DE3736209A1 - Lichtbogenschweissverfahren und damit hergestelltes produkt - Google Patents

Lichtbogenschweissverfahren und damit hergestelltes produkt

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Description

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung der Erfindung gemäß der älteren offengelegten Anmeldung P 36 34 499.0-45.
In der älteren Anmeldung wird eine Bündelelektrode offenbart, die eine zentral angeordnete Stabelektrode und eine Vielzahl von um diese in Umfangsrichtung kreisförmig angeordneten wei­ teren Stabelektroden umfaßt, wobei jede Stabelektrode der Bün­ delelektrode aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt besteht und an der Außenseite mit einer neuen Flußmittelzusammensetzung beschichtet ist. Auf diese Weise wird während des Schweißvor­ gangs ein maximaler Gewichtsauftrag von flüssigem Schweißgut bei gleichzeitigem Einsatz kleiner Stromstärken und niedriger Spannungswerte erzielt. Dabei wurde festgestellt, daß das ver­ festigte Schweißgut bestimmte verbesserte physikalische Eigen­ schaften aufweist.
Die Flußmittelbeschichtung in der älteren Anmeldung enthält de­ finierte Mengen von Calciumcarbonat (CaCO3) und Calciumfluorid (CaF2). Diese Stoffe wirken in ihrer Kombination als Schlacken­ bildner, Lichtbogenstabilisatoren und Reinigungsmittel. Die Kombination der Stoffe erlaubt ein schnelles Abbrennen oder eine geeignete Schmelzrate sowie eine gute Reinigung des Metalls.
Die Flußmittelzusammensetzung kann weitere Metalle oder Minera­ lien enthalten, insbesondere Mangan, Silicium, Eisen, Chrom und Silikate. Auch wird in der älteren Anmeldung offenbart, daß die Flußmittelzusammensetzung definierte Mengenbereiche an Molyb­ dän, Wolfram, Nickel, Vanadium und Titan aufweisen kann. Bei­ spielhafte Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Reparatur verschlissener Bereiche an einem Werkstück, technische Änderun­ gen eines besonderen Bauteils, wie an einem zu bearbeitenden Gesenk, und die Korrektur von Herstellungsfehlern. Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren für Schmiedeformen, Preß­ formen, Trimmformen, Hammerbasen, Rammen, Gesenkhalter, Säulen und Ankerplatten sowie für Reparaturen für Ausrüstungsgegen­ stände der Schwerindustrie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen zu schaffen, mit dem die physikalischen Eigenschaften des Schweißguts, insbesondere dessen Härtewerte, weiter verbessert sind.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß dem Flußmittel definierte Mengen an Molybdän und Wolfram zugesetzt werden. Das Wolfram scheint insbesondere die Charakteristiken des Schweiß­ guts beim Heißverarbeiten zu modifizieren, wobei das Metall gleichzeitig seine Härte bei den hohen Temperaturen beibehält. Überraschenderweise wurde zusätzlich festgestellt, daß die Le­ gierungen der Flußmittelzusammensetzung einen Verdünnungseffekt auf den Kohlenstoffgehalt des Schweißguts ausüben, so daß der Kohlenstoffgehalt im Schweißgut so niedrig gehalten werden kann, daß er beispielsweise 0,01 bis 0,15 Gew.-% beträgt.
Diese Vorteile werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter gleichzeitigem Einsatz der Bündelelektrode und der in der älte­ ren Anmeldung offenbarten Flußmittelbeschichtung erhalten.
Die hier verwendete Bündelelektrode weist im allgemeinen die in der US-PS 25 20 112 offenbarte Bauweise auf, kann jedoch insbe­ sondere eine Bündelelektrode sein, die eine feste, zentral an­ geordnete Stabelektrode mit niedrigem Kohlenstoffgehalt umfaßt und um die kreisförmig in Umfangsrichtung eine Vielzahl von weiteren festen Stabelektroden niedrigen Kohlenstoffgehalts und kleinerem Durchmesser angeordnet sind. Die Stabelektroden mit dem kleineren Durchmesser und die zentral angeordnete Stabelek­ trode sind in Längsrichtung ausgerichtet und es sind Mittel vorgesehen, welche die zentrale Stabelektrode oder den Stabkern und die Stabelektroden mit kleinerem Durchmesser in einer Bün­ delanordnung halten.
Für die Erzeugung eines Schweißgutniederschlags vom Nickel- Chrom-Molybdäntyp, beispielsweise um sicherzustellen, daß der Schweißgutniederschlag oder das Schweißgut dicht, porenfrei und homogen ist, ist jede der Stabelektroden mit einer fest darauf aufgebrachten Flußmittelbeschichtung versehen, die im wesentli­ chen die in Tabelle 1 beschriebene Zusammensetzung hat.
BestandteilUngefährer Mengenbereich in Gew.-%
Mangan 2-12 Silicium 2-10 Eisen 5-35 CaCO320-60 CaF2 8-35 Chrom 3-12 Silikat 5-15 Molybdän 0,05-10 Wolfram 0,05-10 Nickel 0,10-15 Titan 0-15 Vanadin 0-3 Niob 0-1,5
Eine spezifischere Flußmittelzusammensetzung für das Erzielen geeigneter Resultate mit einer Bündelelektrode zeigt in Tabel­ le 2:
BestandteilUngefähre Gewichtsteile
Mangan 6 Silicium 8 Eisen10 CaCO350 CaF220 Chrom12 Silikat 4 Molybdän 6 Nickel 8 Wolfram 1,5 Niob 1,0
Es wurde gefunden, daß die bemerkenswerten Verbesserungen der physikalischen Eigenschaften eines legierten Stahlkörpers mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder eines geschmolzenen Metalls durch den Zusatz einer kontrollierten Menge an Wolfram zur Flußmittelzusammensetzung erzielt wird, insbesondere wenn der Zusatz in Form einer Ferrowolfram-Legierung erfolgt. Das Wolf­ ram der Flußmittelzusammensetzung modifiziert die Eigenschaften des geschmolzenen Metalls beim Heißverarbeiten und trägt auch wesentlich dazu bei, daß das Produkt seine Härte unter erhöhter Temperatur beibehält. Das Produkt weist eine ausgezeichnete Duktilität auf und ist bis zu einem Ausmaß kalt verformbar, daß Probestücke umbiegbar sind, ohne erwähnenswerte Bruchzeichen aufzuweisen. Der Metallkörper kann als Guß verwendet werden und ein Schmieden ist nicht erforderlich. Es besteht kein Bedürfnis zum Härten mit anschließendem Tempern. Ausgezeichnete Ergebnis­ se werden erhalten, wenn der gebildete Metallkörper durch Aus­ setzen an die kühle Luft ausgehärtet wird und dann bei 371°C bis 649°C (700-1200°F) pro 2,54 cm (1 inch) Dicke des Körpers für 1 Stunde getempert wird.
Gemäß der obigen Flußmittelzusammensetzung in Tabelle 1 beträgt die Menge des zugesetzten Wolframs ungefähr 0,05-10 Gew.-%. Bei der spezielleren Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 ergibt der Zusatz von 1,5 Gewichtsteilen Wolfram gute Ergebnisse für das Endprodukt.
Proben des mit der Bündelelektrode erzeugten geschmolzenen Me­ talls werden nach der erwähnten Hitzebehandlung ohne weiteres Härten analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammenge­ faßt:
BestandteilUngefährer Mengenbereich in Gew.-%
Kohlenstoff0,01-0,15 Mangan0,50-2,00 Silicium0,05-1,00 Chrom0,50-5,00 Molybdän0,25-2,50 Nickel0,50-5,00 Wolfram0,25-1,50 Vanadin0-1,50 Niob0-1,00 Cobalt0-2,00
Eine Analyse des Schmelzguts bzw. der geschmolzenen Metallpro­ dukte, die mit der spezifischeren Flußmittelzusammensetzung nach Tabelle 2 erhalten wurden, führt zu den Ergebnissen gemäß folgender Tabelle 4:
BestandteilUngefährer Mengenbereich in Gew.-%
Kohlenstoff0,06 Mangan1,35 Silicium0,08-0,10 Chrom3,00-3,50 Molybdän1,00-2,00 Nickel1,50 Wolfram0,25-1,50
Zufällig ausgewählte Proben der geschmolzenen Metallprodukte, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wur­ den, zeigten folgende mechanische Eigenschaften:
Umformfestigkeit68,96-103,44 kN/cm2
(100 000-150 000 psi) Zugfestigkeit68,96-131,02 kN/cm2
(100 000-190 000 psi) Dehnung15-30% Flächenverminderung30-70% Härte, Bhn.195-500
Die beim Schweißverfahren eingesetzte zentrale Elektrode mit relativ großem Durchmesser und die diese umgebenden Elektroden mit kleinerem Durchmesser sind aus Stahl mit niedrigem Kohlen­ stoffgehalt hergestellt, üblicherweise beträgt dieser 0,04 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff. Im Handel wird diese Stahlart als C-1004 bis C-1012 geführt. Darüber hinaus können jedoch auch andere Stahlarten mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt als geeignet angesehen werden. Die zentrale Elektrode bzw. die Kernelektrode weist beispielsweise eine Länge von etwa 121,9 cm (48 inches) und einen Durchmesser von etwa 2,07 cm (0,8137 inches) auf. Die Stabelektroden mit kleinerem Durchmesser haben übli­ cherweise eine Länge von ungefähr 119,4 cm (47 inches) und einen Durchmesser von ungefähr 0,64 cm (0,250 inches). Falls es das besondere Schweißverfahren erfordert, können selbstver­ ständlich Variationen in der Zusammensetzung der Elektroden­ stäbe und deren Dimensionen vorgenommen werden. Ebenso kann die Dicke der Flußmittelbeschichtung variieren, jedoch wird übli­ cherweise auf die zentrale Stab- oder Kernelektrode das Fluß­ mittel mit einer Beschichtungsdicke von 0,12 cm (0,0463 inches) aufgetragen. Die die zentrale Elektrode umgebenden Stabelektro­ den mit geringerem Durchmesser von beispielsweise 0,64 cm (0,25 inches) tragen üblicherweise das Flußmittel in einer Beschichtungsdicke von 0,38 cm (0,15 inches).
Während die vorstehend genannten Parameter während des Schweiß­ verfahrens gewählt werden, wird die Spannung zwischen 26 und 30 V eingestellt und die Stromstärke zwischen etwa 1500 und 2400 A variiert. Es wird festgestellt, daß weitgehend mehr als 40,83 kg (90 pounds) festen Schweißguts pro Stunde niederge­ schlagen werden und daß das geschmolzene Metall nach Verfesti­ gung dicht, porenfrei und homogen ist. Die ausgezeichneten me­ chanischen Eigenschaften des Schweißguts wurden aufgeführt.
In der Schweißtechnik ist es bekannt, daß Flußmittelüberzüge für Elektroden mindestens drei wichtige Funktionen inne haben. Erstens wird die elektrische Leitfähigkeit über dem Lichtbogen durch Ionisation sich entwickelnder Gase erhöht und zweitens erzeugen die Flußmittel ein Schutzgus (CO2), welches für einen Ausschluß der Luft vom Schweißbad sorgt. Drittens werden durch solche Flußmittelüberzüge zusätzlich schlackenbildende Materia­ lien zu dem geschmolzenen Schweißbad zur Kornverfeinerung und in manchen Fällen auch zur Zugabe von Legierungen zu der Schweißstelle zugefügt. Die Flußmittelbeschichtung erfüllt in diesem Fall ihre Funktion als chemischer Schutz. Ihre mechani­ sche Schutzwirkung ist darin zu sehen, daß die Flußmittelbe­ schichtungen die Elektrodenseiten isolieren, so daß der Licht­ bogen am Ende der Elektrode in einem abgeschlossenen Bereich konzentriert ist. Dies ist wichtig und erleichtert das Schwei­ ßen in einer tiefen "U"- oder "V"-Rinne. Zusätzlich erzeugt die Flußmittelschicht an der Spitze der Elektrode einen Kugelab­ schnitt, einen Kegel oder eine Schutzhülle, die unter Ausbil­ dung eines mechanischen Schildes wie ein Schmelztopf wirkt, den Lichtbogen konzentriert und ausrichtet, die thermischen Verlu­ ste mindert und die Temperatur am Ende der Elektrode erhöht.
Es wird deutlich, daß mit der Bündelelektrodenanordnung, näm­ lich den äußeren Stabelektroden mit geringerem Durchmesser in Kombination mit der zentralen Stab- oder Kernelektrode, indivi­ duelle Lichtbögen erzeugt werden, welche Hitze in den zentralen Kern übertragen. Dadurch wird die Strömung des geschmolzenen Metalls erleichtert und ein Überschuß an Metall im Kugelab­ schnitt vermieden, was sonst zur Erzeugung einer großen Menge an kugelförmiger Übertragung führen würde. Erfindungsgemäß wird das Zusammenbrechen der Kugeln des geschmolzenen Metalles, das die Enden der Elektroden in Form feiner Teilchen verläßt, durch Reduzierung der Adhäsionskräfte zwischen dem geschmolzenen Me­ tall und den Enden der Elektroden erreicht oder durch Änderung der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls.
Mit dem Verfahren zum Lichtbogenschweißen mittels der Bündel­ schweißelektrodenanordnung wird ein Aufschweißen von großen Mengen an flüssigem Schweißgut bei Einsatz geringer Strom­ stärken und Spannungswerten ermöglicht. Das dadurch hergestellte verfestigte Schweißgut weist einen niedrigen Kohlenstoffgehalt und verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Diese wünschens­ werten Ergebnisse werden erreicht mittels der Bündelelektrode, die mit einer Flußmittelzusammensetzung beschichtet ist, deren Bestandteile innerhalb der offenbarten Bereiche variieren kön­ nen. Diese und andere Modifikationen in der Zusammensetzung, dem Schweißverfahren oder der hierin offenbarten Struktur sind in die Erfindung mit eingeschlossen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogen zwischen einem Grundwerkstoff und einer Elektrodenspitze einer Bündelelektrode erzeugt wird, die aus einer festen, zentral angeordneten und mit einem Flußmittel be­ schichteten Stabelektrode mit niedrigem Kohlenstoffanteil im Stahl besteht, die von flußmittelbeschichteten festen Stabelek­ troden mit kleinerem Durchmessr und niedrigem Kohlenstoffge­ halt im Stahl umgeben ist, um flüssiges Schweißgut zu erzeugen, und daß das flüssige Schweißgut abgekühlt wird, um eine Stahl­ legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu erhalten, die weitgehend die folgende Zusammensetzung aufweist: BestandteilUngefährer Mengenbereich in Gew.-%Kohlenstoff0,01-0,15 Mangan0,50-2,00 Silicium0,05-1,00 Chrom0,50-5,00 Molybdän0,25-2,50 Nickel0,50-5,00 Wolfram0,25-1,50 Vanadin0-1,50 Niob0-1,00 Cobalt0-2,00
2. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogen zwischen einem Grundwerkstoff und einer Elektrodenspitze einer Bündelelektrode erzeugt wird, die aus einer festen, zentral angeordneten und mit einem Flußmittel be­ schichteten Stabelektrode mit niedrigem Kohlenstoffanteil im Stahl besteht, die von flußmittelbeschichteten festen Stabelek­ troden mit kleinerem Durchmesser und niedrigem Kohlenstoffge­ halt im Stahl umgeben ist, um flüssiges Schweißgut zu erzeugen, und daß das flüssige Schweißgut abgekühlt wird, um eine Stahl­ legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu erhalten, wobei die Flußmittelbeschichtung der Stablelektroden weitgehend die folgende Zusammensetzung aufweist: BestandteilUngefährer Mengenbereich in Gew.-%Mangan2-12 Silicium2-10 Eisen5-35 CaCO320-60 CaF28-35 Chrom3-12 Silikat5-15 Molybdän0,05-10 Wolfram0,05-10 Nickel0,10-15 Titan0-15 Vanadin0-3
3. Stahllegierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, herge­ stellt nach dem Verfahren nach Anspruch 2.
4. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogen zwischen einem Grundwerkstoff und einer Elektrodenspitze einer Bündelelektrode erzeugt wird, die aus einer festen, zentral angeordneten und mit einem Flußmittel be­ schichteten Stabelektrode mit niedrigem Kohlenstoffanteil im Stahl besteht, die von flußmittelbeschichteten festen Stabelek­ troden mit kleinerem Durchmesser und niedrigem Kohlenstoffge­ halt im Stahl umgeben ist, um flüssiges Schweißgut zu erzeugen, und daß das flüssige Schweißgut abgekühlt wird, um eine Stahl­ legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu erhalten, die weitgehend die folgende Zusammensetzung aufweist: BestandteilUngefährer Mengenbereich in Gew.-%Kohlenstoff0,06 Mangan1,35 Silicium0,08-0,10 Chrom3,00-3,50 Molybdän1,00-2,00 Nickel1,50 Wolfram0,25-1,50
5. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogen zwischen einem Grundwerkstoff und einer Elektrodenspitze einer Bündelelektrode erzeugt wird, die aus einer festen, zentral angeordneten und mit einem Flußmittel be­ schichteten Stabelektrode mit niedrigem Kohlenstoffanteil im Stahl besteht, die von flußmittelbeschichteten festen Stabelek­ troden mit kleinerem Durchmesser und niedrigem Kohlenstoffge­ halt im Stahl umgeben ist, um flüssiges Schweißgut zu erzeugen, und daß das flüssige Schweißgut abgekühlt wird, um eine Stahl­ legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu erhalten, wobei die Flußmittelbeschichtung der Stabelektroden weitgehend die folgende Zusammensetzung aufweist: BestandteilUngefähre GewichtsteileMangan 6 Silicium 8 Eisen10 CaCO350 CaF220 Chrom12 Silikat 4 Molybdän 6 Nickel 8 Wolfram 1,5
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