DE2222275A1 - Schweisselektrode und Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweissen - Google Patents
Schweisselektrode und Verfahren zum elektrischen LichtbogenschweissenInfo
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-
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Description
Patent anmeldung
der Firma
The Lincoln Electric Company, 22801 ßt. Clair Avenue,
Cleveland, Ohio (USA)
Schweißelektrode und Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweißen
Die Erfindung betrifft eine Schweißelektrode und ein Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweißen.
Insbesondere ist die Erfindung auf das elektrische Lichtbogenschweißen
in der Luftatmosphäre gerichtet, wobei bevorzugt rohrförmige Blankelektroden mit im Inneren des
Elektrodenrohres befindlichem Flußmittel verwendet werden, wobei aber der Anwendungsbereich der Erfindung breiter ist
und Elektroden anderer Ausführungen umfaßt.
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Beim Lichtbogenschweißen verwendet man Elektroden ans Schweißmetall in Form von Drähten bzw. Stäben oder in Rolirform.
Der sich im Betrieb zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufgrund der angelegten Spannung einstellende
Lichtbogen bewirkt ein Aufschmelzen der Elektrode und der
Schweißstelle des Werkstücks, auf die das geschmolzene Elektrodenmetall abgegeben wird. Ganz allgemein besteht hierbei
das Erfordernis, das Schweißmetall so auf die Schweißstelle zu bringen, daß es frei von Poren ist und neben einer
hohen Kerbschlagfestigkeit zufriedenstellende Eigenschaften hinsichtlich der Streckfestigkeit, der Zugfestigkeit
und seiner Dehnung aufweist. Die Zusammensetzung des Schweißmetalls der Elektrode muß sorgfältig so eingestellt werden,
daß die Schweißnaht die vorgenannten Forderungen und Eigenschaften weitestgehend erfüllt.
FUr die Porosität des Schweißmetalls sind verschiedene Faktoren
ursächlich. Ein Grund für die Porosität ist in der Reduzierung des Eisenoxids zu metallischem Eisen aufgrund des
in dem Werkstückmetall enthaltenen Kohlenstoffs zu sehen, wobei sich Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxidgas in dem
schmelzflüssigen Schweißmetall bildet, welches beim Erhärten des Metalls eingeschlossen wird. Das Eisenoxid ergibt
sich hauptsächlich aus der Reaktion des atmosphärischen Sauerstoffs
mit der geschmolzenen Oberfläche der Schweißraupe und mit den sich durch den Lichtbogen hindurchbewegenden Elektroden-Schmelztröpfchen.
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Um die Bildung von Eisenoxid zu unterdrücken, ist es bekannt, dem Elektrodenmaterial Stoffe wie Desoxydationsmittel
bzw. Reduktionsmittel zuzusetzen, die aufgrund ihrer Sauerstoffaffinität anstelle des schmelzflüssigen Schweißmetalls
oxydiert werden. Als Reduktionsmittel werden zahlreiche Stoffe, wie z.B. Aluminium, Titan, Silizium u.v.a.m.
verwendet. Diese Stoffe haben oe<loch die Neigung, mit dem
Schweißmetall Legierungen einzugehen. Sind die Reduktionsmittel in unzulässig großen Mengen vorhanden, so bewirken
sie eine unerwünschte Veränderung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Schweißmetalls, insbesondere
eine Erhöhung der Sprödigkeit und eine starke Herabsetzung der Schlagfestigkeit. Magnesium und Kalzium, die
ebenfalls gute- Reduktionsmittel sind, haben solch niedrige Siedetemperaturen, daß sie weniger wirksam sind. Kalzium
ist außerdem in feuchter Luft instabil.
Ein anderer Hauptgrund für die Porosität des Schweißmetalls
besteht darin, daß das Schweißbad dem' atmosphärischen Stickstoff
ausgesetzt ist, der sich in dem geschmolzenen Schweißmetall löst. Beim Abkühlen des geschmolzenen Metalls ist
der gelöste Stickstoff bestrebt, aus der Lösung zu gehen. Das sich abkühlende Metall erhärtet um die entstehenden Gasbläschen
herum, so daß sich in dem Metall Poren bilden. Diese Erscheinung kann als sogenanntes "Stickstoffsieden" bezeichnet
werden. Es ist bekannt, daß das Stickstoffsieden dadurch unterdrückt werden kann, daß mit einer über die für
209848/1064-
die Desoxydation erforderliche Menge hinausgehenden Menge
an Reduktionsmitteln, wie Aluminium, Titan und/oder Zirkonium, in der Elektrodenzusammensetzung gearbeitet wird.
Diese im Überschuß vorhandenen Reduktionsmittel reagieren mit dem Stickstoff unter Bildung stabiler Nitride, die als
Einschlüsse in dem Schweißmetall enthalten sind. Übergroße Mengen solcher Nitride bewirken aber schlechte Kerbschlageigenschaften
des Schweißmetalls. Im Überschuß vorhandenes Aluminium dringt, ohne zu reagieren, in das Schweißmetall
ein, wobei schon geringe Überschußmengen in der Größenordnung von etwa 1% die metallurgischen Eigenschaften des
Schweißmetalls in unerwünschter Weise beeinträchtigen.
Aufgrund der vorgenannten Probleme und Schwierigkeiten ist man daher zu dem Schluß gekommen, daß es wenig angebracht
ist, den Stickstoff erst dann zu beseitigen, wenn er in das Schweißmetall eingedrungen ist, sondern daß der Zutritt
des Stickstoffs zu dem Lichtbogenplasma und der Schweißzone und damit zu dem Schweißmetall möglichst unterbunden werden
sollte. Mit der USA-Patentschrift 2 909 648 wird in diesem
Zusammenhang der Vorschlag unterbreitet, eine Stahlelektrode mit einem metallischen Überzug zu versehen, der in der
Hitze des Lichtbogens verdampft und dadurch eine metallische Schutzdampfatmosphäre um den Lichtbogen herum bewirkt, die
den Zutritt der Luftatmosphäre und damit des Stickstoffs zu dem Schweißbad unterbindet. Bei späteren Untersuchungen
konnte festgestellt werden, daß sich von den in Betracht
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kommenden Schutzmetallen Lithium in besonderem Maße eignet.
Dabei ging man von der Annahme aus, daß das Lithium um die Schweißmetalltröpfchen einen Schutzdampfmantel bildet, wenn
sich die Tröpfchen über die Lichtbogenstrecke in das Schweißbad bewegen. Unabhängig von dem Wirkungsmechanismus ist es
bekannt, daß sich das Stickstoffsieden durch Zuführen von
elementarem Lithium in den Lichtbogen unterdrücken läßt, ohne daß zugleich die metallurgischen Eigenschaften des
Schweißmetalls beeinträchtigt werden. Das Lithium siedet bei einer Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des
Stahls liegt. Es wird daher zum Verdampfen gebracht', wobei kein Rückstand in dem Schweißmetall verbleibt.
Beim Aufbringen von metallischem Lithium auf eine Elektrode ergeben sich aber hinsichtlich der Herstellung der Elektrode
gewisse Probleme. Insbesondere ist es erforderlich, in Verbindung mit dem Lithium Binde- und Modifizierungsmetalle
zu verwenden. Außerdem muß die Elektrode gereinigt und während der Beschichtung gegenüber den Einflüssen der Atmosphäre
geschützt werden.
Die USA-Patentschrift 3 4-88 469 der Anmelder in beschreibt
eine rohrförmige Elektrode, die neben Aluminium als Reduktionsmittel
und Legierungsmitteln Lithiumcarbonat enthält. Wird das Lithiumcarbonat in ausreichenden Mengen in den .
Lichtbogen eingeführt, so wird das Stickstoffsieden unterdrückt,
ohne daß die Notwendigkeit besteht, einen Mtridbildner, wie Aluminium, in Mengen einzuführen, bei denen
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die Schlagfestigkeit des Schweißmetalls in unerwünschter
Weise beeinträchtigt wird. Man erhält in diesem Fall ein porenfreies Schweißmetall mit guter Kerbschlagfestigkeit.·
Um allerdings das Stickstoffsieden soweit zu unterdrücken,
daß ein porenfreies Schweißmetall erhalten wird, müssen verhältnismäßig große Mengen Lithiumcarbonat verwendet
werden. Außerdem besteht der Nachteil, daß sich das Lithiumcarbonat geradezu explosionsartig in Kohlendioxid-Schutzgas
umsetzt. Ist das Lithiumcarbonat in solchen Mengen vorhanden, daß es das Stickstoffsieden in dem erforderlichen
Maße unterdrückt, so bewirkt es beim Schweißvorgang ein mehr oder weniger starkes Verspritzen des geschmolzenen
Schweißmetalls. Die Schweißmetallspritzer erschweren den Schweißvorgang und führen zu unansehnlichen
Schweißnähten; außerdem ist es erforderlich, die Schweißspritzer nach erfolgtem Schweißvorgang zu beseitigen. Das
Freisetzen des Kohlendioxidgases in den erforderlichen großen Mengen kann außerdem zu einer Unterbrechung des
Lichtbogens führen.
Eingehende Untersuchungen über die Wirkungsweise des Lithiumcarbonate
ergaben, daß bei der Elektrode gemäß der genannten USA-Patentschrift das Lithiumcarbonat aufgrund
des vorhandenen Aluminiums in der Hitze des Lichtbogens zu elementarem Lithium reduziert wird und daß die vorstehend
erwähnten günstigen Ergebnisse au.r die Anwesenheit des elementaren Lithiums zurückzuführen sind. Um diese
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Theorie zu stützen und um festzustellen, ob auch andere Lithiumverbindungen als Ausgangsstoffe für elementares
Lithium in. dem Schweißbogen eingesetzt werden können, sind eingehende Versuche durchgeführt worden. Dabei wurden
Lithiumverbindungen, vorzugsweise bimetallische Lithiumsilikate , Lithiumfluorid oder Lithiumsilikate in
der Elektrode mit reduzierenden Stoffen kombiniert, die die Lithiumverbindungen in der Hitze des Lichtbogens zu
elementarem Lithium reduzieren. Während Lithiumsilikate sich mit Magnesium, Aluminium oder Silizium reduzieren
lassen, erfordert das bevorzugt zum Einsatz kommende Lithiumf luorid Kalzium als Reduktionsmittel. Da Kalzium aber
mit der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit reagiert, wird es mit Aluminium und Magnesium in der Form von luft- und
lagerbeständigen intermetallischen Verbindungen oder Legierungen hergestellt.
Obwohl sich mit solchen Reduktionsmitteln das Lithiumfluorid in den erforderlichen Mengen zu elementarem Lithium
reduzieren läßt, hat sich jedoch gezeigt, daß sich diese Kalzium enthaltenden Reduktionsmittel nur dann
sicher auf Vorrat halten und bei der Herstellung handhaben lassen, wenn ihre Mengenanteile sehr genau eingehalten
werden. Selbst kleine Abweichungen von den vorgeschriebenen Werten führen zu Stoffen, deren Lagerhaltung
und Handhabung erhebliche Schwierigkeiten bereiten und gegebenenfalls sogar mit Gefahren verbunden sind. Außerdem
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bewirken diese Abweichungen aufgrund der heftigen Reaktion des Kalziums mit der Luft und der Luftfeuchtigkeit eine
Zersetzung der Elektrode bei der Lagerhaltung. Dieser schwerwiegende Nachteil des als Reduktionsmittel verwendeten
elementaren Kalziums sowie die Schwierigkeiten hinsichtlich der Herstellung und der genauen Einhaltung der
Mengenanteile führten zu der Überlegung, nicht-hygroskopische
Lithiumverbindungen zu verwenden, die sich in der Hitze des Lichtbogens zu elementarem Lithium reduzieren
lassen, ohne daß hierbei Reduktionsmittel benötigt werden, die elementares Kalzium enthalten.
Um entsprechend dieser Zielsetzung Lithium enthaltende Stoffe zu entwickeln, die zum Zwecke ihrer Herstellung
und Lagerhaltung luftbeständig sind und sich in der Lichtbogenhitze zu elementarem.Lithium reduzieren lassen, ohne
daß hierbei gasförmige Stoffe, wie Kohlendioxid, in solchen
Mengen freigesetzt werden, die zu einem Abreißen des Lichtbogens führen können, hat man Überlegungen angestellt,
die basischen Lithiumverbindungen mit Metallverbindungen von azidischer oder amphoterischer Natur zu kombinieren,
um Verbindungen oder mineralartige Komplexe zu bilden. Diese Verbindungen bzw. Komplexe sollten sich in der Lichtbogenhitze
zu elementarem Lithium reduzieren lassen, ohne daß hierfür Kalzium als Reduktionsmittel benötigt wird und
ohne daß sie. zu einer schlagartigen Zersetzung neigen. Außerdem sollten sie hinreichend stabil und nicht in einem
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solchen Maße hygroskopisch sein, daß ihre Verwendung bei
einer Schweißelektrode ausgeschlossen wird.
Das Metall der ausgewählten sauren oder amphoterischen Verbindung
sollte außerdem in den Anteilen, in denen es in das Schweißmetall eindringt, wünschenswerte metallurgische
Eigenschaften haben, da das hohe Reduktionspotential des verwendeten Reduktionsmittels der Schweißelektrode zweifellos
einige der Metallverbindungen in derselben Weise, wie die Lithiumverbindung, reduzieren würde.
Untersuchungen, die in dieser Richtung durchgeführt wurden, ergaben, daß die Eigenschaft des elementaren Lithiums,
das Stickstoffsieden zu unterdrücken, weniger darauf zurückzuführen
ist, daß es leichter ist als Stickstoff und daher den Stickstoff von dem heißen Zentrum des Lichtbogens fernzuhalten
vermag, sondern vermutlich darauf zurückzuführen ist, daß das Lithium gewisse mit anderen Alkalimetallen gemeinsame
Eigenschaften hat. Aufgrund dieser Überlegungen wurden Verbindungen bzw. Komplexe entwickelt, die Kalium
und Natrium als Alkalimetall enthalten. Diese Stoffe wurden im Hinblick auf ihre Eigenschaft, das Stickstoffsieden
zu unterdrücken, getestet. Dabei konnte festgestellt werden, daß sich Kalium und Natrium als Mittel .zur Unterdrükkung
des Stickstoffsiedens wirksam einsetzen lassen, wobei davon ausgegangen wird, daß auch die übrigen Alkalimetalle,
nämlich Zäsium und Rubidium ebenfalls mit Erfolg verwendbar sind.
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- ίο - 222227b
Die Erfindung geht von den vorstehenden Überlegungen und Untersuchungen aus. Ihr liegt vornehmlich die Aufgabe zugrunde,
eine Schweißelektrode zu schaffen, die gegenüber Feuchtigkeitsaufnahme beständig ist und mit der sich porenfreie
Schweißnähte hoher Qualität, insbesondere mit hoher Schlagfestigkeit und guten Streck-, Zug- und Dehnungseigenschaften
erzielen lassen. Insbesondere bezweckt die Erfindung eine Schweißelektrode und ein Schweißverfahren, bei
der bzw. bei dem in dem Lichtbogen elementares Alkalimetall freigesetzt wird, ohne daß hierbei metallisches
Kalzium oder andere stark reagierende Reduktionsmittel benötigt werden. Das freigesetzte elementare Alkalimetall
beseitigt oder unterdrückt das Stickstoffsieden in dem Schweißmetall, ohne daß übergroße Mengen an Desoxydationsmitteln dem Schweißmetall zugeführt werden.
Die Erfindung betrifft somit eine Schweißelektrode und
ein Verfahren, bei der bzw. bei dem Alkalimetallverbindungen oder mineralartige Komplexe unter Ausschluß von
elementarem Kalzium oder anderen hygroskopischen oder stark reagierenden Reduktionsmitteln in dem Lichtbogen
zu elementarem Alkalimetall reduziert werden. Solche Alkalimetallverbindungen bzw. -komplexe werden in der nachfolgenden
Beschreibung und in den Patentansprüchen als "Alkalikomponente" bezeichnet, wobei der Begriff "Komponente"
die verschiedenen Alkalimetallferrate, -silikate,
-manganate, -aluminate und ähnliche Verbindungen sowie Quasiverbindungen und mineralartigen Komplexe umfaßt. Bei
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- li -■
einzelnen dieser Komponenten dürfte es sich um reine chemische Verbindungen handeln, während andere lediglich als
mineralartige Bindung zwischen den Molekülen der einzelnen Komponenten anzusehen sind. Für das Verständnis und die
praktische Anwendung der Erfindung ist es ohne besondere Bedeutung, ob z.B. das Lithiumferrat in Form echter chemischer
Verbindungen als LiFeO2 und Li2Fe1-O8 (wie aufgrund
einer Röntgenbeugungsaufnahme anzunehmen ist) oder als mineralartiges
Komplex eines Lithiumoxid und eines Eisenoxids in festem Verhältnis Li2O · FeO vorliegt (der Sauerstoffgehalt
der Zusammensetzung kann über einen weiten Bereich schwanken, ohne die kritischen Eigenschaften der Zusammensetzung
zu beeinflussen).
Die erfindungsgemäße Lichtbogenschweißelektrode kennzeichnet sich vor allem dadurch, daß sie neben den herkömmlichen
Elektrodenbestandteilen mindestens eine Alkalimetallkomponente , enthaltend ein Alkalimetalloxid in Kombination mit
einer sauren oder amphoteren Metallverbindung, zusammen mit
mindestens einem die Alkalimetallkomponente im Lichtbogen zu elementarem Alkalimetall reduzierenden Reduktionsmittel
enthält.
Erfindungsgemäß ist somit eine Alkalimetallkomponente vorgesehen, die im Lichtbogen durch Aluminium, Magnesium oder
sonstige Reduktionsmittel zu elementarem Alkalimetall reduziert wird. Dieses Alkalimetall trägt dazu bei, das Stickstoff
sieden zu unterdrücken und bewirkt damit ein Schweiß-
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metall, welches porenfrei ist und gute mechanische Eigenschaften aufweist. Die sauren oder amphoteren Metallverbindungen,
die sich mit Alkalimetallverbindungen kombinieren lassen, um geeignete Alkalimetallkomponenten zu erhalten,
sind die Oxide des Eisens, Mangans, Siliziums, Aluminiums, Nickels, Titans und Kobalts, wobei sich aber auch andere
Metallverbindungen mit ähnlichen azidischen oder amphoteren Eigenschaften verwenden lassen. Aufgrund ihres vergleichsweise
hohen Preises sind Nickel- und Kobaltoxide aus wirtschaftlichen und praktischen Gründen weniger geeignet.
Aluminiumoxid bildet mit Alkalioxiden eine Alkalikomponente, die sich zwar verwenden läßt, die jedoch im Lichtbogen
schwerer als andere Metalloxidkomponenten zu elementarem Metall reduziert werden kann.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden stoffliche Zusammensetzungen bzw. Alkalimetallkomponenten vorgesehen,
die aus Eisenoxid, Manganoxid, Aluminiumoxid, ßiliziumdioxid, Nickeloxid, Titandioxid oder Kobaltoxid, kombiniert
mit einer oder mehreren Alkalimetallverbindungen in einer Zusammensetzung bestehen, die gegenüber der entsprechenden
Alkalimetallverbindung nicht-hygroskopisch ist. Die genannten Komponenten werden durch Kombination ausgewählter
Alkalimetallverbindungen und saurer oder amphoterer Metallverbindungen und Erhitzen der Mischung, entweder allein
oder zusammen mit anderen Stoffen des fertigen Elektrodenflußmittels bei einer Temperatur hergestellt, bei der
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sich das Alkalimetall und die sauren bzw. amphoteren Metallverbindungen
unter Bildung der erfindungsgemäßen Alkalimetallkomponenten zusammenschließen.
; Es besteht die Möglichkeit, mehr als nur eine einzige Alkalimetallverbindung
und mehr als nur eine einzige saure oder amphoterische Metallverbindung zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Alkalimetallkomponente zu kombinieren. Da die Alkalimetallkomponenten in der stofflichen Zusammensetzung
weniger hygroskopisch sind als die Alkalimetallverbindungen, die sie enthalten, kann das Ausmaß der Hygroskopizität bzw.
das Maß der Eeuchtigkeitsaufnahme aus der Luft zwischen den verschiedenen erfindungsgemäßen Alkalimetallkomponenten
schwanken. Einige Komponenten sind vollständig beständig gegenüber Feuchtigkeitsaufnahme und lassen sich daher über
lange Zeit hinweg auf Vorrat halten, während andere Komponenten entweder bald nach ihrer Herstellung verwendet oder
luftdicht abgepackt werden müssen, um eine übermäßig starke Feuchtigkeitsaufnahme zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Stoffe
, mit "feuchtigkeitssperrenden" Eigenschaften, wie insbesondere
Siliziumdioxid, Kalziumoxid, Aluminiumoxid und Magne-
; siumoxid, der Alkalimetallkomponente zugesetzt. Ebenfalls
! wirksam und verwendbar als feuchtigkeitssperrende Stoffe
ζ sind ITatriumf luorid, Lithiumf luorid, Kalziumfluor id und
Bariumfluorid und es kann davon ausgegangen werden, daß
auch.andere Erdalkalifluoride als feuchtigkeitssperrende
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* OBJGSHAL INSPECTED
Stoffe verwendbar sind (die Erdalkalimetalle sind Eeryllium,
Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium und Radiumj Radiumfluorid ist dabei aus praktischen Gründen selbstverständlieh
nicht geeignet, da es radioaktiv ist). Diese vorgenannten Stoffe fördern die Beständigkeit der Alkalimetallkomponenten
gegenüber Luftfeuchtigkeit.
Alkalimetallkomponenten auf Lithiumbasis lassen sich z.B. dadurch herstellen, daß eine Lithiumverbindung, vorzugsweise
Lithiumcarbonat, mit Eisenoxid und zusammen mit Siliziumdioxid
und anderen weiter unten angegebenen Stoffbestandteilen gemischt wird. Die Mischung wird dann auf
hohe Temperaturen, vorzugsweise zwischen etwa 900° C und etwa 1010° 0, erhitzt, um eine Mischung zu erhalten, die
Lithiumoxid (vermutlich in der Zusammensetzung Li0O · FeO )
enthält, in der die übrigen Bestandteile in fester Lösung sind.
Der Anteil, in dem LipO und SiO2 in dem fertiggestellten
Flußmittel enthalten sind, ist für die praktische Verwendbarkeit von Bedeutung, da Mischungen, die im Verhältnis zu
dem Silizium einen zu geringen Lithiumanteil aufweisen, dem Schweißmetall zuviel Silizium zuführen, wenn für die
Unterdrückung des Stickstoffsiedens ausreichend Lithium
vorhanden ist (hierbei ist zu berücksichtigen, daß das Siliziumdioxid zusammen mit den Lithiummetallen durch das
Aluminium oder durch ein anderes Desoxydationsmittel zu elementarem Metall reduziert wird). Wenn andererseits der
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Anteil des Lithiums gegenüber dem Silizium zu groß ist, so ist das !Flußmittel unerwünscht empfindlich gegen Feuchtigkeit
sauf nähme, ungeachtet der Tatsache, daß das Lithiumoxid
in der Lithiumferratkomponente gebunden ist.
Magnesiumoxid, welches normalerweise die Probleme hinsichtlich der Feuchtigkeitsaufnahme verstärkt, begünstigt im allgemeinen
die Reduzierung der Alkalimetallkomponente zu elementarem Alkalimetall im Lichtbogen. Kalziumoxid ist, wie
oben erwähnt, ein feuehtigkeitssperrender Stoff und hat im
allgemeinen den umgekehrten Effekt hinsichtlich der Feuchtigkeitsaufnahme und der reduzierenden Eigenschaften in bezug
auf die Alkalimetallkomponente. Dies bedeutet, daß mit Kalziumoxid etwaige Schwierigkeiten hinsichtlich der Feuchtigkeitsaufnahme
vermindert oder beseitigt werden können, während in jedem Fall die Reduzierung etwas schwieriger
durchzuführen ist. Demgemäß können die beiden vorgenannten Verbindungen (Magnesiumoxid und Kalziumoxid) in Kombination
verwendet wer-den, um die gewünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften der Zusammensetzung zu erhalten.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht daher darin, daß Magnesiumoxid und Kalziumoxid, zusammen mit Aluminiumoxid,
in "Verbindung mit einer Alkalimetalloxidverbindung verwendet werden, um die Feuchtigkeitsaufnahme in der gewünschten
Weise einzustellen und die gewünschte durchgreifende Reduzierung des Alkalimetalloxids zu elementarem Alkalimetall
zu erzielen.
209848/1064:
- 16 -
- ie - tit: '7U.
Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, eine Schweißelektrode
herzustellen, die gegen Feuchtigkeitsaufnähme
weitgehend beständig ist und mit der sich porenfreie Schweißraupen mit guten mechanischen Eigenschaften herstellen lassen,
ohne daß metallisches Kalzium oder andere stark reagierende Reduzierungsmittel benötigt werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Elektroden läßt sich das Stickstoffsieden in dem Schweißmetall stark herabsetzen oder beseitigen, ohne
daß übergroße Mengen an Desoxidationsmittel!! in das
Schweißmetall hineingehen.
Weiterhin lassen sich erfindungsgemäß elektrische Schweißelektroden
herstellen, die Alkalimetallkomponenten, vorzugsweise des Lithiums, Natriums und Kaliums, gegebenenfalls
aber auch des Rubidiums und Zäsiums, enthalten, die im Lichtbogen zu elementarem Alkalimetall reduzierbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den einzelnen Patentansprüchen.·
In der nachfolgenden Beschreibung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben,
bei denen hohle rohrförmige Elektroden verwendet werden,
die ein mit einer Alkalimetallkomponente gemäß der Erfindung versehenes Flußmittel enthalten.
Die Alkalimetallkomponenten gemäß der Erfindung können zusammen mit mindestens einigen der anderen Stoffbestandteile
des fertigen Flußmittels oder ihrer Ausgangsstoffe hergestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, die Alkali-
209848/1064 -17-
metallverbindung "und die saure oder amphoterische Metallverbindung
"und gegebenenfalls feucntigkeitssperrende Stoffe
mit Verschlackungsmitteln, die im Schweißbetrieb eine
geeignete Schlacke bilden, und mit Legierungsmitteln, die in das Schweißmetall übergehen und diesem bestimmte metallurgische
Eigenschaften verleihen, oder mit Ausgangsstoffen dieser letztgenannten Mittel zu kombinieren. Die kombinierten
Stoffe werden dann als Mischung erhitzt, um einen
Bestandteil bzw. eine Komponente des !Flußmittels zu
bilden. Beispielsweise kann der Mischung Kaliumcarbonat als Ausgangsstoff zugefügt werden, welches bei der Erhitzung
zu einem feuchtigkeitssperrenden Kalziumoxid zersetzt
wird.
Einige der verschiedenen Stoffe können Doppelfunktionen erfüllen.
Die Reduktionsmittel oder ein Teil derselben dienen zur Reduktion der Alkaliinetallkomponente zu elementarem
Alkalimetall sowie zugleich als Desoxydationsmittel. Der feuchtigkeitssperrende Stoff SiOp, oder ein Teil desselben,
wird zu Silizium reduziert und geht eine Legierung mit dem Schweißmetair ein, während GaO, ebenfalls ein feuchtigkeitssperrender
Stoff, in das Schlackensystem eingeht und hier eine nützliche Komponente des Schlackensystems bildet.
Der in der Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendete Begriff "Stahlmantel" bezieht sich auf die Stahlschweißelektrode,
gleichgültig, ob diese die Form einer Hülse bzw. eines Gehäuses oder einer Stange hat. In allen Fällen ist
209848/1064 - 18 -
mit der Bezeichnung "Prozent des Elektroden-Gesamtgewichts" oder mit entsprechenden Bezeichnungen der Gewichtsanteil
von dem gesamten kombinierten Gewicht des Stahlmantels und der weiteren Elektrodenbestandteile gemeint.
Das folgende Beispiel I gibt die Zusammensetzung und Herstellung einer Lithiumferratkomponente gemäß der Erfindung
wieder (bei allen Beispielen wird Hammerschlag vereinfacht als "Eisenoxide" angegeben, da seine Zusammensetzung je
nach seinen Herstellungsbedingungen unterschiedlich ist und häufig elementare Eisenpartikel mit Oxidoberfläche einschließt)
.
Beispiel I
Eine Mischung folgender Stoffe wird hergestellt:
Eine Mischung folgender Stoffe wird hergestellt:
Lithiumcarbonat (Li2CO7) 35,5 Gew.%
Hammerschiag (Eisenoxide) 66,5 Gew.%
Die Mischung wird in einem Ofen mit einer Maximaltemperatur
von 1010° 0 bei einer Verweilzeit im Ofen von einer Stunde erhitzt. Dabei ergibt sich folgende Stoffzusammensetzung:
Lithiumoxid (Li2O) 15,8 Gew.%
Eisenoxid (^e2Ox) 84,2 Gew.%
(Der Durchschnittswert von "x" liegt zwischen etwa 1,6 und 3,0).
- 19 209848/106 4
Der Sauerstoffgehalt der Zusammensetzung schwankt je nach
Herstellungsbedingungen. Der Gesamtsauerstoffgehalt in den analysierten Proben schwankte zwischen etwa 30,9 Gew.% und
etwa 37 ,6 Gew.%. Bei 3ZK7 Gew.% Sauerstoff wird das Lithiumferrat
(LiFeO2) gebildet. Ein breiterer Bereich des Sauerstoff
gehalts ist möglich, ohne die Empfindlichkeit der Zusammensetzung gegenüber Feuchtigkeitsaufnähme unerwünscht
zu ändern.
Beispiel II Eine Mischung folgender Stoffe wird hergestellt:
Gew.%
Lithiumcarbonat (LipCO-,) 25,5
Hammer schlag (Eisenoxide) 4-5,2
Siliziumdioxid (SiO2) 10,4
Kaliumcarbonat (CaOO-,) 18,9
Die Mischung wird in teinem Ofen, dessen Maximaltemperatur
1010° G beträgt, über eine Dauer von einer Stunde erhitzt. Dabei ergibt sich eine Alkalimetallkomponente folgender Zusammensetzung:
Gew.%
Lithiumoxid (Li2O) 13,6
Siliziumdioxid (SiO2) 13,6
Kalziumoxid (OaO) 13,6
Eisenoxid (Feo0v) 59,2
209848/1064 _ 20 _
(Der Durchschnittswert von "x" liegt zwischen etwa 1,6 und
3,0).
Die Mengenanteile der im Beispiel II angegebenen Stoffe Li2CO^, Hammerschlag, SiO2 und CaCO71 werden so variiert,
daß nach Erhitzung der Mischung eine Alkalimetallkomponente folgender stofflicher Zusammensetzung vorliegt:
Gtew.%
Lithiumoxid (Li?0) Siliziumdioxid Kalziumoxid (CaO)
Eisenoxid (Fe2O )
(Der Durchschnittswert des Betrages χ liegt zwischen etwa
1,6 und 3,0).
Die Röntgenbeugungsanalyse der Lithiumferratkomponente zeigt
für Li2O · FeO ausgeprägte Linien. Andererseits gibt die
Sauerstoffanalyse an, daß die Zusammensetzung über einen weiten Sauerstoffniveaubereich variieren kann, ohne daß
ihre Empfindlichkeit in bezug auf Feuchtigkeitsaufnahme ungünstig beeinflußt wird. Die Linien für. die einzelnen Stoffkomponenten
sind nicht vorhanden, woraus zu entnehmen 'ist. daß das Siliziumdioxid und das Kalziumoxid mit der Lithiumferratkomponente
Li0O * Fe0O chemisch verflochten sind.
C-.
L~ jt\.
- 21 -
2 0 9848/1064
| 10 - | 18 |
| 10 - | 28 |
| 0 - | 20 |
| Rest |
Wie oben bereits erwähnt, können·neben den Eisenoxiden auch
andere Oxide verwendet werden. In den Beispielen III und IV ist 'Manganoxid bzw. Nickeloxid als Beispiel angegeben. Es
können aber auch Titandioxid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Kobaltoxid verwendet werden.
Zufriedenstellende Ergebnisse wurden auch für den Fall erzielt, daß anstelle von Lithium Natrium verwendet wird, wie
dies im Beispiel V angegeben ist.
Beispiel III Es wurde eine Mischung folgender Stoffe hergestellt:
Ge w. %
Lithiumcarbonat (LipCCU) 25,5
Hammersohlag (Eisenoxide) 39,6
Siliziumdioxid (SiO2) 10,4-
Kalziumcarbonat (Ca(XO 18,9
Manganerz (annähernd 40% MnO) 5,6
Die vorstehende Mischung wurde in einem Ofen mit einer Maximaltemperatur
von 1010° C bei einer Stunde Verweilzeit erhitzt. !Dabei ergab sich ein Stoff folgender Zusammensetzung:
Gew. ff
Lithiumoxid (Li0O) 13,6
Siliziumdioxid (SiO0) 13,6
209848/1064
- 22 -
Gew.%
Kalziumoxid (GaO) , 13,6
Eisenoxid (Fe9O ) 52,0
Manganoxid (MnJD ) 7,2
Bei diesem Material handelt es sich um eine Lithiummanganat-
und -Lithiumferrat-Zusammensetzung, die Siliziumdioxid und
Kalziumoxid als feuchtigkeitssperrende Komponenten enthält, möglicherweise in einer Einkristallstruktion, "bei der das
Eisen unregelmäßig durch Mangan ersetzt ist.
(Der Durchschnittswert χ liegt zwischen etwa 1,6 und 3,0).
Beispiel XV"
Eine Mischung folgender Stoffe wurde hergestellt:
Eine Mischung folgender Stoffe wurde hergestellt:
Gew.%
Lithiumcarbonat (LipCO-,) 25,5
Hammerschlag (Eisenoxide) 34,0
Siliziumdioxid (SiOp) 10,4
Kaliumcarbonat (OaCO^) 18,9
Manganerz 5,6
Nickelsinter (NiO+Ni) 5,6
Diese Mischung wird in einem Ofen bei einer Maximaltemperatur von 1010° C über eine Dauer von einer Stunde erhitzt.
Dabei ergibt sich ein Stoff folgender Zusammensetzung;
209848/1064
Gew.%
Lithiumoxid (Li2O) .13,6
Siliziumdioxid (SiO2) 13,6
Kalziumoxid (GaO) · 13,6
Eisenoxid (ϊθ,Ό ) 44,8
CL. jL· ·
Manganoxid (Mn0C) ) 7,2
ei. X.
nickeloxid (Hi9C) ) 7,2
Es handelt sich, hier um eine Lithiumf errat-, lithiumnickelat-,
Lithiummanganat-Zusammensetzung mit Siliziumdioxid und Kalziumoxid
als feuchtigkeitssperrende Komponenten, möglicherweise in einer Einkristallstruktur, bei der das Eisen regellos
durch Mangan und Nickel ersetzt ist.
(Der Durchschnittswert χ liegt zwischen etwa 1,6 und 3,0).
Es wird eine Mischung folgender Stoffe hergestellt:
Gew.%
Natriumcarbonat (Na2GO5) 23,5
Bariumfluorid (BaF2) 13,5
Aluminiumoxid (Al2O5) 24,0
Kaliumcarbonat (GaGO5) 19,5
Siliziumdioxid (SiO2) 19,5
Die Mischung wird in einem geeigneten Behälter bei einer
. - 24 -209848/106 4
-24- 2222/75
Temperatur von etwa 1^20° C solange erhitzt, bis sie schmelzflüssig
wird. Der dabei entstehende Stoff hat folgende stoffliche Zusammensetzung:
G-ew.%
Natriumoxid (Na J3) 16,7
Bariumf luorid. (BaFp) 16.5
Aluminiumoxid (Al .-O7 ) ^vN5
Kalziuinoxiö (CoO) 1;3,4
SiJizimnaiorid (ßiO?) 2?,9
Die Anteile an Natriumcarbonat. Bariumfluorid. Aluminiumoxid,
lialziumcarbonat und Siliziumdioxid wurden bei ccii
Beispiel V so geändert, daß die einzelnen Stoffe in der />!·-
sammensetzung nach dem Schmelzvorganc ir folgenden bevorzugten
Bereichen lagen:
Gew.; ο
Natriumoxid 15 - :;6
Bariumfluorid 0 -
Aluminiumoxid 0 - -.4
Kalziumoxid L - lr-
Siliziumdioxid. He et
Der vorstehend angegebene Stoff enthält SiOp und Na.,0 uiiu
erinnert an Nati'iumglas. Das Na0O und A1CO7 sind in einrn
2Ü984B/1Ü6A BAD ORIGINAL"
Natriumaluininat gebunden. Das fertiggestellte Material
weist vorzugsweise einen ßiliziuuigehalt auf, der erheblich
niedriger ist als derjenige des Glases. Glas enthält im allp-; eine inen mindestens 60>3 Siliziumdioxid, wobei das
Glas nit dem niedrigsten I3iliziumgehalt, nämlich !Flintglas,
mindestens LY^yo Silisiumciioxid enthält, während in dem Material
gemäß der Lrrindung im allgemeinen weniger als etwa
45/0 Siliziumdioxid und vorzugsweise nicht mehr als etwa 2Ff/o
Siliziumdioxid enthalten sind.
Erfindungsgemäß kann a.uoüelle von Lithium auch Kalium verwendet
werden. Eine Kalium-Siliziumkomponente analog der im Beispiel V beschriebenen llatrium-Siliziumkomponente kann
dabei Verwendung finden (in allen Fällen ist die zur Beschreibung der Stoffzusammensetzung bzw. Stoffkomponente
verwendete Nomenklatur willkürlich gewählt, beispielsweise könnte die Kalium-Siliziumkomponente gemäß Beispiel V ebenso
als eine Natriumaliminat-, Hatrium-Kalzium- u.dgl. Komponente
bezeichnet werden). Das Silizium (Siliziumdioxid) und Bariumfluorid im Beispiel V dienen als feuchtigkeitssperrende
Stoffe.
Die iTußmittelmasse im inneren Kern oder als Mantelumhüllung
einer rohrförmigen Elektrode beträgt im allgemeinen etwa 20 Gew.% des Elektroden-Gesamtgewichts. Etwa 80% des
Elektrodengewichts entfällt somit auf den Stahlkern bzw.
den Stahlmantel der Elektrode, während die den Elektroden-
kern oder die Elektrodenumhüllung bildende ITlußmittelmasse
das Restgewicht ausmacht. Der Stahlkern bzw. Stahlmantel besteht normalerweise aus 0,05 bis 0.07% Kohlenstoff, etwa
0,5% Hang an und Eisen als Rest. Der Stahlmantel umx'aßt somit
etwa 70 bis 90% des Elektroden-Gesamtgewichts.
Das nachfolgende Beispiel VI bezieht sich auf eine bevorzugte Elektrodenzusammensetzung unter Verwendung einer
Lithiumferratkomponente gemäß der Erfindung. Anstelle der
in diesem Beispiel vorgesehenen Lithiumkomponente können aber auch andere Alkalikomponenten der erfindungsgemäßen
Art verwendet v/erden.
| Bexspxel | VI | -2,4 | Elektrode | 2,8 |
| G-ew.% der | 2.2 | Bevorzugter Bereich |
2,6 | |
| Bevorzugte Flußmittel Menge |
2,0 | 2,0 - | 2,25 | |
| Aluminium | 4,0 | 1,8 - | 4,5 | |
| Magnesium | 0,3 | 1,75 - | 0,4 | |
| EaIziumfluorid | 8,0 | 3-5 - | 9,0 | |
| Bariumfluorid | 0,4 | 0,2 - | 0,6 | |
| Ii atriumf luorid | 0.55 | 7,0 - | - 0,075 | |
| Lithiumkomponente gemäß Beispiel II |
0,1 | 0,2 - | 0,2 | |
| Mangan | 80.55 | 0,035 | 82 | |
| Kohlenstoff | 0,0 - | |||
| Kaliumsiliziumfluorid | 79 - | |||
| Stahlmantel |
209848/1064
OtSlGiKAL foäravruö
Bei dem vorstehenden Beispiel "VT und den nachfolgenden
Beispielen VII und VIII ist die Aluminium-, Mangan-'und
Kohlenstofflegierung mit dem Schweißmetall insofern von
Bedeutung, als sie diesem wünschenswerte metallurgische Eigenschaften verleiht. Alkalimetallstoffe der allgemeinen
Formel H3O · Ee3Ox. NgO · SiO3, M2O · CoO. M3O · HiO.
0X' M2° * A12°" mid M2° * Ti02 (wobei x zwi
0,8 und 1,5 variieren kann und M ein Alkalimetall ist) fallen unter diejenigen Alkalikomponenten, die erfindungsgemäß
verwendet werden können und die einzeln oder in irgendeiner Kombination unmittelbar gegeneinander austauschbar
sind, z.B. anstelle der Lithiumkomponente gemäß Beispiel II nach der im Beispiel VII angegebenen Formel treten können.
Die genannten' Stoffkomponenten können in Kombination mit
anderen Stoffen feuchtigkeitssperrende Stoffe enthalten. Die Stoffkomponenten gemäß den Beispielen II und V sind
stark oxydierende Mittel. Die anderen Stoffbestandteile
der in den Beispielen angegebenen Flußmittel werden in bekannter Weise als Verschlackungsmittel verwendet, die zur
Einstellung des Schlackenvolumens und des Schlacken-Erstarrungspunktes sowie zur Beeinflussung der Lichtbogeneigenschaft
dienen. Beispielsweise dient das Kaliumsiliziumfluorid zum "Ablöschen" des Lichtbogens, um hierdurch den
Spannungsgradienten über den Lichtbogen zu erhöhen und damit die Arbeitsleistung in der Schweißzone zu steigern.
Im Beispiel VII ist eine bevorzugte Elektrodenzusammen-
- 28 48/1064
setzung angegeben, die eine Matriumaluminatkomponente enthält.
| Beispiel VII | Elektrode | 2,40% | |
| • | Gew.% der | Bevorzugter Bereich |
2,20% |
| Flußmittel | Bevorzugte Menge |
1,60 - | 4,5 % |
| Aluminium | 2,0 | 1,40 - | 17,0% |
| Magnesium | 1,8 | 2,5 - | - 0,75% |
| EaIziumfluorid | 5,5 | 13,0 - | 0.6 % |
| Natriumkoaponente Beispiel V |
gemäß 15.0 |
0,035 | - 76,257* |
| Kohlenstoff | c.055 | 0,2 - | |
| Mangan | 0,4 | 73,25 | |
| Stahlmantel | |||
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der j-ir
wird in eine hohle, rohrförmige Elektrode aus niedriggekohltem
Stahl ein Flußmittel eingebracht. welches Alkalimetallkomponenten
gemäß der Erfindung enthält, vorzugsweise
Lithium-, Natrium- oder Kaliumkomponenten. Eine hohle lcolirelektrode
ist zur Einführung der Alkalimetallkorrroonente in den Lichtbogen besonders geeignet. Das Flußmittel enthält
hierbei außerdem stark reagierende !Reduktionsmittel. vorzugsweise
in Verbindung mit Aluminium. Außei"dem kann es
zur Erhöhung seiner Hasse Eisenpulver enthalten, so daß das Flußmittel vollständig den Innenraiim der hohlen Kohr-
20984Ö/1U64
elektrode füllt.
Im Beispiel VIII ist eine weitere Zusammensetzung einer bevorzugten Elektrode gemäß der Erfindung wiedergegeben.
,Beispiel VIII
Flußmittel Gew.% der Elektrode
Aluminium 2,0-2,8
Magnesium 1.2 - 1,8
Kalziumfluoi-id 1,5-2,0
Bariumfluorid 7,0 - 9,5
Natriumfluorid 0,1-0,4
Alkalimetallkomponente 3,0-5^0
Nickel 0,3-0,9 Kohlenstoff · 0,035 - 0,075
Kaliumsiliziumfluorid 0,0 - 0,2
Stahlmantel 79,0 - 82,0
Obwohl es an sich möglich ist. der Elektrodenmasse soviel
elementares Alkalimetall zuzugeben, daß der Zutritt von Stickstoff zu dem Schweißmetall im wesentlichen ausgeschlossen
ist, reicht es im allgemeinen aus, die Menge an Alkalimetall nur so groß zu bemessen, daß das Stickstoffsieden
nur in einem solchen Maße unterdrückt wird, daß der in dem Schweißmetall verbleibende Stickstoffanteil nicht mehr als
etwa 0,03 Gew.% des Schweißmetalls beträgt*. Ein Gehalt v.on
etwa.0.2 bis 0,7 Gew.% an reduzierbarem Lithium, von etv/a
2 O 1J B ■·. d /10 6 4
0,4 bis 0,9 Gew.% an reduzierbarem Natrium und etwa 0,5 "bis
1,0 Gew.% an reduzierbarem Kalium oder anteilige Kombinationen des vorhergehenden in der Elektrode hat sich unter .
den vorherrschenden Lichtbogenbedingungen als ausreichend erwiesen, um den Stickstoffanteil in dem Schweißmetall auf
einem Wert zu halten, der nicht größer ist als 0,0> Gew.l/ö.
Mit der Bezeichnung "reduzierbares" Metall ist gemeint, daß es sich um ein Metall handelt, welches im Lichtbogen von
der Komponente zum reinen Hetall reduziert wird. Wenn der
Reduktionsvorgang nicht lOOyo wirksam ist, ö.h. wenn ein
Teil der Alkalimetallkomponente nicht reduziert wird, muß die bei der Elektrode verwendete Gesamtmenge im entsprechenden
Anteil erhöht werden. Es empfiehlt sich, die Menge der bei einer Elektrode verwendeten Alkalimetallkomponente
so einzustellen, daß in der Elektrodenmasse etwa 0,2 bis etwa 1.0 Gew./'o reduzierbares Alkalimetall enthalten ist,
was im allgemeinen einem Anteil der Alkalimetallkomponente in der Elektrodenzusammensetzung von etwa 0.9 bis 10,0 Gew./o
entspricht. Die Menge der erforderlichen Alkalimetallkomponente hängt selbstverständlich von dem Gewichtsanteil des
Alkalimetalls und dem Ausmaß, in dem die Komponente zu Alkalimetall
reduziert wird, ab.
Eine bevorzugte Elektrodenzusammensetzung gemäß der Erfindung besteht aus einer Mischung (in den nachfolgend angegebenen
Anteilen) aus hochreaktionsfähigen Desoxydationsmitteln, Alkalimetall in einer Zusammensetzung (Komponente),
J0984Ö/10 6
die bei ihrer Lagerhaltung stabil ist, jedoch im Schweißlichtbogen
mittels gängiger Desoxydationsmittel, wie Aluminium, zu elementarem Alkalimetall reduzierbar ist, sowie
aus Legieruiigsmitteln, Eisenpulver und Schlackenmitteln.
Die nachstehende Tabelle gibt die Mengenanteile einer Elektrode solcher Zusammensetzung wieder, wobei jedoch auch mit
abweichenden Mengenanteilen gearbeitet werden kann:
Gew.%, Definition * Bevorzugter Bereich
Alkalimetall, erhalten aus der Alkalimetallkomponente 0,2 - 1,0%
stark reagierende Desoxidationsmittel 0,5 - 6.0%
Halogenide, insgesamt 1,5 - 15
Legierungsmittel, insgesamt 0,0 - 5,0%
x^eitere Schlackenmittel 0,0 - 5,0%
Stahlmantel 70,0 - 90,0%
Eisenpulver . 0.0- 15,0%
* (Das aus der Zusammensetzung der Stoffkomponente herrührende Alkalimetall bezieht sich auf die stöchiometrische
Ilenpje an Lithium. Natrium, Kalium. Rubidium oder Zäsium,
we3ches sich aus der jeweils verwendeten Alkalimetallkomponente
gewinnen läßt, wenn die gesamte vorhandene Alkalimetfrllkomponeiite
reduziert wird. Würde der Prozentanteil des Alkalimetalls in der obigen Tabelle auf die entsprechende
Alkalimetalloxidkomponente umgerechnet, so wäre ihr
20984b/1064 x
Vert in der obigen Tabelle angenähert fünf- bis zehnmal so
groß als der Wert 0,2 bis 1,5· Wenn die Alkalikomponente aus .Lithiumferrat oder Lithiummanganat besteht, so würde
der Gewichtsanteil der Alkalikomponente zwischen etwa 3% und 9% des Elektroden-Gesamtgewichts liegen. Lithiumtitanat
und Lithiumaluminat müßten in etwas größeren Mengen verwendet werden, da diese Stoffe sich weniger wirksam zu elementarem
Lithium reduzieren lassen. Es versteht sich, daß die Menge der für die Bildung des erforderlichen Alkalimetalls
benötigten Alkalikomponente erhöht werden muß, wenn der Anteil des Alkalimetalls in der jeweiligen Alkalikomponente
abnimmt.)
Stark wirksame Desoxydationsmittel sind Aluminium, Kalzium, Zer, Zirkon, Magnesium, Titan, Lithium, Silizium und Kohlenstoff
in elementarer Form, als Legierungen oder als intermetallische Verbindungen.
Die seltenen Erden (d.h. die Elemente der Atomzahlen 57 71) sind ebenfalls gute Desoxydationsmittel, jedoch im allgemeinen
teuer und daher aus wirtschaftlichen Gründen weniger zweckmäßig (die seltenen Erden umfassen folgende Elemen
te: Lanthan, Zer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium,
Thulium, Ytterbium, Lutecium).
Bevorzugt zur Anwendung kommt ein Aluminium-Desoxydationssystem,
vorzugsweise ein Aluminium-Magnesium-Desoxydations-
- 33 — 209848/1064
system, da eine Üb erschußmenge an Aluminium (etwa 0,5%
und nicht mehr als 1,0%) im Schweißmetall dessen metallurgische Eigenschaften nicht nachteilig beeinflußt und die
Oxide (oder Fluoride) des Aluminiums und Magnesiums., die · sich bei der Reduktion der Alkalikomponente zu elementarem
Alkalimetall bilden, in die Schlacke gehen und dieser wünschenswerte Eigenschaften verleihen. Die Halogenide beziehen
sich auf metallische Halogenide, vorzugsweise Alkalimetallfluoride
, Erdalkalifluoride und Aluminiumfluoride,
obwohl auch andere metallische Halogenide nicht ausgeschlossen sind.
Die Legierungsmittel und das Eisenpulver sind Stoffe, die
beim Schweißvorgang Bestandteil des Schweißmetalls werden. Diese Stoffe werden zugegeben, um die Eigenschaften des
Schweißmetalls in bestimmter Weise einzustellen. Das Eisenpulver dient als Streckmittel für die Kernfüllung und erleichtert
das Einfüllen und die Formgebung der hohlen Rohrelektrode.
Weitere Schlackenstoffe sind Oxide, Silikate, Carbonate
oder Mischungen derselben. Die Hauptfunktion dieser Stoffe besteht darin, die Schlackenzusammensetzung, den Schmelzpunkt
, die Netzwirkung und die Lichtbogenwirkung und das Schlackenvolumen einzustellen.
Zwei oder mehr Alkalimetallkomponenten gemäß der Erfindung und zwei oder mehr Desoxydationsmittel lassen sich bei einer
erfindungsgemäßen Elektrode zusammen mit anderen herkömm-
2 09 848/1064
lichen Stoffen mischen.
Für die Erfindung wesentlich ist weiterhin, daß die Alkalimetallkomponenten
sich nicht an Ort und Stelle unter der Hitze des Lichtbogens bilden, sondern im voraus hergestellt
und dann dem Elektrodenmaterial zugegeben werden. Dies bedeutet, daß das saure oder amphotere Metalloxid und
etwaige feuchtigkeitssperrende Stoffe bei erhöhten Temperaturen mit der Alkaliverbindung in Reaktion treten und
die sich hierbei bildende Alkalikomponente wird anschließend dem Elektrodenmaterial in dem vorbestimmten Mengenanteil
zugegeben. Die Bildung der Alkalikomponente dämpft die hygroskopische Eigenschaft der Alkaliverbindungen und bietet
somit die Möglichkeit, die Elektrode ohne unzulässig hohe Wasseraufnähme zu lagern. Das Ausmaß der Bildungsreaktion der Alkalikomponente läßt sich unmittelbar bestimmen
durch das Ausmaß, um welches die hygroskopische Eigenschaft der Alkaliverbindung geschwächt wird. Unter Hygroskopizität
ist die Tendenz des Materials, Feuchtigkeit aus der Luft zu absorbieren, zu verstehen. Die Bildung der Alkalikomponente
schwächt, wie erwähnt, die hygroskopische Eigenschaft der Lithiumkomponenten selbst dann, wenn eine Verbindung,
die vorstehend als feuchtigkeitssperrender Stoff bezeichnet ist, nicht anwesend ist. Die feuchtigkeitssperrenden
Stoffe haben selbst in verhältnismäßig kleinen Mengen eine stark ausgeprägte Tendenz, die Hygroskopizität zu
schwächen.
- 35 2 098 4 8/1UB4
Die Stoffzusammensetzung bzw. die Alkalimetallkomponente gemäß der Erfindung ist weit besser lagerungsfähig als ihre
einzelnen Bestandteile. Wie erwähnt, wird sie im Lichtbogen zu elementarem Alkalimetall reduziert. Bei der Herstellung
der Stoffkomponenten wird die Stoffmischung auf eine solche
Temperatur (mindestens etwa 900° 0 und vorzugsweise 1010° 0) und über eine solch lange Zeitspanne hinweg (mindestens eine
Stunde bzw. bis zum Schmelzen des Stoffes) erhitzt, daß sich der Mischstoffverbund einstellt. Lithiumkomponenten lassen
sich dadurch herstellen, daß die Mischung bei Temperaturen zwischen etwa 900° 0 und 1010° Ö, vorzugsweise bei der letztgenannten
Temperatur bis zu zwölf Stunden lang, vorzugsweise über eine Stunde hinweg, erhitzt wird. Bei der Herstellung
von Natriumkomponenten wird die Mischung bei einer Temperatür von etwa 1205° 0 bis etwa 1450° G, vorzugsweise bei
1320° C bis zum Schmelzen erhitzt.
Erfindungsgemäß lassen sich weniger stabile, stärker
hygroskopische Alkalimetallverbindungen so behandeln, daß
durch Bildung der Stoffkomponente (Stoffverbund) ihre
Hygroskopizität vermindert wird. Die Umwandlung der Komponenten
zu dem Grundmetall erfolgt in der Lichtbogenhitze unter Einwirkung von Reduktionsmitteln, welche die Alkalimetallkomponenten
reduzieren. Es hat sich gezeigt, daß in diesem Fall selbst die schweren Alkalimetalle dieselbe Funktion
wie Lithium erfüllen, nämlich den Stickstoff von dem Lichtbogen fernhalten» Unter die Bezeichnung "schwere Alkali-
- 36 -209848/1064
metalle" fallen sämtliche Alkalimetalle mit Ausnahme des Lithiums. Wenn die hygroskopischen Eigenschaften der schweren
Alkalimetallverbindungen vernachlässigt oder vermindert werden können (letzteres z.B. durch Herstellen und/oder La- ·
gerung der Elektrode unter feuchtigkeitsarmen Bedingungen oder bei sofortiger Verwendung der Elektrode nach ihrer Herstellung)
, besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, die hygroskopischen (ungebundenen) schweren Alkalimetallverbindungen
in Kombination mit einem Reduktionsmittel zu verwenden, welches geeignet ist, die Alkalimetallverbindung
zu reduzieren und im Lichtbogen freie Alkalimetalle zu erzeugen. '
Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß das Eeduktionsmit- ]
tel hinreichend "aktiv" ist. Beispielsweise werden einige I
schwere Alkalimetallverbindungen von Reduktionsmitteln re- l>
duziert, die nicht geeignet sind, andere schwere Alkali- I
metallverbindungen zu reduzieren. Aluminium und Titan sind i
i z.B. nicht ausreichend "aktiv", um Natrium-, Lithium- oder
Kaliumfluorid zu reduzieren. Aus diesem Grund sind die Beispiele 1 bis 4, 8, 9 und 15 der UßA-Patentschrift 2 909 778
in dieser Hinsicht von der vorliegenden Erfindung zu unterscheiden.
Aluminium ist allerdings in der Lage, schwere Alkalisiliziumfluoride zu reduzieren.
Für schwere Alkalimetallfluoride, die als ungebundene Stoffe vorliegen, eignen sich als Reduktionsmittel in besonderem
- 37 -209848/1064
Maße Aluminium, Magnesium, Kalzium, Kohlenstoff und die seltenen Erden.
Von den verschiedenen schweren Alkalimetallverbindungen sind die Oxide, Fluoride, Siliziumfluoride und Silikate
allgemein verfügbar$ sie lassen sich daher erfindungsgemäß
als schwere Alkalimetallverbindungen verwenden. Im folgenden ist ein Beispiel für eine Schweißelektrode angegeben,
bei der Kaliumsiliziumfluorid als schwere Alkalimetallverbindung und Aluminium als Reduktionsmittel verwendet
werden;
Gew.%
Magnesium 0,0 - 1,5
Aluminium 2,5 - 3,5
Kalziumfluorid 7,6-9,6
Kaliumsiliziumfluorid 1,5 - 2,5
Hammer schlag (Eisenoxide) 4·, 5 - 7?5
Mangan ' 0,2-0,6
Stahlmantel 78,5 - 81,5
Es versteht sich, daß die Erfindung auf die angegebenen Ausführung
sbei spiele nicht beschränkt ist, sondern in verschiedener Hinsicht Änderungen erfahren kann, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen. Die Erfindung soll alle Modifikationen und Änderungen, soweit sie unter den Erfindungsgedanken
fallen, einschließlich der Äquivalente umfassen.
209848/1064 - 38 -
Claims (1)
- Ansprüche1. Lichtbogenschweißelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben den herkömmlichen Bestandteilen ein oder meh- ' rere Alkalimetalle in Form mindestens einer Alkalimetall komponente , enthaltend ein Alkalimetalloxid in Kombination mit einer sauren oder amphoteren Metallverbindung, zusammen mit mindestens einem die Alkalimetallkomponente im Lichtbogen zu elementarem Alkalimetall reduzierenden Reduktionsmittel enthält.2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sauren oder amphoteren Metallverbindungen Metalloxide sind.3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide mindestens ein Oxid des Eisens, Mangans, Siliziums, Aluminiums, Nickels, Titans und Kobalts umfassen.4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalimetalle mindestens ein'Metall der Gruppe: Lithium, Natrium, Kalium, Zäsium und Rubidium umfassen.5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Alkalimetallkomponente aus der Gruppe folgender, durch die allgemeinen Formeln E^O ♦209848/1064- SiO2, M2O · Al2O5, M2O · GoO, M2O · NiO, M2O '.M2 0X MpO · TiOp bestimmter Verbindungen oder Mischungen derselben ausgewählt ist, wobei M das Alkalimetall ist und χ zwischen 1,6 und 3,0 variiert.6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Alkalimetallkomponente etwa 0,9 bis 10% des Elektroden-Gesamtgewichts beträgt.7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Reduktionsmittels etwa 0,5 bis 6,0% des Elektroden-Gesamtgewichts beträgt.8. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Desoxydationsmittel mindestens ein Desoxydationsmittel der Gruppe: Aluminium, Magnesium, Kalzium, Lithium, Zer, Zirkon, Silizium, Titan., Kohlenstoff einschließlich der Legierungen oder intermetallischen Verbindungen derselben umfassen und vorzugsweise aus Aluminium und/oder Magnesium bzw. ihren Legierungen oder intermetallischen Verbindungen bestehen.9. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Desoxydationsmittel mindestens ein Stoff aus der Klasse der seltenen Erden vorgesehen ist.10. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Alkalimetallkomponente2098 48/1064 ~ 4o "mindestens einen Stoff mit feuchtigkeitssperrender Eigenschaft aus der Gruppe: Kalziumoxid, Siliziumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Lithiumfluori'd, Natriumfluorid, Bariumfluorid.und Kalziumfluorid enthält.11. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen oder mehrere Stoffe mit feuchtigkeitssperrender Eigenschaft aus der Gruppe der Erdalkalifluoride enthält.12. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalimetallkomponente eine Lithiumkomponente ist, wobei der Lithiumgehalt (bestimmt als elementares Lithium) der Elektrode zwischen etwa 0,2% und etwa 0,7% des Elektroden-Gesamtgewichts liegt, während der Anteil des bzw. der Desoxydationsmittel etwa 0,5% bis 6,0% des Elektrqden-Gesamtgewichts ausmacht.13. Elektrode nach Anspruch 1 oder 12, dadureh gekennzeichnet, daß die Alkalimetallkomponente aus Li0O · Fe0O besteht und das Reduktionsmittel aus der Gruppe des Aluminiums, Magnesiums sowie Mischungen dieser Stoffe ausgewählt ist, wobei der Wert χ zwischen etwa 1,6 und 3,0 liegt.. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Stoffzusammensetzung (in Gew.% des Gesamtgewichts):209848/1064reduzierbares Alkalimetall (enthalten in der Alkalimetallkomponente) 0,2 - 1,5Reduktionsmittel 0,5 - 6,0Halogenide ■ 1,5 - 15,0Eisenpulver 0,0-15,0Stahlmantel 70,0\ - 90,0weitere Schlackenmittel 0,0 - 5,0Legierungsmittel, insgesamt 0,0 - 5,0,wobei die Reduktionsmittel aus der Gruppe: Aluminium, Magnesium; Kalzium, Zer, Zircon, Titan, Lithium, Silizium, Kohlenstoff einschließlich ihrer Legierungen oder Verbindungen und Mischungen ausgewählt sind, während die Halogenide solche der Gruppe: Alkalimetallfluoride, Erdalkalifluoride, Aluminiumfluorid und Mischungen derselben sind.15. Elektrode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalimetallkomponente eine Lithiumkomponente ist und das Lithium in einer Menge zwischen etwa 0,2% und 1,0%, bezogen auf das Elektroden-Gesamtgewicht, vorhanden ist.16. Elektrode nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenide aus der Gruppe des Kalziumfluorids, Bariumfluprids und Mischungen dieser Stoffe ausgewählt sind.17. Schweißelektrode mit folgender angenäherter Zusammen-.? η Q ρ /, r /1 ηSetzung (in Gew.% des Elektroden-Gesamtgewichts):Aluminium . 2,0-2,6%Magnesium 1,8 - 2,6%Kalziumfluorid 1,75 - 2,25%Bariumfluorid . 3,5-4,5%Natriumfluorid 0,2 - 0,4%Alkalimetallkomponente 7,0 - 9,0%Mangan 0,2 - 0,6%Kohlenstoff 0,035 - 0,075%Kaliumsiliziumfluorid . 0,0-0,2%Stahlmantel 79,0 - 82,0%,wobei die Alkalimetallkomponente ein Alkalimetalloxid in Kombination mit einer sauren oder amphoteren Metallverbindung aufweist.18. Elektrode nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalimetallkomponente eine Lithiumkomponente ist.19. Elektrode nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkomponente folgende Zusammensetzung hat (in Gew.% des Elektroden-Gesamtgewichts):Lithiumoxid 10,0-18,0%Siliziumdioxid 10,0 - 28,0%Kalziumoxid 0,0 - 20,0%Manganoxid Rest.- 43 2 0 9 8 4 8/ 1 06 A20. Schweißelektrode nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkomponente die folgende angenäherte Zusammensetzung hat (in Gew.% des Elektroden-Gesamtgewichts) :Lithiumoxid ■ 13,6Siliziumdioxid 13,6Kaiziumoxid 13,6Eisenoxid 59,2.21. Schweißelektrode mit folgender angenäherter Zusammensetzung (in Gew.% des Elektroden-Gesamtgewichts):Gew.%Aluminium 1,7-2,2Magnesium 1,2-1,8Kalziumfluorid 1,0 - 2,0Bariumfluorid 7,0-9,5Natriumfluorid 0,1 - 0,4Nickel . 0,3-0,9Alkalimetallkomponente 3,0 - 5,0Kohlenstoff 0,035 - 0,075Kaliumsiliziumfluorid 0,0 - 0,2Stahlmantel 79,0 - 82,0.22. Schweißelektrode mit folgender angenäherter stofflicher Zusammensetzung (in Gew.% des Elektroden-Gesamtgewichts):209848/1064Aluminium 1,60 - 2,40%Magnesium 1,40 - 2,20%Kalziumfluorid '2,50 - 4,50%Natriumkomponente 13,0 - 17,0%Kohlenstoff 0,035 - 0,075%Mangan 0,2-0,6%Stahlstab 73,25 - 76,25%,wobei die Natriumkomponente etwa folgender stofflicher Zusammensetzung ist:Natriumoxid 15,0 - 38,0%Bariumfluorid 0,0 - 20,0%Aluminiumoxid 0,0 - 3^,0%Kalziumoxid 0,0 - 15,0%Siliziumdioxid Rest.23. Schweißelektrode mit folgender angenäherter stofflicher Zusammensetzung (in Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode):Magnesium 0,0 - 1,5%Aluminium 2,5 - 3,5%Kalziumfluorid 7,6 - 9,6%Kaiiumsiliziumfluorid 1,5 - 2,5%Hammerschiag (Eisenoxide) 4,5 - 7,5%Mangan 0,2 - 0,6%ßtahlmantel 78,5 - 81,5%.209848/1064 -45-24. Schweißelektrode nach, einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall (bzw. die Alkalimetalle) aus der Gruppe: Natrium, Kalium, Rubidium und Zäsium und das Reduktionsmittel (bzw. die Reduktionsmittel) aus der Gruppe: Aluminium, Kohlenstoff, Magnesium, Kalzium und seltene Erden ausgewählt sind.25. Lichtbogenschweißelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben den herkömmlichen Bestandteilen eine oder mehrere schwere Alkalimetallverbindungen und in Kombination hiermit ein oder mehrere Reduktionsmittel enthält, die geeignet sind, die Alkalimetallverbindung bzw. -verbindungen im Lichtbogen zu dem entsprechenden schweren Alkalimetall zu reduzieren.26. Elektrode nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die schwere Alkalimetallverbindung eine Natrium-, Kalium- , Zäsium- oder Rubidiumverbindung ist.27. Elektrode nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet , daß die Reduktionsmittel aus der Gruppe: Aluminium, Magnesium, Kalzium, Kohlenstoff und seltene Erden ausgewählt sind.28. Elektrode nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die schweren Alkalimetallverbindungen Siliziumfluoride und die Reduktionsmittel Aluminium umfassen.209848/1064 -46-29. Elektrode nach Anspmcli 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumfluoride aus Kaliumsiliziumfluorid bestehen.30. Elektrode nach einem der Ansprüche 25 bis'-29, dadurch gekennzeichnet, daß die schweren Alkalimetallverbindungen mindestens eine Verbindung der Gruppe der Oxide, Fluoride, Siliziumfluoride und Silikate umfassen.31. Verfahren zum Herstellen einer Alkalimetallkomponente, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus einer oder mehreren Alkalimetallverbindungen mit einer oder mehreren anderen Verbindungen, die saure oder amphotere Metallverbindungen enthalten, auf eine Temperatur zwischen etwa 900° 0 und 1420° ö über eine Zeitdauer bis etwa zwölf Stunden erhitzt wird.32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall aus der Gruppe: Lithium, Natrium und Kalium und die genannte Metallverbindung aus der Gruppe: Eisenoxid, Manganoxid, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Nickeloxid, Kobaltoxid und Titandioxid ausgewählt werden.33· Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalimetall Lithium verwendet und die Mischung für eine Zeitdauer von bis etwa zwölf Stunden auf eine Temperatur von etwa 900° 0 bis 1010° C erhitzt wird.34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß20984Ö/1064 -47-die Mischung über eine Zeitspanne von etwa einer Stunde bis zwölf Stunden auf eine Temperatur von etwa 1010° O erhitzt wird.35· Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalimetall Natrium verwendet wird und die Mischung auf eine Temperatur zwischen etwa 1200° 0 und 1420° ö erhitzt wird, bis die Mischung geschmolzen ist.•36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung auf etwa 1315° G erhitzt wird.37· Verfahren zum Lichtbogenschweißen mittels einer Blankstahlelektrode in Luftatmosphäre, wobei die am Strom anliegende Elektrode unter Aufrechterhaltung eines Lichtbogens zwischen ihr und dem Werkstück in Richtung auf das Werkstück zwecks Bildung einer Schweißraupe vorgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Lichtbogen gleichzeitig eine Alkalimetallkompönente eingeführt wird, die aus einem Alkalimetalloxid in Kombination mit einer sauren oder amphoteren Metallverbindung sowie einem Desoxydationsmittel besteht, welches die Alkalimetallkomponente in dem Lichtbogen zu elementarem Alkalimetall reduziert.38. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkaliverbindungen aus der Gruppe der Alkalimetalloxide , Alkalimetallcarbonate und Alkalimetallhydroxide ausgewählt werden.209848/1064 - 48 -39· Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß als saure oder amphotere Metallverbindungen Metalloxide verwendet werden.40. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als schwere Alkalimetallverbindungen eine oder mehrere Oxide, Fluoride, Siliziumfluoride und Silikate der schweren Alkalien verwendet werden.2098 4d/1064
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