DE1758005A1 - Schweissmittel und Schweisselektroden fuer das Lichtbogenschweissen - Google Patents

Description

Anmelder in: The Lincoln Electric Company

Akte Nr. 68030

Schweißmittel und Schweißelektroden für das Lichtbogenschweißen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißmittel für das verdeckte elektrische Lichtbogenschweißen sowie auf Schweißelektroden, die zusammen mit dem Schweißmittel Verwendung finden können.

Die Erfindung ist insbesondere auf daa Schweißen hochfester, niedrig legierter Stähle, wie der im Handel unter der Bezeichnung Hy-dO, Hy-100 und T-I bekannten Stähle gerichtet, obwohl sie hierauf nicht beschränkt ist. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißmittels zusammen mit geeigneten Elektroden besitzt das Schweißmittel gewisse Eigenschaften, die es hervorragend geeignet machen für das Aufbringen eines hochlegierten Überzugs od.dgl. großer Härte.

Einige hochfeste, niedrig legierte Stähle zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Zähigkeit vor allem bei niedrigen Temperaturen aus. Diese Jtähle werden daher in großem Umfang für die Herstellung von Gefrier- oder Gefriermittelbehältern u.dgl., für Transporteinrichtungen, insbesondere Schienenwagen od.dgl., für Schiffe und Tauch-

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boote und ähnliche Zwecke verwendet. Bei der Herstellung dieser oder anderer Bauteile werden die Platten und Bleche der hochfesten, niedrig legierten Stähle im allgemeinen durch Verschweißen miteinander verbunden. Dabei besteht die Forderung, daß die Schweißverbindungen auch bei niedrigen Temperaturen eine hervorragende Zahfestigkeit haben müssen, wenn die vorteilhaften Eigenschaften dee Grundstahles voll ausgenutzt werden sollen.

Der Erfindung liegt vornehmlich die Aufgabe zugrunde, eine ό< verbindung insbesondere für hochfeste, niedrig legierte Stähle zu schaffen, die sich durch ungewöhnlich hohe Kerbschlagfestigkeiten und hervorragende Zähigkeit auszeichnet. Dies soll erfindungsgemäß mittels eines verbesserten Schweißpulvers bzw. Schweißmittels erreicht werden, mit dem sich ungeachtet größerer Änderungen der Parameter den Lichtbogenschweißens, z.B. des Schweißstromes, der Lichtbog enbrennspannung, der linearen Schweißgeschwindigkeit usw., eine Schweißraupe von gleichmäßiger Analyse erzeugen läßt. Diese besondere Eigenschaft des Schweißmittels bei Verwendung desselben mit geeigneten Elektroden macht das Schweißmittel in hervorragendem waße auch für andere Anwendungszwecke geeignet, wie insbesondere für das Aufbringen hochlegierter, oberflächenharter Beschichtungen bzw. Beläge, deren Haltbarkeit in unmittelbarer Beziehung zu ihrer Härte steht, die wiederum abhängig ist von der Zusammensetzung des Belags. Die Möglichkeit, die Schweißparameter in weiten Grenzen zu ändern, ohne daß sich dabei die Analysenwerte der Ablagerung bzw. der Beläge ändern, ist ein wesentliches Anliegen der Brfin- ' dung.

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Bei dem verdeckten Lichtbogenschweißen ist es üblich, ein körniges .Schweißpulver zellenförmig auf die Kahtstelle aufzubringen, die mittels der an den elektrischen Stromkreis angesohlossenen Schweißelektrode b,ei deren Vorschubbewegung verschweißt wird. Die Schweißelektrode bewegt sich dabei sowohl in Längsrichtung als auch seitlich durch die Schweißpulverzeile hindurch. Unter dem sich zwischen dem Elektrodenende und dem Werkstück ausbildenden Lichtbogen schmilzt das Elektrodenende sowie das Werkstück örtlich auf beiden Seiten der Schweißnaht sowie ein Teil des Schweißpulvers, welches sich im Bereich des Lichtbogens befindet. Das Metall der Elektrode vermengt sich dabei mit dem Metall des Werkstückes, so daß bei der Seitwartsbewegung der Elektrode das sich vermengende Metall schmelzflüssig zurückbleibt, welches unter dem geschmolzenen Schweißpulver rasch aushärtet. Das geschmolzene Schweißpulver kommt anschließend zur Aushärtung; es kann dann entfernt werden.

Die Aufgabe des geschmolzenen Schweißpulvers bzw. Schweißmittels besteht üblicherweise darin, die Atmosphäre, insbesondere Stickstoff und Sauerstoff, von dem Lichtbogen und von der erstarrenden schmelzflüssigen Schweißraupe fernzuhalten. Da dae achmelzflUssige Schweißmittel in inniger Berührung mit dem geschmolzenen Metall steht, kann es die Punktion der Formgebung der Oberfläche der Schweißraupe übernehmen. Um dies zu erreichen, weist das Schweißmittel zweckmMßigerweise eine Erstarrungstemperatur auf, die unterhalb derjenigen der Schweißraupe liegt, so daß das !Schweißmittel während des Erstarrens der Schweißraupe im schmelzflüssigen Zustand verbleibt.

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Die herköm.i'licnen Üc'iweiüiTiittel uc£<tehen au;; rdüchun^en verschiedener Jebtandteile, wie inrbojiondere Kieselsaure und Oxyde und üilikntr verschiedener Metalle, wie der Alkali- und Erdalkalimetalle, dun i-itn.ans, Aluminium, I'.a mesiums, Zirkons und Titnns. Dieoe St ο JYe bilden owühnlich den aauptanteil uos ^chweiJtaiitteli?, der etwa 7!? bin iib/'° desselben uinfai3t.

Die uokuiinOen JcnweiiJuiittel künnon außerdem ein Fluorid üen LaI-ziuinr ouor Natriuias in verhiiltniciuäüifi kleinen Ien.',en, d.h. in Mengen t.-nttrloen, die lii^licherwciiie unter 10;» liefen. Außerdem können uiese ocjiweiüinittel eine ,rerin ;e, üblicherweise unier 10/i lic· ,enae Ken s. -jinetj I^eLalls, ζ.υ. den Ι·.«·;η /mn, iJiliziuino, AluminiuiLi-, Jitam;, entweder alt> Treie Hclalle oder alu I'errole,;ii.runden, entiii.lten· tel..;:t .)ei niedriger Konzentration ^elan^t zumindeot ein icil uiecer jcetalli:;chen i3ecv. ιηαΊ-eile vo;i -lern iJchwoi.^miltel in uie Jcnwei.:rau?)e, bo daß uie ■ Jchweißraupe durch dno I-ietai] ozw. die Le⁵^it.-runir Mufle tiert wird.

Bioiier wurae uer Ken.jenanleil der stalle oder uer Verbindungen lei uen je.*eili en SchweiOffiittelfieraen/ren menr oder weniger empiriooh cGstinor.t. Diei: war darauf surückzufüru-en, daü die uei dt-n herkünunlichen Schwei-iinittelgeuenren verwendeten Komponenten vielfach unter den Einflürsen dea LichtbogenGchweißens nicnt stabil sind. Bb konnten daher weder die sich einstellenden Änderungen der inutabilen Komponenten noch uie Auswirkungen diecser iinGerun_t5en auf uie Schweiße mit hinreichender iiichorheit vorausgesagt werden.

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Beispielsweise haben bei hohen Temperaturen und insbesondere bei der Schmelztemperatur des Stahls oder der höheren Temperatur des Lichtbogens selbst einige der vorstehend erwähnten Ox.ydkomponenten der herkömmlichen schweißmittel solch niedrige freie negative Energien, daß nie in reines Metall und Sauerstoff zerfallen. Ein Teil des Metalls wandert dabei in aie Schweißr-iupe und bildet hier entweder eine Legierung oder eine Verunreinigung. In beiden Fällen int der Übergang des Metalls in die Schweißraupe Muf'iv; unerwünscht,

0 da hierdurch die physikalischen Eigenschaften der Schweiße bzw. der Schweißnaht nachteilig beeinflußt werden können. Der Sauerstoff entweicht oder verbindet sich mit den Metallen des Werkstückes und/ oder der Elektrode und kann auf diese Weise ebenfalls zu einer unerwünschten Veränderung d - ^!Schweißraupe führen.

Gewisse Oxyde, wie M^nganoxyd, werden von dem schmexzil-issigen Eisen reduziert, wobei das Metall unter Bildung von Eisenoxyd von der Schweißraupe aufgenommen wird. Andere Oxyde, wie SiOp und TiOp zerfallen in ihre Suboxyde (Oxydul). Diese Suboxyde sind bei abnehmender Temperatur instabil; sie verbinden sich untereinander unter Bildung des stabileren Dioxyds, wobei sie überschüssige Metallatome an die bchweißraupe abgeben.

Es ergibt sich somit, daß zahlreiche Bestandteile der beim Lichtbogenschweißen verwendeten Schweißmittel zu einer unerwünschten Änderung oder zu einer nachteiligen Beeinflussung der chemischen und/oder ffiatallurgisoien Eigenschaften der sich bildenden Schweiß-

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raupen bzw. Schweißnähte führen. Diese Änderungen bewirken in vielen Fällen eine nachteilige Beeinflussung der physikalischen bzw. mechanischen Eigenschaften der Schweiße, wobei das Ausmaß dieser Änderung bzw. Beeinflussung für a ie verschiedenen Schweißmittel nicht vorausbestimmbar ist, da es von einer Anzahl variabler Größen abhängig ist, zu aenen u.a. auch die henge des Schweißmittels ger.ört, die während des üchweißvor^angs aufgeschmolzen wird und die wiederum abhängig ist von den jeweiligen ochweißbedingungen, wie dem ochweißstrom, der Schweißepannun;' sowie der linearen dchweißgeschwindi <;keit. In der Praxis ist es unmöglich, diese variablen. Einflußgrößen des Schweißverfahrens z.B. durch exakte Steuerung des Schweißvorgangs zu eliminieren. Abgesehen davon, daß die Schweißer bzw. das Bedienungspersonal häufig wenig sorgfältig arbeitet und nicht selten über die Notwendigkeit einer exakten Steuerung des Schweißvorgangs informiert ist, stellen sich im Betrieb Änderungen in der Leitungsspannung oder dem Strom ein, die sich der Kontrolle des Schweißers entziehen.

Pur das Schweißen hochfester, niedrig legierter Stähle findet u.a. das Lichtbogenschweißen mit einer Elektrode Anwendung, die die Hauptmenge des Schweißmetalls liefert. Die Zusammensetzung der Schweißnaht bzw. der Schweißraupe, die hauptsächlich aus dem Zusatzwerkstoff der Elektrode gebildet ist, braucht dabei nicht unbedingt mit derjenigen des Grundmetalls des Werkstücks völlig übereinzustimmen; sie sollte jedoch physikalische Eigenschaften haben, diy <\e& jeweiligen Aawendungszweck angepaßt sind. Die Rr-

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uieüer ΰν.ύίη,ζΐιηβ füiirto i>ii.;ner :sii ..,cuwieri >:eiten, uu_t wie .t.iiu erwähnt, uie ht.-rküi:. lliciien ou,uweiii;aittel zwangsläufig eine Änueruu/; uer ochweißraupe unu demgemäß unter Umstünden eine ijichteilige beeinflusüung der phyßikaliochen Eigenschaften, inabouondere der Kerbfeatigkeit der Üchvieiüe bewirken. Außerdem haben die vorbekunnten üchweiümittel den N-ich'.oil, dii^ trie Oxydeinsclilün-He, welche uie L«?rbfeotlßi.uit ueointrachti^en, nicht in uem ^ewünsjchlen Made aus dem SchweiJr.etall o.utfornen.

Auv, allen diesen Gründen bneteht daher ti·-π .iedUrfnia n'.ich oinnm Jchweii.-1-.ittel tVv dr-n vordeckLe Liciitiio.:en: ciiwei.'on, welchen aie üblichen Punktionen eines .'JchweiJraitteln, j.h. den bchuli: ,;e/;en oiickrtoff- und o'iUi'rstoffeinwirkum;en ü^wie uie Form >;ebun^ der Jenweiß l'tht erfüllt, welchpü anderereeitrs jedoch weuer zu unerwünschten A:iiierun.;en in aer chenincaen und/oder nie ^ullur₍-if>chen i.a^ enheit άνν Jcnweißraune bzw. Üch»ei3nalit führt ouer diene imn ;eii furöert, wao «u .-;iner üeeiatrtlchtii.rung der physikalischen Bigenechaften der iJchweide führen würde, und welchee die Oxydeinechlüeee so weit herabsetzt, dai die tiualität der Jchweißmetalle erneblich verbessert wird. Die Brfinaung ist vornehmlich darauf .*erichtet, ein Schweißmittel zu schaffen, welches uieoe Bedingungen erfüllt. Ferner bezweckt ede Erfindung Elektroden, mit denen sich zusammen mit dem erfindun.-r_t:emäßen Schweißmittel eine Schweißnaht bzw. Schweißraupe mit spezifischen Eigenschaften erzeugen läßt, deren Schwei3metall eich re^enüber den vorbfkannten Schweißmittel- und Elektrodenkombinationen insbesondere durch

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höhere Kerbfestigkeit auezeichnet. Zugleich ist die Erfindung auf ein verbessertes Schweißverfahren gerichtet, mit dem die oben genannten Schwierigkeiten behoben werden.

Aus Vorstehendem ergibt aich, dak die Zielsetzung der Erfindung mit vielen der herkömmlichen Schweißmittelkomronenten nicht erreicht werden kann. Die Erfindung sieht demgemäß ein Schweißmittelgemenge vor, v/elehee frei oder im wesentlichen frei iet von den herkömmlichen !-Schweißmittelkomponenten, wie lv^nrunoxyd, Siliziumdioxvd, Zirkonsilikat und Kalziumsiliknt. Diese Verbindungen haben niedrige ne/ritive freie Energien bei den Lichtbogen-Schweißtemneraturen; sie sind daher unter diesen Bedingungen instabil, so daß sie sich für die Zwecke der Erfindung als Hauptbestandteile des Schweißmittels nicht eignen.

Statt dessen werden erfindun^agemäß lediglich solche Verbindungen verwendet, die eine höhere negative freie Energie haben nie SiIiziiüiidioxyd und es werden »tin Hauptbestandteile dee Schweißmittels k«.-ine Verbindun-en verlesenen, die bei den Lichtbogen-Scr.weißtemperfituren als IVi: oxy de (Oxylule) vorliegen. Statt dessen finden die Oxy ie des Magnesiums, Zirkons und Aluminiums Anwendung. Diese Crvde sind in der Kitze dee Lichtbogens und bei Anwesenheit iea ücl-ielzflüeEiren i'ietalls dee Werkoticks hinreichend stabil, ao daß η:'; Tiiii.t nennenswert ^υ unerwün'-or.tfir. Äno'-run/?en dep Ar.alyrenwertß aer Sc:;wei£raute führen oder solche unerwünschten Änderungen bep'^:r.Htip-er:, die die rh". sikpliscieij ii^enec· ■ -ften der Schweii.". be-

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Allerdings weisen diese vorgenannten Oxyde, wenn sie einzeln oder in irgendeinem mengenverhältnis gemeinsam geschmolzen werden, eine solch hohe Erstarrun^stemperatur auf, daß sie als Lichtbo^en-ächweißmittel ohne weiteres nicht verwendbar sind. Um diese Schwierigkeit zu beheben und um zugleich die Eigenschaft des Schweißmittels bezüglich des AusspUlens bzw. der Beseitigung des Oxyds zu verbessern, wird als Hauptbestandteil ein Fluorid zugesetzt, welches aus der _t Gruppe der Kalzium-, Natrium-, Aluminium- und Magnesiumfluoride ^ ausgewählt wird.

Das Fluorid wird in solchen Mengen zugesetzt, die ausreichen, um die Eratarrun^stemperatur des Schweißmittelgemenges unter die Erstarr ungs temperatur der Schweißraupe herabzusetzen. Da das Fluorid im Hinblick auf die Schlackenentfernungseigenschaften des Schweißmittels einen ungünstigen Einfluß hat, kann als eines der Oxydbestandteile z.B. Magnesiumoxyd in geeigneter Menge zugegeben werden. Das Magnesiumoxyd wirkt auch dem Verlust an Mangan aus der Schweiße entgegen. ~

Bei diesen Maßnahmen ist zu berücksichtigen, daß die begrenzte Anzahl der Schweißmittelbestandteile, welche der Zielsetzung der Erfindung entsprechen, nicht beliebig zur Anwendung kommen kann, sondern daß die einzelnen Bestandteile in genau eingestellten Anteilen verwendet werden mUssen. Lediglich auf diese Weise lassen sich die "iiinnti^en Eigenschaften der einzelnen Bestandteile in dem Schweißmittel-Gemenge ausnutzen und zugleich deren ungünstigen Kigenschn ften unterdrücken.

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Weitere Verbesserungen hinsichtlich der Entfernung der Schlecke und der Benetzungeeigenschaften des Schweißmittels lassen sich durch Zugabe geringer, genau eingestellter Mengen einer anorganischen Siliziumverbindung, wie Kieselsäure, einem Silikat oder einer Mischung dieser Verbindungen erreichen. Die Menge des gegebenenfalls zugesetzten Siliziums sollte etwa 6 Gewichtsprozent des Schweißmittelgemische nicht überschreiten, dft Kieselsäure und Silikate sich bei den Lichtbogen-Schweißtemperaturen zersetzen und Produkte bilden, die Änderungen im Analysenaufbau der Schweißraupe herbeifuhren und/oder diese fördern, was zu einer nachteiligen Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften der Schweiße f^;ihren kann. Wird jedoch der Siliziumanteil auf nicht mehr als etwa 6?o eingestellt, so ist dessen nachteilige Beeinflussung der physikalischen eigenschaften der Schweißraupe unbedeutend, während die Vorteile dieser Komponente im Hinblick auf die Entfernung der Schlacke und die Benetzungeeigenschaften des Schweißmittels voll zur Wirkung kommen.

Nach Vorstehendem betrifft die Erfindung somit ein Schweißmittel für das verdeckte Lichtbogenschweißen, welches sich dadurch kennzeichnet, daß es drei Hauptbestandteile enthält, nämlich Aluminiumoxyd, eine Verbindung aus der Gruppe de· Zirkondioxyds und Magnesiumoxyds sowie ein Fluorid aus der Gruppe der Kalzium-, Natrium-,' Aluminium- und Magnesiumfluoride, wobei diese drei Bestandteil· nach folgenden relativen Gewichtsteilen vorhanden sind:

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Aluminiumoxid
vorstehend benannte Verbindung .'leich etwa 0,7 : 1 bia etwa 1,4 : 1

vorgenannte Verbindung

Pluorid gleich etwa 0,7 : 1 bis etwa 1,4 : 1

und wobei diese drei Bestandteile nicht weniger ala etwa 70% des dchweifcmittels umfassen, während aer Rest O bis 6 Gew.-¹^ Silizium, enthalt, und wobei dna Schweißmittel keine nennenswerten unerwünschten Änderungen dee Analysenverts der aufgetragenen Sciiweitraupe bewirkt bzw. fordert, die die physikalischen Eigenschaften der 3ci.wpifce nachteilig beeinflussen. Hit einem solchen Schweißmittel 1-Ct rich ein SchwelUmetall erzeugen, welches einen ungewöhnlich niedrigen Gehalt an Oxydeinschi lasen aufweist.

Die mit diesem Schweiße! ttel.'emi sch hergestellten Schweifcnäkte tzw. SchweiLTfiut en weieen eine bemerkenswert leichfcrmige chemische Zusammensetzung auf. Zugleich lätt eich eine Sehweite erzeugen, die eine ungewöhnlich hohe Kerbschipffe's'tigkeit besitzt.

En hat eich gezeigt, daß die kerbsehlp-gfestiiikeit de? öchweifimetalls beim Schweißen niedrig legierter Stahle, wie der Stänle T-I, Hy-80 und Hy-I i>o mit dem erfinaunccsr ernsten Schweißmittel noch weiter angehoben werden kann, wenn die ideale Schweiimetallanalyse für diese Stahltypen etwa folgend* ist:

0 Mn Si Ki Ko

0,06 max. 0,75 - 1,05 0,60 max. 1,5 - 2,OC 0,70 ππχ.

hierbei empfiehlt es sich, dir Verunreir.i -'uizen, wie .Schwefel, BADORiGINAL 009850/0911

Phosphor, Sauerstoff und Stickstoff so niedrig wie möglich zu halten.

Während alle diese vorgenannten Bereiche von Bedeutung sind, hat ρ ich jedoch der Anteil an Mangan und Nickel als besondere wichtig herausgestellt. Es hat sich gezeigt, daß eine maximale Kerbachlagfestirkeit ersielt werden kann, wenn der ftmngangehalt in der Ablnrerung bzw. dem Belag 0,80% betragt. Hangan^ehalte, die aus dem Toleranzbereich von C,70 bis l,O5# Mangan herausfallen, führen zu einer erheblichen Abnahme in der Kerbschlp^festigkeit des Schweißmetalle. Außerdem iet ein Mindestgehalt von 1,5* Kickel erforderlich, um m.ch der Charpy-V-Kerbmethode KerbzähiifkeitEwerte von bob kg x cm oder dnrliber bei -50 C für Auflr-gen bzw. Beläge zu erzielen, deren Streckgrenze bei 6.000 kg/cm oder dnrUber liegt. Eine Erhöhung des Uickel^ehalts führt zu einer beträchtlichen Verbeeeerung der Kerbzähigkeit bei niedrigen Teirreraturen, bewirkt jedoch einen starken Anstieg in der Quer-Schweißrißbildung, wenn ein Kickeleer.felt von 2# in dem Belag überschritten wird. Der Kohlen-Gtoff»3fchMlt ist ebenfalle im Hinblick auf optimale Kerbzähigkeitsei?ensch«rften wichtig. Ein Kohlenstoffgehalt über 0,Ob^ in dem Belsiff bewirkt eine starke Abnahme der herb? chi ^festigkeit bei raschem Anstieg der Rißbildungsneigung. Alle anderen Legierungen, mit "U8nahme von Kupfer, bewirken eir.e Abnehme der Kerbzähigkeit. Kurfer findet i.icht Verwendung, da Wickel bezüglich der Kerbzähigkeit dieselben Ergebnisse hervorruft und überdies die Festigkeit dee Schweibmetalle erh< ht. Um die Zur;f eeti .keit weiterhin nnzu-

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nehmen, muß Molybdän zugesetzt werden. Silizium wird ebenfalls nla Beruhigungsmittel und zur Perritanreicherung zugegeben.

Die Erfindung ist ferner auf die Anwendung des erfindun^sgemäßen Schweißmittels für das Lichtbogenschweißen hochfester, niedrig legierter Stähle gerichtet, wobei auf die zu schweißende Fläche des Stahls das Schweißmittel aufgebracht und zwischen der Schweißstelle des Stahls und der eine Speziallegierung enthaltenden Elek-' trode ein Lichtbogen erzeugt wird, so daß eine Schweißraupe aufgebracht wird, deren Zusammensetzung innerhalb eines gegebenen Bereichs liegt und die sich durch ungewöhnlich hohe Kerbzähigkeit auszeichnet.

Wie dargelegt, ist das erfindungsgemäße Schweißmittel frei von Metallen, die beim Schweißvorgang in die Schweißraupe gelangen. Die sich in Form der 3chweißraupe bildende Legierung ist daher nicht von der Menge des aufgeschmolzenen Schweißmittels, sondern von der Menge der geschmolzenen Elektrode abhängig. Die Elektrode kann aus einem massiven Legierungskörper oder aus einem Stahlrohr od.dgl. bestehen, welches im Inneren pulverförmig Legierungen enthält.

Nach Vorstehendem wird somit die Möglichkeit geschaffen, hochfeste, niedrig legierte Stähle zu schweißen, wobei die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung, insbesondere die Kerbzähigkeit, wesentlich besser sind als die bisher mit dem verdeckten Lichtbogenschweißen erzieLbaren Werte. Das für dr.s verdeckte Lichtbogen-

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schweißen mit besonderem Vorteil verwendbare Schweißmittel gemäß der Erfindung bewirkt keine unerwünschten Änderungen in der chemischen und/oder metallurgischen Beschaffenheit der Schweißnaht bzw. der Schweißraupe, so daß auch die mechanischen Eigenschaften der Schweiße nicht nachteilig beeinflußt werden. Vorteilhaft ist ferner, daß bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißmittels Änderungen der für den Schweißvorgang maßgeblichen Betriebewerte selbst innerhalb eines weiten Bereichs keinen Einfluß auf die metallurgische Beschaffenheit der Schweißraupe haben. Hit dem erfindungsgemäßen Schweißmittel werden OxydeinechlUsee in dem Schweißmetall stark herabgesetzt und damit die physikalischen bzw. mechanischen Eigenschaften des Schweißmetalls beträchtlich verbessert. Insbesondere beim Lichtbogenschweißen niedrig legierter Stähle lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung erheblich verbessern, wenn zusammen mit dem erfindungsgemäßen Schweißmittel besondere Elektroden verwendet werden, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.

Wie oben ausgeführt, enthält das erfindungsgemäße Schweißpulver bzw. Schweißmittel als Hauptbestandteile iluminiumoxyd, ferner eine Verbindung, die aus der das Zirkondioxyd und das Magnesiuaoxyd enthaltenden Gruppe ausgewählt ist, sowie ein Fluorid, wobei der Rest aus etwa 0 bis angenähert 6# Silizium besteht« Ale Alumini umoxyd kann praktisch jede im wesentlichen reine, wasserfreie Tonerde verwendet werden. Vorzugsweise findet ein Aluminiumoxyd bzw. eine Tonerde Verwendung, die frei ist von Phosphor, da diese

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tf die physikalischen Eigenschaften des Stahls bekanntlich nachteilig beeinflußt. Als Magnesiumoxyd kann gebranntes Magnesit, vorzugsweise totgebranntes Magnesit verwendet werden, welches weniger Verunreinigungen enthält. Die Siliziumkomnonente kann aus Siliziumdioxyd, vorzugsweise Qunrz, oder aus einem Aluminium-, n-, Kalzium- oder Zirkonsilikat bestehen.

Falls zur Bildung von ZusanniönballunTen b :w. Ap-g]omeraten der Schweiiimittelpartikel ein Bindemittel verwendet wird, kann d«p Silizium zumindest teilweise als Hatriumsilikat vorliegen. In diesen. Fall verflüchtigt sich das natriumh-iltige Zerfall produkt bei den Lichtbogen-ochweittemrer^turen, wobei es ruis der Uut?ebunr der cSchweifc raupe entweicht, ohne diese nennenswert zu verunreinigen.

Die verschiedenen 3ehweißmittelbeetindteile können erfindungsgenrifc in verschiedener Weise kombiniert werden. Sie können fein aufgemahlen, untereinander geaischt und dann auf eine Temperatur erhitzt werden, die oberhalb ihrer Erweichua-sterperatur lie -t. Nach Abkühlung und Aushärtung kann dann die gehärtete KaEse auf die gewünschte Korngröfee aufgemahlen werden.

Einfacher und mit niedrigeren Kosten verbunden ist jedoch eine Arbeitsweise, bei der sämtliche Schweißmittelkomponenten fein ^ufgemahlen und innig mit ÜBtriumsilikat vermischt werden. Die Mischung wird dann unter gleichzeitigem Trommeln erhitzt, his das ü^triumsilikst gehärtet ist und die anderen Komponenten unter Eildun« größerer Materialklumpen abgebunden hat. Die Klumpen werden dann

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auf die gewünschte Größe gemahlen, wobei die mit dem unlöslichen Natriumsilikat abgebundenen Schweibmittelnartikel Zueammenballunpen bzw. Agglomerate bilden.

Eb versteht sich, daß die Verwendung des Natriumsilikatbinders dazu führt, daß sich in dem Schweißpulver eine zusätzliche Kleine kenee an SiO„ einstellt, die zu einer geringen Siliziumaufnahme des Schweißmetalle führt. Die aufgenommene Menge ist jedoch so ^erin-, dal? sie das angestrebte Ergebnis nicht nennenswert beeinflußt .

Beispiel I

Di- nachstehenden Bestandteile wurden in angenähert den angegebenen Mengenanteilen in fein aufgemahlener Pjrm (mit Ausnahme der letztgenannten Koaiconente) in einen rotierenden Trockenofen eingeführt:

Gew.-^

CaP₂ 26,5

MgO 32,4

Natriumsilikatlösung

(435* Feststoffe) 16

Der Drehofen wurde auf eine Temperatur von etwa 800° 0 aufgeheizt und solange in Drehung versetzt, bis sich die einzelnen Komponenten innip· vermischt hatten und große Klumpen bildeten, wobei das Natriumsiliicat als Bindemittel diente.

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— X ι —

Die Klumpen wurden dann aus dem Ofen herausgenommen, aufgemahlen und abgesiebt. Das Material unter 14 und über 100 Maschenweite (mesh) wurde als Produkt zurückgewonnen; es bestand aus kleinen Zusammenbailungen der Schweißmittelpartikel, die durch das Natriumsilikat abgebunden waren.

Selbst mit dem Natriumsilikatbinder, der lediglich etwa 2,38$ Silizium, bezogen auf das Gewicht des behandelten Schweißmittel-' materials, enthält, wurde auf diese Weise eine 3ehweißmittelzusammensetzun^ erzielt, die zu keinen unerwünschten Änderungen in dem Analysenwert der Schweißraupe und damit auch zu keiner nachteiligen Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Schweiße führt. Dies gilt selbst für den Fall, daß die Betriebswerte des Schweißvorgangs Schwankungen innerhalb weiter Grenzen unterworfen werden. Die Anteile der Hauptbestandteile des Schweißmittels waren eo aufeinander abgestimmt, daß das Schweißmittel die Sauerstoff- und Stickstoffeinschlüsse in der Schweiße weitgehend reduzierte und überdies bei ausreichend niedriger Temperatur erstarrte.

Beispiel II

Das Verfahren gemäß Beispiel I wurde mit folgender Zusammensetzung der Schweißmittelkomponenten wiederholt:

Gew.-^

21,7

GaF₂ 23

MgO 29

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Oew.-it

ZrSiO₄ 5

SiO₂ ν 5,3

Natriumeilikatloeung

(43* Feststoffe) 16

Diese Zusammensetzung enthält Silizium in Form der Kieselsäure, des Zirkonsilikats und des Natriumsilikats, wobei der Gesamtsiliziumgehalt in dem behandelten Schweißmittelmaterial lediglich etwa 5,535* beträgt. Diese geringe Menge an Silizium fuhrt selbst bei Änderungen der Betriebewerte des SchweiSrorgangs innerhalb weiter Grenzen zu keiner nachteiligen Beeinflussung der physikalischen mechanischen llgenschaften der Schweifle.

Die gegenüber dem Schweißmittel gemäB Beispiel I geringfügig größere Siliziummenge dieses Schweißmittels bewirkt eine Verbesserung hinsichtlich seiner Schlackenentfernunga- and Benetzungeeigenschaften. Die Anwesenheit einer geringen Menge an Zirkonsilikat gibt der Schweißnaht bzw. der Schweißraupe ein angenehmes glänzendes Aussehen.

Die Komponenten des Schweißmittels sind mengenmäßig so aufeinander abgestimmt, daß das Schweißmittel bei hinreichend niedriger Tempera* tür erstarrt und Überdies in der Lage ist, den Stickstoff und Sauerstoff weitgehend aus der Schweiße zu entfernen.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Schweißmittels ergibt sich

009850/091 1 JA: _{3 lm}

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aus dem nach folgend en Vergleichetest, der nwei Versuche umfaist. Bei beiden Versuchen wurden Elechetücke eines '^5,4 mm starken T-I Stahle bei gleichen Schweilibedin^ungen im verdeckten Licht- \ o^en.-chweißen miteinander verscnweifct, wobei in beiden Fällen dieselbe handelsübliche Elektrode verwendet wurde. Lediglich die verwendeten Sehweißpulver waren unterschiedlich. Bei dem ernten Versuch wurde das vorstehend in. Beispiel II angegebene Sei weit— mittel verwendet, wMhrend bei dem zweiten Versuch ein handels-'.Hier es Sci.weitnulver zur Anwendung kam.

Die Blöchanalyse des T-I Stahls er^ab folgende Werte:

0,15 O,60 0,25 0,ö5 0,50 0,52 0,32 0,05 0,004 0,04 0,04

Als Elektrode wurde eine handelsübliche Elektrode mit 5/i?" Durchmesser verwendet, deren Analyse folgende Werte er^ab:

(JMnSiNiKo(SrCuS £

0,128 1,69 0,04 2,62 0,45 0,31 0,50 0,006 0,003

Die Schweißparameter waren folgende:

Betriebeenergie Gleichstrom +

Stromstärke 500 A Lichtbogenbrennepannung 30 V

Schweißgeechwindigkeit 508 mm/min.

Die Schweißverbindungen wurden dann bei einer Temseratur von etwa

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596 C spannungsfrei geglüht und anschließend einem Kerbschlagtest nach der Charpy-Methode (V~Kerbe) unterworfen, der folgende Ergebnisse brachte:

Charpy-V-Kerbschingeigeneehnften (kg χ cm)

Versuch Temperatur. C

Raum	-18	-108
773	690	414
510	358	248

1 2

Diese Angaben bestätigen, daß die Verwendung deß Schweißpulver^ n-=ch dem erfindungegemäßen Verfahren bei hochfesten, niedrig legierten Stählen zu einer Schweißverbindung führt, die eine beträchtlich höhere Kerbzähigkeit hnt ale die mit den bekannten Schweißmitteln erzeugte Schweißverbindung. ♦

Aue der nachfolgenden Untersuchung ergibt Rieh, daß das Schweißmittel gernäß der Erfindung selbst bei stärkeren Schwankungen der SciiweiE parameter bzw. der Eetriebswerte des ScLweißvorg*mga keine nennenswerten Veränderungen in der AnalysenbeKchaffenheit der Schweißraupe herbeifuhrt und daß es auch keine nennenswerte Erhöhung der Gesa.ntlegierung in dem niederschlag über den Legierungsdrant hinaus bewirxt. Dies ist von Bedeutung, da vermieden werden muß·, daß sich in der Schweiße aufgrund einer Auf legierung derselben

Stroms bei den hoher, /nynnungen eine Rißbildung einstellt.

Bei dem ersten Versuch wurde des Schweißmittel gemäß Beispiel II

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3chweißraupe bei Die Zusammensetzung der Elektrode und die Analysenwerte d»r/beiden

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mit einem herkömmlichen Schweißmittel bei zwei Lichtbogenbrennspannungen verglichen. Die Werte für das Blech, die Elektrode und die anderen Schweißparameter wurden dabei konstant gehalten.

Die Schweißparameter waren folgende;

Betriebsenergie Gleichstrom +

Stromstärke 500 A

Lichtbogenbrennspannung 28 V und 35 V

Schweißgeschwindigkeit 508 me/ain.

f raupe •r/bei<

Schweißmittel·»für jede der beiden Liohtbogenbrennspannungen sind in

der nachstehenden Tabelle wiedergegeben:

Tabelle I

Schweißmittel Spannung C Mn Si S P

Elektrode (5/32") - 0,117 1,04 0,60 0,021 0,006

Herkömmlich 28v 0,058 1,59 0,80 0,018 0,018

Beispiel II 28v 0,085 0,77 0,42 0,015 0,007

Herkömmlich 35v 0,067 1,74 0,87 0,018 0,023

Beispiel II 35v 0,086 0,70 0,36 0,014 0,008

Aus dieser Aufstellung ergibt sich insgesamt, daß bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißmittels die Analysenwerte für die Scttweitrnupe bei 2ö und 35 Volt Betriebsspannung im Vergleich zu den Anulyaenwerten, die bei Verwendung eines herkömmlichen Schweiß—

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pulvere erhalten werden, erheblich geringeren Schwankungen unterworfen sind.

Bs wurde ein weiterer fest durchgeführt, der im wesentlichen mit dem vorstehenden fest Übereinstimmt, wobei jedoch eine Elektrode von abweichender Zusammensetzung verwendet wurde. Die Zusammensetzung der elektrode sowie die Analyse der Sehweißraupe für die beiden Schweißmittel bei beiden Lichtbogenbrennspannungen sind der nachfolgenden faballe s« entnehment

tabelle XI Schweißmittel "ttTHWM £ Ä Si ST» Si ! £

llektrode (5/32·) - 0,051 I₉U 0,29 21,29 10,14 0,011 0,OU

Herkömmlich 28v 0,053 1,87 0,68 20,28 9,99 0,015 0,018 Beispiel II 28v 0,042 1,43 0,41 20,62 10,08 0,008 0,014 Herkömmlich 35t 0,051 1,92 0,79 19,82 9,97 0,016 0,023 Beispiel II 35t 0,043 1,37 0,44 20,60 10,15 0,008 0,015

Auch diese Aufstellung läßt erkennen, daß die Schwankungen in den. Analysenwerten der 3chweißraupe bei 28 und 35 Volt Betriebsspannung bei dem erfindungsgemäßen Schweißpulver erheblich geringer sind als bei Verwendung eines herkömmlichen Schweißpulvers.

Ss ist in diesem Zusammenhang festzustellen, daß ,eine Spannun^sänderung von 7 Volt sehr beträchtlich ist. Selbst unter diesen extremen Bedingungen sind die Analysenschwankungen bei den mit dem· erfindungsgemäßen Schweißmittel hergestellten Schweißraupen so gering,

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daß hierdurch die physikalischen Eigenschaften der Schweiße nicht nennenswert beeinträchtigt werden.

Sin weiteres Merkmal der Erfindung betrifft neuartige Schweißelektroden, die bei Verwendung zusammen mit dem erfindunp-sftemäßen Schweißmittel ein Schweißmetall einer spezifischen Zusammensetzung mit äußerst geringem Gehalt an OxydeinschlUseen ergeben. Dieses ochweißmetall hat nooh höhere Kerbzähifrkeiten a]s die vorstehend benchri ebenen und demgemäß auch erheblich höhere Kerbsc'-I nrfpBtif?- keiten als die bekannten Elektroden- und Schweißralverkomt in-itic nen. Wio vorstehend erwähnt, lassen sich auf diese Weise Schweißmetnüle

erzeugen, deren Streckgrenze mindestens bei 6.000 Kr/cm I ei einer Kerbfentigkeit von 685 kg χ ca oder darüber (nach der Oharry-V-Kerbe-kethode) und bei -50° C liegt.

Um mit dem Schweißmittel pemüfc der Erfinaun; die .^ewunechten Analysenwerte für das Schweißmetall (n^.ch Gew.-») zu erhalten:

0 Mn Si Hi Ho 0,08 max. 0,7ί? - 1,05 0,60 max, 1,5 - ?,0 0,70 mix.

(Rest Eisen) und um einen Niederschlag bzw. einen Bel^- zu erhalten,

ρ dessen Streckgrenze etwa bei 7.030 kr/cm liegt, wird zweckmäßig eine Elektrode folgender Zusammennetzunc verwendet (in-Gew.-;i, Reet Eisen):

0 Mn Si Ni Ho S P 0,07-0,10 1,25-1,45 0,50-0,60 1,70-2,00 0,60-0,70 0,01 n.ix.0,01 max

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Die durchschnittliche Schweißmetallanalyee mit diesel· Elektrode und dem erfindungegemäßen Schweißmittel ergibt folgende Werte: (in Gew.->, Rest Eisen)

C Mn Si JIi Mo 3 P 0,06 1,00 0,40 1,87 0,65 0,015 0,005

Wenn kein Schweißmetall mit einer solch hohen Streckgrenze benötigt wird, so kann eine Elektrode mit einem geringeren legierunesgehalt verwendet werden, welche din Tendenz der Rißbildung verringert. Die-

' 2 ■■ se Elektrode, mit der eicheine Streckgrenze von etwa 6.3?0 kg/cm erzielen läßt, setzt sich wie folp-t zusammen: (in Gew.-^, Rest Eisen)

C Kn Si Ki !do S Z 0,06-0,09 1,0-1,2 0,30-0,40 l,70-?,00 0,40-0,50 0,01 mer. 0,01 max.

Die durchschnittliche Sohweißmetallanalyse mit dieser Elektrode und mit einem erfindun/rsgemäten Schweißpulver erlitt: (in öew.->, Rest Eisen)

C Hn Si Ki Mo S P 0,05 0,80 0,35 1,87 0,45 0,015 0,005

Die vorgenannten Elektroden können selbstverständlich in Form eines massiven Drahtes oder in Form einer Rohrelektrode gefertigt werden.

Wesentlich für die Erfindung ist überdies auch die Eigenschaft des Magnesiums als Desoxydations- und täntschwefelungsmittel. Bei den bekannten Schweißpulvern, deren Hauptbestandteile freie negative

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Energien aufweisen, die gleich oder niedriger liegen als diejenigen des Siliziumdioxyds, hat es sich als schwierig oder sogar unmöglich erwiesen, Magnesium zu verwenden. Der Grund hierfür besteht darin, daß das Magnesium, bevor es in das Schweißmetall gelangen kann, die Bestandteile des Schweißpulvers, die geringere negative Freienergien aufweisen, reduzieren würde, wobei freie Metalle (wie Mangan oder Silizium)entstehen und das Magnesium als Desoxydations- und Entschwefelungsmittel für das Schweißmetall wirkungslos wird. Diese freien Metalle würden dann in das Schweißmetall gehen und dessen metallurgische Eigenschaften verändern. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißmittels, welches als Hauptbestandteile lediglich Stoffe mit höherer negativer Freienergie enthält, kann das in * Mengen im Bereich von etwa 0,1 bis 1,5 Gew.-^i der Gesamtelektrode verwendete Magnesium den Lichtbogen überbrücken und das Sehweißmetall wirksam deaoxydieren und entschwefeln, ohne daß das Schweißmetall hierbei in seiner metallurgischen Beschaffenheit nennenswert verändert wird.

Die Einführung des Magnesiums kann mittels irgendeines geeigneten Verfahrens erreicht werden, bei welchem das Metall keinen solchen Temperaturen ausgesetzt wird, daß es schlagartig oxydiert. Das Metall kann als Überzug auf der Elektrode vorgesehen werden. Vorzugsweise ist es jedoch als einer der Bestandteile in der Rohrelektrode eingeschlossen, Die hohen Arbeitstemperaturen schließen es aus, daß das Magnesium in ein Schweißpulver inkorporiert wird.

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OemäB einem AusfUhrungsbeispiel der Erfindung findet* eine Rohrelektrode zusammen mit dem erfindungsgemäfien Schweifipulver Verwendung, deren Analyse (bei einer Kerbechlagfeetigkelt ton etwa 1.010 kg χ en bei -50° 0) folgende Verte ergibt: *

0 Mn 8i U. Μ ÜB

0,075 1,20 nicht vor- 2,0 0,45 0,80 handen

gerechnet in Gew.-£ der Gesamtelektrode, Biet Bieen. Die Analyee der Bioh ablegernden 8chweiSe bei dieser Hektrode ergibt ι

3 n & Ii m

O_tO55 0,90 0,22 2,0 0,42

gerechnet in Oew.-^l, leet Bieen. Diese SchweiSablagerung hat eine

2 Streckgrenze τοη etwa 6.470 kg/o· ·

Ee Tereteht eioh, daS die Erfindung auf die vorstehend erläuterten AuafUhrungsbeispiele nicht beschränkt ist, sondern daß verschiedene Änderungen getroffen worden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (13)

Patentansprüche

1. Schweißmittel für das verdeckte Lichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß es nie seine drei Hauptbestandteile Aluminiumoxyd, eine Verbindung aus der Gruppe des Zirkondioxyds und Megnesiumoxyde aowie ein Fluorid aus der Gruppe der Kalzium-, Aluminium- und Magnesiumfluoride enthalt, wobei diese drei Bestandteile nich folgenden relativen Gewichteanteil en vorhanden sind:

Aluminiumoxyd gleich etwa C,7 : 1 biß etwa 1,4:1

vorgenannte Verbindung

vor/tenannte Verbindung gleich etwa C,7 : 1 bis etwa 1,4:1 Fluorid

und wobei diese drei Bestandteile nicht weniger als etwa TOjL des Schweißmittels umfassen, wihrend der Rest etwa O bis angenähert 6 Gew.-fi Silizium enthiilt.

2. Schweißmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorid Kalziumfluorid ist.

3. Schweißmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines Agglomerates hat, dessen Teilchen mit Natriumsilikat abgebunden sind.

4. Schweißmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwesenheit von Silizium zumindest ein Teil

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desselben in Form von Zirkonsiliket vorließt.

5. Schweißmittel nach einem der Ansrrüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß hei Anwesenheit von Silizium dieses in Form einer Verbindung vorliegt, die aus der die Kieselsäure, Silikate und, I.ischungen derselben enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Schweißmittel für dns verdeckte Lichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, dafc es im wesentlichen nus den folgenden Festandteiüen in angenähert folgenden Anteilen besteht:

Gew.-# Aluniniumoxyd 21,7

Mainesiumoxyd 29

Zirkonsilikfit 5

Siliziujndioxyd . 5,3 Katriumsilikat 16·

7. Schweitciittel für d-s verdeckte Lichtboffenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß es irr. wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen in angenähert folgenden Anteilen besteht:

Gew.

Aluminiumoxyd 25,1

Kalziujr.fluorid 26,5

Maines iunioxyd 32,4

Natriumsiliket 16

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I / JUUU ^

175800^

8. Schweißmittel nach Anspruch 6 oiier 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Natriumsilikat ein Bindemittel für das aus den anderen genannten Bestandteilen gebildete Partikelagglomerat ist.

9. Elektrode zur Verwendung in Zusammenhang mit einem Schweißmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erzeugung eines öchweifemetalls, enthaltend in Gew.-ja;

G Mn Si Ni Mo 0,08 max. 0,75-1,05 0,60 max. 1,5-2,0 0,70 max.

Rest Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode die folgende Zusammensetzung hat (in Gew.-7°):

0 Mn Si Ni fcfo S P

0,07-0,10 1,25-1,45 0,50-0,60 1,70-2,00 0,60-0,70 0,01 max.O₁Ol max

Rest Eisen.

10. Elektrode zur Verwendung in Zusammenhang mit ^inem Schweißmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erzeugung eines Schweißmetalls, dessen Durchschnitt3analyse auf Gewichtsprozentbpsis

0 Mn Si Ni Mo S P 0,05 0,80 0,35' 1,87 0,45 0,015 0,005

Rest Eisen ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode die'folgende Zusammenaetzung hat (in Gew.-#);

0 Mn Si Ni Mo S P 0,06-0,09 1,0-1,2 0,30-0,40 1,70-2,0 0,40-0,50 0,01 max. 0,01 max. Rest Eise*. 00 98 6 0/091 1

11. Verwendung eines Schweißmittels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Lichtbogenschweißen hochfester, niedrig legierter Jtähle, wobei zwischen die Schweißstelle des Stahls und der eine Legierung enthaltenden Elektrode ein Lichtbogen erzeugt und eine SchweiEraupe od.dgl. aus einer Schweiße hoher Kerbzähigkeit aufgebracht wird, und wobei als Elektrode vorzugsweise eine solche gemäß Anspruch 9 oder 10 Verwendung findet.

12. Schweißmetall für eine Schweiße mit hoher Kerbschlagfestigkeit bei hochfesten, niedrig legierten Stahlen, wie insbesondere den Stahltypen Hy-80, Hy-IOC und T-I, bestehend im wesentlichen (nach Gew.-^j) aus Eisen und

0 Hn 3i Ml Mo 0,8 max. 0,75-1,05 0,60 max. 1,5-2,00 0,70 max.

13. Elektrode zur Verwendung in Kombination mit einem Schweißmittel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Desoxydation sowie zur Entschwefelung Magnesium in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 1,5 Gew.-j4 der Elektrode enthält.

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