DE3634499A1

DE3634499A1 - Lichtbogenschweisselektrode

Info

Publication number: DE3634499A1
Application number: DE19863634499
Authority: DE
Inventors: Mat Kiilunen
Original assignee: Weld Mold Co
Current assignee: Weld Mold Co
Priority date: 1985-12-09
Filing date: 1986-10-09
Publication date: 1987-06-11
Also published as: JPS62148096A; SE462642B; SE8603328L; JPH0683910B2; GB8628568D0; DE3634499C2; GB2184967B; US4673796A; CA1261007A; GB2184967A; SE8603328D0

Description

In der Schweißtechnik besteht das Bedürfnis, festes Schweißgut auf ökonomischem Weg aufzuschweißen. Beispielhafte Anwendungs gebiete sind die Reparatur verschlissener Bereiche an einem Werkstück, technische Änderungen eines besonderen Bauteils, wie an einem zu bearbeitenden Gesenk und die Korrektur von Bearbei tungsfehlern. Üblicherweise werden relativ große Elektroden, die einen schnellen Auftrag oder ein schnelles Aufschweißen ge statten, für vorstehende Anwendungen benutzt, insbesondere sind damit Schmiedeformen, Preßformen, Trimmformen, Hammerbasen, Rammen, Gesenkhalter, Säulen und Ankerplatten sowie Reparaturen für Ausrüstungsgegenstände der Schwerindustrie bearbeitbar.

Es ist bekannt, für das Formschweißen mit hohem Auftrag Elek troden zu verwenden, die aus einer Nickel-Chrom-Molybdän- Legierung bestehen, einen Durchmesser in der Größenordnung von 19,1 mm (3/4 inch) aufweisen und auf geeignete Weise mit einem Flußmittel überzogen sind. Elektroden dieser Art ergeben dich te, porenfreie und homogene Schweißaufträge mit einer Rate von etwa 39 kg pro Stunde, wenn mit etwa 2100 A gearbeitet wird. Es ist offensichtlich, daß Auftragsraten in dieser Größenordnung einen Fortschritt auf dem Gebiet des Lichtbogenschweißens unter Schutzgas bedeuten. Jedoch zeigt eine Kostenbetrachtung, daß es notwendig erscheint, größere Mengen an hochwertigem Schweißgut in geringerer Schweißzeit auftragen zu können.

Aus der US-PS 25 20 112 ist es bekannt, eine Vielzahl von Elek troden um eine zentrale Elektrode anzuordnen, wobei der Durch messer der äußeren Elektroden kleiner ist als der Durchmesser der zentralen Elektrode. Während die in diesem Patent beschrie bene Elektrode und ihre Ausgestaltung zu einem beträchtlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Schweißtechnik zu dieser Zeit bedeutete, wurde im Lauf der Jahre nicht nur auf die technische Ausgestaltung in Form von hohlen oder rohrförmigen Zentralelek troden geachtet, sondern nunmehr spielen auch ökonomische Her stellungsfaktoren eine Rolle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtbogen schweißelektrode zu schaffen, mit der in kürzerer Zeit als bis her größere Mengen an hochwertigem Schweißgut aufschweißbar sind.

Eine diese Aufgabe lösende Schweißelektrode ist mit ihrer Aus gestaltung in den Patentansprüchen näher gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird eine Bündelelektrode geschaffen, die einen zentral angeordneten Stab aufweist, um den herum weitere indi viduelle Stäbe kreisförmig angeordnet sind. Jeder Stab des Bün dels ist außen mit einer neuen Flußmittelzusammensetzung über zogen, wodurch der Auftrag oder das Aufschweißen hoher flüssi ger Schweißgutmengen unter Einsatz niedriger Strom- und Span nungswerte erreicht wird. Das auf diese Weise erzeugte verfe stigte Schweißgut weist verbesserte physikalische Eigenschaften auf.

Die erfindungsgemäße Flußmittelzusammensetzung weist definierte Mengen an Calciumcarbonat (CaCO₃) und Calciumfluorid (CaF₂) auf. Weitere verwendbare Metalle oder Mineralien in der Fluß mittelzusammensetzung sind Mangan, Silicium, Eisen, Chrom und Silikate. Je nach spezifischem Anwendungsgebiet können in die Zusammensetzung auch definierte Mengen an Molybdän, Wolfram, Nickel, Vanadium und Titan eingearbeitet sein.

Eine erfindungsgemäße Lichtbogenschweißelektrode ist in der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Bündelelektrode;

Fig. 2 einen Elektrodenquerschnitt und

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Bildung der Bündelelektrodenanordnung.

Fig. 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer er findungsgemäßen Lichtbogenschweißelektrode. Hierin bezeichnet A die Anordnung einer Bündelelektrode, die eine zentral angeord nete Stabelektrode 10 mit relativ großem Durchmesser umfaßt und um die kreisförmig eine Vielzahl von Stabelektroden 12 mit kleinerem Durchmesser angeordnet sind. Die zentral angeordnete Elektrode 10 ist dabei länger als die übrigen Elektroden 12. Dadurch wird ein Endstück 10 a geschaffen, das als Haltestück für die Elektroden während des Schweißvorgangs dient. Das Endstück 10 a der zentral angeordneten Elektrode 10 ist blank, d.h. es ist nicht mit einem Flußmittel überzogen, wie dies auch bei den gegenüberliegenden Enden der kleineren Elektroden 12 der Fall ist. Eine üblicherweise kuppelförmig ausgebildete Schweißkonstruktion sorgt für einen Strömweg von dem Endstück 10 a der zentral angeordneten Elektrode 10 durch die kleineren Elektroden 12 während des Schweißvorgangs.

Zusätzlich zu seiner Wirkungsweise als Stromführung vom End stück 10 a zu den äußeren Elektroden 12 sichert die Schweißkon struktion 14 die kleineren Elektroden 12 an der zentral ange ordneten Elektrode 10, wodurch eine integrierte Bündelelektrode A geschaffen wird. Zusätzliche Befestigungsvorrichtungen können in Form eines umhüllenden Streifens oder Bandes 16, bestehend aus einem während des Schweißvorgangs mitzuverarbeitenden Ma terials, geschaffen sein. Alternativ hierzu oder zusätzlich ist als Befestigungseinrichtung eine Kappe oder ähnliches an der dem Endstück 10 a gegenüberliegenden Ende anbringbar (in der Zeichnung nicht gezeigt).

Die Maße für die erfindungsgemäße Anordnung A hinsichtlich Län ge, Durchmesser und auch die Zusammensetzungen der Elektroden 10 und 12 können je nach Anwendung verschieden sein. Die Elek troden 10 und 12 bestehen aus einem Weichstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, üblicherweise mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,04 bis 0,12% Kohlenstoff in Abhängigkeit von der Kern elektrode 10. Diese Stahlart wird im Handel als C-1004 bis C-1012 bezeichnet. Es können jedoch auch Stähle anderer Koh lenstoffgehalte als geeignet gefunden werden. Die zentral an geordnete Stabelektrode 10 mit größerem Durchmesser kann eine Länge von etwa 121,9 cm (48 inches) und einen annäherden Durch messer von 6,35 mm (0,25 inches) haben. Die Stabelektroden 12 mit geringerem Durchmesser haben im allgemeinen eine Länge von annähernd 119,4 cm (47 inches) und einen Durchmesser von ungefähr 2,54 mm (0,1 inch).

Die zentrale Stabelektrode 10 ist mit einem Flußmittel 18 und die um sie angeordneten Stabelektroden 12 mit einem Flußmittel 20 beschichtet.

Die Flußmittelüberzüge 18 und 20 werden vorzugsweise auf die Stahlstäbe mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durch herkömmliche Beschichtungstechniken aufgebracht, wobei gegenüberliegende Enden der Stabelektroden 10 und 12 zur Aufrechterhaltung des Stromflusses frei von Flußmitteln sind. Ebenso ist das Endstück 10 a der Stabelektrode 10 nicht mit einer Flußmittelschicht 18 bedeckt.

In der Schweißtechnik ist es bekannt, daß Flußmittelüberzüge für Elektroden mindestens drei wichtige Funktionen innehaben. Erstens wird die elektrische Leitfähigkeit über den Lichtbogen durch Ionisation sich entwickelnder Gase erhöht und zweitens erzeugen die Flußmittel ein Schutzgas (CO₂), welches für einen Ausschluß der Luft vom Schweißbad sorgt. Drittens werden durch solche Flußmittelüberzüge zusätzlich schlackenbildende Materi alien zu dem geschmolzenen Schweißbad zur Kornverfeinerung und in manchen Fällen auch zur Zugabe von Legierung zu der Schweiß stelle zugefügt. Jede dieser bekannten Wirkungsweisen der Fluß mittelüberzüge für die Elektrode werden durch die erfindungsge mäße Flußmittelzusammensetzung verbessert, insbesondere bei An wendung mit der neuen Bündelelektrode.

Die Flußmittelzusammensetzung umfaßt dabei folgende Metalle oder Mineralien in den angegebenen Mengenbereichen:

Tabelle 1

Wie sich gezeigt hat, setzt das Calciumcarbonat in der obigen Zusammensetzung einen hohen Anteil an Kohlendioxidgas frei, welches als Schutzgas dient und auch Schwefel in die Oxidform verbrennt. Bekanntlich führt die Anwesenheit von Schwefel während des Schweißens zum Verspröden des verfestigten Schweiß gutes sowie zur Erzeugung einer unerwünschten Porosität dessel ben. Das Calciumfluorid wirkt in der Zusammensetzung als reini gendes Mittel und Lichtbogenstabilisator. Sowohl Calciumcarbo nat als auch Calciumfluorid wirken wesentlich als Schlacken bildner, ebenso wie als Lichtbogenstabilisatoren und reinigende Mittel und ergeben in Kombination gute Verbrennungs- oder Schmelzraten und eine hohe Reinigung des Metalls. Ohne Anwesen heit dieser beiden Komponenten in der Zusammensetzung erhält man kein hochwertiges Schweißgut. Ferner ist ohne diese beiden Komponenten nicht mit einem weichen Metallfluß zu rechnen und ein Spillover des Metalls ist zu erwarten.

Für die in der Zusammensetzung verwendeten Metalle und Minera lien kommen eine Vielzahl von Quellen in Frage. Beispielsweise kann Mangan als gepulvertes Metall oder als Ferromangan, eine Legierung, bestehend aus Mangan, Eisen und Kohlenstoff, einge setzt werden. Das Silicium kann als Legierung, wie beispiels weise Ferrosilicium oder Ferrochromsilicium, vorliegen und das Eisen entweder aus dem Elektrodenkernstab 10 stammen oder ge trennt in Pulverform oder als Legierung, wie beispielsweise in Form von Ferrochrom, Ferrosilicium oder Ferromangan, zugegeben werden. Calciumcarbonat kommt als Calcit natürlich vor, ebenso wie Calciumfluorid als Flußspat erhältlich und als weißes Pul ver einsetzbar ist. Chrom kann der Zusammensetzung als Metall pulver oder als Ferrochrom, einer aus Eisen und Chrom mit ent weder hohem oder niedrigem Kohlenstoffgehalt bestehenden Legie rung, zugesetzt werden. Silicium ist in Form von natürlichem Glimmer als Pulver einsetzbar oder kann als Natrium oder Ka liumsilikat in flüssiger oder Pulverform verwendet werden.

Die Flußmittelzusammensetzung kann je nach Bedarf Molybdän, Wolfram, Nickel Vanadin oder Titan enthalten. Falls Molybdän verwendet wird, wird dieses als Metallpulver oder als Ferro molybdänlegierung eingesetzt. Aufgrund seines relativ hoch lie genden Schmelzpunktes wird Wolfram nicht in Metallform verwen det, sondern an dessen Stelle tritt eine Ferrowolframlegierung. Nickel wird als Metallpulver eingesetzt, während Titan entweder als gepulvertes Metall oder als Ferrotitanlegierung bei Bedarf verwendbar ist. Falls Vanadin zugesetzt wird, geschieht dies in gepulverter metallischer Form.

Fig. 3 zeigt die Herstellungsschritte bei der Schaffung einer erfindungsgemäßen Bündelelektrodenanordnung A. Vorzugsweise werden Stäbe mit relativ großen Durchmessern und Stäbe mit kleinen Durchmessern unabhängig voneinander extrusionsbeschich tet und getrocknet, da u.a. der zentral angeordnete Elektroden stab 10 Mengen an Schlackenbildnern enthält, die sich von den jenigen, die für die umgebenden Elektroden 12 mit kleinerem Durchmesser verwendet werden, unterscheiden. Jedoch wird in beiden Fällen ein blanker Stab aus Weichstahl von vorbestimmter Länge und Durchmesser durch einen konventionellen Extrusions beschichter mit einer Geschwindigkeit von annähernd 15,2 m pro Minute zur Beschichtung der gewünschten Menge an Flußmittel geleitet. Vorzugsweise weist dabei ein Stab mit einem Durchmes ser von ungefähr 2,54 mm eine Beschichtungsdicke von annähernd 1,18 mm (0,0463 inches) auf, während ein Stab mit einem annä hernden Durchmesser von 6,3 mm (0,250 inches) vorzugsweise mit einer Beschichtungsdicke von 3,81 (0,150 inches) versehen ist.

Als nächster Schritt wird zum Härten und Absetzen der Beschich tung in einem konventionellen Ofen gebrannt. Vorzugsweise wird eine Brennzeit von 3 bis 6 Stunden eingestellt und eine Tempe ratur, die nicht 399°C (750°F) übersteigen soll. Die beschich teten und gebrannten Stäbe werden nach dem Abkühlen um den zen tral angeordneten Elektrodenstab 10 ringförmig als Stäbe mit kleinerem Durchmesser angeordnet. In dieser Position wird die Stabanordnung mit einer Schweißkonstruktion 14 verschweißt und mit Streifen oder Bändern 16 - wie in Fig. 1 gezeigt - umhüllt. Auch können (nicht gezeigt) beispielsweise Kappen an dem dem Endstück 10 a gegenüberliegenden Bündelende vorgesehen sein. Während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Zeichnung zwölf kleinere Elektroden 12 um die zentral angeordnete Elek trode 10 vorgesehen sind, kann diese Zahl der kleineren Elek troden 12 je nach Anwendung variieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.

Eine Lichtbogenschweißelektrodenanordnung mit ihren in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausgestaltungen wird nach dem allgemeinen Ver fahren gemäß Fig. 3 hergestellt. Die Flußmittelschicht auf der Bündelelektrode A weist die in Tabelle 2 genannte Zusammenset zung auf:

Tabelle 2

Der zentral angeordnete Elektrodenstab 10 und die umgebenden Elektrodenstäbe 12 bestehen aus Weichstahl mit den zuvor erläu terten Längen, Durchmessern und Schichtdicken. Beim Schweißvor gang wird die Spannung zwischen etwa 26 bis 30 V und die Strom stärke zwischen annähernd 1800 und 2400 A gesteuert. Dabei wer den mehr als 55 kg festen Schweißgutes pro Stunde aufgeschweißt, wobei das Schweißgut nach Verfestigung dicht, frei von Poren und homogen war. Die Produkte aus Nickel-Chrom-Molbdän-Legierung haben eine Härte von C 20-45 Rockwell, eine Zugfestigkeit von etwa 55,17 kg N/cm² bis 137,92 kg N/cm² (80 000 bis 200 000 psi), eine Ausdehnungsfähigkeit von bis zu 25% und eine ausgezeich nete Verarbeitbarkeit.

Die Flußmittelbeschichtungen haben für die Lichtbogenschweiß elektroden mindestens drei Funktionen hinsichtlich eines che mischen Schutzes zu erfüllen. Ihre mechanische Schutzwirkung ist darin zu sehen, daß die Flußmittelbeschichtungen die Elek trodenseiten isolieren, so daß der Lichtbogen am Ende der Elek trode in einem abgeschlossenen Bereich konzentriert ist. Es ist wichtig und erleichtert das Schweißen in einer tiefen "U"- oder "V"-Rinne. Zusätzlich erzeugt die Flußmittelschicht an der Spitze der Elektrode einen Kugelabschnitt, Kegel oder eine Schutzhülle, die unter Ausbildung eines mechanischen Schildes wie ein Schmelztopf wirkt, den Lichtbogen konzentriert und aus richtet, die thermischen Verluste mindert und die Temperatur am Ende der Elektrode erhöht. Bei der Anordnung einer erfindungs gemäßen Bündelschweißelektrode lassen sich durch Kombination der äußeren Elektroden 12 mit kleinem Durchmesser und der zen tral angeordneten Elektrode oder des Kerns 10 individuelle Lichtbögen erzeugen, welche Hitze in den zentralen Kern über tragen. Dadurch wird die Strömung des geschmolzenen Metalls er leichtert und ein Überschuß an Metall im Kugelabschnitt vermie den, was sonst zur Erzeugung einer großen Menge an kugelförmi ger Übertragung führen würde. Erfindungsgemäß wird das Zusam menbrechen der Kugeln des geschmolzenen Metalles, das die Enden der Elektroden in Form feiner Teilchen verläßt, durch Reduzie rung der Adhäsionskräfte zwischen dem geschmolzenen Metall und den Enden der Elektroden erreicht oder durch Änderung der Ober flächenspannung des geschmolzenen Metalls.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer Bündelschweißelektrode zum Lichtbogenschweißen gestattet das Aufschweißen von großen Men gen an flüssigem Schweißgut bei Einsatz geringer Stromstärken und Spannungswerten. Das verfestigte Schweißgut weist dabei verbesserte physikalische Eigenschaften auf.

Claims

1. Lichtbogenschweißelektrode mit einer zentral angeordneten Stabelektrode (10), einer Vielzahl von Stabelektroden (12) mit kleinerem Durchmesser, die in Umfangsrichtung um die zentral angeordnete Elektrode (10) kreisförmig angeordnet sind, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Festhalten der zentralen Stabelektrode (10) und der Stabelektroden (12) mit kleinerem Durchmesser in einer Bündelanordnung und einer auf jeder der Stabelektroden (10, 12) fest aufgebrachten Flußmittelbeschichtung (18, 20) mit einer Zusammensetzung, die beim Schweißen ein dichtes, porenfreies und homogenes Schweißgut in Form einer Nickel-Chrom-Molybdän- Legierung erzeugt.

2. Schweißelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentral angeordnete Stabelektrode (10) länger ist als die Elektroden (12) mit geringerem Durchmesser und an einem Ende axial übersteht und daß eine Schweißkonstruktion (14) vor gesehen ist, die die Elektroden (10, 12) miteinander befestigt und zwischen ihnen den Stromfluß ermöglicht.

3. Schweißelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Elektrodenende (10 a) der zentral angeordneten Elektrode (10) keine Flußmittelbeschichtung (18) zur Erzeugung eines Elektrodenendes aufgetragen ist.

4. Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußmittelbeschichtung der zentral angeordneten Stab elektrode (10) und der sie umhüllenden Stabelektroden (12) aus folgender Zusammensetzung besteht:

5. Schweißelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schweißkonstruktion (14) an einem Ende der Stab elektroden (12) mit kleinerem Durchmesser anliegt und einen Teil des Elektrodenendes (10 a) der zentral angeordneten Elek trode (10) in Umfangsrichtung umgibt, um einen Stromfluß durch jede der Stabelektroden (10, 12) zu ermöglichen.