DE2122999C3 - Auftragsschweißverfahren - Google Patents

Description

Die Windung 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 Zusatzdrahies oder Zusatzbandes einerseits und eines legierten Metallpulvers oder Metallpulvergemisches andererseits, wobei Zusatzdiahi bzw. -band und Metallpulver bzw. Metallpulvergeiniseh in einem bestimmten Mengenverhältnis stehen und dem Wirkungsbereich des Lichtbogens kontinuierlich zugeführt werden.

Kin solches Auftragsschweißverl'ahren, welches halbautomatisch oder vollautomatisch durchgeführt werden kann, ermöglicht eine hohe Schweißgeschwindigkeit sowie die Verwendung besonders wirtschaftlich herzustellender Schweißzusaizwcrksloffe (Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver bzw. Mclallpulvergemisch), miinin geringe Herstellungskosten. Darüber hinaus kann durch ein solches Auftragsschweißverfahren eine /u große Wärmeaufnahme des Grundkörpers, d. h. eine zu starke Aufschmelzung desselben und damn eine unerwünschte Verdünnung der Schweißschmelze verhindert werden.

Durch die Fachliteratur (als Beispiel sei hier genannt: »Schützende Oberflächen durch Schweißen und Metallspritzen« von H. Wir Iz und H. Hess, 1969) sind bereits seit langem Verfahren bekannt, Werksu'rkoberl'lüchcn durch einen metallischen Auftrag zu panzern. Aul Seite 106 der vorgenannten Lilcraturstclle wird ein Verfahren zur Erzeugung schützender Werkstückoberllächen beschrieben, bei dem ein Beschichten des Werkstücks unter Verwendung eines metallischen Pulvers erfolgt. Ks 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 /usatzwerksloff aus metallurgischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht vorteilhaft ist. Das Pulver wird also bei dem bekannten Verfahren unter Aufschmelzung ohne Verwendung eines druhtförmigen Zusatzwerkstoffes auf die zu 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 Metallpulvergemiseh, sondern darüber hinaus ein stromzuführender Zusatzdraht bzw. -band verwendet wird, um die Auftragssehichi zu

erzeugen.

Durch die Fachliteratur und die Praxis (z. B. »Schweiß- und Schneidicehnik« von G. Il e rd e n, l9faO) sind auch Aufiragsschweißverfiihien bekannt geworden, bei denen sowohl ein stromzuführender Schweißdraht als auch ein Schweißpulver verwendet werden. In den meisien Fällen handelt es sich dabei um mineralische, nicht metallische. Schweißpulver und um die sogenannte UP-Auftragssehweißung. die sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, daß der /ugeführte Schweißdraht im Lichtbogen unter einer schiitzetuleii, mineralischen Pulverschicht abschmilzi. Der verdeckte Lichtbogen brennt hierbei in einer Schlackenblase, 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-Lichtbogenschweißen. Ks 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 mit dem geschmolzenen Metall, indem es Abbrandverlust wichtiger Legierungsbestandteile verursacht, verhindert oder ausgleicht. Wesentliches Kennzeichen des bekannten UP-Aufiragsschweißverfahrens ist also die Bildung einer schützenden Schlackeschicht.

Auf Seite 148 der vorerwähnten Literaturstelle ist auch ein Sonderverfahren beschrieben, bei dem zur Legierungsbildiing ein unlegierter Schweißdraht und ein Pulvergemisch aus metallischen Teilen und schlackenförmigen 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 Aufleg'.rrungsvorgang primär wichtig .'■■ei. 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 Koi.trollmechanisnius 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 Verbrauchsverhäiinis 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 dazu ist bei der vorliegenden neuen Erfindung ausdrücklich festgelegt, daß Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver bzw. Metallpulvcrgcmisch 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 hierzu führenden Abstufung der Anfangskörnung des Metallpulvers, also der Grundgedanke der neuen Erfindung, überhaupt nicht genannt.

Demgegenüber kann bei dem eingangs bezeichneten Auftragssehweißverfahren, auf das sich die vorliegende Erfindung ausschließlich bezieht, auf ein schlackebildendes Schweißpulver ohne weiteres verzichtet werden. Das erfindungsgemäße Auftragssehweißverfahren braucht nicht mit verdecktem Lichtbogen durchgeführt zu werden. Vielmehr kommt es wesentlich darauf an, daß außer dem slromzuführenden Zusatzdraht bzw. -band ein Metallpulver bzw. Melallpulvcrgemisch vc.-wendet wird, welches selbst keinerlei Schlackenbestandieile enthüll bzw. keine Schlackeschicht bildet.

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

Ausgehend von der Erkenntnis, daß die Erreichung des vorgenannten Ziels bei einem Aiiftragsschweißverfahren der eingangs bezeichneten Art durch Beeinflussung der Korngrößenverteilung des Metallpulvers bzw. Metallpulvergemisches möglich ist, besieht 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 umgeschmolz.cn 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 Auftragssehicht 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 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 bzw. Meiallpulvergemisches \oin 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« Metallpulverkörnung ist auf dem Versuchswege zu ermitteln.

Verwendet man ein Metallpulver bzw. Metallpulvergemisch mit einer Körnung völlig unterhalb der kritischen, so erhält man einen vollständig homogenen \uftrag 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 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.

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 Rcstschmelze zu erzielen, obwohl der Kern dieser Grobteilchen ungeschmolzcn bleibt, wie Betrachtungen der Schlifffläche im Mikroskop zeigen. Solche Auftragsschweißungen genügen weithin, wie praktische Beobachtungen zeigen, den Ansprüchen an Bindung mit dem Grundkörper, an Festigkeil und Lebensdauer. Man erzieli 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 nichtaufgeschmolzencr 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 Auftragssehicht gewährleistet, ohne daß eine unerwünschte Verdünnung der Auftragsschmelzc befürchtet zu werden braucht. Ein solcher wichtiger Indikator für das Erreichen des Optimismus der Schweißlcistung ist bei dem eingangs bezeichneten Auftragschweißverfahren, so wie es bisher durchgeführt wurde, d. h. unter vollständiger Aufschmelzung sämtlicher Pulverkörnchen, nicht gegeben.

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

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 0,3 mm mm bestimmt.

In einem ersten Versuch mit einem Metallpulvergemisch obiger Analyse wurde eine 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 Härteverhuf 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 I mm verwendet; der Gewichtsariteil der Körner oberhalb der kritischen Körnung von 0,3 mm bcimg 25 %. Der damit hergestellte Auftrag war nicht mehr vollständig homogen. Bei der Gefügeuntersuchung im

Mikroskop konnten deutlich Pulverrestkörner erkannt weiden, die nur an ihrer Oberfläche angeschmolzen waren. Der I lächenanieil dieser l'ulverrcstkörner im Querschnitt des Auftrages betrug etwa 8 %. Die Restkörner waren im Auftrag dicht und porenfrei 5 eingeschmolzen. Die bei diesem zweiten Versuch ermittelte Sehwcißgcschwindigkeit betrug 14 kg pro Stunde. Die Verschleißfestigkeit des Auftrages entsprach der im ersten Versuch erzielten.

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 /weiten Versuch als praktisch gleichwertig erkannt wurden. Die beim ersien Versuch beobachteten Forderschwierigkeiien waren beim zweiten Versuch behoben.

In einem dritten Versuch — bei soo.s! wiederum gleichen Versiichsbedingiingen — ein Melallpulvcrgemisch gleicher Analyse, aber mit einer maximalen Korngröße von 1.5 mm verwendet, wobei der Gewicliisanteil der überkritischen Körner im Metallpulvergemisch 40 "/0 betrug. Zwar wurde bei diesem Versuch eine noch höhere .Schweißgeschwindigkeit von 17 kg pro Stunde erreicht. |edoeh entsprach der Auftrag nicht mehl· den technischen Anforderungen. Die ungeschniol-/enen Pulver-Resikörner bedeckten einen erheblichen Teil, etwa 20 "/0 des Querschnittes des Auftrages, die Oberfläche des Auftrages war sehr rauh, die Verschleißfestigkeit wegen I lerausbrechcns der Pulver-Restkörncr deutlich herabgesetzt. In diesem Versuch war also der zulässige Anteil und die zulässige Größe der Körner über 0.3 mm überschritten.

Der /weite Versuch zeigte aber, daß es möglich ist.

bei mäßiger fibcrschreiumg des kritischen Korndurchmessers hinsichtlich Menge und Größlkorndurchmesser des Überkornes eine beachtliche Erhöhung der Schweißleistung zu erreichen, ohne die Qualität des Auftrages wesentlich /u beeinträchtigen.

Zugleich wird auf diesem Wege eine Verbesserung der Förderung des Metallpulver n;<eh dem Lichtbogen hin erzieh. Damit wird die Herstellung des Metallpulvers verbillig; und es werden Störungen beim Auftragsschweißen vermindert oder beseitigt.

Wegen der stark unterschiedlichen möglichen Sclnveißbcdingiingen ist es nicht zweckmäßig, allgemein güllige Zahlen für die zulässigen Mengen und Größikorndurchmesser des Melallpulverüberkornes anzugeben. Ks gibt indes eine leicht durchführbare Methode zur Ermittlung dieser zulässigen Weile auf dem Wege des Versuches. Das Kriterium ist in allen Füllen der Fläehenanicil der ungeschmol/enen Restkör-IKT im Querschnitt der fertigen Aufträge, der mindestens J %. höchstens 15 ¹VIi betragen soll, um einerseits eine fühlbare Erhöhung der .Schweißgeschwindigkeit und Verbesserung der Förderbarkeil des Metallpulver zu erzielen, andererseits die Qualität des Auftrages nicht wesentlich zu beeinträchtigen.

Um die wesentlichen Vorteile der Erfindung wahrzunehmen, ist es also erforderlich, vor einer größeren Serienarbeit, ausgehend von einer bekanntermaßen unterkritischen Melallpulverkörnung, die Menge und Maximalgrößc des Übcrkornes in wenigen Kur/versuchen so lange zu steigern, bis der Flächenanteil des ungcschmolzenen Restkornes im Querschnitt des Auftrages zwischen 3 und 15 % beträgt. Auf diesem Wege werden beträchtliche wirtschaftliehe und technische Vorteile erzielt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Auftragssehweißveriahren mit erhöhter Schweißleistung, geringer Wärmeaufnahme und geringer Aufschmelzung des Grundkörpers, bei welchem die Auftragsschicht hergestellt wird durch Niederschmelzen eines unlegierten oder legierten stromzuführenden Zusatzdrahies oder Zusatzbandes einerseits und eines legierten Metallpulvers oder Metallpulvergemisches andererseits, wobei Zusatzdraht bzw. -band und Metallpulver h/.w. Metallpulvergemisch in einem bestimmten Mengenverhältnis stehen und dem Wirkungsbereich des Lichtbogens kontinuierlich zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dall ein Metallpulver bzw. Metallpulvergemiseh verwendet wird, welches zu einem ersten Teil aus Körnchen mit unterkritischem Durchmesser besteht, die bei den jeweiligen .Schweißbedingungen homogen umgeschmolzen weiden, zu einem zweiten Teil aus Körnchen mit überkritischem Durchmesser in solchem Mengenanleil und solcher maximalen Korngröße, daß der 1 lüchenanieil der nur angeschmolzenen Resikörner im Querschnitt der fertigen Auftragssehieht mindestens 3 °/o, höchstens I :> % betragt.