DE975840C

DE975840C - Verfahren zur Metall-Lichtbogenschweissung von Stahl mit einer Tiefeinbrand-Elektrode

Info

Publication number: DE975840C
Application number: DEE1558D
Authority: DE
Inventors: Per Yngve Sjoeman
Original assignee: KJELLBERG ESAB GmbH
Current assignee: KJELLBERG ESAB GmbH
Priority date: 1944-02-29
Filing date: 1945-03-01
Publication date: 1962-10-18

Description

Verfahren zur Metall-Lichtbogenschweißung von- Stahl mit einer Tiefeinbrand-Elektrode Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Metall-Lichtbogenschweißung von Stahl und Stahllegierungen unter Verwendung einer Tiefeinbrandelektrode, wie auch auf Tie,feinbrandelektroden zur Ausübung des Verfahrens.
Als Tiefeinbrandelektroden bezeichnet man solche Elektroden, welche besonders dazu geeignet sind, bei der Schweißung eine große Tiefe der Aufschmelzzone im Grundwerkstoff zu ergeben. Es ist eine bekannte Tatsache, daß die meisten dick umhüllten Elektroden (Mantelelektroden) einen stärkeren Einbrand als dünn umhüllte oder nackte Elektroden ergeben. Der Einbrand hängt ferner von der Stromstärke in der Weise ab, daß mit zunehmender Stromstärke der Einbrand größer wird. Ausgehend von dieser Erkenntnis hat man Mantelelektroden entwickelt, welche mit besonders hohen Stromstärken verschweißt werden können und also auch einen starken Einbrand ergeben. Allerdings bewirkt die hohe Stromstärke auch einen schnellen Elektrodenabbrand und eine meistens unerwünscht ausgiebige Zufuhr von Zusatzwerkstoff zur Schweiße.
Andererseits ist auch bekannt, daß sich ein erhöhter Einbrand ohne wesentliche gleichzeitige Erhöhung der Abschmelzgeschwindigkeit der Elektrode grundsätzlich auch durch eine Erhöhung der Lichtbogenspannung erreichen läßt. Dieser Gedanke liegt der bekannten Lesselschen Schlauch= elektrode zur Lichtbogenschweißurig von Kupfer zugrunde. Diese Elektrode hat eine so ausgebildete Umhüllung, daß sich bei der Abschmelzung der Elektrode ein langer, parallelwandiger Krater (der »Schlauch«) bildet. Durch diesen. langen Krater wird ein langer durch den Krater gut gescfifitzter und gelenkter Lichtbogen und somit auch eine hohe Bogenspannung bedingt. Die Umhüllung enthält gasabgebende und flußbildende Bestandteile und enthält keine die Ionisierung fördernde Bestandteile. Ähnliche Elektroden sind in .der Tat für die Schweißung von Stahl entwickelt worden, haben sich aber auf diesem Gebiete nicht durchsetzen können.
Das erfindungsgemäße Verfähren kennzeichnet sich durch die Kombination folgender Maßnahmen: a) Ferromangan, Quarz und Eisenkarbonat sind Hauptbestandteile der Umhüllungsmasse, b) die Umhüllung wird in einer solchen Schichtdicke aufgebracht, daß das Umhüllungsgewicht mindestens 6o% des Kerndrahtgewichtes be-'trägt, c) die Elektrode wird bei. einer Lichtbogenspannung von mehr als 5o Volt, vorzugsweise 55 bis 65 Volt, verschweißt.
Eine Umhüllung, welche nebst den Hauptbestandteilen Quarz und Eisenglimmer unter anderem auch etwas Ferromangan enthält, ist bei einer für Vertikal- und Überkopfschweißung besonders geeigneten Elektrode bekannt. Es ist auch bekannt, daß manchmal Eisenkarbonat als Bestandteil von Elektrodenumhüllungen anstatt Eisenglimmers verwendet wird. Umhüllungsgewichte in der Höhe von 6o0/9 des Kerndrahtgewichtes oder mehr kommen bereits bei einigen dick umhüllten Elektroden vor. Auch die Verwendung einer Schweißspannung von 5o Volt oder mehr ist an sich nicht neu, da Spannungen in dieser Höhe bereits bei der oben besprochenen Schlauchelektrode auftreten.
Durch die Kombination der angegebenen Maßnahmen wurde aber ein neues Verfahren erhalten, welches sich durch einen besonders starken Einbrand und eine gute Wirtschaftlichkeit in Verbindung mit einer vorzüglichen Güte der hergestellten Schweiße auszeichnet. Eine besonders wichtige Rolle spielt dabei das Eisenkarbonat, erstens, weil es in dicken Umhüllungen eine ausgeprägt kraterbildende Wirkung hat, und zweitens, weil es keine die Bogenspannung erniedrigende Einwirkung ausübt. Zu diesen früher nicht ausgenutzten Eigenschaften kommt seine bekannte Fähigkeit, bei der Schweißung Schutzgas (Kohlensäure bzw. Kohlenoxyd) zu entwickeln und zur Bildung einer leichtflüssigen und gut deckenden Schlacke beizutragen.
Außer den genannten Hauptbestandteilen kann die Umhüllung auch andere als Umhüllungsbestandteile an sich bekannte oder geeignete Stoffe enthalten, wobei aber solche Stoffe zu vermeiden sind, welche die Bogenspannung herabsetzen. Als solche sind vor allem die Oxyde oder Oxydverbindungen von Kalzium, Strontium, Barium, Cerium und Thorium zu nennen,- welche bereits in kleinen Mengen die Bogenspannung wirksam herabsetzen können. Titandioxyd und Titandioxydverbindungen sind ebenfalls ungeeignet. Auch Manganoxyde, Manganoxydverbindungen, Eisenoxyde und andere Eisenoxydverbindungen als Eisenkarbonat-sollten vorzugsweise vermieden werden. Als geeignet sind dagegen solche Stoffe zu nennen, welche eine niedrige Elektronenemissionsfähigkeit haben. Beispiele solcher Stoffe sind Natriumsilikat, Aluminiumsilikat, z. B. Kaolin, und organische Stoffe. Als Bindemittel der Elektrodenumhüllung wird deshalb beim Verfahren bzw. bei den Elektroden gemäß der Erfindung vorzugsweise Natriumsilikat (Natronwasserglas) verwendet, während Kaliwasserglas wegen seiner höheren Elektronenemissionsfähigkeit zu vermeiden ist. Es ist aber möglich, Dextrin oder andere organische Bindemittel zu verwenden. Es ist an sich bekannt, daß Zusätze von organischen Stoffen, vor allem Kohlenhydraten, wie Zellstoff, Holzmehl, Stärke oder Dextrin, kraterbildend wirken. Die vorliegende Erfindung umfaßt deshalb besonders solche Elektroden, welche nebst den früher genannten Hauptbestandteilen Kaolin oder organische Stoffe, wie Zellstoff, oder sowohl Kaolin als auch organische Stoffe enthalten. .
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die Umhüllung, abgesehen vom Bindemittel, aus

25 bis 4o% kohlenstoffarmes Ferromangan,

2o bis 30% Quarz,

o bis zo% Kaolin,

30 bis 50%. Eisenkarbonat,

wobei gegebenenfalls auch ein organischer Stoff, z. B. Zellstoff, zugesetzt sein kann. Die Umhüllungsdicke ist dabei zweckmäßig so zu wählen, daß das Gewicht der getrockneten Umhüllung etwa 75'% des Gewichtes des umhüllten Teiles des Kerns beträgt. Der Kerndraht kann aus gewöhnlichem weichem Stahl mit etwa o,zo% C, 0,400/a Mn, Spuren von Si und höchstens 0,04% je von S und P bestehen.
Es sollte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden, eine Erhöhung der Bogenspannung dadurch zu bewirken, daß die Elektrode in einem größeren Abstand vom Werkstück als bei Mantelelektroden üblich gehalten wird. Der senkrecht auf die Werkstückoberfläche gemessene Abstand des Vorderrandes der Umhüllung von der Werkstückoberfläche sollte nicht wesentlich (höchstens um etwa 2 mm) größer als der Kerndrahtdurchmesser der Elektrode sein. Die Elektroden sollten vorzugsweise mit Gleichstrom und am Minuspol angeschlossen verschweißt werden. Es können zwar auch Pluspol- oder Wechselstromschweißung angewendet werden, obgleich dann mit einem Nachlaß in der entwickelten elektrischen Leistung wie auch. des Einbrandes zu rechnen ist. Die beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei den erfindungsgemäßen Elektroden auftretende kräftige Kraterbildung bewirkt als weiteren Vorteil eine besonders gute Lichtbogenstabilität. Die Leerlaufspannung des Schweißstromerzeugers braucht deshalb nur unbeträchtlich höher als die Bogenspannung zu sein: Eine Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Bogenspannung von 55 bis 65 Volt kann mit einem Schweißstromerzeuger, dessen Leerlaufspannung den üblichen Wert von 70 Volt aufweist, verschweißt werden. Es liegt jedoch irn Rahmen der Erfindung, die Umhüllungskomposition und das Umhüllungsgewicht so abzupassen, daß die Elektrode eine Bogenspannung von 70 bis ioo Volt oder mehr ergibt, wobei der Schweißstromerzeuger eine entsprechend hohe Leerlaufspannung aufweisen muß.

Das normale Stromstärkegebiet beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei den erfindungsgemäßen Elektroden beträgt etwa

i40 bis iSoA

bei einem Kerndrahtdurchmesser von 3,35 mm

i80 bis 240A

bei einem Kerndrahtdurchmesser von 4 mm

240 bis 320A

bei einem Kerndrahtdurchmesser von 5 mm

Es sind in der untenstehenden Tafel einige Beispiele von geeigneten Arbeitsbedingungen bei der Schweißung von I-Nähten unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden mit einem Gewichtsverhältnis Umhüllung zu Kern von etwa 75 0/a zusammengefaßt.

Blech- Kerndraht- Schweiß- Strom- Bogen-

dicke durch- gesdiwindig- stärke Spannung

messer keit

mm mm cm/Min. A V

6 3,25 3o bis 35 145 bis 55 bis 65

155

6 4 35 bis 4o 180 55 bis 65

io 4 35 bis 4o 220 55 bis 65

12,5 4 25 bis 30 240 55 bis 65

12,5 1 5 35 bis 40 290 55 bis 65

Die miteinander zu verschweißenden, nicht abgeschrägten Bleche werden dicht zusammengelegt. Die Naht wird erst von der einen und dann von der anderen Seite geschweißt, wobei ein völliges Durchschweißen bis in die Mitte der Naht erhalten wird. Die \Tahtoberflächen weisen ein sehr ebenes Aussehen auf. Wenn z. B. die Werkstücke aus St. 37 bestehen, weist die Schweiße eine Festigkeit von 5o bis 6o kg/mmz und eine Dehnung von 4o bis 50'% auf, gemessen an einem senkrecht auf die Längsrichtung der Naht ausgenommen, mit zwei Löchern von 5 mm Durchmesser versehenen Probestreifen.

Falls auf die Forderung eines ebenen Nahtaussehens verzichtet wird, können sowohl die Stromstärke als auch die Schweißgeschwindigkeit erheblich erhöht werden, letztere um 50% oder mehr, in einzelnen Fällen sogar um ioo%, ohne daß die Güte der Schweißnaht ungenügend wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Elektroden eignen sich vorzüglich auch zur Schweißung von Kehlnähten.
Zum Schluß mag erwähnt werden, daß die erfindungsgemäßen Elektroden tatsächlich auch für das Lichtbogenschneiden verwendet werden können. Vorzugsweise sollte in diesem Falle kohlenreiches Ferromangan statt kohlenarmes verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Metall-Lichtbogenschweißung von Stahl und Stahllegierungen unter Verwendung einer Tiefeinbrandelektrode, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen a) Ferromangan, Quarz und Eisenkarbonat sind Hauptbestandteile der Umhüllungsmasse, b) die Umhüllung wird in einer solchen Schichtdicke aufgebracht, daß das Umhüllungsgewicht mindestens 60% des Kerndrahtgewichtes beträgt, c) die Elektrode wird bei einer Lichtbogenspannung von mehr als 5o Volt, vorzugsweise 55 bis 65 Volt, verschweißt.
2. Tiefeinbrandelektrode zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung außerdem noch Kaolin enthält.
3. Tiefeinbrandelektrode zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i oder Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung außerdem noch organische Stoffe, wie Zellstoff, enthält. Tiefeinbrandelektrode zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung, abgesehen vom Bindemittel, besteht aus 25 bis q.00/0 kohlenstoffarmes Ferromangan, 2o bis 30% Ouarz, o bis io% Kaolin, 3o bis 50% Eisenkarbonat,

wobei gegebenenfalls auch ein organischer Stoff, z. B. Zellstoff, zugesetzt sein kann. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschriften Nr. 7q_5 i40, 652 593; französische Patentschriften Nr. 765 35o# 770 902, 713 86o britische Patentschriften Nr. q.08 719, 472374 417 195; Buch von L e s s e 1, »Die Schlauchelektrode zur Lichtbogenschweißung von Kupfer«, VDI-Verlag Berlin, 1936, S. 11, 20, 27, 29 und 38; Rietz-Koch, »Praktisches Handbuch der Lichtbogenschweißung«, 1939, S. 154/155 und toi ; Zeyen-Lohmann »Schweißen der Eisenwerkstoffe«, 1943, S. 65 und 70; Zeitschrift »La Metallurgia Italiana«, 1939, S. 2 und 75.