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Verfahren zum überziehen von insbesondere für die Lichtbogenschweißung
dienenden Schweißstäben aus Leichtmetall mit einer Umhüllung, die ausschließlich
aus Salzen besteht Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen von Schweißstäben
aus Leichtmetall mit einer Umhüllung.
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Bekanntlich muß die Umhüllungsmasse solcher Schweißstäbe die Fähigkeit
besitzen, die Aluminiumoxydschicht, die die zu schweißende Metalloberfläche bedeckt,
zu lösen. Weiterhin muß sie auch -die bei der Erhitzung im Schweißlichtbogen entstehenden
Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen des Aluminiums, ,des Magnesiums und anderer
Legierungsbestandteile auflösen können.
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Hierbei ist -es von Bedeutung, daß durch die Aufnahme der Oxyde und
Nitride der Schmelzpunkt der Umhüllungsmasse und der Erstarrungspunkt der resultierendenSchlacke
nicht wesentlich erhöht wird, daß die Umhüllung nicht wasseranziehend ist, .daß
die Ionisierbarkeit - der Funkenstrecke erhöht wird und daß die entstehende Schlacke
spröde ist und leicht von der Schweißnaht entfernt werden kann. Über die Beachtung
dieser und einer Reih& weiterer Anforderungen darf bei ,der Auswahl und Zusammenstellung
der Mischungsbestandteile, aus denen die Umhüllungsmasse- besteht, nicht übersehen
werden, daß an die mechanische Festigkeit der Umhüllung beim Transport und bei derHandhabung
der Elektroden nicht unerhebliche Anforderungen gestellt werden. Besteht die Umhüllungsmasse
aus einem Salzgemisch, dann können bei der Aufbringung des Salzbreies auf die Stäbe
Umsetzungen zwischen den Salzbestandteilen oder auch Reaktionen mit dem Metall beispielsweise
auch während des Trocknungsprozesses eintreten, durch welche die Viscosität des
Salzbreies, mit dem der Stab bedeckt worden ist, schon kurz nach der Aufbringung
auf den Stab so stark abnimmt, daß die Umhüllung zu fließen beginnt und von dem
Stab abläuft. Weiterhin kann die mechanische Festigkeit der Umhüllung
beispielsweise
dadurch stark vermindert werden, daß .bei der Erstarrung der Salzkruste spröde Kristallarten
entstehen.
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Man hat nun, soweit die Ursache für das Auftreten solcher Störungen
erkannt worden ist, u. a. dadurch Abhilfe zu schaffen versucht, daß man den Mahlungsgrad
und damit die Zahl der für die Kristallisation zur Verfügung stehenden Keime erhöhte,
oder dadurch, daß man der für die Umhüllung zu benutzenden Mischung die Viscosität
steigernde Stoffe, Bindemittel oder Kolloide, zusetzte. Diese Maßnahmen haben aber
nur wenig zur Verbesserung der Brauchbarkeit der Schweißstäbe beitragen können.
Bei Anwendung organischer Kolloide wird Kohlenstoff in die Umhüllung eingeführt,
der sich gerade bei der Schweißung von Leichtmetall schädlich auswirken kann, und
bei Anwendung anorganischerBindemitteloderKolloide, wie z. B. von Bolus alba, muß
man mit imerwünschten Verlagerungen des Schmelzpunktes derUtnhüllung bzw. des Erstarrungspunktes
der Schlacke rechnen.
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Die Erfindung bezweckt die Beseitigung dieser Nachteile und geht dabei
von der Erkenntnis aus, daß die obengenannten, von der Umhüllungsmasse beim eigentlichen
Schweißvorgang zu lösenden Aufgaben nur von Salzen übernommen werden können, und
sie erstrebt deshalb die Schaffung einer Elektrode, deren Umhüllungsmasse ausschließlich
aus Salzen aufgebaut ist und doch alle obengenannten Forderungen bezüglich der Eigenschaften
dieser Masse erfüllt. Dies wird nach dem Hauptmerkmal der Erfindung dadurch erreicht,
daß eine breiige Mischung aus mindestens zwei verschiedenen Salzen mit mindestens
vier verschiedenen Torten hergestellt wird, die so ausgewählt sind, daß die Salze
miteinander in Reaktion treten.
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Die Art der bei der Leichtmetallschweißung zu verwendenden Salze ist
an sich bekannt. Es sind hauptsächlich die Halogenide der Alkalimetalle, der Erdallzalimetalle
und der Erden, doch können auch die Salze der fixen Säuren dieser Metalle der Mischung
zugesetzt werden, wie z. B. die Sulfate, Phosphate u. dgl. Die Erfindung betrifft
also nicht bestimmte Salze, sondern die Wahl eines ganz bestimmten Verbindungsverhältnisses
bei Salzmischungen, deren qualitativeZusammensetzung an sich bekannt ist.
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Es sei z. B. angenommen, daß die Umhüllung aus zwei Salzen bestehen
soll, deren Kationen 3,4 und 17b und deren Anionen Ra und Rj, sind, wobei das Anion
Rb eine größere Affinität zu dem Kation Mb hat als zu dem Kation llTa. Stellt man
nun ,die Umhüllungsmasse so her, daß man die Salze -1,1a Ra und 11,11, Rb zu einem
Brei anrührt, dann werden zwischen den Salzen keine irgendwie geartete Reaktionen
eintreten. Eine solche Umhüllungsmasse wird aber, selbst wenn sie sich z. B. im
Tauchverfahren auf den Metallstab ,aufbringen läßt und auf ihm befriedigend trocknet,
keine ausreichende Bindung aufweisen, und zwar weder -gegenüber dein 'Metallstab
noch die einzelnen Salzkristalle untereinander. Rührt man aber,den Salzbrei unter
Verwendung der Salze llla Rb und 11l, Ra an, dan wird folgende Austauschreaktion
eintreten Ma Rb -!- 111b Ra illa Ra + d1b Rb,. Überzieht man den Stab mit
einer solchen Salzmischung kurz vor dem Ende oder am Ende der in ihr stattfindenden
Reaktion, dann zeigt die so geschaffene Umhüllung eine überraschend hohe Bindekraft,
Festigkeit und Zähigkeit im Vergleich zu der obengenannten, anders hergestellten
Umhüllung chemisch identischer Zusammensetzung.
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Die Gedanken, die zu der Erfindung geführt haben und wahrscheinlich
die richtige Begründung für die Erscheinung geben, sind folgende Die mechanische
Widerstandsfähigkeit der Umhüllung gegen Stoß- und Schlagbeanspruchung hängt davon
ab, daß grö1)ere und feinere Kristallkörner in einem geeigneten Mischungsverhältnis
vorliegen, insbesondere aber, daß die gröberen Kristalle der einen Komponente des
Gemisches durch feine Körner einer anderen Mischungskomponente miteinander verkittet
werden. Dieser Zustand wird, wie Untersuchungen weiterhin ergeben haben, in befriedigendem
Umfang dann erreicht, wenn die den Kitt zwischen den groben Kristallen abgebenden
kleinen Kristalle nicht von vornherein in die Mischung eingeführt worden sind, sondern
erst in ihr entstehen.
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Deshalb ist es auch wünschenswert, daß die Umsetzung im Salzgemisch
nicht vollständig gemäß der oben angeführten Formel erfolgt, was auch praktisch
kaum eintreten kann. Die Formel ist nur schematisch und dient zur Erleichterung
des Verständnisses.
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Praktisch werden bei den meisten in Betracht kommenden Salzgemischen
als Reaktionsprodukte neue Salze entstehen etwa nach der Formel: 2 A1 a Rb
+ 2 Mb Ra Ma Rb -i- :11a Ra # lTI, Rb r- Mb Ra. Statt des komplexen Salzes
17a Ra # Mb Rb können auch Doppelsalze nach dem Typus Ma (Mb Rb) oder (Mb Ra)Rb
bzw. beide entstehen: in jedem Falle ist aber die neu entstehende Verbindung zu
beiden der Hauptkristalle 11a Rb und Alb Ra chemisch verwandter
als
diese beiden Kristalle unter sich. Diese nähere Verwandtschaft bedingt aber eine
höhere Adhäsion und verleiht daher der Mischung eine größere Festigkeit. Das neu
entstehende Salz bildet also gewissermaßen eine Brücke zwischen den Kristallen der
beiden Salze M"Rb und MbRd.
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Die vorstehende chemische Erläuterung ist einfacher verständlich als
eine Erklärung mit Hilfe kristallographischer Erkenntnisse, denn bei rder Erstarrung
eines Systems, das aus mindestens q. Elementen besteht, sind die Vorgänge schon
recht verwickelt, jedenfalls aber ist einzusehen, daß bei dieser Erstarrung, wenn
der Salzbrei nach den oben erläuterten Erkenntnissen zusammengemischt wurde, zur
Entstehung verschiedenartiger Mischkristalle führen muß, die auch im Sinne einer
besseren Bindung der erstarrten Masse wirken.
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Die Viscosität des Salzbreies, von der das Haftenbleiben der nassen
Mischung auf dem Stab abhängt, wird von den Umsetzungen, die zu den neuen Salzverhindungen
führen, u. U. nicht unerheblich beeinflußt. Vielfach verlaufen diese Umsetzungen
exotherm. Die infolgedessen auftretende Wärmesteigerung hat eine Verringerung der
Viscosität des die Umhüllung bildenden Salzbreies und u. U. sein Abfließen von dem
Stab zur Folge. Es ist deshalb beim Auftreten störender Wärmetönungen notwendig,
daß die Umsetzung vor dem Auftragen der Mischung erfolgt.
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Auch kann die Kristallisationskraft der Salzverbindungen die Viscosität
stören. Die durch die Umsetzung der eingeführten Kationen und Anionen entstandenen
Verbindungen wirken hemmend auf die Kristallisation der übersättigten Mischung,
so daß trotz längeren Stehens die Mischung tauchfähig bleibt. Erst infolge der großen
Oberfläche, welche die dünnen Überzüge nachdem Tauchen auf den Stäben aufweisen
und der damit bedingten Entwässerung tritt die gewünschte Kristallisation ein.
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Die Unterbringung der verschiedenen, für die Erfüllung der Aufgaben
der Umhüllung notwendigen Salzanteile kann im übrigen in einer, in zwei oder noch
mehr verschiedenen Lagen vorgenommen werden, was an sich bekannt ist. Es hat sich
sogar, um störende Nebenreaktionen zwischen den verschiedenen Salzbildnern auszuscheiden,
als zweckmäßig erwiesen, eine Aufteilung der verschiedenen Salze auf die verschiedenen
Lagen vorzunehmen, abgesehen davon, daß Salze mit höherer Wasseraufnahmefähigkeit
zweckmäßig in den inneren Schichten der Umhüllung untergebracht werden oder daß
die Erwärmung über die wünschenswerte Höhe des Schmelzpunktes der verschiedenen
Schichten Berücksichtigung findet. Eine zweckmäßige Anordnung der Schichten besteht
laut Erfindung darin, daß die Schicht, welche dem Metallstab am nächsten ist, zum
größten Teil aus Fluoriden besteht, entsprechend dem Verhältnis F : Cl > 2 : i,
während bei den folgenden Schichten F : Cl _< 2 : i sein kann. Die Fluoride sind
bei der hohen Lichtbogentemperatur beständiger als die Chloride, so daß die Verdampfung
des Flußmittels geringer wird. Die Porigkeit der Schweißnaht wird infolgedessen
vermindert.
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An einem besonderen Ausführungsbeispiel einer Umhüllungsmasse, die
zum Schweißen von Aluminium-Magnesium-,Legieruna-,eh brauchbar ist, soll die Erfindung
weiter, erläutert werden: Die Masse besteht im trockenen Zustand aus 28 Gewichtsteilen
NaF, 2q. Teilen Na Cl und 28 Teilen Li Cl. Dieses Ausführungsbeispiel erfüllt also
gerade die Forderung der Erfindung, daß mindestens vier verschiedene Ionen vorhanden
sein müssen; denn diese Masse kann, wenn ihr Wasser zugesetzt wird, in die Ionen
Na, Li, F und Cl zerfallen. Nun besitzt das Natrium aber eine höhere Affinität zum
Chlor als zum Fluor, und die Affinität des Lithiums zum Chlor ist andererseits geringer
als die des Natriums. Infolgedessen wird sich das in die Mischung eingeführte Natriumfluorid
mit dem Lithiumchlorid ganz oder teilweise umsetzen. Es wäre also falsch, wenn man
die gesamte Natriummenge in Form des Chlorsalzes und das Lithium in Form des Fluorsalzes
in die Mischung einbringen würde, obwohl die quantitative chemische Zusammensetzung
einer solchen Mischung gleich der der obengenannten wäre. Denn die angegebenen Gewichtsteile
entsprechen dreimal 42 Mol-Teilen.
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Zum Schweißen von anderen Aluminiumlegierungen, wie z. B. manganhaltigen
Legierungen, verwendet man neben den obengenannten Salzen noch geringe Zusätze von
A1F3 und K(S04), KF, KCl ü. dgl. Wie gesagt, sind diese Salze jedoch an sich bekannt.
Die einzelnen Schichten der Umhüllung können weiterhin Zusätze von Salzen der zweiten
bis achten Gruppe des periodischen Systems enthalten, wie z. B.
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Mg Cl2-AlC13-SiC14 Ca C12 - Se C13 Ti C14 V C15 Cr,
C13 Mn C12 Fe C13 oder die entsprechenden Sulfate oder Fluoride. Die angeführten
Salze sind alle fähig, an der Reaktion im oben geschilderten Sinne teilzunehmen.
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Je nach der Zusammensetzung der Mischung, die für die Herstellung
der einzelnen Lagen
Anwendung findet, weist natürlich das Verfahren
der Vorbereitung und Aufbringung des Salzbreies Abweichungen auf. So werden z; B.
solche Salze, die leicht löslich sind, mit weniger Lösungsmittel zu Brei angerührt
oder v erinahlen als schwer lösliche Salze. Im allgemeinen wird die Menge des Lösungsmittels
bemessen nach der für das Aufbringen des Salzbreies auf den Stab günstigsten Viscosität.
Die Lösungsmittelmenge wird also meist nicht dazu ausreichen, die Mischungspartner
gänzlich aufzulösen. Sie muß aber so bemessen sein, daß diejenigen Anteile, die,
wie oben dargelegt, miteinander umgesetzt werden sollen, in Lösung gebracht werden
können. Es ist naheliegend, daß gegebenenfalls auch von der'Löslichkeitsveränderung
durch die Temperatur Gebrauch gemacht wird, ebenso wie es unbenommen ist, die Menge
des Lösungsmittels zunächst soweit zu steigern, daß eine mehr oder weniger vollkommene
Auflösung herbeigeführt und dann durch Entfernung des größten Teiles des Lösungsmittels
die Kristallisation in der erwünschten Weise gelenkt wird.
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Ausführungsbeispiele Es soll ein aus einer Aluminiumlegierung mit
ungefähr 2 °(o Mg und 1 °)o Mn bestehender Stab zum Schweißen eines Werkstückes
derselben Legierung mit einer Umhüllung aus drei Schichten versehen werden. Zu diesem
Zwecke werden die Tauchmassen folgendermaßen angesetzt:
| z. Tauchmasse |
| go Teile Na F |
| 42 - Li Cl |
| Zoo - H.0 von 2o° C |
werden zur Reaktion gebracht, wobei eine Erwärmung auftreten kann. Nach der Abkühlung
werden zugesetzt '
| 118 Teile Na Cl |
| 112 - AlF, |
Na kann ganz oder teilweise mit K vertauscht werden. Die Reaktion tritt in gleicher
Weise ein.
| 2. Tauchmasse |
| 54 Teile KF |
| 42 - Li Cl |
| So - H20 von 2o° C |
werden zur Reaktion gebracht. Nach der Abkühlung werden zugesetzt: 74 Teile K Cl.
An die Stelle von K kann ganz oder teilweise auch Na treten. Die Reaktion tritt
in gleicher Weise ein.
| 3. Tauchmasse |
| 84 Teile NaF |
| 75 - Li Cl |
| 15o - H20 von ->o° C |
werden zur Reaktion gebracht. Nach der Abkühlung werden zugesetzt:
| 335 Teile NaCI |
| 16,8 - A1 F3 |
| 34,2 - A12 S 04 |
| 142 - Nag S 04. |
An Stelle von Na kann ganz oder teilweise K treten, die Reaktion tritt in gleicher
Weise ein.
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Diese Massen sind in ihrer Tauchfähigkeit beständig. In der laufenden
Herstellung werden die Stäbe in Gruppen von mindestens 2o Stück in der angegebenen
Reihenfolge getaucht. Nach jedem Tauchvorgang ist ein Trocknen bei von 2o bis auf
18o° C steigenden Temperaturen notwendig. Der- Trockenvorgang wird zweckmäßig in
einem Ofen mit steigender Temperatur vorgenommen und erstreckt sich über mindestens
2 bis .4 Stunden. Nach dem Trocknen sind die Schichten fest und lösen sich beim
nächsten Tauchvorgang nicht ab.