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Verfahren zur Bearbeitung oder Beseitigung von Unvollkommenheiten
oder Lunker bei allgemein dickwandigen Metallwerkstücken Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Bearbeitung oder Beseitigung von Unvollkommenheiten oder Lunker
bei allgemein dickwandigen Metallwerkstücken, insbesondere die Ausbesserung von
Gußblasen von Gußeisen-Werkstücken. Dickwandige Metallwerkstücke, insbesondere Gußeisen-Werkstücke
können nach dem Gießvorgang unerwünschte Oberflächenfehler aufweisen, die allgemein
zu einem Ausschuß dieser Werkstücke führen.
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Beim Gießen von Gußeisen-Werkstücken bestehen diese Fehler allgemein
aus Hohlräumen (Lunker), der nach Entfernen der Eingußstellen und Gußzapfen erscheinen.
Diese Erscheinung wird durch die sehr viel geringere Abkühlgeschwindigkeit des massigen
Werkstückes als die Abkühlgeschwindigkeit der Gußzapfen hervorgerufen. Die sehr
viel schneller erstarrenden Gußzapfen können nach der Erstarrung des Werkstückes
dann nicht mehr Material zuführen, wodurch Lunker unterhalb der Gußstellen und Gußzapfen
in dem Werkstück entsteht. Derartige Gußeisen-Werkstücke können nicht mehr verwendet
werden, da sie für eine weitere Bearbeitung ungeeignet sind.
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Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus ist dies natürlich sehr unvorteilhaft.
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Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beseitigung
von Fehlerstellen von Metallwerkstücken zu schaffen, wobei als Ausbesserungsmaterial
bzw. als hinzugefügtes Material das gleiche Material wie das Material des Werkstückes,
welches bearbeitet werden soll, verwendet wird, so daß eine fehlerfreie, kontinuierliche
und im Metall äquivalente Vbergangsstelie zwischen dem Werkstück und dem hinzugefügten
ausgehärteten Material erhalten wird. Bei diesem Verfahren wird in vorteilhafter
Weise von den typischen Merkmalen des Elektroschlacken-Schweißverfahrens Gebrauch
gemacht.
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Bei einem Elektroschlacken-Schweißverfahren wird die Hitze durch den
Strom erzeugt, der durch die verflüssigte Schlacke fließt, so daß also die Schlacke
aufgrund ihres elektrischen Widerstandes erhitzt wird. Eines der Merkmale des Elektroschlacken-Schweißverfahrens
ist das Fehlen eines elektrischen Lichtbogens, so daß es sich hierbei um einen speziell
ruhigen Prozeß handelt. Bei einem Elektroschlacken-Schweißverfahren lassen sich
Schmelzgeschwindigkeiten erreichen, die um ein Vielfaches größer sind als diejenigen
bei einem Lichtbogen-Schweißverfahren beispielsweise dem eingetauchten Lichtbogen
verfahren und dem Hand-Schweißverfahren. Die Schlack, die während dieses Prozeßes
Temperaturen zwischen 1500 und 20000C erreichthat einen niedrigeren Schmelzpunkt
und ein spezifisches Gewicht als das Material des Werkstückes. Da sich die Schlacke
und das Material des Werkstückes in der Flüssigphase nicht mischen, bleibt die Schlacke
auf dem Material schwimmen und es wird die umgebende Atmosphäre abgeschlossen bzw.
ferngehalten.
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Die der Erfindung zugrundeliegende und oben definierte Aufgabe
wird
gemäß dem Verfahren nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Fläche des Werkstückes
an der Stelle der Unvollkommenheit bzw. des Lunkers bis zu einem solchen Grad entfernt
wird, daß eine Aushöhlung mit fehlerfreier, mehr oder weniger glatter und abgerundeter
Fläche entsteht, daß weiter diese Aushöhlung dann mit einer solchen Menge von puderförmiger
Schlacke gefüllt wird und auf eine Temperatur erhitzt wird und zwar durch Widerstandsheizung
aufgrund eines in hindurchgeleiteten elektrischen Stromes, der durch eine/die Schlacke
hineinreichende nicht abbrennende Elektrode zugeführt wird, daß eine flüssige Schlacke
mit einer Schichtdicke von o~50 mm entsteht, daß dann die geschmolzene Schlacke
durch das Hindurchleiten eines elektrischen Stromes während einer bestimmten Zeitspanne
auf einer Temperatur gehalten wird, die oberhalb der Schmelzpunkttemperatur des
Werkstückmaterials liegt, bis die Wandfläche in der Aushöhlung die Schmelzpunkttemperatur
erreicht und das Werkstück in der Umgebung der Aushöhlung ausreichend vorerwärmt
ist, daß dann die nicht abbrennende Elektrode schnell durch eine abbrennende Elektrode
ersetzt wird, die aus dem gleichen Material des zu bearbeiteten Werkstückes besteht
und derart angeordnet wird, daß sie aus der Mitte der geschmolzenen Schlacke herausgelangt,
daß unmittelbar danach ein Strom mit einer derartigen Stromstärke durch die abbrennbare
Elektrode über die Schlacke und das Werkstück hindurchgeleitet wird, daß die abbrennbare
Elektrode schmilzt, und daß die entstehenden Tropfen aus geschmolzenem Elektrodenmaterial
durch das flüssige Schlackenbad nach unten sinken, wobei schrittweise die Aushöhlung
vollständig mit dem Material der geschmolzenen Elektrode aufgefüllt wird, derart,
daß eine kontinuierliche metalläquivalente Ubergangsstelle zwischen dem hinzugefügten
Material und dem Werkstück erhalten wird.
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Für die Ausbesserung von Gußeisen-Werkstücken wird die Fläche mit
dem Lunker zunächst so bearbeitet, daß eine Aushöhlung mit einer abgerundeten, mehr
oder weniger glatten und fehlerfreien
Wand fljIchL erhalten wird,
iti welcher die Schlacke durch T erstandsheizung mit Hilfe einer Kohlenstoffelktrod
als nicht abbrennbare Elektrode erhitzt wird und in welcher als abbrennbare Elektrode
eine Gußeisen-Elektrode zur Anwendung gebracht wird.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Abschnitts'eines
Gußeisen-Werkstücks mit einem Gußzapfen; Fig. 2 den gleichen Abschnitt des Werkstückes
mit einer Aushöhlung, die mit geschmolzener Schlacke entsprechend einer Höhe von
30-50 mm gefüllt ist; und Fig. 3 eine Schnittdarstel?ung zur Veranschaulichlng der
verschiedenen Phasen beim Elektroschlacken ~Schwei3eig und Fig. 4 eine Fotografie,
aus der hervorgeht, daß keinerlei Naht zwischen Werkstück 1 und Füllung der Aushöhlung
übrig bleibt.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Abschnitts eines Gußeisen Werkstückes
1 mit einer Eingußstelle oder Gu3za?fen 2.
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Unterhalb de#m unteren Ende des Gußzayfens 2 ist eine Höhle 3 vorhanden,
die sich nach dem Abkühlen und Lrstarren des Gußteiles entwickelt hat, da der Gußzapfen
eine größere Abkühlgeschwindigkeit als das zugteil mit dem größeren Volumen aufweist.
Die Höhle 3 erscheint naih dem Abschneiden des Gußzapfens 2.
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In Fig. 1 ist in dem Werkstück 1 auch mit strichlierten Linien der
Umfang einer Aushöhlung 4 gezeigt, die ausgebohrt wird. Natürlich muß der Lunker
an der Fläche und in dem Material vollständig innerhalb dieser Aushöhlung liegen,
so daß die Aushöhlung eine mehr oder weniger glatte und abgerundete Fläche besitzt
und an der oberen Seite in die glatte äußere Fläche des Werkstückes übergeht.
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Fig. 2 zeigt den gleichen Abschnitt des Werkstückes 1 mit der
Aushöhlung
4, die nunmehr mit geschmolzener Schlacke 5 gefüllt ist und zwar bis zu einer Höhe
von 30-50 mm Schichtdicke. Eine Kohlenstoffelektrode 6 ist in die gegeschmolzene
Schlacke eingetaucht und reicht bis zur Mitte der Schlacke, wobei die Schlacke durch
Hindurchleiten eines elektrischen Stromes auf eine solche Temperatur erhitzt wird,
daß die Wandfläche der Aushöhlung in dem Werkstück die Schmelzpunkttemperatur erreicht.
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Die Schlacke 4 kann auch in Puderform in die Aushöhlung eingefüllt
werden, woraufhin sie durch Hindurchleiten eines Stromes mit Hilfe der Kohlenstoffelektrode
6 geschmolzen wird. Man kann jedoch die Schlacke auch an irgendeiner anderen Stelle
schmelzen und danach in die Aushöhlung eingießen und dann die flüssige Schlacke
weiter durch die Kohlenstoffelektrode erhitzen.
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Dieses Erhitzen wird fortgesetzt, bis das Material des Werkstückes
am Umfang der Aushöhlung in ausreichendemMaße vorerwärmt ist und die Wand der Aushöhlung
anfängt zu schmelzen. Dies ist für eine richtige Verbindung mit dem Schweißmaterials
welches anschließend zugeführt wird, erforderlich. Die Zeitspanne, die verstreicht,
bis das Material des Werkstückes in ausreichendem Maße vorgewärmt ist,hängt von
verschiedenen Faktoren ab wie beispielsweise von der Gestalt und der Dicke des Werkstückes,
dem vorwerdeten Schweißstrom und der Spannung.
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Wenn anstelle des Schlacken-Schweißverfahrens ein Lichtbogen#Schweißverfahren
zur Anwendung gebracht werden soll, beispielsweise ein Eintauch-Lichtbogenschweißverfahren
oder ein Handschweißverfahren, wobei Gußeisen als Füllmaterial verwendet wird, ist
es erforderlich, das gesamte Gußeisen~ Werkstück bis auf eine Temperatur von 600-700°C
vorzuheizen, was natürlich bei großen Werkstücken problematisch sein kann, und zwar
was die Kapazität des Ofens und der Bearbeitungsbedingungen
betrifft.
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Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung stellt das Vorerwärmen
einen Teil des gesamten Schweißprozeßes selbst dar und es sind auch keine getrennten
Hitzequellen erforderlich, was einen wirtschaftlichen Vorteil bedeutet.
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Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung findet das Vorerwärmen
innerhalb und von der Aushöhlung aus statt, die mit Schweißmaterial gefüllt wird,
von welchem dann die Wärme auf das Werkstück übertragen wird. Daher erreicht die
Aushöhlung selbst die höchste Temperatur und diese Temperatur nimmt allmählich nach
unten bzw. zum Inneren des Gußteiles hin ab. Dies bedingt jedoch zwei unterschiedliche
Vorteile.
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Erstens erreicht die Aushöhlung die höchste zu erreichende Temperatur
und zwar die Schmelzpunkttemperatur. Hierdurch werden Binde fehler zwischen dem
Fullmaterial der Aushöhlung und dem Werkstück gänzlich beseitigt. Zweitens dehnt
sich aufgrund der allmählich abfallenden Temperatur bzw. dem Temperaturgradient
in dem Material des Werkstückes dieses allmählich aus, so daß auch dadurch die Möglichkeit
von Rißbildung gänzlich beseitigt wird.
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Sobald das Material des Werkstücks in der Nähe der Aushöhlung ausreichend
vorerwärmt ist und die Wand der Aushöhlung die Schmelzpunkttemperatur erreicht,
wird die Kohlenstoffelektrode schnell durch eine Gußeisen-Elektrode (7) (5. Fig.
3) ersetzt, wobei die Aushöhlung 4 durch Abschmelzen gefüllt wird.
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Während dieses Elektroschlacken-Schweißverfahrens ergeben sich in
dem Gußteil drei Phasen (s.Fig.3) : ein erstarrtes Gußeisenteil (1), geschmolzenes
Gußeisen (8) und auf diesem schwimmend verflüssigte Schlacke (5), innerhalb welcher
das Ende der Gußeisenelektrode (7) eingetaucht ist. Es sei daran erinnert, daß es
sich hierbei nicht um einen sogenannten Eintauch-Lichtbogenschweißprozeß handelt,
da kein Lichtbogen
zwischen der Gußeisen-Elektrode (7) und dem geschmolzenen
Gußeisen (8) gezogen wird.
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Dieser Schmelzprozeß wird so lange fortgesetzt, bis die Aushöhlung
vollständig mit dem geschmolzenen Gußeisen gefüllt ist. In bevorzugterweise schmilzt
man so viel zusätzliches Material ab, daß dieses etwas über die Werkstücksfläche
steigt. Um ein Wegfließen des geschmolzenen Materials zu verhindern, wird von einem
Kohlenstoffring 9 Gebrauch gemacht, der eine etwas größere Öffnung bzw. Innendurchmesser
als der Durchmesser der Aushöhlung in dem Werkstück aufweist und der um die Aushöhlung
gelegt wird, so daß der dadurch entstehende Raum mit Gußeisen gefüllt werden kann.
Die Höhe des Kohlenstoffringes wird derart gewählt, daß das geschmolzene Gußeisen
sich gerade in ausreichendem Maße über die Werkstücksfläche erhebt, und daß der
obere Stand des Schlackenbades mit der oberen Kante des Kohlenstoffringes 9 abschließt
bzw.
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ausgerichtet ist. Eine vollständig glatte Fläche kann dann dadurch
erhalten werden, indem man das vorstehende erhärtete Gußeisen abschleift und abträgt.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist so ausgelegt, daß sich keine Naht
zwischen dem Material des Werkstückes 1 und dem Füllmaterial feststellen läßt, so
daß also eine durchgehende homogene metalltsche Ubergangsstelle zwischen dem Material
des Werkstückes und dem Material in der Aushöhlung erreicht wird.
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Das Elektroschlacken-Schweißverfahren ist besonders hierfür geeignet,
da aufgrund des Fehlens eines Lichtbogens dieser Prozeß sehr viel schneller voranschreitet
und auch ohne Turbulenzbildung als im Falle der Anwendung eines elektrischen Lichtbogenschweißverfahrens,
so daß die Möglichkeit der Bildung von neuem inneren Lunker praktisch ausgeschaltet
wird.
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Darüberhinaus erfolgt eine hervorragende Veredelung des geschmolzenen
Materials aufgrund des intensiven Kontakts der geschmolzenen Tropfen der abbrennbaren
Elektrode, die nach unten durch die Schlacke schwimmen und eine sehrohohe Temperatur
besitzen. Dies führt zu einem Füllungsabschnitt der Aushöhlung
mit
einem Material, welches einen niedrigeren Schwefelgehalt aufweist und zwar für den
Fall, daß das Material der abbrennbaren Elektrode die gleiche Zusammensetzung wie
das Material des Werkstückes hat, was sich für die Mateflalstruktur günstig auswirkt,
so daß die Möglichkeit der Bildung von Rußen nach dem Abkühlen als ausgeschlossen
betrachtet werden kann.
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Für den Fall, daß ein elektrischer Lichtbogen bei dem Schweißprozeß
verwendet wird wie im Falle des Eintauch-Lichtbogen schweißens, werden die Metalltropfen
zunächst über eine relativ große Strecke durch den elektrischen Lichtbogen transportiert
und erreichen dann die geschmolzene Schlacke, die jedoch ei er Temperatur besitzt.
Aufgrund dieser niedrigeren Temperatur und dem weniger intensiven Kontakt bzw. Berührung
mit der Schlacke ergibt sich eine drastisch verminderte Veredelung oder Frischung,
wenn überhaupt eine Veredelung eintritt.
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Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird von einem elektrischen
Lichtbogen kein Gebrauch gemacht und lediglich das Durchleiten des Stromes durch
die Schlacke führt zu einer Erhöhung der Temperatur, so daß diese Temperatur sehr
viel höher ansteigen kann, während das geschmolzene Gußeisen sehr viel homogener
erwärmt wird.
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Um eine kontinuierliche MetallUbergangsstelle zwischen dem eingeschweißten
Abschnitt und dem Material des Werkstückes zu erzielen, gibt es eine Reihe von wichtigen
Faktoren wie beispielsweise die Abmaße der Elektrode relativ zur Aushöhlung, die
elektrische Stromstärke und die elektrische Spannung durch und zwischen der Elektrode
und dem Werkstück als auch die Vorerwärm - Temperatur.
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Im folgenden werden einige Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargelegt:
Ausbesserung von Gußeisen Bei dem Ausbesserungsprozeß
nach der vorliegenden Erftndung wird der Abschnitt des Mterkstücks, der den Lunker
aufweist, zunächst ausgehoben oder ausgebohrt, so daß der Lunker die Gestalt einer
mehr oder weniger gerundeten Aushöhlung erhält, wie dies in Fig. 1 durch die strichlierte
Linie 4 gezeigt ist. Die Abmaße dieser Aushöhlung können beispielsweise wie folgt
sein: Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 70 mm,Höhe des zylindrischen Abschnitts
35 mm und der Boden besteht aus einer Halbkugel mit einem Radius von 35 mm.
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Puderförmige Schlacke wird durch Widerstandsheizung geschmolzen und
zwar mit einer Kohlenstoffelektrode mit einem Durchmesser von 25 mm (Stromstärke
5ooA, Spannung ca. 32 V, Schlackenhöhe bzw. Pegel 30 mm). Somit werden auch die
benachbarten Abschnitte des Materials des Werkstückes 1 erhitzt. Sobald die Temperatur
des Werkstückes in einem Abstand von ca. 40 mm von der Wandfläche 400° C erreicht
und das Material des Werkstückes, welches in der Aushöhlung in Kontakt mit der Schlacke
steht, zu schmelzen anfängt, wird die Kohlenstoffelektrode schnell durch eine Gußeisen-Elektrode
(Auswechselzeit lo Set.) ausgetauscht, die einen Durchmesser von 3o mm besitzt,
wobei mit einer Spannung von 35 V und einem Strom von looo A gearbeitet wird, bei
welchen Werten die abbrennbare Elektrode in der Aushöhlung abschmilzt, so daß eine
kontinuierliche Metallübergangsstelle des Schweißmaterials und des Grundmaterials
erhalten wird. Um die Aushöhlung bis oberhalb des Randes zu füllen, wird von einem
Kohlenstoffring 9 Gebrauch gemacht, der die Offnung der Aushöhlung umgibt und in
welchem die Schlacke und das geschmol zene Metall hochsteigen kann.
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Bei einer Aushöhlung mit einem Durchmesser von 9o mm wird eine Gußeisen-Elektrode
mit einem Durchmesser von So mm verwendet und zwar bei einer Spannung von 35 V und
einer Stromstärke von 12ovo A. Ein Vorerhitzen der Schlacke und des Werkstückes
wird mit Hilfe einer Kohlenstoffelektrode mit einem Durchmesser von 35 mm erreicht
und zwar bei einer Spannung von 32 V und einem Strom von 700 A.
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Es sei darauf hingewiesen, daß der Gegenstand der vorliegenden Erfindung
nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, und daß eine Reihe
von Abwandlungen und Abänderungen von einem Fachmann vorgenommen werden können,
ohne jedoch dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.