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Pulverförmiger Zusatzwerkstoff zum Auftragschweißen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein spezielles Auftrag
schweißverfahren, bei welchem die Auftragschicht hergestellt wird durch Abschmelzen
eines unlegierten oder legierten, stromzuführenden Zusatzdrahtes oder Zusatzbandes
einerseits und eines legierten Metallpulvers, das in einem bestimmten Mengenverhältnis
zum abschmelzenden Zusatzdraht kontinuierlich in den Wirkungsbereich des Lichtbogens
eingeführt wird, andererseits. Dieses spezielle halbautomatische oder vollautomatische
Schweißverfahren ermöglicht hohe Schweißgeschwindigkeit, geringe Wärmeaufnahme und
Aufschmelzung des Grundkörpers, sowie die Verwendung besonders wirtschaftlich herzustellender
Schweißzusatzwerkstoffe (Zusatzdraht und Metallpulver), mithin geringe Herstellkosten.
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Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, die vorgenannten Vorteile
weiterhin zu erhöhen und insbesondere die Schweißgeschwindigkeit noch weiter zu
steigern. Es wurde erkannt, daß dies im vorliegenden speziellen Fall durch Beeinflussung
der Korngrößenverteilung des Metallpulvers möglich ist.
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Erfindungsgemäß soll das Metallpulver für das oben genannte spezielle
Auftragschweißverfahren zu einem ersten Teil aus Körnchen unterkritischen Durchmessers
bestehen, die bei den jeweiligen Schweißbedingungen homogen umgeschmolzen werden,
zu einem zweiten Teil aus Körnchen mit überkritischem Durchmesser in solchem Mengenanteil
und solcher maximaler Korngröße, daß der Flächenanteil der nur angeschmolzenen Restkörner
im Querschnitt des fertigen Auftrages mindestens 3 #, höchstens 15 % beträgt.
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Bei umfangreichen Schweißversuchen wurde festgestellt, daß es für
jede Kombination von Schweißparametern (Spannung, Stromstärke, Vorschub des Schweißkopfes,
Mengenverhältnis Draht Pulver, Art der Werkstoffe sowie Art und Werkstoff des Grundkörpers,
Abkühlungsbedingungen usw.) eine bestimmte "kritische" Größe der Metallpulverkörnchen
gibt, die gerade noch homogen aufgeschmolzen wird. Unter homogen aufgeschmolzen
soll in diesem Zusammenhang die vollständige Phasenumwandlung der einzelnen, auch
größten, Körner des Metallpulvers vom festen in den flüssigen und wieder in den
festen Zustand verstanden werden, derart, daß eine in sich völlig gleichartige Legierung
zwischen Zusatzdraht und Metallpulver entsteht. Diese "kritische" Metallpulverkörnung
ist auf dem Versuchswege zu ermitteln.
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Verwendet man ein Metallpulvergemisch mit einer Körnung völlig unterhalb
der kritischen, so erhält man einen vollständig homogenen Auftrag und eine bestimmte
Schweißgeschwindigkeit, gemessen in kg aufgeschweißtes Gut je Stunde.
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Verwendet man dagegen Metallpulver mit einer Körnung bis erheblich
oberhalb der kritischen, so erhält man einen inhomogenen Auftrag mit Einschlüssen
größerer Mengen ungeschmolzener Körnchen, was die Festigkeit und Lebensdauer des
Auftrages u.U. erheblich beeinträchtigt, auch ist in diesem Fall ein zuverlässiger
Verbund des Auftrages mit dem Grundkörper gefährdet.
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Zwischen diesen beiden extremen Körnungen gibt es nun ein Gebiet in
dem man zwar keinen völlig homogenen Auftrag erhält aber noch hinreichende Aufschmelzung
der größten Körnchen an ihrer Oberfläche, um einen guten Verbund derselben mit der
Restschmelze zu erzielen, obwohl der Kern dieser Grobteilchen ungeschmolzen bleibt
wie Betrachtungen der Schliff-Fläche im Mikroskop zeigen. Solche Auftragschweißungen
genügen weithin, wie praktische Beobachtungen zeigen, den Ansprüchen an Bindung
mit dem Grundkörper, an Festigkeit und Lebensdauer. Man erzielt dabei aber wesentlich
erhöhte Schweißgeschwindigkeiten.
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Zum Beispiel wurde für ein Metallpulver mit 2 % Kohlenstoff, 10 %
Chrom, 3 ffi Silizium, Rest Eisen und sonstige Bestandteile, der kritische Korndurchmesser
unter bestimmten Schweißbedingungen experimentell mit 0,3 mm bestimmt.
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In einem ersten Versuch mit einem Metallpulver obiger Analyse wurde
eine Körnung kleiner als 0,3 mm gewählt. Die damit erzielte Auftragschweißung wies
eine homogene Analyse auf; auch unter dem Mikroskop waren ungeschmolzene Pulverreste
nicht erkennbar. Der Härteverlauf über der Auftragung war gleichmäßig, desgleichen
die Verteilung der Gefügebestandteile. Die Schweißgeschwindigkeit betrug 10 kg/h.
Bei der Förderung des Metallpulvers in den Bereich des Lichtbogens traten vereinzelt
Fließstauungen auf; auch war der Abblase-Verlust hoch.
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In einem zweiten Versuch wurde -bei sonst gleichen Versuchsbedingungen-ein
Metallpulver gleicher Analyse, aber mit einer maximalen Korngröße von 1 mm verwendet;
der Gewichtsanteil der Körner oberhalb der kritischen Körnung von 0,3 mm betrug
25 %.
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Der damit hergestellte Auftrag war nicht mehr vollständig homogen.
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Bei der Gefügeuntersuchung im Mikroskop konnten deutlich Pulver-Restkörner
erkannt werden, die nur an ihrer Oberfläche angeschmolzen waren. Der Flächenanteil
dieser Pulver-Restkörner im Querschnitt des Auftrages betrug etwa 8 %. Die Restkörner
waren im Auftrag dicht und porenfrei eingeschmolzen. Die bei diesem zweiten Versuch
ermittelte Schweißgeschwindigkeit betrug 14 kg/h.
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Die Verschleißfestigkeit des Auftrages entsprach der im ersten Versuch
erzielten.
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Auch hinsichtlich der Bindung mit dem Grundkörper und hinsichtlich
der Festigkeit konnten gegenüber dem ersten Versuch kaum Unterschiede festgestellt
werden, so daß die beiden Ausführungen nach dem ersten und zweiten Versuch als praktisch
gleichwertig erkannt wurden. Die beim ersten Versuch beobachteten Förderschwierigkeiten
waren beim zweiten Versuch behoben.
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In einem dritten Versuch wurde -bei sonst wiederum gleichen Versuchsbedingungen-
ein Metallpulver gleicher Analyse, aber mit einer maximalen Korngröße von 1,5 mm
verwendet, wobei der Gewichtsanteil der überkritischen Körner im Metallpulver 40
% betrug. Zwar wurde bei diesem Versuch eine noch höhere Schweißge# schwindigkeit
von 17 kg/h erreicht. Jedoch entsprach der Auftrag nicht mehr den technischen Anforderungen.
Die ungeschmolzenen Pulver-Restkörner bedeckten einen erheblichen Teil, etwa 20
% des Querschnittes des Auftrages, die Oberfläche des Auftrages war sehr rauh, die
Verschleißfestigkeit wegen Herausbrechens der Pulver-Restkörner deutlich herabgesetzt.
In diesem Versuch war also der zulässige Anteil und die zulässige Größe der Körner
über 0,3 mm überschritten.
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Der zweite Versuch zeigte aber, daß es möglich ist, bei mäßiger Überschreitung
des kritischen Korndurchmessers hinsichtlich Menge und Größtkorndurchmesser des
Überkornes eine beachtliche Erhöhung der Schweißleistung zu erzielen, ohne die Qualität
des Auftrages wesentlich zu beeinträchtigen. Zugleich wird auf diesem Wege eine
Verbesserung der Förderung des Metallpulvers nach dem Lichtbogen hin erzielt. Damit
wird die Herstellung des Metallpulvers verbilligt und werden Störungen beim Auftragschweißen
vermindert oder beseitigt.
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Wegen der stark unterschiedlichen, möglichen Schweißbedingungen ist
es nicht möglich, allgemein gültige Zahlen für die zulässigen Mengen und Größtkorndurchmesser
des Metallpulver - Überkornes anzugeben.
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Es gibt indes eine leicht durchführbare Methode zur Ermittlung dieser
zulässigen Werte auf dem Wege des Versuches. Das Kriterium ist in allen Fällen der
Flächenanteil der ungeschmolzenen Restkörner im Querschnitt der fertigen Aufträge,
der mindestens 3 % höchstens 15 % betragen soll, um einerseits eine fühlbare Erhöhung
der Schweißgeschwindigkeit und Verbesserung der Förderbarkeit des Metallpulvers
zu erzielen, andererseits die Qualität des Auftrages nicht wesentlich zu beeinträchtigen.
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Man wird also vor einer größeren Serienarbeit, ausgehend von einer
bekanntermaßen unterkri#tischen Metallpulverkörnung, die Menge und Maximalgröße
des Überkornes in wenigen Kurzversuchen solange steigern, bis der Flächenanteil
des ungeschmolzenen Restkornes im Querschnitt des Auftrages zwischen 3 und 15 %
beträgt. Auf diesem Wege werden beträchtliche wirtschaftliche und technische Vorteile
erreicht.