DE2229667C3 - Verfahren zur Elektroschlacke-SchweiBung von Kupferwerkstücken - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Elektroscnlacke-Schweißung von Metallen, insbesondere auf Verfahren zur Elektroschlacke-Schweißung von Kupferwerkstücken mit erheblicher Fläche des Schweißquerschnitts, und zwar in der Größenordnung von 150 χ 200 mm.

Bekannt sind Verfahren zur Elektroschlacke-Schweißung von Metallwerkstücken, vorzugsweise von Stahlwerkstücken, welche die Herstellung einer festen Schweißnaht sicherstellen.

Die Versuche, Kupferwerkstücke nach der Schweißtechnologie von Stahlwerkstücken zu schweißen, brachten keine positiven Ergebnisse. Das Kupfer besitzt eine so hohe Wärmeleitfähigkeit und eine so große Affinität zum Sauerstoff, daß die schwer schmelzbaren Schweißpulver, welche bei der Elektroschlacke-Schweißung von Stählen zur Anwendung gelangen, zum Schweißen von Kupfer ungeeignet sind. Außerdem gelang es nicht, Bedingungen zu schaffen, die für eine feste Verbindung des Nahtwerkstoffs mit den zu schweißenden Oberflächen der Werkstücke erforderlich sind, da diese zu Beginn des Prozesses nicht genug durchgewärmt werden. Eine Kupferclektrode schmilzt schnell, und die Bewegungsgeschwindigkeit des Metallbadspiegels eilt der Abschmelzgeschwindigkeit der zu schweißenden Oberfläche vor.

Infolge dieser Schwierigkeiten werden zum Schweißen von Kupferwerkstücken bis jetzt die Gasschweißung, Lichtbogenschweißung, gaselektrische Schweißung und andere Verfahren angewendet.·

Die Gasschweißung erfolgt in der Regel mittels der Azetylen-Sauerstoff-Flamme. Hierbei soll in einem Durchgang geschweißt werden, da eine wiederholte Schweißung unvermeidlich /ur Bildung von Poren und Rissen in der vorher hergestellten Naht führt.

Verbreitet ist auch das Lichtbogenschweißen von Kupferwerkstücken unter Verwendung on umhüllten schmelzbaren Elektroden. Bis zu 4 mm dicke Kupferwerkstücke werden auf diese Weist ohne zusätzliche Erwärmung zusammengeschweißt. Bei der Schweißung von Kupferwerkstücken, welche K) bis 12 mm dick sind, ist deren zusätzliche Erwärmung von 200 bis 750° C erforderlich. Die gaselektrische Schweißung von Kupferwerkstücken wird sowohl mit schmelzbaren, als auch nichtschmclzbaren Elektroden durchgeführt. Ohne Anwärmung werden mittels der nichtschnu l/baron Wolframdektrode bis zu 4 mm dicke Kupterwerkstucke im Argon und bis zu S mm dicke Kupferwerkslucke im Helium oder Stickstoff geschweißt. Mittels Abschmelzelektroden werden ohne Anwärmung bis zu 6 mm dicke Werkstücke im Argon und bis zu H) mm dicke Werkstücke im Helium oder Stickstoff verschweißt.

Bekannt ist die IJnterpulverschweißung von Werkstücken unter Verwendung von nichtschmelzbaren Kohlenelektroden oder von schmelzbaren Metallelektroden. Durch IJnterpulverschweißung werden in einem Durchgang Schweißverbindungen, darunter auch vakuumdichte Verbindungen mit einer Dicke bis zu 40 bis 60 mm ohne Anwärmung der Schweißkanten hergestellt

Es ist ein Verfahren zur Plasmaschweißung von Werkstücken aus Kupferlegierungen, beispielsweise aus Chrombronze bekannt. Nach diesem Verfahren werden jedoch Blechwerkstücke nur mit einer Dicke bis zu 60 mm zusammengeschweißt.

Beim Schweißen von über 60 mm dicke Kupferwerkstücken nach den erwähnten Verfahren gelingt es bis jetzt nicht, eine feste Sch%veißnaht zu erhalten.

Aus dem UdSSR-Erfinderschein 186 586 ist ein Verfahren zur Elektroschlacke-Schweißung von leichtschmelzenden wärmeleitenden Metallen und Legierungen bekannt, welches ein vorläufiges Schlakkenbadmachen und Überhitzen des Schlackenbades mittels einer nicht abschmelzenden Elektrode vorsieht. Jedoch fand dieses Verfahren keine praktische Anwendung wegen der fehlenden Schweißpulver für die Elektroschlacke-Schweißung von Kupfer und der Verluste an Wärme, die hierbei nicht in der Schlakkenbad-1 asche gespeichert wird, wo sie jedoch zum Abschmelzen der zu schweißenden Flächen (Schweißkanten) der Kupferwerkstücke angesichts deren hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist. Außerdem ist es nach dem bekannten Verfahren praktisch unmöglich, die erforderliche Energie je Längeneinheit (die hauptsächlich von den überhitzten Tropfen des Zusatzmetalls erhaltene Wärmemenge) /u erzielen, welche die Bildung der Schweißverbindung während des ganzen Schweißvorgangs sicherstellt.

Ähnliches gilt für ein aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 104 599 bekanntes Verfahren zum Schweißen von Metallkörpern, bei dem in einem unter den Metallkörpern vorgesehener Trog die Schlacke vorgewärmt wird, und zwar mittels eines Widerstandshei/elemcnts oder einer Induktionswicklung.

Hier geht es jedoch lediglich um die Erzielung einer homogenen Temperaturverteilung, um das anschließende gleichmäßige Abschmelzen der Abschmelzelektroden zu gewährleisten.

Soweit Wärme bei diesem Verfahren in starkem Maße abgeleitet wird, müssen die Enden der zu verbindenden Metallkörper mit einer besonderen Hilfscnergiequelle erhitzt werden. Ein Verschweißen von Kupferwerkstücken der vorliegend ins Auge gefaßten Abmessungen wäre mit diesem bekannten Verfahren nicht möglich.

Aus der USA.-Patentschrift 3 585 343 ist es bekannt, bei einem Schweißverfahren der vorstehend betrachteten Gattung Graphitelemente als Nahtunterlage Verwendung finden; diese spielen jedoch beim Anfahren des Prozesses keine Rolle und auch dieses bekannte Verfahren ist nicht geeignet, die vorliegende Erfindungsaufgabe zu lösen; es betrifft das Schweißen von Aluminiumblöcken.

In den letzten Jahren wurde es notwendig, Kupferwerkstücke mit großer Fläche des Schweißquerschnitts bis zu 150 x 20ܹ mm zu schweißen. Hierbei wurde es notwendig, einen Aufgabenkomplex zu lösen, der die Schaffung eines Schweißpulvers und eines Verfahrens betrifft, dessen Arbeitsschmtt den gewünschten Erfolg gewährleisten.

In Verbindung damit ist aus dem UdSSR-Erfinderschein 272027 ein Schweißpulver für die Elektroschlacke-Schweißung von Metallen, vorwiegend von Kupfer und dessen Legierungen bekannt, welches in Gewichtsprozent enthält: Natriumfluorid 50 bis 67; Lithiumfluorid 18 bis 20; Kalziumfluorid 7 bis 14; Kieselerde 6 bis 10 und Marmor bis 8. Das Schweißpulver dieser Zusammensetzung wird so dünnflüssig, daß eine intensive Wärmeübertragung zu den zu schweißenden Oberflächen der Werkstücke sichergestellt wird.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Elektroschlacke-Schweißung von Kupferwerkstücken mit solchen Temperatur- und chemischen Einwirkungen auf das Metall- und das Schlackenbad zu schaffen, daß die Herstellung einer festen Schweißnaht beim Schweißen von Kupferwerkstücken mit einer erheblichen Fläche der Querschnitte in der Größenordnung von 150 x 200 mm möglich wird.

Zur lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Elektroschlacke-Schweißung von Kupferwerkstücken vorgeschlagen, welches durchgeführt wird in einer Einrichtung mit Tasche zum Halten des Schlackenbades und mit Nahtunterlagen zur Schweißnahtformung unter Verwendung von Elektroden und leichtschmelzenden Fluorid-Schweißpulvern, wobei erfindungsgemäß der erwähnte Prozeß in einer Einrichtung durchgeführt wird, die· aus einem Wärmeisolierstoff ausgeführt ist, der die Schlackenbadwärme speichert und eine Desoxydationsfähigkeit gegenüber dem Nahtwerksloff besitzt, und wobei das Schlackenbad zuerst mittels einer nicht schmelzenden Elektrode in der wärmeisolicrenden Tasche dieser Einrichtung bis zum Abschmelzen der Schweißkanten der Werkstücke erwärmt und dann eine Abschnielz-Plaltenelektrode verwendet wird und wobei während des Eintritts des Metallbades in den Spalt zwischen den zu schweißenden Oberflächen der Werkstücke die Schweißnaht unter die Kristallisationsfront derselben abgekühlt wird.

Dieses Verfahren gewährleistet die Elektroschlacke-Schweißung von Kupferwerkstücken mit 150 x 200 mm Querschnitt unter Erzielung von festen Schweißverbindungen. Es ist zweckmäßig, die erwähnte Einrichtung aus Graphit herzustellen. Dies ermögjicht die Wärmespeicherung des Schlackenbades unter gleichzeitiger Desoxydation des Schweißnahtwerkstoffs.

Es ist zweckmäßig, bei der Durchführung des Verfahrens eine Abschmelz-Plattenelektrode zu verwenden, die ein aus der Gruppe der schwer schmelzbaren Metalle gewähltes Desoxydationsmittel, beispielsweise Titan, enthält. Dies gestattet, die Desoxydation des Schweißnahtwerkstoffs zu aktivieren und eine vakuumdichte Naht mit hohen Festigkeitswerten zu erhalten. Man kann auch eine verzehrbare Elektrode benutzen, in welcher mindestens ein Draht aus Titan vorgesehen ist. Die Drähte, welche gegenüber dem Kupfer schwerer schmelzbar sind, werden mit einer gewissen Verzögerung schmelzen, und beim Kontakt

ίο mit dem Metallbadspiegel wird es zu Kurzschlüssen kommen, die zu Explosionen führen. Diese Explosionen tragen zur Gefügeverfeinerung in der Schweißnaht hei.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachstehend

»5 ein Aiisführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben. Zur Elektroschlacke-Schweißung von Kupferwerkstücken baut man genauso wie für Stahlwerkstücke eine Einrichtung zum Halten des Schlackenbades und zur Schweißnahtformung auf. Auf eine Kupferplatte, an welche eine Stromzuführung angeschlossen ist, werden der Unterboden der Tasche und zwei Blöcke mit dem erforderlichen Montagespalt aufgelegt, der in Abhängigkeit von der Art der Schweißverformungen auf Grund der Erfahrungen beim Schweißen ähnlicher Konstruktionen oder spezieller Muster festgelegt wird. Die Breite der Blöcke entspricht der Breite der zu schweißenden Werkstücke.

Danach werden die Werkstücke auf die Blöcke der Taschen aufgesetzt und auf diese weitere Blöcke zum Austritt des Schlackenbades und des Schwindlunkers aus dem Bereich der zu schweißenden Werkstücke. Der entstandene Hohlraum (Schweißspalt) wird seitwärts mittels Nahtunterlagen verdeckt, welche die Schweißnaht formen und welche durch herkömmliche Spindelspannvorrichtungen befestigt werden.

Da das Kupfer eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, werden die Teile, aus denen sich die Tasche zusammensetzt, aus einem Werkstoff, der eine im Vergleich zum Kupfer niedrigere Wärmeleitfähigkeit besitzt, beispielsweise aus Graphit gefertigt. Dies erlaubt, zu Beginn des Prozesses eine ausreichende Wärmeleistung aufzuspeichern, die zum Abschmelzen der Schweißkanten der Werkstücke und zürn vollständigen Verschmelzen des Nahtwerkstoffs mit dem Grundwerkstoff notwendig ist.

Die Elektroschlacke-Schweißung der Kopierwerk stücke wird ohne die Verwendung einer Schutzatmosphäre durchgeführt. Aber mit Rücksicht darauf, daß das Kupfer eine hohe Fähigkeit zur Oxydation besitzt, wird die Einrichtung zum Halten des Schlackenbades und zur Schweißnahtformung aus einem Material hergestellt, das den Sauerstoff aktiver als das Kupfer aufnimmt, beispielsweise Graphit. Zum Schlackenbad-

machen wird ein Schweißpulver verwendet, das in Gewichtsprozent enthält: Natriumfluorid .'50 bis 67; Lithiumfluorid 18 bis 20; Kalziumfluorid 7 bis 14; Kieselerde 6 bis 10: Marmor bis zu 8.

Es können auch Schweißpulver mit anderen Zusammensetzungen aus den Fluoridverbindungen von Alkali- und Erdalkalimetallen zur Verwendung kommen. Solche Schweißpulver besitzen eine niedrige Viskosität, eine erhöhte Dünnflüssigkeit und elektrisehe Leitfähigkeit, wodurch eine intensive Wärmeübertragung durch Konvektion zu den zu schweißenden Oberflächender Werkstücke sichergestellt wird.

Die genannten Schweißpulver werden geschmolzen, und die flüssige Schlacke wird in die Tasche der Einrichtung eingegossen. Der in das Schlackenbad eingetauchten nicht schmelzenden Elektrode wird Spannung zugeführt, und das Schlackenbad wird mittels der nicht schmelzenden Elektrode bis zum Abschmelzbeginn der Schweißkanten der Werkstücke »5 erwärmt.

Hiernach wird die nicht schmelzende Elektrode durch eine Abschmelzelektrode ausgewechselt. Man kann eine piattenförmige Abschmelzelektrode mit Längsausschnitten oder eine Elektrode verwenden, welche aus einzelnen Teilchen zusammengesetzt ist. Das Elektrodenmaterial kann ein Desoxydationsmetall enthalten, das aus der Gruppe von schwer schmelzbaren Metallen wie Titan, Niob und Zirkonium gewählt ist. Dadurch wird die Desoxydation der Schweißverbindung zusatzlich aktiviert und die Erzielung emei vakuumdichten Naht mit hohen FestigkeiLswerten sichergestellt.

Man kann eine Abschmelzelektrode benutzen, in welcher ein oder mehrere Drähte aus Titan vorhanden sind. Bei der Berührung der Drähte mit dem Metallbadspiegel kommt es zu Kurzschlüssen, die zur Gefügeverfeinerung des Schweißnahtwerkstoffs beitragen. Während des Eintritts des Metallbades in den Spalt zwischen den zu schweißenden Oberflächen der Werkstücke wird die Schweißnaht durch Zuführung eines Kühimittelstroms unter die Kristallisationsfront derselben abgekühlt.

Bei der Prüfung einer Schweißverbindung von Kupferwerkstücken mit 150 χ 200 mm Querschnitt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelt wurden, sind folgende Resultate erzielt worden:

a) Grundwerkstoff: Zugfestigkeit 18,5 bis 19,1 kp/mnr; Fließgrenze: 9,2 bis 9,8 kp/mm²; spezifische Dehnung 46,5 bis 47,1%; relative Einschnürung 82,9 bis 83,1 % (bei einer Temperatur von 20° C);

b) Nahtwerkstoff: Zugfestigkeit 17,1 bis 17,9 kp/ mm^:; Fließgrenze: 8,2 bis 8,9 kp/mm²; spezifische Dehnung 42,3 bis 45,4%; relative Einschnürung 81,9 bis 82,1 % (bei einer Temperatur von 20° C).

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Elektroschlacke-Schweißung von Kupferwerkstücken, das in einer Einrichtung mit Tasche zum Halten des Schlackenbades und mit Nahtuntcrlagen zur Schweißnahtformung unter Verwendung von Elektroden und leichtschmelzenden Fluorid-Schweißpulvern durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung aus einem Wärmeisolierstoff verwendet wird, der die Schlackenbadwärme speichert und eine Desoxydationsfähigkeit gegenüber dem Nahtwerkstoff besitzt, wobei das Schlackenbad zuerst mittels einer nicht schmelzenden Elek- »5 trode in der wärmeisolierenden Tasche dieser Einrichtung bis zum Abschmelzbeginn der Schweißkanten der Werkstücke erwärmt und dann eine Abschmelz-Plattenelektrode verwendet wird, und daß während des Eintritts des Metallbades in den Spalt zwischen den zu schweißenden Oberflächen der Werkstücke die Schweißnaht unter die Kristallisationsfront derselben abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Graphit gefertigte »5 Einrichtung verwendet wird.*

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschmelzelektrode verwendet wird, die ein aus der Gruppe von schwer schmelzbaren Metallen gewähltes Desoxydationsmittel, ζ. Β. Titan, enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschmelzelektrode verwendet wird, in der mindestens ein Titandraht vorhanden ist.