DE1758192A1 - Schweisselektrode - Google Patents

Description

Q*Ing. Jörgen Schmidt ^{ϋΗββΓ Zeichtni p-}

Dr.rer.nat Bruno Reitzner -»-«***■

AfentoewAe 1758192

β Mtotdien Z Hermitm*S*a'$tr.2

Ghemetron Corporation, 840 North Michigan Avenue, Chicago, Illinois, V.St.A« Schweißelektrode

Die Erfindung bezieht aioh auf elektrische Lichtbogenechweiß elektroden ζ ir Abscheidung von rostfreien Stahl in Forin von aufliegenden Abacheidungen (overlay depositor auf einem Stahl -gegen&tand und in Form von Schmeizversehifeißungen, durch die Sfcahlgegenstände miteinander verbunden werden«

Sich verbrauchende Elektroden aus rostfreiem Stahl zurr Licht * bogen&chvtfeißen von Metallen unter einer Schutzgasatmosphäre und zum Schweißen bei abgedeckten Lichtbogen (eubrcerged ace welding) wurden bisher üblicherweise in ?ora vom massiven Drähten hergestelltο Werden automatische Sclmeißvorriehtungen verwendet, eo Let äer Schtreißlichttiogen normalerweise von eine« Gae oder einen Gasgemieoa umgeben_y bew, von einem FlieSnittef

, wodurch die SchweiUeon· v'on den schädlichen Wirkung; um«r»l>«n4eo Atmpaphäre wirksitm tbgeschirat wird. Da« Schuts-

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gas kann iicatomia eein, wie Argon oder Helium, ltnnn aber auch willkürlich gewählte Zusätze von Sauerstoff oder Kohlendioxyd enthalten, um den Lichtbogen eu stabilisieren* Auch -viele andere Gemische wurden bereiis mit Erfolg verwendet. Es können

die Üblichen Fließmittel für abgedeckte Liohtbogei) verwendet werden· .

Bei maschinell hergestellten Elektroden au3 rostfreiem Stahl traten jedoch in der Vergangenheit beträchtliche Schwierigkeiten auf» Mit Chrom oder Chrom-Nickel legierte Schweißroetallreaosen

aus rostfreiem Stahl können durch Verwendung eines sieh verbrauchenden Elektrodendrahtes hergestellt werden, der als Rohr aus Kohlenstoff stahl gebildet ist, dessen Hohlraum mit. körnigem, Chrom und/ oder Nickel enthaltenden legierungen gefüllt ist. Pa dae Rohr und der zentrale Kern wahrend des Schweißens im Lichtbogen zueammensesehaioizen wenden, bildet aich eine SchweifJ-metallmasse aus rostfreien Stahl. -Der Nachteil eimer solchen Kohlenstoff3tab Uf Obstruktion besteht darin, daß das Metall dee fiohres verhältnismäßig dünn sein muß, damit im Zentrum ausreichend Platz zur Unterbringung der erforderlichen Mengen ChZ¹Oa und Nickel zur.Erzeugung der Sohweißporlen aua rostfreiem Stalil %ur Verfügung steht.«Eine solche dUnmrandigQ Rohrkönetruktiou hat »den lachten, daß fs!» eohjr zerbrechlich ist· Auch bosteht 4te Gefahr, daß oin dünn/»nflij;^s Bohr aus Kohlenstoffstahl der lugervng roetot, eiterhin wird es auf die

waleen, die bei automatischen oder halbautomatischen Sohweißvorrlohtungen turn Vorschieben des Drahtes verwendet werden» leicht deformiert oder gequetscht. Weiterhin 1st die naziaale Schwelßetromotärke in diesen dünnwandigen Konstruktionen yergering.

Bin Zweck der Erfindung let die Schaffung einer neuartigen

röhrenföruiig(»n Metall-Lichtbogenachweißelektrcde zur Abachei- % dung von rostfreiem Stahl ale Schwsißiaetall.

Ein weiterer Zweck der Erfindung iat die Schaffung einer Schweißelektrode, die zur Verbindung von Gegenständen aus rostfreiem Stahl und zur Verbindung τοη Teilen aua Kohlenstoffstahl und niedriglegäert-in Stähl«n mit roetfreiea Stahl sowie zur Abscheidung von Überzügen ans rostfreiem Stahl über Kohlenatoffstahl und ni^driglegierten Stählen bei verhältniemäßig niedrigen Kosten und mit geringeren Schwierigkeiten geeignet int-, ä

soll weiterhin eine Sohweißeloktrode geschaffen werden, die -ao-fohl eine hohe OxydationsbestHndigkeit hat (wodurch die LagerbeständJekeit erhöht wird), als auch eine h^hare Festigkeit hat (wodurch sie den Druck der Zugabewalsen beim automatischen oder halbautomatischen Schweißen besser aushält).

Weitere Zwecke, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben

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eich aus der nachstehenden Beschreibung einer nur der Erläuterung dlentuaon Aueführungeform sowie au« den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche feile in den,verschiedenes Ansichten ■it gleichen Beauqsaahlen bezeichnet sind. In den Zeichnungen bedeutest

Figur 1 eine Teilaufsieht auf ein Metallband, dae »ur Rereteleiner Elektrode gemäS der Erfindung verwendet wird;

Figur 2 eine Seitenansicht (in Längsrichtung) des Metallbandea ▼on Figur \ι

Figur 3 einen Teilsohnitt durch die teilweise geschlossene Siele trode während dee Füllena;

Figuren 4 und 5 aufeinander folgende Querschnitte duroh die Elektrode vjährend de§ Terschliefiens und Zueaceenpreaeena der Füllung;

Figuren 6 bis 9 Querschnitte durch die hintereinander auf verschiedene Größen verminderte Elektrode; und

Figur 10 eine aufgebrochene Perepektiranaicht eines kurzen Stttckes der Elektrode.

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Alle Figuren 2-10 sind stark vergrößert.

Gemäß der Erfindung wird eine Schweißperle aus rostfreiem Stahl mit gleichmäßigen Sohwelßmetalleigenachaften während des Schwele»»· S3ne aus einer neuartigen Lichtbogenschweißelektrode erhalten, ata durch eine gute Liehtbogenetabilität und eine gute Abscheidungageachw.tndigkeit sowie durch eine gute allgemeine Brauchbarkeit gekennzeichnet ist. . J

Di« Elektrode geo&ß der Erfindung stellt ein längliches Matallrohr 20 aus rostfreiem Chromstahl dar, das eine längliche Vertiefung und einen Kern oder eine Seele 22 aus körnigem Material mit besonderem Legierungaeigenachaftan enthält. Dieses Material erfüllt den Hohlraum praktisch gleichmäßig über die ganze Länge der Elektrode* Der Elektrodenkörper wird mit einem verhältnismäßig dicken Wandaufbau aus legiertem Stahl für da3 Püllme-tall hergestellt und hat bessere Vorschub- und Lichtbog€;neigenschaf-* ten. Diese Elektrodenkonetrukticn eignet sich besonders für diio 5chutzgas&chwei3'3n_f bei dem die Elektrode durch geeignete 7or~ Bctiubmechacismen dem durch ein Schutzgas abgeschirmten Lichtbogen zugeführt wird, sowie gleich gut für das Schweißen bei abgedecktem Lichtbogen. Me Elektrode gemäß der Erfindung kann aber auch in ?oro von einzelnen Stücken als Hand- oder Stab-. 9k1;roden verwendet werden.

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Um ein Schweißraetall mit der chemischen Zusammensetzung von rostfreiem Stahl aufzutragen, lat ein Teil der zur Herstellung dee rostfreien Stahls erforderlichen Legierung, s.B. daa Chrom, im Rohrmaterial enthalten» Ist ein Teil der Legierung In der Elektrodenwand enthalten» eo kann das Material für dl« Wand des Rohres stärker aein, da der Platsbedarf für die Kurnigen legierungen im Zentrum dea Rohres nicht so grt>3 zu sein braucht« W Ua zu gewährleisten, daß die Elektrode auf Ihrer ganzen lange praktlucb gleichmäSig let, wird das Kernmaterial i»n Rohr sehr 3tark zusammengepreßt. Das Band 24 aua rostfraiea Stahl mit geeigneten Abmessungen wird durch geeignete Vorrichtungen durch Kaltformen in Rohrform gebracht. Dan Band 24 wird durch Pormwalzen geleitet, wodurch es in ein oben offansa, trogartigeo Stück 26 (Figur 3) umgewandelt wird, Daa körnige Material wird in daa Rohr gebracht und mit Hilfe einer Schabeklinge oder eines Xratsers 26 auf die geeignete Menge eln.gemeesan, bevor es volife ständig geschlossen wird· Dann wird die Elektrode nacheinander in den in den Figuren 3 und 4 angegebenen Stufen bis zu der in Figur 5 angegebenen Endstufe geschlossen. Infolge der Starke des Rohnnetallu lat eine stumpfe Naht möglich, die das Rohr un die körnigen Legierangei; rerschließt; im Gegensat* dazu Vat eine überlappende Verbindung erforderlich, wenn man die Ränder aus dünnem Bandmaterial aus Kohlenstoffstahl, das bei der Herstellung von düannandigen, röhrenförmigen Elektroden verwendet wird, miteinander verbinden «111. Surcfl^ttumpf ^nstoBende V«r-

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bindungestelle (butt Joint) erhält man eine gleichmäßige Hang* ießt«3 Metall am umfang der Elektrode, wahrend bei einer über-

ait

?.appendcG Verbindung /4er doppalten Stärke an einen Teil dee

nährend de» SchleiSena ein Abeohwelsen nur jua einer Seit« erfolgt. Mn weiterer Hacbteil der dünnwandigen Konstruktion besteht darin, daß der lichtbogen schwierig 'ssu re*<sln iet« Durcls die kcnaentriecbe, gleichmäßige Koretrulction firenSS der · Erfindung wira da« Metall gleiobaäßig abgeschieden und der Lichtbogen kann ba33f;r geregelt werden. Nachdien: der gefüllte, rohrenförmige Aufbau gebildet wurde, wird dieser durch geeignet? Ziehdüsen imcheinander gi«atreok.t oder mit Walnen auf die auege^ählti?n Drahtötärkec heruntergewslst, unä zv%? in den Stufen, wie ale in den Figuren 7-9 angegeben sind. Auf dieae Veiae *ird der kernige Kern la Rohr über die ganee länge einer Elektrodenayule ohne floblräuae noch reiter rerdtchtnt.

Infolge der unerwiinaohten Eigenschaften der bekannten Licht- \ bogenechwa.tiisslektroaen iat ea schwierig, Sch^üifloetall yo» Typ 3es rostfreien Stahle mit einer bestiaraten chemiechen Zuaameenaetzung abzuscheiddCe Mit Hilfe der Yorliegonden Erfindung wurden dien© Seabteile überwunden, wobei auverläsaig SohweiEaitalle abgeechieden wurden, die in die Bereiche der auatenltiech&a roatfreien Siänle, wie AISI - Typ 303, 308L, 309, 3091, 316, 316L und 347 alt verschiedenen Baeisnatallen fallen. Durch die bei« Schweißen erreichten Llcbtbogenteaperativren wird die chemische

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Zusammensetzung dee rohrförmig gebogenen Streifens 4er de» Kerne angeglichen, wobei die gewünschton SchwelBeetalle er halten werden.

Die typische chemische Analyse der vorstehend angegebenen ▼on rostfreien Stahl ist wie folgt:

Typ 308	0,08% sax.	Typ 308L	0,04*
Kohlenstoff	2,00% max.	Kohlenstoff	1,50?;
Mangan	1,00% sax·	Mangan	0,35*
Silioium	19,00-22,00*	Silicium	19,βΟ<
Chron	10,00-12,00*	Chrom	10,20*
Ilckel		Hickel
Typ 309	0,10* max.,	Typ 3O9L	0,04*
Kohlenstoff	2,0.0% max.	Kohlenstoff	1.30tf
mangan	1,00% max.	Mangan	0,35*
Silicium	22,00-24,00%	Silicium	23,10%
Chrom	12,00-15,00%	Chrom	12,40*
Nickel		Hickel
Typ 316	0,08/1 max.	Typ 3161	0,04*
Kohlenstoff	2,00% max.	Kohlenstoff	1,40/*
Mangan	1,00% max.	Mangan	0,30*
Silicium	16,00-18,00*	. Silicium	18,80*
Chrom '	10,00-14,00*	Chrom	12,eO<
Kickel	2,00- 3|00*	Nickel	2,15*
Molybdän		Molybdän
typ 347	0,08* max.
Kohlenstoff	2,00* max.
Mangan	1,00* max.
Silicium	17,00-19,00*
Chrom	9,00-13,00*
Mickel	10 χ Kohlenstoff
Hlob	uin. '

Erfinduügsgemäß wird vort«iihaftemeiee für den

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BAD

-. 9 —

Teil ein taarter-aitisaher rostfreier Stahl verwendet, z„B,. ein

etna
Stahl, der/Ϊ2 # Chrom enWiIt, z.B. ein modifizierter AISI-Stahl vom Typ 410? dazu wird eine ausreichende Menge Legierung^-- material verwendet, so daß*^e88s Bohr und das darin· enthaltene körnige Material geschmolzen sind, die daraus hergestellten SchweiÖmetailabscheidungen eine roatfreie Stahlsueaimneneetzung darstellen, die üblicherweise in die Reihe dee AISI-Type 300 fällt. Pwrritischer roatfreier Stahl ist ebenfalls als Hüllenaaterial geeignet, um Schweiömetalle vom Typ dor aueteniiisehen rostfreien Stähle herzustellen.

Eine typische Analyse für eine Hülle vom Typ 4'IO ist nachstehend angegeben:

Kohlenstoff	0-05«
Mangan	0,54*
Phosphor	0.012?
Schwefel	0,009"
Silicium	0,37*
Chrom

Ein derartiger 410-Stahl läßt eich jedoch hitzebehandeln, drh. er wij'd hart, wenrv er auf Rotglut erhitzt und schnell abgekühlt wird» Es ist notwendig, Stücke des ßand«aterJals24 »iIneinander üu verbinden, u« die Länge der Rohre größer zu nachan„ Dieser Schritt lot besonders not sandig, wena man zusammenhängtnd fertige Schvveißeloktroden zum kontinuierlichen Schweißen herstellen will. Das Band auB mindestens auf Rotglut erhitzt werden

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und wird schnell abgekühlt, us die Verbindung während der Bildung dee Bohrs3 au erreichen. Auf diese Weise wird das Band gtiwöhnlioh hart und spröde, eo daß eo in der SchwelQzone nicht befriedigend zu einen Rohr verformt werden kann.

ErfindungegemäB wurde nun diese Sohwlerigkeit dadurch überwinden, indem der rostfreie Stahl AISI-Tyρ 410 durch eino ausreichende Menge eines metalle, wie Titan, Vlob und/oder Tantal modifiziert wurde, um die Auahärtung au verhindern. Beispielsweise wird das Band bsi Zusatz von etwa 0,50 I eines dieser Metalle nicht hitzehärtbar, wenn ea auf Hotglut erhitzt und schnell abgekühlt wird.

Bei Verwendung der Elektrode gemäß der Erfindung in einer Vorrichtung, In der der Schweifillchtbcgan durch ein Gas abgeschirmt ist, kann dieses Schutzgas zu 1CO # aus Argen oder Helius bestehen. Der Lichtbogen ist bekiesen Bedingungen stabil. Dies 1st jedoch nicht der Fall, wenn ein t&as3iver Draht aus rostfreiem Stahl oder maschinell hergestellte röhrenförmige Drähte aus Kohlenstoffstahlblech verwendet werden. Diese Beobachtung wurde bei legierten Stahlblech gsaacht, das speziell 10. bie 20 i Chrom enthielt; der Effekt erstreckt sich aber auch auf j einen Bereich von etwa 5 £ (AISI-Typ 502) bia 23 £ (AISI-Tjrp 446}c Der Grund für die LichtbogenstabilItMt bei röhrenförmigen Elekt.roien aus diesen Chrometahlblechen ist noch nicht *enau he« kannt. Der Torteil der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dfc9 die oxydierbaren Kiemente, wie Mangan, Silicium, Chrom aod

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Niob in gr'öQi'.ren Kengen in der Legierung wiedergefunden werden.

Bei massiven Drähten und boi röhrenfArtigen Drähten, die au3 einem Blech aus Kohlenstoffstahl hergestellt sind, nraS Ä^ni Schutegao im allgemeinen ttiindfeetece 1 fd Sauerstoff und oft 2 - 5 $ Sauerstoff zugesetzt werden, um den Lichtbogen zu stabilisieren. Anstatt rtes Sauerstoffe können häufig bia zu 25 ^ % E.ohlenöioxyd dem Argon oder Heliun sugeuetzi; werden. Die üblichen abdeckenden Fließcittel für dae Lichtbogonachifeifien von rostfreiem Stahl können ebenfalls verwendet werden.

Das in einer typischen röhrenförmigen Hülle aus Chromstahl der vorstehend beschriebenen AISI-400-Reihe enthaltene Kernmaterial ist eine körrige Kernfüllnjasae mit ungefähr folgender Zusammensetzung:

Zusammensetzung des Kemms-terlale Weiter Bereich ^^) li"erromangan mit niedrigem C-Ge-halt

(80^ Mangan)

und/oder Mßuganaietall mit niedri-

gsm C~Gehalt (99^ Mangan) 0 - 1?

Perrochrom mit niedrigem G-Sehalt

(7GJt Chrom)

und/oder Ohrcn.metall mit niedrigem

C-Gehalt («9·^ ühroüi; 40 - 65

Üickelnetall

(995t Nickel) 50 · 45

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Zusamaeneetgung dea ^ernmatariale Weiter Bereich Ferroaolvbdän

f60# Molybdän; .0-20

Fcrroniob

(60* Niob) 0-10

Elsen mit niedrige* C-(AaIt

(99i Eisen) 0-15

Die sur Erseugung einer befriedigenden Abscheidung von Scbweifiaeterlal aus rostfreie« Stahl erforderliche Dicke der Hülle liegt la Bereich von etwa 12,5 bla etwa 25 £ des Durchmessers der jeformten Elektrode; dadurch wird die Steifigkeit der Elektrode verbesserte Dieaer Barelch entspricht etwa 5^,6 - 82-4 f> dee Gesamtgewichts der fertigen röhrenförmigen Elektrode-, J>as Kern- oder Seelenmterial entspricht etwa 17»6 bis etwa 45.f| *f> des ge.iacter, Elektrocen^ewiehta*

In ,dam vorstehend angegebenen Beispiel wurde die Elektrode «it " einem Verhältnis zwischen Querschnittsflache des PülJMaterials und Querschnifctsfltche der-gesaoten röhrenförmigen Elektrode ▼on 0,41 znsanengebaut. Diese Slektrode wurde zum Schwel8eu -verwendet, wobei eia SehweiBaetall mit der Zusammensetzung eines rostfreien Stahls, aämlioh alt ungefähr 19 H Chrom und 9 i-Hlckel abgeschieden werdet diese Kueammensetsunp entspricht, wie schon gesagt, etwa eine· Stahl tob AI3I-typ-308.

Durch Slnatellung tmt ühiomajiige la Hüllen- und Füllmaterial

der Elektrode erreicht BHOt₉ daß der Chroageh&lt. la der βαίητβΐβ-

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perle in gewünschte»» Bareioh liegt, obwohl ein Teil des rungametalle i?ähreaö dee Schweißen« mil; dem Stahl des Grundmetalle verdünnt

Wird die Elektrode gemäß der Erfindung halbautomatisch sit einem !Durchmesser von etwa 2,4 am (3/352 inch) beim Schutzgas-Wetallllohtbogenschweißen verwendet, wird ein Gleichstrom mit umgekehrter Polarität bei Äinetellungen von 300 bis 400 Amp. und bei 29 big 51 Volt verwendet. Das eutomatische Schweißen kanu bei Binatellungon von 350 Ma 450 Amp. und 28 bis 32 Volt durchgeführt werden. Bei Verwendung von reinem Argon wird eine 5t:rö~ ffi.mg3ge3chv7lndigkeit ron etwa 1_?28 m /Std, (45 cfh) empfohlen»

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Claims (2)

1. Slektrlache Lichtbogenschweißelektrode aur Abscheidung τοη auetenitiechan rostfreien Stählen, gekennzeichnet duroh ein« rührenföraige HiQIa aus aartensitiaeb.au.. rostfreiem btahl

- und βία Kern- oder Seelenmaterial in dar Hülle, ait Legie~ rungen aur Anpassung der chemischen Zusammensetzung dee PuIlaetalla bei üichtbo^entenperaturen zur Aborbeidung von austenltlach9Hi rostfreien Stahl.

2. Elektrode nach Anspruch 1, daduich gekennzeichnet,, daß der rearteD9^t.i3che rostfreie Stahl der MüllefclndPatena ein Metall aus der Gruppe liiob, fitan und Tantal enthält.

3· Elektrische .Llchtbogenachveißelektrode zur Abscheidung ve η auatenitiaohen rostfreien Stählen, gekennzeichnet duroh eine röhrenförmige Hülle aua ferritischea rostfreien Stahl und ein Kern- oder Sealeneaterial in der HUlIe₉ mit wirksamen Legierungen zur Anpassung dar chemischen Zuaammensetsung des FOllmetalla bei Llchtbogenteeperaturen zur Abeoheldung τοη auatenltlaohea) rostfreien Stahl·

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4, Terfahrun sur Herstellung einer elektrischen Liohtsogenachwaitelektrode, dadaroh gekennzeichnet, daB man ein 14Dgllohee Band au» partsneitisohem roatfrele» Stahl suschnalde-t· Band au el«·* *j^gf^^»-^lW#Veilifri*t formt, ia·

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■ige. Bead «it «lter bee time ten lon«* von Legierungen füllt,' «It deren Hilf· dl· oheiBiache Zuaaaatenaetsung des Fulleetalls tei Lichtbogentemperetur aur Abaoheidung von auatenitlechea rostfreie« Stahl angeglichen werden kann, und dta Band aa den Kern dee Leglerunganateriala aa eine« röhrenförmigen Gebilde sohlteöt.

5· Verfahren zur Herstellung einer elektrlechen Iichtl>ogenscinrelfielektrode, dadurch gekennzeichnet, dafl oar ein längliches Band eus ferritiechem roatfreien Stahl auachneiflet, daa Band zu einem trogf^rnigen Qnerrcbnitt fomrfc, das trogfSretlge Band Kit einer beetlmcten Mense τοη Legierungen füllt, Hit deren Hilfe die chemische Zusan^enaetsung des Füllaetalld bei lichtbogentocperatur rur Abscheidung yon au3teaitl3cheiQ rostfreiem Stahl anseglicher werden kana₍ and das Band üb den Kern dee Legierungsmateriala tm eine?*· Λ röhrenförmigen Gebilde fecfcließt«

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