DE3446609C2

DE3446609C2 -

Info

Publication number: DE3446609C2
Application number: DE3446609A
Authority: DE
Inventors: Kyoichi Nagano; Hiroshi Naganuma; Koichi Shinada; Motonori Tamura; Shigenobu Sagamihara Kanagawa Jp Soneda
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-03-13
Filing date: 1984-12-20
Publication date: 1989-03-30
Also published as: JPH0118836B2; DE3446609A1; JPS60191691A; US4566916A

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißpulver mit niedrigem Wasserstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffgehalt für die Unterpulver-Lichtbogenschweißung von Stahl, basierend auf einem Mehrkomponentensystem von CaO, MgO, Al₂O₃ undSiO₂.

Aus der DE-AS 23 25 063 geht ein agglomeriertes Schweißpulver zum Unterpulver-Schweißen von kaltzähen, nickellegierten Stählen hervor, das als Hauptbestandteil CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂ und CaF₂ enthält. Durch die angegebenen, gewichtsprozentualen Zusammensetzungen dieses Schweißpulvers soll es möglich werden, auch kaltzähe, nickellegierte Stähle mit Wechselstrom zu verschweißen.

Ein ähnliches Schweißpulver geht aus der CH-PS 4 55 463 hervor, wobei der Anteil an Erdalkalioxid, gemessen in Gew.-%, mindestens viermal größer als der Anteil des SiO₂-Gehaltes sein muß. Dadurch sollen hohe Kerbschlagzähigkeiten bei tiefer Temperatur, wie bei der Fertigung von Behältern und Panzerungen, realisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißpulver der angegebenen Gattung zur Verfügung zu stellen, das nur zu einem niedrigen Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff im Schweißgut führt und eine wohlgeformte Schweißraupe ohne Schweißmängel liefert.

Dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß die mit diesem Schweißpulver hergestellten Schweißraupen relativ hochwertig sind und keine Spannungsrisse oder Grübchenbildung zeigen. Gleichzeitig gewährleistet die geringe Basizität des Schweißpulvers die genaue Einstellung seiner physikalischen Eigenschaften, was ebenfalls zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Schweißraupen beiträgt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Kurvendarstellung der Basizität des Schweißpulvers einerseits und des Wasserabsorptionsvermögens des geschmolzenen Schweißpulvers andererseits,

Fig. 2 eine Kurvendarstellung des Verhältnisses zwischen der Basizität des Schweißpulvers und dem Sauerstoffgehalt des Schweißgutes,

Fig. 3 eine Kurvendarstellung des Verhältnisses zwischen der Basizität des Schweißpulvers und dem Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißpulvers,

Fig. 4 eine Kurvendarstellung des Verhältnisses zwischen der Abkühlungsgeschwindigkeit des Schweißpulvers während seiner Herstellung und dem Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff,

Fig. 5 eine Kurvendarstellung des Verhältnisses zwischen dem CO₂-Gehalt des Schweißpulvers seinem Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff,

Fig. 6 eine Kurvendarstellung des Verhältnisses zwischen dem CaF₂-Gehalt des Schweißpulvers und der Stickstoff- Menge, die das Schweißgut bzw. aus der Umgebungsluft absorbiert,

Fig. 7 eine Kurvendarstellung des Verhältnisses zwischen dem CO₂-Gehalt des Schweißpulvers und der Stickstoff- Menge, die das Schweißgut bspw. aus der Umgebungsluft absorbiert, und

Fig. 8 eine Kurvendarstellung des Verhältnisses zwischen dem CO₂-Gehalt des Schweißpulvers und dem Sauerstoffgehalt des Schweißgutes.

Es wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um durch die Schweißpulver-Zusammensetzung eine Lösung für die Probleme zu finden, die beim Schweißen mit niedrigem Sauerstoffgehalt durch Einsatz eines Schweißpulvers mit hoher Basizität entstehen. Dabei ergaben sich die nachfolgend beschriebenen Erkenntnisse.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen der Basizität von geschmolzenen Schweißpulvertypen verschiedener Zusammensetzungen und dem Sauerstoffgehalt des Schweißgutes, wie er sich bei Verwendung von Schweißpulvern beim Unterpulver-Lichtbogenschweißen ergibt. Hierbei wird die Basizität mit B bezeichnet und nach der Formel (I) errechnet. (Wenn im folgenden der Begriff "Basizität B" verwendet wird, läßt sich der entsprechende Wert immer aus der Formel (I) ermitteln).

B = 6,5 N_BaO+6,05 N_CaO+4,8 N_MnO+4,0 N_MgO+3,4 N_FeO
+5,1 N_CaF₂+0,3 N_ZrO₂-0,2N_Al₂O₃-2,2 N_TiO₂-6,3 N_SiO₂ (I)

worin N_k Molprozent der Komponente k ist.

Die Formel (I) schließt K₂O und andere alkalische Metalloxide als unbedeutend aus, da sie im allgemeinen nur in extrem kleinen Anteil vorhanden sind. Außerdem schließt sie die CO₂-Komponente als für diese Berechnung irrelevant aus.

Dem Diagramm kann man entnehmen, daß der Sauerstoffgehalt des Schweißgutes proportional zur Erhöhung der Basizität (B) des Schweißpulvers sinkt, so daß der Sauerstoffgehalt unter 300 ppm fällt, wenn die Basizität (B) über 1,0 steigt. Übersteigt die Basizität (B) 2,0, fällt der Sauerstoffgehalt sogar unter 100 ppm.

Bei einem verschmolzenen Schweißpulver auf der Basis des Systems CaO, MgO, SiO₂ und Al₂O₃ erhöht sich die Viskosität, und die Erweichungs- und Schmelztemperaturen steigen bei hohem CaO-Gehalt und niedrigen CaO- sowie hohem Al₂O₃-Gehalt. In diesen Bereichen erscheint die Schweißraupe in stabiler Form. Besonders bei hohem Al₂O₃-Gehalt entstehen Ausstülpungen in der Mitte der Schweißraupenoberfläche; die einem Pferderücken ähneln, und es bilden sich pockenartige Narben aus. Eine mögliche Ursache für die "Pockennarben" liegt darin, daß bei hoher Viskosität des verschmolzenen Schweißpulvers das durch die Reaktion C+O→CO entstandenes CO-Gas die Schicht des geschmolzenen Schweißpulvers nicht durchdringen kann und sich im Grenzbereich Schweißpulver-Schweißgut ansammelt. Obwohl die Erweichungs- und Schmelztemperatur sowie die Viskosität des Schweißpulvers durch die Veränderung des MgO-Gehaltes nicht merklich beeinflußt werden, wirkt sich diese negativ auf die Form der Schweißraupe aus.

Bei Systemen mit hohem MgO-Gehalt tritt das "Einbrandkerben-Phänomen" auf. Bei steigendem MgO-Gehalt erhöht sich auch die Menge von Schlackeneinschlüssen. Der Schwankungsbereich in der Einbrandkerbentiefe vergrößert sich proportional zur Erhöhung des MgO-Gehaltes des Schweißpulvers. Es ist erwiesen, daß sich die Schlackeneinschlußmenge im gleichen Verhältnis wie die Einbrandkerbentiefe ändert.

Man hat deshalb den Rückschluß gezogen, daß MgO die Stabilität des Lichtbogens gefährdet und sich folglich negativ auf die Schweißnahtfestigkeit, den Schlackeneinsschluß und das Auftreten von Einbrandkerben auswirkt. Anhand von Demonstrationsversuchen wurde nachgewiesen, daß die Erhöhung des SiO₂-Gehaltes des Schweißpulvers und der Zusatz von CaF₂ den Schlackeneinschluß wirkungsvoll verhindern, und daß sich die Schwankungsbreite der Kerbentiefe durch Erhöhung der Menge solcher Komponenten verringert.

SiO₂ und CaF₂ sind Komponenten, die sich positiv auf die Regulierung der Eigenschaften des geschmolzenen Schweißpulvers auswirken. Wenn allerdings der SiO₂-Gehalt steigt, erhöht sich auch der Sauerstoffgehalt des Schweißgutes. Wenn der CaF₂-Gehalt zu groß wird, kann die daraus resultierende CaF₂-Vergasung möglicherweise so weit gehen, daß sie zur Ausbildung von "Pockennarben" und "Fischgräten" auf der Schweißraupenoberfläche führt. Bei der Analyse der nach dem Schweißen zurückbleibenden Schlacke stellt man fest, daß diese einen niedrigeren Gehalt an CaF₂, SiO₂ und Al₂O₃ und einen höheren CaO-Gehalt hat als das Schweißpulver. Ein möglicher Grund für die Veränderung ist, daß bei der Vergasung neben der Verdampfung von CaF₂ selbst folgende Reaktionen ablaufen:

2 CaF₂+SiO₂→2 CaO+SiF₄↑
3 CaF₂+Al₂O₃→3 CaO+2 AlF₃↑.

Das Grübchenphänomen tritt in Systemen mit hohem CaO-Gehalt auf. eine logische Erklärung für dieses Phänomen verlangt, daß der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes steigt, weil die Basizität des Schweißpulvers erhöht wird und folglich auch der Wassergehalt des Schweißpulvers durch Erhöhung des CaO-Gehaltes durch im folgenden beschriebene Mechanismen steigt.

Bei einem hochbasischen Schweißpulver, das zu niedrigem Sauerstoffgehalt des Schweißgutes führt, muß die Zusammensetzung der Schweißpulver-Komponenten unter Berücksichtigung der Wirkungen der einzelnen Komponenten auf die physikalischen Eigenschaften des geschmolzenen Schweißpulvers, dem Zustand des Lichtbogens, die Ausbildung gasförmiger Komponenten, usw. gezielt gesteuert werden.

Bei einem hochbasischen Schweißpulver tritt das Problem des diffusionsfähigen Wasserstoffes auf. Fig. 3 stellt das Verhältnis zwischen der Schweißpulver-Basizität B und dem Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut dar.

Der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff wurde in Übereinstimmung mit dem Verfahren nach der japanischen Norm JIS Z3116 bestimmt. In dieser Beschreibung genannte Wasserstoffwerte sind sämtlich durch dieses Verfahren bestimmt worden.

Im Diagramm nach Fig. 3 stellen die Kurven mit den Dreiecken und den liegenden Kreuzen die Daten für geschmolzene Schweißpulver dar, die durch Verschmelzen von Rohstoffen im Elektroofen, Stürzen des verschmolzenen Gemisches aus dem Ofen auf eine Eisenplatte und Luftkühlung hergestellt weden. Das durch die Dreiecke dargestellte Schweißpulver enthielt nicht mehr als 10% CaF₂, und das durch die liegenden Kreuze wiedergegebene nicht weniger als 25% CaF₂.

In dem Schweißpulver mit niedrigem CaF₂-Gehalt, das mit Luft gekühlt wurde, ist der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff klein, wenn die Basizität (B) weniger als 2,5 beträgt, beginnt aber abrupt zu steigen, sobald die Basizität (B) 2,5 übersteigt. Um den Wasserstoffgehalt unter 6 cm³/100 g DM (= deposited metall = abgelagertes Metall) zu halten, muß daher die Basizität (B) des Schweißpulvers unter 3,0 gehalten werden.

Man hat herausgefunden, daß bei dem luftgekühlten Schweißpulver das hydratisierende Mineral, das im Bereich von Zusammensetzungen mit hoher Basizität kristallisiert, die Hauptursache für das abrupte Ansteigen des Wasserstoffgehaltes über die Basizität von 2,5 ist. Obwohl diese Art von hydratisierendem Mineral mit dem System der im Schweißpulver vorkommenden Komponenten schwankt, ist es in dem von dieser Erfindung betrachteten Mehrkomponentensystem als 12 CaO · 7 Al₂O₃ (hier kurz als C₁₂A₇ bezeichnet) indentifiziert worden. Die Verhinderung der Bildung dieses hydratisierenden Materials stellt daher eine Maßnahme zur Verringerung des Gehaltes an diffusionsfähigem Wasserstoff der Schweißstelle beim Schweißen mit einem luftgekühlten Schweißpulver dar, das die Voraussetzung Basizität B größer 2,5 erfüllt.

Um die Kristallisierung von C₁₂A₇ zu verhindern, stehen zwei Mittel zur Verfügung. Eines besteht in der Erhöhung des CaF₂-Gehaltes des Schweißpulvers wie in der Kurve mit den Kreuzen (Fig. 3) vorgeschlagen. Der C₁₂A₇-Gehalt sinkt proportional zum Anstieg des CaF₂-Gehaltes. Man hat nachgewiesen, daß beim Ansteigen des CaF₂- Gehaltes 3 CaO · 2 SiO₂ · CaF₂ (Cuspidin) und 3 CaO · 3 Al₂O₃ · CaF₂ entstehen und so stark ausbreiten, daß sie die Ausbildung von C₁₂A₇ behindern. Bei dem anderen Mittel wird das in einem Elektroofen geschmolzene Schweißpulver nach dem Herausnehmen einer schnellen Luftkühlung unterzogen.

Geschmolzenes Schweißpulver wurde aus dem Elektroofen auf eine mit einer Umrandung versehene Eisenplatte gegossen und in verschieden dicken Schichten von 8 mm, 16 mm und 55 mm breitgestrichen. Die Schicht geschmolzenen Schweißpulvers wurde auf die Abkühlungsgeschwindigkeit am Mittelpunkt in Richtung der Schichtdicke geprüft. Die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit von 1650°C auf 1000°C betrug 50°C/min, 5°C/min bzw. 0,5°C/min. Die durch die verschiedenen Luftkühlungsprozesse erhaltenen Schweißpulvermuster wurden auf ihren Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 gezeigt. Aus diesem Diagramm kann man ersehen, daß der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff proportional zur Abkühlungsgeschwindigkeit steigt und sich extrem veringert, wenn die Abkühlungsgeschwindigkeit 5°C/min übersteigt. Durch Röntgenbeugung wurde nachgewiesen, daß bei dieser Abkühlungsgeschwindigkeit der C₁₂A₇-Gehalt des Schweißpulvers extrem klein ist.

Damit die Ausbildung von C₁₂A₇ durch Erhöhung des CaF₂-Gehaltes verringert wird, muß der CaF₂-Gehalt mindestens 25% betragen. Um den C₁₂A₇-Gehalt durch Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit zu verringern, muß die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit von 1650°C auf 1000°C mindestens 5°C/min betragen. Diese Voraussetzung wird dadurch erfüllt, daß man das ausgetragene geschmolzene Schweißpulver in einer Schichtdicke von nicht mehr als etwa 20 mm ausstreicht und dann an der Luft abkühlen läßt, oder während des Austragens aus dem Ofen einen Luftstrahl auf das geschmolzene Schweißpulver richtet.

Die Tatsache, daß das Schweißpulver nach dem eben erwähnten Verfahren behandelt wurde, wird in dieser Beschreibung durch die Aussage "schnelle Luftkühlung" ausgedrückt. Zur Unterscheidung von Luftkühlungsverfahren, die nichts mit der Abkühlgeschwindigkeit zu tun haben, werden letztere durch die Aussage "Luftkühlung" beschrieben.

Der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff im Schweißgut kann noch durch ein anderes Mittel gesenkt werden. Fig. 5 stellt das Ergebnis eines Versuchs dar, bei dem durch Zugabe von wechselnden Mengen an Kalkstein (CaCO₃: Kalzit in der Mineralogieterminologie) zu zwei verschiedenen Schweißpulvern der Partialdruck des Wasserstoffs, in der Lichtbogenhöhlung durch das beim Schweißen durch die Zersetzung des Kalksteins freigewordene CO₂ gesenkt wird. Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff proportional abnimmt, wie dem Schweißpulver CO₂ (über Kalkstein) zugeführt wird, aber daß dieser Effekt eine Sättigung erreicht, wenn der CO₂-Anteil 3% übersteigt. Eine wirkungsvollere Verringerung des Wasserstoffgehaltes läßt sich erreichen, wenn man diese Maßnahme mit dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Schweißpulver kombiniert.

Als nächstes werden die Ergebnisse der Untersuchung beschrieben, die bei der Suche nach Mitteln zur Senkung des Stickstoffgehaltes im Schweißgut durchgeführt wurde. Es sind verschiedene Theorien zur Erklärung des Mechanismus der wechselseitigen Veränderung im Sauerstoff- und Stickstoffgehalt des Schweißgutes durch Einwirkung von Schweißpulver verschiedener Komponenten vorgebracht worden. Keine dieser Theorien ist allgemein anerkannt worden. Es wurden nun zwei Verfahren gefunden, bei denen die Abschirmfunktion der gasförmigen Komponente den Stickstoffgehalt senken kann, während gleichzeitig der Sauerstoffgehalt des Schweißgutes gesenkt, oder zumindest sein Ansteigen verhindert wird.

Fig. 6 stellt Daten dar, die bei der Herstellung von vier Arten von Schweißpulvern mit unterschiedlichem CaF₂-Gehalt und Analyse des unter Einsatz dieser Schweißpulver hergstellten Schweißgutes auf ihren Stickstoffgehalt gewonnen wurden. Die hier angegebenen Stickstoffgehalte sind die gemäß folgender Formel errechneten ΔN-Werte

mit
N = in der Analyse festgestellter Stickstoffgehalt des Schweißgutes (ppm),
N₁ = Stickstoffgehalt des Grundmetalls (ppm),
N₂ = Stickstoffgehalt des Drahtes (ppm),
w₁ = die Menge des während des Schweißvorgangs geschmolzenen Basismetalls und
w₂ = die Menge des während des Schweißvorgangs geschmolzenen Drahtes.

Der Stickstoffgehalt N des Schweißgutes wird durch den Stickstoffgehalt des Basismetalls und des Drahtes beeinflußt, während man den Wert ΔN als Darstellung der Veränderung des Stickstoffgehaltes durch Einwirkung des Schweißpulvers ansehen kann unter gleichzeitigem Ausschluß anderer Wirkungen.

Es ist aus dem Diagramm ersichtlich, daß der Stickstoffwert ΔN proportional zum Anstieg des CaF₂-Gehaltes des Schweißpulvers absinkt, und daß dieser Gehalt 20 ppm nicht übersteigt, sofern der CaF₂-Gehalt größer als 20% ist. Wie schon erwähnt, wird dies der Tatsache zugeschrieben, daß die bei der Vergasung von CaF₂ durch die Hitze des Lichtbogens entstehenden Gase in der Form CaF₂↑, SiF₄↑ und AlF₃↑ einen Abschirmeffekt liefern, der die andernfalls mögliche Absorption von Stickstoff aus der Umgebungsluft verhindert. Diese Gase haben keine Möglichkeit, den Sauerstoffgehalt des Schweißgutes zu erhöhen. Tatsächlich sinkt der Sauerstoffgehalt des Schweißgutes proportional zur Zunahme des CaF₂.

Fig. 7 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs, bei dem zwei verschiedene Schweißpulver mit jeweils unterschiedlichem CO₂-Gehalt ähnlich wie bei dem Versuch nach Fig. 5 hergestellt und dann die Wirkung des CO₂-Gehaltes auf den Stickstoffwert ΔN festgestellt wurde. Im Diagramm steht die Kurve mit den Kreisen für die Daten, die aus einem Schweißpulver mit Partikeln kleiner als 63 µm in einer Menge von nicht weniger als 20% und die Kurve mit den Dreiecken für die Daten, die aus einem Schweißpulver mit Partikeln kleiner als 63 µm in einer Menge von nicht mehr als 20% gewonnen wurden. Aus diesem Diagramm kann man ersehen, daß der Stickstoffwert ΔN proportional zum Anstieg des CO₂- Gehaltes absinkt. Man nimmt an, daß dieser Randeffekt allmählich abnimmt und die CO₂-Wirkung abflacht, wenn der CO₂-Gehalt 5% übersteigt. Trotz der Befürchtung, daß CO₂ den Sauerstoffgehalt des Schweißgutes erhöhen könnte, deuten die Daten in Fig. 8 darauf hin, daß sich zwar der Sauerstoffgehalt der Schweißung bei Verwendung anderer Schweißpulver (in der Kurve mit den Dreiecken gezeigt) erhöht, diese Erhöhung des Sauerstoffgehaltes aber nur gering ist, selbst wenn der CO₂-Gehalt des Schweißpulvers des beanspruchten Systems erhöht wird (in der Kurve mit den Kreisen gezeigt).

Durch Anwendung dieser Verfahren in geeigneten Kombinationen kann man den Stickstoffgehalt des Schweißgutes senken, ohne dadurch eine Erhöhung, oder zumindest eine merkliche Erhöhung, des Sauerstoffgehaltes zu verursachen.

Auf der Basis der oben beschriebenen Erkenntnisse ist ein Schweißpulver optimiert worden und kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Ein gattungsgemäßes Schweißpulver für das Unterpulver-Lichtbogenschweißen, das gleichzeitig den folgenden Bedingungen Rechnung trägt:

1) Bedingungen (1), (2) und (3)
2) Bedingungen (1), (2), (3), (4) und (5)-(a)
3) Bedingungen (1), (2), (3) und (5)-(b)
4) Bedingungen (1), (2), (3), (4) und (6)
5) Bedingungen (1), (2), (3), (4), (5)-(b) und (6)

Bedingung (1)

Das Schweißpulver basiert auf einem Mehrkomponentensystem von CaO, MgO, Al₂O₃ und SiO₂ dergestalt, daß die Anteile der vier Komponenten an der Gesamtmenge, die als Einheit (100%) angenommen wird, in folgende Bereiche fallen:

CaO:
10 bis 60%
MgO:	Nicht über 30%
Al₂O₃:	20 bis 70%
SiO₂:	5 bis 40%

und die Gesamtmenge der Komponenten nicht weniger als 35% des Gesamtgewichts des Schweißpulvers abzüglich der CO₂-Komponente ausmacht.

Bedingung (2)

Das Schweißpulver enthält CaF₂ in einer Menge von 25 bis 65%, basierend auf dem Gesamtgewicht des Schweißpulvers ausschließlich der CO₂-Komponente.

Bedingung (3)

Die Basizität (B) des Schweißpulvers, welche gemäß der folgenden Formel (I) berechnet wurde, ist nicht kleiner als 1,0

B = 6,50 N_BaO+6,05 N_CaO+4,8 N_MnO+4,0 N_MgO+3,4 N_FeO
+5,1 N_CaF₂+0,3 N_ZrO₂-0,2N _Al₂O₃-2,2 N_TiO₂-6,3 N_SiO₂ (I)

mit N_k = Molprozent der Komponente k.

Bedingung (4)

Das Schweißpulver enthält gleichzeitig eine geschmolzene und eine nicht-geschmolzene Substanz.

Bedingung (5)-(a)

Die geschmolzene Substanz ist einer Luftkühlung unterzogen worden und die gemäß der Formel (I) berechnete Basizität (B) liegt nicht über 3,0.

B = 6,50 N_BaO+6,05 N_CaO+4,8 N_MnO+4,0 N_MgO+3,4 N_FeO
+5,1 N_CaF₂+0,3 N_ZrO₂-0,2N_Al₂O₃-2,2 N_TiO₂-6,3 N_SiO₂ (I)

mit N_k = Molprozent der Komponente k.

Bedingung (5)-(b)

Die geschmolzene Substanz ist einer schnellen Luftkühlung unterzogen worden.

Bedingung (6)

Die nicht-geschmolzene Substanz enthält ein Karbonat-Mineral in einer solchen Menge, daß die CO₂-Komponente des Karbonatminerals zu CO₂-Gas reduziert einen Anteil von 0,2 bis 5,0% des Gesamtgewichtes des Schweißpulvers abzüglich der CO₂-Komponente ausmacht.

Damit ein Schweißpulver eine hohe Basizität hat, muß es basische Oxide wie CaO, BaO und MgO in großen Mengen enthalten. Als Rohstoffe für diese Oxide verwendet man zum Beispiel im allgemeinen Kalkstein (CaCO₃) und Wollastonit (CaSiO₃) für CaO, Bariumkarbonat (BaCO₃) für BaO und Magnesiumschlacke (MgO) und Olivinsand (Mg₂SiO₄) für MgO. Durch Verwendung von Rohstoffen wie CaSiO₃ und Mg₂SiO₄, die SiO₂ enthalten, kann man die Basizität des Schweißpulvers nicht so weit erhöhen, wie es wünschenswert wäre. Wenn Karbonate wie CaCO₃ und BaCO₃ in großen Mengen vorhanden sind und der CO₂-Gehalt des Schweißpulvers zu stark erhöht wird, führt dies zu Schwierigkeiten, wie z. B. die Ausbildung von Pockennarben.

Die Rohstoffe, die zur Anwendung kommen, werden in zwei Gruppen geteilt. Die Rohstoffe der einen Gruppe werden z. B. in einem Elektroofen geschmolzen, gekühlt und dann vor Verwendung zu einer geeigneten Größe pulverisiert. (In dieser Beschreibung werden diese Rohstoffe mit dem Sammelbegriff "geschmolzene Substanz" bezeichnet.) Die Rohstoffe der anderen Gruppe kommen in ihrer unveränderten Form zur Verwendung. (Diese Rohstoffe werden in der Beschreibung mit dem Sammelbegriff "nicht- geschmolzene Substanz" bezeichnet.) Die Rohstoffe der beiden Gruppen werden vermischt, um ein Schweißpulver zur Verwendung beim Schweißen herzustellen. Wenn die geschmolzene Substanz eine Basizität von nicht mehr als 2,7, und die nicht-geschmolzene Substanz so hergestellt wird, daß sie eine Basizität von nicht weniger als 2,7 hat, und die beiden Substanzen zur Herstellung eines Schweißpulvers vermischt werden, so ist es möglich, den Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff bei nicht über 6 cm³/100 g DM (= deposited metal = abgelagertes Metall) zu halten. Dadurch, daß man die Basizität der nicht-geschmolzenen Substanz 2,7 übersteigen läßt, sind beide Anforderungen, nämlich eine Basizität des Schweißpulvers über 2,7 und ein niedriger Sauerstoffgehalt des Schweißgutes erfüllt. Darüber hinaus gestattet der Einschluß einer Karbonatquelle in die nicht-geschmolzene Substanz die freie Veränderung des CO₂-Gehaltes des Schweißpulvers und macht es folglich möglich, den Wasserstoff- und Stickstoffgehalt wie in Fig. 5 und 7 angegeben, zu steuern.

Der zulässige Stickstoffgehalt des Schweißgutes wird durch den Zweck des Schweißvorgangs und die Art der anderen Legierungselemente des Schweißgutes bestimmt. Außerdem wird der Stickstoffgehalt des Schweißgutes auffällig durch den Stickstoffgehalt des Basismetalls, das dem Schweißvorgang unterzogen wird, und den des Schweißdrahtes beeinflußt. Wenn diese Bedingungen nicht festgelegt sind, kann man den angemessenen Stickstoffwert ΔN, den das Schweißpulver für den Schweißvorgang erreichen muß, nicht ermitteln. Als Richtwert für den Stickstoffgehalt, unter dem das Schweißpulver allgemein Anwendung in einem erweiterten Bereich finden kann, gilt das Prinzip ΔN<20 ppm oder noch besser ΔN<10 ppm herbeizuführen. Ähnlich wird der zulässige Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff durch das Schweißverfahren, bei dem der Schweißaufbau verwendet wird, die Festigkeit des Basismaterials, das geschweißt werden soll, usw. bestimmt. Dabei geht man von dem Prinzip aus, daß ein Ansteigen des Wasserstoffgehaltes auf über 6 cm³/100 g DM, besser noch 3 cm³/100 g DM und insbesondere 1 cm³/100 g DM, verhindert wird.

Neben den oben erwähnten Bedingungen wird das Prinzip benutzt, ein Ansteigen des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf über 300 ppm zu verhindern und eine wohlgeformte Schweißraupe ohne Ausbildung von Schweißmängeln herzustellen.

Im folgenden werden jetzt die Gründe beschrieben, warum jede der oben aufgelisteten Bedingungen gestellt wurde:

Zu Bedingung (1)

Um ein Abnehmen des Sauerstoffgehaltes im Schweißgut sicherzustellen, muß die Basizität des Schweißpulvers auf einem hohen Niveau gehalten werden. Zu diesem Zweck wurde erwogen, die verwendete Menge an SiO₂ zu beschränken, eine besondere Substanz, die für die Einstellung der physikalischen Eigenschaften des Schweißpulvers vorteilhaft ist, aber eine hohe Acidität besitzt, und Al₂O₃, eine Substanz, die eine Zwischenstufe zwischen Neutralität und Acidität darstellt, als für die Einstellung der physikalischen Eigenschaften notwendige saure Hauptkomponente einzusetzen und darüber hinaus CaO und MgO als typische basische Komponenten zu verwenden. Demzufolge basiert dieses Schweißpulver auf dem System CaO, MgO, Al₂O₃ und SiO₂.

CaO ist ein basisches Oxid, das verwendet wird, um die Basizität des Schweißpulvers auf einem hohen Niveau zu halten. Wenn der Anteil des CaO-Gehaltes an der Gesamtmenge der oben erwähnten vier als Einheit (100%) genommenen Komponenten 60% übersteigt, steigt die Viskosität des geschmolzenen Schweißpulvers so übermäßig an, daß sie die stabile Form der Verstärkung der Schweißraupe gefährdet und zur Ausbildung von Pockennarben und Löchern führt. Wenn der CaO-Gehalt unter 10% liegt, erhöht sich die Viskosität, und die Erweichungs- und Schmelztemperatur steigt so stark an, daß die Entfernung des eingeschlossenen Gases durch die Schlacke nur unter Schwierigkeiten vonstatten geht und sich folglich Pockennarben ausbilden. Außerdem bilden sich durch die Wirkung des zum Ausgleich des Verlustes an CaO erhöhten MgO- und Al₂O₃-Gehaltes entlang des Mittelteils der Schweißraupe Ausstülpungen, die einem Pferderücken ähneln, sowie Einbrandkerben. In dem Bereich mit einem Al₂O₃-Gehalt von über 70% tritt das gleiche Problem einer unschön geformten Schweißraupe von Schweißmängeln auf wie im Bereich mit einem CaO-Gehalt von unter 10%. Im Bereich mit einem Al₂O₃-Gehalt von unter 20% tritt das gleiche Problem auf wie schon im Bereich mit einem CaO-Gehalt von über 60%.

Auch MgO ist ein Oxid, das man zur Erhaltung der Basizität des Schweißpulvers auf einem hohen Niveau einsetzen kann. Wenn der Anteil des MgO-Gehaltes 30% übersteigt, wird jedoch die Einbrandkerbenform instabil und der Schlackeneinschluß steigt. In dieser Verfassung kann man den Schlackeneinschluß nicht mehr durch zusätzliche Zugabe von CaF₂, wie im nachfolgenden beschrieben, verhindern. Wenn der MgO-Gehalt 30% übersteigt, ist die Form der Schweißraupenverstärkung instabil, und es treten Einbrandkerben auf.

SiO₂ ist eine Substanz, die sich positiv auf die Einstellung der physikalischen Eigenschaften des Schweißpulvers und die Herstellung wohlgeformter Schweißraupen auswirkt. Wenn der SiO₂-Gehalt 40% jedoch übersteigt,wird es schwierig, den Sauerstoffgehalt des Schweißgutes unter der 300-ppm-Marke zu halten, was im nachfolgenden näher erläutert wird. Wenn der SiO₂-Gehalt weniger als 5% beträgt, ist die Form der Schweißraupe ziemlich instabil und auch der Sauerstoffgehalt des Schweißgutes verzeichnet trotz einer Erhöhung der Basizität einen leichten Anstieg. Deshalb müssen die CaO-, MgO-, Al₂O₃- und SiO₂- Gehalte in die oben beschriebenen Bereiche fallen und die Gesamtmenge dieser vier Komponenten muß 35% des Gewichtes des Schweißpulvers übersteigen. Wenn die Gesamtmenge weniger als 35% beträgt, kann sich die dem fraglichen System eigene Wirkung nicht mehr voll manifestieren, und die Herstellung einer wohlgeformten Schweißraupe ist nicht mehr durchführbar.

Zu Bedingung (2)

In diesem Schweißpulver erfüllt CaF₂ verschiedene Funktionen. Erstens ist CaF₂ ein basisches Fluorid, welches das Schweißpulver hoch-basisch macht. Da CaF₂ die Viskosität und die Erweichungs- und Schmelztemperaturen des Schweißpulvers senken kann, ist die Verwendung dieser Komponente in einem geeigneten Anteil für die Herstellung einer wohlgeformten Schweißraupe vorteilhaft. Ferner hat CaF₂ die auffällige Wirkung, daß es die Form der Einbrandkerbe stabilisiert und Schlackeneinschluß verhindert.

Die in diesem Verhältnis verwendete CaF₂-Komponente reicht nicht aus, sowohl die vom Schweißgut absorbierte Stickstoffmenge als auch den Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes wie unten beschrieben zu senken.

Die Bedingung (2) setzt die Untergrenze des CaF₂-Gehaltes bei 25% fest mit dem Zweck, ein Ansteigen des Stickstoffgehaltes auf über 20 ppm, wie in Fig. 6, gezeigt, zu verhindern. Tatsächlich kann der CaF₂- Gehalt unter den Bereich von 15 bis 20 ppm gesenkt werden. Die Obergrenze des CaF₂-Gehaltes von 65% soll gewährleisten, daß die durch Bedingung (1) erzielten Eigenschaften nicht gefährdet werden.

Zu Bedingung (3)

Die Untergrenze der Basizität des Schweißpulvers ist bei 1,0 festgelegt mit dem Zweck, ein Ansteigen des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf über 300 ppm, wie in Fig. 2 gezeigt, zu verhindern.

Zu Bedingung (4)

Der Gedanke, die Schweißpulverrohstoffe in zwei Gruppen zu teilen, die eine Gruppe in ihrer Gesamtheit als geschmolzene Substanz und die andere Gruppe in ihrer Gesamtheit als nicht-geschmolzene Substanz zu behandeln, und die geschmolzene und die nicht-geschmolzene Substanz dann zur Herstellung eines Schweißpulvers wie oben beschrieben zu vermischen, stellt eine wirksame Annäherungsmethode dar, das Beste aus den Stärken der Schweißpulver der geschmolzenen und der gebundenen Art zu machen und Schwachstellen auszugleichen.

Im allgemeinen enthalten die Rohstoffe für das Schweißpulver Wasser, wenn auch in geringer Menge. Das Wasser kommt hauptsächlich aus Flüssigkeitseinschlüssen und den von den Rohstoffen unweigerlich mitgeführten Spurenmineralien, die Kristallisierungswasser enthalten. Üblicherweise hängen sowohl an der geschmolzenen als auch an der nicht- geschmolzenen Substanz kleine Mengen Wasser. Ferner enthält das Schweißpulver der gebundenen Art durch das Wasserglas eingebrachtes Wasser. Um das Wasser verschiedener Herkunft zu entfernen, muß das behandelte Schweißpulver wie bei der Herstellung des Schweißpulvers der gebundenen Art für etwa zwei Stunden bei Temperaturen im Bereich zwischen 300° und 600°C getrocknet oder gebrannt werden. Wird diese Behandlung bei Temperaturen über 600°C durchgeführt, zersetzt sich das Karbonatmineral in hydratisierende Mineralien wie z. B. CaO. Wenn in diesem Fall die geschmolzene Substanz nicht weniger als 25% CaF₂ enthält, wird die CaF₂-Komponente rekristallisiert und induziert die Kristallisation solcher hydratisierender Mineralien wie C₁₂A₇ mit dem möglichen Ergebnis, daß der Wasseranteil des Schweißpulvers steigt. Abhängig von der Formulierung des Schweißpulvers muß daher die Temperatur für dieses Verfahren unter Berücksichtigung dieses besonderen Hitzeverhaltens festgelegt werden.

Zu Bedingung (5)

Die Bedingung (5)-(a) spezifiziert, daß die geschmolzene Substanz mit Luft gekült wurde und eine Basizität (B) von nicht mehr als 3,0 besitzt mit dem Zweck, den Wasserstoffgehalt unter 6 cm³/100 g DM, wie in Fig. 3 gezeigt, zu halten.

Die Bedingung (5)-(b) spezifiziert, daß die geschmolzene Substanz einer schnellen Luftkühlung ausgesetzt wurde, weil die geschmolzene Substanz durch die schnelle Luftkühlung die Kristallisation von C₁₂A₇ minimal und den Wasserstoffgehalt unter 6 cm³/100 g DM halten kann. Tatsächlich kann der Wasserstoffgehalt sogar unter 3 cm³/100 g DM bis in die Nähe von etwas über 1 cm³ gesenkt werden.

Zu Bedingung (6)

Die Bedingung (6) spezifiziert, daß die nicht-geschmolzene Substanz ein Karbonatmineral in solcher Menge enthält, daß das in dem Karbonmineral enthaltene, zu CO₂-Gas reduzierte CO₂ einen Anteil von zwischen 0,2 bis 5,0% des Gesamtgewichts des Schweißpulvers abzüglich dessen CO₂-Komponente ausmacht mit dem Zweck, daß sich die nicht-geschmolzene Substanz unter CO₂-Entwicklung durch die Hitze des Lichtbogens während des Schweißvorgangs zersetzen kann. Dies erklärt, warum die nicht-geschmolzene Substanz das Karbonatmineral enthalten muß. Wie in Fig. 5 und 7 gezeigt, trägt das CO₂-Gas zur Abnahme der Gehalte an diffusionsfähigem Wasserstoff und an Stickstoff des Schweißgutes bei.

Wie man aus diesen Diagrammen ersehen kann, ist das Karbonatmineral wirksam so lange es, wenn auch in sehr kleiner Menge, in der Substanz enthalten ist. Als die Menge, die praktisch die erwartete Wirkung einer Beeinflussung des Wasserstoffgehaltes über 1,5 cm³/100 g DM und des Stickstoffgehaltes ΔN über 5 ppm auslösen kann, wurde die untere Grenze der CO₂-Komponente bei 0,2% festgelegt. Der Grund für die Obergrenze 5% für die CO₂-Komponente lieg darin, daß man von einer Erhöhung der CO₂-Komponente über diese Grenze hinaus keine weitere Verbesserung hinsichtlich der Steuerung des Wasserstoffgehaltes und des Stickstoffgehaltes ΔN erwartet. Wenn der CO₂-Gehalt diese Obergrenze überschreitet, treten auf der Schweißraupe Anzeichen für einen Gasaustritt, wie Pockennarben und Fischgrätabdrücke, auf. Dieser übermäßige CO₂-Gehalt wird auch für das Ansteigen des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes über die 300-ppm-Marke hinaus verantwortlich gemacht.

Durch geeignete Kombination dieser Bedingungen kann man Schweißpulver mit niedrigem Sauerstoff-Gehalt mit wechselndem Anteil von Stickstoff und diffusionsfähigem Wasserstoff herstellen, die eine wohlgeformte Schweißraupe hervorbringen.

Für die Herstellung von einer wohlgeformten Schweißraupe genügt es, den Bedingungen 1) und (2) gleichzeitig Rechnung zu tragen.

Um das Ansteigen des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf über 300 ppm zu verhindern, muß das Schweißpulver der Bedingung (3) Rechnung tragen.

Um das Ansteigen des Stickstoffwertes ΔN auf über 20 ppm zu verhindern, ist die Erfüllung der Bedingung (2) ausreichend. Der Stickstoffgehalt kann durch die Kombination der Bedingungen (2) und (6) sogar bis auf oder unter 10 ppm gesenkt werden.

Durch die Bedingungen (5)-(a) und -(b) kann der Wasserstoffgehalt bis auf unter 6 cm³/100 g DM gesenkt werden. Besonders durch die Bedingung (5)-(b) läßt er sich auf oder unter 3 cm³/100 g DM senken. Die Bedingung (6) ermöglicht eine Absenkung des Wasserstoffgehaltes auf oder unter etwa 3 cm³. Kombiniert man (5)-(b) mit (6), fällt der Wasserstoffgehalt in jedem Fall auf oder unter 3 cm³. Auch die Bedingung (5)-(b) garantiert verläßliches Absenken des Wasserstoffgehaltes auf oder unter 3 cm³/100 g DM. Wenn die Bedigungen (5)-(b) und (6) gleichzeitig erfüllt werden, ist eine Absenkung des Wasserstoffgehaltes auf oder unter 1 cm³/100 g DM möglich.

Die Ausführungsformen Eins, Zwei und Drei betreffen Schweißpulver-Systeme, die die Anforderungen erfüllen, daß der Sauerstoffgehalt des Schweißgutes nicht über 300 ppm, der Wert für ΔN nicht über 20 ppm und der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff nicht über 6 cm³/100 g DM liegen und die Ausbildung einer zufriedenstellenden Schweißraupe ohne Schweißmängel ermöglicht wird.

Zur Erscheinungsform Eins

Die Kombination der Bedingungen (1) und (2) ermöglicht die Herstellung einer perfekt geformten Schweißraupe. Die Bedingung (3) dient zur Senkung des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm. Die Bedingung (2) gestattet eine Senkung des Stickstoffgehaltes ΔN des Schweißgutes auf oder unter 20 ppm. Gleichzeitig wird der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes auf oder unter 6 cm³/100 g DM gesenkt.

Zur Erscheinungsform Zwei

Die Bedingung (3) macht es möglich, den Sauerstoffgehalt des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm zu seken. Durch Erfüllung der Bedingung (2) wird der Stickstoffgehalt ΔN des Schweißgutes auf oder unter 20 ppm gesenkt.

Zur Erscheinungsform Drei

Die Kombination der Bedingungen (1) und (2) ermöglicht die Herstellung einer perfekt geformten Schweißraupe. Die Bedingung (3) dient zur Senkung des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm.

Durch die Bedingung (2) wird der Stickstoffgehalt ΔN auf oder unter 20 ppm gesenkt. Durch Kombination der Bedingungen (4) und (5)-(a) wird der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes auf oder unter 6 cm³/100 g DM gesenkt.

Die Erscheinungsform Vier richtet sich auf Schweißpulver, die eine gleichzeitige Senkung des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm, des Stickstoffgehaltes ΔN des Schweißgutes auf oder unter 20 ppm und den Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes auf oder unter 3 cm³/100 g DM im Schweißgut herbeizuführen und eine wohlgeformte, von Schweißmängeln freie Schweißraupe herzustellen.

Zur Erscheinungsform Vier

Die Kombination der Bedingung (1) mit (2) ermöglicht die Herstellung einer perfekt geformten Schweißraupe. Die Bedingung (3) dient zur Senkung des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm. Die Bedingung (2) läßt eine Senkung des Stickstoffgehaltes ΔN des Schweißgutes auf oder unter 20 ppm zu. Durch die Bedingung (5)-(b) wird der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes auf oder unter 3 cm³ gesenkt.

Die Erscheinungsformen Fünf und Sechs richten sich auf Schweißpulver, die ein gleichzeitiges Absinken des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm, des Stickstoffgehaltes ΔN des Schweißgutes auf oder unter etwa 10 ppm und des Gehaltes an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes auf oder unter 3 cm³ im Schweißgut herbeiführen und eine gut geformte, von Schweißmängeln freie Schweißraupe ausbilden.

Zur Erscheinungsform Fünf

Die Kombination der Bedingung (1) mit (2) ermöglicht die Herstellung einer perfekt geformten Schweißraupe. Die Bedingung (3) dient zur Senkung des Sauerstoffgehaltes auf oder unter 300 ppm. Die Kombination der Bedingung (2) mit (4) und (6) ermöglicht eine Senkung des Stickstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter etwa 10 ppm. Durch die Kombination der Bedingungen (4) und (6) wird der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff auf oder unter 3 cm³ gesenkt.

Zur Erscheinungsform Sechs

Die Kombination der Bedingung (1) mit (2) ermöglicht die Herstellung einer perfekt geformten Schweißraupe. Die Bedingung (3) dient zur Senkung des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm. Die Kombination der Bedingung (2) mit (4) und (6) ermöglicht das Absenken des Stickstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter etwa 10 ppm. Durch die Kombiantion der Bedingung (4) mit (5)-(b) und (6) wird der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes auf oder unter 3 cm³ gesenkt.

Die siebte Erscheinungsform richtet sich auf ein Schweißpulver, das die gleichzeitige Absekung des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm, des Stickstoffwertes ΔN des Schweißgutes auf oder unter etwa 10 ppm und des Gehaltes an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes auf oder unter 1 cm³ im Schweißgut herbeiführt und eine wohlgeformte, von Schweißmängeln freie, Schweißraupe herstellt. Die Kombination der Bedingung (1) mit (2) ermöglicht die Herstellung einer perfekt geformten Schweißraupe. Die Bedingung (3) dient zur Senkung des Sauerstoffgehaltes des Schweißgutes auf oder unter 300 ppm. Die Kombination der Bedingung (2) mit (4) und (6) ermöglicht die Senkung des Stickstoffwertes ΔN des Schweißgutes auf oder unter etwa 10 ppm. Durch die Kombination der Bedingung (4) mit (5)-(a), (5)-(b) und (6) wird der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff auf oder unter 1 cm³/100 g DM gesenkt. In diesem Fall bedeutet die Tatsache der Erfüllung der Bedingung (5)-(b), daß die geschmolzene Substanz einer schnellen Luftkühlung unterzogen wurde und mindestens 25% CaF₂ enthält.

Neben den bis jetzt beschriebenen Komponenten kann das Schweißpulver dieser Erfindung solche Komponenten wie BaO, MnO, ZrO₂, TiO₂, K₂O usw. zur Einstellung der physikalischen Eigenschaften des Schweißpulvers enthalten.

In diesem Fall müssen die zusätzlichen Komponenten den in den Bedingungen (3) und (5) genannten Anforderungen der Basizität (B) entsprechen und sie erfüllen. Da K₂O und andere ähnliche Alkali-Metalloxide im allgemeinen nur in sehr kleinen Mengen verwendet werden, kann man sie aus den entsprechenden Berechnungen herauslassen. In solch kleinen Mengen sind sie als Bestandteil geeignet. Die Gesamtmenge dieser zusätzlichen Komponenten ist durch die in der Bedingung (1) spezifizierten Mengen an CaO, MgO, Al₂O₃ und SiO₂ sowie die in der Bedingung (2) spezifizierte Menge an CaF₂ begrenzt.

Als nächstes folgt eine spezifische Beschreibung mit Bezug auf die folgenden Beispiele.

Tafel 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen von Basisschweißpulvern, Tafel 2 Schweißbedingungen, Tafel 3 die Metallegierungs-Zusammensetzungen von Stahlplatte und Draht, die zwingend in den unten beschriebenen Versuchen verwendet werden. Tafel 4 zeigt das Bearbeitungsverfahren, die Eigenschaften des Schweißpulvers und die Versuchsergebnisse.

Die Schweißpulverrohstoffe, aus denen die chemische Zubereitung F-1 entstand, wurden in einem Elektroofen geschmolzen, dann wurde das geschmolzene Gemisch mit Luft gekühlt und bildete das Schweißpulver des Beispiels 1. Unterzog man das durch das gleiche Verfahren entstandene Gemisch einer schnellen Luftkühlung, erhielt man das Schweißpulver des Beispiels 2. Erfolgte die Kühlung mit Wasser, erhielt man das Schweißpulver des Beispiels 7 (Vergleichsversuch). In den Beispielen1 und 2 wurde eine wohlgeformte Schweißraupe hergestellt und das Schweißgut hatte einen niedrigen Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und diffusionsfähigem Wasserstoff. In Beispiel 7 (Vergleichsversuch) hatte das Schweißgut einen extrem hohen Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff und auf der Schweißraupe bildeten sich Grübchen.

Für Beispiel 3 nahm man die Rohstoffe für das Basisschweißpulver F-1 mit Ausnahme des Fluorits, welches als nicht-geschmolzene Substanz verwendet wurde, schmolz sie in einem Elektroofen, unterzog das geschmolzene Gemisch einer Luftkühlung und erhielt dadurch das Schweißpulver nach Beispiel 3. Da die geschmolzene Substanz eine mehr als ausreichend niedrige Basizität besaß, war der Gehalt an diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes gering. Dieses Schweißpulver stellte kein Problem hinsichtlich des Sauerstoff- und Stickstoffgehaltes des Schweißgutes und der Schweißraupenform dar.

Die Schweißpulver von Beispiel 4 und 5 wurden durch Entfernung eines Teils des Kalksteins (1,0% da im CO₂-Gehalt reduziert) als nicht- geschmolzene Substanz aus den Rohstoffen für das Basisschweißpulver F-1, Schmelzen der verbleibenden Rohstoffe in einem Elektroofen, Luftkühlung in dem einen Versuch und schnelle Luftkühlung in dem anderen hergestellt. Der Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes war ausreichend niedrig und die Schweißraupe war wohlgeformt und frei von Schweißmängeln.

Das Schweißpulver von Beispiel 6 entstand durch Entfernen der Gesamtmenge des Fluorits und eines Teils des Kalksteins (1% da im CO₂-Gehalt reduziert) als nicht-geschmolzene Substanz aus den Rohstoffen für das Basisschweißpulver F-4, Schmelzen der verbleibenden Rohstoffe in einem Elektroofen und schnelle Luftkühlung und Unterziehung des geschmolzenen Gemisches. Der Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff- und diffusionsfähigem Wasserstoff des Schweißgutes waren ausreichend niedrig und die Schweißraupe wohlgeformt und frei von Schweißmängeln.

Das Schweißpulver aus Beispiel 8 (Vegleichsversuch) entstand durch Schmelzen der Gesamtmenge der Rohstoffe für das Basisschweißpulver F-3 in einem Elektroofen und Unterziehung des geschmolzenen Gemischs einer schnellen Luftkühlung. Wegen des nicht ausreichenden Gehaltes an CaO, MgO, SiO₂ und Al₂O₃ war die Schweißraupe instabil geformt und wies Einbrandkerben auf.

Tafel 1

Tafel 2

Tafel 3

Claims

1. Schweißpulver mit niedrigem Wasserstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffgehalt für die Unterpulver-Lichtbogenschweißung von Stahl basierend auf einem Mehrkomponentensystem von CaO, MgO, Al₂O₃ und SiO₂, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der vier Komponenten an der als Einheit (100%) angenommenen Gesamtmenge in folgende Bereiche fallen CaO: 10 bis 60% MgO: nicht über 30% Al₂O₃: 20 bis 70% SiO₂: 5 bis 40%,

daß die Gesamtmenge der vier Komponenten nicht weniger als 35% des Gesamtgewichts des Schweißpulvers ausmacht, das gegebenenfalls noch BaO, MnO, FeO, ZrO₂ und TiO₂ enthält, daß das Schweißpulver CaF₂ in einer Menge von 25 bis 65% seines Gesamtgewichts enthält, daß die gemäß der nachfolgenden FormelB = 6,50 N_BaO+6,05 N_CaO+4,8 N_MnO+4,0 N_MgO+3,4 N_FeO
+5,1 N_CaF₂+0,3 N_ZrO₂-0,2N _Al₂O₃-2,2 N_TiO₂-6,3 N_SiO₂(worin N_k Molprozent der Komponente k bedeutet) errechnete Basizität (B) nicht weniger als 1,0 beträgt und das Schweißpulver eine geschmolzene Substanz ist, die einer Luftkühlung mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 5°C/min unterzogen wurde.

2. Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtgewicht der vier Komponenten nicht weniger als 35% des Gesamtgewichts des Schweißpulvers abzüglich der CO₂-Komponente des Carbonatanteils ausmacht, daß das Schweißpulver CaF₂ in einer Menge von 25 bis 65% seines Gesamtgewichts abzüglich der CO₂-Komponente des Carbonatanteils enthält, daß das Schweißpulver zusätzlich eine nicht-geschmolzene Substanz enthält, und daß die gemäß der in Anspruch 1 aufgeführten Formel errechnete Basizität (B) der geschmolzenen Substanz nicht mehr als 3,0 beträgt.

3. Schweißpulver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-geschmolzene Substanz ein oder mehrere Carbonatminerale enthält, und zwar in einer Menge, daß der zu CO₂-Gas reduzierte Carbonatanteil, der im bzw. in den Carbonatmineral(n) enthalten ist, einen Anteil von 0,2 bis 5,0% des Gesamtgewichts des Schweißpulvers abzüglich der CO₂-Komponente ausmacht.