DE3050471T1 - Elektroschlacke-Schweißverfahren - Google Patents
Elektroschlacke-SchweißverfahrenInfo
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- B23K25/00—Slag welding, i.e. using a heated layer or mass of powder, slag, or the like in contact with the material to be joined
Description
Institut Elektrosvarki imeni .1Mb. Patonv ■ .-Ptf §| 976-Ε-6-Γ
Akademii Nauk Ukrainskoi SSR, Kiew/UdSSR
ELEKTROSCRLACKE-SC HWE ISS VMtb'AI IHEIk Π S O 4 7 1
Dio Erfindung bezieht; üich auf das Gobiot der
Schweißausrüstung und betrifft insbesondere ein Elektroschlacke-Schweißverfahren von Metallen mittels
einer Elektrode großen Querschnitts.
In der US-PS 3öö5121 vom 20.05.75, patentiert
für Institut elektrosvarki im. E.O. Patona, ist ein
Elektroschlacke-Schweißverfahren für Kupferteile beschrieben, welches die Bildung und Überhitzung eines
(.abschmelzenden
Schlackenbades mittels einer nicht ^ Elektrode,
das Herausführen dieser Elektrode aus dem überhitzten Schlackenbad und das darauffolgende Einführen
einer Abschmelzelektrode in das Schlackenbad, das Aufschmelzen dieser Elektrode durch die Wärme des
Schiackenbades und das Anfüllen dor Eingangskokille und des Spaltes zwischen den zu verschmelzenden Kanten
mit dem aufgeschmolzenen Metall sowie die nachfolgende Entfernung des Schopfes einschließt.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich durch eine längere Zwischenoperation des Überganges von der
Bildung und Überhitzung des Schlackenbades mittels der nich abschmelzenden Elektrode zu dem eigentlichen Schweißen
mittels Abschmelzelektrode aus, was zu wesentlichen Schlackenbadwäriaeverlusten und folglich zu üindefehlern
am Schweißnahtanfang führt. Während der Überhitzung
des Schlackenbades kommt es zu keiner Beruhigung, wodurch der stabile Verlauf des ganzen Vorgangs
gestört wird.
Der Schopf der Schweißverbindung wird dabei durch Schneiden unter Anwendung von Schneidausrüstungen entfernt
.
Es ist weiterhin ein Elektroschlacke-Schweißverfahren mit einer Elektrode großen Querschnitts (s.
Safonnikov A.N. "Swarka metallov plastintschatymy
elektrodamy" /ketallschweißen mit Plattenelektroden/,
Kiev, Verlag "Technika", 1966, S. 57-5ö) bekannt, bei
dem das Schlackenbad mittels Abschmelzelektrode gebildet wird, die Elektrode auf- und die zu verschweißenden
Kanten abgeschmolzen, die Eingan£skokil-Ie
und der Schweißspalt mit dem aufgeschmolzenen Metall angefüllt werden und darauffolgend der Schopf der
Schweißverbindung entfernt wirdφ Bei diesem Schweißverfahren
bleibt die Geschwindigkeit der ElektrodenaufSchmelzung
während der Bildung des Schlackenbades, der AufSchmelzung der Elektrode und der Abschmelzung
der zu verschweißenden Kanten sowie während des Anfüllens der Eingangskokille und des Schweißspaltes
mit dem aufgeschmolzenen Metall unter Aufrechterhalten von konstanten elektrischen Schweiß daten konstant.
-j«5 Ein derartiges Verfahren gewährleistet kein sicheres
Durchschweißen der zu verschweißenden Kanten im unteren Teil der zu bildenden Schweißnaht, was eine
Erhöhung des elektrischen Widerstandes des Schweißkontaktes zur Folge hat. Um die zu verschweißenden
Kanten im unteren Teil der Schweißnaht sicher durchzuschweißen und die Schweißnähte geringen elektrischen
Widerstands zu erhalten, wird\ zeitaufwendige Erhitzung des Schlackenbades bis auf Arbeitstemperaturen
durchgeführt. Beim Schweißen beispielsweise von . Aluminium beträgt die erforderliche Zeit 3 bis 5 min.
Unter dem Begriff "Arbeitstemperaturen11 wird ein Temperaturbereich verstanden, inn-rerhalb dessen die
Stabilität des Elektroschlacke-Schweißens und hohe
Qualität der Schweißverbindung gewährleistet werden.
Um das Schlackenbad bis auf die Arbeitstemperaturen nach dem bekannten Verfahren zu erhitzen, werden
Eingangskokillen beträchtlicher Länge gebraucht, was einen beachtlichen Mehrverbrauch an Elektrodenmetall
zur Folge hat.
Wach der Erzeugung der Schweißverbindung nach dem bekannten Verfahren wird der Schopf durch Lichtbogenschneiden
oder mechanisches Schneiden o.dgl. entfernt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Elektroschlacke-Schweißen von Metallen
mittels einer Elektrode großen Querschnitts au entwickeln,
welches hohe (Qualität der Schweißnaht mit stabilen mechanischen Eigenschaften, geringem elektrischem
Widerstand der Schweißkontakte gewährleistet und die Entfernung des Schopfes durch Verkürzung der zur
Erhitzung des Schlackenbades bis auf die Arbeitstemperaturen
erforderlichen Zeit sowie durch Bildung einer spröden Schicht zwischen dem Schopf und der Schweißnaht
während des Schweißvorgangs vereinfacht.
Diese Aufgabe wirdbei einem Verfahren zum
Elektroschlacke-Schweißen von Metallen mittels einer Elektrode großen Querschnitts bei dem das Schlackenbad gebildet wird, die Elektrode auf- und die zu verschweißenden
Kanten abgeschmolzen, die Eingangskokille und der Schweißspalt mit dem aufgeschmolzenen Metall
angefüllt werden und der Schopf nachfolgend entfernt
wird, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektrode während der Bildung des Schlackenbades
und des Anfüllens der Eingangskokille mit einer Geschwindigkeit aufgeschmolzen wird, welche die Schmelzgeschwindiskeit
der Elektrode während des Anfüllens des Schweißspaltes unter konstanten Schweißbedingungen
unterschreitet, und daß zwischen dem Schopf . und der Schweißnaht beim Schweißen eine spröde Schicht
erzeugt wird, wobeiN- Schweißnaht mit einem geringen
elektrischen Widerstand gebildet wird.
QQ Eine derartige Auswahl des Verhältnisses der
Schmelzgeschwindigkeiten der Elektrode ermöglicht es, die Erhitzungszeit des Schlackenbades bis auf die Arbeitstemperaturen
zu vermindern und die auf das Schweißgut von der Wärmequelle übertragene Energie pro Heter ■>
« Schweißnaht während der Bildung des Schlackenbades und
des Anfüllens der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Ale tall zu erhöhen.
Außerdem zeichnen sich die Schweißkontakte durch einen geringen elektrischen Widerstand aus. Als
bevorzugte Variante des Verfahrens zum Elektroschlacke-Schweißen von Metallen mittels einer Elektrode großen
Querschnitts gilt gemäß der Erfindung ein solches Verfahren,
bei dem für die Bildung des Schlackenbades und das Anfüllen der Eingangskokille ein Elektrodenmetall
mit einer Schmelztemperatur gewählt, wird, welche die Schmelztemperatur des zu verschweißenden Metalls überschreitet,
und für die Abschmelzung der zu verschweißenden Kanten sowie für das Anfüllen des Schweißspaltes
mit dem Metall ein dem zu verschweißenden Metall artgleiches Elektrodenmetall genommen wird, welches
gegen ein Elektrodenmetall ausgewechselt wird, das einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist, als
das zu verschweißende Metall·
Eine derartige Wahl der Schmelztemperatur der · Elektrode ermöglicht es, deren Schmelzgeschwindigkeit
während der Bildung des Schlackenbades und des Anfüllens der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Me-
- α /üe ZUgTiC η
tall zu ^vermindern. Die Abwechslungxctes Elektrodenme-
ί mit '
talls^ unterschiedlichem elektrischen Widerstand, ermöglicht
es, in der Schweißnaht Zwischenschichten
geringen elektrischen Widerstands zu erzeugen.
Erfindungsgemäß erfolgen das Anfüllen der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Metall und die Bildung
der spröden Schicht zwischen .dem Schopf und der Schweiß-
(einer
naht beim Schweißen mittels^ Elektrode, deren Material
mi* dem 2U verschweißenden Metall brüchige intermetallische
Verbindungen bildet. Derartige Verbindungen sichern eine einfache Entfernung des Schopfes von der
Schweißnaht ohne hierzu Schneidvorrichtungen einsetzen zu müssen·
Außerdem wird beim Schweißen die Lage der spröden Schicht zwischen dem Schopf und der Schweißnaht durch
die Wahl des Volumens der zur Bildung des Schlackenbades und zum Anfüllen der Eingangskokille mit dem
aufgeschmolzenen Metall dienenden Elektrode gesteuert, wobei dieses Volumen ÖO bis 95 % vom Volumen der Eints'angskokille
beträgt.
Die Wahl des Elektrodenvolumens in dem erwähnten Bereich ermöglicht es, die Größe der Uberwölbuntf des
unteren Teils der Schweißnaht ohne Herabsetzung\deren
Qualität zu steuern.
Gemäß der Erfindung werden beim Elektroschlacke-Schweißen
brüchtige Zwischenschichten zwischen den Schweißnähten mehrerer Erzeugnisse gebildet, welche
übereinander liegen und in einem Gang geschweißt werden .
Ein derartiges Schweißverfahren ermöglicht es,
mehrere Erzeugnisse gleichzeitig zu schweißen, die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zu erhöhen und den
Verbrauch an Schweißmaterialien zu vermindern.
Das zum Anfüllen des Schweißspaltes erforderliche Elektrodenvolumen soll das durch die zu verschweißenden
Kanten begrenzte Volumen um 10 bis 25 % überschreiten.
Eine derartige Wahl der Elektrode ermöglicht es, Nähte unterschiedlicher Form zu schweißen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Pig· 1 die Bildung des Schlackenbades, gemäß der
Erfindung;
Fig. 2 den stationären Elektroschlacke-Schweißvorgang,
gemäß der Erfindung;
Fig. 3 die Außenansicht der Schweißverbindung mit einer spröden Zwischenschicht zwischen dem Schopf und
der Schweißnaht, gemäß der Erfindung;
Fig. 4 die Außenansicht der Schweißverbindung nach
der Entfernung des Schopfes, gemäß der Erfindung; Fig. 5 die Außenansicht von mehreren in einem Gang
geschweißten Stücke, welche gemäß der Erfindung übereinander angeordnet sind;
Fig. 6 den stationären Vorgang des Elektroschlakke-Schweißens
und der Erzeugung der Schweißnaht mit Zwischenschichten, welche einen geringen elektrischen
Widerstand aufweisen, gemäß der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung
Das Verfahren zum Elektroschlacke-Schweißen von
Metallen mittels einer Elektrode großen Querschnitts wird an Hand von konkreten Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
Die zu verschweißenden Aluminiumschienen mit einem Querschnitt von 70 χ 500 mm wurden auf eine Eingangskokille 2 mit einem Spalt von 50 mm aufgestellt. In den
Spalt zwischen den Schienen 1 wurde eine Elektrode 3 mit einem Querschnitt von 20 χ 60 mm bis zur Berührung
mit dem Boden der Kokille 2 eingeführt. Der untere Teil der Elektrode 3 war aus Kupfer hergestellt. Das
Volumen dieses Teils betrug 80 % vom Volumen der Kokille 2 und die Schmelztemperacur des Metalls der Elek-
trode 3 in ihrem unteren Teil betrug 10ö0 0C.
Der obere Teil 5 der Elektrode 3 war aus Aluminium mit Kupfer-Einsatzstücken 6 mit Abmessungen von 20 χ
χ 60 χ 10 mm hergestellt, welche voneinander in einem Abstand von 100 mm angeordnet waren. Die Schmelztempe-
ratur des Metalls des oberen Teils 5 der Elektrode 3 betrug 660 0G und die der Einsatzstücke 10ü0 0G.
Der untere 4 und der obere 5 Teil der Elektrode
3 und die Einsatzstücke 6 wurden stumpfgeschweißt. Das
Volumen des oberen Teils 5 der Elektrode 3 war um 10 % größer als das durch die zu verschweißenden Kanten der
Schienen 1 begrenzte.Volumen. Seitlich der zu verschweißenden
Schienen 1 wurden Kühlschuhe 7 angeordnet. Auf die Schienen 1 wurden von oben Auslaufplatten Ö
aus Graphit aufgestellt.
Die Elektrode 3 und die Schienen 1 wurden an einen
Schweißtransformator 9 angeschlossen· Die Kokille 2 wurde mit Flußmittel (nicht gezeigt) gefüllt und der
SchweißStromkreis wurde danach geschlossen.
Die Schweißdaten waren folgende: υχχ = 36 V;
1SCh= 4·° kA·
Nach dem Aufschmelzen des Flußmittels wurde der
Lichtbogen unter Bildung des Schlackenbades 10 geschuntet und der untere Teil 4 der Elektrode 3 begann
aufzuschmelzen. Nach dem Aufschmelzen des unteren Teils 4 der Elektrode 3 wurde die Kokille 2 zu 80 % Ddt
Kupfer gefüllt. Danach wurde eine spröde, 10 mm dicke Schicht 11 aus Verbindungen des Metalls des unteren
Teils 4 der Elektrode 3 und des zu verschweißenden Metalls der Schiene 1, d.h. Kupfer und Aluminium, gebildet.
Während des darauffolgenden Abschmelzens der
Elektrode 3 und zwar während des Abschmelzens deren oberen Teils 51 wurde der Schweißspalt angefüllt. Die
dadurch erhaltene Schweißnaht enthielt aus Kupfer- und Aluminiumverbindungen bestehende Zwischenschichten
12 mit einem im Vergleich zu dem zu verschweißenden Laetall (Aluminium) geringeren elektrischen Widerstand.
Nach dem Anfüllen des Schweißspaltes mit dem Elektrodenmetall wurde der Schweißstrom abgeschaltet.
Der Schopf 13 wurde von der Schweißverbindung an der brüchigen Schicht 11 durch eine geringe Stoßbelastung
entfernt. Die danach gemessene Verstärkung der Schweißnaht betrug 10 mm. Die Schweißnaht wies keine
Schrumpflunker auf.
Die Änderung der Schmelzgeschwindigkeit des unteren Teils 4 und des oberen Teils 5 der Elektrode 3
durch die Wahl des Metalls der Elektrode 3 12^t einer
Schmelztemperatur des unteren Teils 4 von 10ö0 0C
und des oberen Teils 5 von 660 0G ermöglichte es, die
Erhitzungszeit des Schlackenbades 10 bis auf die Arbeitstemperatur
im Vergleich zu dem eingangs beschriebenen
Verfahren um 25 % zu verkürzen.
Die erhaltene Schweißnaht zeichnet sich durch dem zu verschweißenden Metall artgleiche mechanische
Eigenschaften, aus.
Der elektrische Widerstand des Schweißkontaktes war um 10 % kleiner als der elektrische Widerstand der
zu verschweißenden Schienen.
Anmerkung: Beim Schweißen von Baugruppen, welche nicht zu den Schweißkontakten gehören, werden Zwischenschichten
12 in der Schweißnaht nicht verwendet.
Weitere Durchführungsbeispielo des Verfahrene zum
Elektroschlacke-Schweißen wurden analog Beispiel 1 unter Einhaltung der erwähnten Schweißdaten durchgeführt,
wobei die Schweißparameter in der Tabelle angegeben sind.
| Bei | Mate | Mate | Mate | Volu | Volumen | Schmelz- |
| spiel | rial | rial | rial | men | des obe | tempera- |
| der zu | des | der | des | ren Tei | "cur des | |
| ver | unte- . | Ein | unte | les der | Mutalls | |
| schwei | ran | sät z- | ren | Elektro | des unte | |
| ßenden | 'i'ei- | stük- | Tei | de in %, | ren Teils | |
| Schie | les | ke der | les | bezogen | der Elek | |
| nen | der | Elek | der | auf das | trode, in | |
| Elek | trode | Elek | durch die | Op | ||
| trode | trode | zu ver | ||||
| in %, | schwei | |||||
| bezo | ßenden | |||||
| gen auf | Kanten | |||||
| das Vo | begrenz | |||||
| lumen | te Volu | |||||
| der Ko | men | |||||
| kille | ||||||
| 2 | Magne | Cu | - | 95 | 125 | 1080 |
| sium | ||||||
| 3 | Ti | - | 90 | 120 | 1700 | |
| 4 | Al | Cu | - | 75 | 105 | 10ü0 |
| 5 | Al | Cu | 100 | 130 | 10Ö0 |
Die Uberwölbung der ,Schweißnaht betrug beim
üseim
Beispiel 2-3 && und\ Beispiel 3-5 ™α· Beim Durchführen
des Verfahrens nach Beispiel 4 verursachte das Elektrodenmetall eine starke Uberwölbung des unteren Teils
der Schweißnaht nach der Entfernung des Schopfes, welche 20 mm beträgt und einer zusätzlichen Behandlung bedarf.
Beim Durchführen des Verfahrens nach Beispiel 5
wurde im unteren Teil der Schweißnaht nach der Entfernung des Schopfes eine Verminderung des Querschnittes
des Arbeitsteils der Schweißnaht infolge der Entfernung eines Teils des Schweißnahtmetalls gemeinsam
mit dem Schopf festgestellt.
Die Erhitzungszeit des Schlackenbades bis auf die Arbeitstemperatur wurde für Beispiele 2, 4 und 5 analog
Beispiel 1 gewählt. Im Beispiel 3 war diese Zeit zweimal kleiner als im eingangs beschriebenen Verfahren.
Der Festigkeitsgrad der nach dem Durchführen des
Verfahrens gemäß Beispielen 2 und 3 geschweißten Naht betrug O1O und 0,9, d.h. die Festigkeit
der Schweißnaht betrug entsprechend öO und 90 % der
Festigkeit des zu verschweißenden Metalis. Beispiel 6
Dieses Beispiel ist zur Erläuterung der Durchführung des Verfahrens des Elektroschlacke-Schweißens von
übereinander angeordneten Erzeugnissen in einem Gang angeführt.
Drei Stoßstellen von Aluminiumschienen mit einem Querschnitt von 50 χ 100 mm wurden gleichzeitig geschweißt.
■ . . .
Das Schweißen wurde analog Beispiel 1 durchgeführt. Der Querschnitt der Elektrode wurde mit Abmessungen von
20 χ 40 gewählt. Die zwei zu verschweißende Schienen wurden auf die Kokille 2 aufgestellt. Auf die Schienen
1 wurden von oben durch Kupfereinsatzstücke 14 mit Abmessungen von 50 χ 50 χ 100 mm die anderen zu
verschweißende Schienen 15 und 16 aufgestellt. Der Spalt zwischen den zu verschweißenden Kanten der Schienen
1, 15 und 16 betrug 50 mm. Wach dem Schweißen wurde
eine einheitliche Schweißverbindung erhalten und durch eine Stoßbelastung, der brüchigen Zwischenschichten 17
an den Stellen der Anordnung der Einsatzstücke 14 in drei Schweißschieneη 1, 15 und 16 geteilt. Der Schopf
13 wurde von der Schiene 1 an der brüchigen Schicht • abgetrennt.
Die Überwölbung der ersten Schweißnaht wurde analog
dem im Beispiel 1 durchgeführten Elektroschlacke-Schweißverfahren
erhalten.
Die .eirfindung ka^f in^ Se" tall- und Chemie Industrie,
in^Elektrotechnik uno^ Maschinenbau beim Herstellen von
SchweiBbauteilen mit großen Abmessungen, deren Teile
vorzugsweise aus Aluminium,,Kupfer, Titan bzw. Stahl
gefertigt sind, Anwendung finden. .^er
Die Erfindung kann vorzüglich in^Metallindustrie
für die Fertigung von schweren Aluminium teilen für E^elcfcro^yseure verwendet werden.
Claims (6)
- PATEfiTAHSPBÜCHE ^Verfahren zum Elektroschlacke-Schweißen von Metallen mittels einer Elektrode großen Querschnitts, welches die Bildung des Schlackenbades» das Aufschmelzen der Elektrode und der zu verschweißenden Kanten, das Anfüllen der Eingangskokille und des Spaltes zwischen den zu verschweißenden Kanten mit dem aufgeschmolzenen Metall und die nachfolgende Entfernung des Schopfes einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode während der Bildung des Schlakkeribades und des Anfüllens der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Metall mit einer Geschwindigkeit aufgeschmolzen wird, welche die Schmelzgeschwindigkeit der Elektrode während des Anfüllens des Spaltes zwischen den zu verschweißenden Kanten mit dem aufgeschmolzenen Metall unter konstanten elektrischen Schweißdaten unterschreitet, und daß beim Schweißen zwischen dem Schopf und der Schweißnaht eine spröde Zwischenschicht gebildetexne
wird, wobei Schweißnaht mit einem geringen elektri-sehen Widerstand erzeugt wird. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung des Schlackenbades sowie für das Anfüllen der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Metall eine Elektrode gewählt wird, deren Metall eine Schmelztemperatur aufweist, welche die Schmelztemperatur des Metalls der zu verschweißenden Kanten überschreitet, und daß für das Anfüllen des Spaltes zwischen den zu verschweißenden Kanten mit dem aufgeschmolzenen Metall ein Elektrodenmetall gewählt wird, welches dem zu verschweißenden Metall seinen Eigenschaften nach artgleich ist, und gegen ein Elektrodenmetall ausgewechselt wird, das einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als das zu verschweißende Metall·
- 3$ 3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen das Anfüllen der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Metall und die Bildung einer spröden Schicht zwischen demSchopf und der Schweißnaht mit Hilfe einer Elektrode durchgeführt wird» deren Material mit dem zu verschweißenden Metall brüchige intermetallische Verbindungen bildet.
- 4. Verfahren nec&h. Anspruch 1, dadurch gek ennzeichnet, daß beim Schweißen das Anfüllen der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Metall und die Bildung der spröden Schicht zwischen dem Schopf und der Schweißnaht mit Hilfe einer Elektrode durchgeführt wird, deren Material mit dem zu verschweißenden Metall brüchige intermetallische Verbindungen bildet, und daß die Lage der spröden Schicht zwischen dem Schopf und der Schweißnaht durch die Wahl des Volumens der zum Bilden des Schlackenbades und Anfüllen der Eingangskokille mit dem aufgeschmolzenen Metall dienenden Elektrode gesteuert wird, welches üO bis 90 % vom Volumen der Ein^angskokille beträgt.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung einer Schweißnaht unterschiedlicher Form durch Wahl des Volumens der zum Anfüllen des Spaltes zwischen den zu verschweißenden Kanten mit dem aufgeschmolzenen Metall dienenden Elektrode gesteuert wird, welches das durch die zu verschweißenden Kanten begrenzte VoIumen um 10 - 25 % überschreitet. '
- 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß die spröden Schichtenη zwischen den Schweißnähten von Erzeugnisse ausgeführt werden, welche übereinander angeordnet sind und mit ' · Einsatzstücken abwechseln, deren Material mit dem zu verschweißenden Metall brüchige intermetallische Verbindungen bildet, wobei das Schweißen mehrerer Erzeugnisse in einem Gang gleichzeitig durchgeführt wird.
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