DE1558884B2

DE1558884B2 - Selenelektrode zum lichbogenschweissen

Info

Publication number: DE1558884B2
Application number: DE19671558884
Authority: DE
Inventors: Smith Dewitt Cross
Original assignee: Chemetron Corp
Current assignee: Chemetron Corp
Priority date: 1966-07-27
Filing date: 1967-07-26
Publication date: 1971-07-29
Also published as: NL6710304A; GB1146927A; DE1558884C2; DE1558884A1; BE701878A; US3415976A; ES342517A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Seelenelektrode zum Lichtbogenschweißen, die ohne irgendeinen außenseitigen Schutzüberzug oder einen den Lichtbogen abdeckenden Gasschutz verwendet werden kann.

Die gebräuchlichen Seelenelektroden enthalten relativ große Mengen Reduktionsmittel wie Aluminium, Magnesium, Silizium, Mangan und Titan, welche die Oxyde beseitigen, wenn diese sich im flüssigen Schweißgut bilden, indem sie sich als Schlacke an der Oberfläche des geschmolzenen Schweißgutes absetzen. Stickstoff bindende Bestandteile wie Titan, Zirkon und einige seltene Erden können auch dazu verwendet werden, den im Schweißgut vorhandenen Stickstoffgehalt herabzusetzen, der eine geringe Kerbschlagzähigkeit bei niedriger Temperatur ergibt. Der Anteil dieser Elemente muß so genau geregelt werden, daß deren Verwendung für die kommerzielle Produktion ungeeignet wird.

Es sind auch umhüllte Schweißelektroden bekannt, die an der Außenseite eines Kerndrahtes mit Zusätzen überzogen sind, welche sich durch die Hitze des Lichtbogens zersetzen und eine Schutzatmosphäre bilden, di& den Sauerstoff und den Stickstoff der Luft daran hindert, das geschmolzene Metall zu verunreinigen. Die Umhüllung enthält auch Flußmittel, die dazu dienen, das geschmolzene Metall von kleinen Mengen Sauerstoff und Stickstoff zu reinigen.

Werden die gleichen Verhältnisse der Bestandteile zueinander im Kern gebräuchlicher Seelenelektroden verwendet, wie bei solchen umhüllten Elektroden gebraucht, so wird der Lichtbogen sehr ungleichmäßig, und es tritt Spritzen ein, was solche Elektroden zum Schweißen ungeeignet macht.

Übliche Seelenelektroden, welche zum Gebrauch mit zusätzlichen Schutzgasen wie Kohlendioxyd, Argon oder Helium bestimmt sind, enthalten einige gasbildende Bestandteile, die in erster Linie als Schlacke bildende Stoffe wirksam sind, aber auch zum Reinigen des Schweißgutes von kleinen Mengen Sauerstoff und/ oder Stickstoff dienen; die zusätzliche Schutzgashülle dient dabei dazu, den Lichtbogen von der Atmosphäre zu trennen.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Seelenelektrode zu schaffen, die ohne Verwendung eines zusätzlichen Schutzgases eine abschirmende Atmosphäre für den offenen Lichtbogen schafft, das Niederlegen eines reinen Schweißgutes ermöglicht und sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:

1. Das flüssige Schweif gut soll von schädlichen Verunreinigungen an Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen gereinigt werden.

2. Es soll eine schützende schwere, doch leicht entfernbare Schlacke erzeugt werden.

3. Das niedergelegte Schweißgut soll eine niedrige Härte oder Zugfestigkeit, aber größere Dehnung und Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen haben.

4. Es soll sich das flüssige Schweißgut leicht so übertragen lassen, daß Sauerstoff und Stickstoff nur auf eine minimale Oberfläche einwirken kann.

5. Der Schweißvorgang soll sich ohne Anwendung einer zusätzlichen Schutzgasatmosphäre durchführen lassen.

Eine Seelenelektrode zum Lichtbogenschweißen, bestehend aus einem rohrförmigen Stahlmantel und einer Füllung, zeichnet sich, um dieser Aufgabe zu entsprechen, gemäß der Erfindung dadurch aus, daß die Füllung in Prozent des Gesamtgewichtes der Füllbestandteile aus

2,3 bis 4,5 % Aluminium und Magnesium in gleichen Gewichtsanteilen,

2,5 bis 4,0% handelsübliches Kalzium-Silizium mit etwa 60% Silizium und 30% Kalzium, Rest Verunreinigungen, 15 bis 20 % Kalziumfluorid (CaF₂), 15 bis 20% RuUl(TiO₂),
2 bis 3,5% elektrolytisches Mangan, 4 bis 7 % Kalziumcarbonat (CaCO₃), 1 bis 10% Nickel und
45 bis 55% Eisenpulver

besteht.

In Prozent des Gesamtgewichtes der Elektrode einschließlich des rohrförmigen Mantels besteht die Füllung vorzugsweise aus

0,57 bis 1,13% Aluminium und Magnesium in gleichen Gewichtsanteilen.

0,625 bis 1 % handelsübliches Kalzium-Silizium mit etwa 60% Silizium und 30% Kalzium, Rest Verunreinigungen,

3,25 bis 5% Kalziumfluorid (CaF₂), 3,25 bis 5% Rutil (TiO₂),

0,5 bis 0,88% elektrolytisches Mangan, 1 bis 1,75% Kalziumcarbonat (CaCO₃), 0,5 bis 2,5% Nickel,

Rest Elektrodenmetall, bestehend aus

Eisenpulver und dem Mantelrohr.

Kennzeichnend für eine Schweißelektrode mit einer Füllung dieser Zusammensetzung ist, daß sie eine Schweißnaht erzeugt, in welcher der gesamte Kohlenstoffgehalt höchstens 1%, vorzugsweise weniger als 0,1% beträgt.

Die gemäß der Erfindung zusammengesetzte Füllung enthält somit desoxydierende und denitrierende Bestandteile zusammen mit einer Höchstmenge an gaserzeugenden Bestandteilen. Eine Elektrode dieser Art läßt sich verwenden, ohne Spritzen und ohne eine Unstabilität des Lichtbogens befürchten zu müssen. Die sich bildende Schlacke hat einen basischen oder neutralen pH-Wert, dies im Gegensatz zu den üblichen sauren Schlacken, welche mit den herkömmlichen, durch Kohlendioxyd geschützten Seelenelektroden erzeugt werden. Das flüssige Schweißgut wird von Sauerstoff und Stickstoff bis auf ungefährliche Reste gereinigt. Die verwendeten Legierungen setzen die Lösbarkeit der Nitride und Karbide im Schweißgut herab, senken dadurch die Härte und die Zugfestigkeit und vergrößern die Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Tempreaturen.

Von Bedeutung ist die Verwendung von Nickel in der Füllung, das in einer ungewöhnlichen, unerwarteten und doch durchaus erklärbaren Weise dazu dient, den Gehalt an Nitriden im Schweißgut zu verringern, die deshalb unerwünscht sind, weil sie als schädliche Eisennitride zur Brüchigkeit beitragen.

Bisher wurde es als völlig zufriedenstellend angesehen, in der Lage zu sein, den Gehalt an Nitriden auf 0,04% zu halten. Mit der erfindungsgemäßen Elektrode wird der Nitridgehalt auf 0,02% gehalten. Dies ist auf den Nickelgehalt in der Füllung zurückzuführen. Es wird angenommen, daß Nickel hierbei als Katalysator beim Herabsetzen der Löslichkeit von Stickstoff und anderen die Festigkeit erhöhenden Stoffen im Schweißgut wirksam ist. Nickel wirkt als Zusatz zu Stahl

Ferrit stabilisierend und erhöht die Zugfestigkeit und die Elastizitätsgrenze. Als Zusatz zur Füllung einer Seelenelektrode wirkt es deshalb in ungewöhnlicher Weise, weil es die Lösbarkeit des Stickstoffes reduziert und die Zugfestigkeit und die Elastizitätsgrenze des Schweißgutes herabsetzt und dabei die Dehnung und die Kerbschlagzähigkiet bei tiefen Temperaturen ansteigen läßt.

Der Füllrohrmantel kann nahtlos oder mit seinen Längsseiten überlappend oder stumpf aneinanderstoßend ausgebildet sein. Die Längskanten können miteinander verschweißt sein, brauchen es aber nicht. Die Füllung kann in den rohrförmigen Mantel in Pulverform oder als Paste in herkömmlicher Weise in ein teilweise U-förmig gebogenes Rohr eingebracht werden, welches dann anschließend verschlossen wird.

Zunächst werden die verschiedenen Bestandteile der Füllung in Prozent des Gesamtgewichts der Füllbestandteile festgelegt. Das gesamte Elektrodenmetall kann sowohl aus dem rohrförmigen Mantel selbst als auch aus in die Füllung aufgenommenem Eisenpulver bestehen. So kann das Gesamtgewicht der Bestandteile schwanken, abhängig davon, wieviel des Elektrodenmetalls aus Eisenpulver und wieviel aus dem rohrförmigen Mantel besteht. Es wurde gefunden, daß es vorteilhaft ist, wenigstens 30 Gewichtsprozent Eisenpulver im Vergleich zum Gewicht aller Zusätze zu wählen; im allgemeinen variiert das Eisengewicht zwischen 45 und 55% des Gesamtgewichts der Füllbestandteile. Die nachstehenden Prozentangaben beziehen sich auf das Totalgewicht der Füllbestandteile, wenn das Eisenpulver etwa 50% des Gesamtgewichts der Füllbestandteile ausmacht.

Aluminium und Magnesium sollen in gleichen Gewichtsanteilen in der Füllung enthalten sein. Ein Gehalt von 2,3% Aluminium-Magnesium-Legierung ergibt sehr gute Resultate. Dieser Gehalt kann bis zu 4,5 % ansteigen und ergibt auch dann noch gute Resultate. Wohl können entweder Aluminium oder Magnesium auch allein verwendet werden, doch sind sie dann sehr reaktionsfähig. Darum ist die Kombination von Aluminium und Magnesium im Verhältnis von 50: 50 und mit einem Gesamtgewicht von 2,3 bis 4,5 % vorzuziehen.

In der verwendeten handelsüblichen Kalzium-Silizium-Legierung beträgt der Gehalt an Silizium etwa 60% und der des Kalziums etwa 30%. Die Gesamtmenge von Kalzium und Silizium in den bevorzugten Zusätzen liegt bei 2,5 bis 4,0 % des Gev/ichtes der Zusätze. Das Kalzium trägt zu dem basischen pH-Faktor der Schlacke bei.

Kalziumfluorid soll in Höhe von 15 bis 20% in der Füllung vorhanden sein und wirkt als Schlackenbildner, welcher die Schlackenbildung oder die Flüssigkeit des Schweißmetalls regelt und somit als Flußmittel wirksam ist.

Auch das zu 15 bis 20 % in der Füllung enthaltene Rutil dient als Schlackenbildner, aber auch dazu, Titan in das Schweißgut zu bringen, das als Stickstoffbinder dient.

Die genannten Prozentsätze an Kalziumfluorid und Rutil ergaben gute Schlackenverhältnisse in der Schweiße.

Der gemäß der vorliegenden Erfindung in der Füllung enthaltene Zusatz an elektrolytischem Mangan wirkt als Desoxydierungsmittel und Reinigungsmittel und erhöht die Festigkeit.

Der Zusatz an Kalziumcarbonat in Höhe von 4 bis 7% hat die Aufgabe, CO₂ zu bilden, welches dann den Lichtbogen schützt, und Kalziumoxyd zu bilden, das die Alkalität der Schlacke steigert. Wie vorher dargelegt, ist es wünschenswert, eine Schlacke zu erzielen, die entweder einen basischen oder annähernd neutralen pH-Faktor aufweist im Gegensatz zu einem Sauren Faktor, wie ihn die konventionellen Elektroden, hervorrufen.

Wie vorstehend dargelegt, gehört zur Füllung auch eine gewisse Menge an Nickel. Obwohl dessen Menge nicht kritisch ist, erweist sich ein Anteil von 1 bis 3¹Ii⁰Io ^als geeignet, um der Schweiße eine niedrige Zugfestigkeit zu geben, wohingegen ein Anteil bis zu 10% Nickel eine hohe Zugfestigkeit ergibt. Es ist anzunehmen, daß Nickel als Katalysator wirksam ist, welcher die Löslichkeit des Stickstoffes herabsetzt, welcher seinerseits die Bildung von Nitriden auf einen Wert unter 0,25% hält. Es ist in der Praxis bekannt, daß Nitride für das Schweißgut besonders schädlich sind, weil sie es spröde machen. So wird durch Verzögerung oder Verminderung der Löslichkeit von Stickstoff die Bildung der schädlichen Nitride verhindert.

Hinsichtlich des prozentualen Anteils der Bestandteile ist zu bemerken, daß das Elektrodenmetall sowohl aus dem rohrförmigen Mantel als auch dem Eisenpulver besteht, welches mit den anderen Bestandteilen die Füllung darstellt, deren Anteil etwa ein Viertel der vorstehend erläuterten Anteile beträgt, weil der Mantel vorzugsweise ungefähr 75% des totalen Gewichts der Elektrode ausmacht.

In der erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrode ist es zweckmäßig, den Anteil an Kohlenstoff unter ¹Z₁₀ bis 1 % des gesamten Elektrodenmetalls zu halten. Wie vorstehend dargelegt, weist die vorliegende Elektrode auch einen alkalisierenden Effekt auf, und diese Tatsache zusammen mit dem niedrigen Kohlenstoffgehalt bewirkt, daß das Metall großkugelig übertragen wird im Gegensatz zu einer sprühförmigen Übertragung. Dies hat den entscheidenden Vorteil, das während der Übertragung nur ein Minimum an Fläche des Metalls dem Sauerstoff und Stickstoff ausgesetzt ist. Es wird angenommen, daß die Kombination des alkalisierenden Effekts und des niedrigen Kohlenstoffgehaltes eine große Oberflächenspannung des Metalls bewirkt, die während der Übertragung zur Bildung von großen Kugeln führt. Als Ergebnis wird mit der Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung eine feste und gute Schweißung erhalten.

Mit der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Elektrode werden in dem Schweißmaterial die Nitride auf einen Wert unter 0,25% gehalten, und dies wird durch die nachstehenden Faktoren bewirkt:

1. Das Nickel setzt die Lösbarkeit des Stickstoffs herab.

2. Es wird metallisches Titan gebildet, das ebenfalls als Stickstoffabsorber dient.

3. Die Schlacke ist neutral oder weist einen basischen pH-Wert auf.

4. Es wird genügend CO₂ gebildet, das wirksam den Stickstoff von dem flüssigen Schweißgut abhält.

5. Die Übertragung des Metalls erfolgt in ausgesprochen kugeliger Form, wodurch die Tendenz, Stickstoff oder Sauerstoff zu absorbieren, vermindert wird.

Die Füllung gemäß der Erfindung ist in ihren wesentlichen Bestandteilen genau ausgewogen, sichert eine maximale Reinigungswirkung auf das Schweißgut und erzeugt auch eine schwere schützende Schlacke in einer Zusammensetzung, die der hohen Qualität einer gewöhnlichen kalkbasichen Elektrode ähnlich ist. Diese Schlacke kann leicht mit normalen Handwerkzeugen beseitigt werden. Hinzu kommt, daß bei der verbesserten Elektrode kein zusätzlicher Gasschutz benötigt wird, denn es werden in dem Schweißmittel genügend gasbildende Zusätze verwendet, um einen hinreichenden Schutz gegenüber der Atmosphäre sicherzustellen. Die gemeinsamen Füllungsbestandteile mit etwas Nickelpulver ergeben eine ungewöhnliche Wirkung des Nickels, nämlich eine Herabsetzung der Löslichkeit von Stickstoff und anderen die Festigkeit erhöhenden Stoffen im Schweißgut und dadurch eine Reduzierung seiner Zugfestigkeit und Erhöhung seiner Dehnung, wobei diese Wirkung mehr als ausreichend ist, um die durch die Ferritstabilisierende Wirkung des Nickels hervorgerufene Festigkeitssteigerung auszugleichen.

Claims

Patentansprüche:

1. Seelenelektrode zum Lichtbogenschweißen, bestehend aus einem rohrförmigen Stahlmantel und einer Füllung, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung in Prozent des Gesamtgewichtes der Füllbestandteile aus

2,3 bis 4,5% Aluminium und Magnesium in

gleichen Gewichtsanteilen, 2,5 bis 4,0 % handelsübliches Kalzium-Silizium mit etwa 60% Silizium und 30% Kalzium, Rest Verunreinigungen,

bis20°/₀ Kalziumfluorid (CaF₂),

bis 20% RUtU(TiO₂),

15

bis 3,5% elektrolytisches Mangan,
bis 7 % Kalziumcarbonat (CaCO₃),
bis 10% Nickel und
bis 55 % Eisenpulver

besteht.

2. Seelenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung in Prozent des Gesamtgewichtes der Elektrode einschließlich des rohrförmigen Mantels aus

0,57 bis 1,13 % Aluminium und Magnesium in gleichen Gewichtsanteilen,

0,625 bis 1 % handelsübliches Kalzium-Silizium mit etwa 60 % Silizium und 30% Kalzium, Rest Verunreinigungen,

3,25 bis 5% Kalziumfluorid (CaF₂),

3,25 bis 5% Rutil (TiO₂),

0,5 bis 0,88% elektrolytisches Mangan,

1 bis 1,75% Kalziumcarbonat (CaCO₃),

0,5 bis 2,5% Nickel

Rest Elektrodenmetall, bestehend

aus Eisenpulver und dem Mantelrohr,
besteht,

3. Seelenelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schweißnaht erzeugt, in welcher der gesamte Kohlenstoffgehalt höchstens %, vorzugsweise weniger als 0,1 % beträgt.