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Unterpulver-Schweißverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Unterpulver-Schweißverfahren, bei dem zusätzlich
im wesentlichen metallische Zuschlagstoffe in zerkleinerter Form im Lichtbogen aufgeschmolzen
werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche im wesentlichen
aus einer Draht-Zufuhrungseinrichtung, einem mit einem Zuführungsrohr versehenen
Schlackenpulver-Vorratsbehälter und einer Dosiereinrichtung für die Aufgabe der
Zuschlagstoffe besteht, Es ist bekannt, daß bei den üblichen Unterpulver-Schweißverfahren
aufgrund starker Überhitzung der Schweißstelle ein größerer Anteil des Grundmetalls
aufgeschmolzen wird als bei anderen Lichtbogen-Schweißverfahren. Das Verhältnis
von abgeschmolzenem Elektrodenmetall zu aufgeschmolzenem Grundmetall liegt je nach
Art des verwendeten Schweißpulvers zwischen 0 : 0,8 und 1: 2,1 .
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Der verhöltnismößig hohe Anteil des Grundmetalls in der Schweißschmelze
verleiht den Unterpulver-Schweißverfahren eine hohe Sicherheit in der Verfahrensdurchführung
und bedingt auch, vor allem bei extrem dicken Werkstücken, ihre Wirtschaftlichkeit,
Demgegenüber genügt jedoch die Schweißnaht besonders hohen Qualitätsanforderungen,
beispielsweise hinsichtlich der Kerbschlagzähigkeit, nicht immer.
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Dieser Nachteil wird in erster Linie durch das in die Schweißnaht
gelangte Grundmetall verursacht, welches im allgemeinen einen schlechteren Reinheitsgrad
aufweist
als das Elektrodenmetall, Darüber hinaus können in Folge der Überhitzung und Aufschmelzung
gewisse Sondereigenschaften des Grundmetalls, beispielsweise seine Primörfeinkörnigkeit,
verloren gehen0 Es sind bereits Verfahren bekannt geworden, bei denen versucht wurde,
die obengenannten Nachteile durch Verringerung des Grundmetall-Anteils in der Schweißschmelze
zu vermeiden. Bei diesen Verfahren wird neben der abschmelzenden Elektrode auf verschiedene
Art und Weise noch ein Zusatzmetall stromlos in die Schweißschmelze eingebracht,
Das Zusatzmetall kann beispielsweise in Form von Schweißdrähten oder profilierten
Schweißstäben neben der abschmelzenden Elektrode in den Lichtbogen eingeführt werden.
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Bei einer anderen Art dieser sogenannten Kaltdrahtverfahren werden
zusötzlich Schweißdrähte oder -stöbe in mehr oder weniger großen Stücken in die
Schweißfuge eingelegt0 Beim Unterpulver-Schweißen ist es außerdem bekannt, Metallteilchen
als Zusatzwerkstoff zu verwenden.
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Das Kaltdrahtverfahren weist den Nachteil auf, daß durch das Einführen
der Drähte oder Stäbe in den Lichtbogen die auf der Schweißschmelze schwimmende
Schlackendecke, die den Lichtbogen gegen die Atmosphäre schützt, gestört wird.
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Beim Einlegen längerer Drahtstücke in die Schweißfuge können dadurch
Schwierigkeiten entstehen, daß die Drähte sich unter dem Einfluß der Hitze vom Untergrund
abheben und infolgedessen nicht mehr vollständig aufgeschmolzen werden.
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Die Verfahrensweise, bei der kurze Drahtstücke in die Schweißfuge
eingeführt werden, ist mit dem Nachteil behaftet, daß durch die eckige Form der
Drahtstücke und die sich daraus ergebende ungleichmäßige
Verteilung
von Drahtstücken und Hohlräumen die Gleichmäßigkeit des Lichtbogens gestört wird.
Eine gleichmäßige Zugabe des Zusatzmetalls ist in Folge der schlechten Rieselfähigkeit
der kantigen Drahtstücke kaum möglich.
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Die Zugabe von körnigem Zusatzmetall, sog, Metallsand, welcher vor
Durchführung der Schweißung an der späteren Schweißstelle aufgestreut wird, bereitet
ebenfalls Schwierigkeiten. Diese bestehen vor allem darin, daß der Metallsand genau
an der Stelle aufgestreut werden muß, an der sich später der abgedeckte Lichtbogen
befindet; die Lage des Metallsandes darf sich weder durch das Aufstreuen des Schlackenpulvers
noch bei einer Bewegung des Werkstückes verändem. Insbesondere beim Schweißen von
Rundnähten kleineren Durchmessers besteht die Gefahr, daß der aufgestreute Metallsand
von dem durch ein Drehwerk bewegten Werkstück vorzeitig herabrieselt, Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Unterpulver-Schweißverfahren zu entwickeln, bei
dem zusätzlich im wesentlichen metallische Zuschlagstoffe in zerkleinerter Form
im Lichtbogen aufgeschmolzen werden und dadurch in Folge der Verringerung des Anteils
an aufgeschmolzenem Grundmetall in der Schweißschmelze die Verwendung billiger Zusatzstoffe
ermöglicht wird. Das Verfahren soll außerdem so beschaffen sein, daß die Zuschlagstoffe
ohne Störung des Lichtbogens in diesen eingebracht werden.
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Gleichzeitig liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zu entwickeln, mittels welcher das Verfahren in einfacher Weise durchgeführt werden
kann.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zuschlagstoffe
während des Schweißvorgangs oberhalb der Schlackeschicht, die auf das Schweißbett
aufgebracht wird, auf die Vorderseite der durch den Schweißstrom magnetisierten
drahtförmigen Schweißelektrode aufgegeben und mit dieser durch die Schlackeschicht-hindurchgetrieben
und dem Schweißbad zugeführt werden.
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Die zwischen den körnigen oder in Pulverform vorliegenden Zuschlagstoffen
und der Schweißelektrode vorhandenen magnetischen Anziehungskräfte reichen überraschenderweise
aus, die Zuschlagstoffe durch die aufgestreute Schlackenpulver-Abdeckung hindurchzuziehen
und beinahe vollständig dem Lichtbogen zvzuführen, Die Zuschlagstoffe könnten zwar
auch auf die Rückseite der drahtförmigen Schweißelektrode aufgegeben werden; jedoch
kann ein wesentlich höherer Anteil an Zuschlagstoffen einwandfrei aufgeschmolzen
werden, wenn man diese auf die Vorderseite der Schweißelektrode ausstreut0 Die Ursache
für die größere Aufschmelzleistung ist wohl darin zu sehen, daß die Zuschlagstoffe
unmittelbar durch den Lichtbogen hindurchtreten müssen und dabei für einen längeren
Zeitraum der hohen Temperatur des Lichtbogens ausgesetzt sind, Es hat sich gezeigt,
daß bei dem Verfahren nach der Erfindung erheblich größere Mengen an Zuschlagstoffen
im Verhältnis zur Schweißdraht-Menge aufgeschmolzen werden können als bei den bisher
bekannten Verfahren. Bei einer Unterpulver-Schweißung mit 900 A Schweißstrom und
45 V Schweißspannung gelang es beispielsweise nach dem bekannten Verfahren mit in
die Naht eingestreuten Zuschlagstoffen, 13 kg/h an Schweißdraht und 9 kg/h an Zuschlagstoffen
einwandfrei aufzuschmelzen. Bei gleichen Strom- und Spannungswerten konnten nach
dem erfindungsgemößen Verfahren mit an den Schweißdraht gestreuten Zuschlagstoffen
13
kg/h an Schweißdraht und 18 kg/h an Zuschlagstoffen einwandfrei verarbeitet werden,
Die Steigerung der möglichen Zugabe an Zuschlagstoffen ist dadurch zu erklären,
daß diese in sehr günstiger Weise von oben her in den Lichtbogen gelangen und dessen
Wärmewirkung sehr intensiv ausgesetzt sind.
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Der hohe Anteil an Zuschlagstoffen, beispielsweise in Form von Metallsand,
beeinflußt den Einbrand im Grundmetall und die Überhitzung des Schweißgutes in einer
für die mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes günstigen Weise.
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Beim Auftragsschweißen werden zweckmäßigerweise mehrere nebeneinanderliegende
Schweißelektroden gleichzeitig dem Schweißbad zugeführt, Durch die Verwendung mehrerer
nebeneinanderliegender Schweißdröhte -beispielsweise im Abstand von 25 mm - läßt
sich eine Vervielfachung der Abschmelzleistung und eine beliebige Verbreiterung
der Schweißlagen erreichen.
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In Ausgestaltung des Verfahrens können auf die aus dem Schweißbad
gebildete Schweißlage eine oder mehrere weitere Schweißlagen aufgebracht werden.
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Versuchsweise wurden zwei Schweißlagen nebeneinander angeordnet, wobei
eine Nahtbreite von 35 mm und eine Nahtdicke von 6 mm bei 700 A Schweißstrom erreicht
wurde, Eine derartige Nahtgeometrie mit verhältnismäßig breiten aber dünnen Schweißlagen
bringt den Vorteil mit sich, daß jeweils die zuletzt geschweißte Lage die
darunterliegende
Schweißlage vollständig auf die Umwandlungstemperatur durchwärmt, so daß diese Schweißlage
umgewandelt wird und sich nach dem Erkalten eine bessere Feinkörnigkeit und damit
gegenüber dem ursprünglichen Schwei ßzustand verbesserte mechanische Eigenschaften
einstellen.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens können den magnetischen Zuschlagstoffen
vor dem Aufbringen auf die Schweißelektrode nichtmetallische Zuschlagstoffe oder
auch unmagnetische Nichtmetall-Zusötze in zerkleinerter Form beigegeben werden.
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Die Menge der nichtmetallischen Zuschlagstoffe oder der unmagnetischen
Nichtmetall-Zusätze muß dabei so gewählt werden, daß ein ausreichendes magnetisches
Festhaften der Pulvermischung am Schweißdraht gewährleistet ist.
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Für die Dosierung der Zuschlagstoffe ist zweckmäßigerweise eine Walze
mit Dosierbohrungen vorgesehen, die unterhalb der Austrittsöffnung eines Vorrntsgetdßes
und oberhalb eines mit einem Zugaberohr verbundenen Trichters angeordnet ist, wobei
die untere Öffnung des Zugaberohres der Vorderseite der Draht-Elektrode gegenüberliegt,
Die Walze ist vorteilhaft mit dem Zuführungsantrieb der Draht-Elektrode gekoppelt.
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Die Zugabemenge an Zuschlagstoffen pro Zeiteinheit kann in einfacher
Weise dadurch verändert werden, daß das Übersetzungsverhältnis vom Zuführungsantrieb
zur Walze verändert wird.
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In Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die Draht-Elektrode
in einem oberhalb des Schweißbades befindlichen Schlacke-Trichter angeordnet, in
welchen das Zuführungsrohr einmündet, Die Draht-Elektrode weist vorzugsweise einen
Durchmesser zwischen etwa 4 und 6 mm auf, Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes
werden nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
erläutert.
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In den Fig. 1 und 2 ist dabei die Seitenansicht bzw. die Stirnansicht
eines feststehenden Schweißgerätes dargestellt, mit dessen Hilfe eine Auftragsschweißung
ausgeführt wird.
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Auf das sich im Uhrzeigersinn drehende Werkstück 1, eine Walze, wird
nach dem Unterpulver-Schweißverfahren mit Hilfe der im Schweißbad 2 abschmelzenden
Draht-Elektrode 3 und des auf deren Vorderseite aufgegebenen Metallsandes 4 die
Schweißlage 5 aufgebracht. Der Metallsand 4 wird über eine Walze 6, auf deren Umfang
Dosierbohrungen 64 angeordnet sind, einem Vorratsgefäß 7 mit einer den Dosierbohrungen
angepaßten Austrittsöffnung 71 entnommen.
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Die Dosierbohrungen entleeren sich in einen Trichter 8, an welchen
ein Zugaberohr 9 angeschlossen ist. Die untere Öffnung 91 dieses Zugaberohres liegt
der Vorderseite der Draht-Elektrode 3 oberhalb der das Schweißbad 2 und den vorderen
Bereich der Schweißlage 5 abdeckenden Schlackeschicht 10 gegenüber.
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Das Schlackenpulver 101 wird über ein Zuführungsrohr 11 einem Schlackenpulver-Vorratsbeha#lter
12 entnommen und einem Schlacke-Trichter 13 zugeführt, dessen Wandung die Draht-Elektrode
3 umschließt.
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Die Draht-Elektrode wird mittels zweier Antriebsrollen 14 von einer
Vorratstrommel 15 abgezogen und durch eine Kupferdüse 16, welche gleichzeitig der
Zuführung des Schweißstromes dient, auf das Werkstück 1 zubewegt.
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Die Lage der Kupferdüse ist zweckmäßigerweise in lotrechter Richtung
verstellbar, Die Bewegung der Antriebsräder 14 wird über eine mit diesen mitbewegte
Stufenscheibe 14'mittels eines Antriebsriemens 17 auf eine mit der Walze 6 verbundene
Stufenscheibe 18 übertragen.
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Die Teile 6, 7, 8, 9, 12, 14 und 16 sind an einem Stützrahmen 19 befestigt,
welcher seinerseits auf einem ortsfesten Träger 20 angeordnet ist. Die Vorratstrommel
15 ist über Stützen 21 ebenfalls am Trager 20 befestigt.
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Der in Folge magnetischer Kräfte an der Draht-Elektrode 3 haftende
Metallsand 4 wird mit dieser praktisch verlustlos durch die das Schweißbad 2 und
die Auftrag-Schweißschicht 5 abdeckende Schicht 10 hindurchgezogen und im Schweißbad
2 in den Schweißnahtwerkstoff einlegiert.