DE2238321C2 - Unterpulver-Schweißverfahren mit abschmelzender Schweißelektrode und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Unterpulver-Schweißverfahren, bei dem während des Schweißvorgangs zusätzlich im wesentlichen metallische Zuschlagstoffe in zerkleinerter Form oberhalb der Schlackeschicht — die das Schweißbad nach außen hin abdeckt — an einer durch den Schweißstrom magnetisierten Schweißelektrcde angelagert, mit dieser durch die Schlackeschicht hindurchgezogen und dem Schweißbad zugeführt werden. Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene mit einer Schweißelektroden-Zuführeinrichtung, einer Zuführung für in Vorrat gehaltenes Schlackenpulver und mit einer Dosiereinrichtung für Zuschlagstoffe, die einem Vorratsbehälter vorgeschaltet ist und weiche die Zuschlagstoffe oberhalb des Austritts der Schlackenpulver-Zuführung an der magnetisierten Schweißelektrode in Anlage bringt.

Beim maschinellen Auftragschweißen, insbesondere von korrosionsfesten Legierungen, muß dafür Sorge getragen werden, daß nur eine geringe Schicht des Grundwerkstoffs aufgeschmolzen und mit dem Schweißgut vermischt wird: Nur so kann eine ungünstige Beeinflussung der Auftragschicht durch Bestandteile des Grundwerkstoffs — beispielsweise Kohlenstoff — vermieden werden. Es wurden daher eine Reihe von Verfahren entwickelt, um Auftragschichten mit möglichst geringem Einbrand und demzufolge niedrigem Vermischungsgrad mit dem Grundwerkstoff zu erzielen.

Eines dieser bekannten Verfahren ist das Auftragschweißen unter Pulver mit abschmelzender Bandelektrode, bei dem normalerweise eine Bandelektrode mit den Abmessungen 60 mal 0,5 mm in einem durch eine Schlackenpulverschicht abgedeckten Lichtbogen abgeschmolzen wird. Das Verfahren gewährleistet bei nur leicht welliger Einbrandlinie zwar eine relativ gleichmäßige Vermischung des Schweißgutes mit dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff, weist allerdings den Nachteil auf, daß die maximale Abschmelzleistung bei normalen Schweißbandabmessungen und 100% Einschaltdauer nur etwa 15 kg/h beträgt. Höhere Ab-Schmelzleistungen sind zwar möglich, haben jedoch einen tieferen Einbrand und damit ein ungünstigeres Vermischungsverhältnis mit dem Grundwerkstoff zur Folge.

Weiterhin sind noch das Lichtbogen-Schutzgasschweißen mit abschmelzender Bandelektrode geringer Breite (Abmessungen: 15 bis 20 mal 0,5 mm) und das Elektroschlacke-Bandauftragschweißen mit abschmelzender Bandelektrode in waagerechter Lage bekannt geworden. Das letztgenannte Verfahren soll im

so Vergleich zum Unterpulver-Bandschweißen geringere Einbrandtiefen und damit eine minimale Vermischung des Schweißgutes mit dem Grundwerkstoff gewährleisten. Eine genaue Beurteilung der beiden Varianten des Unterpulver-Auftragschweißens mit abschmelzender Bandelektrode ist nicht möglich, da sich beide Verfahren in der Praxis noch nicht eingeführt haben.

Bekannt ist auch das Auftragschweißen unter Pulver mit abschmelzender Bandelektrode und Kaltbandzusatz. Mit diesem Verfahren lassen sich infolge des Kaltbandzusatzes höhere Abschmelzleistungen erzielen als mit dem eingangs erläuterten Unterpulver-Auftragschweißverfahren. Der Nachteil des »Kaltbandverfahrens« besteht darin, daß während des Schweißvorgangs der Abstand zwischen dem Schweißkopf und dem Werkstück mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden muß, damil das Kaltband immer an der gleichen Stelle in das Schweißbad eintaucht; aus dem gleichen Grunde ist es erforderlich, das Schweißband und das

Kaltband exakt zu richten. Wegen des hohen apparativen Aufwandes und der schwierigen Handhabung hat das »Kaltbandverfahren« bisher kaum Anwendung gefunden, obwohl es gute Einbrandverhältnisse gewährleistet

Zum Stand der Technik zählt auch das Auftragschweißen unter Schutzgas mit abschmelzender, gependelter Drahtelektrode und Kaltdrahtzusatz. Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht ebenfalls in seiner schwierigen Handhabung und dem seine Ausführung ermöglichenden hohen technischen Aufwand. Nachteilig ist es außerdem, daß durch die Pendelbewegung der Drahteleklrode Einbrandrillen entstehen, in denen örtlich — bedingt durch stärkere Vermischung des Schweißgutes mit aufgeschmolzenem Grundwerkstoff — rißanfälligere Zonen vorhanden sein können.

In der vorveröffentlichten US-PS 28 10 063 sind zwar bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung beschrieben. Da die abschmelzende Schweißelektrode ebenso wie die Austrittsöffnung des als Dosiereinrichtung dienenden Bechers einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, umschließen die Zuschlagstoffe die Drahtelektrode vollständig. Mit der bekannten Verfahrensweise bzw. Vorrichtung läßt sich ein Gewichtsverhältnis von abgeschmolzenem Schweißdraht zu aufgeschmolzenen Zuschlagstoffen in der Größenordnung von 2,1 zu 1 bzw. von 3,8 zu 1 erzielen; es lassen sich also gewichtsmäßig wesentlich weniger Zuschlagstoffe als Schweißdraht in die Schweißnaht einbringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche bei einfacher Handhabung bzw. bei verhältnismäßig geringem Aufwand hohe Abschmelzleistungen ermöglichen und gute Einbrandverhältnisse, d. h. geringen Einbrand, gewährleisten.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung gelöst, bei dem die Zuschlagstoffe lediglich auf die — in Bewegungsrichtung des Schweißvorgangs gesehen — rückwärtige Breitseite der als Schweißband ausgebildeten Schweißelektrode aufgegeben werden. Die Zuschlagstoffe, welche zweckmäßigerweise in Pulverform oberhalb der bereits vorhandenen Schlackeschicht unmittelbar auf die Breitseite des Schweißbandes gestreut werden, haften infolge des durch den Schweißstrom hervorgerufenen Magnetfeldes am Schweißband; die Haftwirkung ist dabei so stark, daß die Zuschlagstoffe vom Schweißband bei dessen Bewegung zum Schweißbad hin durch die die Schweißnaht abdeckende Schlackeschicht hindurchgezogen werden. Bei der Überprüfung der Gewichtszunahme von Schweißproben und der Untersuchung der Schlackeschicht wurde festgestellt, daß die aufgegebenen Zuschlagstoffe praktisch vollständig in den Schweißnaht-Werkstoff einlegiert werden. Selbst bei extrem hohen Mengen von über 40 kg/h an Zuschlagstoffen bei einer Schweißbadmenge von 15 bis 20 kg/h erfolgt ein einwandfreier, verlustloser Transport der aufgegebenen Zuschlagstoffe zum Schweißbad.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Weise ausgestaltet sein, daß die Zuschlagstoffe in zeitlich veränderlicher Menge auf das Schweißband aufgegeben werden (Patentanspruch 2). Die Zuschlagstoffe können vorzugsweise auch in über den Querschnitt des Schweißbandes unterschiedlich verteilter Menge auf dieses aufgegeben werden (Patentanspruch 3). Unter Umständen ist es vorteilhaft, die beiden vorgenannten Arten der Zuschlagstoff-Aufgabe zu kombinieren. Es wurde festgestellt, daß der Lichtbogen beim Unterpulver-Schweißen durch die auf die Breitseite des Schweißbandes aufgegebenen Zuschlagstoffe beeinflußt wird. Durch zeitlich und/oder über den Querschnitt veränderliches Aufstreuen der Zuschlagstoffe wird die Lichtbogenbewegung entlang der Schweißband-Breite beeinflußt bzw. gesteuert.

Beim Elektroschlackeschweißen mit abschmelzender Bandelektrode und Zuschlagstoff-Zugabe kann durch entsprechende Verteilung der Zuschlagstoffe der Stromübergang beeinflußt werden. Beispielsweise entsteht bei seitlicher Zugabe der Zuschlagstoffe an den Schweißnahträndern infolge der Anhäufung von Zusatzwerkstoff ein bevorzugter Stromübergang, welcher an den betreffenden Stellen einen tieferen Einbrand zur Folge hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zweckmäßig in der Weise ausgeführt, daß das Gewichtsverhältnis von abgeschmolzenem Schweißband zu aufgeschmolzenen Zuschlagstoffen zwischen 1 zu 1 und 1 zu 3, vorzugsweise bei etwa 1 zu 2 liegt (Patentanspruch 4 bzw. 5).

Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in erster Linie dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen der mit der Dosiereinrichtung zusammenwirkenden Zuführungsrohre der rückwärtigen Breitseite de- als Schweißband ausgebildeten Schweißelektrode gegenüberliegen (Patentanspruch 6). Die Dosierung der Zuschlagstoffe erfolgt dabei vorzugsweise mittels einer Walze, die für jedes Zuführungsrohr getrennte, über den Walzenumfang verteilte Dosierbohrungen besitzt (Patentanspruch 7).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gegebenenfalls zusätzlich die Merkmale des Patentanspruchs S und/oder des Patentanspruchs 9 aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Schweißvorrichtung, mittels welcher eine korrosionsbeständige Schicht auf eine Stahlplatte aufgebracht wird, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie H-II in F i g. 1,

Fig.3a bis d eine Draufsicht auf die rückwärtige Breitseite des Schweißbandes mit verschiedenartiger Verteilung der aufgebrachten Zuschlagstoffe und

F i g. 4 eine Draufsicht auf die rückwärtige Breitseite des. Schweißbandes mit seitlich aufgegebenen Zuschlagstoffen.

Auf ein Werkstück 1 wird mit Hilfe eines im Schweißbad 2 abschmelzenden Schweißbandes 3 und des auf dieses aufgegebenen Metallpulvers 4 eine Auftragschicht 5 aufgebracht.

Die Zuführung und Aufgabe des Metallpulvers 4 folgt mit Hilfe von sechs nebeneinanderliegenden, über die Breitseite des Schweißbandes 3 verteilten Zuführungsrohren 7, deren Austrittsöffnungen der rückwärtigen Breitseite des Schweißbandes 3 unterhalb eines Führungskopfes gegenüberliegen (vgl. dazu Fig. 2); letzterer besteht aus zwei Führungsschienen 6 und 6'.

Das infolge magnetischer Kräfte an dem Schweißband 3 haftende Metallpulver 4 wird mit diesem praktisch verlustlos durch die die Auftragschicht 5 abdeckende Schlackenpulver-Schicht 8 hindurchgezogen und im Schweißbad 2 in den Nahtwerkstoff einlegiert.

Das auf einer Vorratstrommel 9 gespeicherte Schweißband wird mittels zweier zusammenwirkender,

motorgetriebener Druckrollen 10 dem Führungskopf mit den Führungsschienen 6 und 6' zugeführt.

Die Zugabe des Metallpulvers erfolgt durch eine Dosiereinrichtung 11, die im wesentlichen aus einem Vorratsteil 12, geneigt angeordneten Verschlußblechen 13 und einer um eine waagerechte Achse drehbar gelagerten Walze 14 besteht; letztere weist auf ihrem Umfang vier Dosierbohrungen 14' auf. Durch verschiedenartige Anordnung, d. h. Lage auf dem Walzenumfang, und verschiedenartige Ausbildung (Tiefe, Form) der Dosierbohrungen 14' kann die Lage des Melallpulvers 4 auf dem Schweißband 3 beeinflußt werden. Die Zuführung kann beispielsweise so erfolgen, daß das Metallpulver punktförmig oder streifenförmig (in Diagonal- oder Längsstreifen) auf dem Schweißband haftet(Fig. 3,4).

Die seitliche Anhäufung von Zusatzwerkstoffen (F i g. 4) führt beim Elektroschlackeschweißen zu einem bevorzugten Stromübergang und damit zu einem tieferen Einbrand an den betreffenden Stellen.

Das Schlackenpulver 8 wird aus zwei Vorratsbehältern 15 und 16 zugeführt, denen Schlacken-Zuführrohre 15' bzw. 16' nachgeschaltet sind; die Auslrittsöffnungen dieser Zuführrohre liegen vor bzw. hinter dem Schweißband 3. Die durch den Vorratsbehälter 15' bewirkte Aufschüttung darf eine bestimmte Höhe nicht überschreiten, damit das Metallpulver 4 ungehindert auf das Schweißband 3 aufgegeben werden kann.

Der gesamte, im wesentlichen aus den Teilen 6, 6', 9 bis 11 und 15 bis 16 bestehende Schweißkopf ist an einem Träger 17 befestigt, der über Führungsrollen 18 in einer Führung 19 gelagert ist und in dieser — beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Getriebemotors — in horizontaler Richtung bewegt werden kann. Die Führung 19 ist ihrerseits an einem ortsfesten Ständer 20 in vertikaler Richtung auf- und abbewegbar, und zwar mittels eines nicht dargestellten Antriebs, der in dem Ständer angeordnet sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt zur Zeit eine Gesamt-Abschmelzleistung von 60 kg/h zu; die Abschmelzleistung beträgt damit etwa das Vier- bis Fünffache der Leistung des bekannten Unterpulver-Bandschweißverfahrens. Bei Verwendung geeigneter Schlackenpulver, breiterer Schweißbänder und entsprechender Stromquellen erscheint eine weitere Steigerung der Abschmelzleistung möglich.
Trotz der hohen Abschmelzlcistung und der dazu erforderlichen hohen Schweißstrom- und Spannungswerte wurde bei Versuchen mit einer Gesamtschichtdikke von 5 bis 7 mm ein gleichmäßiger und geringer Einbrand von etwa 0,5 bis 1 mm Tiefe erzielt. Dieses

ίο Ergebnis ist damit erklärbar, daß nur ein Teil der Lichlbogenenergie zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffs zur Verfügung steht, während die restliche Energiemenge zum Aufschmelzen der Zuschlagstoffe benötigt wird. Die Gleichmäßigkeit des Einbrandes wird offensichtlich durch die Lichtbogensteuerung mit bewirkt.

Neben der hohen Abschmelzleistung und den günstigen Einbrandverhältnissen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Kostensenkung:

Beispielsweise setzt sich eine Menge von einem kg an Zuschlagstoffen für eine Legierung mit 20% Cr und 10% Ni aus folgenden Bestandteilen zusammen: 292 g Ferrochrompulver mit 71,5% Cr-Gehall, 104 g Nickelpulver mit 99% Ni-Gehalt und 604 g Eisenpulver mit 100% Fc-Gehall.

Die Kosten für die in dieser Weise zusammengesetzten Zuschlagstoffe sind wesentlich geringer als die Kosten für ein kg 18/8 Cr - Ni-Schweißband handelsüblicher Qualität. Eine weitere Kostensenkung kann dadurch erzielt werden, daß anstelle des 18/8 Cr-Ni-Schweißbandes normales Stahlband verwendet und sämtliche Legierungsbestandteile mit den Zuschlagstoffen zugeführt werden.
Beim Bandschweißen mit Zusatz von Zuschlagstoffen kann durch Verändern der zugehörigen Bestandteile die gewünschte Legierungsqualilät exakt eingestellt werden. Der Abbrand von Legierungselementen bzw. die Änderung der Legierung durch Vermischung mit dem Grundwerkstoff kann somit einfach ausgeglichen

-to werden, was bei anderen Schweißverfahren nur durch Herstellen eines speziellen Schweißdrahtes bzw. Schweißbandes möglich ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. IJnterpulver-Schweißverfahren, bei dem während des Schweißvorgangs zusätzlich im wesentlichen metallische Zuschlagstoffe in zerkleinerter Form oberhalb der Schlackeschicht — die das Schweißbad nach außen hin abdeckt — an einer durch den Schweißstrom magnetisierten Schweißelektrode angelagert, mit dieser durch die Schlackeschicht hindurchgezogen und dem Schweißbad zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe lediglich auf die — in Bewegungsrichtung des Schweißvorgangs gesehen — rückwärtige Breitseite der als Schweißband ausgebildeten Schweißelektrode aufgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe in zeitlich veränderlicher Menge auf das SchweißDand aufgegeben werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe in über den Querschnitt des Schweißbandes unterschiedlich verteilter Menge auf dieses aufgegeben werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Aufgabe der Zuschlagstoffe ein Gewichtsverhältnis von abgeschmolzenem Schweißband zu aufgeschmolzenen Zuschlagstoffen zwischen 1 :1 und 1 :3 erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewichtsverhältnis von etwa 1 :2 erreicht wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Schweißelektroden-Zuführeinrichtung, einer Zuführung für in Vorrat gehaltenes Schlackenpulver und mit einer Dosiereinrichtung für Zuschlagstoffe, die einem Vorratsbehälter vorgeschaltet ist und welche die Zuschlagstoffe oberhalb des Austritts der Schlackenpulver-Zuführung an der magnetisierten Schweißelektrode in Anlage bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen der mit der Dosiereinrichtung (11) zusammenwirkenden Zuführungsrohre (7) der rückwärtigen Breitseite der als Schweißband (3) ausgebildeten Schweißelektrode gegenüberliegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (11) aus einer Walze (14) besteht, die für jedes Zuführungsrohr (7) getrennte, über den Walzenumfang verteilte Dosierbohrungen (14') besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Zuführungsrohren (7) zugeordneten Dosierbohrungen (14') gegeneinander versetzt angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlackenpulver-Zuführung aus zwei mit jeweils einem Vorratsbehälter (15 bzw. 16) verbundenen Zuführrohren (15' bzw. 16') besteht, deren Austrittsöffnungen sich bezüglich des Schweißbandes (3) gegenüberliegen.