DE1508354C

DE1508354C - Schweißpulver

Info

Publication number: DE1508354C
Authority: DE
Inventors: Thomas Louis Maplewood; Rimer Kenneth Woodrow Carteret; N.J. Coless (V.StA.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Publication date: 1971-11-04

Description

1 2

Die Erfindung betrifft Schweißpulver für das Licht- 33,0 % SiO₂,

bogenschweißen, insbesondere Schweißpulver, die auf 1,4% TiO₂,

ein Werkstück aufgebracht werden, um die Schweiß- 4,5 % CaO,

zone abzudecken und zu schützen. 5,2 % MgO,

Im Zuge der Weiterentwicklung des Unterpulver- 5 3,9 °/o MnO und

Schweißens hat die Industrie ständig nach neuen 52 % Al₂O₃ + Fe₂O₃, Schweißpulvern gesucht, um die Bedingungen neuer

Anwendungsgebiete zu erfüllen oder Schweißpulver wobei der Fe₂O₃-Gehalt zwischen 0,2 und 4°/o liegt·

für bekannte Anwendungsgebiete zu verbessern. Die Derartige Schweißmittel eignen sich zwar zum Schwei-

Güte der Schweißpulver soll gesteigert werden; zu- io ßen von angerosteten oder verschmutzten Eisen- und

gleich sollen die Kosten entweder beibehalten oder Stahlwerkstücken. Ist jedoch Walzsinter, d. h. ein

gesenkt werden. höheres Oxyd, vorhanden, weist die Schweißung

Es sind bereits Schweißpulver für das Unterpulver- häufig eine rauhe Oberfläche auf, von der sich die

schweißen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1206 283), erstarrte Schlacke nur schwierig entfernen läßt,

die aus . 15 Ein weiteres bekanntes Schweißpulver für das

Unterpulverschweißen (USA.-Patentschrift 3 200 016)

30 bis 65% SiO₂, besteht aus 0 bis 20% MgO,

0 bis 15% Al₂O₃, 6 bis 10% Al₂O₃,

0 bis 0,15% S, _ao 9 bis 12% MnO,

0 bis 55 % MnO, 3 bis 5 % CaF₂,

0 bis 20% TiO₂, 20 bis 24% MgO,

3 bis 15% CaF₂, 46 bis 54 % SiO₂,

O bis 0,15 % P, 0,7 bis 2,0 % Fe-Si und

0 bis 40% CaO, a₅ maximal 0,5 % Na₈SiO₃, 0 bis 2,5 % Na₂O und K₂O,

O bis 4 % Fe₂O₃ und _ej_ne Zusammensetzung, die es erlaubt, das Schweiß-O bis 0,10 % C mittel unmittelbar aus ungereinigten industriellen Abfallstoffen herzustellen. Zur Verbesserung der Schlagbestehen. Es ist ferner (aus »Schweißen und Schneiden«, 30 festigkeit von Schweißungen bei niedriglegiertem, 16 [1964], S. 570) ein ähnliches Schweißpulver für das hochfestem Stahl ist es bekannt (»Welding Journal, Unterpulverschweißen bekannt, bei dem ein Teil des Welding Research Supplement«, 40 [1961], Nr. 8, Gehalts an Siliziumoxyd durch Kalziumoxyd ersetzt S. 337 s bis 345 s), beim Unterpulverschweißen Schweißist und das aus . pulver aus

³⁵ O bis 20% Al₂O₃,

15,0 % SiO₂, O bis 20 % MnO,

20% MnO, 7 bis 27% CaF₂,

24,0% Al₂O₃, 18 bis 38% SiO₂,

11,0% TiO₂, O bis 50% CaO,

15,0% CaO, ⁴° O bis 12% Na₂O,

1,0% MgO, 0,35 bis 10,35% K₂O und

9,0% CaF₂, O bis 20% TiO₂ Rest Eisenoxyde und

45 zu verwenden. Schließlich ist es bei Schweißpulvern bekannt (deutsche Auslegeschrift 1193 774), eine gebesteht. Derartige bekannte Schweißpulver haben den schäumte und gekörnte saure oder neutrale Grund-Nachteil, daß sie entweder eine nur schlecht ablösbare masse, die Schlacke entstehen lassen oder daß sie bei von Walzsinter nicht vollständig befreiten Werkstücken das 50 14 bis 55 % SiO₂, Entstehen von Oberflächenfehlern oder von porigem 0,2 bis 25 % Al₂O₃, Schweißgut begünstigen. 0,2 bis 22% TiO₂,

Ein anderes bekanntes Schweißmittel (deutsche Aus- 1 bis 30% CaO,

legeschrift C 5080 VT/49 h) besteht aus einem über 0,3 bis 13% MgO,

160O⁰C schmelzenden Grundbestandteil und min- 55 2 bis 15% CaF₂ und

destens einem _t schmelzpunkterniedrigenden Mittel, 0,01 bis 45 % MnO

einem Desoxydationsmittel oder einem mit dem zu
schweißenden Metall legierbaren Metall in Mengen

von 20 bis 80%· Dadurch, daß man eine solche enthält, mit einer basischen, gegebenenfalls ein DesMischung für eine längere Zeitdauer auf eine Tem- 60 Oxydationsmittel aufweisenden Masse zu umhüllen, peratur von 800 bis 900⁰C erhitzt, wird dafür gesorgt, Die glatten Oberflächen der Schweißungen, die sich daß das Schweißmittel zum Teil aus einem porösen bei Verwendung solcher Schweißmittel einstellen Material, das in der Schweißzone entwickelte Gase sollen, werden auf das niedrige Schüttgewicht des absorbiert, und zum Teil aus einem Material besteht, Schweißmittels zurückgeführt, das verhindert, daß das in geschmolzenem Zustand niedrige Viskosität 65 nichtgeschmolzenes Schweißpulver in das flüssige besitzt und daher.den Durchgang von Gasen durch Schlackebad absinkt und dieses so weit abkühlt, daß die geschmolzene Masse erleichtert. Typisch für solche es zähe bleibt und das Entweichen von Gasen aus der Schweißmittel ist ein Schweißmittel aus ' Schweißzone behindert. Die drei letztgenannten be-

kannten Schweißpulver sind für das Schweißen von Werkstücken mit normal gereinigten oder jedenfalls walzsinterfreien Stoßkanten bestimmt, eignen sich jedoch ebenfalls nicht für das Schweißen von Werkstücken, auf deren Oberfläche sich Walzsinter befindet. ,■■■'■

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißpulver zu schaffen, mit dem porenfreie Schweißungen glatter Oberfläche, von deren sich die Schlacke leicht lösen läßt, auch bei mit Walzsinter überzogenen Werkstücken ausgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schweißpulver gelöst, das in Gewichtsprozent aus

30 bis 60% Aluminiumoxyd (Al₂O₃),
5 bis 20 % Titandioxyd (TiO₂),
5 bis 25 °/₀ Manganoxyd (MnO),

2 bis lO°/o eines bei Schweißpulvern üblichen

anorganischen Fluorids,
1 bis 10 % Magnesiumoxyd (MgO),

3 bis 25% Siliciumdioxyd (SiO₂),

1 bis 10% eines bei Schweißpulvern üblichen

metallischen Desoxydationsmittels

und

0 bis weniger als 5%. vorzugsweise
Obis weniger als 3%> eines oder mehrerer

der Oxyde Fe₂O₃, Fe₃O₄ und MnO₂

als Verunreinigungen

besteht. Bei dem Schweißpulver nach der Erfindung sind die Gehalte der verschiedenen Bestandteile so aufeinander abgestimmt, daß selbst bei Werkstücken, die mit Walzsinter behaftet sind, einwandfreie SchWeißungen ohne Oberflächenfehler erzielt werden und für eine gute Ablösbarkeit der Schlacke gesorgt ist.

Die gleichen günstigen Ergebnisse werden auch erhalten, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Schweißpulver, abgesehen von den genannten Verunreinigungen in Form der Oxyde Fe₂O₃, Fe₃O₄ und MnO₂, in Gewichtsprozent aus

46 % Aluminiumoxyd (Al₂O₃),

8% Titandioxyd (TiO₂),

4% Manganoxyd (MnO),
10°/₀ Kryolith (CaF₂),

3 °/o Magnesiumoxyd (MgO),
24 °/₀ Siliciumdioxyd (SiO₂) und

5 % Silicomangan (MnSi)

oder aus

30 °/o Aluminiumoxyd (Al₂O₃),

5 °/₀ Titandioxyd (TiO₂),
10% Manganoxyd (MnO),

5% Kryolith (CaF₂),
20% Magnesiumoxyd (MgO),
20% Siliciumdioxyd (SiO₂) und
10% Silicomangan (MnSi)

besteht.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß ein zu einer leicht ablösbaren Schlacke führendes Schweißpulver der vorstehend genannten Zusammensetzung dadurch zum Schweißen in Gegenwart von Walzsinter geeignet gemacht wird, daß der Gehalt an den höherwertigen Oxyden von Eisen und Mangan, die normalerweise unter den Verunreinigungen anzutreffen sind, klein gehalten wird. Enthalten solche Schweißpulver mehr als 5 Gewichtsprozent an den Oxyden Eisen(III)-oxyd (Fe₂O₃), Eisen(II, III)-oxyd (Fe₃O₄) und Mangandioxyd (MnO₂), kommt es zu unerwünschten Oberflächenfehlern. Die mehrwertigen Oxyde Fe₂O₃, Fe₃O₄ und MnO₂ werden durch die Wärme der Schweißzone leicht dissoziiert. Der dissoziierte Sauerstoff bildet bei Reaktion mit den Legierungselementen im Schweißdraht und im Grundwerkstoff Oxyde dieser Elemente, so daß die Legierungselemente unwirksam gemacht

ίο werden. Kohlenstoff kann beispielsweise mit dem im Lichtbogen dissoziierten Sauerstoff unter Bildung der gasförmigen Produkte CO und CO₂ reagieren. Die Entwicklung dieser Gase kann das geschmolzene Schweißgut stören und zu Oberflächennarbung führen.

Falls restlicher freier Sauerstoff vorhanden ist, kann es zusätzlich zur Ausbildung von Gasporen in der Schweiße kommen. Ferner reagiert der dissoziierte Sauerstoff mit Desoxydationsmitteln im Kerndraht und im Schweißpulver, so daß die Desoxydationsmittel

ao ihre Funktion in der Schweiße nur unzureichend erfüllen können.

Bei der Herstellung des Schweißpulvers nach der Erfindung werden die Ausgangsstoffe der in wesentlichen Mengen vorliegenden Oxyde bewußt so gewählt,

as daß die mehrwertigen unstabilen Oxyde Fe₂O₃, Fe₃O₄ und MnO₂ vermieden werden und der Gehalt an diesen Oxyden als Verunreinigung möglichst gering wird. Aluminiumoxyd kann in Form von Bauxit, Corund, Feldspat oder als eine aluminiumoxydhaltige Schlacke zugesetzt werden. Titandioxyd wird vorzugsweise als Rutil zugegeben, der im wesentlichen TiO₂ darstellt. Es lassen sich jedoch auch andere Titandioxyd enthaltende Verbindungen verwenden, beispielsweise Titandioxydschlacke mit niedrigem Eisenoxydgehalt.

Manganoxyd wird vorzugsweise aus einem Erz zugesetzt, das sehr niedrige Anteile an MnO₂ aufweist. Herkömmliches Manganerz enthält im allgemeinen große Mengen an MnO₂, so daß MnO und MnO₂ in gleichen Anteilen vorhanden sind. Gewisse stark MnO₂-haltige Erze lassen sich verwenden, falls das MnO₂ während der bei der Herstellung des Schweißpulvers vorgenommenen Wärmebehandlung leicht zu MnO reduzierbar ist oder falls ein derartiges Erz vor Zugabe zu dem Schweißpulver geröstet wird, um eine gewisse Sauerstoffmenge freizusetzen. Magnesiumoxyd wird in Form von gebranntem Magnesit zugesetzt. Es lassen' sich auch andere Ausgangsstoffe anwenden, beispielsweise aus Seewasser extrahiertes Magnesiumoxyd.

Als anorganisches Fluorid eignen sich beispielsweise Kryolith (CaF₂) oder Natriumfluorid (NaF). Die Fluoride haben einen günstigen Einfluß auf die Schweißbarkeit des Schweißpulvers.

Typische Desoxydationsmittel sind Silicomangan, Ferrosilicium, Ferromangan, Ferromangan-Silicium, Kalzium-Silicium oder andere als Desoxydationsmittel bekannte Werkstoffe, die die gleiche Funktion erfüllen.

Sämtliche Bestandteile werden gemahlen und gemischt. Das Gemisch wird mit einem Silicat-Bindemittel, beispielsweise Natrium- oder Kaliumsilicat, abgebunden und dann durch einen Trockner hindurchgeleitet, der ausreichend Wärme abgibt, um alle Feuchtigkeit auszutreiben. Es ist wesentlich, daß chemisch gebundenes Wasser vollständig ausgetrieben wird. Von Bedeutung ist, daß das Silicat-Bindemittel, das als wäßrige Lösung zugesetzt wird, geschmolzen wird, wodurch die vollständige Beseitigung des ange-

lagerten Wassers gewährleistet ist. Ferner sollten während der Wärmebehandlung etwa vorhandene Karbonate zerlegt werden, so daß die gasförmigen Bestandteile ausgetrieben werden.

Die Tabelle 1 gibt den Bereich der Bestandteile des Schweißpulvers nach der Erfindung in Gewichtsprozent bei Durchführung der Analyse nach Mischen und Trocknen der Schweißpulverbestandteile in der oben beschriebenen Weise an..

Tabelle 1

Al₂O₃ 30bis60%

TiO₂ 5bis20°/₀

MnO 5bis25°/₀

Fluorid 2bislO%

MgO : Ibis 10%

SiO₈ 3bis25°/₀

Desoxydationsmittel Ibis 10%

Fe₂O₃; Fe₃O₄; MnO₂ O bis weniger

als 5%

Bevorzugte Nennwerte der Bestandteile mit Ausnahme der mehrwertigen unstabilen Oxyde sind in Gewichtsprozent der Tabelle 2 zu entnehmen:

Tabelle 2

Bestandteile

Al₂O₃

TiO₂.

MnO

CaF₂

MgO

SiO₂ .

MnSi

1	2	46	3
(Gehalte in Ge	8	iwichtsp
50	4	31
12	10	20
8	3	20
5	24	8
5	5	9
17	5
3	7

Der Gehalt an den mehrwertigen unstabilen Oxyden, die auf unvermeidbare Verunreinigungen zurückzuführen sind, ist bei den Schweißpulvern 1 und 2 vorzugsweise geringer als 3% und bei den Schweißpulvern 3 und 4 vorzugsweise geringer als 5 %.

Bei einem typischen Vergleichsversuch wurde eine mit einem bekannten Schweißpulver hergestellte Schweißung mit einer unter Verwendung eines Schweißpulvers nach der Erfindung ausgeführten Schweißung verglichen, wobei als Werkstück eine sandgestrahlte Platte, d. h. eine Platte verwendet wurde, deren Oberfläche frei von Eisenoxyden war. Die Schweißung, die mit dem bekannten Schweißpulver durchgeführt wurde, das die mehrwertigen Oxyde in größeren als den vorliegend angegebenen Anteilen enthielt, zeigte eine mittlere Störzone. Innerhalb dieser Störzone war außerdem ein metallischer Vorsprung zu erkennen. Demgegenüber hatte die mit dem Schweißpulver nach der Erfindung durchgeführte Schweißung eine glatte, von Vorsprüngen freie Oberfläche.

Aus diesem Vergleich ist zu schließen, daß bei im übrigen identischen Schweißbedingungen und auf einer oxydfreien Oberfläche, die in der Praxis im allgemeinen nicht gegeben ist, das Schweißpulver nach der Erfindung zu glatteren, fehlerfreien Schweißoberflächen führt.

Bei einem weiteren Versuch wurden die Schweißungen bei einer Platte ausgeführt, an deren Oberfläche Walzsinter vorhanden war. Walzsinter stellt Fe₂O₄ dar, das während der Warmverarbeitung des Stahlgrundwerkstoffs gebildet wird. Das bekannte Schweißpulver ergab eine Schweißung, bei der die mittlere Störzone etwas ausgeprägter als bei der sandgestrahlten Platte war. Ein Vergleich des Oberflächenaussehens ergab, daß das Schweißpulver nach der Erfindung gegen

ίο Walzsinter unempfindlicher ist und glatte einwandfreie Schweißungen liefert.

Der nachteilige Einfluß der drei mehrwertigen unstabilen Oxyde ergab sich einwandfrei durch die folgenden weiteren Versuche, bei denen einem Schweißpulver nach der Erfindung größere Mengen dieser Oxyde absichtlich zugesetzt wurden.

Bei dem ersten Versuch wurden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißpulvers drei Schweißungen ausgeführt, wobei dem Schweißpulver WaIz-

ao sinter in wachsender Menge zugesetzt wurde. Die erste Schweißung, die mit einem Zusatz von 3 % Walzsinter erfolgte, war glatt und im wesentlichen frei von metallischen Vorsprüngen. Eine zweite Schweißung, bei der 5 % Walzsinter zugesetzt wurde,

as zeigte eine erhebliche Anzahl von metallischen Vorsprüngen, und eine mittlere Störzone begann sich auszubilden. Eine dritte Schweißung, die mit einem Zusatz von 8% Walzsinter zum Schweißpulver ausgeführt wurde, war hochgradig gestört und zeigte übermäßige Oberflächenfehler.

Bei dem zweiten Versuch wurden Schweißungen unter Verwendung des Schweißpulvers nach der Erfindung hergestellt, wobei dem Schweißpulver wachsende Anteile an Fe₂O₃ zugesetzt wurden. Die erste Schweißung, die mit einem Zusatz von 3% Fe₂O₃ erfolgte, begann gerade, metallische Vorsprünge an der Oberfläche zu zeigen. Bei der zweiten Schweißung, bei der dem Schweißmittel 5% Fe₂O₃ zugegeben wurde, waren metallische Vorsprünge klar zu erkennen. Bei der dritten Schweißung, die mit einem 8%igen Fe₂O₃-Zusatz zum Schweißpulver erfolgte, waren die Oberflächenstörungen und -fehler übermäßig stark.

Bei dem dritten Versuch wurden drei Schweißungen mit dem Schweißpulver nach der Erfindung durchgeführt, wobei dem Schweißpulver wachsende Anteile an Fe₃O₄ zugesetzt wurden, das aus einem Erz statt aus Walzsinter gewonnen war. Die erste Schweißung, die mit einem 3%igen Fe₃O₄-Zusatz zum Schweißpulver erfolgte, war gut; Vorsprünge begannen, sich gerade an der Oberfläche zu bilden. Die zweite , Schweißung, bei der dem Schweißpulver 5% Fe₃O₄ zugesetzt wurden, war stärker gestört und zeigte größere Oberflächenfehler. Die dritte Schweißung, bei der dem Schweißpulver 8% Fe₃O₄ zugesetzt wurden, war extrem schlecht und zeigte sehr große Fehler.

Schließlich wurden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißpulvers drei Schweißungen ausgeführt, wobei dem Schweißpulver wachsende Anteile an MnO₂ zugesetzt wurden. Die erste Schweißung, bei der ein 3%iger MnO₂-Zusatz vorhanden war, war. gut und verhältnismäßig frei von Oberflächenvorsprüngen. Die zweite Schweißung, bei der dem Schweißpulver 5% MnO₂ zugegeben wurden, wies bereits Störungen auf; die Schweißraupe hatte ein schlechtes Aussehen. Bei einem Zusatz von 8% MnO₂ zum Schweißpulver war die Schweißung völlig unbrauchbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Schweißpulver, dadurchgekennzeichnet, daß es in Gewichtsprozent aus

30 bis 60 °/₀ Aluminiumoxyd (Al₂O₃), 5

5 bis 20 % Titandioxyd (TiO₂), 5 bis 25 % Manganoxyd (MnO),.

2 bis 10% eines bei Schweißpulvern üblichen

anorganischen Fluorids, 1 bis 10% Magnesiumoxyd (MgO), io

3 bis 25 % Siliciumdioxyd (SiO₂),

1 bis 10 % eines bei Schweißpulvern üblichen metallischen Desoxydationsmittels und

0 bis weniger als 5 % eines oder mehrerer der 15 Oxyde Fe₂O₃, Fe₃O₄ und MnO₂ als Verunreinigungen
besteht. '

2. Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an einem oder ao mehreren der Oxyde Fe₂O₃, Fe₃O₄ und MnO₂ O bis weniger als 3 Gewichtsprozent beträgt.

3. Schweißpulver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in Gewichtsprozent aus

46% Aluminiumoxyd (Al₂O₃), 8 % Titandioxyd (TiO₂),

4 % Manganoxyd (MnO), 10% Kryolith (CaF₂),

3 % Magnesiumoxyd (MgO), 24 % Siliciumdioxyd (SiO₂) und

5 % Silicomangan (MnSi) besteht.

4. Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in Gewichtsprozent aus

30% Aluminiumoxyd (Al₂O₃),

5 % Titandioxyd (TiO₂), 10% Manganoxyd (MnO),

5% Kryolith (CaF₂), 20 % Magnesiumoxyd (MgO), 20 % Siliciumdioxyd (SiO₂) und 10 % Silicomangan (MnSi)

besteht.

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