DE1558890C3

DE1558890C3 - Seelenelektrode zum Lichtbogenschweißen von Stahl ohne Schutzgaszufuhr von außen

Info

Publication number: DE1558890C3
Application number: DE19671558890
Authority: DE
Inventors: Masayasu Fujisawa; Ichihara Izumi Kamakura; Horiuchi Kiyoshi Fujisawa; Kanagawa Arikawa (Japan)
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1966-07-08
Filing date: 1967-07-07
Publication date: 1976-01-22

Description

lige Schmelzpunkt dieser Verbindungen ebenfalls hoch' ist, besteht daher eine geringe Möglichkeit, diese Verbindungen, wenn sie im geschmolzenen Metall einmal gebildet sind, als Schlacken zu entfernen. Diese Verbindungen werden vielmehr als nichtmetallische Ein-Schlüsse darin verbleiben, was zu einer starken Verminderung der Duktilität des Metalls der Schweißnaht führt.

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

Bei einem weiteren bekannten Schweißverfahren ohne Schutzgaszufuhr (USA.-Patentschrift 3 118 053) gelangt eine Elektrode zur Anwendung, die aus einem Draht mit Flußmittel besteht, das Claciumkarbonat als gaserzeugendes Mittel enthält. Beim Schmelzen dieser Elektrode erzeugt das Calciumkarbonat durch Zersetzen 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, falls ein durch normales Vermischen hergestellter Draht verwendet wird, so schnell fortschreitet, daß der durch das erzeugte Gas verursachte Druck eine Störung des Lichtbogenstroms verursacht. Hierdurch ergibt sich die Neigung zum verstärkten Stickstoffeinschluß in der Stahlschweißnaht. '

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen, und die Seelenelektrode der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß durch die in der Elektrode vorgesehene Pulvermenge ein Abschirmeffekt erzielt wird, der die direkte An-Wendung eines Schutzgases od. dgl. überflüssig macht und die Erzielung von Metallschweißnähten guter Qualität ermöglicht. Eine solche Elektrode soll ein leichtes Schweißen ermöglichen und nicht nur mit Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstrom eingesetzt werden können. '

Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Seelenelektrode ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Seelenelektrode sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Seelenelektrode enthält die in die Stahlhülse eingefüllte Pulvermischung unabdingbar drei Hauptbestandteile, nämlich Metallfluorid, Metallkarbonat und Denitrierungsmittel, und zwar jeweils in besonderen spezifizierten Mengen. Der Rest der Pulvermischung besteht aus dem üblichen, beim Schweißen von Stahl verwendeten pulvrigen Flußmittel. Durch das Zusammenwirken der genannten drei Hauptbestandteile beim Lichtbogenschweißen in der umgebenden Atmosphäre wird eine Schweißnaht von vorzüglicher Qualität erzielt, wobei auch ein einfacher Betrieb, sogar mit Wechselstrom, ermöglicht wird.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Seelenelektrode wird auch die Stahlhülse durch den Lichtbogen geschmolzen und dem zu schweißenden Bereich hinzugefügt. Das Denitrierungsmittel, das in der in die Hülse eingefüllten Pulvermischung enthalten ist, tritt in den Bereich des Lichtbogens ein und schützt in wirksamer Weise das geschmolzene Metall vor dem Stickstoff, während das Metallfluorid und das Metallkarbonat als Abschirmmittel Gas oder Dampf erzeugen und somit wirksam den umgebenden Bereich des Lichtbogens abschirmen. Hierdurch läßt sich gleichmäßig geschweißter Stahl mit wenig Einschlüssen an Stickstoff unter einfachen Betriebsbedingungen erhalten.

Im folgenden wird die Wirkung jeder der drei Hauptbestandteile der Pulvermischung einzeln erklärt. Wenn die Elektrode geschmolzen wird, entwickeln die Metallfluoride Gas, das den Schmelzbereich bedeckt. Hierdurch wird eine Abschirmung vor der umgebenden Atmosphäre zur Verminderung des · Einflusses von Sauerstoff und Stickstoff der Luft erzielt. Auch wirkt ein Teil dieses Materials als wirksames Schlackenbildungsmittel. Zur Erzielung des genannten Effekts ist es erforderlich, daß mehr als 10% Fluorid in der Puivermischung vorliegen. Liegt der Gehalt dieses Materials unter 10%, kann die Wirksamkeit der Stoffmischung als Abschirmmittel verlorengehen, auch wenn der Gehalt an Metallkarbonat ansteigt. Wird andererseits der Gehalt an Fluorid in der Stoffmischung auf über 70% erhöht, kann die Eigenschaft dieser Pulverkomponente als Flußmittel verlorengehen. Um sicher zu gehen, wird daher Metallfluorid im Gehalt von 10 bis 60 % zugegeben. Ein Gehalt an CaF₂ im Bereich von 30 bis 60% oder eine Mischung, die CaF₂ und 5% AlF₃ enthält, ist besonders wirksam.

Der Zweck der Zugabe der Metallkarbonate zur Pulvermischung besteht darin, das Kohlendioxid, das aus diesen Metallkarbonaten durch Zersetzung beim Schmelzen der Elektrode frei wird, zum Schutz des Schweißbereichs vor der umgebenden Atmosphäre zu verwenden, und zwar in Verbindung mit dem Gas, das aus dem Metallfluorid entwickelt wird. Das Karbonat ist in der Wirkung vom Fluorid verschieden. Das Kohlendioxid wird sehr abrupt entwickelt und erhöht den Spritzeffekt, wenn die Pulvermischung viel Karbonat enthält, wodurch die praktische Anwendung beeinträchtigt wird. Dementsprechend enthält die Pulvermischung 5 bis 25 % Metallkarbonat, wobei sich CaCO₃ und/oder MgCO₃ als besonders bräuchbar erwiesen haben. ·

Zur Verhinderung des Eindringens von Stickstoff in das Metall des Schweißbereichs ist es nicht ausreichend, nur die angeführten Materialien zu verwenden, die 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 an Hand der mechanischen Eigenschaften feststellbar ist. Zur Vermeidung dieses ungünstigen Ergebnisses wird erfindungsgemäß ein Denitrierungsmittel zugesetzt, und zwar in einer Menge von 10 bis 50%. Als solches Mittel sind Ti, Zr, Al, Mg usw. mit den Eigenschaften von stark mit Stickstoff reagierenden Stoffen besonders bevorzugt. Diese Elemente reagieren auch stark mit Sauerstoff, so daß sie auch als Desoxidationsmittel wirken. Jedes dieser Denitrierungsmittel 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—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 Nitrierung zu verhindern, und ist unter Berücksichtigung des Einflusses dieses Mittels auf das zu schweißende Metall festzulegen.

5 6

Hierzu sind mehr als etwa 10% des Denitrierungs- trode kann wenigstens einen zusätzlichen Bestandteil

mittels in der Pulvermischung erforderlich. Es ist je- als Hilfsbestandteil enthalten, nämlich wenigstens ein

doch nicht notwendig, über 50% davon zuzugeben. Legierungselement aus der Gruppe Mn, Ni, Cr, Mo,

Wird Mn oder Si als Desoxidationsmittel in dem De- B, C, V, W und/oder wenigstens ein Desoxidations-

nitrierungsmittel verwendet, kann etwa die Hälfte des 5 mittel aus der Gruppe Eisenpulver, Mn, Si und/oder

angegebenen Desoxidationsmittels durch ein anderes wenigstens ein Schweißflußmittel aus der Gruppe

reines Desoxidationsmittel ersetzt werden, da das SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, MgO, MnO, MnO₂, K₂O, Na₂O,

Desoxidationsmittel, das im Denitrierungsmittel ent- CaO.

halten ist, die Menge des Sauerstoffs durch seine des- Die Pulvermischung wird in die Stahlhülse in einer oxidierende Wirkung vermindern kann. Hierdurch wird 10 Menge von 10 bis 40 Gewichtsprozent, bezogen auf der Verbrauch dieses Denitrierungsmittels herabge- das Gesamtgewicht der Elektrode, eingefüllt. Es ist setzt. Es ist besonders empfehlenswert, als Denitrie- erforderlich, daß diese Pulvermischung mehr als 30 Gerungsmittel 10 bis 30% einer Al-Mg-Legierung zu wichtsprozent der drei Hauptbestandteile Metallwählen. . fluorid, Metallkarbonat und Denitrierungsmittel ent-

Die besondere Wirksamkeit der erfindungsgemäßen 15 hält.

Seelenelektrode liegt in der funktioneilen Kombination Der Grund dafür, daß die Menge der Pulverder für die Pulvermischung verwendeten drei Haupt- mischung in der Elektrode zwischen 10 bis40%beträgt, bestandteile, wobei das Verhältnis, in dem diese drei liegt darin, daß es erforderlich ist, einen Abschirm-Bestandteile kombiniert werden, in enger Wechsel- effekt zu erzielen, der die direkte Anwendung eines beziehung steht. Ist die Menge des Metallkarbonats ao Schutzgases od. dgl. überflüssig macht, und weiterhin festgelegt, kann die erforderliche Menge Denitrie- darin, daß eine ausreichende Menge der Pulverrungsmittel in Folge des Schutzeffekts des Metall- mischung bereitzustellen ist, um eine unvorteilhafte fluoride vermindert werden, je mehr Metallfluorid Wirkung auf das Schweißverfahren zu vermeiden. Der innerhalb des erlaubten Mengenbereichs zugegeben Grund dafür, daß die Menge der aus den drei Hauptwird. 35 bestandteilen gebildeten Pulvermischung über 30%

Eine Erhöhung des Fluoridanteils beeinflußt das der Gesamtmenge der Pulvermischung betragen soll, Schweißverfahren jedoch ungünstig, wobei dieser Um- liegt darin, daß hierdurch dem Metall der Schweißstand die Zugabe des Karbonats beeinflußt. Wird stelle vorteilhafte Eigenschaften verliehen werden könandererseits die Menge des Fluoride festgelegt und die nen, während bei einem Gehalt dieser Mischung unter Menge des Karbonats variiert, kann die zuzugebende 30 30% unvorteilhafte Bedingungen erhalten werden,
richtige Menge Denitrierungsmittel annähernd kon- Die Pulvermischung in der Stahlhülse kann in zwei stant sein. Hierfür ist folgender Grund anzuführen: Teilen vorliegen, nämlich innen und außen angeordnet. Ein Teil des durch die Hitzezersetzung des Karbonats In diesem Fall sollte das Gesamtgewicht des innen und erzeugten Kohlendioxids wird in Folge der hohen außen vorliegenden Pulvers IO bis 40% des Gesamt-Temperatur weiter zu CO und O zersetzt, während 35 gewichts der Elektrode betragen. Das Außenschichtdas verbleibende Kohlendioxid das geschmolzene Me- pulver ist zylindrisch um den Außenumfang des Innentall vor der umgebenden Atmosphäre schützt. Hier- kernpulvers angeordnet und erstreckt sich annähernd durch wird ein Anstieg der aufgenommenen Stick- über die gesamte Länge der Elektrode. Das Gewicht stoff menge vermieden. Der im statu nascendi vorliegen- des Außenschichtpulvers erreicht 30 bis 80% des Gede Sauerstoff, der durch die teilweise Zersetzung des 40 samtgewichts des außen und innen angeordneten Kohlendioxids gebildet wird, führt in Folge seiner Pulvers. Dieses Pulver enthält die folgenden Bestandstark oxidierenden Wirkung zu einem Verbrauch des teile als notwendige Bestandteile in der Menge von überschüssigen Denitrierungsmittels, wodurch der ver- mehr als 30% des Gesamtgewichts der Pulverbleibende Einschluß an diesem Mittel in der verfestig- mischung:

ten Schweißnaht vermindert wird. Wie oben erläutert, 45 Metallfluorid 10 bis 60%

kann durch die Zugabe von viel Karbonat der Schutz Metallkarbonat 5 bis 25 %

des geschmolzenen Metalls vor der umgebenden Atmo- Denitrierungsmittel 10 bis 50 %.

sphare, insbesondere vor dem Stickstoff der Luft, beträchtlich erhöht werden, und zwar mittels des Ab- Hinsichtlich der Verteilung der drei Hauptbestandschirmeffekts unter Mithilfe des Fluorids. Auch ist das 50 teile auf Innenkernpulver und Außenschichtpulver ist Erhöhen der Menge des Denitrierungsmittels nicht die Anordnung in folgender Beziehung vorgesehen:
erforderlich wodurch die zurückbleibenden Ein- Metallfluorid, Metallkarbonat:
Schlüsse in dem geschweißten Bereich vermindert wer- Innenkernpulver g Außenschichtpulver
den. bs wurde nachgewiesen, daß ohne Anwendung

von Karbonat 0,035% Stickstoff im Metall der 55 Denitrierungsmittel: *

Schweißstelle vorliegen, während bei Verwendung der Innenkernpulver ^ Außenschichtpulver.
geeigneten Menge Karbonat nur 0,012% Stickstoff

vorliegen. Dies besagt, daß die Schutzwirkung für den Licht-

Mit der erfindungsgemäßen Seelenelektrode läßt sich bogenbereich von der Außenseite durch Anordnung daher der wesentliche Vorteil erzielen, daß die zurück- 6° des Metallfluorids und des Metallkarbonats mit Abbleibenden Einschlüsse an Denitrierungsmitteln im Schirmwirkung in der Außenschicht größer wird als Metall der Schweißstelle vermindert werden, wodurch durch Anordnung im Innenkern. Hingegen ist es vores ermöglicht wird, das Metall der Schweißstelle mit teilhaft, das Denitrierungsmittel auf der Innenseite einer ausreichenden Zähigkeit im geschweißten Bereich dieser Schutzatmosphäre wirksam werden zu lassen, zu erhalten. 65 Es wurde festgestellt, daß ungünstige Ergebnisse dann

Die aus den drei Hauptbestandteilen Metallfluorid, erzielt wurden, wenn die Menge an Metallfluorid und

Metallkarbonat und Denitrierungsmittel gebildete Metallkarbonat im Innenkernpulver größer ist als im

Pulvermischung der erfindungsgemäßen Seelenelek- Außenschichtpulver, oder wenn die Menge an De-

• nitrierungsmittel im Außenschichtpulver größer ist als im Innenkernpulver.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 bis 5 querschnittlich verschiedene Ausführungsformen der Seelenelektrode und

Fig. 6 bis 12 in graphischer Darstellung die Wirkung wechselnder Zusammensetzungen der Pulvermischung auf die Qualität der Schweißstelle.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 stellt einen allgemeinen Fall dar, bei dem eine Pulvermischung 2 in eine zylindrische Stahlhülse 1 eingefüllt ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind zwei Hülsen 3,3 zu einer Einheit vereinigt. In diese ist jeweils eine Pulvermischung 4 eingefüllt. Ebenfalls geeignet ist auch eine andere Ausbildung, bei der beispielsweise durch teilweise erfolgendes Einfalten der Stahlhülse ein Grat innerhalb dieser Hülse gebildet wird.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 3 bis 5 ist die Pulvermischung in zwei Anteile aufgeteilt, nämlich ao in eine Außenschicht und in eine Innenschicht. Bei der s Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ein zylindrisches > Stahlrohr 5 an seiner Außenseite von einem doppelwandigen zylindrischen Stahlrohr 6 umfaßt. Im Inneren des zylindrischen Stahlrohres 5 sowie in dem zwisehen dem Außenrohr und dem Innenrohr des zylindrischen Rohres 6 gebildeten Zwischenraum ist jeweils eine Pulvermischung 7 bzw. 8 vorgesehen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 3 lediglich dadurch, daß im Inneren des Stahlrohres 5 ein Grat 9 gebildet ist.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Stahlrohre 10 und 11, die konkave Teilkammern bilden, zu einer querschnittlich kreisförmigen Einheit kombiniert sind, wobei die jeweiligen Halbteile bzw. Teilkammern beider Rohre 10, 11 ineinandergreifen und mit Pulvermischungen 12, 13 gefüllt sind. Wie schon erwähnt, können die Zusammensetzungen der Pulvermischungen des Innenkerns 7, 12 und der Außenschicht 8, 13 miteinander identisch oder von- 4<j einander verschieden sein.

Im folgenden werden einige Wechselbeziehungen der verwendeten drei Hauptbestandteile Metallfluorid, Metallkarbonat und Denitrierungsmittel erläutert:

Es wurde das Flußmittel A aus den unten angegebenen Bestandteilen hergestellt und sodann Metallfluorid, Metallkarbonat und Denitrierungsmittel, jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination, zum Flußmittel A hinzugegeben. Sodann wurde aus dieser Pulvermischung eine Seelenelektrode hergestellt. Das Gewicht der in dieser Elektrode enthaltenen Pulvermischung betrug etwa 20% des Elektrodengesamtgewichts. Die unter Verwendung solcher Elektroden geschweißten Gegenstände wurden geprüft. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind aus Fig. 6ff. ersichtlich. Der jeweils auf der Ordinate angegebene Qualitätsgrad, festgestellt mittels Röntgenstrahlen, basiert auf dem JIS-Standard. Der Qualitätsgrad 1 zeigt den stabilsten Zustand, während der Qualitätsgrad 6 einen vollporösen geschweißten Bereich angibt.

Flußmittel A (Gewichtsprozent):

Fe-Mn 10 bis 30

TiO₂ 0 bis 40

SiO₂ 3 bis 20

MgO 3 bis 15

60

Al₂O₃
K₂O .

3 bis
Obis

Na₂O Obis I

Fe-Pulver 0 bis 30.

Fig. 6 zeigt das Ergebnis für den Fall, bei dem ausschließlich Fluorid (CaF₂) in wechselnder Menge dem Flußmittel A zugegeben wird. Die Untersuchung mittels Röntgenstrahlen zeigt eine Verschlechterung im Ergebnis, wenn mehr als 10% Fluorid enthalten ist.

Fig. 7 zeigt das Ergebnis für den Fall, in dem ausschließlich Karbonat (CaCO₃) zugefügt wird. Die Untersuchung mittels Röntgenstrahlen zeigt eine Verschlechterung im Ergebnis, wenn 4 bis 25 % Karbonat enthalten ist.

Fig. 8 zeigt das Ergebnis für den Fall, bei dem ausschließlich Denitrierungsmittel hinzugegeben wird. Die Wirkung dieses Mittels ist nicht zufriedenstellend. Folgendes ist aus den angegebenen Tatsachen zu entnehmen: Die unabhängige Zugabe von Fluorid oder Karbonat kann nicht zu einem befriedigenden Effekt führen, und die Zugabe lediglich von Denitrierungsmittel führt zu einer Verschlechterung.

Andererseits ergibt die Zugabe sowohl von Fluorid (CaF₂) als auch von Karbonat (CaCO₃) das aus Fig. 9 A und B ersichtliche Ergebnis, bei dem der geschweißte Gegenstand bis zum Qualitätsgrad 2 verbessert wird. Eine weitere Verbesserung durch steigenden Gehalt an Fluorid ist jedoch kaum zu erwarten (siehe Fig. 9B).

Aus Fig. 1OA und B sind die Ergebnisse für den Fall ersichtlich, bei dem sowohl Fluorid (CaF₂, AlF₃, NaF) als auch Denitrierungsmittel (Al, Fe—Ti) dem Flußmittel A hinzugegeben werden. Hierbei wurde der geschweißte Gegenstand mit dem durch Röntgenstrahlen ermittelten Qualitätsgrad 1 durch Zugabe einer großen Menge Denitrierungsmittel erhalten. Es ist somit eine große Menge dieses Denitrierungsmittels erforderlich, um den zu schweißenden Bereich derart vor der umgebenden Atmosphäre zu schützen, daß ein voller Schutz gewährleistet ist. Andererseits jedoch vermindert eine große Menge dieses Denitrierungsmittels die Zähigkeit des geschweißten Bereichs beträchtlich. Auch die Zugabe einer großen Menge Karbonat zum Flußmittel A durch Kombination von Karbonat (CaCO₃) und Denitrierungsmittel führt nicht zu einem günstigen Ergebnis (siehe Fig. HA und B). Es läßt sich daher durch die Verwendung von nur zwei der drei Hauptbestandteile Metallfluorid, Metallkarbonat und Denitrierungsmittel niemals ein günstiges Ergebnis erzielen.

Fig. 12 zeigt das erfindungsgemäße Ergebnis, gemäß dem eine gute Schweißverbindung auf Grund der Wechselbeziehung zwischen den drei Hauptbestandteilen erhalten wird. Die so erhaltene Schweißverbindung weist den durch Röntgenstrahlen bestimmten Qualitätsgrad 1 auf. Der Grad des Einschlusses an Stickstoff ist gering, so daß diese Schweißverbindung eine ausreichende Zähigkeit aufweist.

Beispiel 1

Es wurde eine Elektrode 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 Pulvermischung in dieses Rohr eingefüllt:

Fluorid der seltenen Erden 5%

CaF₂
CaCO,

.33%
• •15%
509 684738

MeO 6%

Mn-Pulver 5%

Ca-Si 6%

Mg-Pulver 6%

Fe-Pulver 22%.

Das Gesamtgewicht dieser Pulvermischung betrug % 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.

Es wurde das folgende Ergebnis erzielt:

a) Chemische Zusammensetzung des Metalls der Schweißstelle:

C 0,12%

Mn _;.. 0,67%

Si 0,25%

N 0,015%.

b) Kerbschlagzähigkeit: 7 mkp/cm².

c) 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 die Seelenelektrode gemäß Fig. 3, die folgende Pulvermischung enthielt, zum Schweißen eingesetzt:

Fe-Mn 15%

Fe-Si 6%

Fe-Ti ...; 4%

SiO₂ 10%.

Es wurde folgendes Ergebnis erzielt:

a) Chemische Zusammensetzung des Metalls der Schweißstelle:

C 0,10%

Mn 0,88%

Si 0,23%

N 0,019%.

b) Kerbschlagzähigkeit: 6,5 mkp/cm².

c) 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 durchgeführt, wobei eine Seelenelektrode gemäß Fig. 2 verwendet wurde.

Die eingefüllte Pulvermischung hatte folgende Zusammensetzung:

CaF₂
AlF,

30%

CaF₂ 50%

MgCO₂ 10%

CaCO₃

Fe-Mn

Fe-Zr

Fe-Ti

Fe-Al

K₂O

SiO₂

Al—Mg 10%

Fe-Mn 4%

K₂O 1%

Na₂O : 1%

SiO,

2%

6% 2%

Es wurde folgendes Ergebnis erzielt: a) Chemische Zusammensetzung des Metalls der Schweißstelle:

C...
Mn ..
Si....
Ti ...
Zr ...
Al ...

0,13%

0,78%

0,20%

0,03%

0,01%

0,04%

N 0,012%.

b) Kerbschlagzähigkeit: 10 mkp/cm².

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

Beispiel 3

Es wurde unter Verwendung einer Seelenelektrode des gleichen Typs wie in Beispiel 2 geschweißt. Die eingefüllte Pulvermischung hatte folgende Zusammensetzung:

CaF₂ .
AlF₃ .
CaCO₃
TiO, .

.20% ■10% •15% .20%

Fe-Pulver 22%.

Es wurde folgendes Ergebnis erzielt:

a) Chemische Zusammensetzung des Metalls der Schweißstelle:

C 0,12%

Mn 1,05%

Si 0,12%

Al 0,36%

N... 0,020%.

b) Kerbschlagzähigkeit: 8 mkp/cm².

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

Beispiel 5

Es wurde eine Elektrode gemäß Fig. 5 mit einer Wanddicke von 0,2 mm und einem äußeren Durchmesser von 3,2 mm eingesetzt. Diese Elektrode enthielt sowohl im Innenkern als auch in der Außenschicht die gleiche Pulvermischung. 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 und die

Zusammensetzung der Pulvermischuhg in Tabelle' angegeben.

Tabelle 1

Zusammensetzung des
₆, Stahls der Schweißstelle C Mn Si N

(%) 0,10 0,92 0,27 0,020

Kerbschlagzähigkeit 6,5 mkp/cm² (2 mm V, 0⁰C)

Röntgenstrahlen-

prüfung kein Fehler.

Tabelle 2

CaF₉

20%

AlF₃ 10%

CaCO₃ 25%

TiO₂ 10%

Fe-Mn 10%

Fe-Si 5%

Fe-Ti 10%

Si-O₂ 10%.

Beispiel 6

Eine Flußstrahlelektrode entsprechend Fig. 3 mit einer 0,6 mm dicken inneren zylindrischen Stahlwand 5, einer 0,2 mm dicken äußeren zylindrischen Stahlwand 6, einem Außendurchmesser von 3,2 mm und der folgenden chemischen Zusammensetzung der Pulvermischung wurde zum Schweißen eines 20 mm dicken Kohlenstoffstahls mit vielfachen Schichten verwendet.

Zusammensetzung der im Innenkern eingefüllten Pulvermischung 7:

Gewichtsprozent

Natriumfluorid 10

siliciumhaltiger Sand 8

Fe-Mn 22

Fe-Al 5

Fe-Ti 5

Zusammensetzung der in der Außenschicht eingefüllten Pulvermischung 8:

Gewichtsprozent

Natriumfluorid 20

Natriumfeldspat 15

CaCO,

.15

Das Ergebnis ist in Tabelle 3 und 4 angegeben.

Tabelle 3

Stromquelle Gleichstrom mit fallender

Charakteristik

Stromstärke 390 bis 400 A

Lichtbogenspannung 24 bis 26 V

Schicht 4 Schichten, 7 Durchgänge

Röntgenstrahlen-

prüfung kein Fehler.

Tabelle 4

Zugfestigkeit 58,0 kp/cm²

Streckgrenze 49,1 kp/cm²

Dehnung 29%

Kontraktion 66 %

mittlere

Kerbschlagzähigkeit 11,3 mkp/cm²,2 mm V, O⁰C.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Seelenelektrode zum Lichtbogenschweißen von Stahl ohne Schutzgaszufuhr von außen, wobei die Elektrode aus einer Stahlhülse sowie aus einer in diese eingefüllten Pulvermischung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der Pulvermischung 10 bis 40% des Gesamtgewichts der Elektrode beträgt, daß die Pulvermischung mehr als 30 Gewichtsprozent der folgenden drei Hauptbestandteile enthält, nämlich 10 bis 60 % wenigstens eines Metallfluorids aus der Gruppe Alkalifluorid, Erdalkalifluorid, Fluorid der seltenen Erden, Aluminiumfluorid, Titanfluorid, weiterhin 5 bis 25 % wenigstens eines Metallkarbonats aus der Gruppe Alkalikarbonat, Erdalkalikarbonat und schließlich 10 bis 50% wenigstens eines Denitrierungsmittels aus der Gruppe Mg, Al, Ti, Zr oder deren Legierungen, und daß der Rest der Pulvermischung aus dem üblichen, beim Schweißen von Stahl verwendeten pulvrigen Flußmittel besteht.

2. Seelenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung in einen Innenkern (7, 12) und eine Außenschicht (8, 13) aufgeteilt ist, wobei der Innenkern und die Außenschicht durch Wände (5, 6) innerhalb der Hülse

" begrenzt und die hierdurch gebildeten Zwischenräume mit der Pulvermischung dichtgepackt sind.

3. Seelenelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver des Innenkerns (7, 12) und das Pulver der Außenschicht (8, 13) identische Zusammensetzungen aufweisen.

4. Seelenelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis vom Innenkernpulver (7, 12) zum Außenschichtpulver (8, 13) 20 bis 80% beträgt, daß die Menge an Metallfluorid und Metallkarbonat im Außenschichtpulver (8, 13) größer ist als im Innenkernpulver (7,12) und daß die Menge an Denitrierungsmittel im Innenkernpulver (7, 12) größer ist als im Außenschichtpulver (8, 13).

5. Seelenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Pulvermischung enthaltene Metallfluorid CaF₂, das in der Pulvermischung enthaltene Metallkarbonat CaCO₃ und/oder MgCO₃ und das Denitrierungsmittel Al und/oder Mg ist.

6. Seelenelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung 30 bis 60 % CaF₂, 5 bis 25% CaCO₃ und/oder MgCO₃ und 10 bis 30% Al und/oder Mg enthält.

7. Seelenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung wenigstens einen zusätzlichen Bestandteil als Hilfsbestandteil enthält, nämlich wenigstens ein Legierungselement aus der Gruppe Mn, Ni, Cr, Mo, B, C, V, W und/oder wenigstens ein Desoxidationsmittel aus der Gruppe Eisenpulver, Mn, Si und/oder wenigstens ein Schweißflußmittel aus der Gruppe SiO₂, ZrO₂, AI₂O₃, MgO, MnO, MnO₂, K₂O, Na₂O, CaO und/oder Eisenpulver.

8. Seelenelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Desoxidationsmittel aus der Gruppe Mn und/oder Si ausgewählt ist und daß etwa die Hälfte des Denitrierungsmittels durch dieses Desoxidationsmittel ersetzt ist.

Die Erfindung betrifft eine Seelenelektrode zum Lichtbogenschweißen von Stahl ohne Schutzgaszufuhr von außen, wobei die Elektrode aus einer Stahlhülse sowie aus einer in dieser eingefüllten Pulvermischung besteht.

Eine bekannte Seelenelektrode dieser Art (schweizerische Patentschrift 357 817) gelangt bei einem Verfahren zum Lichtbogenschweißen von Stahl zur Anwendung, bei dem entweder Schutzgas in Form von Kohlendioxid oder einem inerten Gas oder aber zum Zwecke des Abschirmens ein Flußmittel zugeführt wird. Es ist daher in jedem Fall erforderlich, entweder Schutzgas von einer gesonderten Quelle aus zuzuführen oder aber, falls dies einmal nicht erfolgt, der Elektrode ein gesondertes Schweißpulver zuzuführen.

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

Der Sauerstoff und der Stickstoff der Luft beeinflussen das Schweißen ungünstig. 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, die eine Elektrode ohne Schutzgaszufuhr von außen verwenden. Hierbei handelt es sich entweder um ein Verfahren, bei dem durch Zugabe eines besonderen Mittels der Stickstoff, der unvermeidlich in den Schweißbereich aus der umgebenden Atmosphäre eindringt, unschädlich gemacht wird, oder um ein Verfahren, bei dem eine Elektrode zur Anwendung gelangt, die ein Material mit Abschirmwirkung enthält.

Bei einem .bekannten Verfahren zum Lichtbogenschweißen ohne Verwendung von Schutzgas od. dgl. (USA.-Patentschrift 2 909 778) werden ein Abfangmittel und ein Schutzstoff hierfür 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 Schutzstoff für das Abfangmittel dienen vorzugsweise Aluminiumfluorid, Alkalihalogenid oder Erdalkalihalogenid. Die Anwen» dung 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 aus der umgebenden Atmosphäre in das geschmolzene Metall zu verhindern. Zwangsläufig verbleibt daher viel Abfangmittel im Metall der Schweißnaht.

Das Vorliegen von viel Abfangmittel im 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. groß ist und der jewei-