DE1916838A1 - Kernschweisselektrode zum automatischen Schweissen in anomaler Stellung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

Dipl.-Ing. BUSCHHOFF IQIC000

DlPL.-l.NG. HENNICKE , Dipl.-Ing* Vollbach IcJlDödö

5 KÖLN/RH.

KAISER-WILHELM-RING 24

Rea.-Nr.

Aktenx, I Ln 502 ' I

bitte angeben

Patentanmeldung

der Firma

The Lincoln Electric Co., 2280Ί St. Clair Avenue, Cleveland, Ohio 44-117 (USA)

Kernschweißelektrode zum automatischen Schweißen in anomaler Stellung

Die Erfindung betrifft die elektrische Lichtbogenschweißung und bezieht sich mehr im einzelnen auf eine Kern-Schweißelektrode, wie sie insbesondere zum automatischen Schweißen in anomaler Stellung verwendet wird.

Unter "automatischem Schweißen" wird das Zuführen einer Sehweißelektrode von unbegrenzter Länge in Längsrichtung an einem elektrischen Kontakt, der einen Teil eines Schweißkopfes darstellt, vorbei zu dem zu verschweißenden Werkstück und der gleichzeitige seitliche Vorschub der Elektrode zur Ablagerung

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einer Schweißraupe verstanden. Der Schweißkopf kann mechanisch unterstützt sein und seitwärts bewegt werden. Ih diesem Falle kann man von einem "vollautomatischen Schweißen" sprechen. Der Schweißkopf kann aber auch von Hand gehalten werden. In diesem Falle wird das Schweißen gewöhnlien als "halbautomatisches Schweißen" bezeichnet.

Unter "anomaler Stellung" ist gemeint, daß die Oberfläche des zu schweißenden Werkstückes mit der nach oben weisenden Fläche einer horizontalen Ebene einen VTinkel bildet. Der Betrag der Anomalie wird durch den V/inkel des Werkstückes zur Horizontalen bestimmt; bei 0° in einer nach oben gerichteten horizontalen Fläche wird die Schweißung als "Unterhand-Schweißung" (downhand) bezeichnet; 90° bedeutet Schweißen in einer vertikalen Ebene und bei 180° in einer nach unten gerichteten horizontalen Fläche '/rird die Schweißung als "Überkopf-Schweißung" bezeichnet.

Bei der Technik des Lichtbogenschweißens schmilzt der Lichtbogen einmal das Werkstück unter Bildung eines Schmelz-Puddels und zum anderen das Elektroden ende ab, wobei geschmolzene !Tröpfchen gebildet werden, die kontinuierlich über den Bogenspalt springen, sich mit dem Metall in der Schmelz-Puddel vermischen und eine Schweißraupe bilden, in der sich das Metall dann rasch verfestigt. Hierbei werden Mittel, wie beispielsweise ein körniges Flußmittel, Schutzgase oder in jüngster Zeib auch

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im Inneren einer Kemelektrode oder einer röhrenförmigen Elektrode angeordnete Flußmittel verwendet, um. den lichtbogen von der Atmosphäre abzuschirmen.

Kern-Schweißelektroden sind insbesondere zum Schweißen in anomaler Stellung erwünscht, weil sie keine von aussen zugeführtaiGase mit den zugehörigen Druckbehältern, Druckregulierventiles u« dgl. benötigen. Ausserdem erfordern sie keinen sperrigen Schweißkopf und keinen schweren Schlauch, der den Schweißkopf mit den Behältern verbindet, die das Halten des Schweißkopfes in angehobener Stellung beim halbautomatischen Schweißen sehr erschweren. Kernschweißelektroden benötigen auch keine unabhängig zugeführten, körnigen Flußmittel, die nicht nur unsauber sind, sondern auch sehr schwierig, wenn nicht unmöglich-, in Stellung gehalten werden können, wenn das Werkstück einen Winkel von4-5 überschreitet.

Wänrend Kernschweißelektroden viele Eigenschaften zu haben scheinen, die sie für das Schweißen in anomaler Stellung geeignet erscheinen lassen, ist bisher eine zufriedenstellende Elektrode für diesen Zweck noch nicht wirtschaftlich erhältlich.

Ein großer Teil von Schweißungen in anomaler Stellung wird an Fein- oder Dünnblechen ausgeführt. Bei solchen Blechen

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sind verhältnismäßig niedrige Lichtbogenströme erforderlich, ' z.B. in der Größenordnung von 50 - 100 Ampere, um ein Durchbrennen der Bleche zu vermeiden. Bei diesen niedrigen Strombleibt stärken wird der lichtbogen instabil und/nicht mehr scharf begrenzt und hat ausserdem nur eine ungenügende Kraft, um: 'die abgeschmolzenen !Tröpfchen vom Ende der Elektrode entgegen der Wirkung der Schwerkraft in das geschmolzene Schweißbad springen zu lassen.

Ein weiteres und sehr schwieriges Problem beim Schweißen in anomaler Stellung, insbesondere wenn der Oberflächenwinkel des Werkstückes 4-5° übersteigt, liegt darin, dass die Schwer= kraft auf das geschmolzene Schweißbad eine Seitenkraft; ausübt» Wenn diese Seitenkraft die Oberflächenspannung des geschmolzenen Schweißmetalles übersteigt,, fällt das gesamte · Schmelzbad einfach heraus und lässt in der Oberfläche des . Werkstückes einen Krater zurück.

Die bisher verwendeten Kernschweißelektroden arbeiteten am besten bei höheren Schweißströmen etwa zwischen 300 und 500 Ampere. Solche Ströme werfen zwei Probleme auf, so weit es sich um das Schweißen in anomaler Stellung handelt» Die Stromstärken sind so hoch, daß eine Schweißung auf Dünnblechen ohne Durchbrennen nicht durchgeführt werden kann. Weiterhin schmelzen die höheren Ströme soviel Metall ab, daß die Menge des zu jeder Zeit vorhandenen, geschmolzenen Metalle^ im all-

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gemeinen größer ist, als die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalles am Ort festhalten kann.

Eine bekannte Kernschweißelektrode enthielt ein Flußmittel, das gewöhnlich aus Oxyden eines oder mehrerer Metalle, wie

bestand Magnesium, Titan, Zirkon, Aluminium, Silizium od. dgl ./und mindestens ein oder mehr hochreaktive !Reduktionsmittel (oder Beruhigungsmittel), wie Magnesium, Titan, Zirkon, Aluminium, Silizium, Kalzium, Lithium od. dgl. und wenigstens ein oder mehr Halogenide des Alkalis und eines Erdakalimetalles oder Aluminiumfluorides enthielt. Die Oxyde brauchten nicht immer verwendet zu werden, solange das Reduktionsmittel ein Oxyd in dem Schlackensystem erzeugt.

Eine der besseren Elektroden dieser Art wurde von der Anmelderin unter der Bezeichnung "NS-JM" entwickelt, Aber auch diese Elektrode hatte bei kleinen Stromstärken eine solch geringe Bogencharakteristik, daß sie für das Schweißen von Dünnblechen in anomaler Stellung ganz unbefriedigend war. Ausserdem war die von einer solchen Elektrode erzeugte Schlacke so flüssig, daß es sehr schwierig oder unmöglich war, das Schmelzbad in Stellung zu halten.

Der Kern einer solchen Elektrode enthält eine schlacke-bildende und den Lichtbogen schützende Mischung, die im wesentlichen aus Kalziumfluorid und hochrealcfcionsfahigen Itaa-itallen,

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wie Magnesium und Aluminium besteht, die mit dem Sauerstoff in der Luft und in dem geschmolzenen Metall reagieren und Oxyde bilden, die dann Teil des Schlackensystems werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Elektroden zu vermeiden und eine Kernschweißelektrode zu schaffen, mit der in allen Stellungen geschweißt werden kann und deren Schlacke eine wesentlich höhere Viskosität besitzt, als die Schlacke der bekannten Elektroden.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung durch eine Elektrode der vorstehend genannten Art gelöst, die einen zusätzlichen und wesentlichen Bestandteil an Bar-ium und/oder Strontium und/oder ihrer "Verbindungen enthält. Die Kernschmelzelektrode nach der Erfindung besitzt also ein schlackenbildendes und lichtbogenschützendes System bestehend im wesentlichen aus Kalziumfluorid, Magnesium und Aluminium und/oder ihrer Oxyde und weist darüber hinaus als einen zusätzlichen und wesentlichen Bestandteil Bar^ium und/oder Strontium und/oder Verbindungen hiervon auf.

Diese zusätzlichen Bestandteile haben offenbar zwei, wesent·= liehe !Funktionen : Sie erzeugen einen lichtbogen, bei niedrigen Schweißströmen, der das besitzt^ was im allgemeinen als "Klemmeffekt" (pinch effect!? bekannt ist und worunter man einen elektromagnetischen Effekt auf dem Bogen versteht₉ der

BADORiGINAL

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eine Jbcialkraft in der Längsachse der Elektrode zur Folge hat. Die zusätzlichen Bestandteile ändern ferner anscheinend die Hitzeverteilung in dem lichtbogen und modifizieren die Zusammensetzung der Schlacke derart, daß eine wesentlich höhere Schlackenviskosität in Erscheinung tritt.

Die hochviskose Schlacke neigt dazu einen Damm zu schaffen, der das geschmolzene Metall daran hindert, unter der Wirkung der Schwerkraft aus dem Schweißbad auszulaufen. Der Klemmeffekt (pinch effect) übt auf den lichtbogen eine begrenzende Wirkung aus, die ihm bei niedrigen Stromstärken Kraft gibt und ihn beim Transport des ab ge schmolzenen Metalles vom Elektrodenende zu" einem" bestimmten. Punkt auf dem Schweißbad unterstützt* Hierdurch wird dem Schweißer beim Ziehen und Ablagern einer schmalen Seaweißraupe auf dünnen Feinblechen geholfen« -Natürlich, ist bei niedrigen Stromstärken auch der Einbrand geringer und infolgedessen auch die Gefahr des Durchbrennens des Werkstückes kleiner. Auch ist die Menge des aufgeschmolzenen Metalles viel geringer, so daß die Menge des geschmolzenen Metalles im Schweißbad kleiner ist oder nur diejenige Menge erreicht, welche die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalles entgegen der Wirkung der Schwerkraft festhalten kann. Die Elektrode arbeitet auch gut bei stärkeren Strömen.

Bei der Entwicklung der Elektrode nach der Erfindung wurde

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festgestellt, daß bei genügender Erhöhung der Viskosität der von einer Kernelektrode erzeugten Schlacke diese Schlakke als Damm genutzt werden konnte, um das geschmolzene Metall im Schweißbad festzuhalten, bis es eine Gelegenheit gefunden hatte, sich zu verfestigen. Wie oben bereits angedeutet, zeigte die NS-3M Kern-Elektrode unbefriedigende Ergebnisse. Nun aber wurde festgestellt, daß einer der Gründe hierfür darin lag, daß das Flußmittel eine solch niedrige Viskosität hatte, daß es praktisch auf das geschmolzene Schweißmetall keine Mickhaltewirkung ausübte, um es am Herausfallen zu hindern. Wenn beispielsweise die NS-3M Kern-Elektrode unter kontrollierten Bedingungen gegen einen einzelnen Punkt auf der Oberfläche einer Platte in einer anomalen Winkelstellung von 90° geführt wird, bleibt das geschmolzene Metall für annähernd 0,09 Minuten beginnend von dem Augenblick an in dem der Bogen abgerissen wurde, bis zu dem Augenblick, in dem das geschmolzene Metall und die Schlacke unter der Wirkung der Schwerkraft herausfällt, an seinem Platz. Die genauen Bedingungen, unter denen diese Versuche durchgeführt wurden werden im folgenden im einzelnen festgelegt und sollen hierbei als "Standard-Verfahren" bezeichnet werden. Die oben erwähnte Zeitspanne wird als "Badauiall-Zeit" bezeichnet.

Eine weitere Untersuchung zeigte, daß das Schweißen in anomaler Stellung viel leichter wurde, wenn die Schlackenviskosität so weit gesteigert werden konnte, daß die Schlacke

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das geschmolzene Metall für längere Zeit am Ausbrechen hinderte und daß das Schweißen in anomaler Stellung mit einer Kern-Elektrode vollends möglich wurde, wenn die Viskosität einen solchen Wert erreichte, daß die Badausfall-Zeit bei einer anomalen Stellung von 90° 0,11 Minuten erreichte, Wenn die Badausfall-Zeit jedoch 0,40 Minuten überstieg, wurde die Schlacke so steif, daß das Schweißen schwierig wurde.

Nach der Erfindung wurde nun eine Kernschweiß-Elektrode geschaffen, bei der das Schlackensystem eine so hohe Viskosität besitzt, daß die "Badausfall-Zeit" unter "Standard-Bedingungen" zwischen 0,11 und 0,40 Minuten liegt·

Mehr im einzelnen wird nach der Erfindung eine Kernschweißelektrode mit selbstschirmendem Flußmittel vorgesehen, die aus einem Röhrchen aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt besteht, das in seinem Inneren Flußmibbelbestandteile aufweisb, die in folgendem Bereich von Gewichtsprozenten des Gesamtgewichtes der Elektrode liegen :

Chemikalie . Gewich. bsprozenb-Bereich

Halogenide 1,1? bis 14,11 % Oxyde und Karbonabe 0 bis 3,0 %

RedukfcionsmUbel 1,64 bis 5,56 %

Legierun[.;8iaLbbel nach Bedarf oder Fiisenpulver und
Gußeisen 0 bis 31,0 %

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Ohemikal Gewichtsprozent-Bereich

Barium und/oder Strontium

und/oder Verbindungen hier·^

von 0,17 bis 5,10 % -

Elektrode Abgleichsbereioh

Im einzelnen enthalten die Bestandteile :

Chemikal Gewichtsprozent^Bereich

Kalzium-Fluorid 1,1$ bis 12,41 %

Kalium-Silizium-Fluorid' 0,00 bis 1,70 %

Magnesium 0,34 bis 2,5 %

Kalziumkarbonat 0,00 bis 2,5 %

Magnesiumoxyd 0,00 bis 2,5 %

Aluminium 1,30 bis 3,06 %

Gußeisenpulver 0,00 bis 10,30 %

Eisenpulver 0,00 bis 20,0 %

Aluminiumoxyd 0,00 bis 3,00 %

Barium oder Strontium oder

anorganische Verbindungen

von Barium oder Strontium 0,17 bis 5»10 %

Gußeisenpulver wird benötigt, um den Bestandteilen Kohlenstoff hinzuzufügen. Gewöhnlich ist Kohlenstoff in Gußeisen in Mengen von 2 bis 6 % vorhanden. Durch Ausgleich der Mengen von Eisenpulver und Gußeisenpulver kann die gewünschte Kohlenstoff menge der Schweißraupe zugeführt werden."

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1t

Der Gesamtgewichtsprozentsatz der Flußmittelbestandteile zum Gesamtgewicht der Elektrode liegt zwischen 11 % und 35 %» vorzugsweise zwischen 13, 5 % und 22,0 %,

Kernschweiß-Elektroden in dieser Zusammensetzung nach der Erfindung können zum Schweißen in allen Stellungen verwendet werden. Ihre Schlacke hat eine wesentlich höhere Visko sität als bisher "bekannte Elektroden und man kann mit ihr mit kleineren Bogenströmen zufriedenstellend alle Blechdicken, insbesondere auch Fein- oder Dünnbleche in allen Stellungen automatisch schweißen.

Wenn eine Schweiß-Elektrode nach der Erfindung gegen einen Punkt auf einem ^,J^mm dicken Blech unter 90 bei 22 Volt und 25O Ampere geführt wird, erzeugt sie ein Schmelzbad aus Stahl und Schlacke, das wenigstens 0,11 Minuten in Stellung gehalten wird.

Die Erfindung kann in bestimmten Schweiß-Elektroden und Schlackensystemen verkörpert sein, deren Eigenschaften durch bestimmte Prüfverfahren definiert sind, die durch die Zeichnung näher erläutert werden. In diesen zeigen :

Fig. 1 ein kurzes Stück einer Schweiß-Elektrode in einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung in einer seitlichen Ansicht und teilweise im Schnitt,

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. Fig. 2 die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendete Prüfvorrichtung in einer schematischen Darstellung und

Fig. 3 ein Diagramm, das die für verschiedene Elektroden aufgetragene Badausfall-Zeit in Abhängigkeit von der anomalen Winkelstellung der Werkstückoberfläche zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Schweiß-Elektrode E, die aus einem Stahlröhrchen 10 besteht, in deren Innerem Schweißbestandteile 11 in einer entsprechend der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Zusammensetzung fest zusammengepresst angeordnet sind, die ein Schlackensystem der gewünschten Viskosität erzeugen.

Das Röhrchen 10 ist vorzugsweise aus gewöhnlichem,niedrig gekohlten Stahl oder aus Flußstahl hergestellt, wie dies in der Schweißtechnik üblich ist. Es kann entweder aus einem, nahtlosen Bohr bestehen oder aus einem Band gefertigt sein, dessen Bänder 12 sich überlappen oder die vorzugsweise, wie dargestellt, gegeneinander anstoßen.

Die Elektrode nach Fig. 1 wird wie folgt hergestellt :

Zunächst werden die verschiedenen Flußmittelbestandteile wie nachfolgend beschrieben in den richtigen Gewichten bereitgestellt und sorgfältig derart durchmischt, daß sie in der ge-

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samten Masse gleichmäßig verteilt sind. Dann wird der Stahl in Form eines U-förmigen Bandes von im allgemeinen gleichförmiger Dicke bereitgelegt. Das U-förmige Band wird dann mit den gemischten Flußmittelbestandteilen in dem gewünschten Gewichtsprozentsatz gefüllt. Danach werden die Bänder des U-förmigen Bandes aneinander gebracht, um ein Röhrchen zu bilden. Danach wird das Röhrchen auf den gewünschten Enddurchmesser gezogen. Bei diesem Ziehen werden alle Flußmittelbestandteile 11 im Inneren des Röhrchens fest zusammengedrückt und es wird verhindert, daß sich die verschiedenen Bestandteile infolge der beim Umgang mit der Elektrode auftretenden Erschütterung beim Versand oder beim Gebrauch entmischen.

Der Durchmesser der Elektrode kann je nach Wunsch 0,8 bis 4,0 mm betragen. Bevorzugte Durchmesser sind 1,6 bis 3,2 mm. Die Wanddicke der bevorzugten Elektrode nach der Erfindung ist derart gewählt, daß ihre Querschnittsflache der Querschnittsfläche einer Vollstab-Elektrode mit einem Durchmesser von 1,4-7 bis 2,37 mm entspricht.

Fig. 2 zeigt eine Standard-Prüfvorrichtung und erläutert in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung entwickelte Verfahren zum Bestimmen eines Schlackensystems, das eine Viskosität besitz^ die im Bereich der Erfindung liegt. Damit diese Vorrichtung und das Verfahren in Zukunft für Vergleichszwecke und zur Ermittlung von Patentverletzungen leicht wiederholt werden kann, soll es genau beschrieben werden und wird im

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Nachfolgenden und in den Ansprüchen als "Standard-Verfahren" bezeichnet. · . —

Die in Fig· 2 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Tisch

einer

mit/einem Werkstück W zugewandten Oberfläche 21. Die gegenüberliegende Fläche des Tisches 20 trägt einen Fuß 22, der mit einem sich horizontal erstreckenden Zapfen 24 an einem vertikalen, feststehenden Bein 23 schwenkbar gelagert ist. Klemmvorrichtungen 25 dienen zum Festklemmen des Tisches 20 in jeder gewünschten Winkelstellung, so daß die Oberfläche aus einer horizontalen Lage von 0° bis in eine vertikale Stellung von 90° aufwärts gedreht werden kann. Der Tisch 20 ist in der 45°-Stellung in ausgezogenen linien und in der 90°- Stellung in strichpunktierten Linien dargestellt.

Das werkstück W besteht aus einer flachen Platte aus Flußstahl mit einer Dicke von 6,35 mm, einer Breite von 50,8 mm und einer Länge von 458 mm. Das Werkstück W ist im Abstand von der Oberfläche 21 auf Kupferblöcken 30 befestigt, die eine Breite von 76 mm, eine Dicke von 9»5 mm und eine Länge 25,4 mm haben. Diese Blöcke sind zwischen dem Werkstück W und dem Tisch 20 derart angeordnet, daß ihre lange Kante mit den Rändern des Werkstückes W fluchtet. Zwingen C dienen zum Festhalten des Werksückes W in wärmeleitender und elektrischleitender Verbindung mit den Kupferblöcken 30. Der die Elektrode E vorschiebende und mit Strom vers&rgende Apparat ist eine ge-

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bräuchliche Hanascliweißpistole und nur schematisch, durch ein Paar Elektrodenzuführungsrollen 35 angedeutet, die von einem Elektromotor M angetrieben werden, der auf jede gewünschte Zuführungsgeschwindigkeit eingestellt werden kann und nach seiner Einstellung bei dieser Geschwindigkeit kontinuierlich weiter-arbeitet. Die Zuiührungsrollen 35 schieben die Elektrode E an Kontakten 36 vorbei, deren Enden sich in einem Abstand von,31»8 mm von der Oberfläche des Werkstückes W befinden. Dieser Abstand ist als "elektrischer Stockabstand" (electrical stick out) bekannt.

Die bei dem "Standard-Verfahren" verwendete Elektrode war eine Eern-Elektrode der oben beschriebenen Art mit einem

^!' Durchmesser von 2 mm. ( 5/64-")

Elektroden mit verschiedenem Durchmesser haben verschiedene optimale Schweißströme. Je größer die Elektrode ist, umso größer wird die optimale Stromstärke und umso größer wird die Menge des abgelagerten Metalles sein. Je größer die abgelagerte Metallmenge ist, umso schwieriger ist es, in anomaler Stellung zu schweißen. Bei einer größeren Menge abgelagerten Metalles ist der Winkel zur Horizontalen bei gegebener Ausfallzeit kleiner. Ein Ausfalltest kann natürlich für jede mögliche Elektrodengröße aufgestellt werden, die Größe von 2 mm wurde Jedoch bei der Wiedergabe der Ansprüche gewählt, da sie die beste Größe zum Schweißen in anomaler Stellung darstellt.

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Bin Gleichstromerzeuger G ist mit seiner negativen Anschlußklemme an die Kontakte 56 und mit seiner positiven Anschlußklemme an das Werkstück W angeschlossen. Für den Vorschub der Elektrode seitwärts zum Werkstück ist keine Vorsorge getroffen. Die Testversuche zum Nachweis der Erfindung umfassen mit anderen Worten in einfacher Weise nur den Vorschub der Elektrode zu einem einzelnen Punkt des Werkstückes W. Die Bad-Ausfallzeit begann mit dem Abreißen des Lichtbogens und endete, wenn das Schmelzbad unter der Wirkung der Schwerkraft aus der Schweißstelle auiiel.

Der verwendete Generator war ein handelsüblicher SAP 300-F 162 Gas-Maschinenschweißgenerator, hergestellt von der Firma The Lincoln Electric Company, Cleveland, Ohio (-USA). Die Volt-Ampere-Kijuve des Generators war so ausgelegt, daß bei Stromlosigkeit die Leerlaufspannung an den Ausgangsklemmen 30 Volt betrug. Bei einer Stromstärke von 250 Ampere betrug die Spannung 22 Volt und bei Kurzschluß lag die Stromstärke bei 750 Ampere. -

Die zu prüfende Elektrode E wurde eingeführt und gegen ein Probewerkstück vorgeschoben, wobei die Geschwindigkeit des Motors -M so genau eingestellt wurde, daß der Schweißstrom 250 Ampere betrug, gemessen an einem Standard-Messgerät. Das Werkstück W von Zimmertemperatur wurde wie gezeigt an dem Werkstücktisch festgeklemmt und der Tisch dann bis zu dem gewünschten Winkel geschwenkt. Die Elektrode E wurde dann auf

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einer Bewegungsbahn rechtwinklig zur Oberfläche des Werkstückes W gegen einen einzelnen Punkt geführt. In dem Augenblick, in dem der Lichtbogen abriss, wurde die Zeitmessung eingeleitet und dann konnte sich die geschmolzene Schlacke und das geschmolzene Metall ansammeln. Die Schlacke bildete einen ringförmigen Damm, der das als Puddel in der Mitte befindliche geschmolzene Metall umgab und stützte. Nach einer bestimmen Zeitspanne überwand das Gewicht der geschmolzenen Schlacke und des Metalles die Viskosität der Schlacke und der Haufen des geschmolzenen Metalles und der geschmolzenen Schlacke brach in sich zusammen und fiel heraus. In diesem Augenblick wurde die Zeitmessung unterbrochen. Die Versuche wurden dann für verschiedene anomale Winkelstellungen wiederholt und die Bad-Ausfallzeit wurde für jede Elektrode E in Abhängigkeit von der anomalen Winkelstellung aufgetragen.

Die Ergebnisse sind in Pig. 3 dargestellt. Kurve 50 ist die Kurve einer von der Firma The Lincoln Electric Company hergestellten Elektrode NS-3M. Sie war die beste Kurve einer bis dahin erhältlichen Elektrode. Bei einem Winkel von 90° lag die maximal erreichbare Bad-Ausfallzeit bei 0,09 Minuten. Die Zeitspanne wuchs nur geringfügig an, wenn der Winkel der anomalen Stellung bis auf annähernd 60° abnahm. Zu diesem Punkt wuchs dann die Zeitspanne wesentlich an. Die Bad-Ausfallzeit der Kurve 50 ist für das Schweißen in einer anomalen Stellung von 90° ungenügend.

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Wie bereits ausgeführt wurde, wurde nun gefunden, daß eine Elektrode in allen anomalen Stellungen zufriedenstellend arbeitet, wenn die Bad-Ausfallzeit bei einer anomalen Winkelstellung von 90° auf 0,11 Minuten anwächst. Nach der Erfindung wird deshalb eine Elektrode vorgesehen, bei der unter Standard-Bedingungen und bei einer anomalen Winkelstellung von 90° die Bad-Ausfallzeit für die Masse des geschmolzenen Metalles und der Schlacke mehr als 0,11 Minuten beträgt. Kurve 51 zeigt die Ergebnisse, die mit Elektrode I erhältlich sind, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Zeitspanne in Minuten der Kurve 51 ist annähernd 110 % größer als die Zeitspanne in Minuten bei der Kurve 50 bei einer anomalen Stellung von 90°. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung dar.

Kurve 52 zeigt die Ergebnisse, die mit Elektrode V erhalten worden sind. Hierzu wird bemerkt, daß die Zeitspanne bei einer anomalen Winkelstellung von 90° annähernd 144 % größer ist als die Zeitspanne in Minuten der Kurve 50, die, wie festgestellt, die beste, für diesen Zweck bis dahin bekannte Elektrode darstellte. Das Schlackensystem der Elektrode V besitzt eine höhere Viskosität, so daß das Schweißen mit ihr in einigen Anwendungsgebieten etwas schwieriger wird. Es wird angenommen, daß die obere Grenze der Viskosität bei den gebrach- ■ liehen Anwendungsgebieten etwa bei 0,AO Minuten in einer um 90° von der Horizontalen abweichenden Stellung liegen dürfte.

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Im Folgenden sind Mischlingen eines Flußmittels angegeben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, wobei die Gewichte in Prozentsätzen des Gesamtgewichtes der Elektrode angegeben eind :

Elektrode I	4,30%
Kalzium-Fluorid	0,18 %
+ Kalium-Silizium-Fluorid	0,75 %
Magnesiumoxyd	0,75%
Aluminiumoxyd	0,38 %
Kalziumkarbonat	0,96 %
Magnesium	2,25 %
Aluminium	4,30 %
++ Gußeisenpulver	1,13 %
Barium-Fluorid .	85,00 %
Abgleich-Elektrode

100,00

+ zusammengesetzt aus

Silizium	12	,7	%
Kalium	35	,0	%
Fluor	51	,0	%
Verunrei
nigungen	1	,3	°/°

100,0 %

++ 4 bis 6 % Kohlenstoff

Der Gesamtgewichtsprozentsatz der Flußmittelbestandteile im Verhältnis zum Gesamtgewicht der Elektrode kann zwischen 11 °/o und 35 % variieren, er soll jedoch vorzugsweise 13,5 bis

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22,0 % betragen.

Bei anderen Zusammensetzungen nach der Erfindung wird das Barium-Fluorid der oben angegebenen Zusammensetzung durch folgende Stoffe ersetzt :

Elektrode It
Bariumtitanat 1,02 %

Elektrode III
Bariumkarbonat 1,02 %

Elektrode IY
BariunHfetra-Aluminid 1,02 %

Elektrode V
Barium-Fluorid 1,53 %

Elektrode YI

Strontium-JPluorid 1,02 %

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Elektrode 711

Eine andere Zusammensetzung, die ebenfalls zufriedenstellend arbeitet ist folgende t

Kalzium-Flüorid	3,89 %
Kalium-Silizium-JTuorid	0,17 %
Magejaisum	0,87 %
Kalziumkarbonat	0,34 %
Mag^siumoxyd	0,68 %
Aluminium	2,38 °/o
Gußeisenpulver (4 bis 6 % Kohlenstoff)	5,61 %
Eisenpulver	2,04%
Barium-Pluorid	1,02 %
Abgleich-Elektrode	83*00 %

100,00 % -

Es ist zu bemerken, daß bei allen aufgeführten Ausführungsbeispielen eine Barium- oder Strontium-Verbindung zu finden ist. Eine ausgedehnte Serie von Versuchen hat ergeben, daß keine anderen Elemente als Barium oder Strontium die Viskosität der Schlacke erhöhen, um die für die vorliegende: Erfindung notwendigen Ergebnisse zu liefern.

Bas US-Patent Nr. 2 909 ??8 führt in Beispiel 12 Barium-Fluorid als Schutzmittel auf. Keine anderen Fluoride sind in diesem

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19 TSB 38

Beispiel offenbart. Eine Elektrode nach dieser Zusammensetzung, jedoch mit hinzugefügter .EisenpulverfüHung wurde hergestellt und dem "Standard-Verfahren" unterworfen. -Die Ergebnisse dieses Beispieles 12, wobei 10,00 % Eisenpulver zugefügt waren, so daß die Gesamtfülixnig 16,75 % des Elektrodengewichtes ausmachte, sind in Kurve 53 dargestellt* Es ist darauf hinzuweisen, daß die Ergebnisse deutlich unterhalb von denen der Kurve 50 liegen.

Eine ähnliche Zusammensetzung wurde hergestellt, worin die

Menge des Eisenpulvers auf 19»30 % des Gesamtgewichtes der Elektrode erhöht wurde und die Millung insgesamt 24-, 52 % des Gesamtgewichtes der Elektrode ausmachte. Die Ergebnisse einer solchen Elektrode sind in Kurve 54- aufgetragen« Ss wird hier auch darauf hingewiesen, daß diese Ergebnisse schlechter sind als diejenigen der Kurve 53«

Bei der Zusammensetzung des Beispieles 12 nach der genannten US-Patentschrift wird Barium-Fluorid als Schutzmittel verwendet» Bei der Elektrode nach der vorliegendem Erfinduag ist Kalzium-Sluorid in erster linie das Schutzjaittel* Magnesium;" und Aluminium fungieren als Heduktionsmittel, während ihre Oxyde zur Sehlackenviskösität* beitragen gemeinsam mit der Barium- oder Stroni^tum-Terbindung» die sowohl zur Erhöliung der Viskosität der Schlacke als auch zur Erzeugimg/einer Klemmwirkung 'BMt. das sieh aas:-;3§&de. der Blektrode bildende '

geschmolzene Metall eingesetzt wird und auf dieses eine Kraft ausübt, um es in kleinen Tröpfchen auf das Werkstück zu übertragen. Man erkennt bei einem Vergleich der Kurven 53 und 54- mit den Kurven 51 und 52» daß Barium-Fluorid allein nicht die gewünschten Ergebnisse liefert. Ohne die Erfindung zu beschränken, wird angenommen, daß die höhere Viskosität aus der Kombination aller Verbindungen in dem Schlackensystem herrührt z.B. aus Kalzium-Pluorid, Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd und dem Barium- oder Strontium-Ion, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Hitzeverteilung im lichtbogen, die Erstarrungstemperaturen und die Viskosität der geschmolzenen Schlakkenmischung bei Änderung der entsprechenden Anteile der verschiedenen Elemente oder hierin enthaltenen Verbindungen variieren.

Ein weiteres Äusführungsbeispiel der Erfindung ist folgendes :

Kalzium-Fluo rid	4,52 %
Magnesium	1, 34 %
Kalziumkarbonat	1,27 %
Magnesiumoxyd	0,83 %
Aluminium	2,15 %
Gußeisenpulver (2,5 5 stoff)	6 Kohlen- 0,79 %
Barium-Fluorid	1,24 %
Eisentitan	0,03 %
Eisenpulver	^,33 %
Abgleieh-Elektrode	83,50%
	.100,00 %

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Offensichtlich können noch andere Bestandteile zur Legierung des Schweißmetalles, zur Verbesserung der Schlackencharakteristiken und dergl. in dem Kern eingeschlossen sein, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird.

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Claims (15)

In 502 31. 5. 1969 ist Patentansprüche

1. Bogenschweißelektrode, bestellend aus einem Röhrchen aus Flußstahl, in dessen Innerem schlackenbildende Bestandteile angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Badausfallzeit der schlackebildenden Bestandteile 0,11 Minuten überschreitet, wenn diese Bestandteile in einer Elektrode mit einem Durchmesser von 1,98 mm (5/64·") untergebracht sind und unter "Standardbedingungen" gegen eine Platte in einer anomalen Winkelstellung von 90° geschmolzen werden.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Badausfallzeit zwischen 0,11 und 0,40 Minuten liegt.

3. Bogenschweißelektrode, bestehend aus einem Röhrchen aus Flußstahl, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Röhrchens als Hauptbestandteile ein oder mehrere.hochreaktionsfähige Reduktionsmittel wie Magnesium, Aluminium, Zirkonium, Titan, Kalzium, Lithium und dergl., ferner ein oder mehrere Materialien wie Aluminiumfluorid, Halogenide der Alkalimetalle, der alkalischen Erdmetalle und/oder Materialien enthalten sind, die in der Hitze des Lichtbogens zu solchen Halogeniden zerfallen oder sich zu ihnen verbinden, und daß zu diesen Bestandteilen Barium und/oder Strontium und/oder Verbindungen hiervon hinzutreten. 909841/1167 -26-

191S838

4·. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Röhrchens als Hauptbestandteile 0,34- bis 5,56 Ge^ Wichtsprozente eines hochreaktiönsfähigeii Reduktionsmittels, bestehend aus Magnesium, Aluminium, Zirkonium, Titan, Kalzium, Lithium oder dergl., 1,19 bis 12,4-1 % Kalziumfluor id, Halogenide der Alkalimetalle und der alkalischen Erdmetalle und/oder von Materialien enthalten sind, die in der Hitze des 14-chtbogens zu solchen Halogeniden zerfallen oder sich zu. ihnen verbinden, und daß die Menge des Bariums und/oder Strontiums und/oder ihrer Verbindungen 0,17 bis 5»10 Gewichtsprozente beträgt. '

5. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile von folgenden Elementen oder Terbindüägen in Gewichtsprozenten des Gesamtgewichtes der Elektrode gebildet werden:

Chemikal Bereich

Halogenide 1,19 Ms 14,11 %

Oxyde und Karbonate 0 bis 8,0 %

Reduktionsmittel 1,64- bis 5,56%

Legierungsbestandteile soweit
erforderlich oder Eisenpulver
oder Gußeisen 0 bis 31,0 %

Barium und/oder Strontium und/oder

Verbindungen hiervon 0,17 bis 5,10%

Abgleich-Elektrode

- 27 909841/1167

6. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch, gekennzeichnet, daß die Bestandteile von folgenden Elementen oder Verbindungen in Gewichtsprozenten bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode gebildet werden:

Ghemikal Bereich

Kalziumfluorid 1,19 bis 12,41 %

Ealium-Silizium-Fluorid 0,00 bis 1,70 %

Magnesium 0,34 bis 2,5 %

Kalziumkarbonat 0,00 bis 2,5 %

Magnesiumoxyd 0,00 bis 2,5 %

Aluminiumoxyd 0,00 bis 3,0 %

Aluminium 1,3 bis 3,06 %

Gußeisenpulver 0,00 bis 10,03 %

Eisenpulver 0,00 bis 20,0 %

Barium und/oder Strontium und/oder

Verbindungen hiervon 0,17 bis 5,10 %

wobei das Gewicht der Plußmittelbestandteile bezogen auf das Gewicht der Elektrode 11 bis 35 % beträgt.

7. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Bestandteil Bariumfluorid ist.

8. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Bestandteil Bariumtitanat ist.

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9. Elektrode nach Anspruch. 3» dadurch gekennzeichnet, daß. der zusätzliche Bestandteil Bariumkarbonat ist.

10. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Bestandteil Bariumtetraaluminid ist.

11. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Bestandteil Strontiumfluorid ist.

12. Elektrode nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Badausfallzeit unter Standardbedingungen zwischen 0,11 und 0,40 Minuten liegt.

13· Elektrode nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile: ..--■-."■-.

Kalziumfluorid 4,30 Kalium-Silizium-Pluorid 0,18 Magne s iumoxyd 0,75 Aluminiumoxyd 0,75 Magnesium 0,96 Kalziumkarbonat 0,38 Aluminium 2,25 Gußeisenpulver (4bis 6 % Kohlen
stoff) 4,30 Bariumfluorid 1,13 Abgleich-Elektrodenstahl 85.00 100,00

.9 09841/1167 — 29 -

14. Elektrode nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile:

Kalziumfluorid 3,89 %

Kalium-Silizium-Fluorid 0,17 %

Magnesium 0,87 %

EaIζiumkarbonat 0,34 %

Magnesiumoxyd 0,68 %

Aluminium 2,38 %

Gußeisenpulver (4 bis 6 % Kohlenstoff) 5,61 %

Eisenpulver 2,04 %

Bariumfluorid 1,02 %

Abgleich-Elektrode 83,00 %

- 100,00 %

15. Elektrode nach Anspruch 3,gekennzeichnet durch folgende Bestandteile:

Kalziumfluorid 4,52 %

Magnesium 1,34 %

Kalziumkarbonat 1,27 %

Magnesiumoxyd 0,83 %

Aluminium 2,15 % Gußeisenpulver (2,5 % Kohlenstoff) 0,79 %

Bariumfluorid 1,24%

Eisentitan 0,03 %

Eisenpulver 4,33 %

Abgleich-Elektrode 8

909841/1167 ^

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