DE619002C - Schmelzschweissverfahren fuer Bauteile aus Eisen oder Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmelzschweißverfahren für Bauteile aus Eisen oder Stahl, wie Stahlplatten, stählerne Rohrteile, gewalzte oder gepreßte Stahlformstücke u. dgl., die gewöhnlich aus einem Stahl niedrigen oder mittleren Kohlenstoffgehalts oder besonders in letzter Zeit in wachsendem Ausmaß aus einem Stahl mit verhältnismäßig geringem Legierungsgehalt, z.B. bis zu i,S °/o Mangan, aus Silizium-Mangan-Stahl ο. dgl., bestehen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung beruht auf der bekannten Erkenntnis, daß sich bestimmte Eigenschaften des Kohlenstoffs, die sich besonders vorteilhaft in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auswirken, für die Schmelzschweißung nutzbar machen lassen. So bildet der Kohlenstoff mit Eisenoxyd Eisen und Kohlenoxyd, er ist in Eisen löslieh und wird von weißglühendem Eisen schnell gelöst, er erniedrigt den Schmelzpunkt einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung, er erweitert die Erstarrangsgrenze einer solchen Legierung und schützt andere Legierungsbestandteile gegen Ausbrennen. Die genannten Eigenschaften des Kohlenstoffs sind für das Verfahren gemäß der Erfindung von mehr oder weniger großer Bedeutung. Auf ihren Einfluß im einzelnen wird später noch eingegangen.

Bei dem Schmelzschweißverfahren gemäß der Erfindung wird zunächst die Oberflächenschicht der zu verschmelzenden Werkstückkanten aufgekohlt, z. B. in bekannter Weise durch die Flamme eines mengenmäßig mit ^3S mehr Acetylen als Sauerstoff (Acetylenüberschuß) gespeisten Schweißbrenners, und alsdann werden die aufgekohlten Oberflächenschichten durch dieselbe oder durch eine neutrale Schweißflamme oder durch den elektrisehen Lichtbogen gegebenenfalls unter Hinzufügung von Zusatzwerkstoff miteinander verschmolzen. Zur Hergabe des Kohlenstoffs für .die Aufkohlung sowie einer nicht oxydierenden Atmosphäre dient zweckmäßig das Acetylen, jedoch ist die Erfindung nicht auf die alleinige Anwendung dieses Gases beschränkt.

Obwohl es möglich ist, die Aufkohlung der Werkstückkanten und ihre Verschmelzung nacheinander vorzunehmen, werden zweckmäßig beide Vorgänge miteinander verbunden und die Schweißung in einer nicht oxydierenden Atmosphäre durchgeführt.

Bei der Gasschinelzschweißimg von Bauteilen aus Eisen oder Stahl, wie z. B. Formstücken, Platten, Röhren o. dgl., wurde bisher allgemein die sogenannte neutrale Acetylen-Sauerstoff-Flamme benutzt, d. h. eine Flamme, die durch Verbrennen von Azetylen

mit mengenmäßig mehr Sauerstoff als Azetylen, und zwar etwa in einem Verhältnis von 104 Rautnteilen Sauerstoff zu 100Raumteilen Acetylen, entsteht. Die Einstellung dieser neutralen Acetylen-Sauerstoff-Flamme kann nach Augenmaß erfolgen, und zwar so, daß die Flamme einen scharf begrenzten weiß leuchtenden, länglichen und vorn gerundeten Kern aufweist. Bei Sauerstoffüberschuß zeigt die Flamme einen kurzen violetten Kern, während bei Acetylenüberschuß der Kern seine scharfe Umgrenzung verliert und ein matt leuchtendes Aussehen erhält, wobei gleichzeitig am Ende des leuchtenden Kerns !5 eine schmutziggelb gefärbte Fahne oder eine Zwischenzone sichtbar wird, die im selben Maße wächst, wie der Acetylenüberschuß zunimmt. ■ .

Beim Schweißen mit der neutralen Flamme muß das Grundmetall tief aufgeschmolzen und die Schweißrille mit ebenfalls .geschmolzenem Zusatzwerkstoff von einem Schweißstab gefüllt werden.

Im folgenden soll die bisher übliche Sauerstoff-Acetylen-Schweißfiamme mit scharf eingestelltem Innenkegel als neutrale Flamme und die mit Acetylenüberschuß gespeiste Acetylen-Sauerstoff-Flamme, deren weißer Flammenkern von einer schmutziggelben Fahne eingehüllt und überragt ist, als Acetylenüberschußflamme bezeichnet werden.

Im Gegensatz zu der neutralen Flamme ist bei der Acetylenüberschußflamme das Raumverhältnis-des zugeführten Sauerstoffes zum Acetylen gerade umgekehrt und .beträgt vorteilhaft 97RaumteileSauerstoff auf 100 Raumteile Acetylen. Der Aoetylenüberschuß kann jedoch in verhältnismäßig. weiten Grenzen schwanken, ohne den Schweißvorgang zu beeinträchtigen. Zweckmäßig wird die Acetylenüberschußflamme so eingestellt, daß die den weißen Flammenkern einhüllende und übernagende schmutziggelb gefärbte erste Verbrennungszone der Flamme höchstens ⁴S etwa die dreifache Länge des Flammenkerns, von der Brennermündung ab gemessen, besitzt. Bei Verwendung der Acetylenüberschußflamme für die Schmelzschweißung nimmt die Oberflächenschicht der zu verschmelzenden Werkstückkanten Kohlenstoff auf. Durch die oberflächliche Aufkohlung des Werkstoffes beginnt die Oberfläche plötzlich zu schmelzen, sobald ein gewisser Gehalt an Kohlenstoff an der Oberfläche erreicht ist. Die Werkstoffoberfläche hat dann kurz vor der Schweißflamme ein feuchtes Aussehen, das dem Schweißer anzeigt, daß die Oberflächenschicht genügend Kohlenstoff aufgenommen hat und die Flamme richtig eingestellt ist. Das plötzliche Schmelzen bildet somit eine weitere Möglichkeit zur Feststellung der richtigen Flammeneinstellung mit Aoetylenüberschuß, da bei zu geringem Überschuß kein plötzliches Schmelzen eintritt, dagegen bei zu großem Acetylenüberschuß zahlreiche »Funken während des Schweißens aus der Schmelze hetaussprühen, wie sie z. B. bei hohem Kohlenstoffstahl auftreten, wenn man ihn an eine Schmirgelscheibe hält. Innerhalb dieser Grenzen (des plötzlichen Schmelzens und des Auftretens des Funkenregens) kommt es auf eine genaue Einstellung der Flamme nicht wesentlich an, da der geeignete Acetylenüberschuß teilweise auch von anderen Umständen, z. B. der Art des Brennermundstückes, der Brennergröße, der Art des zu verschweißenden Eisens oder Stahls, der Brennerhandhabung, der Flammenstellrting usw., abhängt.

Ein Vorteil des neuen Schmelzschweißverfahrens liegt darin, daß auch bei größeren Werkstückstärken eine engere Schweißrille, z. B. eine V-RiHe von 6o°, benutzt werden kann und die Werkstücke dichter zusammengelegt werden können als beim Schweißen mit neutraler Flamme, wo oft das gute Durchschweißen der Rille Schwierigkeiten ergibt. Es kann sowohl vorwärts (Linksschweißung) wie rückwärts (Rechtsschweißung) geschweißt werden, jedoch ist die Rechtsschweißung besonders vorteilhaft, wenn mit den üblichen Schweißbrennern von Hand mit einer Einzelflamme geschweißt wird. Der Brenner wird dabei zweckmäßig so gehalten und geführt, daß die Acetylenüberschußflamme mit ihrer Spitze gegen die Schweißstelle gerichtet ist, vorzugsweise waagerecht oder unter ^einem Winkel von höchstens 30⁰ brennt und kurze Vor- und Rückwärtsbewegungen in der Schweißrichtung ausführt. Der Schweißstab kann entweder senkrecht zum Werkstück oder besser unter einem spitzen Winkel zum Brenner geneigt gehalten werden, wobei sich sein unteres Ende in der flüssigen Schweiße in der Rille befindet. Beim Schweißen mit neutraler Flamme sind für gewöhnlich Brennerkopf und Flamme gegen das Werkstück unter einem Winkel von ungefähr 60 ° geneigt. Durch das Schweißen mit der Acetylenüberschußflamme ergibt sich no eine Vereinfachung der Technik des Schweißens durch den Fortfall der Notwendigkeit einer schwingenden Bewegung des Brenners und/oder des Schweißstabes quer zur Naht, wie sie beim Schweißen mit neutraler Flamme erforderlich ist Beim Schweißen mit der Acetylenüberschußflamtne genügt die erwähnte kurze Vor- und Rückwärtsbewegung des Brenners in der Schweißrichtung, um die richtige Metallmenge vom Schweißstab abzuschmelzen und die angrenzenden Werkstück- ' flächen zu erwärmen und aufzukohlen. In

manchen Fällen ist jedoch auch diese Bewegung des Brenners unnötig; dieser kann vielmehr in kurzem Abstand vor der Schweiße und dem Schweißstab in der Schweißrichtung fortschreitend gehalten werden. Das plötzliche Schmelzen der Oberfläche erstreckt sich z. B. beim Schweißen von io-mm-Stahlblechen auf etwa 12 mm vor der Schweiße. Durch die erwähnte Brennerhaltung wird die gesamte Schweißzone durch die nicht oxydierende Atmosphäre der Acetylenüberschußflamme geschützt.

Wenn das flüssige Metall der Schweiße bzw. des Zusatzmetalls mit den oberflächlich gekohlten und geschmolzenen Flächen des Grundmetalls in Berührung kommt, verteilt sich der Kohlenstoff durch Diffusion, und das Grundmetall und der Zusatzwerkstoff bilden eine einheitliche Legierung. Da nur die Oberflächenschichten der Werkstückkanten schmelzen, verringert sich die Einbrandtiefe auf etwa die Hälfte bis ein Drittel derjenigen beim Schweißen mit neutraler Flamme, und die Schweiße zeichnet sich infolge der reduzierenden Wirkung des Kohlenstoffs durch einen praktisch vollkommenen Mangel an Oxyd- und Schlackeneinschlüssen aus. Zwischen dem Grundmetall und- dem Werkstoff der Schweißnaht besteht ein allmählicher Übergang, der infolge der Diffusion des Kohlenstoffs in der flüssigen Schweiße viel regelmäßiger ausfällt als bei einer Schweißung mit neutraler Flamme.

Durch die Aufkohlung der Oberflächenschicht ist eine viel größere Schweißgeschwindigkeit erreichbar, da die Schweißtemperatur viel niedriger ist als beim Schweißen mit neutraler Flamme, wodurch gleichzeitig eine erhebliche Ersparnis an Zeit und Gasver-

+0 brauch erzielt wird. Zur größeren Wirtschaftlichkeit des Verfahrens tragen ferner die' Tatsachen bei, daß keine Oxyde ausgeschwemmt zu werden brauchen, daß zur Ausführung des Schweißens weniger Erfahrung und Handfertigkeit notwendig ist, daß auf die Flächeneinheit weniger Wärmeeinheiten erforderlich sind oder der Flächeneinheit mehr Wärmeeinheiten zugeführt werden können und daß engere Schweißrillen verwendbar sind.

Um die Schweißgeschwindigkeit und damit die Wirtschaftlichkeit noch mehr zu erhöhen, können Zusatzstab oder Werkstück oder beide vorgewärmt werden, und zwar beispielsweise durch einen Mehrflammenbrenner mit Schweißstabvorwärmdüse, wobei den verschiedenen Brennerdüsen des Mehrflammenbrenners unabhängig voneinander in ihrem Mischungsverhältnis regelbare Aoetylensauerstoffgemische zugeführt werden können..

Die Zusammensetzung des Schweißstabes kann in beträchtlichen Grenzen schwanken. Besonders geeignet sind an sich bekannte Schweißstäbe mit einem den mittleren "Kohlenstoffgehalt von Kohlenstoffstahl nicht über- g₅ steigenden Kohlenstoffgehalt. Der Schweißstab kann außerdem, wie ebenfalls bekannt, neben Kohlenstoff Mangan und Silizium oder andere Legierungselemente, wie z. B. Nickel, enthalten, oder seine Zusammensetzung kann der des zu schweißenden Metalls entsprechen. Besonders geeignet ist ein Schweißstab folgender Zusammensetzung: 0,05 bis o,S °/o C, 0,50 bis 1,75 % Mn, 0,20 bis i,S % Si.

So wurden beispielsweise ausgezeichnete Schweißungen an iO-mm-Blechen und Rohrstücken mit Acetylenüberschußflamme und einem Schweißstab mit 0,11 bis 0,20 % C, 0,90 bis 1,150/0 Mn, 0,32 bis 0,420/0 Si, nicht über 0,04 °/₀ S und P, Rest im wesentlichen Fe erzielt.

Obwohl das neue Schmelzschweiß verfahren am zweckmäßigsten mit einer Acetylenüberschußflamme durchgeführt wird, so kann in manchen Fällen auch eine neutrale Acetylensauerstoffflamme oder ein elektrischer Lichtbogen zur Erzeugung der Schweißhitze benutzt werden und eine besondere Acetylenüberschußflamme auf die durch die neutrale Flamme oder den Lichtbogen erhitzte Stelle gerichtet werden. Auch können bei einem Mehrflammenbrenner die verschiedenen Flammen mit verschiedenen Acetylen-Sauerstoff-Gemischen gespeist werden. So kann z. B. eine neutrale Flamme oder eine Flamme mit geringem Acetylenüberschuß hauptsächlich auf die Schweiße gerichtet werden, tun den Zusatzwerkstoff zu schmelzen und die Schweiß wärme zu erzeugen, während eine weitere Flamme mit größerem Acetylenüberschuß auf die benachbarten Werkstückkanten vor der Schweiße gerichtet wird, um diese oberflächlich aufzukohlen.

Selbstverständlich ist die Durchführung ^l°5 der Schmelzschweißung in geeigneten Fällen, wie z. B. bei dünnen Blechen, auch ohne Hinzufügung von Zusatz werkstoff möglich, indem z. B. die oberflächlich aufgekohlten und geschmolzenen Werkstückflächen in unmittelbare Berührung gebracht werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Schmelzschweißverfahren für Bauteile aus Eisen oder Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Oberflächenschicht der zu verschmelzenden Werkstückkanten aufgekohlt wird, z. B. in bekannter Weise durch die Flamme eines mengenmäßig mit mehr Acetylen als Sauerstoff (Acetylenüberschuß) gespeisten Schweißbrenners, und alsdann die aufge-

   kohlten Oberflächenschichten durch dieselbe oder durch eine neutrale Schweißflänme oder durch den elektrischen Lichtbogen gegebenenfalls unter^'Hinzufügung von Zusatzwerkstoff miteinander verschmolzen "werden.i
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner so gehalten und geführt wird, daß die Acetylenüberschjaßflamme mit ihrer Spitze gegen die Schweißstelle gerichtet ist, vorzugsweise waagerecht brennt und kurze Vor- und Rückwärtsbewegungen in der Schweißrichtung ausführt.
3. 3. Acetylenüberschußflamme zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, 'daß die den weißen Flammenkern einhüllende und überragende schmutziggelb gefärbte erste Verbrennungszone der Flamme höchstens die dreifache Länge des Flammenkernes von der Brennermündung ab gemessen besitzt.
4. 4. Die Verwendung mehrerer Schweißflammen, z. B. eines Mehrflanunenbrenner.s mit Schweißstabvorwärmdüse zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, derart, daß den Brennerdüsen unabhängig voneinander in ihrem Mischungsverhältnis regelbare Acetylen-Sauerstoff-Gemische zugeführt werden.
5. 5. Die Verwendung eines solchen an sich bekannten Schweißstabes zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 mittels einer Acetylenüberschußflamme nach Anspruch 3, der einen den mittleren Kohlenstoffgehalt von Kohlenstoffstahl nicht übersteigenden Kohlenstoffgehalt oder neben Kohlenstoff wesentliche Mengen; Mangan und Silizium oder ^₀ unwesentliche Mengen dieser Legierungselemente gegebenenfalls neben ebenfalls unwesentlichen Mengen anderer Legierungselemente, wie z. B. Nickel, enthält oder die Zusammensetzung des zu schweißenden Metalles besitzt.