DE2320939B2 - Schweißelektrode für die Lichtbogen-Schutzgasschweißung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißelektrode für die Lichtbogen-Schutzgasschweißung. Derartige Elektroden enthalten eine Stahlumhüllung und einen Flußmittelkern bestimmter Zusammensetzung. Aus den Bestandteilen des Flußmittels wird bei den angewendeten Schweißtemperaturen bzw. unmittelbar darunter eine Schlacke mit einer hohen Viskosität erzeugt.

Beim Lichtbogenschweißen mit Flußmittelkern-Elektroden erfolgt die Abdeckung des Schweißmetalles durch den Flußmittelkern der Elektrode, durch den Lichtbogen und zusätzlich durch ein von außen zugeführtes Schutzgas oder Schutzgasgemisch. Dieses Verfahren ergibt einen tief eindringenden Lichtbogen, der große wirtschaftliche Vorteile besitzt. Ferner werden Schweißungen erhalten, deren Qualität und Schweißgeschwindigkeiten denen nach dem Unterpulver-Schweißverfahren hergestellten vergleichbar sind. Weiterhin kann der Schweißer die Schweißnaht sehen und den Schweißvorgang kontrollieren.

Fortlaufende Elektroden mit Flußmittelkern sind beispielsweise in der US-PS 30 51 822 beschrieben. Diese können aber im allgemeinen nur in der horizontalen Schweißstellung verwendet werden. Schweißungen in anderen Stellungen wurden dagegen bisher nur mit den üblichen überzogenen Stabelektroden für Handbetrieb durchgeführt. Bei der Lichtbogen-Schutzgasschweißung wurden auch blanke oder mit Kupfer überzogene feste Stahlelektroden verwendet, um die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen und um die durch das Auswechseln der Elektroden bedingten Unterbrechungen zu vermeiden. Di;se Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß man hierzu Schweißer mit großer Erfahrung benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißelektrode für die Lichtbogen-Schutzgasschweißung mit einer Stahlumhüllung und einem Kern zu schaffen, die in Form einer fortlaufenden Elektrode mit relativ großem Querschnitt auch zum Schweißen in vertikaler Stellung oder über Kopf geeignet ist und hierbei im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie beim Schweißen in horizontaler Stellung ergibt.

Eine solche Schweißelektrode ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Kein, bezogen auf

ίο sein Gewicht, 1,5 bis 4,5% eines Alkalimetalls (berechnet als Oxid), 29 bis 70% Titandioxid, 1,5 bis 16,5% Siliciumdioxid, 2,2 bis 6,6% Mangandioxid, 10 bis 20% Ferrosilicium und 10 bis 25% Ferromangan enthält.

Diese Kernbestandteile ergeben in den angegebenen Anteilen ein Flußmittel, das ein geringeres Fließvermögen als die bekannten Flußmittel hat.

Vorzugsweise enthält der Kern bis zu 6 % Magnetit. Ferner kann der Kern bis zu 20% eines Metallpulvers

ao enthalten. Die zusammenhängende Metallumhüllung, die den Kern umgibt, kann aus einem Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt bestehen und 70 bis 90% des Elektrodengewichts ausmachen.

Das Alkalimetall ist vorzugsweise Natrium, das dem Kerngemisch als Titanat, Silicat oder als eine geschmolzene Fritte mit hohem Titandioxidgehalt zugesetzt wird. Das Titandioxid wird als Rutil und/oder als geschmolzene Fritte mit hohem Titandioxidgehalt zugesetzt. Das gegebenenfalls verwendete Metallpulver wird zugesetzt, um die Menge des abgeschiedenen Schweißmetalls zu erhöhen oder um dessen Zusammensetzung zu modifizieren. Das Metallpulver kann aus Eisen oder einem anderen Metall bestehen, so daß eine Legierung abgeschieden werden kann, die als Hauptbestandteil Eisen enthält, z. B. eine Nickel-Eisen-Legierung oder eine Chrom-Molybdän-Legierung, die beispielsweise 2,25 bis 1,25% Chrom und 1,0 bis 0,5% Molybdän enthält.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Bestandteile des Flußmittels für den Kern teilweise als geschmolzenes Material vorliegen, das in Form einer zubereiteten Fritte oder in Form geeigneter vulkanischer Mineralien vorliegen kann. Eine Fritte wird dadurch hergestellt, daß man Titandioxid, Kieselsäuresand und Mangandioxid mit Natriumcarbonat auf 1010⁰C zum Schmelzen erhitzt, das Erhitzen fortsetzt, bis das Kohlendioxid entwichen und ein glasartiges Produkt gebildet ist, worauf man dieses zum Gebrauch zerkleinert und siebt. Die Mengen der Bestandteile werden so gewählt, daß man eine Fritte mit 15% Natriumoxid, 47% Titandioxid, 22% Mangandioxid und 15% Siliciumdioxid erhält. Es können auch 1% Fe₂O₃ vorhanden sein. Der Kern enthält, bezogen auf sein Gewicht, 10 bis 30% dieses geschmolzenen Materials sowie 25 bis 55% Rutil, 10 bis 20% Ferrosilicium und 10 bis 25% Ferromangan. Gegebenenfalls kann der Kern auch bis zu 12% Kieselsäuresand, bis zu 6 % Magnetit und bis zu 20 % Eisenmetallpulver enthalten.

Um eine Elektrode gemäß der Erfindung herzustellen, formt man einen Streifen des Umhüllungsmaterials aus Kohlenstoffstahl zu einem U-förmigen Kanal. Die relativen Mengen der Bestandteile der Elektrode, einschließlich des Kernmaterials, können durch Verwendung von Umhüllungen mit unterschiedlicher Wandstärke oder durch Zusatz von Eisenmetallpulver zum Kern oder zum Füllmaterial eingestellt werden. Die feinteiligen Kernbestandteile werden in den Kanal

3 4

eingebracht, der anschließend durch Zusammenwalzen bestandteile in der Elektrode und durch von außen

verschlossen wird, wodurch diese Bestandteile in zugeführtes Gas gebildet wird, gegen den Zutritt der

einem röhrenförmigen Gebilde eingeschlossen werden, äußeren Atmosphäre geschützt wird. Die Schutzgas-

dessen Durchmesser vorzugsweise 5 mm beträgt. Dann atmosphäre schützt das geschmolzene Metall vor dem

wird der Durchmesser dieser Vorform vermindert, 5 Luftstickstoff.

beispielsweise indem sie durch Ziehformen mit einem Die Kernbestandteile bilden einen schützenden

immer kleiner werdenden Durchmesser gezogen wird. Schlackenüberzug, mc desoxidieren und reinigen das

Diese Elektroden werden mit kleineren Durchmessern, Schweißmetall, sie liefern die Legierungsbestandteile

z. B. 0,9, 1,15, 1,6 und 2 mm hergestellt, so daß zum für das abgeschiedene Metall und tragen zur Stabili-

Schweißen in einer anderen als der horizontalen Stel- io sierung des Lichtbogens bei. Auf Grund des doppelten

lung kleinere Stromstärken verwendet werden können. Schutzes werden ausgezeichnete Schweißungen mit

Bei Verwendung der Elektrode gemäß der Erfindung guten mechanischen Eigenschaften erzielt,

kann mit wesentlich höheren Stromstärken gearbeitet Die Erfindung ist durch die rachstehenden Beispiele

werden, weshalb wesentlich höhere Abscheidungs- in nicht einschränkender Weise erläutert,

geschwindigkeiten erzielt werden als bei Verwendung 15

der bekannten Elektroden. Diese Ergebnisse beruhen Beispiel 1

teilweise auf der Zusammensetzung des Kerns, aus Es wurde eine Elektrode gemäß der Erfindung her-

dem sich eine Schlacke mit geringeiem Fließvennögen gestellt, deren Umhüllung 86% und deren Kern 14%

bildet. Diese Schlacke hat eine physikalische und eine des gesamten EleKtrodengewichts ausmachten. Der

metallurgische Funktion. Die Zusammensetzung der 20 Kern enthielt ein granuliertes Gemisch mit der nach-

Schlacke ermöglicht die Bildung eines festen und stehend angeeebenen Zusammensetzung:

duktilen Metalls und liefert eine Schweißnaht mit Geschmolzene Fritte 20%

einer glatten Form und einem guten Aussehen ohne _Rutij ..'_o°

Unterhöhlungen. Die Herabsetzung des Fließvermö- Magnetit 6°7

gens der Schlacke kann auch durch das Desoxidations- 25 Eisenpulver 5 °°

mittel beeinflußt werden. Mit höheren Siliciumgehalten Ferrosilicium 12 °/

kann das Fließvermögen herabgesetzt werden, während Ferromanean 13 "V

geringere Siliciumgehalte und höhere Mangangehalte '"

das Fließvermögen erhöhen. Auf Grund der beschränk- Ancers gesagt, hatte der Kern die nachstehend an-

ten Auswahl von Flußmittelbcstandteilen wird die 30 gegebene Zusammensetzung:

Anwendung von hohen Mangan-Silicium-Verhältnis- NaO 3 0°/

sen ermöglicht, wodurch die Kerbschlagzähigkeit in γΛ 5^4°/

der fertigen Schweißstelle erhöht wird. Beim Schweißen MnO 44°/

reagiert das Flußmittel mit dem Metall unter Bildung gjQ ² 3Ό⁰/

der endgültigen Schlacke. 35 Maenetit 6°/

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Eisenpulver 5 V

Elektrode gemäß der Erfindung beim Schweißen als Ferrosilicium 12%

blankes, kontinuierlich abschmelzendes Element ver- Ferromanean 13 V

wendet und mit einer Stromquelle verbunden. Zwi-

sehen der Elektrode und dem Werkstück, das mit 4° Das für den Kern verwendete Gemisch wurde in an Rost oder Hammerschlag bedeckt sein kann, wird ein sich bekannter Weise in die Umhüllung aus Stahl mit Lichtbogen erzeugt. Der Lichtboden wird mit einem niedrigem Kohlenstoffgehalt eingeschlossen. Diese AnSchutzgas umgeben, z. B. mit Kohlendioxid, einem Ordnung wurde bis auf einen Außendurchmesser von Gemisch aus 75 % Argon und 25 % Kohlendioxid, oder 1,6 mm ausgezogen und in einer Schutzgas-Lichtbogeneinem Gemisch aus Argon und Sauerstoff. Die Elek- 45 Schweißvorrichtung (CO₂ als Schutzgas) zur HersteU trode wird in den Lichtbogen hineingeschoben, wobei lung einer Kehlschweißung von 6,4 mm auf einer der elektrische Kontakt mit der Umhüllung der Elek- 13 mm starken Platte in vertikaler Stellung verwendet, trode aufrechterhalten bleibt, worauf der Lichtbogen Zum Vergleich wurde eine zweite Schweißung mit relativ zum Werkstück bewegt wird. einer ähnlichen Platte unter Verwendung einer handels-

Das Verfahren ist sowohl automatisch als auch 50 üblichen Elektrode vom Typ 70 T-I mit einem Durchhalbautomatisch durchführbar. Die maschinell herge- messer von 1,6 mm durchgeführt. In beiden Fällen stellte, röhrenförmige Abschmelzelektrode wird konti- wurde der Schweißstrom auf eine Stärke eingestellt, nuierlich in den Lichtbogen hineingeschoben, worin die zu einer Schweißung mit einem allgemein akzepdas geschmolzene Metall durch eine Schutzgasatmo- tierten Aussehen und Qualität führt. Die Ergebnisse Sphäre, die durch Zersetzung eines Teils der Flußmittel- 55 sind in Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Schweißungen an einer vertikalen Stahlplatte von 13 mm

Bedingungen Art der Schweißung*)

a b a b

Maximum Optimum
A/V**) kg/Std. A/V kg/Std. A/V kg/Std. A/V kg/Std.

Elektrode A 160/25 1,13 200/26 2,27 140/25 0,45 170/25 1,36

Elektrode von 200/26 2,31 250/27 3,9 180/26 1,9 200/26 2,27
Beispiel 1

*) Art der Schweißung (a) Vorschub ohne Schwingung zur Herstellung einer Schweißung, die in der Industrie als Adernwulst

bekannt ist.
(b) Schwingende Elektrode (als »Weben«) bekannt, um einen »Sims« aus Schweißmetall zu bilden und die

Schweißnaht zu vergrößern.
**) Ampere/Volt.

5 ^f 6

Tabelle I zeigt einen Vergleich der Abscheidungs- Tabelle III

geschwindigkeiten des Schweißmetalls bei verschiede- „. . _w * n

Ln Stromstärken für zwei Elektrodenarten. Die bei E.genschaften des abgeschiedenen Metalls

höheren Schweißstromstärken erzielbaren Abschei- Typische mechanische Eigenschaften

dungsgeschwindigkeiten sind offensichtlich und führen 5 Streckgrenze kg/cm² 5350

zu beträchtlichen Einsparungen. Zugfestigkeit, kg/cm² '.'.'.Y.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'. 6330

Dehnung in 5 cm (%) 27

Beispiel 2 Querschnittsverminderung (%) 62

Die mit den Elektroden gemäß der Erfindung beim 10 Typische Kerbschlagzähigkeits-

Schweißen erzielbaren Vorteile kennen auch durch eigenschaften (Charpy V-Kerbe)

einen Vergleich mit dem allgemein üblichen Verfahren Versuchstemperaturen

zur Herstellung von Schweißungen in einer nicht- 22°^ 91 mkp

horizontalen Stellung, d. h. mit den üblichen umhüll- —18°C 46 mkp

ten Stabelektroden für den Handbetrieb gezeigt wer- 15 '

den. Tabelle II gibt einen Vergleich über die Abschei- Typische Schweißmetallanalyse

dungsgeschwindigkeiten des Schweißmetalls bei den Kohlenstoff Mangan Silicium

üblichen Stromstärken auf vertikalen Platten der in °,°8% 1,47% 0,74%
Tabelle I angegebenen Art.

20 Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Abscheidung von Metall mit der in Tabelle III angege-

_ , .. ,j benen Zusammensetzung; vielmehr kann die gleiche

^{a e e} Grundmasse für den Flußmittelkern zur Abscheidung

Nicht horizontale Schweißungen auf einer Stahlplatte von Legierungen modifiziert werden, wenn statt des

von 13 mm 25 dem Kern als Metallpulver zugesetzten Eisens Legie-

rungen verwendet werden. In Tabelle IV sind typische

Elektrode Größe Ampere Abscheidungs- niedriglegierte Abscheidungen angegeben, die auf

geschwindigkeit diese Weise hergestellt werden können una die zum

mm kg/Std. Schweißen von niedriglegierten Stählen mit ähnlicher

—· 30 Zusammensetzung oder mit vergleichbaren Eigen-

F 6010 3 2 100 10 schäften verwendet werden können.

E 6010 4^0 160 l',33

E 6010 4,8 175 1,63 Tabelle IV

Beispiel 1 1,6 180 1,9 Niedriglegiertes, abgeschiedenes Metall

3 O ■-■' ■■i ■ ■ ■■ .

Elektrode

Die Elektrode AWS, Klasse E 6010 ist seit Jahren ! !

die Standard-Elektrode aus Weichstahl, die in der _Λ_ _Λ_ _,„ „„

Bauindustrie und auf Werften für das Schweißen in 40 kohlenstoff 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07

nichthorizontaler Stellung verwendet wird. Die Aus- Mangan 0,90 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

wahl der Elektrodengrößen hängt von der Dicke des Silicium 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60

Materials, der Größe der erforderlichen Auskehlung ir,.,⁰¹? ~ ^{1)M) i>25} ~ ~ °'„

und der Erfahrung des Schweißers ab. Ein Durch- ™ckeI — — — 1,00 2,50 1,75

messer von 4,0 mm entspricht der am häufigsten ver- 45 ^Moly^bdan °·^{50 0}·⁵⁰ L⁰⁰ - - °>³⁰ wendeten Durchschnittsgröße. Die größte zulässige

Dicke für nichthorizontales Schweißen beträgt 4,8 mm. Hierbei handelt es sich um die typischen niedrig-

Beim Vergleich ist auch die Wirksamkeit im Betrieb legierten Legierungsarten für das Schutzgas-Metall-

sehr wichtig. Die Elektroden vom Typ E 6010 ?ind Lichtbogenschweißen, wie sie in der »American WeI-

nur in Längen von 38 cm verfügbar, und nachdem 50 ding Society Specification A 5.5« aufgeführt sind.

30 cm abgebrannt sind, muß eine gewisse Zeit zum Die Werte für die Stromstärke und die Spannung

Auswechseln der Elektrode in Kauf genommen werden. beim Schweißen mit den Elektroden gemäß der Erfin-

Mit der fortlaufenden Elektrode gemäß der Erfindung dung in den verschiedenen Stellungen sind in Tabelle V

kann man eine viel höhere Wirksamkeit im Betrieb angegeben. Diese Ergebnisse wurden mit 100%igem

erzielen. 55 Kohlendioxid als Schutzgas (Taupunkt —40⁰C) erhal-

Die in Tabelle II angegebenen Abscheidungs- ten. Wird ein Gemisch aus 75% Argon und 25%

geschwindigkeiten sind auf eine Leistungsfähigkeit Kohlendioxid als Schutzgas verwendet, vermindern

von 100%, d. h. auf ein kontinuierliches Schweißen, sich alle nachstehend angegebenen Spannungen um

bezogen. Tatsächlich aber hat die überzogene Stab- 0 bis 1,5 Volt. Für die meisten automatischen Ver-

elektrode vom Typ E 6010 nur eine durchschnittliche 60 fahren können die angegebenen Stromstärken um

Leistungsfähigkeit von 25 % oder weniger, da beim 25 % erhöht werden.

Auswechseln der Elektroden viel Zeit verlorengeht. Es können horizontale und vertikale Stumpf-Die Leistungsfähigkeit der fortlaufenden Flußmittel- schweißungen mit einer geregelten Schweißnahtkern-Elektrode ist deshalb weit höher als die der kontur in Form von fluchtenden Schweißungen oder Elektrode vom Typ E 6010. 65 geregelten Verstärkungen erhalten werden, die das

Die Eigenschaften des mit Hilfe einer Elektrode gewöhnlich bei Flußmittelkern-Elektroden anderer

nach Beispiel 1 abgeschiedenen Schweißmetalls sind Zusammensetzung auftretende rauhe Aussehen nicht

in Tabelle III angegeben. zeigen.

Tabelle V

Schweißstromstärken und -spannungen

Mindest- Optimal- Höchstwerte werte werte

AVAVAV

Durchmesser der Schweißstelle 1,15 mm

Eben und

horizontal 125 24 180 25 280 30

Vertikal 125 24 180 25 210 26

Über Kopf 125 24 180 25 210 26

Durchmesser der Schweißstelle 1,6 mm

Eben und

horizontal 180 26 250 27 430 34

Vertikal 180 26 200 26 250 27

Über Kopf 180 26 225 26 250 27

Hieraus ergibt sich, daß die Elektrode gemäß der Erfindung ein hervorragendes Schweißverhalten in allen Stellungen zeigt.

A 993

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schweißelektrode für die Lichtbogen-Schutzgasschweißung mit einer Stahlumhüllung und einem Kern, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern, bezogen auf sein Gewicht, 1,5 bis 4,5% eines Alkalimetalls (berechnet als Oxid), 29 bis 70% Titandioxid, 1,5 bis 16,5% Siliciumdioxid, 2,2 bis 6,6% Mangandioxid, 10 bis 20% Ferrosilicium und 10 bis 25% Ferromangan enthält.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern bis zu 6 % Magnetit enthält.

3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern bis zu 20% eines Metallpulvers enthält.

4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall Natrium ist.

5. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallumhüllung aus einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt besteht und 70 bis 90% des Elektrodengewichts ausmacht.

6. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern, bezogen auf sein Gewicht, 25 bis 55% Titandioxid, 10 bis 20% Ferrosilicium, 10 bis 25% Ferromangan und 10 bis 30% eines geschmolzenen Materials enthält, das aus 15% Natriumoxid, 47% Titandioxid, 22% Mangandioxid und 15% Siliciumdioxid besteht.

7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Kieselsäuresand in einer Menge von bis zu etwa 12 Gewichtsprozent des Kerns enthält.