DE3031808A1

DE3031808A1 - Impulsschweissverfahren.

Info

Publication number: DE3031808A1
Application number: DE19803031808
Authority: DE
Inventors: William F. Los Alamitos Calif. Iceland; Donald P. Simi Valley Calif. Viri
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1980-08-22
Publication date: 1981-03-12
Also published as: GB2057325A; JPH0321271B2; FR2463657A1; IT8049478A0; US4273988A; JPS56109177A; GB2057325B; FR2463657B1; IT1147018B; CA1151736A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem eine abschmelzende Metallelektrode in einer mit Gas abgeschirmten Umgebung verwendet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem der dem Lichtbogen zugeführte Strom sowohl mit hohen als auch mit niedrigen Frequenzen pulsiert.

Beim Lichtbogenschweißen wird zwischen einem Werkstück und einer abschmelzenden oder nicht abschmelzenden Elektrode ein Lichtbogen ausgebildet. Bei unter Verwendung von abschmelzenden Elektroden arbeitenden Lichtbogen-Schweißverfahren wird eine Elektrode von unbestimmter Länge dem schweißenden Lichtbogen kontinuierlich zugeführt. Im Lichtbogen wird die Elektrode aufgrund der intensiven Hitze desselben geschmolzen und schmilzt auf ein Werkstück auf. Im allgemeinen wird das von der abschmelzenden Elektrode abgeschiedene Metall entweder durch ein Flußmittel oder ein Schutzgas gegen Luftzutritt abgeschirmt. Das letztere Verfahren wird im allgemeinen als Metall-Schutzgasschweißen (gas metal arc welding) bezeichnet. Dieses Verfahren wurde etwa 1948 entwickelt und anfänglich zum Schweißen von Aluminium angewendet. Es erwies sich als wesentlich schneller als die zuvor unter Verwendung von nicht abschmelzenden Elektroden angewendeten Schweißverfahren. Später wurde das Metallschutzgasschweißen auf das Schweißen von Kohlenstoff- und Edelstahlen übertragen, nachdem sich gezeigt hatte _t daß ein geringer Prozentsatz an Sauerstoff, der dem inerten Schutzgas (Argon) zugesetzt wird, eine wesentlich verbesserte Lichtbogenwirkung und wesentlich verbesserte Schweißcharakteristika schafft, ohne irgendeinen nachteiligen Effekt auf die Eigenschaften des Schweißmetalls zu haben. Seit dieser Zeit hat das Metallschutzgasschweißen zum Schweißen vieler Metallarten bei einer Vielzahl von Industriezweigen eine rasche Aufnahme erfahren.

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Ein prinzipieller Vorteil des Metallschutzgasschweißens besteht in der hohen Schweißgeschwindigkeit, d.h. in der erreichbaren hohen Metallabscheidungsrate. Es ist berichtet worden, daß die Metallüberführungsrate einen so hohen Wert wie z.B. 2032 cm/min bei einem Elektrodendraht mit einem Durchmesser von 0,035 Zoll haben kann. Ein Nachteil des Metallschutzgasschweißverfahrens besteht jedoch darin, daß es sich nicht leicht zum Schweißen außerhalb der richtigen Lage eignete, d.h. zum Schweißen, welches im wesentlichen nicht in einer Position senkrecht nach unten auf eine Oberfläche ausgeführt wurde, die nicht

mehr als etwa 10° aus der Ebene oder Horizontalen geneigt

Es wurden verschiedene Versuche gemacht, das Metallschutzgasschweißen für das Schweißen außerhalb der richtigen Lage anzupassen. Am bekanntesten ist die Ausführungsform, bei der mit relativ niedriger Stromstärke geschweißtwird, so daß der Metallübergang eher in einer Tröpfchenform abläuft als in der beim von Hand ausgeführten Schweißen nach unten üblicherweise benutzten Art eines Sprühlichtbogens. Beispielsweise wird bei einem Sprüh-Lichtbogenübertragungsverfahren unter Verwendung einer kommerziellen Elektrode aus reinem Aluminium mit einem Durchmesser von 1/16 Zoll, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 cm/min zugeführt wird und bei dem Argon als Schutzgas verwendet wird, das Elektrodenmetall auf das Werkstück in Form eines Sprühnebels aus feinen Tröpfchen in einer Rate von etwa 200 Tropfchen/sec überführt. Bei geringeren Stromdichten verläuft die Übertragung jedoch mehr in Form von großen Tropfen oder Globuliten. Die Globuliten ( Schweißperlen) sind häufig größer als der Elektrodendurchmesser und werden mit viel geringerer Geschwindigkeit überfuhrt, z.B. mit einer Rate von etwa 5 Tropfen/sec. Dieser Verfahrenstyp, der manchmal als Kurzschlußschweißen bezeichnet wird,

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wurde als für das Schweißen außerhalb der richtigen Lage notwendig angesehen, damit sich das übergeführte Metall abkühlen und verfestigen kann. Der Nachteil dieses Metallübergangstyps besteht jedoch darin, daß ein geringerer Einbrand erzielt wird und daß der Übergang dazu neigt, unregelmäßig abzulaufen. Es wurden daher zahlreiche Versuche unternommen, das Metallschutzgasschweißen für das Schweißen ' außerhalb der richtigen Lage anzupassen, ohne daß notwendigerweise der Metallübergang in Form von Globuliten erfolgt.

Die ITS-PS 3 528 100 beschreibt einen Stromkreis zur Erzeugung eines Lichtbogens und ein Verfahren, das insbesondere der Ausbildung eines in hohem Maße stabilen und kontinuierlichen, schweißenden Lichtbogens angepaßt ist. Dabei ist ein intermittierender Übergang des Schweißmetalls von einer abschmelzenden Elektrode vorgesehen. Gemäß dieser Patentschrift sind die abschmelzende Elektrode und das Werkstück mit einer doppelten Schweißstromquelle verbunden. Eine Umsehalteinrichtung ist mit der Stromquelle in der Weise verbunden, daß die Elektrode und das Werkstück selektiv mit einer Hochspannungsstromquelle und einer Niederspannungsstromquelle verbunden werden. Die Hochspannungsstromquelle reicht aus, um am Anfang den Lichtbogen auszubilden und aufrechtzuerhalten und einen wesentlichen Metallübergang von der abschmelzenden Elektrode zu bewirken. Beim Ausschalten der Hochspannungsstromquelle hält die Niederspannungsstromquelle den zuvor ausgebildeten Lichtbogen aufrecht, bewirkt jedoch nur einen minimalen Metallübergang. Während dieser letzteren Periode kann sich das Schweißmetall abkühlen, wodurch ein Abfließen und Abtropfen verhindert wird. Gemäß dieser Patentschrift ist eine Impulsgabe von 60 bis 90 Impulsen/sec vorgesehen. Die Patentschrift lehrt weiter, daß für relativ dünne Materialien beim Schweißen außerhalb der richtigen Position vor-

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teilhafterweise eine relativ niedrige Impulsrate und eine kurze Impulszeit angewendet werden kann. Für schwerere Werkstücke und für das Schweißen in richtiger Lage wird eine wesentlich größere Impulsrate und eine größere Einschaltzeit vorgeschlagen. Aus der Patentschrift geht weiter hervor, daß bei einer Impulsrate von über 100 Impulsen/sec der MetallUbergang von der Elektrode im wesentlichen ein kontinuierlicher Übergang vom Sprühlichtbogentyp ist und daß die Impulssteuerung in diesem Fall vollständig unwirksam wird.

Aus der US-PS 3 818 176 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Impulsschweißverfahrens bekannt, bei dem der Lichtbogen quer zu und/oder entlang der Schweißnaht während des Schweißvorgangs zyklisch oszilliert. Dabei ist die Phase der zyklischen Schwingungen mit der Phase des periodischen Metallübergangs von der Elektrode zum Werkstück in der Weise korreliert, daß der jeweilige Metallübergang bei einem vorgegebenen Zeitpunkt während der zyklischen Bewegung des Lichtbogens erfolgt. Es wird vorgeschlagen, daß auf diese Weise der Wärme- und Metallübergang entlang der Schweißnaht in der Weise gesteuert werden kann, daß jeweils Wärme und Metall dort zugeführt werden, wo sie zum jeweiligen Zeitpunkt am meisten benötigt werden. Gemäß dieser Erfindung soll die Vorrichtung und das Verfahren auf ein Schweißverfahren anwendbar sein,bei dem ein pulsierender Strom (etwa 50 Impulse/sec) der den Lichtbogen ausbildenden Elektrode zugeführt wird und bei dem der Metallübergang als Tauch- oder Kurzschlußübergang erfolgt, wobei der Metallübergang von der Elektrode zum Werkstück bei einer Kurzschlußfrequenz von etwa 25 bis 100 Impulsen/sec abläuft.

Eine jüngere Patentschrift, nämlich die US-PS 3 956 610, beschreibt ein anderes Schweißverfahren unter Verwendung

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eines pulsierenden Lichtbogens. Dieses Schweißverfahren soll zum Schweißen außerhalb der richtigen Lage anwendbar sein. Gemäß dem in dieser Patentschrift beschriebenen Verfahren wird mit einer Metallelektrode ein Lichtbogen ausgebildet und ein erster Stromwert dem Lichtbogen zugeführt, woraufhin der Lichtbogen mit einem zweiten Stromwert beaufschlagt wird. Der Strom wechselt zwischen dem ersten und zweiten Wert alle 0,3 bis 3 Sekunden. Der erste Stromwert reicht gerade aus, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Dabei wird ein über einen spurenweisen Metallübergang hinausgehender Metallübergang durch den Lichtbogen im wesentlichen vermieden. Da der zweite Wert wesentlich größer ist als der erste Viert, reicht er dazu aus, den Metallübergang in Form eines Sprühlichtbogens ablaufen zu lassen.

Der Lichtbogen und die Metallelektrode werden im allgemeinen entlang eines Schweißpfades bewegt, und zwar unter transversalem Hin-und-Her-Pendeln von Lichtbogen und Elektrode quer zum Schweißpfad. Die Geschwindigkeit der Elektrodenbewegung auf dem Schweißpfad wird synchron mit den Änderungen der Stromwerte geändert, wobei der Beginn und die Haltepunkte der Pendelbewegung der Elektrode synchron mit den periodischen Änderungen des Schweißstroms ablaufen. In dieser Patentschrift wird weiterhin vorgeschlagen, die Stabilität des Lichtbogens dadurch zu verbessern, indem man gegebenenfalls einen hochfrequenten Strom überlagert. Die Erfinder schlagen insbesondere vor, Ströme von z.B. mehreren hundert Kilohertz und einigen taunend Volt zur Lichtbogenstabilisierung alternierend anzuwenden.

Trotz der vielen Verbesserungen, die bisher durchgeführt bzw. vorgeschlagen wurden, bleibt die Abscheidungsrate beim Schweißen außerhalb der richtigen Lage beim Metallschutzgasschweißen relativ niedrig, nämlich kleiner als etwa 1,5 kg/h. Es besteht daher eindeutig ein Bedarf nach

weiteren Verbesserungen der Metallschutzgasschweißverfahren, um ein Schweißen mit höheren Abscheidungsraten bzw. Schweißgeschwindigkeiten zu erlauben, ohne daß die Qualität der Schweißung nachteilig beeinflußt wird.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Metallschutzgasschweißen geschaffen, das insbesondere zum Schweißen außerhalb der richtigen Lage anwendbar ist, welches weiterhin höhere Abscheidungsraten ermöglicht, als sie bisher erreichbar waren, und mit dem trotzdem eine qualitativ hochwertige Schweißung erzielt- wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Ausbildung eines Lichtbogens mit einer abschmelzenden Metallelektrode in einer mit Gas abgeschirmten Umgebung, das Anlegen eines Gleichstroms im Bereich von etwa 15 bis 80 A an den Lichtbogen und ein Pulsieren des Stroms mit einer Frequenz von etwa 5000 bis 25 000 Impulsen/sec bis zu einer ersten maximalen Amplitude von etwa 100 bis 125$ des minimalen Stroms, der erforderlich ist, um einen Sprühlichtbogen-Metallübergang von der Elektrode zu produzieren. Der pulsierende Strom, der der Elektrode zugeführt wird, wird zyklisch mit einer Frequenz von etwa 90 bis 400 Zyklen/sec erhöht, und zwar bis zu einer zweiten maximalen Amplitude von etwa 150 bis 600% des minimalen Stroms, der erforderlich ist, um einen Sprühlichtbogen-Metallübergang von der Elektrode zu produzieren. Der Strom wird bei dieser zweiten maximalen Amplitude für einen Zeitraum innerhalb des Bereichs von etwa 5 bis 50% des jeweiligen Zyklus gehalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das abschirmende Gas eine Mischung dreier Bestandteile, nämlich Argon, Helium und CO₂. Dabei wird eine Mischung besonders bevorzugt, die 61% Helium, 35% Argon, und etwa 4% CO₂ umfaßt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt die abschmel-

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zende Metallelektrode ein Flußmittel, welches entweder an der Peripherie um die äußere Oberfläche der Elektrode herum oder in einem mittigen Kern der Elektrode vorgesehen sein kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Schweißverfahren automatisch durchgeführt.

Die Erfindung ist insbesondere bei automatischen Schweißverfahren anwendbar, bei denen Einrichtungen für das automatische Zuführen der Elektrode in den Lichtbogen mit einer steuerbaren Geschwindigkeit vorgesehen sind, und weiterhin Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Elektrode in einer linearen Richtung bewegt wird, während gleichzeitig dafür gesorgt wird, daß die Elektrode und der Lichtbogen linear und lateral bezüglich dieser linearen Bewegung oszillieren. Bei einer derartigen Ausführungsform hat es sich gezeigt, daß die Erhöhung der Spannung über den Lichtbogen bei einem vorbestimmten Punkt der lateralen Bewegung des Lichtbogens die Qualität der hergestellten Schweißung stark verbessert. Durch Erhöhung der Spannung über dem Lichtbogen im äußersten Endbereich der Lateralbewegung wird speziell ein tieferer Einbrand in das zu schweißende Werkstück erreicht, wodurch eine zuverlässige Verbindung zwischen dem abgeschiedenen Metallelektrodenmaterial und dem Werkstück erreicht wird. Die oszillierende Bewegung des Lichtbogens linear in Richtung der Schweißnaht trägt weiterhin zur Vergrößerung der Schweißgeschwindigkeit bzw. der Abscheidungsrate bei.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung einer typischen Beziehung von Schweißstrom zu Tröpfchenübergangsrate und Tropfengröße;

Fig. 2 eine graphische Darstellung von Schweißstrora-Wellenformen gegen die Zeit gemäß vorliegender Erfindung; und

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Fig. 3 eine bildliche Darstellung einer Schweißvorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Metallschutzgasschweißen geschaffen, mit dem es möglich ist, qualitativ hochwertige Schweißungen mit größeren Abscheidungsgeschwindigkeiten zu erreichen, als sie bisher möglich waren. Das Verfahren umfaßt das Beaufschlagen der Elektrode und des Werkstücks mit einer zum Ausbilden eines Lichtbogens in einer durch Gas abgeschirmten Umgebung ausreichenden Spannung und das kontinuierliche Überführen von Metall in einer Sprühlichtbogen-Betriebsweise. Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung der typischen Beziehungen zwischen der Stromstärke und Tröpfchenübergangsrate sowie Tröpfchengröße bei einer mit Argongas abgeschirmten Stahldrahtelektrode mit einem Durchmesser von 1/16 Zoll. Aus der graphischen Darstellung geht hervor, daß bei allmählicher Zunahme der Stromstärke die Abschmelzrate der Elektrode erhöht wird und daß zur gleichen Zeit die Stromerhöhung die Rate erhöht, mit der Tropfen von der Elektrode abgelöst werden (Kurve B). Die Erhöhung der Stromstärke hat außerdem eine Verringerung der Tröpfchengröße zur Folge (Kurve A). Zu Anfang sind die Änderungen bei der Tröpfchengröße und der Frequenz des Übergangs allmählich und gleichförmig. Diese allmähliche Änderung bei der Tropfengröße und bei der Frequenz des Übergangs verläuft jedoch nicht unbegrenzt. Falls der Schweißstrom über einen kritischen Wert erhöht wird, reduziert sich die Tropfengröße sehr plötzlich und die Ablösefrequenz von der Elektrode nimmt ebenfalls bemerkenswert zu.

Die Kurven in Fig. 1 verdeutlichen die Plötzlichkeit dieser Änderungen. So geht z.B. aus Fig. 1 hervor, daß bei einer Erhöhung des Stroms von etwa 255 auf 265 A eine plötzliche Änderung der Tropfenfrequenz von 15 Tropfen/sec

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auf 240 Tropfen/sec verursacht wird, während sich der Tropfendurchmesser von etwa 6,5 mm auf etwa 1,0 mm verringert. Der Mittelwert der Stromstärke, bei der diese Diskontinuität auftritt, wird als Übergangsstrom bezeichnet. Bei dem angeführten Beispiel beträgt der Übergangsstrom etwa 260 A. Den Fachleuten dürfte klar sein, daß ein Schweißen bei Stromstärken unterhalb des ÜbergangsStroms häufig als eine Tropfenübergangs- oder Kurzschluß-Betriebsweise bezeichnet wird, wohingegen man das Schweißen bei einer Stromstärke über dem Übergangsstrom als Sprühlichtbogen-Betriebsweise bezeichnet.

Es geht auch deutlich hervor, daß eine scharfe Änderung bei der durch Erhöhen der Stromstärke über den Übergangspunkt hinaus erreichten Art des Metallübergangs nicht mit irgendeiner plötzlichen Änderung bei der Schmelzrate der Elektrode verbunden ist. Die Schmelzrate der Elektrode ändert sich natürlich, jedoch nur um die Menge, die auch ohne eine Änderung der Art des Übergangs als Folge der gleichen Erhöhung der Stromstärke zu erwarten wäre. Genauer gesagt wird die plötzliche Abnahme bei der Tropfengröße durch die plötzliche Zunahme der Tröpfchenübergangsrate kompensiert. Dieses beschriebene Übergangsstromphänomen tritt bei allen Metallen auf, wenn auch bei unterschiedlichen Werten der Stromstärke. Der Übergangspunkt oder die minimale Stromstärke, die zur Sprühlichtbogen-Betriebsweise erforderlich ist, kann leicht für irgendwelche vorgegebenen Materialien, Elektrodengrößen, Schutzgase und dergl. bestimmt werden. Ein besonderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Schweißen kontinuierlich in der Sprühlichtbogen-Betriebsweise erfolgt.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Schweißwellenform gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Gleichstrom mit einem

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Wert A₁ wird dem Lichtbogen angelegt und bis zu einer ersten maximalen Amplitude Ap mit einer Frequenz von etwa 5000 bis 25 000 Impulsen/sec pulsierend zugeführt. Die erste maximale Amplitude A₂ beträgt etwa 100 bis 125% der minimalen Stromstärke, die zur Erzeugung eines Sprühlichtbogen-Metallübergangs von der Elektrode erforderlich ist. Dieser pulsierende Strom, mit dem die Elektrode beaufschlagt wird, wird in Zyklen erhöht, und zwar mit einer Frequenz von etwa 90 bis 400 Zyklen/sec bis zu einer zweiten maximalen Amplitude A,. Die zweite maximale Amplitude A^ hat einen Wert von etwa 150 bis 600% der minimalen Stromstärke, die zur Erzeugung eines Sprühlichtbogen-Metallübergangs von der Elektrode erforderlich ist. Die Stromstärke A, wird bei dieser zweiten maximalen Amplitude während einer Zeit T^ gehalten, die innerhalb des Bereiche von etwa 5 bis 50% des jeweiligen Zyklus Tp liegt.

In Fig. 3 ist eine bildliche Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform zur praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dabei handelt es sich um einen Schweißautomaten zum Verbinden zweier Teile miteinander, bei dem ein wesentlicher Anteil des Schweißens außerhalb der richtigen Lage durchgeführt wird. Der hier verwendete Ausdruck "Schweißen außerhalb der richtigen Lage" bezeichnete Schweißungen, bei denen die Elektrode mehr als 10° aus einer vertikal nach unten gerichteten Position ausgelenkt ist. Der Schweißautomat umfaßt eine nichtgezeigte Stromversorgungseinrichtung, die die Schweißwellenform der vorliegenden Erfindung liefert. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine selbstangetriebene, automatische Schweißvorrichtung 10. Die Schweißvorrichtung 10 umfaßt mit Rädern ausgerüstete Trägereinrichtungen 12, die auf einer Schiene 14 laufen, welche um die Peripherie des zu schweißenden Werkstücks angebracht ist.

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Wie in Fig. 3 dargestellt, umfaßt das Werkstück zwei im wesentlichen zylindrische Rohrteile 16 und 18, welche abgeschrägte Enden aufweisen, die aneinanderstoßen und so eine Nut ausbilden. Die zwei Rohrteile werden durch Füllen der Nut mit Schweißmaterial miteinander verbunden. Auf den Trägereinrichtungen 12 ist eine Fördereinrichtung für den in einer Trommel 20 enthaltenen, schmelzbaren Elektrodendraht montiert, welcher einer Spitze 22 eines Schweißbrenners 24 zugeführt wird. Der Schweißbrenner 24 umfaßt außerdem nichtgezeigte Einrichtungen zum Entlassen eines Schutzgasstroras, der während des Schweißverfahrens ringförmig um die Spitze 22 herum austritt. Der Schweißbrenner 24 ist an einem Ausleger 26 befestigt, mit dem die Spitze 22 in eine lotrechte Stellung bezüglich der äußeren Oberfläche der Teile 16 und 18 gebracht werden kann.

Die Schweißvorrichtung 10 umfaßt außerdem ein motorgetriebenes Schlittenorgan 28, welches dafür sorgt, daß die Schweißvorrichtung 24 und der Ausleger 26 sich in einer Richtung quer zur durch die Teile 16 und 18 gebildeten Nut bewegen. Das motorgetriebene Schlittenorgan 28 wird automatisch in der Weise gesteuert, daß die Schweißspitze 22 während des Schweißens quer zur Nut hin- und herschwingt. Bei der Schweißvorrichtung 10 ist außerdem ein weiteres motorgetriebenes Schlittenorgan 30 vorgesehen, welches für eine lineare Schwingung sorgt, und zwar,wie durch den Pfeil 32 dargestellt, in einer parallel zur Schweißnut verlaufenden Richtung. Die Schweißvorrichtung 10 umfaßt weiterhin noch ein motorgetriebenes Schlittenorgan 34 zur Bewegung der Schweißspitze 22 in einer im wesentlichen senkrechten Richtung bezüglich der Oberfläche der Teile 16 und 18. Dabei sorgen die Schlittenorgane 28 und 34, indem sie miteinander zusammenwirken, für eine Bewegung der Spitze 22 in lateraler Richtung quer über die durch die Teile 16 und 18 gebildete Nut, und zwar in der Weise,

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daß die Spitze 22 der Kontur der Nut unter Einhaltung eines im wesentlichen einheitlichen Abstandes von derselben folgt.

Bei gewissen Anwendungen, beispielsweise um den Bestimmungen zu genügen, die für Kernreaktorgefäße erlassen wurden, ist es erforderlich, daß die Teile, die miteinander verschweißt werden, auf einer gewissen, im wesentlichen erhöhten Minimaltemperatur gehalten werden, um sicherzustellen, daß den Teilen während des Schweißens keine unnötigen Spannungen einverleibt werden. Dies wird leicht dadurch erreicht, daß, wie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt, das Teil mit einer thermisch isolierenden, elektrisch beheizten Decke oder Abdeckung 36 umwickelt wird. Die genaue Art und Weise, wie die motorgetriebenen Schlittenorgane gesteuert werden, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele derartiger Steuerungen findet man in den US-PSen 3 777 115 und 4 019 016.

Während des Betriebs wird zwischen der abschmelzenden Elektrode und dem zu schweißenden Teil ein Lichtbogen erzeugt und aufrechterhalten. Es dürfte bekannt sein, daß das Schweißen mit einer abschmelzenden Metallelektrode komplizierter ist als das Schweißen, bei dem z.B. eine nichtabschmelzende Wolframelektrode eingesetzt wird. Genauer gesagt, bestimmt bei dem Wolfram-Inertgasschweißen mit einer nicht-abschmelzenden Elektrode der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück die Lichtbogenlänge. Bei einem Metallschutzgas-Schweißverfahren hängt jedoch die Lichtbogenlänge auch von der Ausgewogenheit zwischen der. Schmelzrate und der Zuführungsrate der Elektrode ab, wobei natürlich vorausgesetzt wird, daß der Elektroden-Werkstück-Abstand konstant bleibt. Die Lichtbogenlänge wird beim Metallschutzgas-Schweißen mit einem von zwei Verfahren gesteuert. Bei dem einen Verfahren wird die Schmelz-

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rate durch Verwendung einer konstanten Stromquelle konstant gehalten und die Zuführungsrate der Elektrode variiert, indem man die Elektrode schneller oder langsamer zuführt, um die Lichtbogenlänge kürzer oder langer werden zu lassen. Dieses Steuerungsverfahren erfordert ein Zuführungssystem, das automatisch die Zuführungsrate in der V/eise einstellen kann, daß jeweils die richtige Lichtbogenlänge aufrechterhalten wird. Bei diesem Verfahrenstyp, der häufig als "spannungsgesteuertes System" oder als "je nach Bedarf"-System bezeichnet wird, wird die Lichtbogenlänge abgetastet, indem man die Lichtbogenspannung bestimmt. Falls der Lichtbogen zu lang wird, was sich durch eine Erhöhung in der Spannung anzeigt, wird die Zuführungsrate erhöht. Falls die Lichtbogenspannung unter ein angestrebtes Niveau abnimmt, was eine zu kurze Lichtbogenlänge anzeigt, wird die Zuführungsrate der Elektrode verringert.

Das bevorzugte Steuerungsverfahren ist jedoch ein solches, bei dem die Zuführungsrate der Elektrode im wesentlichen konstant ist und die Stromstärke variiert wird. Dieses. Steuerungsverfahren wird als ein selbstregulierendes System mit konstantem Potential bezeichnet. Das Verfahren sieht eine Stromquelle mit konstanter Spannung vor, wodurch eine Abnahme der Lichtbogenlänge eine Zunahme der Stromstärke verursacht. Diese Stromzunahme erhöht wiederum die Rate, mit der die Elektrode abschmilzt, wodurch die angestrebte Lichtbogenlänge wieder erhalten wird. Eine Zunahme der Lichtbogenlänge resultiert in einer abnehmenden Stromstärke. Diese Verringerung des Stroms verringert wiederum die Abschmelzrate der Elektrode, wodurch die angestrebte Lichtbogenlänge erneut erhalten wird. Bei diesem Steuerungsverfahren wird die Abschmelzrate der Elektrode automatisch in der Weise erhöht oder verringert, daß die erforderliche, konstante Lichtbogenlänge (Spannung) erhaltenbleibt. Es handelt sich also um ein selbststeuerndes System.

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Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß während des Schweißens der Lichtbogen wenigstens quer zur Schweißnaht eine oszillierende Bewegung ausführt. Um die unerwünschten Schwerkrafteinflüsse auf das Lichtbogenschwoißbad zu überwinden, wird ein mechanisches Oszillieren des Lichtbogens vorgesehen. Dieses Merkmal in Verbindung mit der Pulsiertechnik erlaubt das Abscheiden von Elektrodendraht mit hohen Geschwindigkeiten.

Erfindungsgemäß ist eine Oszillator-SteuerSektion vorgesehen, um automatisch die Position des Brenners in Übereinstimmung mit Befehls- und Rückkopplungssignalen zu steuern. Vorteilhafterweise ist außerdem ein Positionsverstärker vorgesehen, um die Unterschiede bei den Fehlern der Steuersignale zu verstärken. Das verstärkte Differenzsignal wird auf eine Geschwindigkeits-Servoschleife gegeben, welche die Differenz integriert und den Oszillatorhilfsmotor antreibt, bis sich die Differenz im wesentlichen auf Null verringert hat, d.h. bis die tatsächliche Position mit der durch das Befehlssignal vorgegebenen Position übereinstimmt.

Mit Hilfe dieser Einrichtungen wird ein Oszillieren des Schweißbades leicht erreicht. Die in Verbindung mit dem pulsierenden Lichtbogen verwendete Oszillation ermöglicht die rasche Abscheidung des in das Schweißbad überführten Drahtes, und zwar auch während des Betriebszustandes, bei dem das Schweißen außerhalb der richtigen Lage erfolgt. Dieses in Verbindung mit dem pulsierenden Lichtbogen und dem spannungsgesteuerten DrahtzufUhrungsmechanismus verwendete Merkmal der Oszillation führt zu einem äußerst stabilen System, welches für ein Schweißen außerhalb der richtigen Lage erforderlich ist.

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Um die Abscheidungsrate noch weiter zu erhöhen und auf diese Weise die Produktionskapazität zu erhöhen, kann man die Oszillationstechnik anwenden, bei der die Schweißstelle sowohl in Richtung der X- als auch der Y-Koordinate schwingt. Mit dem Einsatz von zwei Oszillatoren, die jeweils in 90° zueinander betrieben werden, wird eine X-Y-Oszillation des Schweißbades erreicht. Die Vektoraddition der Oszillatoren erlaubt die Erzeugung von quadratwellenförmigen, kreisförmigen und ähnlichen Schweißmustern, was wiederum die angestrebte Abbaugeschwindigkeit der Schweißstelle erhöht. Auf diese Weise kann auf effektive Weise erreicht werden, daß sich das Schweißbad je nach dem erzeugten Schweißmuster teilweise verfestigt.

Vorteilhafterweise sind auch Einrichtungen vorgesehen, die bewirken, daß beim Schwingen des Lichtbogens quer über die Schweißnaht an jeder Seite von der Mittellinie derselben ein momentanes Verweilen erreicht wird. Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn man während dieser Verweilperiode die Stromeingabe in den Lichtbogen momentan um etwa 1 bis 259a erhöht, die Qualität der Schweißung wesentlich verbessert wird. Genauer gesagt, erfolgt durch eine momentane Erhöhung der Spannung oder der Stromstärke, vorzugsweise um etwa 1 bis 10%, ein tieferer Einbrand an jedem Ende der Schwingbewegung oder auf jeder Seite der Schweißnaht und stellt so ein sicheres Aufschmelzen der Seitenwand und der Zwischenraupe sicher.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen näher erläutert.

Es wird eine Vorrichtung zum Verbinden zweier Metallteile miteinander verwendet, wie sie im wesentlichen in Fig. 3 gezeigt ist. Die zwei Teile umfassen im wesentlichen

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zylindrische Gefäße mit einem Durchmesser von 1,35 m und einer Wandstärke von etwa 12,7 cm. Die abschmelzende Elektrode umfaßt einen Draht der Zusammensetzung 2 1/4 Cr- 1 Mo. Der Draht hat einen Durchmesser von 0,035 Zoll. Das Schutzgas umfaßt 6196 Helium, 35% Argon und k% CO₂. Die verwendete Schweißstromquelle ist von bekannter Art und beaufschlagt die Elektrode mit Gleichstrom,und zwar mit einer Impulsrate von etwa 20 Impulsen/sec. Die Teile, die miteinander verbunden werden sollen, werden während des Schweißverfahrens auf einer Temperatur von etwa 260⁰C gehalten, da von diesen Schweißnähten gefordert wird, daß sie den Bestimmungen für Nukleardruckgefäße entsprechen. Die größte, erreichbare Schweißgeschwindigkeit beträgt etwa 1,27 kg/h. Es sind daher bei der Verfahrensweise gemäß dem Stand der Technik ungefähr 400 Durchgänge und 130 Lichtbogenstunden erforderlich, um die zwei Abschnitte miteinander zu verbinden.

Das vorstehend beschriebene Verfahren wird wiederholt. Es wird jedoch die Schweißstromquelle durch eine solche ersetzt, die in der Weise modifiziert worden war, daß sie die erfindungsgemäße Wellenform liefert. Es wird das gleiche Elektrodenmaterial verwendet. Die Elektrode wird mit einem ersten Gleichstrom von etwa 50 A bis zu einer ersten maximalen Amplitude von etwa 130 A (etwa 100% der minimalen Stromstärke, die zur Schaffung eines Sprühlichtbogenübergangs von Metall erforderlich ist) pulsierend beaufschlagt und zwischen diesen zwei Amplituden mit einer Frequenz von etwa 16 000 Impulsen/sec pulsiert. Die erste maximale Amplitude wird in Zyklen mit einer Frequenz von etwa 150 Zyklen/sec bis zu einer zweiten maximalen Amplitude von 400 A (etwa 300% der minimalen Stromstärke, die zur Schaffung eines Sprühlichtbogenübergangs von Metall erforderlich ist) erhöht und bei der zweiten Amplitude für eine Zeitspanne von etwa 18% des jeweiligen Zyklus

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gehalten. Alle anderen Variablen bleiben dabei im wesentlichen gleich. Bei dieser Verfahrensweise ist es möglich, qualitativ hochwertige Schweißungen mit einer Abscheidungsrate von etwa 2,63 kg/h zu erzeugen und auf diese Weise die erforderliche Anzahl der Lichtbogenstunden auf 59 zu reduzieren.

Es hat sich weiter gezeigt, daß durch die Verwendung von Draht mit einem Flußmittelkern die Abscheidungsraten weiterhin erhöht werden können, und zwar auf Werte, die 4,54 kg/h übersteigen. Diese hohen Abscheidungsraten wurden beim Schweißen außerhalb der richtigen Position erreicht, indem man eine Kombination von mit Flußmittelkern versehenem Draht (0,045 Zoll im Durchmesser) in Verbindung mit einer X-Y-Oszillation des Lichtbogens anwendete.

Das mechanische Oszillieren des Lichtbogens in der Schweißnut gestattet ein schnelles Abkühlen des Schweißbades. Das Erstarren des Schweißbades, das mit der Impulstechnik in Verbindung mit der Verwendung von mit Flußmittelkern versehenen Drähten großen Durchmessers erreicht wird, führt zu einer weiteren Verbesserung des Metallschutzgas-Schweißens beim Schweißen außerhalb der Idealposition.

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Claims

1Λ-3333

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Impulsschweißverfahren

Patentansprüche

mT\ Verfahren zum Metall-Lichtbogenschweißen unter Schutzgasabschirmung, gekennzeichnet durch

(a) Anlegen einer ausreichenden Spannung an eine abschmelzende Metallelektrode, um einen Lichtbogen in einer mit Gas abgeschirmten Umgebung auszubilden;

(b) Beaufschlagen der Elektrode mit einem Gleichstrom von etwa 15 bis 80 A und Pulsieren des Gleichstroms mit einer Frequenz von etwa 5000 bis 25 000 Impulsen/sec bis zu einer ersten maximalen Amplitude von etwa 100 bis 125% des minimalen Stroms, der zur Erzeugung eines Sprüh-Lichtbogenübergangs des Metalls von der Elektrode erforderlich ist;

(c) Erhöhen der ersten maximalen Amplitude des pulsierenden Gleichstroms in Zyklen mit einer Frequenz von 90 bis 400 Zyklen/sec bis zu einer zweiten maximalen

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Amplitude von etwa 150 bis 6OO56 des minimalen Stroms, der für den Sprüh-Lichtbogenübergang des Metalls erforderlich ist, und Aufrechterhalten der zweiten Amplittide während
einer Zeit von etwa 5 bis 50% des jeweiligen Zyklus.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom mit einer Frequenz von etwa

10 000 bis 20 000 Impulsen/sec pulsiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste maximale Amplitude des pulsierenden
Stroms mit einer Frequenz von etwa 100 bis 175 Zyklen/sec auf die zweite maximale Amplitude erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode von einer gasförmigen Mischung abgeschirmt wird, die Argon, Helium und Kohlendioxid umfaßt.

5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abschirmende Gas etwa 60# Helium, etwa 25% Argon umfaßt und daß der Rest im wesentlichen aus Kohlendioxid besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin ein automatisches Zuführen der Metallelektrode in den Lichtbogen mit einer steuerbaren Geschwindigkeit, ein automatisches Bewegen der Elektrode in einer linearen Richtung und ein Oszillieren des Lichtbogens lateral zu der linearen Richtung umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin ein periodisches Erhöhen der Eingangsleistung des Lichtbogens an vorbestimmten Punkten
während der lateralen Bewegung des Lichtbogens umfaßt.

130011/0765

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin das Oszillieren des Lichtbogens in der linearen Richtung umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Schweißen um ein nicht in idealer Position durchgeführtes Schweißen handelt.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die abschmelzende Metallelektrode ein Flußmittel einschließt.

11. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode durch eine gasförmige Mischung abgeschirmt wird, die Argon, Helium und Kohlendioxid umfaßt.

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