DE3009967A1

DE3009967A1 - Verfahren zur oberflaechenausbildung mittels des horizontalen elektro-schlacke- schweissens

Info

Publication number: DE3009967A1
Application number: DE19803009967
Authority: DE
Inventors: Kazuo Agusa; Toshiharu Hiro; Masaaki Kosho; Shosaburo Nakano; Noboru Nishiyama
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1979-04-13
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1980-10-16
Also published as: JPS5811317B2; GB2047595A; FR2453704B1; ES489703A0; GB2047595B; JPS55136566A; DE3009967C2; ES8101436A1; FR2453704A1; BR8002215A; US4309587A; CA1154100A

Description

Beschreibung

Die Erfindung "bezieht sich auf ein horizontales Elektro-Schlacken-Schweißverfahren für die Oberflächenbearbeitung und betrifft insbesondere eine Verbesserung der Auftragschweißens mit dem Ziel, eine ebene Oberfläche des überlagerten Bereiches in der Nähe zweier Schweißraupen zu erhalten.

Die Oberflächenbearbeitung (Surfacing) mit dem Elektro-Schlacken-Schweißverfahren ist dem Unterpulverschweißen überlegen, weil eine kleinere Verdünnung des Basismetalls und stabilere Schweißbedingungen auftreten.

Wird jedoch ein großer Gleichstrom verwendet, so kann wegen der niedrigen Viskosität der verwendeten Schlacke ein irregulärer Fluß als Folge des vom Schweißstrom und anderen Einflußgrößen ausgebildeten elektromagnetischen Feldes hervorgerufen werden, was zur Folge hat, daß Aussparungsfehler und dergleichen entstehen können.

Die Fig. 1 a und 1 b veranschaulichen das Entstehen solcher Aussparungsfehler. Fig· 1 a zeigt einen sich gleichmäßig in die Breitenabmessung einer Flachelektrode 1 ausbreitenden Stromes, wohingegen Fig. 1 b den Fall darstellt, wo sich der Strom verlagert und zu einer Seite der Flachelektrode 1 fließt. Fließt der Strom i gleichmäßig, wie in der Zeichnung mittels Pfeilen dargestellt, so wirkt ein nach oben gerichtetes Magnetfeld am rechten Ende (d. h. in Fortbewegungsrichtung der Elektrode) des Schmelzbades 2, wie mittels eines Pfeilesγ dargestellt* Ein nach unten gerichtetes Magnetfeld wirkt am linken Ende, wie mittels eines

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Pfeiles Y dargestellt. Durch die Interaktion zwischen diesen beiden Magnetfeldern und dem in dem geschmolzenen Metall und der Schlacke fließenden Schweißstrom i wird eine Lorentz Kraft erzeugt, welche das schmelzflüssige Metall und die Schlacke im Bereich der Flachelektrode 1 dazu veranlaßt, nach innen in Richtung zum Mittelabschnitt zu strömen, wie mit Hilfe weißer Pfeile *$ dargestellt. Infolge dessen fehlt es an beiden Enden des Schmelzbades 2 an geschmolzenem Metall mit der Wirkung, daß an den Kanten des Schweißauftrages e Aussparungen (undercuts) auftreten. Wenn die Stromverteilung ungleichmäßig ist und fließt, wie in !"ig. 1 b dargestellt, so. fließen das schmelzflüssige Metall und die Schlacke hauptsächlich in eine Richtung, wie mittels eines weißen Pfeiles Ti¹ dargestellt, was zur Folge hat, daß an einer Seite e¹ des Schmelzbades 2 eine solche Aussparung ausgebildet wird. In Fig. 1 a bezeichnen das Bezugszeichen 2' ein Basismetall und der Buchstabe f ein magnetisches Flußmittel. Werden eine große Anzahl von Schweißaufträgen nacheinander parallel niedergebracht, so sind große Kosten erforderlich, um die Aussparungen auszubessern.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß sich derartigen Aussparungen völlig dadurch vermeiden lassen, daß die Richtung und der Fluß der schmelzflüssigen Schlacke und des schmelzflüssigen Metalls im Schmelzbad gesteuert werden.

Das bedeutet, daß durch Aufbringen eines magnetischen Feldes mit einer senkrecht zum Basismetall verlaufenden Komponente zum Schmelzbad 2 eine Lorentz-Kraft zur Steuerung des Schlacken- und Metallflusses als Folge der Interaktion zwischen diesem Feld und dem Schweißstrom erzeugt wird.

Wird, wie in Fig. 2 dargestellt, ein Gleichstrom durch eine Spule 3 in Richtung eines Pfeiles ο geleitet, so bildet sich ein nach oben gerichtetes Magnetfeld F am linkseitigen Ende

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der Spule 3 und bildet sich ein nach unten gerichtetes Magnetfeld -F am rechtseitigen Spulenende. Die Wechselwirkung zwischen diesen Hagnetfeldern und dem die Magnetfelder unter einem rechten Winkel schneidenden Schweißstrom i führt entsprechend der Fleming¹sehen Linke-Hand-Regel zu einer Kraft, welche die in der Zeichnung durch weiße Pfeile Sl bezeichneten nach außen gerichteten Flüsse in Richtung auf beide Seiten des Schmelzbades 2 hervorruft. Wie in der Zeichnung zu erkennen, sind diese beiden Flüsse, ausgehend vom Mittelpunkt der Flachelektrode 1, in Richtung auf die Raupenkanten e gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 a und 1 b schematische Darstellungen zum Zustandekommen von in Auftragsschweißungen vorhandenen Aussparungen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, die eine Elektrode aus austenitischem, nicht rostenden Stahl beim Elektro-Schlacken-Schweißverfahren zeigt,

Fig. 3 a "bis 3 f schematische Darstellungen zur Erläuterung des Schlacken-Flußverhaltens entgegen dem Spulenstrom,

Fig. 4- eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles bei Verwendung einer anderen Spule,

Fig. 5 bis 5 f schematische Darstellungen der Beeinflussung der Schlackenflußrichtungen durch die Spulenströme,

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Pig. 6 a bis 6 f schematische Darstellungen von Querschnitten durch die Schweißauftrags schichten,.

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles unter Verwendung einer ferritischen Elektrode und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles unter Verwendung von unabhängigen Spulen.

Auftragsschweißungen wurden mit Hilfe einer Flachelektrode 1 mit einer Breite von 150 m ausgeführt, indem eine Spule mit 250 Wicklungen rings um einen Eisenkern in einer Anordnungsweise arrangiert wurde, wie in Fig. 2 dargestellt. Die in Tafel 1 aufgeführten unterschiedlichen Ströme wurden durch die Spule hindurchgeschickt, um 2 Schweißraupen auszubilden, die parallel zueinander über eine Breite von 8 bis 10 mm als Auftragsschweißungen niedergebracht wurden. Die Flußrichtungen der schmelzflüssigen Schlacke sind in Fig. 3 dargestellt und die Anzahl der beobachteten Aussparungen ist in der folgenden Tafel 1 angegeben.

Tafel 1

.Spulenstrom CA)	mfluß	0	1	2	5	10	-5
Schlacke (Fie. V	Überlagert? Fläche	Ca)	Cb)	Cc)	Cd)	Ce)	Cf)
Anzahl an Aussparun gen je m Schweiß raupe	Basisme tallseite	über all .	4	2	0	0	über all
über all	0	0	0	0	über all ■

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Versuchsbedinguiigen: Zusammensetzung der

Flachelektrode: SUS 3O9L (JIS)

Schweißstrom: 2.500 A (entgegengesetzte Polarität)

Spannung: 25 V

Schweißgeschwindigkeit: 15 cm/min.

Die Angabe Spulenstrom -5 bedeutet, daß der Strom in einer dem Richtungssinn gemäß Fig. 2 entgegengesetzten Richtung geführt ist.

Aus den vorstehenden Ergebnissen ergibt sich, daß die Aussparungen überall längs der Auftragsschweißung ausgebildet werden, wenn kein magnetisches Feld angelegt wird oder wenn das magnetische Feld in der Gegenrichtung angelegt ist. Beträgt der Spulenstrom 1 A, ist kein kräftiger Schlackenfluß in Richtung auf den Mittelbereich der Elektrode zu beobachten, sondern bilden sich örtliche Aussparungen an der überlagerten Fläche, d. h-, an der Auftragsschweißungsschicht.

Beträgt der Spulenstrom 5 A, so fließt die geschmolzene Schlacke in Richtung auf die Außenseiten des Schmelzbades aus dem Mittelabschnitt der Elektrode heraus und werden keine Fehler beobachtet. Selbst wenn der Spulenstrom auf 10 A gesteigert wird, bleiben die Verhältnisse so erhalten, wie bei niedrigen Strömen beobachtet.

Ein Auftragsschweißen wurde unter Verwendung einer Flachelektrode mit einer Breite von 75 tarn und unter Verwendung einer Spule 3¹ (Fig. 4) durchgeführt, wobei die Spule 4-60 Wicklungen um einen Eisenkern aufwies. Der durch die Spule fliessende Strom wurde, wie in der folgenden Tafel 2 angegeben, variiert. Ist kein magnetisches Feld vorhanden, so bilden sich örtliche Aussparungen an beiden Kanten der Schweißraupe. Wird ein Strom von 0,5 A durch die Spule geschickt, so fliessen schmelzflüssiges Metall und schmelzflüssige Schlacke aus der Nähe der Flachelektrode in Richtung auf die bereits aus-

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gebildete Schweißraupe, wodurch die Ausbildung von Aussparungen vermieden werden kann. Eine befriedigende Schweißraupenausbildung wird bis zu Strömen von 2 A erzielt. Beträgt der Spulenstrom 5 A, so wird der Schlackenfluß zu lebhaft und erhält der Mittelabschnitt der Schweißraupe eine mehr oder weniger konkave Gestalt. Beträgt jedoch der Spulenstrom 10 A, so bilden sich große kontinuierliche Aussparungen am Grenzbereich zwischen der Schweißraupe und dem Basismetall, wobei in den beiden lallen von 5 A und 10 A keine Aussparungen (undercuts) in dem überlappten Bereich auftreten. Der Schlakkenfluß dieser Beispiele ist in den Fig. 5 a bis 5 f dargestellt, wobei die Querschnittsgestalten dieser Schweißraupen in den Fig. 6 a bis 6 f dargestellt sind. Die Yersuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 2 zusammengestellt.

Tafel 2

Spulenstrom (A)	Überlagern ter Bereich	0	0.5	1	2	5	10
Schlackenfluß (FiP. 5) - ■'■·■	Basisme tallseite	Ca)	Cb)	Cc)	Cd)	Ce)	Cf)
Anzahl an Aussparun gen o"e m Schweiß raupe	3	0	0	0	0	O
2	0	0	0	0	0

Versuchsbedingungen:

Zusammensetzung der Flachelektrode:

Schweißstrom:

Spannung

Schweißgeschwindigkeit :

Überlagerte Schweißraupenbreite:

SIJS 309L (JIS)

1.250 A (umgekehrte Polarität)

25 V

15 cm/min

5 bis 8 mm

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Bei den in den Pig. 2 und 4 dargestellten beiden Beispielen wurde eine austenitische Flachelektrode verwendet und um die Spulen 3 und 3* vor Überhitzungen als Folge der Wärmestrahlung vom Schmelzbad 2 zu schützen, wurden die Spulen 3 und 3* vor der Flachelektrode 1 angeordnet. Wird jedoch eine ferritische Flachelektrode in einer solchen Spulenanordnung verwendet, so ist es unmöglich, das magnetische Feld wirksam auf das Schmelzbad einwirken zu lassen, weil die ferritische Elektrode eine zu starke Abschirmwirkung hat. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, das magnetische Feld von einer leicht oberhalb des Schmelzbades 2 gelegenen Position hinter der Flachelektrode 1 aufzubringen, wozu sich eine Spule 32' eignet, die aus einem in Fig. 7 dargestellten länglichen Kern (plus Wicklung) besteht. Selbst wenn eine austenitische Flachelektrode verwendet wird, ist es gestattet, die oben beschriebene Spule 32' oberhalb des Schmelzbades 2 anzuordnen.

In den vorstehend beschriebenen Beispielen wurde eine umgekehrte bzw. entgegengesetzte Polarität (Elektrode positiv, Basisplatte negativ) benutzt. Bei normaler Polarität (Elektrode negativ, Basisplatte positiv) muß das Magnetfeld in die entgegengesetzten Richtungen als in den Fig. 2, 4, 7 und 8 dargestellt, angelegt werden, um das schmelzflüssige Material in die gleichen Eichtungen strömen zu lassen wie bei der umgekehrten Polarität.

Für jedes der oben beschriebenen Beispiele ist eine Einseispule verwendet worden. Bevorzugtere Ergebnisse lassen sich jedoch dadurch erzielen, daß eine Vielzahl von Spulen hintereinandergeschaltet und diese Spulen vom gleichen Strom erregt werden. Noch vorteilhafter ist es, mehrere Spulen unabhängig voneinander zu betreiben, wie in Fig. 8 dargestellt.

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Zum Erzeugen des wirksamen Magnetfeldes können an Stelle der vorstehend beschriebenen Elektromagnete auch Perma- · nentmagnete verwendet werden, wenngleich bei Verwendung von Permanentmagneten die Einstellung der magnetischen Feldstärke schwieriger ist.

Hinsichtlich der Arbeitsweise zum Bewegen der Metall- und Schlackeschmelze kann ein Linearmotor, der das sich bewegende Magnetfeld liefert, benutzt werden. Eine solche Einrichtung ist jedoch etwas kompliziert.

Somit lassen sich Aussparungen in der überlagerten !"lache, angrenzend an die beiden Schweißraupen, welche die hauptsächlichen Fehler sind, die beim horizontalen Elektro-Schlacken-Schweißen für die Oberflächenbearbeitung auftreten, vollständig dadurch verhindern, daß eine herkömmliche Schweißmaschine mit einer einfachen Spule versehen wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE

A. GRÜNECKER H. KINKELDEY

DH ING

W. STOCKMAIR

DR-ING -AtfE(CALTECH)

K. SCHUMANN

OR P£R NAT. ■ CHPL-WYS

P. H. JAKOB

DlPL ING

G. BE2OLD

ORRtRNAr-DlPLCHEM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 14 796 - 43/kr

KAWASAKI STEEL CORPORATION

No. 1 - 28, 1-Chome, Kitahonmachi-Dori,
Fukiai-Ku, Kobe City, Japan

Verfahren zur Oberflächenausbildung mittels
des horizontalen Elektro-Schlacke-Schweißens

/ Λ.)Verfahren zur Oberflächenausbildung mittels des horizontalen Elektro-Schlacke-Schweißens unter Verwendung einer Flachelektrode, dadurch gekennzeichnet , daß ein magnetisches Feld mit einer senkrecht zu einem Basismetall gerichteten Komponente an ein schmelzflüssiges Metall und schmelzflüssige Schlacke enthaltendes Schmelzbad angelegt wird, um den Fluß des Schmelzbades zu steuern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß magnetische Felder mit senkrecht zum Basismetall gerichteten Komponenten an beide Seiten des Schmelzbades, jeweils in entgegegengesetzter Richtung, angelegt werden, um das Schmelzbad in Richtung auf beide Seiten des Schmelzbades fließen zu lassen.

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telefon (OaB) assess

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TELEQRAMMe MONAPAT

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3- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein magnetisches Feld mit
einem senkrecht zum Basismetall gerichteten Magnetfeld an das Schmelzbad in eine Richtung angelegt wird, um das Schmelzbad in Richtung auf die bereits ausgebildete Schweißraupe strömen zu lassen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Flachelektrode aus einem austenitischen, nicht rostenden Stahl verwendet wird, wobei ein Elektromagnet vor der Flachelektrode angeordnet wird.

5- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine aus Ferrit bestehende
Flachelektrode verwendet wird, wobei eine Magnetspule auf dem Schmelzbad angeordnet wird. .

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