DE553158C

DE553158C - Process for welding or cutting metals by melting in an electric arc

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Publication number: DE553158C
Application number: DEA48701D
Authority: DE
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1925-09-05
Filing date: 1926-09-07
Publication date: 1932-06-22

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM
22. JUNI 1932ISSUED ON
June 22, 1932

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

M 553 KLASSE 21h GRUPPE M 553 CLASS 21h GROUP

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in BerlinGeneral Electricity Society in Berlin

Patentiert im Deutschen Reiche vom 7. September 1926 abPatented in the German Empire on September 7, 1926

Das an sich vorteilhafte Schweißen im elektrischen Lichtbogen bringt den Nachteil mit sich, daß die Schweißstellen nicht schmiedbar sind und leicht brüchig werden. Man hat diese Erscheinung auf eine in Gegenwart des Luftsauerstoffs eintretende Oxydation des Metalls zurückgeführt, doch haben auch in praktisch reinem Stickstoff ausgeführte Schweißungen dieselben Mängel ergeben. Weitere Versuche in dieser Richtung ließen jedoch erkennen, daß die-schädliche Wirkung des Stickstoffs, der im Lichtbogen mit dem Schweißmetall Nitride bildet, nur im Beisein wenn auch geringer Spuren von Sauerstoff auftritt. Es scheint, daß zunächst der Sauerstoff eine Verbindung mit dem Schweißmetall eingeht, der dann in der Hitze des Lichtbogens durch Stickstoff ersetzt wird. Aus dieser katalysatorartigen Wirkung läßt sich erklären, daß bereits sehr geringe Spuren von Sauerstoff das Schweißen in einer Stickstoffatmosphäre ungünstig beeinflussen.The inherently advantageous welding in electrical Arc has the disadvantage that the welds cannot be forged and are easily brittle. One has this appearance on one in the presence of the Oxygen in the air caused the metal to be oxidized, but also in Welds made with practically pure nitrogen produce the same defects. Further However, attempts in this direction have shown that the harmful effect of the Nitrogen, which forms nitrides in the arc with the weld metal, only in the presence even if there are minor traces of oxygen. It seems that first of all the oxygen forms a bond with the weld metal, which is then exposed to the heat of the arc is replaced by nitrogen. From this catalyst-like effect explain that even very small traces of oxygen allow welding in a nitrogen atmosphere affect unfavorably.

Durch die Erfindung soll das Schweißen oder Schneiden von Metallen durch Schmelzen im elektrischen Lichtbogen in einer billigen Schutzatmosphäre von Stickstoff ermöglicht werden, indem die in dem Stickstoff vorhandenen Spuren von Sauerstoff durch einen Zusatz von Wasserstoff, der zum Sauerstoff eine größere Affinität besitzt als das Metall, unwirksam gemacht werden.The invention is intended to weld or cut metals by melting in an electric arc in a cheap protective atmosphere of nitrogen by removing the traces of oxygen present in the nitrogen through a Addition of hydrogen, which has a greater affinity for oxygen than the metal, be made ineffective.

Das einzuhaltende Mischungsverhältnis richtet sich nach der Art der ausgeführten Schweißung und der gewünschten Lichtbogenspannung. Wenn es sich um Metalle oder Legierungen handelt, die durch Wasserstoffaufnahme leicht porös oder brüchig werden, ist es zweckmäßig, den Wasserstoffgehalt möglichst gering zu halten. Er kann so weit" herabgesetzt werden, daß das Gemisch einen sehr hohen Entzündungspunkt erhält oder in Luft überhaupt nicht brennbar wird.The mixing ratio to be adhered to depends on the type of work carried out Welding and the desired arc voltage. If it is metals or Alloys that become easily porous or brittle due to the absorption of hydrogen, it is advisable to keep the hydrogen content as low as possible. He can go so far " be reduced so that the mixture gets a very high ignition point or in Air does not become flammable at all.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf einfache und billige Herstellungsarten für das Schutzgasgemisch und auf geeignete Einrichtungen. The invention also extends to simple and inexpensive ways of manufacturing the Protective gas mixture and suitable facilities.

Wenn die Schweißung in einem geschlossenen Behälter, in einer Schutzhaube- ο·. dgl. vorgenommen wird und der Wasserstoff sowohl wie der Stickstoff einen hohen Gi;ad von Reinheit haben, dann genügen etwa 6 Volumprozent Wasserstoff, um die Spuren voii Sauerstoff, die in den Schutzgasen oder im Schweißmetall vorhanden sind, zu binden oder unschädlich zu machen. Wenn die Schweißung jedoch in freier Luft durchgeführt wird, istIf the welding is carried out in a closed container, in a protective cover- ο ·. like is made and the hydrogen as well as the nitrogen have a high Gi; ad of Purity, then about 6 percent by volume of hydrogen is sufficient to remove the traces of voii To bind oxygen that is present in the shielding gases or in the weld metal or to render harmless. However, if the weld is carried out in the open air, it is

ein größerer Wasserstoffgehalt des Schutzgases notwendig, um die durch Wirbelbildungen an die_ ,Schw.eißstftlle gelangende Luft unschädlich zu machen. Je nach Art des Schweißbrenners und Werkstoffs kann der Wasserstoffgehalt erheblich höher sein. Gute Erfolge wurden mit 20 °/₀ Wasserstoff erzielt. Geringer Wasserstoffgehalt ist besonders bei leicht Wasserstoff aufnehmenden Legierungen am Platze. Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich daher besonders für das Schweißen von Nickel-Chrom-Legierungen, und es haben sich mit Stellitschweißungen sehr gute Ergebnisse erzielen lassen. Das Schweißen im Schutzgas gemäß der Erfindung kann so durchgeführt werden, daß man die Gase im geeigneten Verhältnis mischt und dem Lichtbogen zuleitet, oder es kann auch eine Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung -zersetzt oder unzersetzt dem Lichtbogen zugeleitet werden. , .a higher hydrogen content of the protective gas is necessary in order to render harmless the air that reaches the black body through the formation of eddies. Depending on the type of welding torch and material, the hydrogen content can be considerably higher. Good results were achieved with 20 ° / ₀ hydrogen. A low hydrogen content is particularly important in the case of alloys that absorb hydrogen easily. The method according to the invention is therefore particularly suitable for welding nickel-chromium alloys, and very good results have been achieved with stellite welds. The welding in protective gas according to the invention can be carried out in such a way that the gases are mixed in a suitable ratio and fed to the arc, or a nitrogen-hydrogen compound can be fed to the arc, decomposed or undecomposed. ,.

Das Verfahren kann auch auf das elektrische Schneiden übertragen werden. Dann kommt in Betracht, daß der Wasserstoffgehalt die Lichtbogenspannung erhöht, so daß.größere Energiemengen umgesetzt werden können, was ein rascheres Arbeiten gestattet. Wenn auch der hohe Gehalt an inertem Gas', wie Stickstoff, in der Lichtbogenatmosphäre bei gleicher Lichtbogenlänge die Spannung herabsetzt, so sichert die Schutz atmosphäre doch ein ruhiges Brennen des Lichtbogensund ermöglicht dessen Länge größer zu halten als in Luft. Für das elektrische Schneiden haben sich Lichtbogenspannungen von 70 bis 100 Volt bewährt.The method can also be transferred to electrical cutting. then it is possible that the hydrogen content increases the arc voltage, so that larger Amounts of energy can be converted, which allows faster work. Albeit the high content of inert gas such as nitrogen in the arc atmosphere If the voltage is reduced for the same arc length, the protective atmosphere is ensured but a steady burning of the arc and enables its length to be kept longer than in air. For electrical cutting, arc voltages from 70 to 100 volts proven.

Die Herstellung des Schutzgasgemisches : für das Schweißen oder Schneiden im elektrischen Lichtbogen kann zweckmäßig in der Weise erfolgen, daß ein Luft-Wasserstoff-Gemisch verbrannt wird. Es können hierzu Mischbrenner, wie sie für Ammoniakerzeugungsanlagen bekannt sind, Verwendung finden. Hierdurch wird der Luftsauerstoff zu +5 Wasser verbrannt, und das verbleibende Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch kann erforderlichenfalls vom Wasserdampf befreit werden, ehe es an die Verwendurigsstelle : gelangt.The production of the shielding gas mixture: for welding or cutting in the electrical Arc can expediently take place in such a way that an air-hydrogen mixture is burned. Mixing burners such as those used for ammonia generation systems can be used for this purpose are known to be used. This increases the oxygen in the air +5 water is burned, and the remaining nitrogen-hydrogen mixture can be used if necessary be freed from water vapor before it is sent to the place of use: got.

5a Ein billiger Ausgangsstoff für die Sehutzatmosphäre ist auchAmmoniak, das dissoziiert. und dem Lichtbogen zugeleitet werden kann. Auch kann die Dissoziation im Lichtbogen selbst vorgenommen werden. Es ist jedoch vorteilhafter, sie vorher gesondert durchzuführen, damit der Arbeiter nicht durch im Lichtbogen etwa undissoziiert bleibendes Ammoniak belästigt wird. Auch ist es in diesem Fall möglich, das Schutzgas vor seiner Verwendung mit Stickstoff anzureichern. Das '■■ bei der Dissoziation entstehende Gemisch i enthält 75 Volumprozent Wasserstoff und 25 °/₀ Stickstoff. Es stellt daher ein sehr wasserstoffreiches und daher vergleichsweise teures Schutzgas dar, kann aber durch Erwärmen auf 300 ° C im Volumen verdoppelt werden. Der Schutzgasverbrauch beim Schweißen ist nicht groß, so daß man mit dem Inhalt eines tragbaren Ammoniakbehälters Schutzgas für die Schweißarbeiten mehrerer Wochen erzeugen kann.5a Another cheap starting material for the protective atmosphere is ammonia, which dissociates. and can be fed to the arc. The dissociation can also be carried out in the arc itself. However, it is more advantageous to do it separately beforehand so that the worker is not bothered by ammonia that remains undissociated in the arc. In this case it is also possible to enrich the protective gas with nitrogen before it is used. The '■■ generated by the dissociation mixture contains 75 volume percent hydrogen and i 25 ° / ₀ nitrogen. It is therefore a very hydrogen-rich and therefore comparatively expensive protective gas, but its volume can be doubled by heating to 300 ° C. The use of shielding gas during welding is not great, so that the contents of a portable ammonia container can be used to generate shielding gas for welding work for several weeks.

In der Zeichnung sind Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.In the drawing are devices for carrying out the method according to the invention shown schematically.

Abb, ι zeigt eine Einrichtung für Handschweißung, Fig, ι shows a device for manual welding,

Abb. 2 für halbautomatische Schweißung. Abb. 3 veranschaulicht einen Mischbrenner. Bei der in Abb. 1 dargestellten Einrichtung wird aus dem Behälter 1 gasförmiges Ammoniak über das Ventil 2 zu dem Zer'setzer 3 geleitet, der andeutungsweise durch einen Bunsenbrenner beheizt ist. Er kann sonst von beliebiger Bauart sein und Eisenschwamm und Eisenfeilspäne als Kontaktsubstanz enthalten. Das dissoziierte Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch gelangt in die Haube 4, die über das Werkstück 5 gestülpt ist. Dieses ist durch die Leitung 10 mit dem Pol einer Stromquelle verbunden, während die mittels 9.) des Halters 9 geführte Elektrode 6 über eine Reaktanz 7 und einen Öhmschen Widerstand 8 an den anderen Pol der Stromquelle angeschlossen ist. Die Elektrode kann eine Metalloder Kohleelektrode sein. Zweckmäßig wird zur Schweißung Gleichstrom verwendet und das Werkstück an den positiven Pol gelegt. Das Schutzgasgemisch verbrennt in einiger Entfernung über der Haubenöffnung.Fig. 2 for semi-automatic welding. Fig. 3 illustrates a mixing burner. In the device shown in Fig. 1, the container 1 becomes gaseous ammonia passed through the valve 2 to the decomposer 3, which is indicated by a Bunsen burner is heated. Otherwise it can be of any type and sponge iron and iron filings contain as a contact substance. The dissociated hydrogen-nitrogen mixture reaches the hood 4, which is placed over the workpiece 5. This is connected by line 10 to the pole of a power source, while the means of 9.) the holder 9 guided electrode 6 via a reactance 7 and an Ohm resistor 8 connected to the other pole of the power source. The electrode can be a metal or Be carbon electrode. Appropriately, direct current is used for welding and the workpiece is placed on the positive pole. The protective gas mixture burns in some Distance above the hood opening.

Statt einer Haube kann auch ein hohler Ring verwendet werden, der an der Innenseite siebartig durchlöchert -und oben durch eine Asbestplatte mit Durchtrittsöffnung für die Elektrode abgeschlossen ist. Das Schutzgas wird dann dem hohlen Ring zugeleitet. In diesem Fall kann im Hohlraum des Ringes eine Kontaktsubstanz oder ein Katalysator untergebracht und der Ring mit einer zusätzlichen Heizung versehen sein. Dann wird unzersetztes Ammoniak dem Ring zugeführt, Ho hier zersetzt und verläßt in dissoziiertem Zustand als Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch den Schutzring durch die innenliegenden Sieböffnungen, so daß ein besonderer Zersetzer erspart wird. Selbstverständlich kann auch die Haube 4 in dieser Weise ausgebildet werden.Instead of a hood, a hollow ring can be used on the inside perforated like a sieve -and above by an asbestos plate with a passage opening for the electrode is complete. The protective gas is then fed to the hollow ring. In this case, a contact substance or a catalyst can be used in the cavity of the ring housed and the ring provided with an additional heater. Then it will be Undecomposed ammonia is fed to the ring, Ho decomposes here and leaves in a dissociated state as a hydrogen-nitrogen mixture, the protective ring through the inner sieve openings, so that a special decomposer is saved. Of course you can too the hood 4 can be formed in this way.

Abb. 2 veranschaulicht schematisch einen halbautomatischen -Schweißkopf. Der Draht aus Schweißmetall wird durch die Speiserollen 24 von der Haspel 23 abgezogen und ■der Schweißstelle durch eine biegsame Lei-Fig. 2 schematically illustrates a semi-automatic welding head. The wire of weld metal is withdrawn from the reel 23 by the feed rollers 24 and ■ the welding point through a flexible cable

tung 26 zugeführt. Der Schweißbrenner 21 erhält das Schutzgasgemisch durch die biegsame Leitung 20. Dieses wird in dem Zersetzer 3 erzeugt, der aus einem zentralen Rohrstück 16 mit Heizspirale 17 aus Chromnickel, einer Füllmasse 18 aus Eisenschwamm oder Eisenfeilspänen und dem mit Asbest 19 isolierten Gehäuse besteht. Das Ammoniak wird über das Ventil 2 aus dem Behälter 1 dem Zersetzer zugeführt, durchstreicht die Füllmasse in der Pfeilrichtung von oben nach unten und gelangt durch das zentrale Rohr 16 nach oben in die Leitung 20. Die Füllmasse wird durch die Heizspirale 17 auf der notwendigen Temperatur gehalten.device 26 supplied. The welding torch 21 receives the protective gas mixture through the flexible line 20. This is in the decomposer 3 generated, which consists of a central piece of pipe 16 with heating coil 17 made of chrome-nickel, a filling compound 18 made of sponge iron or iron filings and that with asbestos 19 insulated housing. The ammonia is discharged from the container 1 via the valve 2 fed to the decomposer, sweeps the filling compound in the direction of the arrow from above down and passes through the central tube 16 up into the line 20. The Filling compound is kept at the required temperature by the heating coil 17.

Um zur vollautomatischen Schweißung zu gelangen, ist es nur notwendig, eine Relativbewegung zwischen dem Schweißbrenner 21 und dem Werkstück durch automatische Mittel zu erzeugen. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, das durch Dissoziation von Ammo'niak unmittelbar gewonnene Gemisch vor seiner Verwendung mit Stickstoff anzureichern; hierzu dient ein Mischbrenner, wie er in Abb. 3 dargestellt ist.In order to achieve fully automatic welding, it is only necessary to make a relative movement between the welding torch 21 and the workpiece by automatic means to create. In many cases it is advisable to use the mixture obtained directly by dissociation of Ammo'niak to be enriched with nitrogen before use; a mixing burner is used for this, such as it is shown in Fig. 3.

Aus dem Zersetzer 3 gelangt das Gemisch ^mit 75 °/o Wasserstoff durch ein regelbares Nadelventil 28 in das Brennerrohr 31, dassich in dem Verbrennungsraum 27 befindet.From the decomposer 3, the mixture ^with 75% hydrogen passes through a controllable needle valve 28 into the burner tube 31, which is located in the combustion chamber 27.

Eine Heizspirale 30 aus Chromnickel gestattet eine entsprechende Temperaturregelung. Luft wird dem Verbrennungsraum durch das Ventil 29 in regelbarer Menge zugeführt. Die Verbrennungskammer besitzt eine gute Wärmeisolation und kann an sich bekannte Zündelektroden enthalten. In diesem Brenner wird der Sauerstoffgehalt der zugeführten Luft an einen Teil des Wasserstoffs aus dem dissoziierten Ammoniak gebunden, so daß ein stickstoffreicheres Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch mit einem aus der Verbrennung herrührenden Wasserdampfgehalt die Verbrennungskammer verläßt. Während die Entzündungstemperatur von reinem Wasserstoff bei Gegenwart von genügend Sauerstoff bei 294⁰ C liegt, wird sie durch die Verdünnung mit Stickstoff bedeutend heraufgesetzt, so daß sich Entzündungstemperaturen von 600 bis 800 und 1000⁰ C ergeben.A heating coil 30 made of chrome-nickel allows a corresponding temperature control. Air is supplied to the combustion chamber through the valve 29 in a controllable amount. The combustion chamber has good thermal insulation and can contain ignition electrodes known per se. In this burner, the oxygen content of the air supplied is bound to part of the hydrogen from the dissociated ammonia, so that a nitrogen-rich hydrogen-nitrogen mixture with a water vapor content resulting from the combustion leaves the combustion chamber. While the ignition temperature of pure hydrogen in the presence of sufficient oxygen is 294 ^° C., it is increased significantly by dilution with nitrogen, so that ignition ^{temperatures of 600 to 800 and 1000 °} C. result.

Ist der Wasserdampfgehalt des abziehenden Gemisches nicht groß, so hat er auch auf die Schweißung keine schädliche Wirkung. Bei größerem Wasserdampfgehalt ist jedoch die Einschaltung eines Kondensators 33 vorzuziehen. Er ist mit Kühlrippen 34 versehen, besitzt eine absperpbare Überlauföffnung 36 und ein Schauglas 35. Auch die Zuleitung 32 kann Kühlflächen 34 erhalten.If the water vapor content of the mixture to be withdrawn is not great, then it also has the weld has no harmful effect. However, if the water vapor content is higher the connection of a capacitor 33 is preferable. It is provided with cooling fins 34, has a lockable overflow opening 36 and a sight glass 35. Also the supply line 32 can receive cooling surfaces 34.

Der beschriebene Mischbrenner kann selbst-So verständlich auch zur Erzeugung eines Wasserstoffgemisches aus Wasserstoff und Luft dienen. Der Sauerstoffgehalt der Luft wird dann durch einen Teil des Wasserstoffs zu Wasser gebunden, so- daß Stickstoff und Wasserstoff die Verbrennungskammer verlassen.The mixing burner described can of course also be used to generate a hydrogen mixture from hydrogen and air. The oxygen content of the air is then increased by some of the hydrogen Water is bound so that nitrogen and hydrogen leave the combustion chamber.

Die Zersetzungs-, Verdünnungs- und Kondensationsanlage (für den Wasserdampf) kann auch vollkommen unabhängig von der Schweißanlage betrieben werden, da Wasserstoff und Stickstoff sich nicht ohne weiteres wieder zu Ammoniak' vereinigen und daher gelagert oder in Gasometern aufgespeichert werden können.The decomposition, dilution and condensation plant (for the water vapor) can also be operated completely independently of the welding system, as it is hydrogen and nitrogen do not simply reunite to form ammonia and therefore can be stored or stored in gasometers.

Statt Ammoniak kann zur Erzeugung des Schutzgases auch irgendein anderes wasserstoff- und stickstoffhaltiges und in diese Gase aufspaltbares Material Verwendung finden.¹ Trimethylammoniak N (CH₃) ₃ hat gute Ergebnisse geliefert. Bei der Dissoziation entsteht Stickstoff, Wasserstoff und eine kleine Menge freien Kohlenstoffs. Kommen flüssige Verbindungen zur Aufspaltung, so ist es zweckmäßig, sie vorher zu verdampfen. Um schädliche Einwirkungen größerer Mengen freien Kohlenstoffs zu verhindern, wird bei der Aufspaltung solcher Verbindungen Kohlendioxyd oder Wasserdampf zugesetzt, wodurch der Kohlenstoff zu Kohlenmono'xyd umgewandelt wird, das der Schweißung nicht schädlich ist.Instead of ammonia, any other material that contains hydrogen and nitrogen and can be split into these gases can also be used to generate the protective gas. ¹ Trimethylammonia N (CH ₃ ) ₃ has given good results. The dissociation produces nitrogen, hydrogen and a small amount of free carbon. If liquid compounds break down, it is advisable to vaporize them beforehand. In order to prevent the harmful effects of large amounts of free carbon, carbon dioxide or water vapor is added when such compounds are broken down, as a result of which the carbon is converted to carbon monoxide, which is not harmful to the weld.

Claims

Patent claims:

1. Method of welding or Cutting of metals by melting in an electric arc, characterized in that that around the arc an atmosphere of nitrogen and hydrogen is produced.

2. The method according to claim 1, characterized in that the. Hydrogen content is only dimensioned as high as necessary to eliminate the damaging influence of existing traces of oxygen.

3. The method according to claim 2, characterized in that .the hydrogen content is about 6 percent by volume or more.

4. The method according to claim r, characterized in that the content of reducing Gas is dimensioned just so high that it is necessary to prevent absorption of the protective gas (nitrogen) in the weld is sufficient, but the ratio at which the shielding gas mixture does not become combustible in air, or does not significantly exceed it.

5. The method according to claim 1, characterized in that the hydrogen-nitrogen mixture by burning a

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A mixture of hydrogen and air and any precipitation of the water vapor formed is won.

6. The method according to claim i, characterized characterized in that dissociated ammonia to generate the protective atmosphere is used.

7. The method according to claim 6, characterized in that the ammonia Welding arc is supplied and dissociated in it,

8. The method according to claim 6, characterized in that ammonia before it is passed to the point of use, dissociated and for the purpose of enrichment of the Mixture with nitrogen is burned in a mixing burner with air, whereby the water vapor that forms is deposited.

9. The method according to claim 1, 'characterized in that for generating the protective atmosphere of nitrogen- and hydrogen-containing and cleavable in these gases compounds, such as trimethylammonia N (CH ₃ ) S, is assumed, with about harmful carbon deposits by means of carbon dioxide or water vapor in harmless or reducing compounds, such as carbon monoxide or water gas, are transferred.

10. Device for performing the method according to claim 6 and 9, thereby characterized in that the splitting of the protective gas in one the job surrounding hood is made.

11. Facility for carrying out the. ■ Process according to Claim 6, characterized in that the decomposition apparatus contains a heated contact substance such as sponge iron or iron filings.

12. Device for enriching the protective gas mixture with nitrogen the method according to claim 8, characterized in that in a combustion chamber a burner tube surrounded by electrical heating resistors is arranged, to which a nitrogen-hydrogen mixture is supplied through an adjustable valve, while air is supplied through one likewise controllable valve is directed into the combustion chamber, which in itself _ may contain known ignition electrodes. "

For this purpose ι sheet of drawings