DE102015116265A1

DE102015116265A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit nicht abschmelzender Elektrode unter einem Aktivgashaltigen Prozessgas

Info

Publication number: DE102015116265A1
Application number: DE102015116265.2A
Authority: DE
Inventors: Cerkez Kaya
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen mindestens eines Werkstücks (11) mit einer nichtabschmelzenden Elektrode (3) offenbart, bei dem dem Bereich um die Elektrode (3) ein Prozessgas (6) zugeführt wird, welches neben mindestens einem Inertgas, einen Anteil von zwischen 0,05 und 2 Vol.-% [Volumen-%] mindestens eines der folgenden Gase: Kohlendioxid und Sauerstoff umfasst. Die Elektrode (3) ist bevorzugt aus Wolfram oder einer Wolframlegierung ausgebildet.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit nichtabschmelzender Elektrode, insbesondere Wolfram-Schweißen unter einem aktivgashaltigen Prozessgas.
Insbesondere bei Wolframschweißverfahren wurde bisher stets die Wolfram-Elektrode mit einem Schutzgasstrom aus mindestens einem Inertgas umgeben, da die Zugabe von Aktivgaskomponenten wie Kohlendioxid und Sauerstoff nach herrschender Meinung zur Oxidation der Elektrode bis hin zum Einschluss von Wolframoxiden in die Naht mit entsprechenden Nahtfehlern kam. Dies bewirkt insbesondere nach herrschender Meinung eine geringere Lebensdauer der Elektrode oder deren Zerstörung. Dies führt dazu, dass aktivgashaltige Prozessgase bei Schweißverfahren mit nichtabschmelzender Elektrode bisher nicht genutzt werden.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest zum Teil zu überwinden und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen mit nichtabschmelzender Elektrode, insbesondere zumindest überwiegend aus Wolfram bestehend, anzugeben, bei dem durch die Zusammensetzung des Prozessgases ein Einsatz von Aktivgasen möglich ist, ohne dass es zu nennenswerten Schädigungen und Veränderungen dieser Elektrode kommt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Lichtbogenschweißen mindestens eines Werkstücks mit einer nichtabschmelzenden Elektrode wird dem Bereich um die Elektrode ein Prozessgas zugeführt wird, welches neben mindestens einem Inertgas, einen Anteil von zwischen 0,05 und 2 Vol.-% [Volumen-%] mindestens eines der folgenden Gase: Kohlendioxid und Sauerstoff umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugte Anwendung mit Wolframhaltigen Elektroden oder Rein-Wolfram Elektroden. Im Gegensatz zum bekannten Wolfram Inertgasschweißen wird hier keine Schutzgasatmosphäre aus einem oder mehreren Inertgasen gegebenenfalls mit einem reduzierenden Gasanteil wie Wasserstoff eingesetzt. Vielmehr umfasst das Prozessgas im vorliegenden Verfahren entgegen der herrschenden Meinung mindestens eine Aktivgaskomponente, nämlich Kohlendioxid (CO2) und/oder Sauerstoff (O2).
Experimente der Anmelderin haben gezeigt, dass im Vergleich zu üblichen Schutzgasen wie beispielsweise Argon das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Nahttiefe und ein besseres Breiten-Tiefe-Verhältnis erzielt werden konnte. So konnte beispielsweise durch eine Beimischung von 0,6 Vol.-% Kohlendioxid zu Argon bei sonst gleichen Bedingungen eine Vervierfachung der Nahttiefe und eine Veränderung des Breiten-Tiefen-Verhältnisses von 6:1 zu 3:4 erreicht werden. Eine Beimischung von 0,2 Vol.-% Sauerstoff zu reinem Argon erbrachte ebenfalls eine Vervierfachung der Nahttiefe bei Veränderung des Breiten-Tiefen-Verhältnisses auf 1:1. Dies beruht auf der Bündelung des Lichtbogens, die sich durch die Zugabe der Aktivgaskomponente ergibt, sowie einer Veränderung der konvektiven Strömung in der Metallschmelze, die ebenfalls aus der Zugabe der Aktivgaskomponente beruht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektrode aus einem Werkstoff umfassend überwiegend Wolfram ausgebildet.
Hierbei ist sowohl der Einsatz einer Elektrode aus reinem Wolfram als auch aus einer Wolfram-Legierung möglich. Die Wahl des entsprechenden Elektrodenwerkstoffs erfolgt basierend auf dem zu schweißenden Werkstoff. Weiterhin bevorzugt ist der Einsatz einer Wolfram-Kupfer Verbundelektrode, bei der ein Elektrodenkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine Elektrodenspitze aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung trägt. Hierbei ist der in die Bildung des Lichtbogens einbezogene Teil der Elektrode aus Wolfram oder einer Wolframlegierung ausgebildet, während der rückwärtige Teil auch aus thermischen Gründen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Elektrode herausgestellt, die aus einem Werkstoff ausgebildet ist, der seltene Erden oder deren Oxide umfasst.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Prozessgas einen Anteil von 0,05 bis 0,7 Vol.-% Sauerstoff.
Ein Anteil von 0,05 bis 0,7 Vol.-%, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 0,3 Vol.-% ist vorteilhaft, weil dadurch einerseits die positiven Wirkungen der Aktivkomponente im Schweißvorgang zum Tragen kommen aber andererseits ein zu großer Lichtbogendruck vermieden wird, der zu einem Herausdrücken der Metallschmelze im Schweißpunkt und damit zu Unregelmäßigkeiten an der Schweißnaht führt. Zudem hat es sich bei den angegebenen Bereichen des Sauerstoffanteils herausgestellt, dass das Schweißergebnis relativ unabhängig von kleineren Dejustierungen, beispielsweise im Hinblick auf das Vorstehen der Elektrode aus der Prozessgasdüse, ist. Bevorzugt ist ebenfalls eine Ausgestaltung, bei der der Anteil von Sauerstoff geringer ist als der Anteil von Kohlendioxid im Prozessgas.
In Bezug auf den Kohlendioxidanteil ist der Bereich von 0,3 bis 0,4 Vol.-% besonders bevorzugt, insbesondere für das Schweißen von Werkstücken aus Nickelbasislegierungen, da hier geringe Aktivgasanteile ausreichend sind zur Einschnürung des Lichtbogens und zur Umkehrung der konvektiven Marangoni-Strömung in der Metallschmelze, während durch die geringen Anteile nur eine geringe Veränderung der Schmelzmetallurgie und des späteren Gefüges erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Prozessgas einen Anteil an Stickstoff (N2) von bis zu 10 Vol.-%.
Insbesondere beim Schweißen von Chrom-Nickel-Stählen hat sich ein Stickstoffanteil in Höhe von 2 bis 10 Vol.-% als vorteilhaft erwiesen, um die Austenit-Bildung beim Erstarren der Metallschmelze zu unterstützen, so dass ein Ferritfreies Gefüge beziehungsweise ein ausgewogenes Ferrit-Austenit-Gefüge erreichbar ist.
Beim Aluminiumschweißen hat sich ein Anteil an Stickstoff von 0,3 bis 1,0 Vol.-%, bevorzugt von 0,3 bis 0,8 Vol.-% als vorteilhaft herausgestellt. Hierdurch wird eine Konzentrierung des Lichtbogens erreicht, sowie der Energieeintrag in das Material des Werkstücks verbessert. Die Schweißgeschwindigkeit kann hierdurch erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Prozessgas mindestens eines der folgenden Inertgase:

– Argon; und
– Helium.

Insbesondere die Zugabe von Helium zum Prozessgas ist vorteilhaft, wenn eine höhere Wärmeeinbringung in das zu schweißende Werkstück notwendig ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, den Anteil an Helium in Abhängigkeit vom zu schweißenden Werkstoff anzupassen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Prozessgas aus 0,11 Vol.-% Kohlendioxid, 20 Vol.-% Helium, Rest Argon oder aus 0,11 Vol.-% Kohlendioxid, 5 Vol.-% Wasserstoff, Rest Argon.
Mit diesen Gasen lassen sich gute Schweißergebnisse bei einer Vielzahl von Materialien erzielen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Werkstück aus mindestens einem der folgenden Materialien aufgebaut:

a) nicht legierter Stahl;
b) Chrom-Nickel-Stahl;
c) Nickelbasislegierungen; und
d) Aluminiumlegierungen.

Insbesondere beim Schweißen von nicht legierten Stählen ist es vorteilhaft, dass Prozessgas gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Stickstoff- und Wasserstoffanteile einzusetzen. Beim Schweißen von Chrom-Nickel-Stählen enthält das Prozessgas vorteilhafter Weise grundsätzlich Kohlendioxid als Aktivgasanteil, Beimengungen von Wasserstoff sind vorteilhaft möglich. Werden Duplex-Stähle geschweißt weist das Prozessgas in vorteilhafter Weise Sauerstoff und Stickstoff auf. Beim Schweißen von Austeniten, insbesondere auch von LC (low carbon) und ELC (extra low carbon) Stählen, werden besonders bevorzugt Sauerstoff als Aktivgaskomponente mit Beimengungen von Stickstoff und Wasserstoff eingesetzt. Beim Schweißen von Nickelbasislegierungen wird bevorzugt Kohlendioxid als Aktivgaskomponente eingesetzt, während Wasserstoff beigemengt wird. Sofern ein Werkstück aus einer Nickelbasislegierung eingesetzt wird, die zu Heißrissen neigt, wird zusätzlich 1 bis 10 Vol.-% Stickstoff beigemischt. Beim Schweißen von Aluminium-Legierungen (Aluminiumschweißen) wird bevorzugt das Prozessgas mit Kohlendioxid als Aktivgaskomponente und einer Beimengungen von 0,05 bis 0,5 Vol.-% Stickstoff eingesetzt.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn das Werkstück aus einem der folgenden Materialien aufgebaut ist:

– Chrom-Nickel-Stahl und
– Nickelbasislegierung

Es hat sich herausgestellt, dass bei diesem Prozessgas eine Umkehrung der Marangoni-Konvektion beim Schweißen der genannten Stähle erreicht werden kann. Dies führt zu einer tieferen und schmaleren Schweißnaht, da durch die konvektive Strömung ein Wärmeeintrag in die Tiefe der Schweißnaht erreicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht dem die Elektrode aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung.
In Bezug auf Wolfram-Legierungen haben sich insbesondere Wolfram-Legierungen mit einer Zugabe von 0,15 bis 0,9 Gew.-% [Gewichts-%] Zirconium(IV)-oxid, bevorzugt 0,15 bis 0,5 Gew.-% oder 0,7 bis 0,9 Gew.-% Zirconium(IV)-oxid, oder Wolfram-Legierungen mit einem Anteil von 0,35 bis 4,2 Gew.-% Thoriumdioxid, bevorzugt 0,35 bis 0,55 Gew.% oder 0,8 bis 1,2 Gew.-% oder 1,7 bis 2,2 Gew.-% oder 2,8 bis 3,2 Gew.-% oder 3,8 bis 4,2 Gew.-% Thoriumdioxid, oder Wolfram-Legierungen mit einem Anteil von 0,9 bis 2,0 Gew.-% Lanthanoxid, besonders bevorzugt 0,9 bis 1,2 Gew.-% oder 1,4 bis 1,5 Gew.-% oder 2,0 Gew.-% Lanthanoxid, oder Wolfram Legierungen mit einem Anteil von 1,8 bis 2,2 Gew.-% Cer(IV)-oxid. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt ist eine Wolfram-Legierung mit Anteilen von seltenen Erden.
Weiterhin wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen mit einer nichtabschmelzenden Elektrode mit einem größten Durchmesser, mit einer Prozessgasdüse vorgeschlagen, die die Elektrode konzentrisch umgibt, wobei die Prozessgasdüse eine Schweißöffnung aufweist, durch die die Elektrode aus der Prozessgasdüse um höchstens das 0,25 fache des größten Durchmessers der Elektrode heraustritt, wobei die Prozessgasdüse eine Durchströmungsrichtung hin zur Schweißöffnung und in Durchströmungsrichtung einen zunächst konvergenten und dann divergenten Querschnitt aufweist, wobei der Durchmesser der Prozessgasdüse an der Stelle des kleinsten Querschnitts kleiner oder gleich dem 1,3 bis 1,5 fachen, bevorzugt kleiner oder gleich dem 1,4 fachen des größten Durchmessers der Elektrode ist.
Das Herausragen der Elektrode um höchstens das 0,25 fache des größten Durchmessers der Elektrode (der dem Durchmesser des zylindrischen Grundkörpers 16 entspricht) bewirkt insbesondere, dass der Großteil der Elektrode im Inneren der Prozessgasdüse aufgenommen ist und durch das Prozessgas gekühlt wird. Dadurch, dass die Prozessgasdüse zunächst einen konvergenten und dann einen divergenten Querschnitt aufweist, kommt es im Betrieb zu einer Beschleunigung des Prozessgases, was den Kühleffekt weiter erhöht. Dies wird weiter unterstützt durch die schmalen Öffnungen in der Prozessgasdüse (Schweißöffnung) um die Elektrode herum. Bevorzugt sind Elektrode und Prozessgasdüse koaxial. Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Elektrode eine konisch zulaufende Elektrodenspitze auf, wobei die den Konus stromabwärts in Durchströmungsrichtung begrenzende Spitzenfläche flach ist. Der Durchmesser der Spitzenfläche beträgt bevorzugt das 0,1 fache des Durchmessers beziehungsweise mindestens 0,25 mm [Millimeter] beträgt.
Unter flach wird hier insbesondere verstanden, dass die Spitzenfläche nicht strukturiert wie beispielsweise gekrümmt ist. Dies bewirkt insbesondere, dass sich der Lichtbogen aufgrund der elektrischen Feldstärken ganz überwiegend am Rand der Spitzenfläche ausbildet, so das eine potentielle Oxidation der Elektrode durch den Lichtbogen ganz wesentlich auf diesen Rand der Spitzenfläche begrenzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektrode in einer Spannhülse eingespannt, aus der eine Überstandslänge der Elektrode in Durchströmungsrichtung hinausragt, wobei die Elektrode einen zylinderförmigen Grundkörper und eine konisch zulaufende Elektrodenspitze aufweist, wobei die Überstandslänge bis zum Ende des zylinderförmigen Grundkörpers höchstens das 5fache des größten Durchmessers der Elektrode beträgt.
Bevorzugt ist die Spannhülse gekühlt, insbesondere wassergekühlt. Grundsätzlich ist die Spannhülse aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere mit einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die größer als die Wärmeleitfähigkeit der Elektrode ist, ausgebildet, bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.. Hierdurch ist eine weitere Kühlung der Elektrode vorteilhaft möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Elektrode aus einem zumindest Wolfram-haltigen Material ausgebildet.
Die Elektrode ist somit aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung, insbesondere mit seltenen Erden oder deren Oxide als Legierungselemente, ausgebildet.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Insbesondere können die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und angewendet werden und umgekehrt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung;
2 ein erstes Beispiel einer entsprechenden Elektrode;
3 ein Beispiel einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
4 ein Beispiel einer entsprechenden Prozessgasdüse;
5 ein weiteres Beispiel einer entsprechenden Elektrode;
6 ein Beispiel einer Schweißnaht, die nicht nach der vorliegenden Erfindung erstellt wurde, und
7 ein Beispiel einer Schweißnaht, die nach der vorliegenden Erfindung erstellt wurde.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Lichtbogenschweißen. Die Vorrichtung 1 weist eine Prozessgasdüse 2 auf, in dessen Inneren eine nichtabschmelzende Elektrode 3 aus Wolfram oder einer Wolfram-Legierung konzentrisch und insbesondere koaxial ausgebildet ist. Diese ist umgeben von einem Gasraum 4, der mit einer Gaszuleitung 5 verbunden ist. Im Betrieb wird durch die Gaszuleitung 5 und den Gasraum 4 gewährleistet, dass ein Strom an Prozessgas 6 aus einem nicht gezeigten Reservoir dem Bereich 7 um die Elektrode 3 zugeführt wird. Das Prozessgas 6 tritt aus der Öffnung der Prozessgasdüse 2 hervor, die im Weiteren als Schweißöffnung 8 bezeichnet wird und damit aus dem Gasraum 4 heraus und umströmt die Schweißstelle 9, in der Lichtbogen 10 zur Spitze der Elektrode 3 endet. Hierdurch wird einerseits das Heranführen von Umgebungsluft an die Schweißstelle 9 verhindert und andererseits erfolgt durch die Aktivgaskomponenten Kohlendioxid und/oder Sauerstoff im Prozessgas 6 eine Bündelung des Lichtbogens 10. Weiterhin wird durch die Aktivgaskomponenten Kohlendioxid und/oder Sauerstoff und deren Dissoziation und Rekombination ein erhöhter Wärmeeintrag in das oder die zu schweißenden Werkstücke 11 erreicht. Ferner bewirken die Aktivgaskomponenten eine Umkehr der Konvektionsströmung im aufgeschmolzenen Metall, so dass eine größere Nahttiefe und ein besseres Breiten zu Tiefenverhältnis der entstehenden Schweißnaht 12 erreicht werden kann. Der Schweißstelle 9 wird bei bestimmten Anwendungsfällen Zusatzmaterial 13 als Schweißzusatz zugeführt, dessen Vorschub unabhängig vom Schweißstrom, der über einen elektrischen Anschluss 14 fließt, geregelt werden kann.
2 zeigt eine Elektrode 3 zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung. Die Elektrode 3 ist in eine Spannhülse 15 eingespannt, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist, während die Elektrode 3 aus Wolfram oder einer Wolframlegierung ausgebildet ist. Die Spannhülse 15 ist bevorzugt gekühlt, insbesondere wassergekühlt (hier nicht gezeigt). Die Elektrode 3 weist einen größten Durchmesser D auf, der im vorliegenden Beispiel bei 5mm [Millimeter] liegt. Die Elektrode 3 besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 16 dieses größten Durchmessers D und einem konisch zulaufenden Teil mit einem Konus 17. Dieser Konus bildet eine Elektrodenspitze 31.
Die Elektrode 3 ragt mit dem zylindrischen Grundkörper 16 und dem Konus 17 aus der Spannhülse 15 um eine Überstandslänge 18 hinaus, die als der axiale Abstand zwischen dem Ende der Spannhülse und dem Ende des zylindrischen Grundkörpers definiert ist. Die Überstandslänge 18 ist höchstens 5mal so groß wie der größte Durchmesser D. Hierdurch kommt es zu einer guten Wärmeabfuhr im Betrieb, da die Spannhülse aus einem besser wärmeleitenden Material als die Elektrode 3 als Wärmesenke dient. Dies wird durch die Kühlung der Spannhülse 15 weiter befördert.
Der Konus 17 endet in einer Spitzenfläche 19, die flach, also insbesondere nicht gekrümmt ist. Dies bewirkt, dass sich das elektrische Feld auf eine Kante 20 der Spitzenfläche 19 konzentriert, so dass die Spitzenfläche 19 geschont wird.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit Prozessgasdüse 2 und konzentrisch in dieser ausgebildeter Elektrode 3 im Längsschnitt. Hier ist insbesondere die Prozessgasdüse 2 detaillierter gezeigt. Die Prozessgasdüse 2 wird im Betrieb in einer Durchströmungsrichtung 21 vom Prozessgas durchströmt. In Durchströmungsrichtung 21 weist die Prozessgasdüse 2 zunächst einen Bereich 22 konstanten Querschnitts auf, an den sich ein Bereich 23 konvergenten (also verjüngenden) Querschnitts anschließt. Weiter stromabwärts in Durchströmungsrichtung folgt ein Bereich 24 divergenten (also sich verbreiternden) Querschnitts. Zwischen dem Bereich 23 konvergenten Querschnitts und dem Bereich 24 divergenten Querschnitts kann – wie im vorliegenden Beispiel – ein weiterer Bereich 25 des (konstanten) kleinsten Querschnitts ausgebildet sein.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die Prozessgasdüse 2 als Lavaldüse auszubilden. Die Prozessgasdüse 2 weist im Bereich 25 des kleinsten Querschnittes einen Durchmesser 26 auf, der kleiner oder gleich dem 1,4 fachen des größten Durchmessers D der Elektrode 3 ist. Durch die Ausbildung als Düse mit zunächst konvergentem und dann divergentem Querschnitt kommt es zu einer Beschleunigung des Prozessgases im Betrieb der Vorrichtung 1, die zum einen zur Kühlung der Elektrode 3 dient. Zum anderen bewirkt der als Austrittsbereich fungierende Bereich 24 divergenten Querschnitts auch, dass sich ein Prozessgaskegel um den Lichtbogen herumbildet, der eine sichere Abschirmung von der Umgebungsluft gewährleistet.
Weiterhin steht die Elektrode 3 um einen Vorstand 27 aus der Schweißöffnung 8 hervor. Der Vorstand 27 ist das 0,25 fache des größten Durchmessers D der Elektrode 3. Die Wahl des Vorstands 27 gemeinsam mit dem kleinsten Durchmesser 26 bewirkt einen Prozessgaskegel, der den Lichtbogen führt und einschnürt, aber nicht zu groß wird. Dieser kleine Prozessgaskegel rund um den Lichtbogen trifft mit einem relativ hohen Impuls auf, da die Prozessgasströmung durch das Konfusor-Diffusor-Prinzip der Prozessgasdüse 2 beschleunigt wird. Dies hat auf die Schweißstelle den Effekt, dass die gemäß dem Marangoni Effekt üblicherweise von innen nach außen laufenden konvektiven Strömungen umgekehrt werden. Dies wird weiter unten mit Bezug auf die 6 und 7 noch näher erklärt. Die dann von außen nach innen laufenden Konvektionsströmungen führen zu schmaleren und tieferen Schweißnähten.
4 zeigt ein alternatives Beispiel einer Prozessgasdüse 2, die im Betrieb in Durchströmungsrichtung 21 von Prozessgas 6 durchströmt wird. Diese weist in Durchströmungsrichtung zunächst einen Bereich 23 konvergenten Querschnitts und danach einen Bereich 24 divergenten Querschnitts auf. Der kleinste Durchmesser 26 liegt genau zwischen diesen beiden Bereichen 23, 24.
Durch die starke Verengung des Durchmessers beziehungsweise des Querschnitts im Vergleich zum Anfang der Prozessgasdüse 2 hin zum kleinsten Durchmesser 26 und die nachfolgende Verbreiterung erfolgt eine starke Beschleunigung des Prozessgases. Durch die relativ kleine Schweißöffnung 8 im Vergleich zum größten Durchmesser D der Elektrode 3 wird so ein schmaler Prozessgaskegel ausgestoßen, der relativ hohe Geschwindigkeiten hat. Dies führt zu einem großen Impuls des Prozessgaskegels, der den Elektronenaustritt hin zur Elektrodenspitze 31 drängt und somit zu einer Konzentration beziehungsweise Bündelung des Lichtbogens. Dies bewirkt eine höhere Energiedichte, was zusammen mit den Aktivgaskomponenten im Prozessgas in der Metallschmelze zu einer Umkehrung der Konvektionsströmung führt.
Die Prozessgasdüse 2 erlaubt eine hohe Austrittsgeschwindigkeit bei geringen Gasdurchflussmengen, die üblicher Weise im Bereich von 4 bis 10 Litern pro Minute liegt. Diese schnelle Gasströmung kühlt die Elektrode 3 und führt zusammen mit der oben beschriebenen Geometrie des Konus 17 und der Spitzenfläche 19, sowie dem geringen Vorstand 26 dazu, dass die Überhitzung der Elektrode 3 im Wesentlichen auf den Bereich der Kante 20 des Konus 17 beschränkt ist, so dass der Lichtbogen 10 auch auf diesen Bereich beschränkt ist. Hierdurch wird auch die grundsätzlich mögliche Oxidation der Elektrode 3 signifikant beschränkt, so dass praktisch keine Oxidation auftritt und die Elektroden 3 lange einsetzbar sind,
5 zeigt ein alternatives Beispiel einer Elektrode 3, die als Verbundelektrode ausgeführt ist. Hierbei weist der zylindrische Grundkörper 16 einen Kupferkörper 28 auf, der aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist, auf den ein Wolframkörper 29 gesetzt ist, der aus Wolfram oder einer Wolframlegierung ausgebildet ist. Der Wolframkörper 29 umfasst einen Teil des zylindrischen Grundkörpers 16 und den Konus 17.
Am Beispiel der 6 und 7 wird nun der Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens erklärt. 6 zeigt ein nach dem Stand der Technik mit einem WIG (Wolfram-Inertgas) Schweißverfahren geschweißtes Werkstück 11. Die entsprechende Schweißnaht 12 ist relativ breit und nicht sehr tief. Die Konvektionsströmung 30 ist mit Pfeilen gekennzeichnet. Diese als Marangoni-Strömung bekannte Konvektionsströmung strömt dabei von innen nach außen. 7 zeigt ein Werkstück 11, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Prozessgas mit einer Aktivgaskomponente und einer nichtabschmelzenden Elektrode geschweißt wurde. Die Schweißnaht 12 ist deutlich tiefer und schmaler, durch das zentrale Auftreffen des durch die hohe Ausströmgeschwindigkeit bei kleiner Schweißöffnung mit relativ hohem Impuls ausgestattete Prozessgaskegel sorgt für eine Umkehr der Konvektionsströmung im Vergleich zu dem Fall in 6.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen
2: Prozessgasdüse
3: Elektrode
4: Gasraum
5: Gaszuleitung
6: Prozessgas
7: Bereich um die Elektrode
8: Schweißöffnung
9: Schweißstelle
10: Lichtbogen
11: Werkstück
12: Schweißnaht
13: Zusatzmaterial
14: Elektrischer Anschluss
15: Spannhülse
16: Zylindrischer Grundkörper
17: Konus
18: Überstandslänge
19: Spitzenfläche
20: Kante
21: Durchströmungsrichtung
22: Bereich konstanten Querschnitts
23: Bereich konvergenten Querschnitts
24: Bereich divergenten Querschnitts
25: Bereich des kleinsten Querschnitts
26: Kleinster Durchmesser
27: Vorstand
28: Kupferkörper
29: Wolframkörper
30: Konvektionsströmung
31: Elektrodenspitze
D: Durchmesser der Elektrode

Claims

Verfahren zum Lichtbogenschweißen mindestens eines Werkstücks (11) mit einer nichtabschmelzenden Elektrode (3), bei dem dem Bereich um die Elektrode (3) ein Prozessgas (6) zugeführt wird, welches neben mindestens einem Inertgas, einen Anteil von zwischen 0,05 und 2 Vol.-% [Volumen-%] mindestens eines der folgenden Gase: Kohlendioxid und Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Elektrode (3) aus einem Werkstoff umfassend überwiegend Wolfram ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektrode (3) aus einem Werkstoff ausgebildet ist, der seltene Erden oder deren Oxide umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Prozessgas (6) einen Anteil von 0,05 bis 0,7 Vol.-% Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Prozessgas (6) einen Anteil an Stickstoff (N₂) von bis zu 10 Vol.-% umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Prozessgas (6) mindestens eines der folgenden Inertgase umfasst: – Argon; und – Helium.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Prozessgas (6) aus 0,11 Vol.-% Kohlendioxid, Rest Argon, und einem der folgenden Anteile besteht: – 20 Vol.-% Helium oder – 5 Vol.-% Wasserstoff.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkstück (11) aus mindestens einem der folgenden Materialien aufgebaut ist: a) nicht legierter Stahl; b) Chrom-Nickel-Stahl; c) Nickelbasislegierungen; und d) Aluminiumlegierungen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Werkstück (11) aus einem der folgenden Materialien aufgebaut ist: – Chrom-Nickel-Stahl und – Nickelbasislegierung und das Prozessgas (6) einen Anteil von Kohlendioxid von 0,2 bis 0,3 Vol.-% enthält.
Vorrichtung (1) zum Lichtbogenschweißen mit einer nichtabschmelzenden Elektrode (3) mit einem größten Durchmesser (D), mit einer Prozessgasdüse (2), die die Elektrode (3) konzentrisch umgibt, wobei die Prozessgasdüse (2) eine Schweißöffnung (8) aufweist, durch die die Elektrode (3) aus der Prozessgasdüse (2) um höchstens das 0,25 fache des größten Durchmessers der Elektrode (3) heraustritt, wobei die Prozessgasdüse (2) eine Durchströmungsrichtung (21) hin zur Schweißöffnung (8) aufweist und in Durchströmungsrichtung (21) einen zunächst konvergenten (23) und dann divergenten (24) Querschnitt aufweist, wobei der Durchmesser (26) der Prozessgasdüse (2) an der Stelle des kleinsten Querschnitts kleiner oder gleich dem 1,3 bis 1,5 fachen, bevorzugt kleiner oder gleich dem 1,4 fachen, des größten Durchmessers (D) der Elektrode (3) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, bei dem die Elektrode (3) eine konisch zulaufende Elektrodenspitze (31) aufweist, wobei die den Konus (17) stromabwärts in Durchströmungsrichtung (21) begrenzende Spitzenfläche (19) flach ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Elektrode (3) in einer Spannhülse (15) eingespannt ist, aus der eine Überstandslänge (18) der Elektrode (3) in Durchströmungsrichtung (21) hinausragt, wobei die Elektrode (3) einen zylinderförmigen Grundkörper (16) und eine konisch zulaufende Elektrodenspitze (31) aufweist, wobei die Überstandslänge (18) bis zum Ende des zylinderförmigen Grundkörpers (16) höchstens das 5fache des größten Durchmessers (D) der Elektrode (3) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Elektrode (3) aus einem zumindest Wolfram-haltigen Material ausgebildet ist.