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Automatisches Schweißverfahren unter Verwendung eines Gemisches von
metallischen und mineralischen Pulvern Die vorliegende Erfindung umfaßt eine automatische
Schweißmethode, bei welcher auf einem Grundmaterial unter Verwendung eines parallel
hierzu geführten Schweißkopfes geschweißt wird. Hierbei wird vor einer abschmelzenden
Elektrode, die vom Schweißkopf bewegt wird, eine genau bestimmte Menge einer Mischung
aus metallischen und mineralischen Pulvern auf das Grundmaterial aufgeschüttet.
Die mineralischen Bestandteile haben dabei einen Schmelzpunkt, der wenigstens um
200 C geringer ist als der Schmelzpunkt der metallischen Bestandteile. Es ist außerdem
grundsätzlich möglich, auf dieses Pulvergemisch aus metallischen und mineralischen
Stoffen, eine zusätzliche Schicht aus mineralischem Pulver aufzuschütten. Die abschmelzende
Elektrode wird über dieses aufgeschüttete Gemisch aus mineralischen und metallischen
Bestandteilen geführt, wobei die entstehende Wärme sämtliches mineralisches und
metallisches Pulver aufschmilzt.
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Unter "Metalarc"-Schweißung soll hier ein Auftragschweißverfahren
verstanden werden, wie in DAS 1 248 831 beschrieben, bei welcher der Schweißzusatzwerkstoff
einerseits aus einem unlegierten oder legierten, stromzuführenden Draht oder Band
und andererseits aus bahnenweise und in genau dosiertem Mengenverhältnis zum Draht
oder Band aufzuschüttenden Metall-Pulvergemischen besteht.
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Es ist bekannt, daß hierbei aus metallurgischen Gründen häufig auf
die reinen Metall-Pulvergemische in bekannter Weise reine Schlackepulver geschüttet
werden, um hierdurch Aen Abbrand zu vermindern, Oxydation der Legierungsbestandteile
zu verhindern und eine glatte Auftragsraupe zu erzielen.
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Es sind au#h Modifikationen bekannt, bei denen ein Gemisch aus metallischen
und mineralischen Pulvern unter Verwendung von organischen oder anorganischen Bindemitteln
erzeugt wird, wobei der Binder aushärtet und das Gemisch anschließend mechanisch
zerkleinert wird. Derart gebrochenes Material wird auf eine metallische Oberfläche
gelegt und mit einer metallischen Elektrode, die in dieses Gemisch hineinragt, abgeschmolzen.
Hierbei wird der elektrische Lichtbogen von dem nichtschmelzenden Teil der Mischung
abgedeckt und nur ein Teil der Legierungsbestandteile in dieser Mischung werden
aufgeschmolzen. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Schweißparameter
einen Einfluß auf den Anteil des aufgeschmolzenen Pulvergemisches ausüben und es
sehr schwierig ist, diese konstant zu halten.
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Bei der heute bekannten Art der Metalarc-Schweißung erfolgt der Vorschub
des Schweißkopfes mit so hoher Geschwindigkeit, daß nicht genügend Zeit zur Verfügung
steht, um eine vollständige Aufschmelzung des metallischen Pulvers zu gewährleisten.
Dies geschieht insbesondere dann, wenn der Schmelzpunkt des metallischen Pulvers
verhältnismäßig hoch ist, oder dieses metallische Pulver einen großen Korndurchmesser
hat, oder ein großes Verhältnis von Pulver : Draht verwendet wird. Eine Erhöhung
der vorhandenen Wärmemenge durch Erhöhen der Stromstärke bringt keine Besserung,
da dies nur zum schnelleren Abschmelzen der Elektrode führt.
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Dies wiederum bewirkt, daß eine größere Menge von legiertem Metallpulver
der Schweißzone zugeführt wird. Ferner bewirkt die höhere Stromdichte höheren Einbrand
in das Grundmaterial und dadurch höhere Vermischung des SchweiJ3gutes.
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Es ist deshalb ein ganz wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung,
daß ein Verfahren für die kontinuierliche "Metalarc"-Schweißung beschrieben wird,
bei welchem die zur Verfügung stehende Wärmemenge ganz erheblich vergrößert wird
gegenüber dem bekannten . . . E ~Metalarc ~--Verfahren.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren
der "Metalarc"-Schweißung, bei welchem bestimmte Mengen von metallischem und mineralischem
Pulver in einem Schweißkopf gemischt und auf das Grundmaterial aufgeschüttet werden,
wobei beide Arten von Pulver durch die Wärme der abschmelzenden#Elektrode aufgeschmolzen
werden. Dies kann entweder unter Verwendung einer zusätzlichen reinmineralischen
Pulverschüttung erfolge#n oder ohne dieselbe.
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Bei der Metalarc-Schweißung unter Verwendung von Schutzgas ist die
Energie des Lichtbogens so groß, daß dadurch das metallische Pulver gestört wird.
Diese Energie kann so groß werden, daß dadurch die metallischen Pulverteilchen aus
dem Aufschmelzbereich des Lichtbogens herausgeschleudert werden, wodurch dann der
Lichtbogen direkt auf dem Grundmaterial brennt und hierdurch eine größere und unerwünschte
Vermischung bewirkt. Bs ist deshalb ein :weiterer wichtiger Punkt der vorliegenden
Erfindung, daß ein Verfahren der "Metalarc"-Schweißung beschrieben wird, das die
Störung des aufgeschütteten Pulvers vermeidet.
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Andere und weitere Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung werden
aus den folgenden Beschreibungen ersichtlich: Die vorliegende Erfindung beruht auf
der Entdeckung eine#s -vorteilhaften und kontinuierlichen Verfahrens der ~#etaia-rb11-Schweißtng
durch Mischen einer bestimmbaren Menge metallischen und mineralischen Pulvers im
Schweißkopf.
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Dieses Pulvergemisch wird vom Schweißkopf
in einer Schicht auf die Oberfläche des Grundmaterials vor der abschmelzenden Elektrode
aufgeschüttet, wobei die Elektrode über diese Schicht aus metallischen und mineralischen
Pulvern geführt wird, während.von der Elektrode ein Lichtbogen brennt und sämtliche
metallischen und mineralischen Pulver durch die Energie dieses Lichtbogens aufgeschmolzen
werden.
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Hierbei muß das mineralische Pulver einen Schmelzpunkt haben, der
0 mindestens 200 C unter dem Schmelzpunkt des metallischen Pulvers liegt. Dadurch
schmelzen die mineralischen Pulverbestandteile vor den metallischen Pulverbestandteilen
und umhüllen die letzteren, so daß diese in eine teigige, gut wärmeleitende Masse
eingebettet werden. Hierdurc#h wird sehr viel mehr Wärme an die metallischen Pulverbestandteile
übertragen.
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Beispiele von mineralischen Pulvern, welche mit dem metallischen Pulver
gemischt werden kann#, sind: 1. Ein Pulver bestehend aus 8 % Flußspat, 11 % Kalk,
2 % Betont und 79 % Kalzium-Silikat und 2. ein Pulver bestehend aus 47 ffi Kalk,
32 % Quarz, 9 ffi Manganoxyd, 8 % Aluminiumoxyd und 4 % Flußspat.
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0 Die meisten dieser Stoffe schmelzen bei etwa 700 - 800 c. Die metallischen
Pulver, die üblicherweise mit dem Metalarc-Verfahren verschweißt werden, sind eisen-bzw.
nichteisenhaltige Stoffe, die 0 bei mehr als 1100 C schmelzen.
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Beispiele für erfolgreich eingesetzte metallische Pulver sind: 1.
Eine Legierung bestehend aus 90 % hochkohlehaltigem Ferrochrom und 10 % Ferromangan.
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2. Eine Legierung bestehend aus 50 % Nickel und 50 % Kupfer.
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Dabei wurde festgestellt, daß durch die Verwendung von mineralischen
Pulvern nicht nur eine größere Wärmemenge zum AuSschmelzen der metallischen Pulver
zur Verfügung steht, sondern daß darüber hinaus die geschmolzenen mineralischen
Bestandteile dazu beitragen, das metallische Pulver an der Schüttstelle festzuhalten,
wodurch ein Wegblasen des metallischen Pulvers aus der Aufschmelzzone vermi#eden
wird.
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Bei dem vorliegenden Verfahren beträgt das Gewichtsverhältnis von
Metallpulver : Mineralpulver zwischen 1 : 1 bis 3 : 1, wobei ein Verhältnis von
2 : 1 vorzugsweise verwendet wird. Kleinere Verhältnisse von metallischem Pulver
zu mine5ralischem Pulver sind nicht wünschenswert, da weniger Mineralpulver eine
geringere, Pulverschüttung auf dem Grundmaterial bedeutet und je kleiner diese Schüttmenge
ist, desto einfacher ist es, den Schweißvorgang zu kontrollieren. Außerdem wird,
wenn das Verhältnis Metallpulver Mineralpulver erhöht wird, die Metallmenge, die
mit einer gegebenen Stromstärke niedergeschmolzen werden kann, erhöht und die Wärmebeeinflussung
des Grundkörpers vermindert.
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Bei Verwendung eines solchen Metall-Mineralgemisches besteht grundsätzlich
die Gefahr, daß die Metallkörner, welche im oberen Teil der Schüttung liegen, durch
den Luftsauerstoff oxydiert -werden. Um dies zu verhindern, kann eine weitere rein
mineralische Schutzschicht auf das Gemisch aus mineralischem und metallischem Pulver
aufgebracht werden. Auch kann stattdessen ein Schutzgas eingesetzt werden, oder
man fügt dem rneralischen Pulver im Mineral-Metallpulvergemisch ein mineralisches
Pulver hinzu, das Schutzgas bildet.
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Dieser letztgenannte Vorschlag ist dort von besonderem Vorteil, wo
ein Übermaß an mineralischem Pulver unerwünscht ist wegen der Gefahr von Schlackeeinflüssen
und zu langsamer Abkühlung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen Abb. 1 ist ein teilweiser Schnitt
durch ein ertindungsgemäß anzuwendendes Schweißzusatzgerät.
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Abb. 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus Abb. 1 in der Nähe des
unteren Endes der Elektrode.
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Abb. 3 ist ein vergrößerter Schnitt, der das erfindungsgemäße Verfahren
ohne Anwendung einer zusätzlichen Schweißpulverschicht zeigt.
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In Abb. 1 stellt 10 das Grundmaterial dar, das mit einer Auftragschweißung
11 versehen werden soll. Über der Oberfläche 10 befindet sich der Schweißkopf 12,
der eine Spule 14 einer abschmelzenden Elektrode 16 trägt, die mittels zweier Förderrollen
1-8 und einer Düse 22 zu einem Punkt knapp über der Oberfläche 10 geführt wird.
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Ein nicht gezeigter Antrieb einer der beiden Förderrollen bewegt die
Elektrode 16 nach unten gegen die Oberfläche 10.
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Am Schweißkopf 12 befindet sich ein Schweißpulverbehälter 24 mit einem
Förderrohr 26, dessen unteres Ende sich vor der Elektrode 16 befindet (wenn der
Schweißkopf wie gezeichnet sich nach rechts bewegt) und bis knapp über die Oberfläche
10 reicht.
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Der ganze Schweißkopf 12 wird durch ein Rad 28, eine Stütze 30 und
einen Arm 31 gehalten. Der Arm 31 kann mit einer automatischen Schweißmaschine verbunden
sein, oder er kann als Handstütze ausgeführt sein für eine halbautomatische Schweißung.
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Die vorgenannte Einrichtung ist bekannt und bedarf deshalb keiner
weiteren Erklärung.
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Verbunden mit dem Schweißkopf ist ein Behälter 32, der legiertes Metallpulver
34 enthält und ein Behälter 36, der mineralisches Schweißpulver 38 enthält. In dem
Behälter 32 dreht sich ein Förderrad 39, das eine Anzahl von Taschen 4o enthält,
welche das legierte Metallpulver in dem Gefäß 34 aufnehmen und in-einer genau bestimmten
Menge in das Förderrohr.42 fördert. Eine solche Einrichtung ist in dem amerikanischen
Patent des Erfinders Nr.
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3 060 307 beschrieben und es wird hierauf Bezug genommen. Das Förderrad
39 ist durch einen Riemen 44 angetrieben, der mit einer der Elektrodenförderrollen
verbunden ist, so daß die Fördermenge des legierten Metallpulvers in das Förderrohr
42 proportional zur Bewegung der Elektrode 16 ist.
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Im Gefäß 36 ist ein weiteres Förderrad 46 angeordnet, welches in der
selben Weise konstruiert ist wie das Förderrad 39 und in der selben Weise wirkt.
Es nimmt beim Drehen mineralisches Pulver auf und fördert es in einer genau bestimmten
Menge in das Förderrohr 48.
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Dieses Förderrad 46 wird durch einen Riemen 50 angetrieben, der wiederum
durch das Förderrad 39 angetrieben wird.
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Die Zuführrohre 42 und 48 vereinigen sich zu einem gemeinsamen Förderrohr
52 unterhalb der Gefäße 32 und 36 aber über der Oberfläche 10. Legierte Metallpulverteilchen,
die durch das Förderrohr 42 und mineralische Pulverteilchen, die durch das Förderrohr
48 fallen, werden in dem gemeinsamen Förderrohr 52 gemischt und werden in einer
Schicht 54 auf die Oberfläche 10 aufgebracht.
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In der Abb. 2 ist die Umgebung des in Abb. 1 dargestellten unteren
Ende der Elektrode 16 vergrößert gezeichnet.
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Die abschmelzende Elektrode 16 taucht in eine obere Schicht von mineralischem
Schweißpulver 27 ein, welches aus dem Schweißpulverbehälter 24 zugeführt wird und
ein Lichtbogen wird gezündet.
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Dieser schmilzt die aus einem Gemisch aus mineralischem und metallischem
Pulver bestehenden Schicht 54 und einen Teil der aus Schweißpulver bestehenden Schicht
27 und bildet das Schweißbad 56 und eine Schlackeschicht 13.
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Wenn die Elektrode 16 nach rechts bewegt wird, werden durch den Lichtbogen
am unteren Ende der Elektrode zunächst ein Teil der mineralischen Pulverteilchen
und dann der Rest dieser mineralischen Pulverteilchen und sämtliche metallischen
Pulverteilchen im Auftrag 54 aufgeschmolzen, so daß alle metallischen Pulverteilchen
im Auftrag 54 enthalten sind.
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Die Abb. 3 entspricht der Abb. 2 mit der Ausnahme, daß die oberste
Schicht mineralischen Pulvers weggelassen ist.
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Als Beispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird in einen
Behälter auf einem Schweißkopf ein legiertes Metallpulver von etwa 40 mesh, das
aus 90 % hochkohligem Ferrochrom und^10 % Ferromangan besteht, eingefüllt. In einen
zweiten Behälter des Schweißkopfes wird ein mineralisches Schweißpulver von 20 mesh
eingefüllt, das folgende Zusammensetzung hat: 8 % Flußspat, 11 % Kalk, 2% Bentonit
und 79 ffi Kalzium-Silikat.
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In den Schweißpulverbehälter wird eine weitere Menge desselben Pulvers
eingefüllt. Eine Elektrode aus unlegiertem Stahl mit einem Durchmesser von 2,4 mm
wird mit 35 Volt und 500 Amp. abgeschmolzen. Das mineralische Schweißpulver und
das legierte Metallpulver wird zusammengemischt in einem Verhältnis von 1/2 kg mineralisches
Pulver auf 1 kg legiertes Metallpulver. Diese Mischung wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit
-von etwa 25 cm je Minute aufgeschüttet und mit einer ca. 10 mm hohen Schicht von
mineralischem Schweißpulver aus dem Schweißpulverbehälter bedeckt. Das untere Ende
der Elektrode wird nun in die obere Schweißpulverschicht eingetaucht und ebenfalls
mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 25 cm/min. bewegt. Der Lichtbogen brennt
nun teilweise im Schweißbad und teilweise auf den ungeschmolzenen mineralischen
und metallischen Pulverbestandteilen.
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Alle metallischen Pulverteilchen werden aufgeschmolzen und werden
ein Teil der Schweißraupe, wobei kein unerwünschter Verlust an metallischem Pulver
durch die Blaswirkung des Lichtbogens auftritt.