DE1540923C - Verfahren und Vorrichtung zum Unterpulverschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Unterpulverschweißen unter Verwendung von Zusatzmetall in Form kleiner Partikeln, die, in Schweißrichtung gesehen, vor der Aufbringung des die Schweißfuge bedeckenden Schweißpulvers stromlos in die Schweißfuge eingebracht werden.'

Es ist bekannt, daß bei den üblichen Unterpulver-Schweißverfahren auf Grund starker Erhitzung der Schweißstelle ein im Vergleich mit anderen Lichtbogen-Schweißverfahren großer Anteil des Grundmetalls aufgeschmolzen wird. Das Verhältnis von abgeschmolzenem Elektrodenmetall zu aufgeschmolzenem Grundmetall liegt je nach Art des verwendeten Schweißpulvers zwischen den Werten 1:1,8 und 1:2,1. Der verhältnismäßige große Anteil des Grundmetalls in der Schweißschmelze verleiht dem Unterpulver-Schweißverfahren eine hohe Sicherheit in der Verfahrensdurchführung und bedingt auch, vor allem bei extrem dicken Werkstücken, ihre Wirtschaftlichkeit. Demgegenüber genügt jedoch die Schweißnaht besonders hohen Qualitätsanforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Kerbschlagzähigkeit, nicht immer. Der Nachteil wird in erster Linie von Verunreinigungen verursacht, die durch den großen Anteil des aufgeschmolzenen Grundmetalls, das im allgemeinen nicht die gleichen Reinheitsgrade wie das Elektrodenmetall aufweist, in die Schweißnaht gelangen. Darüber hinaus hat die Überhitzung und starke Aufschmelzung des Grundmetalls zur Folge, daß gewisse Sondereigenschaften desselben, beispielsweise seine Primär-Feinkörnigkeit, verlorengehen können.

Es wurde deshalb schon versucht, Mittel und Wege zu finden, den großen Anteil des Grundmetalls in der Schweißschmelze zu verringern. So ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Anteil des Grundmetalls in der Schweißschmelze dadurch verringert wird, daß ein Zusatzmetall in Form kleiner Drahtstückchen stromlos in den Lichtbogen eingebracht wird. Dieses bekannte Verfahren hat jedoch Nachteile, die als Folge eine Störung der Gleichmäßigkeit des Lichtbogens und damit Fehler in der Schweißnaht bewirken. Die eckige Form der Drahtstücke und die daraus folgende ungleichmäßige Verteilung in der Schweißfuge hat ein unruhiges Brennen des Lichtbogens zur Folge. Außerdem bedingt die kantige Form der Drahtstücke eine schlechte Rieselfähigkeit, wodurch die gleichmäßige.. Zugabe dieses Zusatzmetalls erschwert wird. Darüber hinaus belastet das mühsame Zerkleinern der Drähte die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. -

Es ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem Zusatzmetall in Form kleiner kugeliger Körner verwendet wird, die neben mineralischen Stoffen Legierungselemente enthalten. Bei diesem Verfahren ist zwar die Rieselfähigkeit des Zusatzmetalls verbessert, die Legierungselemente sind aber in einer äußerst komplizierten Weise aus feinem Metallpulver und Natriumsilikat" aufgebaut. Ferner geschieht bei diesem bekannten Verfahren das Einbringen der Legierungsbestandteile in die Schmelze in einer Weise, die legierte Elektroden vermeidet und bei der der Lichtbogen nicht zur Oberfläche des Schweißpulvers hinaufwandert. Somit wird das Problem des Einbrandes durch dieses Verfahren nicht gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Unterpulverschweißen unter Verwendung von Zusatzmetallen und damit unter Verringerung des Anteils des aufgeschmolzenen Grundmetalls in der Schweißschmelze weiterzuentwickeln und insbesondere ein wirtschaftliches Verfahren zu schaffen, bei dem ein billig herzustellendes Zusatzmetall in einfacher Weise ohne Störung des Lichtbogens in diesen eingebracht wird. ...„,,.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Partikeln als rein metallischer Sand, der aus kugeligen

ίο Körnern mit Korngrößen zwischen 0,2 und 3,0 mm besteht, eingebracht werden und die Menge des Metallsandes so mit den variablen Größen des Schweißverfahrens abgestimmt wird, daß das Gewichtsverhältnis zwischen abgeschmolzenem Etektrodenmetall und aufgeschmolzenem Metallsand pro Zeiteinheit zwischen 1: 0,6 und 1:1,5 liegt.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach darin zu sehen, daß der zur Anwendung kommende Metallsand eine Korngröße

ao aufweist, die einerseits eine billige Herstellung des Metallsandes gestattet und andererseits sich so in die Schweißfuge einbringen läßt, daß diese, im Gegensatz zur Verwendung von größeren Drahtstücken, gleichmäßig ausgefüllt ist und der Lichtbogen störungsfrei brennt. Diese Forderungen werden durch einen Metallsand mit Korngrößen zwischen 0,2 und 3,0 mm hervorragend erfüllt, wobei sich besondere Vorteile mit Körnern von ungefähr 0,3 bis 0,8 mm Durchmesser ergeben. Durch die kugelige Form der Körner des Metallsandes wird deren gleichmäßige Verteilung in der Schweißfuge unterstützt und außerdem eine günstige Rieselfähigkeit und damit die Möglichkeit einer äußerst gleichmäßigen Zugabe zur Schweißstelle erreicht. Ein Über- bzw. Unterschreiten der erfindungsgemäßen Grenzen der Korngröße kann die Schweißbedingungen verschlechtern und fehlerhafte Schweißnähte zur Folge haben.

Von großer Bedeutung für die Qualität der Schweißnaht in metallurgischer Hinsicht ist die Wahl der richtigen Gewichtsmenge des zuzugebenden Metallsandes im Verhältnis zur Menge des abschmelzenden Elektrodenmetalls, und zur Menge des aufgeschmolzenen Grundmetalls. Die Herabsetzung der Überhitzung und damit des großen Anteils an aufgeschmolzenem Grundmetall -wirkt sich auf die Schweißnaht merkbar gütesteigernd aus, wenn die pro Zeiteinheit zugesetzte Menge Metallsand mehr als ungefähr 60% des Gewichts des abschmelzenden Elektrodenmetalls beträgt. . Umgekehrt nimmt die Sicherheit der Schweißnaht auf Grund einer dann ungenügenden Aufschmelzung des Grundmetalls ab, wenn die pro Zeiteinheit zugeführte Gewichtsmenge des Metalisandes das Gewicht des abschmelzenden Elektrodenmetalls um mehr als 50% übersteigt. Von dieser Grenze ab beginnen Störungen in der Stromzuführung sowie Bindefehler und Schlackeneinflüsse aufzutreten.. Es ergibt sich somit ein vorteilhafter Bereich des Gewichtsverhältnisses von pro Zeiteinheit abgeschmolzenem Elektrodenmetall zu pro Zeiteinheit eingebrachtem Metallsand, das zwischen den Werten 1 :0,6 und 1: 1,5 liegt. Qualitativ besonders gute Schweißnähte werden erzielt, wenn dieses Verhältnis zwischen I : 0,8 und I : 1,3 liegt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist weiterhin von Wichtigkeit, daß die variablen Größen des Schweißverfahrens so gewählt werden, daß auch das Verhältnis der Menge des einzubringenden Metallsandes zur Menge des aufge-

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schmolzenen Grundmetalls sowie das Verhältnis von Titan :; 0,05 bis 0,15 %

aufgeschmolzenem Grundmetall zu abgeschmolzenem Aluminium _;... ι 0,05 bis 0,1 % ^;

ElektrodenmetaU richtig eingestellt wird. Erfindungs- Zirkonium .; ; 0,02 bis 0,1%

gemäß können gute Schweißergebnisse erzielt wer- Vanadium :... 0,04bis0,15%

den, wenn die pro Zeiteinheit in die Schweißfuge 5 Niob .. :. 0,05 bis 0,1% >

eingebrachte Gewichtsmenge des Metallsarides nicht Liegen diese Zusatzelemente außerhalb der anunter 70% der Gewichtsmenge des aufgeschmolzenen gegebenen Grenzen, so ist mit einer Herabsetzung Grundmetalls liegt. Vorteilhaft wird das Verfahren der Qualität der Schweißnaht zu rechnen. Insbesonerfindungsgemäß so geführt, daß die pro Zeiteinheit dere wirkt sich eine Überkonzentration nachteilig aufgeschmolzene Gewichtsmenge des Grundmetalls io auf die Zähigkeit des Stahles aus. Die Anwendung die Gewichtsmenge des abgeschmolzenen Elektroden- der Zusatzelemente kann einzeln oder in Gruppen metalls um mindestens 60% übertrifft. erfolgen, wobei bei der Gruppenanwendung etwas Die erfindungsgemäße Verwendung eines Metall- höhere Prozentsätze als bei der Einzelanwendung sandes der beschriebenen Art unter Einhaltung der günstig sind. Durch sorgfältiges Abstimmen der beschriebenen Regeln für die Verfahrensdurchfüh- 15 Stahlsandzusammensetzung auf den zu schweißenden rung führt zu einer Erhöhung der Schmelzleistung Stahl kann der Verunreinigungsgrad der Schweiß- und damit, bei Verringerung des Einbrandes, zu schmelze wesentlich herabgesetzt und hohe Kerbeiner größeren Schweißgeschwindigkeit. Sie hat dar- schlagzähigkeitswerte können gesichert werden,
über hinaus den Vorteil, daß der Metallsand in seiner Die Erfindung umfaßt weiterhin eine Vorrichtung Zusammensetzung auf einfachste Weise dem Grund- so zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahmetall angepaßt und jeweils die am besten "geeignete rens, die sich von den bekannten Vorrichtungen zum Zusammensetzung ausgewählt werden kann. Hier- Unterpulverschweißen im wesentlichen dadurch erdurch ergeben sich äußerst vielseitige Anwendungs-. findungsgemäß unterscheidet, daß sie, in Schweißmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens. richtung gesehen, vor der Zugabeeinrichtung für das Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße »5 Schweißpulver einen Metallsandzugeber aufweist. Unterpulverschweißverfahren beispielsweise bei seiner Dieser Metallsandzugeber besitzt eine Dosiereinrich-Anwendung auf das Stahlschweißen. Hier läßt sich tung, mit der die Menge des in die Schweißfuge einmit Hilfe der Zusammensetzung des Metallsandes, zubringenden Metallsandes reguliert werden kann, d. h. in diesem Falle eines Stahlsandes, die Schweiß- Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfinschmelze in einfachster Weise metallurgisch beein- 30 dungsgemäßen Schweißvorrichtung wird die Dosieflussen. Zu diesem Zweck enthält der erfindungs- rung des Metallsandes in einfachster Weise dadurch gemäße Stahlsand geringe Mengen von Legierungs- erreicht, daß der Abstand der Mündung des Metallbestandteilen, die einerseits die Zahl der Kristallisa- sandzugebers vom Boden der Schweißfuge auf betionskeime in der Schweißschmelze vergrößern und stimmte Werte eingestellt werden kann. Auf diese damit die Feinkörnigkeit der Schweißnaht verbessern 35 Weise kann in Abhängigkeit von der Rieselfähigkeit und andererseits die im Stahl gelösten Mengen an des Metallsandes, die wiederum von dessen Korn-Sauerstoff und Stickstoff abbinden. Die Zugabe der größenverteilung abhängt und die im erfindungsgewünschten Metalle zum Stahlsand ist äußerst ein- gemäßen Korngrößenbereich besonders günstig ist, fach und kann durch Zumischen von geringen Men- eine sehr genaue Dosierung erzielt werden. Diese Art gen eines entsprechenden Metallsandes oder durch 40 der Bemessung, die eine Volumenmessung darstellt, Zulegieren dieser Metalle zum Aüsgangsmaterial des hat zwar ein definiertes Schüttgewicht des Metall-Stahlsandes geschehen. In jedem Falle ist dieses Zu- sandes zur Voraussetzung, doch gewährleistet sie in gabeverfahren der Legierungsbestandteile wesentlich vorteilhafter Weise eine einfache und vor allem störeinfacher und billiger als eine Beeinflussung der unanfällige Zugabe des Metallsandes.
Schweißschmelze durch das bekannte Einlegen von 45 Die schematische Darstellung eines Ausführungs-Drähten bestimmter Zusammensetzung in die beispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt Schweißfuge oder als die Verwendung von entspre- die Wirkungsweise einer solchen Unterpulverschweißchend legierten Drahtelektroden, wobei bei letzteren vorrichtung erkennen.

noch hinzukommt, daß in diesen die Legierungs- . Das Werkstück 1, das eine V-förmige Schweißbestandteile erst in größeren Mengen wirksam 50 fuge 2 aufweist, soll mit Hilfe einer abschmelzenden werden. Drahtelektrode 3 verschweißt werden. Der Licht-Erfindungsgemäß besitzt ein für das Schweißen bogen zwischen der Drahtelektrode 3 und dem Werkvon Qualitätsstählen geeigneter Stahlsand Phosphor- stück 1 brennt innerhalb einer Aufschüttung 4 eines und Schwefelgehalte von jeweils unter 0,02%, einen Schweißpulvers, welches durch eine im wesentlichen Siliziumgehalt unter 0,15% und einen Mangangehalt 55 aus einem Behälter 6 und einem Rohr 7 bestehende zwischen 0,5 und 2,5%. Ausgezeichnete Schweiß- Zugabeeinrichtung 5, die, in Schweißrichtung 8 geergebnisse können mit dem erfindungsgemäßen Ver- sehen, vor der Drahtelektrode 3 angeordnet ist, der fahren dann erzielt werden, wenn der Stahlsand eines Schweißstelle zugeführt wird.

oder mehrerer der Elemente Titan, Aluminium, In Schweißrichtung gesehen vor der Zugabe-Zirkonium, Vanadium und Niob enthält. Besondere 60 einrichtung 5 für das Schweißpulver befindet sich Vorteile im Hinblick auf die angestrebten Reaktions- erfindüngsgemäß der Metallsandzugeber 9, der ebeneffekte mit Stahlbegleitern und damit auf eine gute falls im wesentlichen aus einem Behälter 10 und Qualität der Schweißnaht sind von einem Stahlsand einem Rohr 11 besteht. Der Metallsandzugeber 9 ist zu erwarten, dessen Zusammensetzung so mit den in seiner Höhe verstellbar. Eine Vorrichtung zur variablen Größen des Verfahrens abgestimmt ist, 65 Einstellung des Abstandes zwischen der Munching daß, bezogen auf die gesamte Schweißgutmenge, in des Rohres 11 und dem Boden der Schweißfuge 2 ist der Schmelze folgende Anteile an Zusatzelementen schematisch durch ein Zahnrad 12 und einer diesem vorhanden sind: zugeordneten Zahnstange 13 angedeutet.

Der Metallsand, der auf Grund seiner erfindungsgemäßen Korngrößenzusammensftzung und der kugeligen Form der Körner eine gute und gleichmäßige Rieselfähigkeit besitzt, kann durch die Einstellung des Abstandes zwischen der Mündung des Rohres 11 und dem Boden der Schweißfuge 2 auf einfachste Weise zuverlässig dosiert werden. ^Während des Schweißens, d. h, bei einer Vorwärtsbewegung der Schweißeinrichtung in Richtung des Pfeiles 8, bildet sich so eine Aufschüttung 14 des Metallsändes, die anschließend von der Aufschüttung 4 des Schweißpulvers überdeckt wird. Die Aufschüttung 14 des Metallsandes füllt im allgemeinen ²/s bis Vi des Volumens der Schweißfuge aus.

Das erfindungsgemäße Unterpulverschweißverfahren eignet sich in der beschriebenen Art hervorragend für. jede Art von Verbindungsschweißungen. Durch geeignete einfache Abwandlungen kann es' darüber hinaus auch vorteilhaft für Auftragsschweißungen Verwendung finden.

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Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Unterpulverschweißen unter Verwendung von Zusatzmetall in Form kleiner Partikeln, die, in Schweißrichtung gesehen, vor der Aufbringung des die Schweißfuge bedeckenden Schweißpulvers stromlos in die Schweißfuge eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln als rein metallischer Sand, der .aus kugeligen Körnern mit Korngrößen zwischen 0,2 und 3,0 mm besteht, eingebracht werden und die Menge des Metallsandes so mit den variablen Größen des Schweißverfahrens abgestimmt wird, daß das Gewichtsverhältnis zwischen abgeschmolzenem Elektro- denmetall und aufgeschmolzenem Metallsand pro Zeiteinheit zwischen 1:0,6 und 1:1,5 liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmenge des in die Schweißfuge einzubringenden Metallsandes pro Zeiteinheit nicht unter .70% der ,Menge des aufgeschmolzenen Grundmetalls liegt. .,..'■.' ■„.',

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmenge des aufgeschmolzenen Grundmetalls pro Zeiteinheit nicht unter 6O°/o des abgeschmolzenen Elektrpdenmetalls liegt.

4. Stahlsand für die Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf das Verschweißen von Werkstücken aus Stahl, gekennzeichnet durch einen Phosphorgehalt und einen Schwefelgehalt von jeweils unter 0,02%.

5. Stahlsand nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Siliziumgehalt unter 0,15% und einen Mangangehalt zwischen 0,5 und 2,5%.

6. Stahlsand nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Gehalt eines oder mehrerer der Elemente Titan, Aluminium, Vanadium, Zirkonium und Niob oder Vorlegierungen dieser Elemente von zusammen mindestens 0,05 %.

7. Stahlsand nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung, die so mit den variablen Größen des Schweißverfahrens abgestimmt ist, daß, bezogen auf die gesamte Schweißschmelze, der Titangehalt zwischen. 0,05 und 0,15%, der Aluminium- und Niobgehalt zwischen 0,05 und 0,1%, der Vanadiumgehalt zwischen 0,04 und 0,15% und der Zirkoniumgehalt zwischen 0,02 und 0,1% liegt.

8. Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, in Schweißrichtung

(8) gesehen, vor der Zugabeeinrichtung (5) für das Schweißpulver ein Metallsandzugeber (9) angebracht ist, der eine Dosiereinrichtung zur Regulierung der in die Schweißfuge (2) einzubringenden Gewichtsmenge pro Zeiteinheit des Me-

. tallsandes aufweist.

9. Schweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung' als Vorrichtung zur Einstellung des Abstandes zwischen der Mündung des Metallsandzugebers

(9) und dem Boden der Schweißfuge (2) ausgebildet ist (12,13). ; . ^: : ,-;·; :.

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