DE1558892A1

DE1558892A1 - Schweisszusatzmittel

Info

Publication number: DE1558892A1
Application number: DE19671558892
Authority: DE
Inventors: Masayasu Arikawa; Motomi Kano; Naoki Okuda
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1966-11-17
Filing date: 1967-11-17
Publication date: 1970-04-23
Also published as: DE1558892B2; GB1172288A; US3490960A; DE1558892C3; SE335938B; DK127093B

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. GERHARD LIEDL · 8 München 22, Steinsdorfstraße 22 Telefon »84 42 Fernschreiber 05:22208

B 3438

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

Schweißzusatzmittel

Die Erfindung betrifft ein Flußmittel, insbesondere für das verdeckte Lichtbogenschweißen geneigter oder gekrümmter Werkstücke mit einer Kombination mindestens einer Metallkomponente und Nichtmetallkomponente.

L/M ■

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Das Schweißverfahren mit verdecktem Lichtbogen wird hauptsächlich aufgrund der damit verbundenen Gegebenheiten für das Verschweißen horizontal liegender, gerader Werkstücke angewendet. So macht beispielsweise im Schiffsbau bei den augenblicklichen Fertigungstechniken das verdeckt«; Lichtbogenschweißen lediglich etwa die Hälfte der insgesamt durchzuführenden Schweißarbeiten beim Zusammenfügen der einzelnen Schilfssektionen aus. Die restlichen Schweißnähte müssen von Hand geschweißt werden. In den meisten Fällen handelt es sich bei den Rumpfsektionen eines Stahlschiffes, bei deren Verbindung das verdeckte Lichtbogenschweißen nicht durchgeführt werden kann, um die Bereiche am und in der Nähe des Hecks und des Buges, wo die Stahlplatten der Bordwände relativ stark gekrümmt sind. Die Stahlplatten besitzen in diesen Bereichen im allgemeinen nicht nur starke Krümmungen, sondern auch unterschiedliche Krümmungen zueinander. Aus diesem Grund haben sich die bisher für das verdeckte Lichtbogenschweißen entwickelten und auch praktisch bereits angewendeten Schweißzusatzmittel und Flußmittel für das Schweißen gekrümmter Stahlplatten als unbrauchbar erwiesen. Die bekannten Flußmittel sind höchstens für das verdeckte Lichtbogenschweißen von Stahlplatten mit leichtenKrümmungen unterhalb 3° anwendbar. Bei dem Versuch, die bekannten Flußmittel für das verdeckte Lichtbogenschweißen auch bei Werkstücken mit Krümmungen über 3 einzusetzen, hat sich herausgesh lit, daß beim Schweißvorgang geschmolzene Schlacke und Metallschmelze von den zu verbindenden Werkstücken abtropfen und eine ungenügende Schweißnahtausbil rl·) Hr <·? i-tf Vi.

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Die der vorliegenderi Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht also darin, ein Schweißilußmittel für das verdeckte Lichtbogenschweißen zu schaffen, durch welches Schweißvorgänge auch an Werkstücken ermöglicht werden, die Krümmungen bis zu 12 aufweisen, ohne eine Beeinträchtigung der Schweingüte in Kauf nehmen zu müssen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird era Flußmittel vorgeschlagen, bei dem die Metallkomponente im wesentlichen aus Eisenpulver mit einem Gehalt von 25-70 Gew. %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Flußmittels, besteht und die Nichtmetallkomponente aus 10-65 Gew. % MgC-Pulver, CaCO- und/oder BaCO, Pulver, so daß die Summe an MgO+CaO+BaO 29-76 Gew. % beträgt ' .«■ 45 Gew. % 2SiO„ 4 Al₃O₃ besteht und der Rest aus ZrO₂, TiO₃, MnO₃, Na₃O, K₃O oder CaF„ oder Mischungen daraus besteht und die Gesamtmischung gesintert ist.

In dem vorgeschlagenen Sinterflußmittel kann das die Metallkomponente darstellend»· Eisenpulver teilweise durch Ferromangan, Ferrosilizium oder Ferromolybdän bis zu einem Betrag von 10 Gew. %, bezogen auf das Gesamtgewicht Jer Mischung, ersetzt werden.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen und Diagramme näher erläutert.

BAD ORiGiNAt

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Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild für die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Schweißmetallablagerung von dem Metallgehalt des erfindungsgemäßen Flußmittels;

Fig. 2 ein Schaubild für die Abhängigkeit der Abkühlurigsgeschwindigkeit vom Metallgehalt des Flußmittels;

Fig. 3 ein Schaubüd für die Abhängigkeit des Randwinkels der Schweißnaht von dem Gehalt an CaO, MgO und BaO im Flußmittel und die

Fig. 4 Querschnitte von Nutformen an den aneinanderliegenden Werkstückbis 6

rändern, für die das erfindungsgemäße Flußmittel Verwendung findet.

Um die Schweißbarkeit gekrümmter Stahlteile mit dem verdeckten Lichtbogenschweißverfahren zu verbessern, ist es im allgemeinen notwendig, die Viskosität der geschmolzenen Schlacke und der Schmelze zu erhöhen, um beide vor dem Abfließen von der Schweißstelle während des Schweißvorganges zu hindern. Hierzu ist es erforderlich, die Temperaturen sowohl von Schlacke als auch von Schmelze möglichst abzusenken oder die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze zu steigern. Zu diesem Zweck enthält das erfindungsgemäße Flußmittel eine oder mehrere Metallkomponenten, die im

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wesentlichen selbst Eisenpulver im Rahmen des obengenannten Betrages enthalten. Der Zusatz dieser Metallkomponenten im Flußmittel bewirkt die Zunahme des in der Zeiteinheit nieder geschmolzenen Metalls und verringert gleichzeitig die latente Wärme je Volumeneinheit des niedergeschmolzenen Metalls. Der Wärmeinhalt von unter Verwendung des Schweißzusatzmitteis mit zugesetzten Metallkomponenten niedergeschmolzenen Metalls ist also geringer als der einer gleichen Metallmenge, die mit denselben Schweißzusätzen, jedoch ohne Metallzugabe, nieder geschmolzen worden ist. Als Ergebnis erfolgt die,Abkühlung der Metallschmelze rascher als bei der bisher bekannten Verwendung von nicht metallhaltigen Flußmitteln. Diese Zusammenhänge sind aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich.

Der Grund für die angegebene Begrenzung des Gehaltes an Metallkomponenten in dem Schweißzusatzmittel mit 25-70 Gew. %, bezogen auf das Gesamtgewicht, der Mischung, besteht darin, daß bei einer Zugabe unterhalb, dem vorgeschlagenen Prozentsatz an Eisenpulver die Abkühlgeschwindigkeit der Metallschmelze nicht merklich erhöht wird, während andererseits bei Überschreiten des als obere Grenze angegebenen Gehaltes unabhängig davon, in welchen anteiligen Mengen die sonstigen Komponenten des Flußmittels enthalten sind, die Schweißbarkeit und weitere Eigenschaften der zu verschweißenden Werkstücke sehr beeinträchtigt werden, so daß sich aus diesem Grund der Einsatz des Flußmittels verbieten würde. _;,

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Bei der Herstellung der erfmdungsgemäß vorgeschlagenen Zusammensetzung für das Schweißzusatz mittel erfolgt nach dem Zumischen der Metal !komponente oder der Mitallkomponenten sowie der " nichtm« tausch* η Komponenten eine Sinterung, um das Flußmittel in einer weitgehend homogenen Stiuklui im ganzen Querschnitt zu erhalten. Dadurch läßt sich das Flußmittel unter Erzielung ζuiriedenstellender Ergebnisse beim verdickten Lichtbogensi Iiweißen praktisch anwenden. Eine Anwendung der Mischung des Flußmittels in geschmolzenem oder pulvrigem Zustand beeinträchtigt seine Wirksamkeit derart, daß eine praktische Anwendung ausgeschlossen ist.

Die Metallkomponente soll, wie bereits erwähnt, in Form iein gemahlener Teilchen mit einer Teilchengröße von unter 20 mesh (USA-Sitbmaß) vorliegen. Wird die maximale Korngröße von 20 mesh überschritten, so kann das zur Folge haben, daß der Lichtbogen unstabil wird und dadurch keine glatte Schweißraupe entsteht. Gröbere Partikel als 20 mesh sollten also auf jeden Fall vermieden werden.

Die nichtmetallischen Pulver, die bei der Herstellung des erfindungsgemä'ß« η Schweißzusatzmittels zur Anwendung kommen, bestehen im wesentliehen aus basischen Oxyden, wie z.B. MgO, CaCO₃ und BaCO₃ sowie sauren Oxydeii, wie SiO₀ und Al₀O₉. Das Mischungsverhältnis für MgO liegt notwendiger-

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weise innerhalb des Bereichs von 10-65 Gew. %, bezogen auf das Gesamt ■■

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gewicht der nichtmetallischen Komponenten. Das Mischungsverhältnis von CaCO« und/oder BaCO₁, sollte in einer Größenordnung liegen, daß die zugesetzten nichtmetallischen Komponenten 29-76 Gew. % MgO+ CaO +BaO, bezogen auf das Gesamtgewicht der nichtmetallischen Komponenten, b(trag( n, CaCO₃ und BaCO₃ werden als Oxyde, wie CaO und BaO gerechnet. SiO₂ und/oder AIgO., werden in einer derartigen Menge zugegeben, daß die nichtmetallischen Komponenten bis zu 45 Gew. % an 2SiO„ + Al₃O₃, bezogen auf das Gesamtgewicht der nichtmetallischen Komponenten, enthalten.

Wenn in einer der vorgeschlagenen Zusammensetzungen der Betrag an MgO, CaCO₃ und/oder BaCO₃ unter den oben angegebenen untersten Bereichen liegt, dann erhält, selbst wenn die Metallkomponente im vorgeschriebenen . Gehalt vorliegt, das Flußmittel eine unerwün seht niedrige Fließfähigkeit. Es ist dann schwierig, insbesondere an Werkstücken mit Krümmungen über 3°, eine glatte Schweißraupe herzustellen. Liegen andererseits die Gehalte an MgO, CaCO₃ und/oder BaCO. über den oberen Grenzen der oben angegebenen Bereiche, dann besitzt das Flußmittel, selbst wenn die Metallkomponente im vorgeschriebenen Anteil vorhanden ist, einen unerwünscht hohen Schmelzpunkt, was ebenfalls der Herstellung einer glatten Schweißraupe abträglich ist. Das gleiche gilt für den Fall, daß die Gehalte an SiO₂ und/oder AIqOg über den angegebenen Werten liegen.

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Voraussetzung bei der Anwendung eines Flußmittels beim verdeckten Lichtbogenschweißen von gekrümmten Werkstücken ist, daß durch das Flußmittel Schlacke in solcher Form gebildet wird, daß eine Schweißraupenausbildung in Form des sogenannten "lean horse" verhindert wird (bei dieser Schlackenausbildung entsteht nicht der gewünschte gewölbte Schweißraupen querschnitt, sondern die gegenüberliegenden Schweißnahtränder verlaufen schräg zu einem mittig aufragenden Rand). Um die Erscheinung des "lean horse" zu verhindern, ist es notwendig, auf den Werkstücken durch Niederschmelzung eines genügenden Betrages an überschüssigem Metall eine Schweißnaht auszubilden. Außerdem sollen die gegenüberliegenden Schweißnahtränder eine relativ geringe Breite aufweisen. Für den erstgenannten Zweck erfolgt der Zusatz von Metallpulver zum Flußmittel in der angegebenen Menge, während für den letzteren Zweck die gegenüberliegenden Schweißnahtränder mit Winkeln θ bis zu 170° ausgebildet werden. Der Wert von 170° stellt die zulässige obere Grenze für den Winkel θ dar, bei der noch keine Aushöhlungen in der Schweißnaht auftreten. Um diesen Winkel der Schweißnahtränder zu erhalten, muß der Gesamtbetrag an CaO + MgO + BaO in den nichtmetallischen Komponenten des Schweißzusatzmittels über 29 Gew. %, bezogen auf das Gewicht der nichtmetallischen Komponenten, betragen (siehe Fi&3). Um außerdem die Ausbildung von weiterhin unerwünscht scharfkantigen Schweißnahträndern zu vermeiden, durch die es stets zu unvermeidlichen Schlackeneinschlüssen in der Schweißraupe kommt, darf der Gehalt an CaO + MgO + BaO

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in den nichtmetallischen Komponenten einen Wert von 76 Gew. %, bezogen auf das Gewicht der nichtmetallischen Komponenten, nicht übersteigen,

Besonders bei Anwendung des verdeckten Lichtbogenschweißens an Werkstücken mit gekrümmter Oberfläche ist es notwendig, zur Erzielung einer gleichmäßig gerundeten Schweißraupe ohne eine übermäßige Emporwölbung des mittleren Bereichs der Schweißraupe eine Schlacke mit hoher Viskosität und hoher Oberflächenspannung auszubilden, durch die das niedergeschmolzene Metall wirkungsvoll vor einem Abfließen verhindert wird»/ Wird allerdings die Viskosität der Schlacke übermäßig hoch gewählt, dann besitzt die entstehende Schweißnaht sehr häufig eine ungleiche Höhe und eine lokal hervorgewölbte Oberfläche aufgrund der unvermeidlichen Änderungen im erzeugten Lichtbogen. Die Komponenten in den vorgeschlagenen Schweißzusatzmitteln, die großen Einfluß auf die Schlackenviskosität besitzen, sind die basischen Oxyde MgO, CaCO₀ und BaCO₀ sowie die sauren Oxyde SiO₀ und Al₀U₀. Wenn diese Stoffe innerhalb der vorgeschriebenen Gehalte enthalten sind, werden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.

Es kann außerdem daran gedacht werden, CaF„ zuzusetzen, um die Schlackenviskosität etwas zu steuern. CaF«, bewirkt im allgemeinen ein Absenken der Schlackenviskosität und soll deshalb vorzugsweise in Beträgen unter 25 Gew. %, bezogen auf das* Gesamtgewicht des Flußmittels, eingebracht werden.

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Es hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung dieses Flußmittels mit seinem vergleichsweise hohen Raumgewicht und seiner sehr ausgeprägten Fähigkeit zum Halten von Schmelze und Schlacke sieh bemerkenswerU Vorteile beim Schweißen geneigter Oberflächen an Werkstücken ergeben. Um die Metallschmelze in einem brauchbaren Zustand für die Erzeugung t:im.r vorschriftsmäßigen Schweißnaht zu erhalten, ist es wesentlich, daß jede der vorgeschlagenen Flußmittelzusammensetzungen ein Raumgewicht von über

3
1,0 g/cm besitzt.

Nachfolgend werden Beispiele gebracht, aus denen die Vorteile der eiimdungsgemäßen Flußmittelzusammensetzungen gegenüber den bekannten Flußmitteln hervorgehen, Die in den nachfolgend aufgeführten Tabellen angegebenen Gehalte sind in Gew. %, bezogen auf das Gewicht des gesamten Flußmittels (100%), angegeben.

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- 11 Tabelle 1

	Flußmiltelzusammeiisetzung Nr.	1	2	3	4
	Magnes iumoxyd	16.8	20.2	3.2	14.2
	Aluminiumoxyd	3.2	7.1	1.9	2.2
	Fluorit	7.9	5.0	0.8	9.1
	Kalk	9.2	30.3	9.1	-
St	Kalziumsilikat	1,5	-	-	2.5
δ	Quarzsand	9.2	-	5.4	-
.5 (U	Bariumkarbonat	-	-	1.8	7.2
Gehal	Albit	-	-	2.6	8.3
	Ferrosilizium	5.2	3.2	4.6	3.2
	Ferromangan	4.1	2.4	6.9	2.9
	Eisenpulver	42.1	21.4	56.4	37.2
	Wasserglas	10.0	10.4	7.3	13.2
Raunwewicht fe/crai	1.31	1.12	1.46	1.27

Die verdeckte Lichtbogenschweißung wurde unter Verwendung der in Tabelle 1 angegebenen Zusatzmittel an gekrümmten Werkstücken ausgeführt. Es kamen Schweißbedingungen gemäß der untenstehenden Tabelle 2 zur Anwendung. Alle Schweißvorgänge wurden im einmaligen Durchgang ausgeführt. Bei sämtl ichen durchgeführten Schweißungen wurden Schweißnähte von bester Güte und saube-

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rem Aussehen erzielt, wobei lediglich die Schweißbedingungen an die unterschiedlichen Flußmittel und Krümmungen der Werkstücke angepaßt wurden.

Tabelle 2

Flußmittel- zusammen- setzung	Schweißbedingungen	Längskrümmung des Werkstückes (°)	Querkrümmung des Werkstückes (°)	Strom stärke A	Spannung (Volt)	Vor schub (cm/min)
	0	0	900	42	35
	3	3	750	40	26
1	7	7	700	34	18
	10	10	500	32	10
	0	5	900	37	30
2	5	10	750	35	16
	10	10	690	31	12
	0	5	700	38	26
3	7	7	600	35	17
	11	9	500	34	10
	0	0	900	42	35
4	3	3	750	40	26
	7	7	700	34	18
	10	10	500	32	10

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Die Flußmittelzusammensetzungen Nr. 1 und Nr. 4 wurden bei verdeckter
Lichtbogenschweißung an Werkstücken angewendet,, die eine Schweißnutenausbildung gemäß Fig. 4 besaßen. Die Flußmittelzusammensetzungen 2 und 5 kamen bei Werkstücken mit Schweißnutenausführungen gemäß Fig. 5 und die Flußmittelzusammensetzung Nr. 3 bei Werkstücken mit Schweißnutenausführung gemäß Fig. 6 zur Anwendung.

Es hatte sich bei Sämtlichen Versuchen gezeigt, daß alle Zusammensetzungen des erfindungs gemäßen Sinterflußmittels sich besonders für die verdeckte
Lichtbogenschweißung von Werkstücken mit unterschiedlichen Krümmungen und Neigungen eignen., Alle Werkstücke konnten bei Verwendung bekannter Flußmittelzusammensetzungen mit verdeckter Lichtbogenschweißung nicht geschweißt werden. Dur chi. das erfindungs gemäße Flußmittel wurde der Anwendungsbereich für die verdeckte Lichtbogenschweißung also erheblich ausgeweitet.

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Claims

Patentansprüche

1. Flußmittel, insbesondere für das verdeckte Lichtbogenschweißen geneigter oder gekrümmter Werkstücke mit einer Kombination mindestens einer Metallkomponente und Nichtmetallkomponente, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponente im wesentlichen aus Eisenpulver mit ein-em Gehalt von 25-70 Gew. -%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Flußmittels, besteht und die Nichtmetallkomponente aus 10-65 Gew. -% MgO-Pulver, CaCO₃ und/oder BaCO₀ -Pulver, so daß die Summe an MgO + GaO + BaO

29-76 Gew. -% beträgt und 45 Gew. -% 2 SiO„ + Al₃O₃ besteht und der Rest aus ZrO₀, TiO₀, MnO₀, Na₀O, KO oder CaF₀ oder Mischungen daraus

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besteht, und cäe Gesamtmischung gesintert ist.

2. Flußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponente teilweise Ferromanganpulver, Ferrosilizium- oder Ferromolybdänpulver in einer Höhe bis zu 10 Gew. -% der Gesamtmischung enthält.

3. Flußmittel nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der pulvrigen Metallkomponente höchstens 20 mesh (USA-Siebmaß) beträgt.

4. Flußmittel nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumgewicht der Mischung größer als 1, O Gramm pro ecm ist.

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