DE2712512B2

DE2712512B2 - Schweißelektrode zum Lichtbogenschweißen von rostfreien Stahlmaterialien

Info

Publication number: DE2712512B2
Application number: DE19772712512
Authority: DE
Inventors: Tomokazu Godai; Yoshizo Hashimoto; Shinji Kamakura Kimura; Minoru Kobayashi; Shingo Maki; Shoji Minato; Fujisawa Miyamae; Haruhiro Kamakura Morinaka; Hiroshi Saita; Tetsuo Suga; Morihiko Fujisawa Sugino; Makoto Yamaga
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1976-03-23
Filing date: 1977-03-22
Publication date: 1980-09-04
Also published as: GB1581182A; DE2712512A1; SE7703286L

Description

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Schweißelektrode zum Lichtfaoge!. ,chweißen von rostfreien Stahlmaterialien des Ni-Cr-Systems und des Cr-Mo-Systems und zum Hartauftragsschweißen mit einem Gehalt an mindestens 0,5% Cr auf Basis des Gesamtgewichts der Elektrode und bestehend aus einem Kerndraht und einer als Rußmittel dienenden bindemittelhaltigen Umhüllung. Mit dieser umhüllten Schweißelektrode soll die Menge an beim Schweißen erzeugten Dämpfen, insbesondere an Dämpfen, die toxisches, lösliches Cr enthalten, unterdrückt und minimal gemacht werden.

Chrom enthaltende umhüllte Schweißelektroden werden heutzutage zum Verschweißen von rostfreien Stahlmaterialien des Ni-Cr-Systems und Materialien des Cr-Mo-Systems und zum Verschweißen von Materialien für das Hartauftragsschweißen von Metallplättchen verwendet Auch ist anzunehmen, daß derartigen Schweißmaterialien in Zukunft eine große Bedeutung zukommen wird. So werden rostfreie Stahlmaterialien in großem Umfange auf verschiedenen technischen Gebieten, wie z. B. auf dem Gebiet der petrochemischen Industrie, der Faserindustrie und der Atomenergieindustrie, verwendet, weil rostfreie Stähle eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Oxydationsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit sowie eine gute Verarbeitbarkeit und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Niedriglegierte (kohlensfoffarme) wärmebeständige Stähle und wärmebeständige Legierungen werden für Hochtemperatur-Hochdruck-Arbeiten verwendet, die hauptsächlich in thermoelektrischen Energieanlagen und in der petrochemischen Industrie durchgeführt werden. Das Hartauftragsschweißen ist auf verschiede nen Gebieten, wie in der Bauindustrie, im Bergbau und im Ackerbau von Bedeutung,

Der Nachteil von bisher verwendeten Chrom enthaltenden Schweißmaterialien liegt darin, daß sich beim Schweißen unvermeidlich Dämpfe entwickeln, die

sogenanntes lösliches Cr, das in Wasser löslich ist und als toxisch erkannt wurde, in einer Konzentration von mehreren Prozent enthalten. Es werden daher heutzutage verschiedene Kunstgriffe zur Entfernung der Dämpfe an Schweißpunkten angewendet, um die Arbeitsumwelt zu verbessern, und, obgkich die Arbeitsumwelt durch diese Möglichkeit zur Entfernung von Dämpfen aus den Schweißpunkten stark verbessert wird, ist es bevorzugt, die Bildung von toxischen Substanzen, wie löslichem Cr, überhaupt zu verhindern.

In der japanischen Patentpublikation Nr. 20 477/63 ist der Versuch beschrieben, die beim Schweißen erzeugten Dämpfe zu entgiften durch Verwendung einer Schweißelektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt durch Herabsetzung des Gehaltes an K, bezogen auf die chemisch kausale Beziehung zwischen CaF₂ und K. Darin finden sich jedoch keinerlei Angaben über die chemisch kausale Beziehung zwischen Na und Cr.

In der US-Patentschrift 29 83 632 ist eine umhüllte Schweißelektrode beschrieben, in der ein Rußmittel mit Titan, Kalkstein und Eisen und ein Bindemittel verwendet wird. Es geht daraus nicht hervor, ob Na und K in dem Rußmittel dieser umhüllten Schweißelektrode enthalten sind oder nicht, aus verschiedenen Literaturstellen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung des

jo obengenannten US-Patents im Umlauf waren, geht jedoch hervor, daß in den seinerzeit vorgeschlagenen und hergestellten Schweißelektroden in der Regel mindestens 1% Natriumsilikat (Na₂SiO₃), bezogen auf das gesamte Rußmittel, enthalten war.

i"> Als Schweißmaterial, in dem der Gehalt an (Na₂O-I-K₂O) weniger als 1% beträgt, bezogen auf das Rußmittel, ist in der US-Patentschrift 35 31 620 eine Rußmittel-Seelenelektrode (Verbunddraht) beschrieben. In dieser Rußmittel-Seelenelektrode ist es jedoch, da das Rußmittel von einem Metallband getragen wird, nicht erforderlich, das Rußmittel um den Kern herum aufzubringen unter Verwendung eines Bindemittels, wie im Falle einer mit einem Rußmittel umhüllten Elektrode. Daher sind die Probleme, die in einer

■>~> Flußmittel-Seelenelektrode, wie sie in der oben genannten US-Patentschrift beschrieben ist, zu lösen sind, wesentlich verschieden von den Problemen, die in einer mit einem Flußmittel umhüllten Elektrode, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zu lösen

w sind.

In der DE-AS 15 33 543 wird eine Schweißelektrode zum Lichtbogenschweißen mit einem Gehalt an mindestens 0,5% Cr auf Basis des Gesamtgewichts der Elektrode beschrieben, die aus einem Kerndraht und

v-, einer als Flußmittel dienenden bindemittelhaltigen Umhüllung besteht.

Jedoch zeigen Analysen von Dämpfen, die aus solchen Schweißmaterialien entwickelt werden, einen hohen Chromgehalt.

bo Erfindungsgemäß wird die eingangs definierte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schweißelektrode durch einen Gehalt an Na- und K-Komponenten im Flußmittelüberzug von weniger als 1%, berechnet als (Na2O + K2O) und bezogen auf das Gesamtgewicht des

h^r> Flußmittels, gekennzeichnet ist.

Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Schweißelektrode das Bindemittel im Flußmittelüberzug eine kolloidale Lösung, die eine dispcrgierte Phase, die

mindestens einen Vertreter aus der Gruppe der Oxide von Si, AJ, Zr, B, P, Ti, Mg₁-Ca, Th und Fe enthält, wobei die dispergierte Phase bevorzugt I bis 90 Gew.-% der gesamten Lösung bildet Die kolloidale Lösung kann außerdem ein Dispersionsmedium, wie Wasser oder ein organisches Lösungsmittel, und einen Stabilisator, wie Alkalimetallverbindungen, Ammoniumverbindung, ein Amin, eine organische Säure und eine anorganische Säure enthalten. Insbesondere kann die kolloidale Lösung LJthmmsUikat, ein Aminsilikat, kolloidales Siliciumdioxid und ein Aluminiumoxidso! enthalten. Das obengenannte Metalloxid, aus der die dispergierte Phase besteht, kann einzeln oder in Form einer Mischung aus zwei oder mehreren davon verwendet werden. Wenn die Menge der dispergierten Phase weniger als 1 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Bindemittels, beträgt, ist der Bindungseffekt unzureichend, und wenn die Menge der dispergierten Phase mehr als 90% des Gesamtgewichtes des Bindemittels beträgt, nimmt die Fluidität oder Stabilität des Bindemittels ab, es tritt leicht eine Gelierung ein, und die Beschichtungseigenschaften des Bindemittels werden verschlechtert Darüber hinaus treten in der umhüllung bei der Trocknung leicht Spannungen auf. Die Art des Dispersionsmediums, das zur Herstellung der obengenannten kolloidalen Lösung gemäß der Erfindung verwendet werden kann, ist nicht besonders kritisch, je nach Wunsch wird jedoch Wasser oder ein organisches Lösungsmittel ausgewählt und verwendet

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert

Die beiliegende Zeichnung zeigt ein Diagramm, welches in Beziehung zwischen der in einem Flußmittel enthaltenen Menge an (Na₂O-I-K₂O) und der Menge an löslichem Cr erläutert, das in den Dämpfen enthalten ist die erzeugt werden, wenn das Schweißen unter Verwendung einer Chrom enthaltenden umhüllten Elektrode durchgeführt wird.

Die erfindungsgemäße Schweißelektrode enthält die auf das Gesamtgewicht der Schweißelektrode bezogenen mindes.ens 0,5% Cr in dem Metallkern und/oder in dem FlußmittelUberzug.

Im Rahmen der Erfindung hat es sich anhand von Röntgenbeugungsanalysen gezeigt daß in Dämpfen von Chrom enthaltenden Schweißmaterialien Verbindungen von Cr mit Na und K. enthalten sind. Es wurde somit gefunden, daß dann, wenn Na oder K zusammen mit Cr in einem Schweißmaterial enthalten ist in den Dämpfen lösliches Cr gebildet wird. Zur Bestätigung wurde der Gehalt an löslichem Cr in den Dämpfen, die gebildet werden, wenn das Schweißen unter Verwendung eines blanken Kerns, der 20% Cr enthält durchgeführt wurde, analytisch verglichen mit dem Gehalt an löslichem Cr, das in Dämpfen enthalten ist, die erzeugt werden, wenn das Schweißen unter Verwendung einer Elektrode durchgeführt wird, die hergestellt worden ist durch Beschichten des vorstehend angegebenen Kerns mit Wasserglas [(Na₂O + K₂O)-Gehalt = 0,13%, SiO₂-Gehalt = 13%], und es wurde gefunden, daß der Gehalt an löslichem Cr in dem zuerst genannten Falle unterhalb 0,01% lag und daß der Gehalt an löslichem Cr im letzteren Falle bis zu 2,75% betrug.

Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes ist es durch die Erfindung gelungen, den Gehalt an löslichem Cr in den Dämpfen auf einen minimalen Wert zu verringern. Durch die Erfindung konnte daher auch da? Problem der Betriebssicherheit an einem Verschweißungspunkt, an dem di; Verwendung einer Dampfabsaugbehandlungsyorriehtung nicht erlaubt ist gelöst werden; wenn eine solche Dampfabsaugbehandlungsvorrichtung verwendet wird, führt die Beseitigung der gesammelten Dämpfe zu keinen Schwierigkeiten. Durch die vorliegende Erfindung wird daher ein bedeutender Beitrag zur Verbesserung der Arbeitsumwelt geleistet

In der Regel wird Wasserglas, das Na₂O und/oder K₂O enthält, als Bindemittel für einen Flußmittelüberzug einer umhüllten Schweißelektrode verwendet und

ίο es werden häufig die Na₂O und K₂O enthaltenden Schlackenbildner, wie Feldspat und Glimmer, sowie auch die Carbonate von Na und K verwendet Zwar ist die Anwesenheit der Na- und K-Komponenten in dem Flußmittel eine Ursache für die Bildung von löslichem Cr, da jedoch die Na- oder K-Komponente als Lichtbogenstabilisator oder als eine Komponente eines Bindemittels wirksam ist ist es bevorzugt daß die Na- und K-Komponenten in geringen Mengen vorhanden sind. Deshalb wurde die Beziehung zwischen dem Gehalt an den Na- und K-Komponenten und der Menge an gebildetem löslichem Cr di' di die folgenden Beispiele geklärt:

B e i s ρ i e 1 1

Verschiedene Chrom enthaltende Kerne mit einem Durchmesser von 5,0 mm und einer Länge von 400 mm

jo wurden mit einem Flußmittel, bestehend aus Kalkstein, Rutil, Fluorit metallischem Cr und Feldspat unter Verwendung eines Bindemittels (SiO₂-Gehalt = 20%, Na₂O-GeIwIt < 035%) beschichtet bzw. umhüllt so daß der Durchmesser der dabei erhaltenen umhüllten

j5 Elektrode 7,5 mm betrug. Auf diese Weise wurden Chrom enthaltende Testelektroden hergestellt Die Cr-Gehalte in dem Kern und in dem Flußmittel jeder Elektrode und die Na₂O- und K₂O-Gehalte in dem Flußmittel (einschließlich des Bindemittel:") sind in der folgenden Tabelle I angegeben. Unter Verwendung jeder Schweißelektrode wurde das Schweißen unter den nachfolgend angegebenen Bedingungen durchgeführt und die Dämpfe wurden gesammelt und unter Anwendung der nachfolgend beschriebenen Verfahren

4^r! analysiert:

1.) Schweißbedingungen:

170 A, 22 bis 27 V₁ Wechselstrom,
2.) Grundmetall:

w mit der Testelektrode stumpfgeschweißter Flußstahl einer Dicke von 19 mm, einer Breite von 75 mm und einer Länge von 400 mm,
3.) Verfahren zum Sammeln der Dämpfe:

d3S Schweißen wurde in einem im unteren

r, Abschnitt offenen Eisenbehälter mit einer Hochvolumen-Luftprcbenentnahmeeinrichtung in dem oberen Abschnitt durchgeführt und die gebildeter. Dämpfe wurden mit der Hochvolumen-Luftprobenentnahmeeinrichtung angesaugt und auf einem

bo Filterpapier gesammelt. Nach Beendigung des Schweißens wurde das Filterpapier herausgenommen und die gebildeten Dämpfe wurden gesammelt und analysiert. Das verwendete Filterpapier war folgendes:

Material: Glasfasern
Form: 20,3 cm χ 30,5 cm
Gewicht: etwa 4000 mg

4.) Analysenmethode:

lösliches Cr in den Dämpfen: Atomabsorptionsme· thode

Na₂O und K2O in dem rijßmittel: Atomabsorptionsmethode,

Tabelle [

5.) Ergebnisse:

es wurden die in der folgenden Tabelle I und in der beiliegenden Zeichnung angegebenen Ergebnisse erhalten.

System	Probe Nr.	Cr-Gehalt (üew.-%) in dem Kern	Cr-Gehalt (Ciew.-%) in der um hüllten Filektrode	Gehalt an (Na₃O + K₂O) (Gew-%) in dem Flußmittel	Gehalt an löslichem Cr (Gew-%) in den Dämpfen
5-Cr	1	5.5	5	0.29	0.07
5-Cr	2	5.5	5	0.55	1.11
5-Cr	3	5 5	5	113	! 39
5-Cr	4	5.5	5	1.81	1.40
5-Cr	5	5.5	5	4.84	1.60
15-Cr	I	19.0	15	0.31	0.25
15-Cr	2	19.0	15	0.63	2.74
15-Cr	3	19.0	15	1.16	2.97
15-Cr	4	19.0	15	2.33	3.41
15-Cr	5	19.0	15	4.73	3.55
25-Cr	1	26.5	25	0.22	0.99
25-Cr	2	26.5	25	0.50	4.08
25-Cr	}	26.5	25	0.86	4.43
25-Cr	4	26.5	25	1.20	4.49
25-Cr	S	26.5	25	4.75	5.25
40-Cr	1	26.5	40	0.21	1.20
40-Cr	2	26.5	40	0.58	5.10
40-Cr	3	26.5	40	0.89	5.48
40-Cr	4	26.5	40	1.73	5.75
40-Cr	5	26.5	40	3.10	6.74

In der vorsiehenden Tabelle I stellt jeder Wert des (Na₂O + K₂O)-Gehaltes einen Wert für den Gesamtgehalt von (Na2O + K₂O) in dem Beschichtungsflußmittel einschließlich Bindemittel dar. Dieser Gehalt wurde eingestellt durch Steuerung der zugegebenen Feldspatmenge. 4 -,

Beispiel 2

Kerne mit einer Durchmesser von 4,0 mm und einer Länge von 350 mm wurden mit einem Flußmittel, wie es in der weiter unten folgenden Tabelle II angegeben ist, unter Verwendung eines Bindemittels (SiOrGehalt - 20%, Na₂O-GeJIaIt < 035%) beschichtet (umhüllt) zur Herstellung von umhüllten Elektroden für rostfreien Stahl D 308 gemäß JIS Z-3221. Der Verschweißungstest wurde wie folgt durchgeführt:

1.) Verschweißungsbedingungen:

140 A, 20 bis 25 V₁ Wechselstrom,
2.) Grundmetall:

Dicke 19 mm, Breite 75 mm, Länge 400 mm (hergestellt durch Stumpfschweißen von Flußstahl

mit D 308),
3.) Verfahren zum Sammeln und Analysieren der Dämpfe:

wie in Versuch 1 angegeben,
4.) Ergebnisse:

es wurden die in der folgenden Tabelle III und in der Zeichnung angegebenen Ergebnisse erhalten.

Tabelle	II	Flußmittelzusammensetaini	Fluorit	Rutil	; (Gew.-Teile)	elektro lytisches Mn	Glimmer	Bindemittel (ecm auf 100 g Lösungsmittel)
Probe		Kalk stein	5	48	metalli sches Cr	5	—	15.5
Nr.		20	5	48	7.5	5	3	16.0
1	20	5	48	7.7	5	10	18.3
2	20	5	48	8.2	5	20	18.4
3	20	5	48	9	5	35	17.0
4	20		10.5
5

Tabelle III	Cr-Gehalt in	N.I₂() + KjO)-	Gehalt an
Probe Nr.	der gesamten	Gehalt in dem	löslichem
	Schweiß	Flußmittel	Cr in den
	elektrode		Dämpfen
	(Gew.-%)	(Gew-%)	(Gew-%)
	16	0.28	0.07
I	16	0.58	2.22
2	16	1.18	3.00
3	16	2.00	3.75
4	16	3.08	3.91
S

Wie aus den in den obigen Tabellen I und III und in der beiliegenden Zeichnung angegebenen Ergebnissen hervorgeht, nimmt die Menge an löslichem Cr in den Dämpfen abrupt ab, wenn der Gehalt an (Na₅O + KjO) in dem Flußmittel weniger als 1% beträgt. Wenn der Gehalt an (Na₂O+ K₂O) mehr als 1% betragt, ist die Neigung festzustellen, daß die Menge an löslichem Cr mit abnehmendem Gehalt an (Na₂O+ K₂O) abnimmt, diese Abnahme ist jedoch nicht auffallend. Der Effekt der Verminderung an löslichem Cr ist in einem System mit niedrigem Cr-Gehalt deutlicher, er wird jedoch in der Regel in allen Systemen, die von dem 5-Cr-System bis zu dem 40-Cr-System reichen, erzielt Es ist daher leicht verständlich, daß dann, wenn der Gehalt an (Na₂O+ K₂O) auf weniger als 1% vermindert wird, der Oehalt an löslichem Cr in den Dämpfen deutlich herabgesetzt werden kann. Daraus geht ferner hervor.

daß dann, wenn der Gehalt an (Na₂O + K₂O) weniger als I % beträgt, der Gradient jeder Kurve sich stark ändert, mit einem Punkt von 0,75% als Grenzwert ist. Es ist daher offensichtlich bevorzugt, daß der Gehalt an (Na₂O + K₂O) auf weniger als 0,75% herabgesetzt wird.

Darüber hinaus ist in dem Bereich, in dem der Gehalt an (Na₂O+ K₂O) unterhalb 03% liegt, jede Kurve im wesentlichen vertikal linear. Daraus ist zu ersehen, daß dann, wenn der Gehalt an (Na₂O + K₂O) auf weniger als 0,5% herabgesetzt wird, die Menge an löslichem Cr in den Dämpfen drastisch verringert werden kann. Hierzu kann Wasserglas mit einem stark verringerten Gehalt an (Na₂O+ K₂O) als Bindemittel oder ein anderes geeignetes Bindemittel verwendet werden, und beispielsweise Feldspat, der Na₂O und K₂O enthält, wird nicht zugegeben, sondern als Si₂O-QUeIIe wird Siliciumdioxidsand verwendet

In den Schweißelektroden der Beispiele 1 und 2 wurde der Lichtbogen überhaupt nicht instabil, auch wenn die Mengen an Na₂O und K₂O sehr gering waren, da Verbindungen mit einer den Lichtbogen stabilisierenden Aktivität, wie Carbonate, Fluoride und Titanoxid, darin enthalten waren. Aus den vorstehenden Angaben ergibt sich, daß selbst dort, wo Na₂O und K₂O als Lichtbogenstabilisatoren in die erfindungsgemäße, Cr enthaltende Schweißelektrode eingearbeitet werden müssen, ihr Gehalt auf weniger als 1% vermindert werden muß, und daß dort, wo eine andere den Lichtbogen stabilisierende Substanz verwendet werden kann, der Gehalt an Na₂O und K₂O vorzugsweise auf weniger als 0,5% herabgesetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schweißelektrode zum Lichtbogenschweißen von rostfreien Stahlmaterialien des Ni-Cr-Systems und des Cr-Mo-Systenjs und zum Hartauftragsschweißen mit einem Gebalt an mindestens 0,5% Cr auf Basis des Gesamtgewichts der Elektrode und bestehend aus einem Kerndraht und einer als Flußmittel dienenden bindemittelhaltigen Umhüllung, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Na- und K-Komponenten im Flußmittelüberzug von weniger als 1 %, berechnet als (NazO+KjO) und bezogen auf das Gesamtgewicht des Flußmittels.

2. Schweißelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Na- und K-Komponenten von weniger als 0,75%, berechnet als (Na₂O-I-K₂O) und bezogen auf das Gesamtgewicht des Flußmittels.

3. Schweißelektrode nach Anspruch 2, gekennzeichnet (Uirch einen Gehalt an Na- und K-Komponenten vca weniger als 0,5%, berechnet als (Na2O+K2O) und bezogen auf das Gesamtgewicht des Flußmittels.

4. Schweißelektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel im Flußmittelüberzug eine kolloidale Lösung ist, in der mindestens 1—90 Gew.-% eines Oxides aus der Gruppe von Si, AI, Zr, B, P, Ti, Mg, Ca, Th und Fe dispergiert ist