DE19617759A1 - Geschlossene Fülldrahtelektrode zum Schweißen - Google Patents

Geschlossene Fülldrahtelektrode zum Schweißen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf geschlossene Fülldrahtelektroden zum Schweißen, auch Fülldrähte genannt. Diese werden zum Verbindungs- und Auftragsschweißen eingesetzt.
Fülldrähte und Füllbänder stellen die Umkehrung umhüllter Stabelek­ troden dar und weisen dabei den entscheidenden Vorteil einer "end­ losen" Elektrode auf. Sie können im Inneren, vergleichbar mit der Umhüllung der Stabelektrode, lichtbogenstabilisierende, schutzgas­ bildende sowie schlackebildende Komponenten aufweisen. Darüber hin­ aus können metallische Bestandteile (reines Eisen und Eisen-Legierungs­ elemente) zugegeben werden. Abgestimmt auf den jeweiligen Anwendungs­ fall werden Fülldrähte vor allem zum Metall-Schutzgasschweißen, zum Metallichtbogenschweißen (mit selbstschützenden Fülldrähten) und zum UP-Schweißen eingesetzt. Mit Fülldrähten können Legierungen erzeugt werden, die aufgrund der Zusammensetzung und/oder Härte nicht als Massivdraht gezogen werden können.
Die Eigenschaften und das Schweißverhalten von Fülldrähten werden ins­ gesamt geprägt durch die Zusammensetzung der Füllstoffe sowie durch die Form und Größe des stromführenden Mantelquerschnitts. In diesem Zusammen­ hang wird das Verhältnis von Mantel- zu Füllgewicht als Füllgrad oder Füllfaktor bezeichnet. Von der Form her werden Falz- und geschlossene Röhrchendrähte unterschieden.
Geschlossene Fülldrähte werden hergestellt durch Einrütteln eines agglo­ merierten Füllpulvers in ein Rohr mit definiertem Durchmesser, das an­ schließend durch Ziehen und/oder Walzen auf einen vorgegebenen Enddurch­ messer reduziert wird (CH-PS 483 290).
Der Vorteil von geschlossenen Fülldrähten ist, daß im agglomerierten Füllpulver aufgrund der Fixierung durch Wasserglas die Komponenten gleichmäßig verteilt sind, was beim Verschweißen dieses Fülldrahtes zu einer homogenen Verteilung der Legierungselemente im Schweißgut führt. Der Draht läßt sich nach dem Herunterziehen verkupfern, was zu sehr guten Gleiteigenschaften beim Drahtvorschub führt. Die Lagerfähigkeit ist vergleichbar mit Massivdrähten. Es erfolgt auch bei längerer Lagerung keine weitere Wasseraufnahme. Ein für eine hohe Kaltrißsicherheit niedriger Wasserstoffgehalt im Schweißgut von kleiner 3 ml wird bei schlackeführenden Fülldrahtelektroden sowohl bei basischer als auch bei rutiler Schlackecharakteristik erreicht.
Ein Nachteil der geschlossenen Fülldrähte besteht darin, daß aufgrund der Zugabe von Wasserglas zum Agglomerieren zusätzliche Schlackebildner in das Füllpulver eingebracht werden. Vor allem bei metallpulvergefüllten Fülldrähten kommt es dabei zur Bildung von Schlackeinseln auf der Naht­ oberfläche, die beim Mehrlagenschweißen aufgrund von Anhäufungen an Schlacke auf der Schweißnahtoberfläche zusätzlichen Reinigungsaufwand erfordern. Außerdem wird bei diesen Drähten über das Wasserglas Feuchtig­ keit eingebracht, die auch nach dem Trocknen nicht auf kleiner 0,15% Wasseranteil reduziert werden kann. Bei diesen Drähten kann ein Wasser­ stoffgehalt von kleiner 5 ml im Schweißgut nicht sicher erreicht werden. Aufgrund des langen Transportweges im Füllrohr und der damit verbundenen Entmischung werden ausschließlich agglomerierte Füllpulver zur Herstellung von geschlossenen Fülldrähten verwendet. Durch Verwendung verschiedener Metallkomponenten sind vor allem bei kleineren Durchmessern (1,2 mm) nur geringe Füllgrade bis zu 12% erreichbar. Ansonsten kommt es zu Ab­ rissen beim Herunterziehen auf Fülldurchmesser.
Zur Herstellung von Fülldrähten werden die verschiedensten Kombinationen an Pulvergemischen eingesetzt. Aufgrund einer Vielzahl möglicher Einfluß­ faktoren und Anwendungsmöglichkeiten sind die Formeln auf empirischer Basis entwickelt. Zur Gewährleistung der schweiß- und legierungs­ technischen Eigenschaften werden in die Füllpulver Metallpulver als Legierungselemente und Desoxydationsmittel und nichtmetallische Kom­ ponenten als Schlacke- und Gasbildner zugegeben. Dabei werden die verschiedensten Metallpulver, z. B. FeMn; FeCrC; Ni; Fe usw., mitein­ ander kombiniert. Die einzelnen Komponenten dieser Pulvermischungen müssen hohen Anforderungen bezüglich Konstanz in ihrer Zusammensetzung und Korngrößenverteilung erfüllen.
Es ist bekannt, Metallpulver für Falzdrähte durch Verdüsen herzustellen. Beim Verdüsen wird eine Schmelze mit der entsprechenden Legierungs­ zusammensetzung erzeugt, die anschließend über ein Düsensystem in Wasser oder in Gasen - Stickstoff, Argon - verdüst wird. Dem folgt ein nach­ folgendes Trocknen und Aussieben auf Korngröße. Die verdüsten Legierungen sind sehr gleichmäßig in ihrer chemischen Zusammensetzung. Durch die Art der Verdüsung kann die Korngröße dieser Legierungen beeinflußt werden. Gemäß DD 2 65 514 ist Falzdraht zum UP- Hartauftragschweißen bekannt, der mit einer wasserverdüsten Legierung gefüllt ist und eine bestimmte Härte des Schweißgutes gewährleistet. Diese Legierung be­ inhaltet einen relativ hohen Sauerstoffgehalt (2000 ppm), was beim UP-Auftragschweißen, wo eine bestimmte Härte und Verteilung an Hart­ stoffen in der aufgeschweißten Schicht erforderlich sind, und somit ein erhöhter Sauerstoff- und Wasserstoffgehalt keinen negativen Ein­ fluß auf die Eigenschaften der Verschleißschutzschicht haben, keine Rolle spielt.
Aufgabe der Erfindung ist eine geschlossene Fülldrahtelektrode, welche die Nachteile einer Füllung mit agglomerierten Pulvern nicht mehr auf­ weist.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. überraschenderweise hat sich gezeigt, daß vorzugs­ weise in Wasser verdüste Metallschmelzen der erfindungsgemäßen Zu­ sammensetzung als Pulver für geschlossene Fülldrähte verwendet werden können und gegenüber den bisher verwendeten agglomerierten Pulvern wesentliche Vorteile aufweisen.
Ein Vorteil besteht in der Erhöhung der Abschmelzleistung des erfindungs­ gemäßen Fülldrahtes wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist. Diese ist höher als bei agglomerierten geschlossenen Fülldrähten und auch gegenüber Falz­ drähten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße wasserver­ düste Schmelze in sehr kleinen Korngrößen hergestellt werden kann, die vorzugsweise < 0,2 mm sind. Eine hohe Homogenität in der chemischen Zusammensetzung auch bei den kleinen Legierungsanteilen ist durch die Erfindung gewährleistet.
Die Spritzerbildung und Rauchentwicklung beim Schweißen kann durch die Erfindung wesentlich reduziert werden.
In den Ansprüchen 2 und 3 sind zusätzliche Bestandteile beansprucht, die der Legierung nach Anspruch 1 einzeln oder zu mehreren zugegeben werden können um den geschlossenen Fülldraht der Schweißaufgabe an­ zupassen.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung werden die genannten Vor­ teile der Erfindung besonders dann erzielt, wenn die Temperatur der zu verdüsenden Schmelze zwischen 1300°C bis 1600°C liegt.
Bei wasserverdüsten Metallpulvern ist im allgemeinen ein hoher Sauer­ stoff- und Wasseranteil im Metallpulver zu erwarten. Der Sauerstoffan­ teil ist vor allem bei manganhaltigen Legierungen im hohen Bereich, da während des Schmelzvorganges ein hoher Anteil an Sauerstoff aus der umgebenden Luft aufgenommen wird. So ergaben Untersuchungen, daß Legierungselemente wie Mangan, Titan diesen Anteil erhöhen. Nach dem Trocknen sind bestimmte reduzierende Maßnahmen notwendig. Der Sauer­ stoffgehalt kann durch Reduktion, z. B. im Ofen unter reduzierender Wasserstoffatmosphäre, verringert werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird für Füllungen für geschlossene Fülldrähte vorgeschlagen, der Schmelze einen Modifikationsdraht zu­ zuführen, der aus einer metallischen Hülle besteht mit einer Füllung in Gewichtsprozent aus
CaMg 10-55%
CaSi 0-40%
Der modifizierende Draht wird unmittelbar vor dem Verdüsen bzw. beim Verdüsen in den relativ kleinen Verdüsungskegel des schmelzflüssigen Metalls eingegeben.
Neben den im Anspruch 6 genannten Bestandteilen können einzelne oder mehrere der im Anspruch 7 genannten Zusätze dem Modifikationsdraht zugegeben werden.
Dieser Draht enthält CaSi, CaMg als wasser- und sauerstoffabbindende Elemente. Gleichzeitig kann über diesen Weg Titan bzw. FeTi mit hohem übergangskoeffizient als Mikrolegierungselement in die zu verdüsende Legierung eingebracht werden. Damit wird erreicht, daß die erstgenannten Elemente weitestgehend Sauerstoff abbinden, so daß Titan als Mikro­ legierungselement in das Metallpulver übergeht. Die genannten Elemente können nicht vorher in die Schmelze eingegeben werden, da diese in dieser Phase ihre Wirkung als starke Desoxydationsmittel verlieren.
Es wurde gefunden, daß über diesen Weg der Sauerstoffgehalt in der wasserverdüsten Füllung um ca. 40% gesenkt wird. Gleichzeitig wird ein relativ rundes Korn erzeugt, was die Rieselfähigkeit des Metallpulvers verbessert. Das zeigte sich darin, daß auch bei maximaler Korngröße 200 µm eine gute Rieselfähigkeit erzielt wird. Vor allem bei ge­ schlossenen Fülldrähten hat das Bedeutung, da bei diesen das Füllpulver über eine Länge bis zu 800 m in das Füllrohr eingerüttelt wird.
Anwendungsbeispiele Beispiel 1
Metallpulvergefüllter, geschlossener Fülldraht zum Verbindungsschweißen gekennzeichnet durch folgende Eigenschaften:
Zusammensetzung des Füllpulvers:
0,56% C; 60,2% Cr; 6,3% Mo; 1,4% Ni; 1,4% V; 0,3% Nb; 7,0 Mn; 2,8% Si; O₂ 1400 ppm; Stampfdichte 4,1 g/cm³.
Dieses Füllpulver wurde mit einem Füllfaktor von 6 : 1 = 14,2% in ein Füllrohr gefüllt und anschließend auf einen Durchmesser von 1,2 mm herunter­ gezogen.
Dieser Draht wurde mit 250 A; 27 V unter Mischgas M 21 verschweißt. Der Fülldraht zeigte für diese Legierung ein gutes Schweißverhalten mit ge­ ringer Rauch- und Spritzerbildung, so daß die Gasdüse kaum verschmutzte. Der Lichtbogen war stabil. Die Benetzung mit dem Grundwerkstoff war ohne Einbrandkerben.
Im Schweißgut wurde folgende chemische Zusammensetzung erzielt:
0,082% C; 8,4% Cr; 0,95% Mo; 0,26% Ni; 0,21% V; 0,04% Nb; 0,9% Mn; 0,25% Si; 0,05% N. Damit entspricht diese Zusammensetzung einem Chromstahl vom Typ P 91. Die Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur betrug nach einer Wärmebe­ handlung 60 J.
Beispiel 2
Metallpulvergefüllter geschlossener Fülldraht zum Verbindungsschweißen ge­ kennzeichnet durch folgende Eigenschaften:
Zusammensetzung Füllpulver:
0,6% C; 6% Si; 15% Mn; 4,5% Cr; 3,8% Mo; 17% Ni, Stampfdichte 3,28 g/cm³
Dieses Füllpulver wurde mit einem Füllfaktor von 8 : 1 = 11,11% in ein Füllrohr gefüllt und anschließend auf einen Durchmesser von 1,2 mm heruntergezogen.
Diese Legierung wurde unter Mischgas M 21 bei 250 A; 28 V verschweißt. Der Fülldraht zeigte ein gutes Schweißverhalten mit geringer Spritzer­ bildung.
Folgende mechanische Gütewerte wurden ermittelt:
Zugfestigkeit Rm bei Raumtemperatur 787 N/mm²
Streckgrenze ReH 712 N/mm²
Kerbschlagarbeit bei -40°C 60 J
Beispiel 3
Metallpulvergefüllter geschlossener Fülldraht zum Verbindungsschweißen, wobei der Schmelze der Füllung ein Modifikationsdraht zugeführt wurde.
Zusammensetzung Füllpulver:
1,1% C; 15,7% Mn; 6,5% Si; 0,3% Ti; O₂ - 1000 ppm; Stampfdichte 2,86 g/cm³
Zusammensetzung Modifikationsdraht:
CaSi 35%; CaMg 55%; FeTi 10% (Anteil des Pulvers im Draht 59%).
Der Wassergehalt des Füllpulvers betrug 0,07%, dagegen liegt der Wassergehalt bei agglomerierten Pulvern nach dem Trocknen im Be­ reich von 0,2%.
Dieses Pulver wurde in ein Füllrohr durch Einrütteln gefüllt. Der Füllfaktor betrug 8 : 1 = 11,11%. Nach dem Füllen wird das Füllrohr auf einen Enddurchmesser von 1,2 mm heruntergezogen.
Dieser Draht wurde bei 250 A mit 28 V verschweißt. Bei diesen Para­ metern wurde mit 0,8/min eine niedrigere Rauchgasmenge als bei handelsüblichen metallpulvergefüllten geschlossenen Fülldraht (1,3 g/min) erreicht.
Folgende mechanische Gütewerte wurden ermittelt:
Zugfestigkeit Rm bei Raumtemperatur 556 N/mm²
Streckgrenze ReH 511 N/mm²
Kerbschlagarbeit bei 20°C 170 J
Kerbschlagarbeit bei -2°C 90 J
Der Wasserstoffgehalt lag mit 2,9 ml/100 g Schweißgut unter 3 ml.
Der Fülldraht zeigte sehr gute Schweißeigenschaften. Beim Schweißen von Kehlnähten auf zunderbehafteten Oberflächen wurden keine Einbrandkerben festgestellt.
Dieser Fülldraht konnte in einem weiten Parameterbereich von 80 bis 460 A verschweißt werden. Bei dem mit der alten Technologie hergestell­ ten Fülldraht kam es schon bei 380 A zu Überhitzungserscheinungen auf der Schweißnahtoberfläche.
Falzdrähte hatten bisher gegenüber geschlossenen Fülldrähten den Vor­ teil einer höheren Abschmelzleistung, bedingt durch einen höheren Füllpulveranteil (Füllfaktor). Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Mehrkomponentensysteme durch Verdüsen zeigte es sich, daß bei ge­ schlossenen Fülldrähten mindestens die gleichen Abschmelzleistungen wie für Falzdrähte erzielt werden können. Dies wird darauf zurückge­ führt, daß diese Mehrkomponentensysteme eine niedrigere Schmelz­ temperatur als mechanisch gemischte Füllpulver besitzen. Das führt dazu, daß die Schmelzwärme, die beim Schweißen entsteht, besser um­ gesetzt werden kann. Das heißt, bei Pulvergemischen wird in der 1. Phase Wärmeenergie verbraucht, um im Mikrobereich das mechanische Gemisch in eine Legierung umzuwandeln. Erst in der 2. Phase kommt es dann zur entsprechenden Tropfenbildung. Es wird also weniger Wärme­ energie zum Abschmelzen benötigt. Es kann pro Zeiteinheit eine höhere Abschmelzleistung erbracht werden.
Diese Legierungen sind natürlich auch als einzelne metallische Kom­ ponente für schlackeführende Fülldrähte nutzbar (rutil/basisch). Erste Versuche verliefen erfolgsversprechend, vor allem in bezug auf eine gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente im Schweißgut.
Die erfindungsgemäße Mehrkomponentensysteme durch Verdüsen sind na­ türlich auch für Falzdrähte einsetzbar, da man ja hier ebenfalls aufgrund der mechanische Gemische Schwierigkeiten aufgrund von Entmischungen hat.

Claims (9)

1. Geschlossene Fülldrahtelektrode zum Schweißen, dadurch gekennzeichnet daß die Füllung aus einem Pulver besteht, welches aus einer wasser- und/oder gasverdüsten Schmelze ge­ wonnen wird und das folgende Bestandteile in Gewichtsprozent aufweist:
C - 0,4 bis 1,45%, vorzugsweise 0,5-1,0%
Mn - 5,6 bis 23,1%, vorzugsweise 5,2-9,6%
Si - 1,4 bis 9,4%, vorzugsweise 2,9-4,0%
Rest Eisen.
2. Geschlossene Fülldrahtelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung mindestens einen der folgenden zusätzlichen Bestandteile in Gewichtsprozent auf­ weist:
Ni - 2,8 bis 27,5%
Cr - 3,2 bis 22%
Mo - 2,4 bis 16%
Nb - 0,2 bis 0,9%
W - 0 bis 1,4%
Ti - 0,04 bis 0,4%
V - 0 bis 1,4%
B - 0,02 bis 0,3%
AL - 0 bis 1,0%
3. Geschlossene Fülldrahtelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung mindestens einen der folgenden zusätzlichen Bestandteile in Gewichtsprozent auf­ weist:
Cr - 52 bis 76%
Mo - 5,8 bis 8,8%
Ni - 1,3 bis 2,4%
V - 1,2 bis 2,0%
N - 0,2 bis 0,5%
AL - 0,2 bis 0,6%
W - 3,2 bis 8,0%
Sn, Sb und/oder AS < 0,001%
4. Geschlossene Fülldrahtelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Füllung < 0,2 mm beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Füllung für geschlossene Fülldraht­ elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der zu verdüsenden Schmelze zwischen 1300 bis 1600°C beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung einer Füllung für geschlossene Fülldraht­ elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß in die zu verdüsende Schmelze ein Modifikationsdraht eingeführt wird, der aus einer metallischen Hülle besteht mit einer Füllung in Gewichtsprozent aus:
CaMg 10-55%
CASi 0-40%
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung mindestens einen der folgenden zusätzlichen Bestandteile in Gewichtsprozent auf­ weist:
Mg 0-15%
MgAL 0-20%
FeTi 10-30%
Ti 5-20%
FeB 5-20%
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Modifikationsdraht aus einem Falzdraht besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Modifikationsdraht einen Außen­ durchmesser von 5 bis 9 mm aufweist.
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