DE2122999B2 - Auftragsschweissverfahren - Google Patents

Description

überkritischem Durchmesser in solchem Mengenanteil und solcher maximalen Korngröße, daß der Flächenanteil der nur angeschmolzenen Restkörner im Querschnitt der fertigen Auftragsschicht mindestens 3 %, höchstens 15 % beträgt.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Auftragsschweißverfahren mit erhöhter Schweißleistung, geringer Wärmeaufnahme und geringer Aufschmelzung des Grundkörpers, bei welchem die Auftragsschicht hergestellt wird durch Niederschmelzen eines unlegierten oder legierten stromzuführenden Zusatzdrahtes oder Zusatzbandes einerseits und eines legierten Metallpulvers oder Metallpulvergemisches andererseits, wobei Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver bzw. Metallpulvergemisch in einem bestimmten Mengenverhältnis stehen und dem Wirkungsbereich des Lichtbogens kontinuierlich zugeführt werden.

Ein solches Auftragsschweißverfahren, welches halbautomatisch oder vollautomatisch durchgeführt werden kann, ermöglicht eine hohe Schweißgeschwindigkeit sowie die Verwendung besonders wirtschaftlich herzustellender Schweißzusatzwerkstoffe (Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver bzw. Metallpulvergemisch), mithin geringe Herstellungskosten. Darüber hinaus kann durch ein solches Auftragsschweißverfahren eine zu große Wärmeaufnahme des Grundkörpers. d. h. eine zu starke Aufschmelzung desselben und damit eine unerwünschte Verdünnung der Schweißschmelze verhindert werden.

Durch die Fachliteratur (als Beispiel sei hier genannt: »Schützende Oberflächen durch Schweißen und Metallspritzen« von H. Wirt ζ und H. Hess. 1969) sind bereits seit langem Verfahren bekannt, Werkstückoberflächen durch einen metallischen Auftrag zu panzern. Auf Seite 106 der vorgenannten Literaturstelle wird ein Verfahren zur Erzeugung schützender Werkstückoberflächen beschrieben, bei dem ein Beschichten des Werkstücks unter Verwendung eines metallischen Pulvers erfolgt Es handelt sich hierbei um solche Pulver, die nicht oder nur schwierig in einer anderen Liefer- und Verwendungsform gefertigt werden können, oder bei denen ein Auftragen mit stab- oder drahtförmigem Zusatzwerkstoff aus metallurgischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht vorteilhaft ist. Das Pulver wird also werden. In

den meisten Fällen handelt es sich dabei um mineralische, nicht metallische, Schweißpulver und um

die sogenannte UP-AuftragsschweiBung, die sich im wesentlichen dadurch auszeichnet daß der zugeführte Schweißdraht im Lichtbogen unter einer schützenden, mineralischen Pulverschicht abschmilzt Der verdeckte Lichtbogen brennt hierbei in einer Schlackenblasc die

von geschmolzenem Mineralpulver gebildet wird Das Schweißpulver erfüllt also beim UP-Schweißen im wesentlichen die gleichen Aufgaben wie die Umhüllung der Stabelektroden beim Metall-Uchtbogenschweißea Es beeinflußt einmal den Schweißprozeß physikalisch.

indem die Schlacke die Lichtbogenstrecke und das Schmelzbad gegen die Atmosphäre abtrennt die Schweißraupe formt und eine zu schnelle Abkühlung verhindert Zum andern tritt das Schweißpulver in metallurgische Wechselwirkungen mil dem geschmolzenen Metall, indem es Abbrandverlust wichtiger Legierungsbestandteile verursacht verhindert oder ausgleicht. Wesentliches Kennzeichen des bekannten UP-Auftragsschweißverfahrens ist also die Bildung einer schützenden Schlackeschicht

Auf Seite 148 der vorerwähnten Literaturstelle ist auch ein Sonderverfahren beschrieben, bei dem zur Legierungsbildung ein unlegierter Schweißdraht und ein Pulvergemischt aus metallischen Teilen und schlacken förmigen Bestandteilen Verwendung findet Die metallischen Bestandteile des Pulvers sollen in Verbindung mit dem Abschmelzen des Schweißdrahtes und mit Aufschmelzen des Grundwerkstoffes die Schweißlegierung bestimmen.

Dabei wird im zugehörigen Text an erster und wichtigster Stelle darauf hingewiesen, daß das Mischungsverhältnis zwischen Grundwerkstoff und Zusatzdraht für den Auflegierungsvorgang primär wichtig sei. Irgendwelche Angaben zur Kontrolle oder Unterbindung dieses Aufschmelzvorganges sind nicht angegeben. Gerade hierin unterscheidet sich das bekannte von dem hier zur Diskussion stehenden neuen Verfahren bei welch letzterem (vgl. nachfolgenden Patentanspruch) das unvollständige Aufschmelzen des Metallpulvers zu einem Kontrollmechanismus für das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes führt und damit erfahrungsgemäß die Aufschmelzung des Grundwerkstoffes auf ein so geringes Maß reduziert, daß mit einer hohen Analysengenauigkeit des Schmelzgutes gerechnet werden kann. Abgesehen davon ist in der Vorveröffentlichung zwar die Aufgabe gestellt das Verbrauchsverhältnis Draht: Pulver wegen seines großen Einflusses auf die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung des Schweißgutes zu beachten; es sind aber keinerlei diesbezügliche

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Maßnahmen zur Erfüllung dieser Aufgabe angegeben.

Im Unterschied άχ,Μ ist bei der vorliegenden neuen Erfindung ausdrücklich festgelegt, daß Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver bzw. MetaUpulvergemisch in einem bestimmten Mengenverhältnis zueinander stehen und im Wirkungsbereich des Lichtbogens kontinuierlich zugeführt werden.

Endlich ist in der Vorveröffentlichung der Gedanke einer nur teilweise Aufschmelzung der Metallkörner und der hierz. führenden Abstufung der Anfangskornung des Metallpulvers, also der Grundgedanke der neuen Erfindung, überhaupt nicht genannt

Demgegenüber kann bei dem eingangs bezeichneten Auftragsschweißverfahren, auf das sich die vorliegende Erfindung ausschließlich bezieht, auf ein scblackebildendes Schweißpulver ohne weiteres verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Auftragsschweiß verfahren braucht nicht mit verdecktem Lichtbogen durchgeführt zu werden. Vielmehr kommt es wesentlich darauf an, daß außer dem stromzuführenden Zusatzdraht bzw. -band ein Metallpulver bzw. MetaUpulvergemisch verwendet wird, welches selbst keinerlei Schlackenbestandteile enthält bzw. keine Schlackeschicht bildet

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Vorteile de¹ eingangs bezeichneten Auftragsschweißverfahrens weiterhin zu erhöhen und insbesondere die Schweißgeschwindigkeit und damit die Schweißleistung noch weiter zu steigern.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Erreichung: des vorgenannten Ziels bei einem Auftragsschweißver· fahren der eingangs bezeichneten Art durch Beeinflussung der Korngrößenverteilung des Metallpulvers bzw. Metaüpulvergemisches möglich ist besteht die Erfindung darin, daß ein Metallpulver bzw. Metallpulvergemisch verwendet wird, welches zu einem ersten Teil aus Körnchen mit unterkritischen Durchmesser besteht die bei den jeweiligen Schweißbedingungen homogen umgeschmolzen werden, zu einem zweiten Teil aus Körnchen mit überkritischen Durchmesser in solchem Mengenanteil und solcher maximalen Korngröße, daß der Flächenanteil der nur angeschmolzenen Restkörner im Querschnitt der fertigen Auftragsschicht mindestens 3 %. höchstens 15 % beträgt

Bei umfangreichen Schweißversuchen ist festgestellt worden, daß es für jede Kombination von Schweißparametern, d. h. bestimmten Schweißbedingungen, insbesondere Spannung, Stromstärke, Vorschub des Schweißkopfes, Mengenverhältnis Draht zu Pulver, Art der Zusatzwerkstoffe sowie Art und Werkstoff des Grundkörpers und Abkühlungsbedingungen, eine be- so stimmte »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 bzw. Metallpulvergemisches vom festen in den flüssigen und wieder in den festen Zustand verstanden werden, derart daß eine in sich völlig gleichartige Legierung zwischen Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver bzw. Metallpulvergemisch entsteht Diese »kritische« Metallpulver- körnung ist auf dem Versuchswege zu ermitteln.

Verwendet man ein Metallpulver bzw. MetaUpulvergemisch 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.

Verwendet man dagegen ein Metallpulver bzw. Metallpulvergemisch mit einer Körnung bis erheblich oberhalb der kritischen, so erhält man einen inhomogenen Auftrag nut Einschlüssen größerer Mengen ungeschmolzener Körnchen, was die Festigkeit und Lebensdauer des Auftrages u.U. erhublich beeinträchtigt Auch ist in diesem Fall ein zuverlässiger Verbund des Auftrages mit dem Grundkörper gefährdet

Die Erfinder haben nun erkannt, daß es zwischen diesen beiden extremen Körnungen ein Gebiet gibt 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 Schüfffiäche im Mikroskop zeigen. Solche Auftragsschweißungen genügen weithin, wie praktische Beobachtungen zeigen, den Ansprüchen an Bindung mit dem Grundkörper, an Festigkeit und Lebensdauer. Man erzielt dabei aber wesentlich erhöhte Schweißgeschwindigkeiten. Insgesamt werden durch die Erfindung folgende wesentliche Vorteile erreicht:

1. Steigerung der Schweißgeschwindigkeit und damit der Schweißleistung zum Optimum.

2. Durch das erfindungsgemäße Zulassen einzelner nichtaufgeschmolzener Teilchen wird ein deutlicher Indikator dafür geschaffen, daß die Wärmeaufnahme und damit die Aufschmelzung des Grundkörpers nun optimal ist d. h. es ist noch ein sehr guter Verbund des Grundkörpers mit der Auftragsschicht gewährleistet ohne daß eine unerwünschte Verdünnung der Auftragsschmelze befürchtet zu werden braucht Ein solcher wichtiger Indikator für das Erreichen des Optimismus der Schweißleistung ist bei dem eingangs bezeichneten Auftragschweißverfahren, so wie es bisher durchgeführt wurde, d. h. unter vollständiger Aufscbmelzung sämtlicher Pulverkörnchen, nicht gegeben.

3. Infolge des unter Ziffer 2 genannten Vorteiles ergibt sich die gewünschte Legierungszusammensetzung der Auftragsschicht (ohne unzulässige Verdünnung durch den Grundwerkstoff) und damit tin Optimum an Verschleißfestigkeit der Auftragsschicht.

Im folgenden sei ein Beispiel für ein Metallpulver zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeigt.

Es wurde für ein Metallpulver mit 2 % Kohlenstoff, 10% Chrom, 3% Silizium, Rest Eisen und sonstige Bestandteile der kritische Korndurchmesser unter bestimmten Schweißbedingungen experimentell mit 03 mm mm bestimmt.

In einem ersten Versuch mit einem MetaUpulvergemisch obiger Analyse wurde tine Körnung kleiner als 0,3 mm gewählt Die damit erzielte Auftragsschweißung 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 pro Stunde. Bei der Förderung des Metallpulvers in dem Bereich des Lichtbogens traten vereinzelt Fließstauungen auf; auch war der Abblaseverlust hoch.

In einem zweiten Versuch wurde — bei sonst gleichen Versuchsbedingungen — ein Metallpulver gleicher Analyse, aber mit einer maximalen Korngröße von 1 mm verwendet; de: Gewichtsanteil der Körner oberhalb der kritischen Körnung von 03 mm betrug 25 %. Der damit hergestellte Auftrag war nicht mehr vollständig homogen. Bei der Gefügeuntersuchung im

Mikroskop konnten deutlich Pulverrestkörner erkannt werden, die nur an ihrer Oberfläche angeschmolzen waren. Der Flächenanteil dieser Pulverrestkörner im Querschnitt des Auftrages betrug etwa 8%. Die Restkörner waren im Auftrag dicht und porenfrei 5 eingeschmolzen. Die bei fFesem zweiten Versuch ermittelte Schweißgeschwindigkeit betrug 14 kg pro Stunde. Die Verschleißfestigkeit des Auftrages entsprach der im ersten Versuch erzielten.

Auch hinsichtlich der Bindung mit dem Grundkörper und ainsichtlich der Festigkeit konnten gegenüber dem ersten Versuch kaum Unterschiede festgestellt werden, so daS 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.

In einem dritten Versuch — bei sonst wiederum gleichen Versuchsbedingungen - ein Metallpulvergemisch gleicher Analyse, aber mit einer maximalen xo Korngröße von 1,5 mm verwendet, wobei der Gewichtsanteil der Oberkritischen Körner im Metallpulvergemisch 40 % betrug. Zwar wurde bei diesem Versuch eine noch höhere Schweißgeschwindigkeit von 17 kg pro Stunde 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 Pui ve»·-Restkörner deutlich herabgesetzt In diesem Versuch war also der zulässige Anteil und die zulässige Größe der Körner über 03 mm überschritten.

Der zweite Versuch zeigte aber, daß es möglich ist.

bei mäßiger Oberschreitung des kritischen Korndurchmessers hinsichtlich Menge und Größtkorndurchmesser des Oberkornes eine beachtliche Erhöhung der Schweißleistung zu erreichen, ohne die Qualität de«, Auftrages wesentlich zu beeinträchtigen.

Zugleich wird auf diesem Wege eine Verbesserung der Förderung des Metallpulver* nach dem Lichtbogen hin erzielt Damit wird die Herstellung des Metallpulvers verbilligt und es 'verden Störungen beim Auftragsschweißen vermindert oder beseitigt

Wegen der stark unterschiedlichen möglichen Schweißbedingungen ist es nicht zweckmäßig, auge mein gültige Zahlen für die zulässigen Mengen und Größtkorndurchmesser des Metallpulverüberkornes anzugeben. 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 eins fühlbare Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und Verbesserung der FörderbarkeL des Metallpulvers zu erzielen, andererseits die Qualität des Auftrages nich; wesentlich zu beeinträchtigen.

Um die wesentlichen Vorteile der Erfindimg wahrzunehmen, ist es also erforderlich, vor einer größeren Serienarbeit, ausgehend von einer bekanntermaßen unterkritische» Metallpulverkörnung, die Menge und Maximalgröße des Überkornes in wenigen Kurzversuchen so lange zu steigern, bis der Flächenanteil des ungeschmolzenen Restkornes im Querschnitt des Auftrages zwischen 3 und 15 Vo beträgt Auf diesem Wege werden beträchtliche wirtschaftliche und technische Vorteile erzielt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   ⁿ Auftragsschweißverfahren mit erhöhter Schweißtejstung, geringer Wärmeaufnahme und geringer Aufschmelzung des Grundkörpers, bei welchem die S 4uftragsschicht hergestellt wird durch Niederschmelzen eines unlegierten oder legierten stromzuführenden Zusatzdrahtes oder Zusatzbandes einerseits und eines legierten Metallpulvers oder Metallpulvergemisches andererseits, wobei Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver bzw. Metaüpulvergemisch in einem bestimmten Mengenvethäunis stehen und dem Wirkungsbereich des Lichtbogens kontinuierlich zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallpulver bzw. Metallpulvergemisch verwendet wird, welches zu einem ersten Teil aus Körnchen mit unterkritischem Durchmesser besteht die bei den jeweiligen Schweißbedingungen homogen umgeschmolzen bei dem bekannten Verfahren unter Aufschmelzung ohne Verwendung eines drahtförmigen Zusatzwerkstoffes auf die &» schützende Werkstückoberfläche aufgebracht

   Das im vorstehenden beschriebene bekannte Auftragsverfahren zeichnet sich also durch völlig andere Gattungsmerkmale aus als das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren, bei dem ja nicht nur ein Metallpulver oder MetaUpulvergemisch. sondern darüber Mnaus ein stromzuführender Zusatzdraht bzw. -band verwendet wird, um die Auftragsschicht zu

   erzeugen. ,.·.».

   Durch die Fachliteratur und die Praxis (z_& »Schweiß- und Schneidtechnik« von G-He r d e n. 1960) is sind auch