ciumfluorld, Natriumfluorid, fflagnesiumfluorid, Lithiumfluorid, Kaliumfluorid und Kryolith und bie zu 3 Gau».# Siliziumoxyd besteht·

2. SchueiQmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß ee im wesentlichen aus O₉O bis S₉O Geiu.Jt Al₂O₃₉ 2S₉O bis 35,0 Geou£ TiO₂, 1₉0 bis 1O₉O Ge\u.% RIgO₉ 1₉0 bie 5,0 Gqüi.% CaO₉ I₉O bie 1O₉O Getu.^S ZrO₂, JMD₉O bis 3O₉O Geuu£ 0In-CrZ₉ 2O₉O bie 4O₉O Getu.£ CeF₂ und 1₉0 bis 2O₉O Gbw.% Na₃AlF₆ besteht.

3. SchuieiBmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß es im wesentlichen aus S₉O bis 4O₉O üem.% Al₂O₃₉ 5,0 bis 4O₉O Geui.% TiO₃₉ 0 bie 2,0 Geui.% ΙΠη-Erz, 2O₉Q bie 70 Geuf.^ CaF₂₉ 0 bis 5 Qew.% Na₃AlFg und 0 bis 2,0 ^ Kaliumverbindungen besteht.

4. Schweißmittel nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet daß θθ im urne entliehen aus 5,0 bis 40_e0 Geuu?£ ΑΙ^,Ο,.ρ

bio 40_tQ &&&*% TiO_2l? 1 bis 20 Geui·^ Βη~Ζτζ, 2Q biß 9098AÖ/0419.

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40 Gam.JC CaF₂, t bis 20,0 Ceiu.^ Na₃AlF₅ und 0 bis 5,0 Gsw.% Kaliumverbindungen beetaht.

5« SchweiSreittal nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß as im wesentlichen aus ungefähr 27,00 % TiO₂, A₉XtQ % IBgO, 2*00 % CaO, 4,00 % ZrO₂, 21,00 % ffln-Erz, 1,0 % SiO₂, 32,00 % CaF₂ und 9,00 % Kryolith besteht.

6, Schweißmittel nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß se im u/GSentlichan aus ungefähr 35_p0 % Al-O₃, 2ß_t0 % TiO₂* 3?,0 % Ca^o ^{und 2>0} ^ Kaliumverbindungen besteht und im wesentlichen frei v/on Siliziusnoxyd ist«

7« SchujsiÖiTJittsl nach Anspruch 1, dadurch gekonnzaichnafe, daß ββ in» wesentlichen aus 28,0 % Al₂O₃, 25,0 % 5,0 % Dtn^Crz, 35,0 % CaF₃, 4,0 % Kryolith und 3,0 % Kaliumverbindungen besteht*

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