DE2304753B2

DE2304753B2 - Unterpulver-Schweißverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2304753B2
Application number: DE19732304753
Authority: DE
Inventors: Reinhard Otto Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 4300 Essen Mueller; Hans-Juergen Dipl.-Ing. 4330 Muelheim Peetz
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1973-02-01
Filing date: 1973-02-01
Publication date: 1979-09-20
Also published as: DE2304753C3; DE2304753A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Unterpulver-Schweißverfahren, bei dem während des Schweißvorgangs b> zusätzlich im wesentlichen metallische Zuschlagstoffe in Form von Metallsand oberhalb der Schlackeschicht — die auf das Schweißbad aufgebracht wird — an einer durch den Schweißstrom magnetisierten Schweißelektrode angelagert, mit dieser durch die Schlackeschicht hindurchgetrieben und dem Schweißbad zugeführt werden, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens welche im wesentlichen aus einer Drahtzuführeinrichtung, einem mit einem Zuführungsrohr versehenen Schlackenpulver-Vorratsbehälter und einem Zuschlagstoffe-Vorratsgefäß und einer Dosiereinrichtung für die Aufgabe der Zuschlagstoffe besteht

Bei den üblichen Unterpulver-Schweißverfahren wird auf Grund starker Überhitzung der Schweißstelle ein größerer Anteil des Grundmetalls aufgeschmolzen als bei den Lichtbogen-Schweißverfahren. Das Verhältnis; von abgeschmolzenem Elektrodenmetall zu aufgeschmolzenem Grundmetall liegt je nach Art des verwendeten Schweißpulvers zwischen 1:1,8 und 1:2,1.

Der verhältnismäßig hohe Anteil des Grundmetalls in der Schweißschmelze verleiht den Unterpulver-Schweißverfahren zwar eine hohe Sicherheit in der Verfahrensdurchführung und bedingt auch — vor allem bei extrem dicken Werkstücken — ihre Wirtschaftlichkeit Dagegen genügt die Schweißnaht jedoch nicht immer besonderen Qualitätsanforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Kerbschlagzähigkeit

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 Primärfeinkörnigkeit, verloren gehen.

Es sind bereits Verfahren bekanntgeworden, bei denen versucht wurde, die obengenannten Nachteile durch Verringerung des Grundmetall-Anteils in der Schweißschmelze zu vermeiden. Die Verringerung des Grundmetall-Anteils wird bei diesen Verfahren dadurch erreicht, daß neben der abschmelzenden Elektrode auf verschiedene Art und Weise noch ein Zusatzmetall stromlos in die Schweißschmelze eingebracht wird. Das Zusatzmetall kann beispielsweise in Form von Schweißdrähten oder profilierten Schweißstäben neben der abschmelzenden Elektrode in den Lichtbogen eingeführt werden. Bei einer anderen Art dieser sogenannten Kaltdrahtverfahren werden zusätzliche Schweißdrähte oder -stäbe in mehr oder weniger großen Stücken in die Schweißfuge eingelegt. Beim Unterpulver-Schweißen ist es außerdem bekannt, Metallteilchen als Zusatzwerkstoff zu verwenden.

Bei der Zugabe von kurzen Drahtstücken in Schweißrichtung vor, d. h. außerhalb des Lichtbogens (vgl. H. Kihara: Welding in Japan Borders on the Practical, Ingenious. The Iron Age, (17. Dezember) 1964, S. 83—85) ergibt sich der Nachteil, daß durch das Einführen der Drahtstücke in den Lichtbogen die auf der schweißschmelze schwimmende Schlackendecke, die den Lichtbogen gegen die Atmosphäre schützt, gestört wird. Außerdem bedarf es bei diesem Verfahren einer vorbereiteten Naht, in die die Drahtstücke eingelegt werden können, damit sich ihre Lage weder durch das Aufstreuen des Schlackenpulvers noch bei einer Bewegung des Werkstückes verändert. Insbesondere beim Schweißen von Rundnähten kleineren Durchmessers besteht sonst die Gefahr, daß der aufgestreute Metallsand von dem durch ein Drehwerk bewegten Werkstück vorzeitig herabrieselt. Außerdem ergibt sich beim Einführen kurzer Drahtstücke in die Schweißfuge der Nachteil, 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 infolge der schlechten Rieselfähigkeit der kantigen Drahtstücke kaum möglich.

Durch die US-PS 2810 063 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei dem während des Schweißvorgangs zusätzlich magnetisierbare Zuschlagstoffe in zerkleinerter Form oberhalb der Schlacke- ιυ schicht konzentrisch um eine durch den Schweißstrom magnetisierte Schweißelektrode angelagert, mit dieser durch die Schlackeschicht hindurch getrieben und dem Schweißbad zugeführt werden. Durch die magnetische Zuführung von im wesentlichen metallischen Zuschlagstoffen in zerkleinerter Form wird der Anteil an aufgeschmolzenem Grundmaterial in der Schweißschmelze bereits günstig beeinflußt Bei dem bekannten Verfahren werden aber noch 2,1... 3,8 kg Schweißdraht gebraucht, um ein Kilogramm Zusatzwerkstoff zu erschmelzen.

Eine andere, aus der USPS 32 60 834 bekannte Vorrichtung weist je einen Vorratsbehälter für das Schlackenpulver und für die Zuschlagstoffe auf, wobei für die Zuschlagstoffe eine unter der Austrittsöffnung des Zuschlagstoffe-Behälters befindliche Dosierwalze und ein darunter befindliches, mit einem T-ichter versehenes Zuführungsrohr vorgesehen ist, während für das Schlackenpulver ein mit einem trichterförmigen Einlauf versehenes, konzentrisch um das erste angeord- jo netes zweites Zuführungsrohr vorgesehen ist. Die Drahtelektrode dieser Vorrichtung ist drehbar um die Zuführungsrohre angeordnet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Unterpulver-Schweißverfahren zu entwickeln, bei dem das Verhältnis

Schweißdraht
ZusatzwerkstofT

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gegenüber dem bekannten Verfahren noch weiter gesenkt wird, um eine höhere Wirtschaftlichkeit durch die Verwendung billiger metallischer Zusatzstoffe zu erreichen. Das Verfahren soll außerdem so beschaffen sein, daß die Zuschlagstoffe ohne Störung des -r> Lichtbogens in diesen eingebracht werden. Gleichzeitig liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mittels welcher das Verfahren in einfacher Weise durchgeführt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Zuschlagstoffe lediglich auf die — in Schweißrichtung gesehen — Vorderseite der Schweißelektrode aufgegeben werden.

Durch die zwischen den kernigen oder in Pulverform vorliegenden Zuschlagstoffen und der Schweißelektro- v« de vorhandenen magnetischen Anziehungskräfte werden die Zuschlagstoffe durch die aufgestreute Schlakkenpulver-Abdeckung hindurchgezogen und beinahe vollständig dem Lichtbogen zugeführt Dadurch daß die Zusatzstoffe lediglich auf die Vorderseite der Schweiß- m> elektrode aufgegeben werden, kann ein wesentlich höherer Anteil an Zuschlagstoffen einwandfrei aufgeschmolzen werden. Die Ursache für die größere Aufschmelzleistung ist wohl darin zu sehen, daß die Zuschlagstoffe unmittelbar durch den Lichtbogen hl 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 Verfanren. 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 erfindungsgemäßen 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 vor den Lichtbogen gelangen und dessen Wärmewirkung sehr intensiv ausgesetzt sind. 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.

Beim Auftragsschweißen werden zweckmäßigerweise mehrere nebeneinanderliegende Schweißelektroden gleichzeitig dem Schweißband zugeführt

Durch die Verwendung mehrerer nebeneinanderliegender Schweißdrähte — beispielsweise im Abstand von 25 mm — läßt sich eine Vervielfachung der Abschmelzleistung und eine beliebige Verbreiterung der S chweißlagen erreichen.

In Ausgestaltung des Verfahrens können auf die aus dem Schweißbad gebildete Schweißlage eine oder mehrere weitere Schweißlagen aufgebracht werden.

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 Schweißzustand verbesserte mechanische Eigenschaften einstellen.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens können den magnetischen Zuschlagstoffen vor dem Aufbringen auf die Schweißelektrode nichtmetallische Zuschlagstoffe oder auch unmagnetische Nichtmetall-Zusätze in zerkleinerter Form beigegeben werden.

Die Menge der nichtmetallischen Zuschlagstoffe oder der unmagnetischen Nichtmetall-Zusätze muß dabei so gewählt werden, daß ein ausreichendes magnetisches Festhalten der Pulvermischung am Schweißdraht gewährleistet ist

Für die Dosierung der Zuschlagstoffe ist zweckmäßigerweise eine Walze mit Dosierbohrungen vorgesehen, die unterhalb der Austrittsöffnung eines Vorratsgefäßes und oberhalb eines mit einem Zugaberohr verbundenen Trichters angeordnet ist, wobei die untere öffnung des Zugaberohres der Vorderseite der Drah: Elektrode gegenüberliegt.

Die Walze ist vorteilhaft mit dem Zuführungsantrieb der Draht-Elektrode gekoppelt

Die Zugabemenge an Zuschlagstoffen pro Zeiteinheit kann in einfacher Weise dadurch verändert werden, daß das Übersetzunesverhältnis vom Zuführunesantrieb zur

Walze verändert wird.

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.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiels näher erläutert

In den F i g. 1 und 2 ist dabei die Seitenansicht bzw. die Stirnansicht eines feststehenden Schweißgerätes dargestellt, mit dessen Hilfe eine Auftragsschweißung ausgeführt wird.

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 6' angeordnet sind, einem Vorratsgefäß 7 mit einer den Dosierbohrungen angepaßten Austrittsöffnung T entnommen.

Die Dosierbohrungen entleeren sich in einem Trichter 8, an welchen ein Zugaberohr 9 angeschlossen ist Die untere öffnung 9' dieses Zugaberohres liegt der Vorderseite der Draht-Elektrode 3 oberhalb der das Schweißbad 2 und den vorderen Bereich der Schweißla ge 5 abdeckenden Schlackeschicht 10 gegenüber.

Das Schlackenpulver 10' wird über ein Zuführungs rohr 11 einem Schlackenpulver-Vorratsbehälter Ii entnommen und einem Trichter 13 zugeführt, desser Wandung die Draht-Elektrode 3 umschließt.

Die Draht-Elektrode wird mittels zweier Antriebs· rollen 14 von einer Vorratstrommel 15 abgezogen unc durch eine Kupferdüse 16, welche gleichzeitig der Zu-ι ο führung des Schweißstromes dient, auf das Werkstück 1 zubewegt. Die Lage der Kupferdüse ist zweckmäßigerweise in lotrechter Richtung verstellbar. Die Bewegung der Antriebsrollen 14 wird über eine mit diesen mitbewegte Stufenscheibe 14' mittels eines Antriebs riemens 17 auf eine mit der Walze 6 verbundene Stufenscheibe 18 übertragen.

Die Teile 6, 7, 8, 9, 12, 14 und 16 sind an einem Stützrahmen 19 befestigt, welcher seinerseits auf einen· ortsfesten Träger 20 angeordnet ist. Die Vorrats trommel 15 ist über Stützen 21 ebenfalls am Träger 2t befestigt.

Der in Folge magnetischer Kräfte an der Dreht-Elektrode 3 haftende Metallsand 4 wird mit dieser praktisch verlustlos durch die das Schweißbad 2 und die Auftrag-Schweißschicht 5 abdeckende Schicht IC hindurchgezogen und im Schweißbad 2 in den Schweißnahtwerkstoff einlegiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Unterpulver-Schweißverfahren, bei dem während des Schweißvorgangs zusätzlich im wesentli- chen metallische Zuschlagstoffe in Form von Metallsand oberhalb der Schlackeschicht — die auf das Schweißbad aufgebracht wird — an einer durch den Schweißstrom magnetisierten Schweißelektrode angelagert, mit dieser durch die Schlackeschicht hindurchgetrieben und dem Schweißbad zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe lediglich auf die — in Schweißrichtung gesehen — Vorderseite der Schweißelektrode aufgegeben werden. υ

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftragschweißen mehrere nebeneinanderliegende Schweißelektroden gleichzeitig dem Schweißbad zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aus dem Schweißbad gebildete Schweißlage eine oder mehrere weitere Schweißlagen aufgebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den magnetischen Zuschlagstoffen vor dem Aufbringen auf die Schweißelektrode nichtmetallische Zuschlagstoffe oder auch unmagnetische Nichtmetall-Zusätze in zerkleinerter Form aufgegeben werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, welche im wesentlichen aus einer Draht-Zuführeinrichtung, einem mit einem Zuführungsrohr versehenen Schlackenpulver-Vorratsbehälter und einem Zuschlagstoffe-Vorratsgefäß und einer Dosiereinrichtung für die Aufgabe der Zuschlagstoffe besteht, wobei für die Dosierung der Zuschlagstoffe eine Walze mit Dosierbohrungen vorgesehen ist, die unterhalb der Austrittsöffnung des Zuschlagstoffe-Vorratsgefäßes und oberhalb eines reit einem Zugaberohr verbundenen Trichters angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die untere öffnung (9') des Zugaberohres (9) der Vorderseite der Draht-Elektrode (3) gegenüberliegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Dosierbohrungen (6') versehene Walze (6) in an sich bekannter Weise mit den Antriebsrollen (14) des Zuführungsantriebes der Draht-Elektrode (3) gekoppelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Draht-Elektrode (3) in einem oberhalb des Schweißbades (2) befindlichen Trichter (13) angeordnet ist, in welchen das vom Schlackenpulver-Vorratsbehälter (12) kommende Zuführungsrohr (11) einmündet

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Draht-Elektrode (3) einen Durchmesser zwischen etwa 4 und 6 mm aufweist.

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