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Zusatzmittel für ein Schweißgut von Lichtbogen-Schweißverf,$hren
Die Erfindung betrifft ein Zusatzmittel für ein Schweißgut von Lichtbogen-Schweißverfahren
zur Abbindung von Stickstoff in Schweißnähten oder Schweißspritzern an zu emaillierenden
Werkstücken.
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eile, die zu einem Werkstück verschweißt und anschließend emailliert
werden, z.B. Behälter, Apparate, Vorlagen, Stromstörer, Thermorohre, Rührer, sollen
im Bereich der Schweißnaht nur so wenig - möglichst gar keine - Gase, wie Stickstoff
oder Wasserstoff, enthalten, daß das Email nicht durch Gasentwicklung abgeworfen
wird.
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Bei der Herstellung einer Schweißverbindung entstehen Schlackeneinschlüsse
aus den Flußmitteln, wie Elektrodenumhüllung oder Schweißpulver, und den Oxydationsprodukten
von Eisen und Eisen begleitern, die aus der flüssigen Phase nicht IOO#ig abgeschieden
werden, bevor das Schweißgut zur Erstarrung kommt. Aus der Atmosphäre nimmt das
flüssige Schweißgut Stickstoff auf. Der Kohlenstoff des zu verschweißenden Grundwerkstoffs
reagiert an der flüssigen Schweißgutoberfläche mit dem Sauerstoff der Atmosphäre
Beim Emaillieren wird das Werkstück mit der aufgebrachten Grundemailleschicht
geglüht,
Z.R. bei einem Werkstück aus Stahl bei ca. 9200 C, um die Bindung des Grundemails
mit dem Werkstüçk zu erzielen, welches aus dem Grundwerkstoff und zonenweise aus
dem erstarrten Schweißgut besteht. Die Deckemailleschichten werden bei geringeren
Temperaturen aufgebracht, z.B. bei lemperaturen bis 7409 X. Die Grundemailleschicht
weist zahlreiche Hohlräume auf, die durch die Deckemailleschiohten verschlossen
werden. Bei dem für das Aufbringen der Grundemailleschicht notwendigen Glühen setzen
sich die im erstarrten Schweißgut vorhandenen Gase In Bewegung. Das gilt für den
Stickstoff, der im Schweißgut bis zu einem Gehalt von 0,07 - Schweißen unter Luft
-, und von 0,05% - Schutzgassehweißen steigender Spannung bei noch länger in der
Atmosphäre bleibenden Tropfen - vorliegen kann (vgl.
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Tabelle 1) wie für den Wasserstoff, dessen Gehalt wesentlich geringer
aber schwankend ist. Es kann zu weiteren Gasverbindungen kommen, weil zwischen Schweißgut
und Grundwerkstoff i Hinblick auf den Kohlenstoffgehalt Ungleichgewichte bestehen
und der Kohlenstoff nach den Diffusionsgesetzen den Gleichgewichtszustand anstrebt.
Die Gase können sich vereinigen und unter der Grundemailleschicht sammeln, z.B,
in den zahlreichen Hohlräumen.
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Je nach Zusammensetzung reduzieren die Gase an den Sammelstellen vorhandenes
oxydiertes Eisen, ehe es zum -Abwerfen des Emails infolge des zu hohen Gasdruck
ommt. In diesen Bereichen werden nach dem Emailabwurf weiße kristallin glänzende
Stellen siehtbar.
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Beim Schweißen mit offenem Lichtbogen, z.B. mit Stabelektrode und
bei der Schutzgasschweißung, entstehen im allgemeinen Schweißspitzer, die aus flüssigem
Material bestehen, das nur teilweise mit Schlacke umhüllt ist, und die vom Zusatzwerkstoff
abgeworfen oder beim Eintauchen des vom Zusatzwerkstoff abfallenden Tropfens in
das flüssige Schweißgut aus diesem herausgeschleudert werden. Diese Tropfen brennen
in Abhängigkeit von ihrer Verweilzeit in der Atmosphäre und damit ihre Abkühlung
mehr oder minder in die Oberfläche der zu einem Werkstück zu verschweißenden Teile
ein. Da sie ungeschützt oder nur teilweise mit Schlacke umhüllt durch die Atmosphäre
geschleudert werden,
und außerdem zu Beginn ihres Freiwerdens eine
hohe Temperatur aufweisen, neigen sie stark zur Stickstoffaufnahme. In dem Moment,
in dem die Tropfen noch flüssig auf die nalte'Werkstückoberfläche auftropfen, geben
sie nach den Diffusionsgesetzen einen Teil des Stickstoffs an die Umgebung ab. Der
eigentliche Eonzentrationsausgleich mit der näheren Umgebung erfolgt bei der nachfolgenden
zur Emaillierung notwendigen Wärmebehandlung. An den Auftreffstellen steht ein Bindemittel
für Stickstoff nicht zur Verfügung, so daß Reste von Zuaatzwerkstoff-r;und Schweißguttropfen
zur Bildung von kristallinen Flecken und zum Emailabwurf an diesen Stellen führen
kann.
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Da der Wasserstoff aus dem Metall des Werkstücks im Laufe kürzerer
Zeit herausdiffundiert, liegt hauptsächlich der Stickstoff im Schweißgut als Fremdkörper
vor. Die Erfindung verfolgt daher den Zweck, das vom Stickstoff herrührende Abwerfen
oder Abplatzen des Emails zu verhindern. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zusatzmittel
für das Schweißgut zu verwenden, das den als Fremdkörper vorliegenden Stickstoff
abbindet. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Vanadin-Gehalt
im Zu satzmittel bis zu 0,15%.
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Es ist bekannt, daß Aluminium, Titan, Zirkon und Bor zwar Stickstoff
abbinden, sich aber entweder nicht in's Schweißgut einbringen lassen, weil sie im
Lichtbogen verschlacken, oder aber ungüstige Einschlußformen bilden. Vanadin läßt
sich dagegen ohne wei-teres in's Schweißgut legieren. Es bindet den Stickstoff ebenso
gut ab wie die anderen Elemente. Vorbedingung ist jedoch, daß das Schweißgut einer
nachträglichen Wärmebehandlung unterworfen wird. So genügt z.B. beim Schweißen in
mChreren Lagen die von jeder neu eingebrachten Raupe in die vorhergehende Raupe
eingebrachte Wärme nicht, den Stickstoff an Vanadin zu binden.
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Die beim Emaillieren ohnehin notwendige Wärmebehandlung reicht jedoch
aus, den Stickstoff mit Vanadin abzubinden. Die Vanadin-Abbindung strebt nämlich
zwischen 6500 C und 9500 C, etwa bei 8000 C, einem Uptimum zu. Im Hinblick auf das
Emaillieren kommt
hinzu, daß die Vanadin-Abbindung immer besser
wird, je länger die Temperatur in dem vorgenannten Bereich gehalten wird.
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Mit der Stickstoff-Abbindung im Schweißgut ist eine Voraussetzung
für die Vermeidung von kristallinen Flecken oder - allgemein ausgedrückt - des Abplatzens
von Email geschaffen. Die optimale Abbindung wird durch das Emaillieren erreicht,
da dieses in dem für das Abbinden von Stickstoff durch Vanadin gunstigsten Temperaturbereich
stattfindet. Dabei werden sowohl der Stickstoff im Schweißgut selbst als auch Stickstoff
in Tropfen, die beim Zuführen von Zusatzwerkstoff aus dem Zusatzwerkstoff selbst
oder aus dem Schweißgut herausgeschleudert werden, abgebunden.
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Hinzu kommt der krteil daß Vanadinnitride zur Feinkörnigkeit erheblich
beitragen. Während Schweißgut ohne Vanadinzusatz im Laufe der Zeit bei den einzelnen
Glühvorgängen oder bei langem Halten des Werkstücks auf Glühtemperatur immer grobkörniger
wird, tritt dieses Verhalten bei Schweißgut mit Vanadinzusatz nicht auf; vielmehr
ist Vanadin ein feinkornbildender Zusatz. Das ist von Bedeutung, da es durch Emaillieren
und Reemaillieren bis zu 50 Glühungen im genannten Temperaturbereich kommen kann.
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Zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff besteht im Hinblick auf Kohlenstoff
und Stickstoff ein Ungleichgewicht. Nach den 1)iffusionsgesetzen wird der Gleichgewichtszustand
angestrebt. Die für das Emaillieren notwendigen Glühzeiten lassen sich im Hinblick
auf die Diffusion addieren, so daß damit gerechnet werden muß, daß Kohlenstoff in
das Schweißgut einwandert. Da Vanadin jedoch eine hohe Affinität zu Stickstoff aufweist,
die größer ist als die von Eisen zu Stickstoff, bildet sich in jedem Fall Vanadin
nitrid und nur vereinzelt Vanadinkarbid und Vanadintarbonitrid.
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Entsprechend dem zu erwartenden Stickstoffgehalt (val. Tabelle 1)
in der Verbindung aus Grundwerkstoff, Zusatzwerkstoff und aktivem Gas ist ein Vanadinzusatz
von bis zu 0,15% notwendig, um eine sichere Abbindung des Stickstoffs zu erreichen.
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Bei Verwendung von gefüllten oder umhüllten Elektroden - Fülldrahtelektroden
oder Stabelektroden - für das Lichtbogen-Schweißverfahren ist in Ausgestaltung der
Erfindung das Vanadin im Kern oder in der Hülle der Elektrode vorgesehen. Mit ersteren
derartig zusammengesetzten Elektroden, die sich gezielter erstellen lassen und bei
denen die Menge der Legierungselemente variabler ist, wurden Versuche ausgeführt,
die das zunächst theoretisch ermittelte vorteilhafte Verhalten von mit Vanadin legiertem
Schweißgut bestätigten. Die Zusammensetzung der Fülldrähte gewährleistet, daß die
Teile des Werkstücks sicher verschweißt werden können und die Schweißverbindung
nach der Emaillierung neben den geforderten mechanischen Eigenschaften die gewünschte
Stickstoffabbindung aufweist. Dabei lassen sich weitere Legierungselemente den Fülldrähten
je nach Anforderung zusetzen.
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Bei Verwendung von nicht umhüllten Elektroden - nackte Schweißdrähte
und Seelenelektroden - für das Lichtbogenschweißverfahren ist in einer anderen Ausgestaltung
der Erfindung das Vanadin in der Elektrode selbst vorgesehen. Mit derartigen Elektroden
sind zahlreiche Lichtbogenschweißverfahren ausführbar, und zwar sowohl solche, die
die blanke Elektrode als Zusatzelektrode verwenden, auch in Form eines Drahtes,
als auch solche, die die blanke Elektrode als absohmelzende Elektrode verwenden.
Erwähnt seien das UP-, MAG-, EG- und das MIG-Verfahren. Die Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren
werden zweckmäßig mit Fülldrahtelektroden durchgeführt, die unter Kohlendioxyd-Schutzgas
abzuschmelzen sind. Es lassen sich jedoch auch andere Gase, wie Gemische aus Argon
und Kohlendioxyd, Argon mit Kohlendioxyd und Sauerstoff wowie reine Edelgase, diesgegebenenfalls
mit Sauerstoff- oder Stickstoffzusatz versehen sind, verwenden, wenn die Schlackenzusätze
in der Fülldrahtelektrode hierauf abgestimmt sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist bei Ausführung des Lichtbogenschweißverfahrens
in Form eines Unterpuiververfahrens das Vanadin in dem Schweißpulver vorgesehen.
Wegen des angestrebten Reinheitsgrades des Schweißgutes sollten grundsätzlich als
Schweißpulver
kalkbasische Pulver in der Art der Pulver OP 40 TT oder OP 141-2 verwendet werden.
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Zu warmfesten Stählen werden Molybdän und Chrom zugesetzt, um bei
erhöhter Temperatur zu erhöhten Festigkeitswerten zu kommen.
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Als drittes Element, welches sich positiv auf die Warmfestigkeit auswirkt,
ist Vanadin anzusehen, worin ein weiterer Vorteil der Verwendung des Vanadins als
Zusatzmittel zum Schweißgut zu sehen ist.
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Die geforderten mechanischen Eigenschaften - Grundwerkstoffe HI, St
37/3, St 37/2, H#t, SH 21, EH 24, EH 38 - erfordern in den Schweißverbindungen außer
dem Vanadin-Gehalt bis zu nur wenig weitere Zusätze. Diese Zusätze sind in Tabelle
2 angegeben. Bei den bisher durchgeführten Versuchen genügten - in an sich bekannter
Weise - die in Tabelle 2 unter den Ziffern a bis d genannten Elemente.
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Tabelle 1 Verfahren ~ % N9 im Schweißgut ES #bis 0,010 UP bis 0,015
EG sauer bis 0,020 EG basisch bis 0,015 SG C02 rein bis 0,012 SG C02 + Stickstoff
bis 0,020 MIG Argon bis 0,005 MIG Argon + 3 N2 bis 0,020 ESU bis 0,007 Luft (Tropfen)
bis 0,07 SG steigende Spannung bis 0,05 Tropfen länger in der Atmosphäre
Tabelle
2 a.) C 0,03 ./. 0,15 % b-) -Si 0,00 ./. 0,35 % c.-) Mn 0.30 ./. 1,8 % d.) Ni 0,00
./. 2,8% e.) --Mo 0,00 % 0,5 % f.) Cr 0,00 ./. 0,7 %