DE2062036A1

DE2062036A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ver schweißen von gußeisernen Bauteilen aus Kugelgraphit sowie hiernach hergestellte Anordnung

Info

Publication number: DE2062036A1
Application number: DE19702062036
Authority: DE
Inventors: Pierre Joseph Pont a Mousson Bouvard (Frankreich) P
Original assignee: Pont a Mousson SA
Current assignee: Pont a Mousson SA
Priority date: 1969-12-18
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1971-06-24
Also published as: ES386946A1; CH532976A; FR2082025A5

Description

4ί?0 Harne, 8000 München 2S,

h Stß

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JG. D?z. 1970

Ref.: M 02 645 Lw/Sz

In der Antwort bitte angeben Zuschrift bitte nach-.

Centre de Eecherches de Pont-ä-Mousson, Pont-ä-Mousson, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von gußeisernen Bauteilen aus Kugelgraphit sowie hiernach hergestellte

Anordnung

Die Erfindung betrifft das Verschweißen von gußeisernen f

Bauteilen aus Sphäroidgraphit, im folgenden Kugelgraphit genannt, mit Hilfe eines metallischen Auftragproduktes.

Dieses Verschweißen der gußeisernen Bauteile aus Kugelgraphit ist ein schwieriger Vorgang aufgrund der Schwierigkeit, eine Kugelgraphitstruktür in der Schweißraupe zu erhalten. Das gleiche gilt selbst dann, wenn man für eine solche Schweißung, wie man es wünschenswerter Weise tut, ein metallisches Auftrags- oder Zusatzprodukt verwendet, welches selbst aus Kugelgraphitgußeisen von einer Zusammensetzung besteht, die so gewählt ist, daß die mechanischen

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Eigenschaften der hergestellten Verbindung zwischen den Bauteilen kompatibel mit denen des die Bauteile bildenden Basismaterials sind, insbesondere was die Zugfestigkeit, die Bruchdehnung und das Federungsvermögen der Schweißraupe betrifft.

Die bekannten Schweißverfahren für Kugelgraphitgußeisen benutzen entweder den Autogenschweißbrenner oder arbeiten mit Lichtbogen} in beiden Fällen wird das Auftrags- oder Zusatzprodukt mehr oder weniger gut gegen Oxidation geschützt und es besteht auf alle Fälle immer eine Gefahr einer unbeabsichtigten Vermischung zwischen der Schutzatmosphäre des Brenners oder des Lichtbogens und der Umgebungsluft, wobei diese Gefahr noch vertieft wird, wenn das Auftragsprodukt geliefert wird durch einen Stab oder einen Draht, der, wenn er in die Flamme oder in den Lichtbogen gebracht wird, das Ausströmen des Schutzgases stört. Für den Fall also, wo das Auftragsprodukt ein Kugelgraphitgußeisen ist, welches zwangsweise wenigstens ein knötchenbildendes oder kernbildendes Mittel, wie Magnesium, Oer, Calcium etc., enthält (Elemente, die sämtlich stark oxidierbar sind), stellt sich eine selbst ungewollte Oxidation des Auftragsproduktes während des Verschweißens bevorzugt als Verlust an knötchenbildendem Mittel dar. Hieraus folgt, daß der Graphit des abgeschiedenen Metalls, wenigstens örtlich, nicht mehr sphäroidförmig sondern lamellar zu sein braucht. Die mechanischen Charakteristiken der hergestellten Verbindungen werden hierdurch beeinflußt.

Im übrigen sind Verfahren zum Verschweißen ohne Zusatzprodukt zweier Band and Rand nebeneinander angeordneter Bauteile mittels eines Plasmabogenbrenners bekannt, in der Technik "Technik des übertragenen Bogens" genannt (s. fig. 6, Seite 183, und Fig. 13, Seite 186, der Zeitschrift "Soudages et Techniques Oonnexes", Mai/Juni 1968, die sich mit einem Vor-

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trag von P. Demars vom 26. Oktober 196? vor der Societe Prancaise des Ingenieurs Soudeurs befaßt). Man könnte annehmen, daß dann, wenn man diese Verfahren und insbesondere das mit doppeltem Plasmabogen verwendet, welches in Pig. 13 der genannten Zeitschrift schematisch dargestellt ist, wonach man einen axialen geblasenen Plasmabogenstrahl bildet, welcher von einem ringförmigen Plasmagasstrahl umgeben ist, es möglich wäre, in durchgreifender Weise die Verluste durch Oxidation zu vermindern, derart, daß man ein erneut geschmolzenes Metall, wenn schon nicht mit Sphäroidgraphit, dann wenigstens mit kompakterem Graphit als es lamellarer Graphit ist, erhält. Tatsächlich sorgen, diese bekannten Verfahren nicht " für eine absolute Sicherheit, was die Eliminierung der Oxidationsrisiken betrifft. Im übrigen ist der Zwischenraum der Verbindung zwischen den Bauteilen nicht korrekt gefüllt, derart, daß es notwendig wird, die Schweißraupe durch Nachladungen zu vervollständigen.

Erfindungsgemäß soll demgegenüber ein Schweißverfahren für gußeiserne Bauteile aus Sphäroidgraphit vorgeschlagen werden, welches verbessert wurde, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden. Dieses Verfahren mit doppeltem Plasmalichtbogen, mit einem ringförmigen Plasmagasstrahl, der konzentrisch zu einem axialen Strahl des Plasmas angeordnet ist, zeichnet Λ sich dadurch aus, daß man das Auftrags- oder Zusatzprodukt in den Ringstrahl des Plasmagases einführt, durch den es geschmolzen wird und durch das es auf die Verbindungslinie zwischen den beiden durch Schweißen zusammenzufügenden Bauteilen geschleudert wird. '

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Schweißvorrichtung der Bauart mit doppeltem Plasmabogen, die sich dadurch auszeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um kontinuierlich in den ringförmigen Plasmagasstrahl das pulverförmige Auftrags-

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produkt einzuführen.

Gegenstand der Erfindung ist schließlich eine geschweißte Anordnung, die aus wenigstens zwei Werkstücken aus Kugelgraphit (genauer Sphäroidgraphit) gebildet ist, wobei die Verschweißung unter Abscheidung eines Auftragsproduktes nach dem Verfahren und der Vorrichtung, wie sie oben angegeben wurden, erfolgt, wobei diese Anordnung sich dadurch auszeichnet, daß die chemische Analyse der metallischen Struktur der durch das Auftragsprodukt gebildeten Schweißraupe diejenigen eines gegebenenfalls legierten Kugelgraphitgußeisens sind.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der

Schweißvorrichtung nach der Erfindung und der erhaltenen Schweißraupe zeigt;

Fig. 2 . ist eine Mikrographie in 50-facher Vergrößerung einer verschweißten Anordnung und der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Schweißung j und

Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung durch zwei Werkstücke erheblicher Dicke, die in einem ersten Durchgang nach dem Verfahren der Erfindung, gefolgt von mehreren Durchgängen nach einem klassischen Verfahren,geschweißt wurden.

In Fig. 1 sind zwei Werkstücke P.. und P^, die durch Schweißen verbunden werden sollen, dargestellt. Diese Werkstücke, die

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aus Sphäroidgußeisen bestehen, sind Hand an Band ohne Abschrägungen angeordnet (siehe deren landabschnitte in gestrichelter Darstellung)} diese sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißt, welches mittels der noch zu beschreibenden Vorrichtung, die einen Schweißbrenner bildet, durchgeführt wurde.

Eine Düse 1, die durch eine Wasserzirkulation bei 2 gekühlt wird, umfaßt innen entsprechend ihrer Achse X-X eine Kathode aus einem leitenden feuerfesten Material, wie beispielsweise Wolfram. Die öffnung des Düsenkörpers 1 bildet die eigentliche Düse 4·. Der Düsenkörper 1 ist mit der positiven KLemme eines g ersten Plasmagenerators Gv., der mit Gleichstrom betrieben wird, verbunden, während die Kathode 3 mit der negativen Klemme dieses zweiten Generators verbunden ist.

Ein "plasmaerzeugendes" reduzierendes oder neutrales Gas (plasmag^ne), wie beispielsweise Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Helium oder ein Gemisch hiervon, wird entsprechend den Pfeilen f in den longitudinal en Ringraum geblasen, der zwischen dem Düsenkörper 1 und der Kathode 3 vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß wird der Düsenkörper 1 von einer schrägen Leitung 5 durchsetzt, die in geeigneter Weise nach unten geneigt ist, um in den Eingzwischenraum infolge Schwerkraft oder nach irgendeinem anderen Verfahren des mechanischen Mitreißens ein metallisches Zusatz- oder Auftragsprodukt 6 in Pulverform einzuführen. Das Pulver 6 geeigneter Zusammensetzung kann homogen oder zusammengesetzt sein. Diese Pulver kann vorzugsweise die Elemente enthalten, die notwendig sinds

zum genauen Regeln der chemischen Zusammensetzung der Schweißraupe (geeignete Gehalte an Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Schwefel, Phosphor, gegebenenfalls Legierungselemente, wie Kupfer, Nickel etc.)}

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zum Impfen des ßchmelzbades in der Verbindungsstelle zwischen den Werkstücken P,. und P₂ (Silicium, Calcium) j

und schließlich zum Erhalt einer korrekten Morphologie des Graphits, d. h. knötchen- oder kernbildende Elemente (elements nodularisants), wie Magnesium, Cer, Yttrium, Scandium oder Jedes andere in der Gießerei üblicherweise verwendete Mittel.

Schließlich ist unter den Rändern der Werkstücke P^. und P₂ ein Dichtungswerkstück 7 angeordnet, welches längs der Verbinfe dungslinie entsprechend einem natürlichen Kanal oder einer Sinne 8 ausgehöhlt ist, die dazu bestimmt ist, als Leitung für ein neutrales oder reduzierendes Schutzgas, wie Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder Gemische dieser Gase, zu dienen. Bei diesem Gas kann es sich einfach um das gekühlte plasmaerzeugende Gas handeln.

. Das Verschweißen wird wie folgt vorgenommen. Die Generatoren G„ und Qt₀ werden unter Spannung gesetzt, ein plasmaerzeugendes

Gas wird entsprechend den Pfeilen f eingeblasen und ein Schutzgas wird gegebenenfalls in den Kanal 8 geblasen.

Der Generator G^. sorgt für das Auftreten eines ersten Bogens W im Bereich 9 zwischen der Innenfläche des Düsenkörpers 1 und dem Ende der Kathode 3 oberhalb der Düse 4-. Die ionisierten Gase,dieses Bogens werden durch diese Düse in einem Strahl 10 geblasen. Dieser Strahl hat eine mehr oder weniger ringförmige Gestalt, da der Generator G₂ gleichzeitig über die Düse 4- und in dem zwischen der Kathode 3 und den zu verschweißenden Werkstücken P^. und P₂ befindlichen Bereich für einen zweiten Bogen oder einen axialen Plasmabogenstrahl 11 sorgt. Dieser axiale Strahl 11 ist mehr oder weniger mit dem ihn umgebenden Strahl 10 vermischt.

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Es soll darauf hingewiesen werden, daß der ringförmige Plasmagasstrahl 10 selbst durch ringförmiges Ausströmen entspre-

p
chend den Pfeilen f eines neutralen oder reduzierenden Schutzgases, wie Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium oder ein Gemisch dieser Gase, geschützt werden kann. Dieses Schutzgas kann in einen Kingraum zwischen dem Düsenkörper 1 und einer äußeren ihn umgebenden Muffe in an sich bekannter Weise geblasen werden»

Das metallische durch das plasmaerzeugende, entsprechend den Pfeilen f eingeführte Gas mitgerissene Pulver 6 wird völlig im ersten Bogen (9-10), der es mitreißt, geschmolzen. Das Schmelzen findet in der neutralen oder reduzierenden Atmosphä- ™ re des plasmaerzeugenden Gases statt, dessen Ausströmen weder innerhalb noch außerhalb des Schweißbrenners gestört wird. Im übrigen ist das Schmelzen des Produktes 6 vollständig erfolgt, und zwar ohne Oxydation, und zwar aufgrund der [temperatur des Plasmastrahls und dem neutralen oder reduzierenden Charakter der für seine Erzeugung verwendeten Gase.

Der Plasmastrahl 11 läßt völlig die Verb indungs zone der zu verschweißenden Werkstücke P^ und Po schmelzen. Dieser SchmelzVorgang findet ebenfalls ohne Oxydation statt. Hieraus folgt, daß dann, wenn das Auftragsprodukt aus Pulver zweckmäßigerweise gewählt ist und wenn im übrigen die Eühlbedin- ä gungen in adäquater Weise geregelt wurden, beispielsweise durch sorgfältige Auswahl der Torwärmtemperatur, das Schmelzbad der Schweißraupe in Form von Sphäroidgraphit-Gußeisen sich verfestigt.

Somit wird aufgrund der Technik des Schweißens mit zwei Plasmabogenstrahlen 10 und 11 das Auftragen von aus dem Schmelzen des Pulvers 6 stammenden Metall unter erstaunlichen Bedingungen des' Schutzes gegen Oxydation durchgeführt.

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Im übrigen ist aufgrund der geneigten Leitung 5 zur Sp-eisung mit metallischem Auftragsprodukt 6 vor der Quelle des ersten Bogens 9 das Ausströmen des das geschmolzene Auftragsmetall enthaltenden Plasmastrahls 10 nicht Gegenstand irgendeiner Störung, im Gegensatz zu dem, was "bei den bekannten Schweißverfahren vor sich geht, wo das Auftragsprodukt in Form eines Stabes oder eines Drahtes außerhalb des Führungsbrenners zur Verfügung steht, wobei dieser Stab oder dieser Draht beim Durchgang im Plasmastrahl erschmolzen werden.

Der gasförmige Plasmastrahl 11 bildet in der Verbindungsstelle der Werkstücke P,. und P^ ein Loch, welches sich entsprechend der Verschiebung des Schweißbrenners längs der Verbindungslinie der Werkstücke P^. und Έ^ verschiebt. Im Ausmaß der Verschiebung des Schweißbrenners verfestigt sich das Schmelziaetallbad, welches sich hinter dem Loch bildet, um die Schweißraupe 12 zu erzeugen.

Es genügt ein einziger Durchgang, um die Ränder der Werkstücke P^. und Ρ« zu schmelzen und die Schweißraupe 12 zu bilden.

Diese Schweißraupe füllt nicht nur den zunächst zwischen den benachbarten Bändern der beiden Werkstücke P^, Po belassenen Zwischenraum, bildet vielmehr selbst auf der Oberfläche der Verbindungsstelle einen Wulst mit gewölbter Oberfläche 15, während ohne Auftragsprodukt die Schweißraupe den Zwischenraum zwischen den beiden Werkstücken nicht völlig füllt und eine konkave Oberfläche bildet, wie sie strichpunktiert bei dargestellt ist.

Die Struktur der erhaltenen Schweißraupe 12.ist, wie auf der Mikrographie der Fig. 2 zu sehen, von Kugelgraphit. Diese Struktur besteht beispielsweise aus Zementit und Karbiden. In dieser Fig. 2 erkennt man in der Zone A Knötchen n^ aus

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Graphit des Basismetalls der Werkstücke IU und Pg und in der Zone B die Enotehen ip des erneut geschmolzenen Metalls. Diese Enötchen n^ sind feiner als die Enötehen xu, da das Abkühlen der Schweißraupe 12 schneller als das der "Ränder der Werkstücke P^ und P₂ erfolgt. Diese Feinheit ist eine Grantle für gute mechanische Eigenschaften der Sehweißraupe.

JLLs Beispiel gibt die nachstehende ü&belle die chemischen erhaltenen Analysen, wenn man als Auftragsprodukt 6 ein Pulver zweckmäßiger Granulometrie verwendet, welches aus reinem Eisen, gemischt mit einer legierung aus Silicium und üischmetall, zusammengesetzt ist (wobei letzteres seihst ein Gemisch aus. seltenen Erdmetallen ist, dessen Hauptelement das Oer ist).

Basismetall, ferritisches Sphäroidgraphit-Guß- eisen

3chweißcaupe

3,54 3,22

Si

2,61

Mh

0,20

0,009

0,054

2,84 J 0,15 I 0,008 j 0,048
und als Best Eisen

Mg

0,02? 0,019

Nach dem Ausfütaangslbeispiel der Hg. 3 ist es für den Fall von Werkstücken großer Dicke P^ und P₂^ möglich, nach dem Verfahren der Erfindung einen ersten Eindringdurchgang vorzunehmen, der zu einer ersten Schweißraupe 15 führt; und dann dieser Schweißraupe andere metallische Schichten 16 zu überlagern, indem man mehrere Schweißdurchgänge nach einem Verfahren anders als dem der Erfindung vornimmt.

Patentansprüche t

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Claims

Patentansprüche

1.1 Verfahren zum Schweißen von Werkstücken aus Sphäroid-

aphit enthaltendem Gußeisen der Doppelplasmabogenart, wobei ein axialer Flasmabogenstrahl und ein ringförmiger konzentrischer Plasmagasstrahl erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man das Auf tragsprodukt in den Ringstrahl des Plasmagases einführt, durch das es geschmolzen wird und durch das es auf die Verbindungslinie zwischen den beiden durch Schweißen zu verbindenden Werkstücken geschleudert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Produkt in Pulverform durch Schwerkraft in eine plasmaerzeugende Gaströmung eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Plasmastrahlen gegenüberliegenden Seite ein Schutzgas gegen die rückseitigen Flächen der zu vereinigenden Werkstücke in der Zone der zu schweißenden Verbindung gelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches Auftragsprodukt, welches keimbildende, graphitisierende und knötchenbildende Mittel enthält, verwendet wird, wobei diese Mittel gewählt werden aus der Gruppe, welche Silicium, Calcium, Magnesium, Cer, Yttrium, Scandium und Gemische dieser Mittel enthält.

5. Verschweißungsvorrichtung der Bauart mit Doppelplasmabogen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, gekennzeichnet durch Einrichtungen (5) zur kontinuierlichen Einführung von pulverförmigem Auftragsprodukt in den Hingstrahl des Plasmagases.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtungen aus einem geneigten Rohr (5) zur Zuführung des pulverförmiger! Auftragsproduktes (6) bestehen, wobei dieses Rohr im ringförmigen Zwischenraum mündet, in welchen das plasmaerzeugende Gas geblasen wird und welcher zwischen einer-axialen Kathode (3) und einem konzentrischen Düsenkörper (1) belassen ist, welcher hinter der Kathode (3) in einer Düse (4) endet.

7. Geschweißte Anordnung aus wenigstens zwei Werkstücken aus Sphäroidgraphit-Gußeisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißraupe (12) dieser Anordnung die chemische Analyse und ' die metallurgische Struktur eines Sphäroidgraphit-Grußeisens aufweist.

8. Geschweißte Anordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißraupe (12) eine Sphäroidgraphit-Struktur aufweist, in der die Graphitknötchen (np) Abmessungen kleiner als die der Knötchen (n,.) des Basisgußeisens der geschweißten Werkstücke (Ρ/«, Pp) aufweisen und gleichförmig über die Schweißraupe (12) verteilt sind.

9. Verfahren zum Schweißen von Werkstücken aus Sphäroidgraphit-Gußeisen im wesentlichen wie beschrieben. Λ

10. Vorrichtung zum Schweißen im wesentlichen wie beschrieben und auf der Zeichnung dargestellt.

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