DE4430902B4 - MIG/MAG-Schweißverfahren mit erhöhter Schweißgeschwindigkeit für metallische Werkstoffe - Google Patents

Abstract

MIG/MAG-Schweißverfahren mit erhöhter Schweißgeschwindigkeit für metallische Werkstoffe, insbesondere unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle sowie Aluminiumlegierungen, bei dem durch einen Lichtbogen ein zum Grundwerkstoff artgleicher Drahtzusatzwerkstoff und dieser in argonhaltiger Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen werden und bei dem der Brenner in einer stechenden Stellung gegen die Schweißrichtung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißprozess mit einer für den Sprüh- oder Langlichtbogen üblichen hohen Schweißstromstärke Is von 250 bis 500 A, einer für den Bereich des Kurzlichtbogens üblichen geringen Schweißspannung Us von 27 bis 37 V, mit Drahtdurchmessern zwischen 1,00 bis 1,6 mm und Drahtvorschubgeschwindigkeiten von 10 m/min bis 20 m/min, einer auf anlagenbezogene Maximalwerte eingestellten Induktivität zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit trotz einer auf Werte zwischen 0,3 und 0,8 MJ/m eingestellten Schweißenergie bei gleichzeitig stechender Anstellung des Brenners in einem Winkel zwischen 20° bis 50° gegen die Schweißrichtung, der Einstellung eines Kontaktdüsenabstandes auf 20 bis 35 mm sowie eines Schutzgasverbrauches auf 16 bis 30...

Description

• Die Erfindung betrifft ein MIG/MAG-Schweißverfahren mit hoher Schweißgeschwindigkeit für metallische Werkstoffe, insbesondere unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle sowie Aluminiumlegierungen, bei dem durch einen Lichtbogen ein zum Grundwerkstoff artgleicher Zusatzwerkstoff und dieser in argonhaltiger Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen werden und bei dem der Brenner in einer stechenden Stellung gegen die Schweißrichtung eingestellt wird.
• Es ist bekannt, daß Metall-Inertgas (MIG)- bzw. Metall-Aktivgasschweißen (MAG) unter Voreinstellung eines Schutzgasverbrauches von etwa 8 bis 16 1/min die Abschmelzleistung und damit die Schweißgeschwindigkeit gesteigert werden kann, indem die eingebrachte Energie, dargestellt durch das Produkt aus Schweißstrom I_s und Schweißspannung U_s, erhöht wird (Aichele, G., Smith, A.A: MAG-Schweißen, Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf 1975, Seiten 123-138).
• Dabei werden hinsichtlich der Erscheinungsform des Schweißlichtbogens und des damit verbundenen Werkstoffübergangs vier Grundtypen, und zwar den Kurzlichtbogen, den Mischlichtbogen, den Sprüh- oder Langlichtbogen und den rotierdenden Lichtbogen unterschieden.
• Der Kurzlichtbogen erscheint bei relativ geringen Strömen und Spannungen, der Mischlichtbogen bei erhöhten Strömen und Spannungen sowie der rotierende Lichtbogen bei überhöhten Strömen und Spannungen, wobei die jeweils absoluten Größen dieser Ströme und Spannungen durch den Typ und den Durchmesser des als Zusatzwerkstoff verwendeten Schweißdrahtes sowie durch die Schutzgasart bestimmt werden.
• Zur Durchführung des MIG/MAG-Schweißens werden Gleichstromquellen genutzt, die eine bestimmte einstellbare Induktivität oder Stromanstiegsgeschwindigkeit mit definierter Stromobergrenze aufweisen. Beim Schweißen mittels Kurzlichtbogen, wo der Zusatzwerkstoff tropfenförmig unter Kurzschlüssen übertragen wird, muß die Stromanstiegsgeschwindigkeit und Stromhöhe begrenzt sein, um einerseits gut zünden zu können und andererseits einen stabilen Werkstoffübergang durch die stromglättende Wirkung zu erreichen. Das bedeutet, daß im Bereich geringerer elektrischer Schweißleistungen die Induktivität relativ hoch sein muß. Sie darf jedoch nicht zu hoch sein, weil sich sonst bei an sich guter Nahtausbildung das Zünden verschlechtert. Sie darf aber auch nicht zu niedrig eingestellt werden, weil sich sonst der Werkstoffübergang und die Nahtausbildung verschlechtern. Im Bereich hoher Schweißleistungen soll deshalb die Induktivität relativ gering sein.
• Durch den bekannten Stand der Technik ist grundsätzlich der Weg vorgezeichnet, hohe Schweißströme und -spannungen zu nutzen.
• Die Schweißgeschwindigkeiten sind entsprechend den bisher bekannten Erfahrungen nach oben durch die Stabilität des Lichtbogens, die Einhaltung des erforderlichen Einbrandes, die Stabilität des Schmelzbades, das z.B. bei Kehlnähten einseitig weglaufen kann, sowie durch Anforderungen an die äußere Nahtgeometrie begrenzt.
• Die Brennerstellung ist beim MIG/MAG-Schweißen im allgemeinen allseitig senkrecht, wobei beim Handschweißen eine seitliche Abweichung von 10⁰ bis 20⁰ üblich sind, um das Schweißbad beobachten zu können.
• Wird der Brenner gegen die Schweißrichtung angestellt, so wird dies als "stechende" Brennerstellung bezeichnet. Ist dagegen der Brenner in Schweißrichtung angestellt, also gegen die erzeugte Schweißnaht, so wird dies als "schleppende" Brennerstellung bezeichnet.
• Beim automatischen Schweißen wird hin und wieder mit leicht "stechender" Brennerstellung gearbeitet, beispielsweise bis etwa 20⁰, wobei sich hierdurch der Einbrand und die Nahtüberhöhung verringern. Vor stärkerer "stechender" Brennerstellung um 30⁰ bis 45⁰ wird wegen der Gefahr der Porenbildung infolge Injektion von Luft in die Schutzgasatmosphäre des Schmelzbades gewarnt (Baum, L., Fichter, V.: Der Schutzgasschweißer Teil II: MIG/MAG-Schweißen; Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf 1990, Seiten 61-63; Richtlinie DVS 0912, Teil 2, Deutscher Verband für Schweißtechnik e.V., Technischer Ausschuß, Arbeitsgruppe "Lichtbogenschweißen").
• Bei "schleppender" Brennerstellung ergeben sich ein tieferer Einbrand und schmale überhöhte Nähte (siehe DVS – Merkblatt 0932). Ein Grundziel beim MAG-Schweißen ist ein ausreichend tiefer Einbrand, so daß die "stechende" Brennerstellung nur begrenzt, d.h. mit geringer Abweichung aus der Senkrechten, anwendbar ist.
• Der Kontaktdüsenabstand wird beim MIG/MAG-Schweißen mit 8 bis 20 mm, z.T. auch mit 13 bis 19 mm (Baum, L., Fichter, V.: Der Schutzgasschweißer Teil II: MIG/MAG-Schweißen; Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf 1990, Seiten 44, 103 ff, 110 ff); Aichele, G.: Leistungskennwerte für Schweißen und Schneiden, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf, 1994, wobei dort auf den Seiten 75, 76 die Werte für einen Hochleistungslichtbogen angegeben sind und auch der T.I.M.E. Prozess erwähnt ist.) eingegrenzt, um einen stabilen Schweißprozeß zu gewährleisten. Ist der Kontaktdüsenabstand zu klein, verschlechtert sich die Beobachtbarkeit des Prozesses, erhöht sich die thermische und Spritzerbelastung der Düse sowie die Kollisionsgefahr mit dem Werkstück. Je größer der Kontaktdüsenabstand wird, desto größer wird die widerstandsbedingte Erwärmung des freien Drahtendes.
• Bei größeren Kontaktdüsenabständen verschlechtert sich der Gasschutz, die Stabilität der Drahtführung und damit des Schweißprozesses infolge der Erwärmung des langen freien Drahtendes und dessen damit verbundenen Wanderns bzw. Auslenkens sowie Wandern des Lichtbogens, insbesondere des Sprüh- oder Langlichtbogens. Beim Kurzlichtbogen verschlechtert sich in gleichem Sinne das Nahtbild durch die extreme Nahtüberhöhung und den zu geringen Einbrand.
• Aus dem Artikel von Bengtsson, P. und Trautims, N.: „Produktivität beim Metall-Aktivgasschweißen steigern – so geht es" in praktiker 8/93, Seiten 428-433 ist auch bekannt, dass eine Anpassung der Induktivität der Schweißstromquelle vorteilhaft sein kann.
• Der Schutzgasverbrauch beim MIG/MAG-Schweißen wird im Stand der Technik (Baum, L., Fichter, V.: Der Schutzgasschweißer Teil II: MIG/MAG-Schweißen; Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf 1990, Seite 65; Aichele, G.: 116 Arbeitsregeln für das Schutzgasschweißen, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf, 1993, Nr. 18; Aichele, G.: Leistungskennwerte für Schweißen und Schneiden, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf, 1994, Seite 75 ff) mit Werten zwischen 8 bis 16 1/min. angegeben, wobei die geringeren Verbräuche für die Anwendung geringer Schweißspannungen im Kurzlichtbogenbereich Gültigkeit haben. Die größeren Wert werden im Bereich des Sprühlichtbogens, d.h. bei größeren Schweißspannungen sowie der maximlen Kontaktrohrabstände genutzt, wobei vor der Anwendung von wesentlich darüber hinausgehenden Schutzgasverbräuchen und damit -strömungsgeschwindigkeiten gewarnt wird (Baum, L., Fichter, V.: Der Schutzgasschweißer Teil II: MIG/MAG-Schweißen; Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf 1990, Seite 122) wegen der Gefahr der Porenbildung infolge Injektion von Luft in die turbulenter werdende Schutzgasströmung.
• Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Stabilität des Lichtbogens und des Schmelzbades, insbesondere bei höheren elektrischen Schweißenergien bezogen auf den Drahtdurchmesser, erhöht und damit unter Gewährleistung der inneren und äußeren Nahtgeometrie höhere Schweißgeschwindigkeiten ermöglicht.
• Dies wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schweißprozeß mit einer für den Sprüh- oder Langlichtbogen üblichen hohen Schweißstromstärke I_s, einer für den Bereich des Kurzlichtbogens üblichen geringen Schweißspannung U_s mit Drahtdurchmessern zwischen 1,00 bis 1,6mm und Drahtvorschubgeschwindigkeiten von 10m/min bis 20m/min, einer unüblich hohen Induktivität bzw. stark begrenzten Stromanstiegsgeschwindigkeit trotz einer hohen Schweißleistung bei gleichzeitig stechender Anstellung des Brenners gegen die Schweißrichtung in einem Winkel zwischen 20° und 50°, der Einstellung eines Kontaktdüsenabstandes auf 20 bis 35 mm sowie eines Schutzgasverbrauchs auf 16 bis 30 1/min durchgeführt wird.
• Dabei wird die Schweißstromstärke I_s auf Werte zwischen 250 und 500 A eingestellt und die Schweißspannung U_s auf Werte zwischen 27 V und 37 V. Außerdem wird die Induktivität auf anlagenbezogene Maximalwerte eingestellt, wobei die Schweißenergie auf Werte zwischen 0,3 und 0,8 MJ/m eingestellt ist.
• In besonderer weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Massivdraht von 1,00 mm Durchmesser ein Schweißstrom I_s um 250 A, eine Schweißspannung U_s um 27 V und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit um 20 m/min eingestellt.
• Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht bei einem Massivdraht von 1,2 mm Durchmesser eine Schweißspannung U_s von 29 V, eine Schweißstromstärke I_s von 320 A und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit um 13 m/min vor. Für Massivdrähte mit einem Durchmesser von 1,6mm werden vorteilhafterweise Schweißspannungen U_s um 32 V, Schweißstromstärken I_s um 430 A mit einer Drahtvorschubgeschwindigkeit um 10 m/min gewählt.
• Ebensogut sind Fülldrähte mit einem Durchmesser von 1,6 mm für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar, bei dem dann eine Schweißspannung U_s um 30 V, eine Schweißstromstäre I_s um 370 A und eine Drahtvorschubgeschwindigkit um 13 m/min eingestellt wird.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf überraschend einfache, jedoch wirkungsvolle Weise die Schweißgeschwindigkeit für qualitativ hochwertige Schweißnähte erhöht. Im Zusammenspiel aller erfindungsgemäßen Merkmale entsteht eine neuartige MIG/MAG-Schweißprozeßvariante, die sich durch ansonsten im Vergleich zum Stand der Technik einander widersprechende, sogar ausschließende Merkmale auszeichnet, nämlich:
• 1. Die Anwendung hoher Schweißstromstärken, welche bisher für den Bereich des Sprüh- bzw. Langlichtbogens durchaus üblich sind, in Verbindung mit relativ geringen Schweißspannungen, welche bisher für den Bereich des Kurzlichtbogens üblich sind.
• 2. Die Anwendung relativ großer Induktivitäten im Schweißstromkreis trotz insgesamt hoher elektrischer Schweißenergie.
• 3. Die Anwendung fachunüblich großer definierter Kontaktrohrabstände in Verbindung mit der ebenfalls fachunüblich großen Brennerschrägstellung sowie der gleichfalls unüblich großen Schutzgasströmungsgeschwindigkeit im Lichtbogenbereich.
• Das Zusammenspiel aller dieser Merkmale, die einzeln den Schweißprozeß negativ beeinflussen, zeigt sich als überraschender Effekt eine kompensierende und den Schweißprozeß in Richtung höherer Schweißgeschwindigkeiten fördernde Gesamtwirkung.
• Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der an einem Ausführungsbeispiel in drei Varianten erläutert werden.
• Zum MAG-Schweißen einer Kehlnaht mit einer Dicke a=3,5mm an 10 mm starkem Stahlblech (wenn möglich Qualität angeben) in horizontaler Position wird mit einer Gleichstromquelle und dazugehörigem Drahtvorschubgerät und Brenner gearbeitet. Als Schutzgas wird ein Gemisch aus 82 % Ar und 18 % CO₂ verwendet mit einem voreingestellten Schutzgasverbrauch von 22 1/min. Es wird ein Massivdraht mit einem Durchmesser von 1,2 mm der deutschen Gütebezeichnung SG2 verwendet, wobei die Drahtvorschubgeschwindigkeit mit 13 m/min voreingestellt wird.
• Der Schweißbrenner wird mit 45⁰ sowohl zum T-Schweißstoß als auch mit 45⁰ "stechend" gegen die Schweißrichtung positioniert. An der Steuerung der Schweißstromquelle wird eine Schweißspannung U_s von 29 V, ein Schweißstrom I_s von 320 A sowie eine maximale Induktivität eingestellt.
• Nach dem Einschalten der Schweißenergie wird die mit 1,2 m/min voreingestellte Schweißgeschwindigkeit eingeschaltet und so nachfolgend die Schweißnaht hergestellt.
• In einer zweiten Verfahrensvariante wird anstelle des 1,2 mm dicken Massivdrahtes ein 1,6 mm dicker Fülldraht verwendet, der in Kombination mit 30 V Schweißspannung und 370 A Schweißstrom eine Schweißgeschwindigkeit von 13 m/min ermöglicht.
• In einer dritten Verfahrensvariante wird ein Schutzgas aus 92 % Ar und 8 % CO₂ oder 96 % Ar und 4 % CO₂ verwendet, womit bei jeweils gleichen Schweißleistungen der beiden erstgenannten Verfahrensvarianten glattere Nahtoberflächen mit geringerer Spritzer- und Schlackenbildung realisiert werden.

Claims (5)

1. MIG/MAG-Schweißverfahren mit erhöhter Schweißgeschwindigkeit für metallische Werkstoffe, insbesondere unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle sowie Aluminiumlegierungen, bei dem durch einen Lichtbogen ein zum Grundwerkstoff artgleicher Drahtzusatzwerkstoff und dieser in argonhaltiger Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen werden und bei dem der Brenner in einer stechenden Stellung gegen die Schweißrichtung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißprozess mit einer für den Sprüh- oder Langlichtbogen üblichen hohen Schweißstromstärke Is von 250 bis 500 A, einer für den Bereich des Kurzlichtbogens üblichen geringen Schweißspannung Us von 27 bis 37 V, mit Drahtdurchmessern zwischen 1,00 bis 1,6 mm und Drahtvorschubgeschwindigkeiten von 10 m/min bis 20 m/min, einer auf anlagenbezogene Maximalwerte eingestellten Induktivität zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit trotz einer auf Werte zwischen 0,3 und 0,8 MJ/m eingestellten Schweißenergie bei gleichzeitig stechender Anstellung des Brenners in einem Winkel zwischen 20° bis 50° gegen die Schweißrichtung, der Einstellung eines Kontaktdüsenabstandes auf 20 bis 35 mm sowie eines Schutzgasverbrauches auf 16 bis 30 1/min durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Massivdraht von 1,00 mm Durchmesser eine Schweißstromstärke Is um 250 A, eine Schweißspannung Us um 27 V und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit um 20 m/min eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Massivdraht von 1,2 mm Durchmesser eine Schweißstromstärke Is um 320 A, Schweißspannung Us um 29 V und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit um 13 m/min eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Massivdraht von 1,6 mm Durchmesser eines Schweißstromstärke Is um 430 A, eine Schweißspannung Us um 32 V und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit um 10 m/min eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Fülldraht von 1,6 mm Durchmesser eine Schweißstromstärke Is um 370 A, eine Schweißspannung Us um 30 V und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit um 13 m/min oder darunter eingestellt wird.