DE102006034790A1

DE102006034790A1 - Verfahren zum Lichtbogenfügen

Info

Publication number: DE102006034790A1
Application number: DE200610034790
Authority: DE
Inventors: Christoph Matz; Ernst Miklos
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Um ein Schutzgas sowie ein Verfahren zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen und/oder zum Lichtbogenlöten, mindestens eines Werkstücks (200) aus Aluminium und/oder aus mindestens einer Aluminiumlegierung unter Schutzgas mit mindestens einer abschmelzenden Elektrode (20), wobei - als Schutzgas mindestens eine Argon-Helium-Mischung zugeführt wird, so weiterzubilden, dass unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks (200) ein Lichtbogen mit stabilem Fußpunkt ausgebildet wird, wird vorgeschlagen, dass die Argon-Helium-Mischung - Helium in einem Bereich von etwa 20 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 35 Vol.-%, - eine Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung in einem Bereich von etwa 300 Volumenteilen pro Million (vpm) bis etwa 700 vpm (von etwa 0,03 Vol.-% bis etwa 0,07 Vol.-%) und - im verbleibenden Volumenbereich Argon aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenfügen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Schutzgas zum Lichtbogenfügen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Stand der Technik
Das Lichtbogenschweißen unter Schutzgas ist eine häufig eingesetzte Fügetechnik. Hierbei brennt ein Lichtbogen zwischen einer in einem Brenner angeordneten Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück. Eine Schweißverbindung entsteht hierbei durch Aufschmelzen des Grundwerkstoffs an der Bearbeitungsstelle im Lichtbogen und anschließende Wiedererstarrung des Werkstoffs.
Das Lichtbogenlöten unter Schutzgas ist eine Fügetechnik, die ebenfalls eine stoffschlüssige Verbindung mittels eines Lichtbogens schafft. Für die Verbindung wird jedoch nur der Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen und nicht wie beim Schweißen Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff. Die Lötverbindung entsteht durch Verklammerung des Zusatzwerkstoffs mit dem Grundwerkstoff. Beim Lichtbogenfügen unter Schutzgas wird der Zusatzwerkstoff meist in Form einer abschmelzenden Elektrode in die Verbindung eingebracht.
Für den Übergang des Elektrodenmaterials von der abschmelzenden Elektrode in das Schweiß- bzw. Lötbad gibt es unterschiedliche Varianten, die mit unterschiedlich brennenden Lichtbögen verknüpft sind. So gibt es beispielsweise den Sprühlichtbogen, den rotierenden Lichtbogen und den Kurzlichtbogen. Ferner gibt es den Impulslichtbogen mit gleichbleibender Polarität und den Impulslichtbogen mit wechselnder Polarität, wobei diese Impulslichtbögen durch den Verlauf des Schweißstroms charakterisiert werden.
Vermehrt werden in jüngster Zeit auch sogenannte kalte Metall-Inert-Gas-Schweißprozesse (MIG-Schweißprozesse) in den Markt eingeführt, mit denen das Schweißen von dünnen Blechen ermöglicht werden soll. Unabhängig vom Funktionsprinzip, ob es sich um einen Kurzlichtbogen oder um einen Impulslichtbogen handelt, ob mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom geschweißt wird, bleibt allen Prozessen gemeinsam, dass es aufgrund niedrigerer Schweißparameter schwieriger wird, einen stabilen Lichtbogen zu erzeugen, der nach Kurzschluss oder Umpolung wieder zuverlässig zündet und ausreichend Wärme in das Bauteil bringt, um Bindefehler und Poren zu vermeiden.
Ferner ist es beim Fügen sämtlicher Aluminiumgegenstände oder Aluminiumlegierungen schwierig, einen stabilen Lichtbogen, schlanke und optisch schöne Schweißnähte und qualitativ hochwertige Verbindungen zu erzeugen, insbesondere bei hohen Schweißgeschwindigkeiten. Dies ist zurückzuführen auf die hohe Leitfähigkeit des Aluminiums, welche fast viermal so groß ist als die von Stahl. Weiterhin ist dies durch die hohe Reaktivität des Aluminiums mit dem in der Atmosphäre enthaltenen Sauerstoff und Wasserdampf, die unter den in Lichtbogennähe vorliegenden Temperaturen dissoziieren und welche somit zu Poren und Einschlüssen in der Schweißnaht und zu qualitativ minderwertigen Verbindungen führen, sowie durch die undefinierte Oberflächenbeschaffenheit der Aluminiumgegenständen bedingt.
In Abhängigkeit von der Lagerzeit und von den Lagerbedingungen weisen aluminiumhaltige Gegenstände verschiedene Oberflächenschichten mit unterschiedlicher Dicke auf. An Luft überzieht sich Aluminium durch die Reaktion mit Sauerstoff bzw. mit Wasserdampf mit einer dünnen, jedoch dichten Reaktionsschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3). Auf die an feuchter Luft gebildete Aluminiumoxidschicht ist eine poröse wasserhaltige Deckschicht, eine sogenannte Sorptionsschicht, mit geringen kristallinen Anteilen an Aluminiumhydroxid (Al(OH)3), auch Bayerit genannt, aufgelagert. Ferner kann auf der Schicht aus Aluminiumoxid bzw. aus Aluminiumhydroxid eine Kontaminationsschicht, beispielsweise aus Zieh- oder Trennmitteln, aus Fett, aus Öl oder aus Schmutz, aufgelagert sein.
Da diese unterschiedlichen Oberflächenschichten beim Lichtbogenfügen unterschiedliche Eigenschaften zeigen, hat zur Folge, dass sich der Lichtbogen je nach Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlich verhält. Beim Fügen aluminiumhaltiger Gegenstände tritt allgemein das Problem auf, dass der Lichtbogen "zappelt", das heißt dass der Lichtbogen seinen Fußpunkt auf dem zu fügenden Gegenstand nicht findet. Insbesondere bei blankem Aluminium und blanken Aluminiumlegierungen ist das Zappeln des Lichtbogenfußpunkts ausgeprägt. Aufgrund der undefinierten Oberflächenbeschaffenheit ergeben sich undefinierte Fügeergebnisse mit unterschiedlichen Eigenschaften der Verbindung. Eine gleichbleibend hohe Qualität kann unter diesen Bedingungen nicht gewährleistet werden, insbesondere nicht, wenn sich die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks beziehungsweise bei Serienfertigung die Oberflächenbeschaffenheit des nächsten Werkstücks unvorhergesehen, beispielsweise aufgrund abweichender Lagerbedingungen, ändert.
Um einen stabilen Lichtbogen erzeugen zu können und um eine gewünschte Fügequalität zu erreichen, werden gemäß dem Stand der Technik aluminiumhaltige Gegenstände vor dem Fügen und/oder während des Fügens nach festen Regeln und mit aufwändigen Verfahren behandelt. Beispielsweise durchlaufen zu fügende aluminiumhaltige Werkstücke vor dem Fügen verschiedene Bäder, um die Oberflächenschichten, nämlich die Kontaminationsschicht, die Sorptionsschicht sowie die Aluminiumoxidschicht, dieser Werkstücke zu entfernt.
Ein Verfahren der im technischen Gebiet genannten Art ist aus der Druckschrift EP 0 639 423 A1 bekannt. Ziel dieses bekannten Verfahrens ist es, einen ruhigen Schweißvorgang mit stabilem Lichtbogen zu ermöglichen. Hierbei soll ein Lichtbogen erzeugt werden, der eine gleichmäßige Helligkeit aufweist, also nicht zwischen hell und dunkel flackert. Das Problem des Zappelns des Lichtbogens, also des Springens des Fußpunktes des Lichtbogens auf dem zu fügenden Gegenstand, wird in der Druckschrift EP 0 639 423 A1 nicht berücksichtigt.
Ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem ein Argon-Helium-Gemisch mit einer Dotierung aus Sauerstoff oder aus Kohlendioxid eingesetzt wird, ist aus der Druckschrift EP 0 544 187 A1 bekannt. Allerdings wird dieses bekannte Schweißverfahren zum Schweißen von Stahl eingesetzt.
Die physikalischen Eigenschaften von Aluminium und von Eisen sind sehr unterschiedlich, weshalb sich diese beiden Werkstoffe beim Lichtbogenfügen wesentlich unterscheiden. Der Schmelzpunkt von Aluminium liegt mit 660 Grad Celsius (°C) bei etwa vierzig Prozent des Schmelzpunktes von Eisen, der bei 1.536°C liegt.
Des Weiteren beachtlich bei der Beurteilung der Druckschrift EP 0 544 187 A1 aus dem Stand der Technik ist, dass das Phänomen der Instabilität, das heißt des "Zappelns" des Lichtbogens beim Fügen, insbesondere beim Schweißen, von Stahl nicht auftritt; demzufolge kann beim Lichtbogenfügen von Stahl stets von einer hohen Stabilität des Fußpunktes des Lichtbogens ausgegangen werde, was beim Lichtbogenfügen von Aluminium nicht der Fall ist.
Aluminium weist jedoch im Vergleich zu Eisen etwa die doppelte Wärmekapazität und die dreifache Wärmeleitung auf, so dass mehr Wärme zum Fügen von Aluminium aufgebracht werden muss, als dies aufgrund des vergleichsweise geringen Schmelzpunktes anzunehmen wäre.
Ein weiteres Problem beim Fügen von Aluminium im Vergleich zum Fügen von Eisen ist eine etwa doppelte Wärmedehnung, die zu erheblichen Bauteilspannungen oder Bauteilverformungen führen kann.
Problematisch beim Fügen sämtlicher Aluminiumlegierungen ist zudem der große Löslichkeitssprung des Aluminiums für Wasserstoff. Beim Erstarren von schmelzflüssigem Aluminium reduziert sich die Wasserstofflöslichkeit von 0,7 Gramm pro Kubikzentimeter auf 0,036 Gramm pro Kubikzentimeter. Der ausgeschiedene Wasserstoff muss aus dem erstarrenden Aluminium ausdiffundieren, denn ansonsten würde er als Pore eingefroren.
Dies ist umso problematischer, je kleiner das Erstarrungsintervall des Werkstoffs ist und je weniger Wärmeenergie in die Schweißung eingebracht wird. Andererseits steigt mit der in die Schweißung eingebrachten Wärmeenergie auch der Verzug des Werkstücks. Außerdem wird der Werkstoff durch viel Schweißwärme erweicht, und die Neigung zu Heißrissen nimmt zu. Aus diesen Gründen unterscheiden sich Verfahren zum Fügen von Aluminium erheblich von Verfahren zum Fügen von Eisen.
Hinsichtlich des technischen Hintergrunds der vorliegenden Erfindung sei ferner auf die Druckschriften DE 42 25 981 A1 , DE 198 31 831 A1 , EP 0 639 427 A1 , EP 1 321 217 A1 , EP 1 321 218 A2 und WO 02/47859 A2 aus dem Stand der Technik aufmerksam gemacht.
Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im technischen Gebiet genannten Art, eine Vorrichtung der im technischen Gebiet genannten Art sowie ein Schutzgas der im technischen Gebiet genannten Art so weiterzubilden, dass unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Gegenstands ein stabiler, nicht zappelnder Lichtbogen mit ruhigem Fußpunkt erzeugt wird, der nach Kurzschluss oder Umpolung wieder zuverlässig zündet und ausreichend Wärme in den Gegenstand bringt, um Bindefehler und Poren zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Schutzgas mit den im Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Mithin basiert die vorliegende Erfindung darauf, das Schutzgas so zu wählen, dass mindestens ein Aluminium und/oder mindestens eine Aluminiumlegierung aufweisendes Werkstück mit undefinierter Oberflächenbeschaffenheit fügbar ist und hierbei eine definierte, insbesondere gleich bleibende, Qualität erreicht wird. Mit dem Schutzgas wird bewirkt, dass der Lichtbogen einen stabilen Fußpunkt findet und somit das Zappeln des Fußpunkts auf dem Werkstück unterbunden wird. Dies ist insbesondere auch bei blankem Aluminium und blanken Aluminiumlegierungen der Fall, bei welchen das Zappeln des Lichtbogenfußpunkts bisher besonders ausgeprägt zu finden war. Somit lassen sich mit der Erfindung schmale und schöne Nähte, eine gleichmäßige und feine Schuppung der Naht sowie einen schmalen Einflussbereich des Lichtbogens erzeugen – und dies bei allen möglichen Oberflächenbeschaffenheiten des Aluminiums und insbesondere auch bei blankem Aluminium. Auch Übergänge zwischen unterschiedli chen Oberfächenbeschaffenheiten werden gleichmäßig.
Über die Auswahl des Schutzgases ist es möglich, auf Bindefehler, auf Porenhäufigkeit, auf Verzug und/oder auf Werkstofferweichung Einfluss zu nehmen, indem über das Schutzgas der Fügeprozess stabilisiert und mehr Wärme zur Verfügung gestellt wird. Auch die Ausgasung von Wasserstoff kann durch das Schutzgas positiv beeinflusst werden.
Um den Fügeprozess zu stabilisieren, insbesondere um ein Springen des Fußpunktes des Lichtbogens zu vermeiden, weist das Schutzgas erfindungsgemäß eine Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung in einem Bereich von etwa 300 Volumenteilen pro Million (vpm) bis etwa 700 vpm (von etwa 0,03 Vol.-% bis etwa 0,07 Vol.-%), vorzugsweise von etwa 400 vpm bis etwa 600 vpm (von etwa 0,04 Vol.-% bis etwa 0,06 Vol.-%) auf.
Der in der Schutzgasmischung enthaltene Sauerstoff und/oder das in der Schutzgasmischung enthaltene Kohlendioxid lagern sich an der Oberfläche des Werkstücks an, so dass die durch die Dotierung des Schutzgases bereitgestellten Zugaben in Lichtbogennähe mit der heißen Oberfläche des Werkstücks reagieren und Aluminiumoxid (Al2O3) bildet. Die erfindungsgemäße Dotierung hat somit zur Folge, dass sich in situ zum Fügeprozess temporäre Al2O3-Anlagerungen oder sogenannte Al2O3-Inseln ausbilden und die bewirken, dass sich ein stabiler Lichtbogenfußpunkt findet. Es handelt sich um temporäre Oxidinseln, die sich nach dem Fügeprozess nicht mehr auf der Werkstückoberfläche finden. Diese Oxidinselbildung findet auch auf blankem Aluminium statt, so dass es durch die Erfindung möglich wird, auch für blankes Aluminium das Zappeln des Lichtbogens zu unterbinden.
Die Sauerstoff oder/und Kohlendioxid-Dotierung bewirkt, dass sich in situ vorübergehend Aluminiumoxide als Anlagerungen bilden. Diese Aluminiumoxidinseln (oder auch Oxidinseln) stellen auf dem festen Werkstück ein Dielektrikum dar, wobei an den Kanten des Dielektrikums eine Feldlinienhäufung des elektrischen Feldes auftritt.
An diesen Punkten mit erhöhter Feldliniendichte ist es für den Lichtbogen besonders einfach, stabil zu brennen, denn hier ist die Stromdichte deutlich höher als im Rest des elektrischen Feldes. Es entstehen beispielsweise Leistungsdichten bis zu etwa 10 Terawatt pro Quadratmeter (= 10¹² W/m²), was etwa der Leistungsdichte eines Kohlendioxid-Lasers (CO2-Lasers) mit einer Leistung von zwei bis drei Kilowatt gleichkommt (vgl. E. Hantzsche, "Mysteries of the arc cathode spot: A retrospective glance", IEEE Transactions an Plasma Science, Band 31, Nr. 5, Teil 1, Oktober 2003, S. 799–808).
An den Stellen des Werkstücks, an denen sich die Dotierung des Schutzgases in Form von Oxidinseln angelagert hat, kommt es also zu einer Feldüberhöhung des elektrischen Feldes, das durch das Anlegen der Fügespannung zwischen Elektrode und Gegenstand entsteht. Beim Zünden des Lichtbogens beginnt an diesen Stellen die Bildung des Elektronenplasmas.
Aufgrund der hohen Stromdichte werden die in situ erzeugten Aluminiumoxidinseln auch sofort wieder zersetzt, und durch die lokale Hitzeeinwirkung werden vermehrt Elektronen freigesetzt. Der Lichtbogen brennt hierdurch insgesamt stabiler, und die Wiederzündfähigkeit des Lichtbogens ist verbessert.
Durch das Zuführen eines mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung dotierten Schutzgases wird also im Vergleich zu einem undotierten Schutzgas der Lichtbogenfußpunkt stabilisiert und auf einen schmaleren Nahtbereich fokussiert. Die Fügenaht hat somit eine gleichmäßigere und feinere Zeichnung.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schutzgases bzw. des gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zugeführten Schutzgases besteht darin, dass der Fügeprozess eine zusätzliche Reserve bekommt, die umgesetzt werden kann, um die Prozessstabilität zu verbessern, die Fügegeschwindigkeit zu erhöhen, das Nahtaussehen des Gegenstands zu verbessern und/oder die Nacharbeit im Anschluss an den Fügeprozess zu reduzieren. Weiterhin wird der Fügeprozess gegenüber der im Moment des Schweißens vorliegenden Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks stabil, da die Stabilisierung des Lichtbogenfußpunkts bei allen Oberflächenbeschaffenheiten stattfindet. Somit ist sowohl die Qualität als auch das Aussehen der Schweißnaht weitgehend unabhängig von der vorliegenden Oberflächenbeschaffenheit, was bedeutet, dass eine lokale Änderung der Oberflächebeschaffenheit auf einem Werkstück oder bei einer Serienfertigung eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit beim nächsten Bauteil keinen negativen Folgen auf die Schweißnaht hat.
Hierbei ist es wichtig, eine geeignete Auswahl der Dotierungsmenge zu treffen. Einerseits soll in situ ausreichend Aluminiumoxid, insbesondere eine ausreichende Anzahl von Aluminiumoxidanlagerungen bzw. -inseln, gebildet werden, um den Lichtbogenfuß zu stabilisieren, insbesondere um ein Zappeln des Lichtbogens zu vermeiden; andererseits soll aber die gebildeten Aluminiumoxidinseln nicht unnötig groß oder zahlreich sein, insbesondere sollen die Oxidinseln im Fügeprozess auch wieder zersetzt sein, so dass die Porengefahr nicht steigt oder die Oberfläche verändert wird oder unerwünschte metallurgische Effekte auftreten.
Durch die Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung in einem Bereich von etwa 300 Volumenteilen pro Million (vpm) bis etwa 700 vpm (von etwa 0,03 Vol.-% bis etwa 0,07 Vol.-%), insbesondere von etwa 400 vpm bis etwa 600 vpm (von etwa 0,04 Vol.-% bis etwa 0,06 Vol.-%), bilden sich vereinzelte Inseln aus angelagertem Sauerstoff und/oder aus angelagertem Kohlendioxid in ausreichender Anzahl. Anderseits ist bei dieser Dotierung die Konzentration des Sauerstoffs und/oder des Kohlendioxids so gering, dass unerwünschte metallurgische Effekte nicht auftreten.
Im Ergebnis ist als untere Grenze für den Dotierungsgehalt im Schutzgas das Kriterium heranzuziehen, dass eine ausreichende, ein Zappeln des Lichtbogenfußpunkts verhindernde Anzahl von Aluminiumoxid-Anlagerungen oder Aluminiumoxid-Inseln gebildet wird, so dass beim Fügen, insbesondere beim Schweißen und/oder beim Löten, des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung ein Lichtbogen mit stabilem Fußpunkt zur Verfügung steht. Als obere Grenze für den Dotierungsgehalt im Schutzgas ist das Kriterium heranzuziehen, dass durch das Schutzgas keine schädlichen, zu Porenbildung oder dergleichen führenden Oxidationseinflüsse auftreten. Die obere Grenze muss folglich so gewählt werden, dass die Oxidinseln während des Fügeprozesses auch wieder verschwinden.
Werkstoffeigenschaften von Aluminium, die das Fügeergebnis maßgeblich beeinflussen, sind eine hohe Wärmeleitung und Wärmedehnung, eine Neigung zu Heißrissen und eine Werkstofferweichung unter Wärmeeinfluss. Um Heißrisse, Werkstofferweichung und Verzug des zu fügenden Gegenstands zu minimieren, wird mit möglichst wenig Streckenenergie gefügt. Hierdurch erhöht sich jedoch das Risiko des Auftretens von Bindefehlern und von Poren aufgrund geringerer Wärmeleitung. Weiterhin weisen aluminiumhaltige Werkstoffe das Problem des Wasserstofflöslichkeitssprungs auf. Deshalb muss darauf geachtet werden, dass Wasserstoff nicht zu einer Porenbildung führt, sondern aus der Schmelze ausdiffundieren kann.
Helium begünstigt das Ausdiffundieren von ungelöstem Wasserstoff aus der Schmelze. Um eine Porenbildung beim Fügen zu verhindern, enthält das Schutzgas daher etwa 20 Vol.-% bis etwa 35 Vol.-%, insbesondere etwa 25 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-%, Helium.
Helium ist des Weiteren vorteilhaft, weil Helium mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit die einsetzende Metalldampfplasmabildung des Gegenstands unterstützt. Die bessere Wärmeleitfähigkeit des Heliums im Vergleich zu Argon sorgt zudem für mehr Wärme im zu fügenden Gegenstand und für eine bessere Benetzung der Oberfläche des Gegenstands. Hierdurch werden die Porenanfälligkeit und die Bindefehlergefahr reduziert.
Ferner wird es möglich, beispielsweise Bauteile verschiedener Dicken miteinander zu verbinden und/oder schneller zu fügen. Eine höhere Fügegeschwindigkeit führt zu einer niedrigeren Streckenenergie; weniger Verzug und weniger Werkstofferweichung des Gegenstands sind die Folge. Andererseits wird es mit steigendem Heliumanteil schwieriger, den Lichtbogen zu zünden, und der Lichtbogen wird instabiler.
Argon ist notwendiger Bestandteil der Schutzgasmischung, denn durch die Ionisation des Argons setzt die Elektronenemission ein und der Lichtbogen beginnt zu brennen. Der Argonanteil im Schutzgas wird deshalb so gewählt, dass beim Zünden des Lichtbogens die Plasmabildung möglichst zügig und stabil einsetzt.
Die untere Grenze für den Heliumanteil des erfindungsgemäßen Schutzgases wird deshalb derart gewählt, dass die positiven Eigenschaften des Heliums den Fügeprozess merklich beeinflussen, insbesondere eine deutlich höhere Fügegeschwindigkeit erreicht werden kann. Für die untere Grenze des Heliumanteils im Schutzgas gilt deshalb, dass ein auf die hohe Wärmeleitfähigkeit des Heliums zurückzuführender Einfluss auf den Schweißprozess noch bemerkt wird. Die Obergrenze für den Heliumanteil wird durch den Mindestanteil Argon festgelegt, da ausreichend Argon im Schutzgas enthalten sein muss, um die Plasmabildung zügig und stabil einsetzen zu lassen eine ausreichend hohe Zündfähigkeit zu erreichen.
Die vorgenannten, auf den Heliumanteil zurückzuführenden Eigenschaften des Schutzgases zeigen sich besonders ausgeprägt, wenn das Schutzgas gemäß der vorliegenden Erfindung Helium in einem Bereich von etwa 20 Vol.-% bis etwa 35 Vol.-%, insbesondere in einem Bereich von etwa 25 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-%, aufweist.
Unter kombinatorischen Gesichtspunkten vereinigt das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schutzgas die auf synergetischem Zusammenwirken von zumindest drei Komponenten, nämlich

– von Argon,
– von Helium in einem Bereich von etwa 20 Vol.-% bis etwa 35 Vol.-% und
– von einer Dotierung aus Kohlendioxid, aus Sauerstoff oder aus einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung in einem Bereich von etwa 300 Volumenteilen pro Million (vpm) bis etwa 700 vpm (von etwa 0,03 Vol.-% bis etwa 0,07 Vol.-%)

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schutzgas ist ideal zum Lichtbogenfügen mit hoher Fügegeschwindigkeit und/oder mit hoher Reproduzierbarkeit, beispielsweise zum Lichtbogenfügen in Großserienanfertigung, etwa beim Roboterschweißen Grundwerkstoffs können noch ein sehr stabiler Lichtbogen und damit eine gleichmäßige Naht erzeugt werden. Dies gilt auch und insbesondere, wenn Werkstücke aus blankem Aluminium oder blanken Aluminiumlegierungen verarbeitet werden oder wenn das Werkstück blanke Bereiche aufweist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht das Schutzgas aus etwa 30 Vol.-% Helium, aus etwa 500 vpm (etwa 0,05 Vol.-%) Sauerstoff und im verbleibenden Volumenbereich aus Argon.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei Verwendung des Schutzgases gemäß der vorliegenden Erfindung bei gleichem Fügestrom eine im Verhältnis geringe Fügespannung gewählt werden kann. Folglich wird die eingebrachte Leistung herabgesetzt. Hierdurch wird nur ein verhältnismäßig geringer Wärmeeintrag in das Werkstück vorgenommen.
Dies ermöglicht das Fügen dünner Gegenstände, beispielsweise dünner Bleche. Weiterhin wird auch die Verzugsempfindlichkeit des bearbeiteten Gegenstands durch die Verminderung des Wärmeeintrags herabgesetzt. Zurückzuführen ist diese Herabsetzung des Wärmeeintrags auf die erfindungsgemäß verbesserte Wiederzündfähigkeit sowie auf die verbesserte Stabilität des Lichtbogenfußpunkts.
Die Reduktion der Fügespannung kann auch genutzt werden, um auf die nächst dickere Drahtelektrode zu wechseln. Hierdurch ergeben sich erhebliche Vorteile hinsichtlich Förderung und Kosten des Zusatzwerkstoffs sowie eine Reduzierung der Drahtoberfläche.
Sowohl die Aluminiumhydroxid-Schicht (Al(OH)3-Schicht) als auch die Kontaminationsschicht sind eine Quelle für Wasserstoff, wobei dieser im Falle der Kontaminationsschicht in Form eingelagerter Kohlenwasserstoffe vorliegt. Um den in der Kontaminationsschicht bzw. in der Aluminiumhydroxid-Schicht eingelagerten Wasserstoff zu entfernen, kann die Oberfläche des Gegenstands vor dem Lichtbogenfügen gereinigt, insbesondere von Fett, von Öl und/oder von Schmutz und/oder von der Aluminiumhydroxid-Schicht befreit, werden. Ferner kann dieser Wasserstoff durch Temperieren zumindest der Oberfläche des Gegenstands auf etwa 30 Grad Celsius (°C) bis etwa 80°C, insbesondere auf etwa 50°C, entfernt werden.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann das Schutzgas als Fertiggemisch bereitgestellt werden. Es ist aber auch möglich, dass das Schutzgas an Ort und Stelle des Einsatzes aus zwei oder mehr Ausgangsgasen oder Ausgangsgasmischungen gemischt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung mindestens eines Schutzgases der vorstehend dargelegten Art beim Lichtbogenfügen, insbesondere beim Lichtbogenschweißen und/oder beim Lichtbogenlöten, mindestens eines Gegenstands aus Aluminium und/oder aus mindestens einer Aluminiumlegierung, insbesondere mindestens zweier Bauteile beispielsweise unterschiedlicher Dicke, unter Einsatz eines Verfahrens der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens einer Vorrichtung der vorstehend dargelegten Art.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 sowie dem Anspruch 6 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend unter Anderem anhand des durch 1 und durch 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung des elektrischen Feldes bei Einsatz des erfindungsgemäßen Schutzgases und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 in schematischer Darstellung die Ausbildung des elektrischen Feldes bei Einsatz eines konventionellen Schutzgases aus Argon; und
3 zwei Blindraupen, wobei für die Schweißnaht links (A) Argon und für die Schweißnaht rechts (B) ein erfindungsgemäßes Schutzgas verwendet wurde Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in 1 und in 2 mit identischen Bezugszeichen versehen.
Bester Weg zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
In 1 und in 2 ist die Ausbildung von Feldlinien 10 beim Lichtbogenschweißen oder Lichtbogenlöten, nämlich bei einem M[etall]I[nert]G[as]-Schweiß- oder Lötprozess bei Einsatz unterschiedlicher Schutzgase dargestellt.
Der zu fügende Gegenstand 200 besteht jeweils aus Aluminium und weist an seiner Oberfläche reines Aluminium, also weder eine Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) noch eine Oberflächenschicht aus Aluminiumhydroxid (Al(OH)3) noch eine Kontaminationsschicht auf.
Dem zu fügenden Bereich des Gegenstands 200 wird als Schutzgas ein Gasgemisch zugeführt, das

– Helium in einem Bereich von etwa 20 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 35 Vol.-%,
– eine Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung in einem Bereich von etwa 300 Volumenteilen pro Million (vpm) bis etwa 700 vpm (von etwa 0,03 Vol.-% bis etwa 0,07 Vol.-%) und
– im verbleibenden Volumenbereich Argon

Beispielsweise kann das Schutzgas aus etwa 30 Vol.-% Helium, aus etwa 500 vpm (etwa 0,05 Vol.-%) Sauerstoff und im verbleibenden Volumenbereich aus Argon bestehen.
Beim Lichtbogenfügen reagiert die Oberfläche des Gegenstands 200 mit der Dotierung des Schutzgases und bildet Anlagerungen oder Inseln aus Aluminiumoxid aus. Diese Al2O3-Inseln bilden ein Dielektrikum, an dessen Kanten eine erhöhte Feldliniendichte zu beobachten ist. Derartige Al2O3-Inseln werden bei Einsatz eines konventionellen Schutzgases, das beispielsweise aus reinem Argon besteht, nicht ausgebildet (vgl. 2).
Die Sauerstoffdotierung des Schutzgases gemäß der vorliegenden Erfindung (vgl. 1) sorgt im Vergleich zu Schutzgas aus reinem Argon (vgl. 2) für einen Lichtbogen mit stabilerem Fußpunkt und erhöht so die Stabilität des Schweißprozesses. Der Heliumanteil des Schutzgases gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt durch ein verändertes Einbrandprofil und durch eine bessere Wärmeleitung für bessere dynamische Festigkeitswerte, für eine verbesserte Spaltüberbrückung, für mehr Porensicherheit und für eine geringere Bindefehlergefahr.
In 3 sind zwei Schweißnähte auf einem Werkstück aus einer Aluminiumlegierung, die als Blindraupen ausgebildet sind, abgebildet. Grundwerkstoff ist eine Legierung aus AlSi1MgMn (auch EN AW-6082) mit zwei unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten. Der obere, dunkle Bereich wurde lediglich entfettet, so dass dort auf der Oberfläche noch eine Schicht Al₂O₃ vorhanden ist. Der untere, helle Bereich wurde mechanisch mit einer Feile oder Fräse abgeschliffen, so dass dort alle Oberflächenbeschichten entfernt sind und die blanke Aluminiumlegierung vorliegt. Unmittelbar nach der Entfernung der Oberflächenschicht wurde geschweißt. Für die linke Blindraupe (A) wurde reines Argon verwendet und für die rechte Schweißnaht (B) ein erfindungsgemäßes Schutzgas aus 30 Vol.-% Helium, 500 vpm (etwa 0,05 Vol.-%) Sauerstoff und im verbleibenden Volumenbereich Argon. In dem Bild ist folgendes zu erkennen:

– im Vergleich der beiden Blindraupen A und B auf der mit der Oxidschicht behafteten Oberfläche: eine schlankere und schönere Schweißnaht mit einer feineren und gleichmäßigeren Schuppung mit schmälerem Einflussbereich des Lichtbogens bei Verwendung des erfindungsgemäßem Schutzgases im Vergleich zur Verwendung von Argon;
– im Vergleich der beiden Blindraupen A und B auf der blanken Oberfläche: ebenfalls eine schlankere und schönere Schweißnaht mit einer feineren und gleichmäßigeren Schuppung mit schmälerem Einflussbereich des Lichtbogens bei Verwendung des erfindungsgemäßem Schutzgases im Vergleich zur Verwendung von Argon;
– im Vergleich der beiden Blindraupen insgesamt: bei Verwendung des erfindungsgemäßem Schutzgas ist der Unterschied zwischen den unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten des Grundwerkstoffs deutlich schwächer ausgeprägt als unter Verwendung von Argon;
– im Vergleich der Bereich des Übergangs der Oberflächenbeschaffenheit des Grundwerkstücks: unter dem erfindungsgemäßen Schutzgas ist dieser kleiner und sauberer als unter Argon;
– auch bei blankem Grundwerkstoff ist mit dem erfindungsgemäßen Schutzgas eine schmale und schöne Schweißnaht mit feiner und gleichmäßiger Schuppung möglich.

Verglichen mit Schutzgasschweißprozessen an Aluminium unter reinem Argon entstehen durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Schutzgases bessere Schweißergebnisse und stabilere Schweißprozesse, insbesondere zusätzliche Reserven, die genutzt werden können,

– um kritische Schweißprozesse zu stabilisieren und/oder
– um die Wirtschaftlichkeit der Schweißprozesse
– durch höhere Schweißgeschwindigkeiten,
– durch die Reduktion von Nacharbeit und von Ausschuss,
– durch höhere Maschinenverfügbarkeit,
– durch Wegfall einer Vorwärmung und/oder
– durch reduzierten Wartungsaufwand

10: Feldlinie
20: abschmelzende Elektrode
200: Werkstück aus Aluminium und/oder aus mindestens einer Aluminiumlegierung
A: Schweißnaht (Blindraupe), geschweißt mit Argon (Stand der Technik)
B: Schweißnaht (Blindraupe), geschweißt mit erfindungsgemäßem Schutzgas

Claims

Verfahren zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen und/oder zum Lichtbogenlöten, mindestens eines Werkstücks (200) aus Aluminium und/oder aus mindestens einer Aluminiumlegierung unter Schutzgas mit mindestens einer abschmelzenden Elektrode (20), wobei – als Schutzgas mindestens eine Argon-Helium-Mischung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Argon-Helium-Mischung – Helium in einem Bereich von etwa 20 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 35 Vol.-%, – eine Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung in einem Bereich von etwa 300 Volumenteilen pro Million (vpm) bis etwa 700 vpm (von etwa 0,03 Vol.-% bis etwa 0,07 Vol.-%) und – im verbleibenden Volumenbereich Argon aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas Helium in einem Bereich von etwa 25 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-% aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung etwa 400 vpm bis etwa 600 vpm (etwa 0,04 Vol.-% bis etwa 0,06 Vol.-%) beträgt.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas aus etwa 30 Vol.-% Helium, aus etwa 500 vpm (etwa 0,05 Vol.-%) Sauerstoff und im verbleibenden Volumenbereich aus Argon besteht.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass blankes Aluminium und/oder blanke Aluminiumlegierungen gefügt werden.
Schutzgas zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen und/oder zum Lichtbogenlöten, mindestens eines Werkstücks (200) aus Aluminium und/oder aus mindestens einer Aluminiumlegierung dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas – Helium in einem Bereich von etwa 20 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 35 Vol.-%, – eine Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung in einem Bereich von etwa 300 Volumenteile pro Million (vpm) bis etwa 700 vpm (von etwa 0,03 Vol.-% bis etwa 0,07 Vol.-%) und – im verbleibenden Volumenbereich Argon aufweist.
Schutzgas gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas Helium in einem Bereich von etwa 25 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-% aufweist.
Schutzgas gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung mit Kohlendioxid, mit Sauerstoff oder mit einer Kohlendioxid-Sauerstoff-Mischung etwa 400 vpm bis etwa 600 vpm (etwa 0,04 Vol.-% bis etwa 0,06 Vol.-%) beträgt.
Schutzgas gemäß mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas aus etwa 30 Vol.-% Helium, aus etwa 500 vpm (etwa 0,05 Vol.-%) Sauerstoff und im verbleibenden Volumenbereich aus Argon besteht.
Verwendung mindestens eine Schutzgases gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 19 beim Lichtbogenfügen, insbesondere beim Lichtbogenschweißen und/oder beim Lichtbogenlöten, mindestens eines Werkstücks (200) aus Aluminium und/oder aus mindestens einer Aluminiumlegierung, insbesondere mindestens zweier Bauteile beispielsweise unterschiedlicher Dicke, unter Einsatz eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5.