DE3009967C2

DE3009967C2 - Verfahren zum Aufbringen von Auftragsschweißungen

Info

Publication number: DE3009967C2
Application number: DE3009967A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Agusa; Toshiharu Chiba Hiro; Masaaki Chiba Kosho; Shosaburo Mobara Nakano; Noboru Ichihara Nishiyama
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1979-04-13
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1983-11-24
Also published as: US4309587A; JPS55136566A; FR2453704A1; ES8101436A1; ES489703A0; GB2047595B; DE3009967A1; FR2453704B1; CA1154100A; BR8002215A; GB2047595A; JPS5811317B2

Description

a) bei Verwendung einer aus austenitischem nichtrostendem Stahl bestehenden Bandelektrode der Elektromagnet vor der Bandelektrode angeordnet wird und

b) bei Verwendung einer aus Ferrit bestehenden Bandelektrode der Elektromagnet oberhalb des Schmelzbades hinter der Bandelektrode angeordnet wird.

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Die Erfindung geht aus von einem der DE-Z »Schweißen und Schneiden« (1971), Heft 10, zu entnehmenden Stand der Technik. Aus der genannten Druckschrift ist es bereits bekannt, Auftragsschweißungen mit Hilfe des Elektroschlackeschweißplattierens unter Verwendung einer Bandelektrode aufzubringen.

Beim Elektroschlackeschweißplauieren mit Bandelektrode werden die Elektrode und ein Basismetall durch elektrische Widerstandserhitzung einer geschmolzenen Schlacke unter Verwendung einer Schlacke mit hoher elektrischer Leitfähigkeit geschmolzen, ohne daß ein Lichtbogen gebildet wird. Das Schmelzbad ist nicht abgeschirmt und gestattet den freien Zutritt der Atmosphäre, so daß die Ausbreitungsrichtung und Geschwindigkeit des Schlackeflusses leicht beobachtet werden kann.

Das Elektrosehlackeschweißplattiercn mit Bandelektrode führt im Vergleich zu herkömmlichen unter Pulverschweißplattierungen zu wesentlich geringeren Aufschmelzgraden des Basismetalls durch das Schweißgut. Wie der genannten Literaturstelle zu entnehmen, kommt es beim Elektroschlackeschweißplattieren zur Ausbildung unterschiedlicher Berührungswinkel zwischen dem Schweißgut und dem Basismetall auf der linken und rechten Seite der Bandelektrode, so daß die niedergebrachten Auftragsschweißungen asymmetrisch in bezug auf linke und rechte Schweißgutseite sind. Derartige unterschiedliche Berührungswinkel können jedoch beim Mehrlagen-Auftragsschweißcn zu störenden Effekten führen, insbesondere bei vergleichsweise breiten Bandelektroden und hohen Schweißströmen. Insbesondere können als Folge der genannten Unsymmetrie /wischen linker und rechter .Schweißgutseite beim Mehrlagcn-Auftragsschweißcn gefährliche Hinterschneidungen bzw. Überlappungen der nacheinander b5 niedergebrachten Schweißgutlagen auftreten.

Bei der weitverbreiteten Unterpulverschweißplatticrung fließt der Schwcißstrom im Gegensatz zum Elektroschlackeschweißplattieren senkrecht zum Basismetall durch einen Lichtbogen, und zur Beeinflussung der Lichtbogenrichtung ist es beim Unterpulverschweißplattieren bereits bekannt, den Schmelzbadfluß unter Verwendung von Metallbändern mittels magnetischer Felder zu beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Elektroschlackeschweißplattieren mit Bandelektrode so auszubilden, daß der Fluß des beim Schweißen gebildeten Schmelzbades über die Bandelektrodenbreite steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß durch Steuerung der Flußbewtgung der schmelzflüssigen Schlacke und des schmelzflüssigen Schweißgutes den beiden Seiten des niedergebrachten Schweißgutes ein symmetrisches Aussehen erteilt werden kann. In diesem Zusammenhang sei unterstrichen, daß zwecks Beeinflussung der Gestalt der Schweißgutseitenbereiche sowohl die Flußbewegung des schmelzflüssigen Schweißgutes (Metall+ Schlacke) direkt gesteuert werden müssen, wohingegen beim Unterpulver-Auftragsschweißen lediglich die Lichtbogenrichtung gesteuert zu werden braucht. Wie bereits erwähnt, fließt beim Elektroschlak- keschweißpiattieren mit Bandelektrode der Schweiß strom parallel zur Basismetalloberfläche, so daß die zur Beaufschlagung des Metallschmelzbades eingesetzten Magnetfelder senkrecht zum Basismetall bzw. zu dessen Oberfläche verlaufen müssen, um dem Schmelzbad die angestrebte Bewegungskomponente in horizontaler Richtung zu erteilen.

Ein Grund dafür, daß es der Fachwelt bisher widerstrebte, magnetische Felder zur Beeinflussung des Schmelzbadflusses beim Elektroschlackeschweißplattieren zu verwenden, mag darin zu sehen sein, daß beim Unterpulverschwcißplattieren ein magnetisches Feld mit transversaler Komponente verwendet wird, was jedoch bei Übertragung auf das Elektroschlackeschweißplpttieren zu störenden Kollisionen geführt hätte. Erst durch das erfindungsgemäße Verfahren wurde die Wirkkomponente der angelegten magnetischen Felder in die senkrechte Ebene transponiert, um die vorstehend genannte technische Aufgabe zu lösen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe sowie die Erfindung selbst werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. la und Ib eine schematische Erläuterung des Zustandekommens von Hinterschneidungen bei Mehrfach-Lagenschweißungen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Elektroschlackeschweißplattierens mit Beeinflussung des Schmelzgutflusses durch magnetische Felder.

Fig. 3a bis 3f schematische Darstellungen des Schweißgut-Fließverhaltens entgegen der Stromrichtung,

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform bei Verwendung einer anders gestalteten Spule,

Fig. 5a bis 5f schematische Darstellungen der Beeinflussung der Schmel/.gut-Flicßrichtungcn mitteis des die Spule durchfließenden Stroms.

F i g. ba bis 6f schematische Darstellungen \<>n Querschnitten durch Auftragsschweißungen.

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform unter Verwendung einer ferritischen Llektrude und

F i g. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform unter Verwendung von voneinander unabhängigen Spulen.

Die Fig. la und Ib veranschaulichen die Entstehung von Auftragsschweißungen mit unterschiedlich gestalteten Längsseiten, was bei einer Vielzahl von übereinander aufgebrachten Schweißgutlagen zu schädlichen Hinterschneidungen in den jeweiligen Randbereichen führt. Fig. la zeigt einen sich gleichmäßig in der Breitenabmessung einer Bandelektrode i ausbreitenden Strom 9, wohingegen Fig. Ib einen Strom /zeigt, der eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung hat Fließt der Strom /gleichmäßig, wie in der Zeichnung mit Hilfe von Pfeilen dargestellt, so wirkt ein nach oben gerichtetes magnetisches Feld am rechten Ende eines Schmelzbades 2, d. h. in Fortbewegungsrichtung der Bandelektrode 1, wie mit Hilfe eines Pfeiles β in Fig. 1 a dargestellt. Am gegenüberliegenden Ende, also am linken Ende in F i g. la wirkt ein entgegengesetzt, nach unten gerichtetes Magnetfeld, wie durch einen Pfeil β dargestellt. Durch die Interaktion zwischen diesen beiden entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldern und dem im geschmolzenen Schweißgut sowie in der Schlacke fließenden Schweißstrom i wird eine Lorentz-Kraft erzeugt, welche das Schmelzbad im Bereich der Bandelektrode 1 dazu veranlaßt, nach innen in Richtung zum Mittelabschnitt der Bandelektrode zu strömen, wie in Fig. la mit Hilfe weißer Pfeile γ dargestellt. Dadurch verarmen die beiden Randbereiche des Schmelzbades an schmelzflüssigem Material mit der Wirkung, da£ es an den beiden Außenrändern eder Auftragsschweißung zu ungleichmäßigen Berührungswinkeln zwischen Schweißgut und Basismetall kommt, wodurch Hinterschneidungen in diesen Randbereichen hervorgerufen werden, wenn mehrere Auftragsschweißungen übereinander niedergebracht werden.

1st die Verteilung des Schweißstroms /ungleichmäßig, wie in Fig. Ibdargestellt,so fließen das schmelzflüssige Schweißgut und die schmelzflüssige Schlacke im wesentlichen in die mit Hilfe eines weißen Pfeiles γ' angegebene Richtung, was zur Folge hat, daß an der

Tafel 1

entgegengesetzt zur Richtung dieses Pfeiles vorhandenen Schweißgutaußenkante e' durch Materialmangel eine zu Hinterschneidungen Anlaß gebende Gestalt hervorgerufen wird.

Mit dem Bezugszeichen 2' ist ein Basismetall bezeichnet und mit dem Buchstaben /ein magnetisches Flußmittel.

Es versteht sich, daß bei Mehrlagen-Auftragsschweißungen große Kosten aufgewendet werden müssen, um die Folgen der unsymmetrischen Schweißgut-Außenränder zu beseitigen.

Fließt, wie in Fig. 2 dargestellt, ein Gleichstrom durch eine Spule 3 in Richtung eines Pfeiles <5, so bildet sich ein nach oben gerichtetes Magnetfeld F am linksseitigen Ende der Spule 3 und bildet sich ein nach unten gerichtetes Magnetfeld — F am rechtsseitigen Spulenende. Die Wechselwirkung zwischen diesen Magnetfeldern und dem die Magnetfelder unter einem rechten Winkel schneidenden Schweißstrom / führt entsprechend der Flemming'schen Linke-Hand-Regel zu einer Kraft, welche die in der Zeichnung durch weiße Pfeile ε 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 Bandelektrode 1, in Richtung auf die Außenseite e des Schmelzbades gerichtet.

Auftragsschweißungen wurden mit Hilfe einer Bandelektrode I 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 Schweißlagen auszubilden, die parallel zueinander über eine Breite von 8 bis 10 mm als Auftragsschweißungen niedergebracht wurden. Die Flußrichtung des schmelzflüssigen Materials sind in Fig. 3 dargestellt, und die Anzahl der beobachteten Hinterschneidungen ist in der folgenden Tafel 1 angegeben.

Spulenstrom (A)

0 1 2 5 10 -5

SchlackenHuß (Fig. 3)

(a) (b) (C) (d) (e) (f)

Anzahl an Hinterschneidungen	Überali	4
je m Schweißlage	überall	0
Überlagerte Fläche
Basismetallseite
Versuchsbedingungen:	SUS 309L(JIS)
Zusammensetzung der	2.500 A (entgegen	60
Bandelektrode:	gesetzte Polarität)
Schweißstrom:	25 V

Spannung:	15 cm/min
Schweißgeschwin
digkeit:

Die Angabe Spulenstrom -5 bedeutet, daß der Strom in einer dem Richtungssinn gemäß Fig. 2 entgegengesetzte Richtung geführt ist. 0 0

0 0

überall überall

Aus den vorstehenden Ergebnissen ergibt sich, daß die Hinterschneidungen 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 Schmelzbadfluß in Richtung auf den Mittelbereich der Elektrode zu beobachten, sondern bilden sich örtlich nicht vom Schweißgut bedeckte Flächen des Basismetalls.

Beträgt der Spulenstrom 5 A, so fließt die geschmolzene Schlacke in Richtung auf die Außenseite 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 Bandelektrode mit einer Breite von 75 mm und unter Verwendung einer Spule 3' (F i g. 4) durchgeführt, wobei die Spule 460 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 Seiten des Schweißgutes. Wird ein Strom von 0,5 A durch die Spule geschickt, so fließen schmelzflüssiges Metall und schmelzflüssige Schlacke aus der Nähe der Bandelektrode in Richtung auf die bereits ausgebildete Schweißlage, wodurch die Ausbil-

Tafel 2

dung von Aussparungen vermieden werden kann. Eine befriedigende Schweißlagenausbildung wird bis zu Strömen von 2 A erzielt. Beträgt der Spulenstrom 5 A. so wird der Schmelzgutfluß zu lebhaft und erhält der Mittelabschnitt der Schweißlage eine mehr oder weniger konkave Gestalt. Beträgt jedoch der Spulenstrom 10A, so bilden sich große kontinuierliche Aussparungen im Grenzbereich zwischen der Schweißlage und dem Basismetall; jedoch sowohl bei 5 A als bei 10 A bilden sich keine Hinterschneidungen im überlagerten Bereich. Der Schmelzbadfluß dieser Beispiele ist in den F i g. 5a bis 5f dargestellt, wobei die Querschnittsgestalten dieser Schweißlagen in den F i g. 6a bis 6f dargestellt sind. Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafei 2 zusammengestellt.

Spulenstrom (A)

0 0.5 1

Schmelzbadfluß (Fig. 5)

(a) (b) (C)

2
(d)

(e)

Anzahl an Aussparungen je m
Schweißlage

Überlagerter Bereich	3	0
Basismetallseite	2	0
Versuchsbedingungen:
Zusammensetzung der
Bandelektrode:	SUS 309L(]IS)
Schweißstrom:	1250 A (umge
	kehrte Polarität)
Spannung:	25 V
Schweißgeschwindigkeit:	15 cm/min
Überlagerte Schweiß
lagenbreite:	5 bis 8 mm

Bei den in den Fig. 2 und 4 dargestellten beiden Beispielen wurde eine austenitische Bandelektrode 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 Bandelektrode 1 angeordnet. Wird jedoch eine ferritische Bandelektrode 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 Bandelektrode 1 aufzubringen, wozu sich eine Spule 32' eignet, die aus einem in Fig. 7 dargestellten länglichen Kern (plus Wicklung) besteht. Selbst wenn eine austenitische Bandelektrode verwendet wird, ist es gestattet, die oben beschriebene Spule 32' oberhalb des Schmelzbades 2 anzuordnen.

In den vorstehend beschriebenen Beispielen wurde eine entgegengesetzte Polarität (Elektrode positiv.

0 0

Basisplatte negativ) benutzt. Bei umgekehrter Polarität (Elektrode negativ, Basisplatte positiv) muß das Magnetfeld in die entgegengesetzten Richtungen als in den F i g. 2, 4, 7 und 8 dargestellt, angelegt werden, um das schmelzflüssige Material in die gleichen Richtungen strömen zu lassen wie bei der erstgenannten Polarität.

Für jedes der oben beschriebenen Beispiele ist eine Einzelspule verwendet worden. Bevorzugte 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 F i g. 8 dargestellt.

Zum Erzeugen des wirksamen Magnetfeldes können anstelle der vorstehend beschriebenen Elektromagnete auch Permanentmagnete verwendet werden, wenngleich bei Verwendung von Permanentmagneten die Einstellung der magnetischen Feldstärke schwieriger ist.

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

Somit lassen sich Hinterschneidungen in der überlagerten Fläche, angrenzend an die beiden Auftragsschweißungen, welche die hauptsächlichen Fehler sind, die beim horizontalen Elektroschlackeschweißplattieren auftreten, vollständig dadurch verhindern, daß eine herkömmliche Schweißmaschine mit einer einfachen Spule versehen wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Aufbringen von Auftragsschweißungen mit Hilfe des Elektroschlackeschweißplattie- rens mit Bandelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein mit Gleichstrom betriebener Elektromagnet im Bereich der Bandelektrode angeordnet wird und daß Magnetfelder mit senkrecht zum Grundwerkstoff verlaufenden Feldkomponenten an beide Seiten des gebildeten Metallschmelzbades so angelegt werden, daß die Magnetfelder in zueinander entgegengesetzten Richtungen das Metallschmelzbad beaufschlagen und das Metallschmelzbad in Breitenrichtung der ts Bandelektrade den beiden Seiten des Schmelzl>ades zustvömt, wobei