DE1558890A1

DE1558890A1 - Elektrode zum Lichtbogenschweissen von Stahl

Info

Publication number: DE1558890A1
Application number: DE19671558890
Authority: DE
Inventors: Masayasu Arikawa; Kyoshi Horiuchi; Izumi Ichihara
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1966-07-08
Filing date: 1967-07-07
Publication date: 1970-05-06
Also published as: US3531620A; GB1190994A; DE1558890B2; DK121939B; SE324693C; NL6709512A; SE324693B

Description

fofentanwalf Dipi,-Phys. GERHARD LIEDL · 8 Mönchen 22, Sieinsdorfstrofie

Telefon 3?!<<J fernschreiber

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B 3292

KOBE STEEL, Ltd. No. 36-1, Wakinohamacho 1-chome, Fukiai-ku, Kobe /Japan

Elektrode zum Lichtbogenschweißen von Stahl

Es sind bereits zahlreiche Verfahren zum automatischen Schweißen von Stahl bekannt, So sind beispielsweise Verfahren zum Lichtbogenschweißen unter Verwendung von Kohlensäure oder einem inerten Gas als Schutzgas und das verdeckte Lichtbogenschweißen unter Verwendung von Flußmittel zum Abschirmen wohlbekannt.

Dr.S/M ''" ' - ^: ■ _

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Es gibt auch noch andere Verfahren, wie z.B. das Elektroschlackenschweißen usw. Diesen automatischen Schweißverfahren ist gemeinsam, daß fortlaufender aufgewickelter Stahldraht als verbrauehbare Elektrode verwendet und diese Elektrode in geschmolzenes Metall unter Abschirmung gegen die umgebende Atmosphäre eingeschmolzen wird.

Es ist dem Fachmann wohlbekannt^ daß der Sauerstoff wie auch der Stickstoff der Luft das Schweißen ungünstig beeinflussen. Nach dem Stand der Technik des Lichtbogenschweißens wird Schutzgas zur Abschirmung des Lichtbogens verwendet, um diese Nachteile zu vermeiden, wobei das eingesetzte Schutzgas nicht oder nur wenig mit dem geschmolzenen Stahl reagiert. Das Verfahren unter Verwendung von Schutzgas hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß der Abschirmeffekt bei einer Windgeschwindigkeit von 2 m/sec verlorengeht, wodurch es unmöglich wird, befriedigend zu schweißen.

In neuerer Zeit wurden Schweißverfahren bekannt, welche eine verbrauehbare Elektrode verwenden, die keine Schutzgaszufuhr von außen benötigt. Bei den bisher verwendeten Schweißverfahren ohne Einsatz von Schutzgas handelt es sich entweder um ein Verfahren, welches durch das Zufügen eines besonderen Mittels den Stickstoff unschädlich macht, welcher unvermeidlich in den Schweißbereich aus der umgebenden Atmosphäre eindringt, oder um ein Verfahren, das eine Elektrode verwendet, welche ein Material enthält, das eine Abschirmwirkung besitzt.

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Ein typisches Verfahren zum Lichtbogenschweißen in der umgebenden Atmosphäre ohne die Verwendung von Schutzgas oder dergleichen ist in der USA-Patentschrift 2 909 778 offenbart. Nach diesem Verfahren wird ein Abfangmittel und ein Schützstoff für dieses Abfangmittel in den Bereich des Schweißbogens gegeben, wobei das Abfangmittel einen günstigen Effekt auf das geschmolzene Metall besitzt und der Schutzstoff zum Schutz des Abfangmittels vor dem Angriff des Sauerstoffs und Stickstoffs der umgebenden Atmosphäre dient.

Mn, Cr, Nb, Ta und V usw. werden vorzugsweise als Abfangmittel verwendet. Als Schützstoff für das Abfangmittel dienen vorzugsweise Äluminiumfluorid, Alkalihalogenid oder Erdalkalihalogenid. Die Anwendung dieses Verfahrens macht es möglich, eine Schweißnaht von geringer Porosität zu erhalten. Bei der Verwendung von Fluoriden ist es jedoch immer noch schwierig, das Eindringen von Sauerstoff und Stickstoff in das geschmolzene Metall aus der umgebenden Atmosphäre zu verhindern. Zwangsläufig verbleibt daher viel Abfangmittel in dem Metall der Schweißnaht.

Das Vorliegen von viel Abfangmittel in dem geschmolzenen Metall, wie z.B. Al, Ti, Zr usw. bedingt naturgemäß eine Umsetzung dieser Elemente mit Sauerstoff und auch mit Stickstoff. Da das jeweilige spezifische Gewicht von ZrN, TiN, AlN usw. hoch ist, und der jeweilige

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Schmelzpunkt von ihnen ebenfalls hoch ist, besteht daher eine geringe Möglichkeit, wenn diese Verbindungen in dem geschmolzenen Metall einmal gebildet sind, diese als Schlacken zu entfernen. Diese Verbindungen werden vielmehr als nichtmetallische Einschlüsse darin verbleiben, was zu einer starken Neigung zur Verminderung der Duktilität des Metalls der Schweißnaht führt.

Wenn also viele Einschlüsse von Ti, Zr, Al, B usw. in dem Metall der Schweißnaht verbleiben, wird die Zähfestigkeit im Schweißbereich sehr niedrig sein. Diese Tatsache ist die Hauptursache dafür, daß Elektroden dieses Typs bis jetzt nur in sehr begrenztem Maß verwendet werden.

Ein anderes Schweißverfahren, welches ebenfalls kein Schutzgas benutzt, ist in der USA-Patentschrift 3 118 053 offenbart. Bi dieser Patentschrift ist eine Elektrode beschrieben, welche aus einem Draht mit Flußmittel besteht, das Calciumcarbonat als gaserzeugendes Mittel enthält. Beim Schmelzen dieser Elektrode erzeugt das Calciumcarbonat durch Zersetzung in der Hitze ein Gas, das als Schutzgas verwendet wird. Es ist jedoch nicht ausreichend, ausschließlich ein gaserzeugendes Mittel zu verwenden, da die Zersetzungsreaktion im Lichtbogenstrom so schnell fortschreitet, falls ein durch normales Vermischen hergestellter Draht

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mm verstärkten Stickstoff einschloß ta der Stahlschweiinatifc -besteht.

tore Elektrode: zn entwickeln,, weich© es ermöglicht, durch Lichtbogeasehweißsn von Stahl'in--der umgebenden Atmosphäre, Metallsehweißnähte von guter Qualität zu" erzielen, X)itae: daß Schutzgas- oder dergleichen ver-

Die vorliegend© Erfindung betrifft eine - verbrauchbare EieMi'od© LicfetfaQgenseiiweißsa von Stahl'ohne. Zufäteuag ψοά 8etategss₉ -welche aus einer itahöiülse und einer
eingefüllt ist, besteht, die dadurch gekennzeichnet ist, dai da® Gewicht dieser Pulver mischung. 10-40% des Gesamtgewichts d@s°

eines*:NitricttemngBschutzmittels,' nämlich. Mg, Al, Ti, Zt üuer der Le-

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carbonat raid Mitrldierungsschutzmittel insgesamt zu mehr als 30% in der Pulvermischung enthalten sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine zusammengesetzte, verbrauchbare Elektrode, welche aus einer Stahlhülse besteht, die mit gepulverten Bestandteilen gefüllt ist. Als gepulverte Bestandteile sind drei wesentliche, unbedingt erforderliche Hauptkomponenten anzuführen, nämlich Metallfluoride, Metallcarbonate und ein Nitridierungsschutzmittel. Als Metällfluoride werden Alkalifluoride, Erdalkalifluoride, Fluoride der seltenen Erden, Aluminiumfluorid sowie Titanfluorid verwendet. Als Metallcarbonate werden Alkalicarbonate sowie Erdalkalicarbonate verwendet, AIg Nitridieruiigsschutzmittei werden Mg, Al, Ti, Zr oder dsren Legi&mtgQii ?erweadi. Bureh das Zusammenwirken aller dieser 'drei Kosnpe-iie&l-?^ fesim Lichtbogenschweißen in der umgebenden Atmosphäre wird eine Schweißnaht von vorzüglicher Qualität erhalten, wobei auch ein einfacher Betrieb, sogar mit Wechselstrom, ermöglicht wird.

Beim Einsatz der Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch die MetallhUlse der verbrauchbaren Elektrode geschmolzen und, sobald diese Elektrode durch den Lichtbogen geschmolzen wird, dem Bereich, der zu schweißen ist, hinzugefügt. Das Nitridierungsschutzmittel, das in dem in die oben angegebene Hülse eingefüllten Pulver

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enthalten ist,: tritt in den Bereich des Lichtbogens ein und schützt in wirksamer Weise das geschmolzene Metall vor dem Stickstoff, während das ' Metallfluprid und das "Metallcarbonat als Abschirmmittel Gas oder Dampf erzeugen und somit wirksam den umgebenden Bereich des Lichtbogens abschirmen, .'wodurch, gleichmäßig- geschweißter Stahl mit wenig Einschlüssen an Stickstoff unter einfachen Betriebsbedingungen erhalten

Im folgenden soll jede Wirkung dieser drei Komponenten einzeln erklärt werden. Die Metallfluoiide entwickeln Gas, wenn die Elektrode geschmol-'zen-wird, und dieses Gas bedeckt-dem Bchmelzbereich, wodurch eine Abschirmung vor der umgebenden- Atmosphäre zur Verminderung des Einflusses von Sauerstoff und * Stickstoff der Luft ersielt- wird. Auch wirkt ein Teil dieses Materials als wirksames schlackenbildendes Mittel. Zur Erzielung des oben genannten Effekts ist es erforderlich, daß mehr als 10% Fluor id in der Pulvermischung vorliegen. Liegt der- Gehalt dieses Materials unter 10%, kann die Wirksamkeit der Stoff mischung als Abschirmmittel verlorengehen, auch wenn der- Gehalt an Metallcarbonat · ansteigt. Wird andererseits der Gehalt an Fluorid in der Stoff mischung' auf über TO% erhöht, kann die ®igensctoft dieser Pulverkomponente als

fluor id ta einem Gehalt von 10-60% zugegeben. Ein Gehalt an CaF₀-Im Bereich vom 3.0.-60% oder eine Mischung-, die CaF^ im Bereicti von 30-55% und 5% "AlF« enthält, ist besonders ■ wkteam,-

■*■'-■ BAD ORIGINAL

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Der Zweck der Zugabe der Metallcarbonate zur gepulverten Stoff mischung besteht darin, das Kohlensäuregas, welches aus diesen Metall carbonaten durch Zersetzung beim Schmelzen der Elektrode frei wird, zum Schutz des Schweißbereichs vor der umgebenden Atmosphäre zu verwerfen, und zwar in Verbindung mit dem Gas, welches aus dem Metallfluorid entwickelt wird. Das Carbonat ist in der Wirkung vom Fluorid verschieden. Das Kohlendioxyd wird sehr abrupt entwickelt und erhöht den Spritzeffekt, wenn die Stoffmischung viel Carbonat enthält, wodurch die praktische Anwendung beeinträchtigt wird. Dementsprechend enthält die Stoff mischung Metall carbonat im Bereich von 5-25%, und zwar haben sich CaCO₉ und/oder MgCO₉ als besonders brauchbar erwiesen.

O O

Zur Verhinderung des Eindringens von Stickstoff in das Metall des Schweißbereichs ist es nicht ausreichend, nur die angeführten Materialien zu verwenden, welche zum Abschirmen des Schweißbereichs vor der umgebenden Atmosphäre dienen. Das Eindringen des Stickstoffs beeinträchtigt das Metall der Schweißstelle sehr, was sowohl durch die Prüfung mittels Röntgenstrahlen als auch anhand der mechanischen Eigenschaften feststellbar ist. Zur Vermeidung dieses ungünstigen Ergebnisses wird erfindungsgemäß ein Nitridierungsschutzmittel hinzugesetzt, und zwar in einer Menge von 10-50%. Als solche Mittel sind Ti, Zr, Al, Mg usw. mit den Eigenschaften von stark mit Stickstoff reagieren-

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den Stoffen besonders bevorzugt. Diese Elemente reagieren auch stark mit Sauerstoff, so daß sie auch als Oxydationsschutzmittel wirken. Jedes dieser die Nitridierung verhindernden Mittel kann einzeln benutzt werden; es können jedoch auch Legierungen dieser Elemente, so z.B. vom Typ

Al - Mg, Ca - Si - Al
eingesetzt werden, oder Eisenlegierungen, wie z.B.

Fe- Ti, Ca - Si r Zr, Fe- Zr, Fe - Al.

Die Menge eines solchen Mittels, sei es als einzelnes Element oder als Legierung sollte ausreichen, um in befriedigender Weise die Nitridierung zu verhindern, und ist unter Berücksichtigung des Einflusses dieses Mittels auf das zu schweißende Metall festzulegen.

Hierzu sind mehr als etwa 10% des Nitridierungsschutzmittels in der Stoff mischung erforderlich» Es ist jedoch nicht notwendig, über 50% davon zuzugeben. Wird Mn oder Si als Oxydationsschutzmittel in dem Nitridierungsschutzmittel verwendet, kann etwa die Hälfte des angegebenen Oxydationsschutzmittels durch ein anderes reines Qxydationsschutzmittel ersetzt werden, da das Qxydationsschutzmittel, welches in dem Nitridierungsschutzmittel enthalten ist, die Menge des Sauerstoffs durch seine desoxydierende Wirksamkeit vermindern kann, wodurch der Verbrauch dieses Nitridierungsschutzmittels durch Oxydation herabge-

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setzt wird. Es ist besonders empfehlenswert, eine Al-Mg Legierung im Bereich von 10-30% als Nitridierungsschutzmittel zu wählen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht auf die Wirksamkeit jedes einzelnen der drei oben erläuterten Mittel, nämlich des Metallfluor ids, des Metallcarbonats und des Nitridierungsschutzmittels, unabhängig von den anderen Mitteln. Es wird darauf hingewiesen, daß die besonderen Merkmale der vorliegenden Erfindung auf der funktioneilen Kombination dieser drei Mittel beruhen. D.h. also, daß das Verhältnis, in welchem diese drei Mittel kombiniert werden, in enger, gegenseitiger Beziehung steht. Ist die Menge des Metallcarbonats festgelegt, kann die notwendige Menge an Nitridierungsschutzmittel infolge des Schutzeffekts des Metallfluor ids vermindert werden, je mehr Metallfluorid innerhalb des erlaubten Mengenbereichs hinzugefügt wird. Eine Erhöhung des Fluoridanteils beeinflußt das Schweißverfahren jedoch ungünstig, und diese Tatsache beeinflußt die Zugabe des Carbonate. Wird andererseits die Menge des Fluoride festgelegt und die Menge des Carbonate variiert, kann die zuzugebende richtige Menge Nitridierungsschutzmittel annähernd konstant sein. Hierfür ist folgender Grund anzuführen: Ein Teil des durch die Hitzezersetzung des Carbonate erzeugten Kohlendioxyds wird infolge der hohen Temperatur weiter zu CO zersetzt, während das verbleibende Kohlendioxyd das geschmolzene Metall vor der umgebenden Atmosphäre

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schützt, wodurch ein Anstieg der aufgenommenen Stickstoff menge vermieden wird. Das 0, das durch die teilweise Zersetzung des Kohlendioxyds gebildet wird, führt infolge seiner stark oxydierenden Wirksamkeit zu einem Verbrauch des überschüssigen Nitridierungsschutzmittels, wodurch der verbleibende Einschluß an diesem Mittel in der verfestigten Schweißnaht vermindert wird. Wie oben erläutert, vermag die Zugäbe von viel Carbonat den Schutz des geschmolzenen Metalls vor der umgebenden Atmosphäre beträchtlich zu erhöhen, Insbesondere den Schutz vor dem Stickstoff, und zwar mittels des Abschirmeffekts unter Mithilfe des Fluorids im Gegensatz zu dem wohlbekannten Verfahren, welches in dieser USA-Patentschrift offenbart ist. Auch ist das Erhöhen der Menge des Nitridierungsschutzmittels nicht erforderlich, wodurch die zurückbleibenden Einschlüsse in dem geschweißten Bereich vermindert werden. Es wurde nachgewiesen, daß bei dem Verfahren ohne Anwendung von Carbonat 0,035% Stickstoff in dem Metall der Schweißstelle vorliegen, während 0,012% Stickstoff bei Verwendung der geeigneten Menge Carbonat vorliegen.

Wie im einzelnen oben dargelegt, ist es ein hervorragendes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die zurückbleibenden Einschlüsse an Nitridierungsschutzmittel in dem Metall der Schweißstelle vermindert werden, wodurch es ermöglicht wird, das Metall der Schweißstelle mit einer ausreichenden Zähfestigkeit im geschweißten Bereich zu erhalten.

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Das obengenannte Metallfluorid, das Carbonat und das Nitridierungsschutzmittel sind die wesentlichen Bestandteile der Pulver mischung in der Stahlhülse. Die Pulver mischung kann weiterhin die folgenden Bestandteile in geeigneter Menge als Hilfskomponenten enthalten. Es handelt sich hier um Elemente, welche zur Herstellung von Legierungen verwendet werden, z.B. Mn, Ni, Cr, Mo, B, C, V und W sowie eisenhaltiges Pulver, desoxydierende Mittel wie Mn und Si und normale Schweißflußmittel wie SiO₃, ZrO₃, Al₃O₃, MgO, MnO, MnO₃, K₃O, Na₃O, und CaO.

Die Pulver mischung wird in die Stahlhülse in einer Menge von 10-40 Gew. %, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, eingefüllt. Es ist erforderlich, daß diese Pulver mischung über 30% an der Mischung des Metallfluor ids, Carbonats und des Nitridierungs schutz mittels enthält.

Der Grund dafür, daß die Menge der Pulver mischung in der Elektrode zwischen 10 und 40% beträgt, liegt darin, daß es erforderlich ist, einen Abschirmeffekt zu erzielen, welcher die direkte Anwendung eines Schutzgases oder dergleichen überflüssig macht und weiterhin darin, daß eine ausreichende Menge der Pulvermischung bereitzustellen ist, um eine unvorteilhafte Wirkung auf das Schweißverfahren zu ver-

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meiden. Der Grund dafür, daß die Menge der Mischung, welche das Metallfluorid, das Carbonat und das Nitridierungsschutzmittel enthält, über 30% der Gesamtmenge der Pulvermischung betragen soll, liegt darin, daß es möglich ist, damit das Metall der Schweißstelle mit bevorzugten Eigenschaften zu erhalten, während bei einem Gehalt unter 30% an dieser Mischung unvorteilhafte Bedingungen erhalten werden.

Die Pulver mischung in der Stahlhülse kann in zwei Teilen vorliegen, nämlich innen und außen angeordnet. In diesem Fall sollte das Gesamtgewicht des innen und außen vorliegenden Pulvers 10-40% des Gesamtgewichts der verbrauchhimiElektrode betragen. Das Pulver des außen angeordneten Anteils ist zylindrisch um die äußere Peripherie des innen angeordneten Pulvers angeordnet und erstreckt sich annähernd über die gesamte Länge der Elektrode. Das Gewicht des außen angeordneten Pulvers erreicht 30-80% des Gesamtgewichts des außen und innen angeordneten Pulvers. Dieses Pulver enthält die folgenden Bestandteile als notwendige Bestandteile in der Menge von mindestens über 30% des Gesamtgewichts der Pulvermischung:

Metallfluorid . ' ■; 10-60%

Metallcarbonat 5-25%

Nitridierungsschutzmittel 10-50%.

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Was nun die Verteilung dieser Pulver auf die außen und innen angeordneten Anteile betrifft, so ist die Anordnung in der folgenden Beziehung vorgesehen:

Metallfluorid:
Metallcarbonat:

innen angeordnetes Pulver < außen angeordnetes Pulver Nitr idierungss chutzmittel:

innen angeordnetes Pulver > außen angeordnetes Pulver

Dies besagt, daß die Schutzwirkung für den Lichtbogenbereich von der Außenseite durch Anordnung des Metallfluorids und des Metallcarbonats mit Abschirmwirkung im außen angeordneten Teil größer wird als durch Anordnung innen. Hingegen ist es vorteilhaft, das Nitridierungsschutzmittel auf der Innenseite dieser Schutzatmosphäre wirksam werden zu lassen. Es wurde festgestellt, daß ungünstige Ergebnisse dann erzielt wurden, wenn die Menge an Metallfluorid und Metallcarbonat in dem auf der Innenseite angeordneten Pulver größer ist als in dem außen angeordneten Pulver, was ihren Prozentgehalt betrifft, oder wenn die Menge des Nitridierungsschutzmittels in dem außen angeordneten Pulver größer ist als in dem innen angeordneten Pulver, bezogen auf ihren Prozentgehalt.

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Es zeigen: . ' ,

Fig. 1 die verschiedenen Ausfünrungsformen der Elektrode anhand ihres

bis 5 . ;■■■ ' ·■■"'.:. . " ' :■_ _ . ■; .'." ^: ■'"■"■

vergrößerten Querschnitts;,·. . ■-,...

Fig. 6 in graphischer barstellung die Wirkung wechselnäer Zusammen-• öetzungen der Pulver mischung auf die Qualität der Schweißstelle.

Eine Stahlhülse'gemäß der vorliegenden Erfindung kann in jeder geeigneten Struktur zur Füllung mit der besagten Pulvermischung vorgesehen werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 stellt einen allgemeinen Fall dar, in welcheih das Pulver 2 in- 'eine' zylindrische- Stahlhlilse 1 gefüllt wird.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 zeigt eine' Konstruktion, in welcher zwei Hülsen zu einer Einheit vereinigt sind und eine Pulvermischung 4,4 jeweils eingefüllt ist. Eine andere Konstruktion, wie z.B. eine Konstruktion durch teilweises Einfalten der Stahlhülse, wodurch ein Grat innerhalb dieser Hülse gebildet wird, ist ebenfalls geeignet.

Fig. 3 bis Fig. 5 zeigen die anderen Formen der Hülse, welche die Pulvermischung in zwei A'nteile teilen, nämlich in einen äußeren Anteil und einen inneren Anteil. Fig. 3 zeigt die Ausführungsform, welche die

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Außenseite eines zylindrischen Rohres 5 aus Stahl mit dem doppelten zylindrischen Stahlrohr 6 umfaßt sowie die Füllungen der Pulvermischungen 7 und 8 in dem Inneren des zylindrischen Stahlrohres 5 bzw. in dem Zwischenraum in dem Zylinder 6, wobei dieser Zwischenraum zwischen dem äußeren Rohr und dem inneren Rohr des zylindrischen Rohres 6 liegt. Fig. 4 zeigt eine fast gleiche Ausführungsform zu der gemäß Fig. 3 mit einem Grat 9 im Inneren des Stahlzylinders 5. Fig. 5 zeigt die Ausführungsform, welche zwei Stahlrohre 10 und 11, die konkave Teilkammern bilden, zu der Einheit einer kreisförmig abgeteilten Kombination mit jeweils dem halben Anteil beider Rohre, welche ineinander eingreifen, vereint, wobei die jeweiligen Hälften dieser Rohre mit Pulver mischungen 12, 12, 13 und 13 gefüllt sind. Es wird darauf hingewiesen, daß jede Stoffmischung der auf der Innenseite angeordneten Pulver 7 und 12 und der auf der Außenseite angeordneten Pulver 8 und 13 miteinander identisch und verschieden sein können, wie oben erläutert ist.

Angaben über den wechselseitigen Effekt bei der Verwendung von Metallfluor id, Carbonat und Nitridierungsschutzmittel:

Es wurde das Flußmittel A, welches aus den unten angegebenen Bestandteilen besteht, hergestellt und sodann Metallfluorid, Carbonat und das Nitridierungsschutzmittel jeweils einzeln oder in beliebiger Kom-

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bination zum Flußmittel A hinzugegeben. Sodann wurde ein zusammengesetzter Draht, welcher diese Pul Vermischung, nämlich das Flußmittel A sowie die oben angegebenen Mittel enthielt, hergestellt. Das Gewicht der in diesem Draht enthaltenen Pul Vermischung betrug etwa 20% des Gesamtgewichts des Drahtes. Die Gegenstände, welche unter Verwendung solcher Drähte geschweißt wurden, wurden geprüft und die Ergebnisse dieser Prüfung in Fig. 6 und den folgenden Figuren angegebenv Der Qualitätsgrad, festgestellt mittels Röntgenstrahlen, basiert auf dem JIS-Standard und der Qualitätsgrad 1 zeigt den stabitea Zustand. während der Qualitätsgrad 6 kennzeichnet, daß der geschweißte Bereich vollporös ist.

Flußmittel A (Gew. %):

Fe-Mn	10 - 30
TiO₂	0-40
^Si02	3-20
MgO	3-15
Ai₂C₃:	3-6
K₉O	0 - 1
Na₂O	0-1
Eisenpulver	0-30.

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Fig. 6 stellt das Ergebnis des Falles dar, in welchem ausschließlich Fluorid (CaF„) in wechselnder Menge zu dem Flußmittel A gegeben wird. Die Untersuchung mittels Röntgenstrahlen zeigt eine Verschlechterung im Ergebnis, wenn mehr als 10% Fluorid enthalten ist„ Fig. 7 gibt das Ergebnis in dem Fall wieder, in welchem ausschließlich Carbonat (CaCO₀) zugefügt wird. Die Untersuchung mittels Röntgenstrahlen zeigt eine Verschlechterung im Ergebnis, wenn das Carbonat im Bereich von 4-25% enthalten ist. Fig. 8 zeigt das Ergebnis in dem Fall, in welchem ausschließlich das Nitridierungsschutzmittel hinzugegeben wird. Die Wirkung dieses Mittels ist nicht zufriedenstellend. Folgendes ist aus den angegebenen Tatsachen zu entnehmen: Die unabhängige Zugabe von Fluorid oder Carbonat kann nicht zu einem befriedigenden Effekt führen und die Zugabe lediglich von Nitridierungsschutzmittel führt zu einer Verschlechterung.

Andererseits ergibt die Zugabe sowohl von Fluorid (CaF„) und Carbonat (CaCO,) das in Fig. 9, A und B erläuterte Ergebnis, und die Qualität des geschweißten Gegenstandes wird bis zu dem Qualitätsgrad 2 verbessert. Eine weitere Verbesserung durch steigenden Gehalt an Fluorid ist jedoch kaum zu erwarten (siehe B der Fig. 9). Li Fig. 10, A und B sind die Ergebnisse des Falles zusammengestellt, in welchem sowohl Fluorid (CaF«, A1F„, NaF) als auch das Nitridierungsschutzmittel

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(Al, Fe - Ti) zu dem Flußmittel'A hinzugegeben werden. Es wird . darauf hingewiesen, daß der geschweißte Gegenstand mit dem durch Röntgenstrahlen ermittelten Qualitätsgrad 1 durch Hinzufügen einer großen Menge an dem Mittel zum Schutz vor Oxydation und Nitridierung erhalten wurde.. Eine große Menge an diesem Mittel ist somit erforderlich, um den zu schweißenden Bereich so vor der umgebenden Atmosphäre zu schützen, daß ein voller Schutz gewährleistet ist. Andererseits jedoch vermindert eine große Menge dieses Mittels die Zähfestigkeit des geschweißten Bereichs beträchtlich. Auch die Zugabe einer großen Menge an Carbonat zu dem Flußmittel A durch Kombination von Carbonat (CaCO₀) und demMittel zum Schutz vor Oxydation und Nitridierung führt nicht zu einem günstigen Ergebnis (siehe Fig. 11, A und B). Es wird darauf hingewiesen, daß die Verwendung von nur zwei der drei Komponenten, nämlich Metallfluor id, Carbonat und Nitridierungsschutzmittel, niemals zu einem günstigen Ergebnis führt.

Fig. 12 zeigt das erfindungsgemäße Ergebnis, Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine gute Schweißverbindung durch den wechselseitigen Effekt dieser drei Komponenten erhalten. Die so erhaltene Schweißverbindung weist den durch Röntgenstrahlen bestimmten Qualitätsgrad 1 auf. Weiterhin ist der Grad des Einschlusses an Stickstoff gering, so daß diese Schweißverbindung eine ausreichende Zähfestigkeit aufweist.

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Die Bedeutung der vorliegenden Erfindung auf industriellem Gebiet ist somit klar erkennbar.

Beispiel 1

Es wurde ein zusammengesetzter Draht gemäß Fig. 1 verwendet, Ein Flußstahlblech von 0,4 mm Dicke wurde zur Herstellung eines zylindrischen Rohres mit einem Durchmesser von 3,2 mm benutzt und die folgende Pulver mischung in dieses Rohr eingefüllt.

Fluor id der seltenen Erden	5%
CaF₂	33%
CaCO₃	15%
MgO	6%
Mn-Pulver	5%
Ca-Si	6%
Mg-Pulver	6%
Fe-Pulver	22%

Das Gesamtgewicht dieser Pulver mischung betrug 33% des Gesamtgewichts des Metallanteils. Als Fluorid der seltenen Erden wurden Lanthanfluorid, Selenfluorid und Neodymfluorid eingesetzt.

Unter Verwendung eines 12 mm dicken unberuhigten Stahls als Basismetall wurde eine Schweißschicht auf jede Oberfläche bei 450 A und 28 V aufgebracht.

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Es wurde das folgende Ergebnis erzielt. Chemische Zusammensetzung des Metalls der Schweißstelle:

C 0,12%

Mn , 0,67%

Si 0,25%

N- 0,015%

Schlagfestigkeit 7 kgm/cm .

Es wurde weder eine Vertiefung noch ein Blasenhohlraum festgestellt, und das Ergebnis des Biegetests war ebenfalls befriedigend.

Beispiel 2

Unter den in Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen wurde der zusammengesetzte Draht des Typs gemäß Fig. 3, welcher eine doppelte Hülse darstellt und die folgende Pulver mischung eingefüllt enthält, zum Schweißen eingesetzt:

CaF₉	50%
MgCO₂	10%
CaCO₀	10%
Fe-Mn	4%
Fe - Zr	8%
Fe-Ti	6%
Fe-Al	^S6%
K₂O	2%
SiO₂	4%

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Es wurde folgendes Ergebnis erzielt.

Chemische Zusammensetzung des Metalls der Schweißstelle:

C 0,13%

Mn 0,78%

Si 0,20%

Ti 0,03%

Zr 0,01%

Al 0,04%

N 0,012%

Schlagfestigkeit 10 kgm/cm .

Es wurde weder eine Vertiefung noch ein Blasenhohlraum festgestellt. Das Ergebnis des Biegetests war ebenfalls befriedigend.

Beispiel 3

Es wurde unter Verwendung eines zusammengesetzten Drahtes des gleichen Typs wie in Beispiel 2 eingesetzt, geschweißt. Die Zusammensetzung der eingefüllten Pulver mischung war folgende:

CaF₂	20%
AlF₃	10%
CaCO₃	15%
TiO₂	20%
Fe-Mn	15%
Fe - Si	6%
Fe-Ti	4%
SiO_n	10%

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Das folgende Ergebnis wurde erhalten. Chemische Zusammensetzung des Metalls der Schweißstelle:

C 0,10%

Mn 0,88%

Si 0^23%

N 0,019%

Schlagfestigkeit 6,5 kgm/em .

Bei der Prüfung der Schweißstelle wurde kein Blasenhohlraum festgestellt, und das Ergebnis des Biegetests war ebenfalls befriedigend.

Beispiel 4

Das Schweißverfahren wurde unter der gleichen Bedingung wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, wobei ein zusammengesetzter Draht entsprechend Fig. 2 verwendet wurde.

Die Zusammensetzung der darin emgefüllten Pulver mischung war folgende:

CaF₂	00961	• 30%
AlF₃	5%
MgCO₃ AI-Mg	25% 10%
Fe - Mn	4%
κ₂ο	1%
Na₂O	1%
SiO₂	2%
Fe-Pulver	■ 22%
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C 0,12%

3VIn . 1,05%

Si 0,12%

Al 0,36%

N 0,020%

S chlagfestigkeit 8 kgm/cm .

Bei der Prüfung mittels Röntgenstrahlen wurde kein Blasenhohlraum festgestellt, und das Ergebnis des Biegetests war ebenfalls befriedigend.

Beispiel 5

Es wurde eine Elektrode mit einerWanddicke von 0,2 mm und einem äußeren Durchmesser von 3,2 mm eingesetzt, welche aus einem zusammengesetzten Draht entsprechend Fig. 5 bestand. Diese Elektrode enthielt die gleiche Pulvermischung sowohl im inneren als auch im äußeren Bereich. Auf beiden Seiten eines 12 mm dicken, unberuhigten Stahls wurde eine Schweißschicht unter Anwendung von 450 A und 26 V aufgebracht.

Das erhaltene Ergebnis ist in Tabelle 1 angegeben. Die Zusammensetzung der Pulver mischung ist in Tabelle 2 angegeben.

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Tabelle 1

Zusammensetzung des	Beispiel 6	C Mn Si N	20%
Stahls der Schweißstelle		0,10 0,92 0,27 0,020	10%
(%)	6, 5 kgm/cm² (2 mm V, O⁰C)	25%
Schlagfestigkeit	kein Fehler.	10%
Röntgenstrahlenprüfung	Tabelle 2	10%
	5%
CaF₂	10%
AlF₃	10% ■ . - -
CaCO₃	.■·."".
TiO₂
Fe- Mn
Fe-Si
Fe-Ti
Si-O₂

Eine Flußstahlelektrode entsprechend Fig. 3 mit einer Dicke ihrer inneren zylindrischen Stahlwand 5 von 0,6 mm, einer Dicke ihrer äußeren
zylindrischen Stahlwand 6 von 0,2 mm, einem äußeren Durchmesser von 3,2 mm und der chemischen Zusammensetzung der Pulver mischung, die unten angegeben ist, wurde zum Schweißen eines 20 mm dicken Kohlenstoffstahls mit vielfachen Schichten verwendet.

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Zusammensetzung der auf der Innenseite eingefüllten Pulver mischung 7:

Natriumfluorid Gew. % 10

siliciumhaltiger Sand 8

Fe-Mn 22

Fe-Al 5

Fe-Ti 5

Zusammensetzung der auf der Außenseite eingefüllten Pulver mischung 8:

Natriumfluorid Gew. % 20

Natriumfeldspat

CaCO,

15 15

Das Ergebnis ist in den folgenden Tabellen 3 und 4 angegeben.

Tabelle 3

Stromquelle	Gleichstrom	mit fallender Charakteristika
Strom	390 - 400 A
Lichtbogenspannung	24 - 26 V
Schicht	4 Schichten,	7 Durchgänge
Röntgenstrahlen-Prüfung	kein Defekt.
	Tabelle 4

Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung Kontraktion mittlere Schlagfestigkeit

58.0 kg/cm'

49.1 kg/cm²
29%

11,3 kgm/cm², 2 mm V, O⁰C.

ORK34NAL INSPECTED

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Claims

Patentanwalt DipL-Phys. GERHARD LIEDL · 8 Mönchen 22, STeinsdortstralJe 22 Patentansprüche

1. Verbrauehbare Elektrode zum Lichtbogenschweißen von Stahl ohne Zuführung von Schutzgas von außen, welche aus einer Stahlhülse und einer Pulvermischung, die in diese Stahlhülse eingefüllt ist, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht dieser Pulver mischung 10-40% des Gesamtgewichts der Elektrode ausmacht, die Pulvermischung 10-60% mindestens eines Metallfluor ids, nämlich Alkalifluorid, Erdalkalifluor id, Fluorid der seltenen Erden, Aluminiumfluorid, Titanfluorid, 5-25% mindestens eines Metallcarbonats, nämlich Alkalicarbonat, Erdalkalicarbonat, und 10-50% mindestens eines Nitridierungsschutzmittels, nämlich Mg, Al, Ti, Zr oder der Legierungen derselben enthält, und die Bestandteile Metallfluorid, Metallcarbonat und Nitridierungsschutzmittel insgesamt zu mehr als 30% in der Pulver mischung enthalten sind.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung aufgeteilt ist in das auf der Innenseite und in das auf der Außenseite eingebrachte Pulver, wobei jede der Pulvermischungen in der Hülse in einen jeweils separaten Zwischenraum dicht eingefüllt wird, wobei der jeweilige Zwischenraum durch die Wandabschnitte dieser Stahlhülse abgeteilt ist.

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3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des innen und die Zusammensetzung des außen angeordneten Pulvers gleich sind,

4. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von innen zu von außen angeordnetem Pulver 20% / 30% - 80% beträgt, wobei weiterhin die Menge des Metallfluorids und des Metallcarbonats im außen angeordneten Pulver größer ist als die Menge im innen angeordneten Pulver, während die Menge an Nitridierungsschutzmittel im innen angeordneten Pulver größer ist als die Menge im außen angeordneten Pulver.

5. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Pulvermischung enthaltene Metallfluorid CaF₂, das in der Pulvermischung enthaltene Metallcarbonat CaC0„ und/oder MgCO₀ und das

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Nitridierungsschutzmittel Al und/oder Mg ist.

6. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung 30-60% CaF₂, gegebenenfalls bis zu 5% durch AlF₃ ersetzt,

5-25% CaCO, und/oder MgCO, und 10-30% Al und/oder Mg enthält, ο ο

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7. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als einer der folgenden Stoffe der Pulver mischung als Hilfsstoff zugegeben wird, nämlich Legierungselemente: Mn, Ni, Cr, Mo, B, C, V und W, Oxydationsschutzmittel: Mn und/oder Si, Schweißflußmittel: SiO₂, ZrO₃, Al₂O₃, MgO, MnO, MnO₂, K₃O, Na₃O und CaO und Eisenpulver.

8. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Einverleibung von Oxydationsschutzmittel, nämlich Mn oder Si als Hilfsstoff in die Pulver mischung etwa die Hälfte des Nitridierungsschutz« mittels durch das.Oxydationsschutzmittel ersetzt wird.

9. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung mindestens 30% Alkalimetall
enthält. ~

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