DE2424666A1

DE2424666A1 - Schweissverfahren, insbesondere zum schutzgas-lichtbogenschweissen mit sich nicht verbrauchender elektrode und zum elektronenstrahlschweissen, sowie vorrichtung zu dessen ausfuehrung

Info

Publication number: DE2424666A1
Application number: DE19742424666
Authority: DE
Inventors: John Arthur Fulks; Stanley Frank Simmons
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1973-05-24
Filing date: 1974-05-21
Publication date: 1974-12-12
Also published as: AU6919274A; FR2236610A1; FR2236610B1; JPS5041745A

Description

Dipl. ing. E. HOIiZEB

AUGSBUKG

1*

R, 884

Augsburg, den l6. Mai 1974

Rolls-Royce (1971) Limited, 14/15 Conduit Street, London W,l, England,

Schweißverfahren, insbesondere zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit sich nicht verbrauchender Elektrode und zum Elektronenstrahlschweißen, sowie Vorrichtung zu dessen

Aus führung

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren, insbesondere zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit sich nicht verbrauchender Elektrode und zum Elektronenstrahlschweißen, wobei ein Zusatzdraht in das Schweißbad zugeführt wird, und eine Vorrichtung zu dessen Ausführung.

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Bei einem üblichen Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren mit einer sich nicht verbrauchenden Elektrode wird der Zusatzdraht kontinuierlich mit vorgebbarer konstanter Vorschubgeschwindigkeit der Schweißnaht eines Werkstückes zugeführt· Die Drahtzuführgeschwindigkeit muß im wesentlichen mit der Drahtabschmelzgeschwindigkeit bei einem gegebenen Schweißstrom übereinstimmen, da anderenfalls die Drahtabschmelzung unregelmäßig abläuft, was zu sowohl hinsichtlich des Profils als auch hinsichtlich der Aufschmelzung unregelmäßigen Schweißnähten führt.

Der Schweißstrom wird so eingestellt, daß eine zur Erzielung der richtigen Aufschmelzung der Schweißstellen ausreichende Wärmemenge zugeführt wird, und diese Wärmemenge hängt von der durch die Schweißgeschwindigkeit bewirkten Wärmeaufnahme, der Dicke der Schweißverbindung und dem Werkstoff des Werkstückes, der Masse der Aufspannvorrichtung, der Auflösung des Zusatzdrahtes im Schwe^ßbad und Verlusten an die Umgebungsluft ab. Die Draht- . zuführgeschwindigkeit ist also auf einen Wert beschränkt, der durch den verwendeten Schweißstrom bestimmt wird, und kann nicht wesentlich verändert werden, was beispielsweise zur Erzielung von Änderungen der Schweißgeometrie vorteilhaft wäre, d_th. zur Erzielung von Änderungen der

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Querschnittsform der Schweißraupen während eines Durchgangs,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren der eingangs dargelegten allgemeinen Art im Sinne einer Verbesserung der Schweißnaht, einer Vergrößerung der Schweißgeschwindigkeit und einer Verminderung des benötigten Zusatzdrahtes zu verbessern·

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein solches Schweißverfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißdraht mit ungleichförmiger, sich nach einem bestimmten Gesetz verändernder Vorschubgeschwindigkeit zugeführt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zuführung des Zusatzdrahtes in Form jeweils gesonderter Bewegungsimpulse,

Eine Drahtzuführvorrxchtung zur Ausführung des erfindungs· gemäßen Verfahrens ist durch eine Einrichtung zum Steuern der Zuführung des Zusatzdrahtes mit ungleichförmiger, sich nach einem bestimmten Gesetz ändernder Vorschubgeschwindigkeit gekennzeichnet.

Beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen.nach dem erfindungs-

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gemäßen Verfahren sind die beim oben erwähnten üblichen Verfahren gegebenen Wärmeaufnahmefaktoren dahingehend geändert, daß während jeder Verharrperiode, d„h, während den Zeitintervallen zwischen den einzelnen Bewegungsimpulsen, wenn kein Drahtvorschub stattfindet, keine Wärmeaufnahme durch das Auflösen des Zusatzdrahtes entsteht und folglich ein größerer Anteil der Gesamtwärme zum Aufschmelzen des Schweißgutes zur Verfügung steht.

Der Ausdruck "Lichtbogenschweißen" umfaßt auch das Wolfram-Inertgas-Schweißen (als WIG-Verfahren bekannt) und das Plasmaschweißen.

Es hat sich herausgestellt, daß beim Wolfram-Inertgas-Schweißen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem obenerwähnten, bei den gleichen Schweißaufgaben verwendeten herkömmlichen Verfahren folgende Vorteile erzielt werden können:

1, Eine Verminderung der Größe der Schweißraupe. Sowohl die Oberraupe, die Unterraupe als auch die Querschnittsfläche der Schweißnaht sind kleiner,

2, Die Verringerung der Größe der Schweißnaht

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bedeutet geringeren Zusatzdrahtbedarf und kleineren Gesamtwärmebedarf für den Schweißvorgang,

3, Die geringere Gesamtwärmezufuhr bedeutet geringeren Verzug im Werkstück,

k. Geringere Porosität der sich ergebenden Schweißnaht,

5. Steigerung der Schweißgeschwindigkeit,

6, Wesentliche Verminderung der Schweißfehlerhäufigkeit,

Es hat sich herausgestellt, daß bei Anwendung des -erfindungsgemäßen Verfahrens beim Wolfram-Inertgas-Schweißen tiefer eingeschmolzene Schweißnähte bei größeren Materialdicken entstehen, was bei der Herstellung von Schweißnähten mit Zusatzwerkstoff besonders vorteilhaft ist. Bei der herkömmlichen kontinuierlichen Zusatzdrahtzuführung ist die Drahtzuführgeschwindigkeit auf einen Wert beschränkt, der durch die konstanten Faktoren Werkstoff, Werkstückdicke und Masse der Einspannvorrichtung und die variablen Faktoren Schweißgeschwindigkeit,

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Zusatzdrahtauflösung und Schweißstrom bestimmt ist. Die drei variablen Faktoren sind voneinander abhängig und eine Änderung jeweils eines dieser Paktoren erfordert auch eine Änderung der beiden anderen Paktoren, so daß die Bestimmung der für einen Schweißvorgang erforderlichen Zusatzwerkstoffmenge äußerst schwierig ist_e Wenn die. Zufuhr des Zusatzdrahtes gemäß der Erfindung in Form einzelner Bewegungsimpulse erfolgt, ändert sich die gegenseitige Abhängigkeit der Bedingungen, und die Drahtzuführgeschwindigkeit ist nicht mehr vom Schweißstrom abhängig und kann genau auf . den Wert eingestellt werden, der dem zur Herstellung der Schweißnaht erforderlichen zusätzlichen Volumen entspricht. Damit die Ablagerung des Zusatzwerkstoffs genau steuerbar ist, werden bei der erfindungsgemäßen pulsierenden Zuführmethode die Zuführperioden und die Verharrperioden unabhängig voneinander genau zeitgesteuert.

Die Zusammenhänge zwischen den konstanten und den variablen Paktoren sind in den anliegenden Tafeln 1 und dargestellt, welche die Bestimmungsfaktorkette für die Parameterwahl für das herkömmliche Verfahren mit kontinuierlichem Zusatzdrahtvorschub (Tafel 1) und für das erfindungsgemäße Verfahren mit pulsierendem Zusatzdrahtvorschub (Tafel 2) zeigen,

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Eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beispielsweise beschrieben, welche schematisch eine übliche Vorrichtung für das Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit einer Einrichtung zur pulsierenden Zuführung des Zusatzdrahtes zeigt.

Im Betrieb der in der Zeichnung dargestellten Lichtbogenschweißvorrichtung 11 wird der Zusatzdraht 12 von einer drehbaren Rolle I3 mit Hilfe von Vorschubrollen abgezogen und zu einer Schweißstelle I5 zwischen zwei Werkstücken 16 hinführt. Die zum Abschmelzen des Zusatzdrahtes 12 und zum Zusammenschweißen der beiden Werkstücke erforderliche Wärme wird mittels einer Elektrode 17 eines Schweißbrenners 18 zugeführt, welche mit einer Schweißstromquelle 19 verbunden ist. Von einer Gasquelle 28 wird Schutzgas durch den Schweißbrenner 18 und eine die Elektrode 17 umgebende ringförmige Abschirmung 27 zugeführt und strömt über die Schweißstelle 15 und das Ende des Zusatzdrahtes, wodurch die Luft verdrängt wird. Die Strömung des Inertgases aus der Abschirmung 27 ist durch gestrichelte Linien 30 angedeutet.

Die Vorschubrollen 14 sind über Wellen 21 und 22

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rait einem Antriebsmotor 20 gekuppelt. Dem Motor 20 ist eine Steuereinheit 23 zur Steuerung der Motordrehzahl zugeordnet. Die Drehzahl der Vorschubrollen 14 und die Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes ist also durch Einstellung an der Motorsteuereinheit 23 festlegbar.

Die miteinander zu verschweißenden Werkstücke 16 werden auf einem Drehtisch oder einem verschiebbaren Tisch (nicht dargestellt) so aufgespannt, daß ihre miteinander zu verbindenden Ränder unter dem elektrischen Lichtbogen des Schweißbrenners mit gesteuerter Geschwindigkeit hindurchlaufent

Zwischen die Abtriebswelle 22 des Motors 20 und die, die Vorschubrollen 14 treibende Welle 21 ist eine elektrisch betätigte Kupplung 25 geschaltet, welche aufgrund elektrischer Impulse aus einem Impulsgeber 26 aufeinanderfolgend einkuppelt und auskuppelt. Durch das Einkuppeln und Auskuppeln der Kupplung 25 werden die Zuführperioden und Verharrperioden des Zusatzdrahtes hergestellt.

Die Zeitdauer des Einkuppeins und des Auskuppeins der Kupplung 25 wird jeweils am Impulsgeber 26 eingestellt, so daß der Zusatzdraht mittels der Vorschubrollen in

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einzelnen Bewegungsimpulsen zur Schweißstelle zugeführt wird.

Der Impulsgeber 26 kann in irgendeiner geeigneten Weise aufgebaut sein, welche die Steuerung der Zuführ- und Verharrperioden des Zusatzdrahtes gestattet.

Anstelle der Verwendung der elektrisch betätigten Kupplung 25 ist die Erzeugung einer pulsierenden Drahtzufuhr auch dadurch möglich, daß als Antriebsmotor 20 ein Motor mit variabler Drehzahl verwendet und die Spannung an der Motorsteuereinheit 23 im Sinne der Erzeugung aufeinanderfolgender Ein/Aus-Perioden gesteuert wird.

Die nachstehende Tafel 3 zeigt einige Ergebnisse eines Vergleichs zwischen dem üblichen Verfahren mit kontinuierlicher Drahtzuführung und dem erfindungsgemäßen Verfahren mit pulsierender Drahtzuführung. In beiden Fällen wurde eine zufriedenstellende Schweißnaht erzeugt.

Die Versuchswerkstücke bestanden aus einer Nickelbasislegierung Ni75 und hatten eine Dicke von 1,6 mm. Der Zusatzdraht hatte einen Durchmesser von 0,85 mm.

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Tafel 3

Herkömmliche kontinuierliche Drahtzuführung

Schweißgeschwindigkeit 100 mm/min

Sehweißstrom 56 A

Drahtzuführgeschwindigkeit 275 mm/min

Drahtabschmelzung 65 mm/mm

GesamtdrahtabSchmelzung 65O mm

Gesamtsehweißzeit 141 s

Gesamte Wärmezufuhr 7896 As

Schweißraupenbreite 5 mm

Aufschmelzungsbreite 3,3 mm

Dicke der Schweißnaht 2,4 mm

Erfindungsgemäße pulsierende Drahtzuführung

Schweißgeschwindigkeit 158 mm/min

Schweißstrom 56 A

Drahtzuführgeschwindigkeit 730 mm/min

Zuführperiodendauer 0,08 s

Verharrperiodendauer 0,76 s

Drahtabschmelzung 25 mm/mm

Drahtzufuhr pro Impuls 2,5 mm

Impulsfolge 10 Impulse/25 mm

Gesamtdrahtabschmelzung 245 mm

Gesamtsehweißzeit 89 s

Gesamtwärmezufuhr 5162 As

Schweißraupenbreite 3,9 mm

Aufschmelzungsbreite 2,18 mm

Dicke der Schweißnaht 2,16 mm

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Prozentuale Ersparnisse bei pulsierender Drahtzuführung

nach der Erfindung_

Gesamtwärmezufuhr 3*1,6 %

Zusatzwerkstoffmenge 62 %

Schweißzeit 36,9 %

Schweißraupenbreite 22 %

Aufschmelzungsbreite 3^ %

Nahtdicke 9 %

Drahtabschmelzung 60 %

Diese Ergebnisse zeigen, daß die Schweißgeschwindigkeit bei pulsierender Drahtzufuhr gegenüber dem herkömmlichen Verfahren mit kontinuierlicher Drahtzufuhr bei gleichem Schweißstrom wesentlich gesteigert ist, und zwar beträgt die Steigerung etwa 65 %, Die Drahtzuführgeschwindigkeit während der Zuführperioden ist um I6O % größer als die Drahtzuführgeschwindigkeit bei der herkömmlichen kontinuierlichen Drahtzuführung,

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Claims

Patentansprüche

,/Schweißverfahren, insbesondere zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit sich nicht verbrauchender Elektrode und zum Elektronenstrahlschweißen, wobei ein Zusatzdraht in das Schweißbad zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzdraht mit ungleichförmiger, sich nach einem bestimmten Gesetz ändernder Vorschubgeschwindigkeit zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschub des Zusatzdrahtes jeweils in gesonderten Bewegungsimpulsen erfolgt,

3β Drahtzuführvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (25, 26) zum Steuern der Zuführung des Zusatzdrahtes (12) mit ungleichförmiger, sich nach einem bestimmten Gesetz ändernder Vorschubgeschwindigkeit.

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