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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtbogen-Mantelelektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt, die sich insbesondere für die Erzeugung von Schweißwerkstoff eignet, der eine hervorragende Beständigkeit gegen Rißbildung beim Schweißen von Formstahl (Profilstahl, Konstruktionsstahl) eignet.
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Zur Verhinderung der Schweiß-Rißbildung beim Schweißen von Stahl-Formteilen wurde beispielsweise ein Schweißverfahren angewendet, bei dem ein aufzubrauchendes Schweißgut oder Schweißwerkstoff mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen Rißbildung verwendet wird. Ferner wurde ein Verfahren benutzt, bei dem ein Vorerhitzen im Schweißverfahren durchgeführt wird.
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Beispielsweise wird im Fall von Stahlblechen mit hoher Zugfestigkeit von 490 N/mm² und einer Dicke von mindestens 25 mm eine Elektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt zum Schweißen verwendet und das Vorerhitzen des Stahlblechs wird bei 75 bis 150°C je nach den besonderen Atmosphärenbedingungen durchgeführt.
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Das im Schweißverfahren durchgeführte Vorerhitzen ist mühsam, erfordert Ausgaben für Treibstoff und ist kompliziert. Die Kosten des Schweißens erhöhen sich deshalb, so daß das Vorerhitzen einen wirtschaftlichen Nachteil darstellt. Es besteht demnach ein starkes Bedürfnis nach der Entwicklung einer Elektrode mit hervorragender Beständigkeit gegen Rißbildung, die den Verzicht auf die Notwendigkeit des Vorerhitzens ermöglicht.
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Um eine Lichtbogen-Mantelelektrode mit derart hervorragender der Beständigkeit gegen Rißbildung zu erhalten, daß eine Rißbildung auch beim Schweißen von besonders dickem Stahlblech ohne Vorerhitzen nicht auftritt, ist es unbedingt erforderlich, daß die Menge an diffusionsfähigem Wasserstoff in dem erhaltenen Schweißgut sehr gering ist. Die Hauptquellen für den diffusionsfähigen Wasserstoff im Schweißgut sind in der Luft enthaltendes Wasser, das unter dem Lichtbogen dissoziiert, wobei der entstandene Wasserstoff in das Schweißgut eingeschlossen wird, sowie Wasser und Wasserstoff, die sowohl im zu schweißenden Stahl als auch in der Lichtbogen-Mantelelektrode enthalten sind bzw. an ihnen haften.
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Es wurden bereits zahlreiche Versuche zur Verminderung der in einer Lichtbogen-Mantelelektrode enthaltenen oder an ihr haftenden Wasserstoffquellen unternommen. Beispielsweise ist in der JP-AS 34 485/73 ein Verfahren beschrieben, bei dem die Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsabsorption der Lichtbogen-Mantelelektroden erhöht wird. Ferner ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Ummantelung verschiedenen Behandlungen unterzogen wird, um ihr eine hohe Beständigkeit gegen die Absorption von Feuchtigkeit zu verleihen. Einige dieser Verfahren werden derzeit in der Praxis ausgeführt. Jedoch ist es durch die passiven Mittel der Verminderung der Feuchtigkeit absorbierenden Eigenschaften der Lichtbogen-Mantelelektrode nach diesen Verfahren praktisch unmöglich den Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut in derartigem Ausmaß zu vermindern, daß eine Rißbildung ohne Vorerhitzen verhindert werden kann. Dazu ist vielmehr eine besonders starke Verminderung der Menge der Wasserstoffquellen, die sich in allen für die Herstellung der Lichtbogen-Mantelelektrode verwendeten Stoffen befinden, auf eine sehr geringe Menge erforderlich.
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Beim Schweißen von geschweißten Formteilen, wo das Auftreten von Rißbildung in den geschweißten Bereichen vollständig verhindert werden muß, ist eine sehr genaue Kontrolle des erneuten Trocknens oder der Lagerung erforderlich, um zu verhindern, daß die Elektroden Feuchtigkeit absorbieren. Dies zeigt, daß mehr als eine Verbesserung der Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsabsorption die Verminderung der Wasserstoffquellen Bedeutung besitzt, die in der Elektrode enthalten sind. Dies ist erforderlich in Bezug auf die Elektrode, um eine nennenswerte Wirkung bei der Verminderung des Wasserstoffgehalts im erhaltenen Schweißgut zu erreichen.
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Wenn die Bestandteile der Ummantelung einen geringen Gehalt an Wasserstoffquellen aufweisen, oder wenn Bestandteile benutzt werden, die vorher gebrannt wurden, kann die Menge der in dem Elektrodenmantel enthaltenen Wasserstoffquellen vermindert werden. Besteht die Ummantelung jedoch aus Bestandteilen mit einem geringen Wasergehalt, dann sind die Beschichtungseigenschaften des Mantelwerkstoffes ungenügend und die Produktivität der Elektrode wird verringert.
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Da außerdem auch bei Verwendung einer Ummantelung mit einem niedrigen Gehalt an Wasserstoffquellen deren Bestandteile mit dem Wasser in Berührung kommen, das beim Kneten der Bestandteile mit einem Binder zugesetzt wird, reagieren diese Bestandteile mit dem beim Vortrocknen freigesetzten Wasser. Dieses Wasser kann dabei in die Ummantelung absorbiert werden und stellt dann eine Wasserquelle dar.
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Wenn eine Elektrode bei hoher Temperatur an der Luft zur Entwässerung getrocknet wird, wird der in großer Menge in dem Mantel mit geringem Wasserstoffgehalt enthaltene Kalkstein im Verlauf des Trocknungsverfahrens zersetzt. Das bei der Umsetzung CaCO&sub3; → CaO + CO&sub2; entstehende CaO setzt sich in hohem Maße mit Feuchtigkeit um und absorbiert deshalb im Verlauf des Brennens und des nach dem Brennen durchgeführten Abkühlens die in der Atmosphäre enthaltene Feuchtigkeit. Eine Verminderung des Feuchtigkeitsgehalts wird deshalb unmöglich. Aus diesem Grund kann eine ausreichende Verminderung des Wasserstoffgehalts durch Trocknen an der Luft nicht erreicht werden, da die Entwässerungstemperatur an der Luft infolge der Zersetzung des Kalksteins begrenzt ist.
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Eine Lichtbogen-Mantelelektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt enthält einen Seelendraht aus Flußstahl (niedriggekohlter Stahl) oder einem legierten Stahl und eine Ummantelung, die ein Carbonat oder ein Fluorid, sowie ein schlackenbildendes Mittel, Ferrolegierung, Eisenpulver, ein Gleitmittel und ein Bindemittel enthält. Diese Stoffe werden miteinander vermischt und auf den Seelendraht aufgebracht. Die Bestandteile der Lichtbogen-Mantelelektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt enthalten mehr oder weniger Wasserstoffquellen. Im einzelnen enthalten Metalle, wie der Seelendraht, die Ferrolegierung oder das Eisenpulver, Wasserstoff in atomarer Form, während das Carbonat, Fluorid, schlackenbildende Mittel, Gleitmittel und Bindemittel das Wasser in adsorbiertem Zustand, Kristallwasser, bzw. Hydroxylgruppen in den chemischen Strukturen der betreffenden Komponenten enthalten.
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Bekannterweise werden von diesen Wasserstoffquellen das adsorbierte Wasser, das nur physikalisch an die Komponenten der Ummantelung gebunden ist, das Kristallwasser und die Hydroxylgruppen aus dem Mantel im wesentlichen nur durch Erhitzen auf hohe Temperaturen entfernt, wenn es nicht unter extrem hohem Wasserdampfdruck durchgeführt wird. Eine Verminderung des Wasserstoffgehalts in der Elektrode wurde deshalb nur durch Erhitzen und Trocknen in normaler Atmosphäre erreicht.
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Der Stand der Technik und das Verfahren der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut und der Brenntemperatur.
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Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen der Temperatur des Beginns der Zersetzung des Kalksteins in der Ummantelung und der Konzentration an gasförmigem Kohlendioxid in der Atmosphäre.
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Fig. 3 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen dem Gewichtsverhältnis von Na&sub2;O/K&sub2;O in der Ummantelung einer Lichtbogen-Mantelelektrode und der Menge an Rauch, die im Lichtbogen entsteht.
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Fig. 1 zeigt den Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff in dem erhaltenen Schweißgut, der in den Versuchen erhalten wird, wenn eine Lichtbogen-Mantelelektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt, die dem Elektrodentyp D-5016 nach JIS Z 3212 entspricht, 1 Stunde bei einer Temperatur von 400 bis 900°C in einer Atmosphäre gebrannt wird, die 0,03% (a in Fig. 1) oder 36% (b in Fig. 1) gasförmiges Kohlendioxid enthält und einen Taupunkt von -27°C aufweist und wenn das Schweißen bei Raumtemperatur (20°C) und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% durchgeführt wird.
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Fig. 2 zeigt die Ergebnisse der Messung unter Verwendung einer Thermowaage der Temperatur, bei der die Zersetzung des in der Ummantelung enthaltenen Kalksteins beginnt, unter der Bedingung, daß eine Elektrode, die der vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 erwähnten gleicht, mit einer Geschwindigkeit von 15°C/min in Argon-Atmosphäre erhitzt wird, die Kohlendioxid in verschiedenen Konzentrationen enthält.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß beim 1stündigen Brennen der Elektrode bei einer Temperatur von 500 bis 800°C in einer gasförmiges Kohlendioxid enthaltenden Atmosphäre mit niedrigem Taupunkt der Gehalt an Hydroxylgruppen als Wasserstoffquelle in der Elektrode vermindert und außerdem der Kalkstein in der Ummantelung nicht zersetzt wird. Die Menge an diffusionsfähigem Wasserstoff in dem Schweißgut, das bei Verwendung dieser Elektrode erhalten wird, kann deshalb merklich vermindert werden.
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Eine Steuerung der Rauchbildung von Lichtbogen-Mantelelektroden als Ausgangspunkt des Rauches sowie eine Verminderung des Wasserstoffgehalts der Mantelelektrode wird deshalb stark gewünscht. Gewöhnlich enthält eine Lichtbogen-Mantelelektrode Natrium und Kalium im anorganischen Bindemittel im schlackenbildenden Mittel. Das Mischungsverhältnis von Natrium und Kalium beeinflußt die Lichtbogen-Stabilität, den Schweißbetrieb, die Trocknungsgeschwindigkeit der Ummantelung bei der Elektrodenherstellung und die Festigkeit der Ummantelung. Entsprechend wird das Mischungsverhältnis derart festgelegt, daß diese Faktoren im günstigsten Bereich liegen. Außerdem beeinflußt die Anwesenheit von Natrium- und Kaliumverbindungen in der Ummantelung die Quantität des entstehenden Rauches.
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Im Rahmen der Erfindung wurden deshalb zahlreiche Lichtbogen- Mantelelektroden des Typs mit niedrigem Wasserstoffgehalt hergestellt, die Natrium und Kalium in Form des vorstehend genannten anorganischen Bindemittels und in verschiedenen anderen Formen von natrium- und kaliumhaltigen Stoffen in verschiedenen Gewichtsverhältnissen Na&sub2;O/K&sub2;O enthalten und dem Produkt D-5016 nach JIS Z 3212 entsprechen. Sodann wurde die Beziehung zwischen dem Gewichtsverhältnis Na&sub2;O/K&sub2;O und der Menge an entwickeltem Rauch untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung sind in Fig. 3 dargestellt, in der die Ordinate die Menge an Rauch in g anzeigt, die bei einem Verbrauch von 1 kg Elektrode entwickelt werden.
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In Fig. 3 ist zu erkennen, daß bei einem Gewichtsverhältnis Na&sub2;O/K&sub2;O in der Ummantelung von 1 oder darüber die Menge an Rauch, die beim Verbrauch von 1 kg der Lichtbogen- Mantelelektrode entsteht, ganz stark vermindert wird.
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Im Fall der üblichen Elektrodenherstellung wird jedoch bei einer Erhöhung des vorstehend erwähnten Gewichtsverhältnisses auch der Gehalt an Hydroxylgruppen in der Ummantelung erhöht, was zu einem Anstieg des Gehalts an diffusionsfähigem Wasserstoff führt. Es wurde nun festgestellt, daß dann, wenn die Erhöhung des Gewichtsverhältnisses von Na&sub2;O/K&sub2;O mit einem Brennen bei hoher Temperatur kombiniert wird, der Gehalt an Hydroxylgruppen in der Ummantelung niedrig gehalten werden kann trotz des Anstiegs des Gewichtsverhältnisses von Na&sub2;O/K&sub2;O und daß somit eine Elektrode mit geringem Wasserstoffgehalt erhalten werden kann, die nur eine geringe Rauchmenge entwickelt.
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Im Fall des Feldschweißens von Düsenstöcken wird der Schweißvorgang häufig in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit durchgeführt. Die Lichtbogen- Mantelelektrode mit geringem Wasserstoffgehalt, die in solcher Umgebung eingesetzt werden soll, soll möglichst eine hohe Betändigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen. Im Hinblick auf dieses Erfordernis wurden erfindungsgemäß Lichtbogen-Mantelelektroden des Typs mit geringem Wasserstoffgehalt, entsprechend dem Produkt von D-5016 gemäß JIS Z 3212 hergestellt, wobei Lithiumhydroxid dem als Binder benutzten Wasserglas in einer Menge zugesetzt wurde, die einer Lithium-Konzentration von 0,05%, bezogen auf das Gewicht der Ummantelung, entspricht. Sodann wurde die Ummantelung 1 Stunde bei 350, 500, 650 oder 800°C in einer Atmosphäre mit verschiedenem Gehalt an Kohlendioxid gebrannt. Die Feuchtigkeitsaufnahme dieser Elektroden und der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff in dem bei Verwendung dieser Elektroden erzeugten Schweißgut wurden bestimmt. Die Wasserabsorption wird auf der Grundlage des Anstiegs des beobachteten Gewichts festgestellt, wenn die Elektrode 4 Stunden bei einer Temperatur von 35°C unter einer relativen Feuchtigkeit von 90% stehengelassen wurde. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigen, daß beim Zusatz von Lithium zu dem Bindemittel die Feuchtigkeitsaufnahme und auch der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff gleichzeitig im Vergleich mit der Feuchtigkeitsaufnahme ohne Lithium-Zusatz vermindert werden. Diese Wirkung tritt besonders bei Brenntemperaturen über 500°C in Erscheinung.
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Es konnte bestätigt werden, daß beim Zusatz von Lithiumsilikat oder Lithiumformat anstelle von Lithiumhydroxid oder beim Zusatz von Lithiumfluorid als schlackenbildendes Mittel zu der Ummantelung eine ähnliche Verminderung der Feuchtigkeitsabsorption und des Gehalts an diffusionsfähigem Wasserstoff als im Fall des Lithiumhydroxid-Zusatzes eintritt.
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Im Rahmen der Untersuchungen wurden also folgende überraschende Befunde erhalten: Beim Zusatz von Lithium zu der Ummantelung wird die Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme der Elektrode verbessert; durch das Brennen bei hoher Temperatur in einer gasförmiges Kohlendioxid enthaltenden Atmosphäre zusätzlich zum Lithium-Zusatz können die in der Elektrode enthaltenen Wasserstoffquellen vollständig entfernt werden. Die Wirkung der Verbesserung der Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsabsorption durch das Lithium kann noch weiter gesteigert werden mit dem Ergebnis, daß eine Lichtbogen-Mantelelektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt und hervorragender Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme geschaffen wird. Auf diesen Befund beruht der Lösungsweg der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtbogen-Mantelelektrode des Typs mit niedrigem Wasserstoffgehalt zu schaffen, bei dem der schädliche diffusionsfähige Wasserstoff aus der Ummantelung entfernt werden kann, ohne daß eine Zersetzung des Kalksteins in der Ummantelung verursacht wird. Nach dem Verfahren der Erfindung soll ferner die Menge an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut ohne Vorerhitzung des Werkstückes bis zu einem solchen Ausmaß vermindert werden können, daß keine Rißbildung in der Schweißstelle mehr auftritt.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Die Erfindung betrifft demnach den in den Patentansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.
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Den Kern des Verfahrens der Erfindung zur Herstellung einer Lichtbogen-Mantelelektrode mit niedrigem Wasserstoffgehalt bildet die Beschichtung eines Seelendrahtes mit einem Mantel, der Na&sub2;O und K&sub2;O in einem Gewichtsverhältnis von mindestens 1 : 1 enthält und der außerdem eine Lithiumverbindung in einer Menge von 0,005 bis 0,4%, berechnet als Lithium, enthalten kann. Das Brennen der Ummantelung wird dabei bei einer Temperatur von 500 bis 800°C in einer Atmosphäre durchgeführt, die mindestens 2% Kohlendioxid enthält und einen Taupunkt von höchstens 5°C aufweist.
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Nachstehend wird die Erfidnung im einzelnen erläutert.
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Aus Fig. 3 ist zu sehen, daß bei einem Gewichtsverhältnis Na&sub2;O/K&sub2;O unter 1 : 1 in der Ummantelung während des Lichtbogenschweißens eine große Menge Rauch entsteht. Zur Unterdrückung der Rauchbildung ist es deshalb unbedingt erforderlich, daß das Gewichtsverhältnis Na&sub2;O/K&sub2;O mindestens 1 beträgt. Die Mengen an Na&sub2;O und K&sub2;O, auf die hier Bezug genommen wird, betreffen dabei die Gesamtmengen an Natrium und Kalium, die in Form von Verbindungen und Verunreinigungen enthalten sind, berechnet als die Mengen an Na&sub2;O und K&sub2;O.
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Um eine ausreichende Festigkeit der Ummantelung und eine Stabilisierung des Lichtbogens zu erreichen, beträgt die Gesamtmenge an Na&sub2;O und K&sub2;O vorzgusweise mindestens 1,5%. Übersteigt diese Gesamtmenge jedoch 6,5%, dann wird die Brauchbarkeit herabgesetzt und die Menge des beim Schweißen erzeugten Rauches erhöht. Die Gesamtmenge an Na&sub2;O und K&sub2;O beträgt deshalb vorzugsweise höchstens 6,5%. Um ausreichende Festigkeit der Ummantelung und Stabilisierung des Lichtbogens zu erreichen, soll Na&sub2;O in einer Menge von mindestens 0,8% vorhanden sein. Bei einer Na&sub2;O-Menge über 6,0% wird jedoch der Lichtbogen unstabil. Die Menge an Na&sub2;O beträgt deshalb vorzgusweise 0,8 bis 6,0%. Bei einem K&sub2;O-Anteil über 3,0% tritt an der Oberfläche der Elektrode beim Trocknen im Verlauf der Herstellung leicht Rißbildung auf. K&sub2;O ist in der Ummantelung deshalb vorzugsweise in einer Menge von höchstens 3,0% enthalten.
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Das in der Atmosphäre, die für die Behandlung zur Entfernung des Wasserstoffs benutzt wird, enthaltene gasförmige Kohlendioxid ergibt eine Atmosphäre zum Brennen der Ummantelung mit einem Sauerstoff- Potential, das besonders geeignet zum Austreiben der Hydroxylkomponente (Hydroxylgruppen) ist, die chemisch in der Ummantelung fest gebunden sind. Auch beim Zusatz einer geringen Sauerstoffmenge zu einem Inertgas, wie Argon, wird ein ähnliches Sauerstoff-Potential wie das des gasförmigen Kohlendioxids erhalten. In diesem Fall kann aber die Zersetzung des Carbonats, wie beschrieben, nicht verhindert werden.
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Obwohl ferner auch mit einem Gemisch von Stickstoff und Sauerstoff ein Sauerstoff-Potential erhalten werden kann, das dem des kohlendioxidhaltigen Gases ähnlich ist, kann auch in diesem Fall, wie beim Mischen von Argon und Sauerstoff, die Zersetzung des Carbonats nicht verhindert werden. Außerdem reagiert Stickstoff mit der Ferrolegierung und dem Desoxidationsmittel in der Ummantelung unter Bildung von Nitriden. Dies führt zum Anstieg der Stickstoffkonzentration im Schweißgut und damit zur Verschlechterung seiner Zähigkeit. Die Verwendung von Gemischen aus Stickstoff und Sauerstoff ist dementsprechend nicht bevorzugt.
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Die Zersetzung des Kalksteins, der in der Hauptsache als Carbonat in der Ummantelung von Lichtbogenelektroden mit geringem Wasserstoffgehalt verwendet wird, wird durch die Konzentration an Kohlendioxid in der Brennatmosphäre und durch die Brenntemperatur beeinflußt. Wenn Zersetzung des Kalksteins auftritt, entsteht Calciumoxid, das mit der Feuchtigkeit in der Luft unter Bildung von Calciumhydroxid reagiert, das als Wasserstoffquelle beim Lichtbogenschweißen wirkt. Außerdem verursacht die Zersetzung des Carbonats eine Verminderung der Festigkeit des Elektrodenmantels und führt dazu, daß die Ummantelung in erhöhtem Maße abfällt. Außerdem wird die Menge an gasförmigem Kohlendioxid, die beim Lichtbogenschweißen entsteht, so gering, daß die Brauchbarkeit und Abschirmung des Lichtbogens verschlechtert werden. Als Ergebnis davon kann die Aufnahme von Feuchtigkeit, Sauerstoff und Stickstoff aus der Umgebungsluft in das Schweißgut nicht verhindert werden.
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Fig. 2 zeigt, daß zur Verhinderung der Zersetzung des Carbonats beim Brennen bei einer Temperatur über 500°C die Brennatmosphäre für die Elektroden mindestens 2% gasförmiges Kohlendioxid enthalten soll. Im allgemeinen gehen die Elemente Na und K leicht Bindungen mit Wasser ein und im Wasserglas liegen sie in der Struktur an derartigen Stellen, die eine Bindung mit Wasser begünstigen. Beim Brennen in einer Atmosphäre, die mindestens 2% Kohlendioxid enthält, werden die Natrium- und Kaliumatome im Wasserglas vorzugsweise an Kohlendioxid gebunden, wodurch die bereits im Wasserglas gebundene Feuchtigkeit ausgetrieben wird oder eine erneute Bindung von Feuchtigkeit an das Wasserglas verhindert wird. Das Brennen in der vorstehend erwähnten Atmosphäre bewirkt deshalb eine Verminderung des Wasserstoffgehalts und eine Erhöhung der Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme bei der Herstellung der Lichtbogen-Mantelelektroden. Eine Atmosphäre mit einer Kohlendioxidkonzentration über 2% ist erforderlich für die Verhinderung der Zersetzung des Kalksteins bei einer Brenntemperatur über 500°C. Die Konzentration an gasförmigem Kohlendioxid soll deshalb in Abhängigkeit von der Brenntemperatur geändert werden. Wenn die Brenntemperatur unter 500°C liegt, ist sogar in einer gasförmiges Kohlendioxid enthaltende Atmosphäre mit einem Taupunkt unter 5°C die Geschwindigkeit der Entfernung der Hydroxylgruppen aus der Elektrodenummantelung so niedrig, daß eine Verminderung des diffusionsfähigen Wasserstoffs auf eine Menge, die ohne Vorerhitzen des zu schweißenden Stahls keine Rißbildung verursacht, nicht möglich ist. Wenn das Brennen bei einer Temperatur über 800°C durchgeführt wird, werden die Hydroxylgruppen im Elektrodenmantel in kurzer Zeit praktisch vollständig entfernt. Jedoch sogar in einem Kohlendioxid enthaltenden Gas wird dann das Carbonat in dem Mantel zersetzt, wodurch die Abschirmwirkung des Lichtbogens verschlechtert wird. Dies führt zu dem Ergebnis, daß Wasserstoff aus der Umgebung beim Schweißen in den Lichtbogen eindringt, daß Maß des Abfallens der Ummantelung erhöht, die Lichtbogenstabilität verschlechtert und die Brauchbarkeit vermindert wird. Außerdem erfolgt heftige Oxidation der Ferrolegierung und des Desoxidationsmittels. Aus den genannten Gründen muß die Behandlung zur Entfernung des Wasserstoffs bei einer Temperatur von 500 bis 800°C durchgeführt werden. Bevorzugt ist ein Temperaturbereich von 500 bis 600°C
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Der Gehalt an Hydroxylkomponente in der Ummantelung ist der Quadratwurzel aus dem Wasserdampf-Partialdruck direkt proportional. Dementsprechend ist es zur Verminderung des Gehalts an diffusionsfähigem Wasserstoff durch Verminderung des Gehalts an Hydroxylkomponente in der Ummantelung bevorzugt, daß der Wasserdampf-Partialdruck in der Brennatmosphäre auf ein möglichst niedriges Niveau eingestellt wird. Vom technischen und wirtschaftlichen Standpunkt soll jedoch die Verminderung des Wasserdampf-Partialdrucks begrenzt werden. Um einen Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff zu erreichen, mit dem eine Verhinderung der Rißbildung in der Schweißzone ohne Vorerhitzen möglich ist, soll der Feuchtigkeitsgehalt der gasförmiges Kohlendioxid enthaltenden Atmosphäre geringer sein als der Gehalt, der dem Taupunkt von 5°C entspricht, was innerhalb der technisch und wirtschaftlich vertretbaren Grenzen des Taupunkts für das Brennen liegt.
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Die Anwesenheit von Wasserstoff oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen in dem gasförmigen Kohlendioxid, das der Brennluft zugesetzt wird, ist nicht bevorzugt, da dabei die Wasserstoffquellen in dem Mantel nicht vermindert, sondern manchmal sogar vermehrt werden.
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Im Verfahren der Erfindung kann die mit der Ummantelung versehene Elektrode vorher an gewöhnlicher Luft getrocknet werden. Der Mantel der Elektrode enthält jedoch noch eine beträchtliche Menge Wasser. Ausreichend getrocknetes gasförmiges Kohlendioxid wird deshalb von außen in den Brennofen eingeleitet. Danach wird das Brennen in dem Ofen in einer Atmosphäre durchgeführt, die den erforderlichen Kohlendioxidgehalt aufweist. Solange die Luft in dem Brennofen nicht vollständig durch die Atmosphäre mit dem erforderlichen Kohlendioxidgehalt ersetzt wird, kann weder die Verminderung des Feuchtigkeitsgehalts in der Ofenatmosphäre auf ein Maß, das einem Taupunkt von 5°C entspricht, noch die Verminderung des Gehalts an Hydroxylgruppen in dem Mantel erreicht werden. Bei Verwendung eines Ofens mit Direktbeheizung wird zum Brennen die Verbrennungswärme eines Brennstoffs als Wärmequelle benutzt. In diesem Fall wird der Taupunkt der Atmosphäre überhaupt nicht erniedrigt, da in dem Verbrennungs-Abgas Wasser enthalten ist. Vorzugsweise wird deshalb als Brennofen ein indirekt beheizter Ofen verwendet. Im Verfahren zur Herstellung der Elektroden der Erfindung ist die für das Brennen erforderliche Zeit kürzer, wenn die Brenntemperatur höher ist. Gewöhnlich reicht es aus, wenn das Brennen 10 Minuten bis 4 Stunden durchgeführt wird. Als Ofen für die Durchführung des Brennens kann sowohl ein Durchlauf- Brennofen oder ein absatzweise betriebener Ofen verwendet werden. Die Öfen sind mit einer Einrichtung zur Kontrolle der Atmosphäre ausgerüstet, die den Taupunkt auf 5°C oder darunter halten kann.
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Im Verfahren der Erfindung kann der Ummantelung eine Lithiumverbindung in einer Menge von 0,005 bis 0,4%, berechnet als Lithium, zusammen mit den anderen Bestandteilen des Mantels zugesetzt werden. Wenn die Menge an Lithium in der Ummantelung geringer als 0,005% ist, dann kann die Elektrode, die der Behandlung zur Entfernung des Wasserstoffs unterzogen wurde, die Neigung zu erneuter Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen. Dabei wird dann keine Verminderung des Gehalts an diffusionsfähigem Wasserstoff im erhaltenen Schweißgut auf ein ausreichend niedriges Maß erreicht. Liegt die Menge an Lithium in dem Mantel andererseits über 0,4%, dann wird der Lichtbogen nicht stabilisiert und die praktische Verwendbarkeit wird ungenügend. In der Ausführungsform der Erfindung, in der eine Lithiumverbindung der Ummantelung zugesetzt wird, wird die Menge an Lithium deshalb auf den Bereich von 0,005 bis 0,4% eingestellt. Als Lithiumverbindungen, die der Ummantelung zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme zugesetzt werden, kommen beispielsweise Lithiumhydroxid, Lithiumfluorid, Lithiumsalze von organischen Säuren und Lithiumsilikat in Frage.
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Da das Brennen im Verfahren der Erfindung bei einer Temperatur von 500 bis 800°C durchgeführt wird, werden häufig in der Elektrodenummantelung in großer Menge als Mittel zur Bildung eines Lichtbogen-Abschirmgases enthaltene organische Verbindungen während des Brennens zersetzt. Die Elektrode ist deshalb eine Lichtbogen-Mantelelektrode vom Typ mit niedrigem Wasserstoffgehalt, bei der die Ummantelung ein anorganisches Carbonat, wie Calcium-, Magnesium-, Mangan-, Barium- oder Strontiumcarbonat, ein anorganisches Fluorid, wie Calcium-, Barium-, Magnesium-, Strontium-, Natrium- oder Aluminiumfluorid, und ein anorganisches Oxid, wie Siliziumdioxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid, als Hauptbestandteile in Mengen von jeweils 0,5 bis 60% enthält.
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Beim Verfahren der Aufbringung des Mantels auf den Seelendraht werden die vorstehend genannten jeweiligen Hauptkomponenten, gegebenenfalls mit einem Desoxidationsmittel, einem Legierungsbildner und anderen Zusätzen, wie FeSi, Fe-Ti, FeAl, metallisches Mn, Ni, Cr und Fe-Mo, mit Wasserglas als Binder geknetet, das hauptsächlich aus Kalium- und Natriumsilikaten besteht. Das erhaltene geknetete Gemisch wird sodann in einer Menge von 20 bis 40%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, mit Hilfe einer üblichen Vorrichtung zur Beschichtung von Elektroden auf den Seelendraht aufgebracht. Die beschichtete Elektrode wird auf 100 bis 350°C erhitzt, um eine Vortrocknung durchzuführen, und dann unter den Bedingungen der Erfindung gebrannt.
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Das Beispiel erläutert die Erfindung.
Beispiel
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Die Elektroden werden unter den in Tabelle I aufgeführten Bedingungen unter Verwendung von Seelendrähten mit einem Durchmesser von 4,0 mm und den in Tabelle II aufgeführten Ummantelungen sowie unter Verwendung einer üblichen Vorrichtung zur Elektrodenbeschichtung hergestellt. Die erhaltenen Elektroden werden verschiedenen Prüfungen unterzogen. Die Ergebnisse davon sind in Tabelle III zusammengefaßt. °=c:240&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz23&udf54; &udf53;vu10&udf54;&udf53;ns&udf54;ÆÆ&udf50;&udf53;ns&udf54;ÆÆ&udf50;&udf53;ns&udf54;ÆÆ&udf50;&udf53;ns&udf54;ÆÆ&udf50;&udf53;ns&udf54;
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Der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff ist in jeder der Elektroden, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden, wesentlich niedriger als in den Elektroden, die nach dem Vergleichsverfahren erhalten werden. Er liegt unter 2,5 mg/100 g. Außerdem hört bei den nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Elektroden bei der Prüfung auf y-Spalt-Rißbildung die Rißbildung bei 20 oder 0°C auf. Im Gegensatz dazu endet die Rißbildung bei allen nach dem Vergleichsverfahren erhaltenen Elektroden erst bei Temperaturen von 100°C und höher.
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Unter den Herstellungsbedingungen B1 weist die kohlendioxidhaltige Atmosphäre einen niedrigen Taupunkt auf, die Brenndauer ist lang, aber die Brenntemperatur niedrig. Das Maß des Abfallens und die Verwendbarkeit sind deshalb gut, der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff und die Feuchtigkeitsabsorption jedoch hoch.
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Unter den Herstellungsbedingungen B2 weist die kohlendioxidhaltige Atmosphäre einen niedrigen Taupunkt auf, die Brenntemperatur ist entsprechend, jedoch ist die Kohlendioxidkonzentration unzureichend. Als Folge davon wird das Carbonat zersetzt, das Maß des Abfallens wird erhöht und die Feuchtigkeitsabsorption ist hoch. Außerdem wird die Verwendbarkeit verschlechtert, das beispielsweise die Perlenform schlechter und die Lichtbogenstabilität gering sind. Außerdem ist die Abschirmung des Lichtbogens so stark verschlechtert, daß Wasserstoff aus der Umgebung eindringt und dadurch die Beständigkeit gegen Rißbildung vermindert wird, weil keine nennenswerte Verminderung des Gehalts an diffusionsfähigem Wasserstoff erreicht wird.
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Unter den Herstellungsbedingungen B3 besteht die Atmosphäre nur aus Kohlendioxid, der Taupunkt der Atmosphäre ist niedrig, jedoch die Brenntemperatur hoch. Deshalb wird das Carbonat zersetzt und das Maß des Abfallens und der Feuchtigkeitsaufnahme der Ummantelung wird hoch. Außerdem wird die Verwendbarkeit verschlechtert. Schließlich ist auch der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff hoch und die Beständigkeit gegen Rißbildung niedrig.
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Unter den Herstellungsbedingungen B4 besteht die Atmosphäre nur aus Luft und die Brenntemperatur ist hoch. Infolgedessen wird das Carbonat zersetzt und das Maß des Abfallens und der Feuchtigkeitsabsorption der Ummantelung wird erhöht. Die Verwendbarkeit wird dabei verschlechtert. Da außerdem auch die Abschirmung des Lichtbogens durch die Zersetzung des Carbonats verschlechtert wird und ferner der Taupunkt der Atmosphäre hoch ist, entstehen Hydroxylgruppen in der Ummantelung und der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut wird höher als im Schweißgut, das mit einer Elektrode erhalten wird, die nach einem üblichen Verfahren hergestellt wird. Auch die Beständigkeit gegen Rißbildung wird verschlechtert.
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Unter den Herstellungsbedingungen B5 wird aus den gleichen Gründen, die vorstehend für die Herstellungsbedingungen B4 erläutert wurden, das Carbonat zersetzt, was zu einem Anstieg des Maßes des Abfallens und der Feuchtigkeitsabsorption der Ummantelung führt. Auch hier verschlechtert sich die Verwendbarkeit. Da der Taupunkt der Atmosphäre niedriger liegt als bei den Herstellungsbedingungen B4 ist aber der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff geringer als derjenige des Schweißgutes, das mit der Elektrode der Bedingungen B4 erhalten wird. Der niedrige Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff bewirkt dabei jedoch keine Erhöhung der Beständigkeit gegen Rißbildung.
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Jede der Elektroden, a1, a2, a3, a4, a5 und a6, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden, entwickelt eine Rauchmenge, die um mindestens 20% niedriger liegt als die gesamte Rauchmenge der Vergleichselektroden b1 oder b2.
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Außerdem ist den vorstehend erläuterten Ergebnissen zu entnehmen, daß die Elektroden mit einer geeigneten Menge an Lithium, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden, eine geringere Feuchtigkeitsabsorption aufweisen als die Elektroden, die zwar ebenfalls nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden, jedoch kein Lithium enthalten.
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In dem Beispiel werden Elektroden mit einem Durchmesser von 4,0 mm verwendet und die Ergebnisse erläutert, die beim Schweißen mit Wechselstrom erhalten werden. Ähnliche Ergebnisse werden erhalten, wenn die gleichen Elektroden zum Schweißen mit Gleichstrom eingesetzt oder wenn Elektroden mit einem Durchmesser von 3,2 oder 3 mm zum Schweißen mit Gleichstrom oder Wechselstrom benutzt werden.
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Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß erfindungsgemäß nicht nur der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut, sondern auch die Gesamtmenge an Rauch und die Feuchtigkeitsabsorption auf ein Maß reduziert werden können, das viel niedriger ist als im Fall von Elektroden, die nach üblichen Verfahren hergestellt werden. Ferner wird die Beständigkeit des Schweißgutes gegen Rißbildung bei gleichbleibender Festigkeit durch die Erfindung merklich verbessert. Die Elektrode der Erfindung ermöglicht ein Schweißen von sehr dicken Stahlblechen und -platten in einer Umgebung mit geringer Rauchmenge und ohne die Notwendigkeit, ein Vorerhitzen durchzuführen.