DE68910048T2

DE68910048T2 - Schutzgasmetallichtbogenschweissverfahren mit feintropfigem Werkstoffübergang.

Info

Publication number: DE68910048T2
Application number: DE89308332T
Authority: DE
Inventors: Lawrence William Cherne; Nils Edward Larson; David Brian Leturno
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2009-08-17
Also published as: EP0356134B1; EP0356134A2; US4857692A; EP0356134A3; DE68910048D1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Metall-Schutzgasschweißen mit Sprühlichtbogen mit einer abschmelzenden Drahtelektrode, und genauer betrifft sie ein verbessertes Verfahren zum Metall-Schutzgasschweißen mit Lichtbogen, mit dem der Adschmelzbereich erweitert wird, über den Metall stabil im Axialsprühbetrieb abgelagert werden kann.
Metall-Schutzgasschweißen mit Lichtbogen, üblicherweise als "GMAW"- oder "MIG"- Schweißen bezeichnet, ist ein Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem der Lichtbogen durch ein Gas von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt wird. Metall wird durch den Lichtbogen von einer abschmelzenden Drahtelekrode auf ein Werkstück übertragen. Die abschmelzende Drahtelekrode wird kontinuierlich bei einer vorgewählten Geschwindigkeit entsprechend einer gegebenen Abschmelzmenge für eine gegebene Drahtstärke in den Lichtbogen geliefert. Die Betriebsart der Metallübertragung hängt von Betriebsparametern ab, wie z.B. der Schweißstromstärke, der Spannung, der Drahtstärke, der Drahtgeschwindigkeit, der freien Elektrodenlänge und der Zusammensetzung der Schutzgasabschirmung. Die bekannten Betriebsarten für Metallübergang beinhalten Kurzschluß, tropfenförmigen Werkstoffübergang, Axialsprühübergang, Impulssprühübergang und Axialsprühübergang mit rotierendem Lichtbogen. Fachleute sind mit diesen Begriffen und deren Bedeutungen vertraut. Der Kurzschluß-Metallübergang, der tropfenförmigen Metallübergang und die Impulssprühbetriebsarten für Metallübergang sind Verfahren mit niedrigeren Abschmelzmengen, bei denen Metall im allgemeinen bei Raten unterhalb etwa 4,54 kg/h (10 Pfund pro h (lbs/h)) abgelagert wird. Der Metallübergang im Axialsprühbetrieb mit rotierendem Lichtbogen ist ein Verfahren mit einer sehr hohen Abschmelzmenge, das instabil bei Metallabschmelzmengen unterhalb etwa 7,71 kg/h (17 lbs/h) ist, wobei Elekroden mit Drahtdurchmessern von 0,889 mm (0,035 inch) oder größer benutzt werden. Unterhalb dieser minimalen Metallabschmelzmenge wird der rotierende Lichtbogen unregelmäßig und/oder kann nicht aufrecht erhalten werden. Der Axialsprühbetrieb des Metallübergangs wird zum Abschmelzen von Metall bei Raten oberhalb der niedrigen Abschmelzmengen benutzt, die durch Kurzschluß, tropförmigen Werkstoffübergang oder Impulssprühbetriebsarten für Metallübergang erreicht werden, und unterhalb den sehr hohen Abschmelzmengen, die bei einem Axialsprühbetrieb mit rotierendem Lichtbogen erreicht werden.
US-A-4 749 841 offenbart ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Schutzgaszusammensetzung für gepulstes Lichtbogenschweißen. Es wird gesagt, daß die Metallabschmelzmenge bei verminderter Energiezufuhr bei gepulstem Lichtbogenschweißen mit einer abschmelzenden Elektrode und einem Schutzgasgemisch aus Argon, Helium und Kohlendioxid erhöht wird, wobei der Heliumgehalt im Bereich von etwa 16 % bis etwa 25 % liegt und der Kohlendioxidgehalt etwa 1 % bis 4 % beträgt. Die Komponentengase werden in getrennten Behältern bis zu dem Schweißvorgang gespeichert, bei dem genau bemessene Zuflußmengen von jedem der Gase durch ein Dosierventil eingekuppelt und in den Schweißbereich geleitet werden. Es wird gesagt, daß lückenlose Schweißnähte auf rostfreiem Stahl, niederlegierten Stählen und Nickelbasislegierungen als auch auf anderen schweißbaren Eisenmetallen erzeugt werden, auch während Zwangslagenschweißvorgängen.
Ein neuerer wesentlicher Fortschritt im Bereich des Metall-Schutzgas-Lichtbogenschweißens ist das in US-A-4 645 903 beschriebene und beanspruchte Verfahren, das ein stabiles Abschmelzen im Axialsprühbetrieb des Metallübergangs mit einer Rate von bis zu 11,34 kg/h (25 lbs/h) unter Verwendung eines Drahtdurchmessers im Bereich von 0,889 bis 1,321 mm (0,035 bis 0,052 inch) ermöglicht. Vor dem durch dieses Patent erzielten Fortschritt war der Axialsprühbetrieb des Metallübergangs auf eine Metallabschmelzmenge von 2,27 bis 5,44 kg/h (5 bis 12 lbs/h) bei Verwendung der zuvor erwähnten Drahtdurchmesser begrenzt. Oberhalb der maximalen Abschmelzmenge wird der Schweißvorgang fehlerhaft und weniger stabil, bis ein rotierender Lichtbogen eingerichtet wird, indem die Drahtzufuhrrate auf die für einen stabilen rotierenden Lichtbogen erforderliche minimale Abschmelzmenge erhöht wird.
Der Axialsprühbetrieb mit nicht rotierendem Lichtbogen für einen Metallübergang wird im allgemeinen als die bevorzugte Wahl des Metallübergangs für GMAW-Schweißen in allen Positionen betrachtet, bei dem Verläßlichkeit, Stabilität, hohe Qualität und zumindest eine relativ hohe Abschmelzmenge erforderlich ist. Bei dem Axialsprübetrieb des Metallübergangs werden feine Tröpfchen von schmelzflüssigem Metall von Ende eines sich bewegenden Drahtes abgeschnürt und axial durch die Lichtbogensäule zu dem Schweißbad geführt. Der Einschnüreffekt wird durch die elektromagnetische Kräfte auf die schmelzflüssige Spitze des Drahts bewirkt. Der rotierende Sprühlichtbogen wurde entwickelt, um den Betriebsabschmelzbereich für GMAW-Schweißen zu vergrößern. Im Rotationslichtbogenbetrieb des Metallübergangs wird der Lichtbogen physikalisch durch die elektromagnetischen Kräfte in einem wendelförmigen Muster um eine Längsachse gedreht. Wenn sich der Lichtbogen dreht wird ein gesteuerter Strom von Metalltröpfchen von der Elektrodenspitze auf das Schweißbad über eine relativ große Fläche übertragen. Der durch einen Axialsprühübergangsbetrieb mit nicht rotierendem Lichtbogen bewirkte Einbrand ist viel tiefer, und er ist leichter zu steuern als der, der durch den Rotationslichtbogenbetrieb bewirkt wird.
Es ist daher erwünscht, ein verbessertes Metall-Schutzgasschweißverfahren mit Sprühlichtbogen zu haben, und es ist insbesondere erwünscht ein verbessertes Metall-Schutzgasschweißverfahren mit Lichtbogen zu haben, das den Abschmelzbereich für Metallablagerung im Axialsprühbetrieb erweitern kann. Es wurde nun ermöglicht, solch ein verbessertes Metall-Schutzgasschweißverfahren mit Lichtbogen zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Metall-Schutzgasschweißen mit Sprühlichtbogen unter Verwendung einer abschmelzenden Drahtelektrode geschaffen, bei dem
(a) ein Lichtbogen zwischen der abschmelzenden Drahtelektrode und einem Werkstück ausgebildet wird;
(b) eine im wesentlichen konstante Lichtbogenspannung zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück aufrechterhalten wird;
(c) die abschmelzende Drahtelektrode durch ein Schweißbrenner-Kontaktrohr hindurch in den Lichtbogen eingebracht wird;
(d) Metall von der Elektrode zum Übergang auf das Werkstück gebracht wird; und
(e) der Lichtbogen mit einem Gasgemisch abgeschirmt wird, das aufweist:
(A) 3 bis 8 Vol.% Kohlendioxid;
(B) 30 bis 40 Vol.% Argon;
(C) Rest Helium.
Vorzugsweise hat die Elektrode einen Durchmesser von 0,584 bis 1,321 mm (0,023 bis 0,052 inch). Die Elektrode wird vorzugsweise in solchem Maße vorgeschoben, daß ein Übergang von bis zu 24,95 kg/h (55 Pfund pro h) Metall von der Elektrode auf das Werkstück ermöglicht wird.
Die Lichtbogenspannung beträgt vorzugsweise 24 bis 51 Volt.
Das Lichtbogenschweißen wird vorzugsweise im Axialsprühbetrieb ausgeführt.
Das Kontaktrohr wird vorzugsweise in einem Abstand von dem Werkstück gehalten, um eine freie Elektrodenlänge von 12,7 bis 38,1 mm (0,5 bis 1,5 inch) zu ermöglichen. Das Kontakt rohr ist vorzugsweise in dem Schweißbrenner zuruckgesetzt, wobei der Schweißbrenner eine Brennerkappe aufweist, die sich über das vordere Ende des Kontaktrohrs hinaus erstreckt, wobei die Zurücksetzung zweckmäßig mindestens 3,97 mm (5/32 inch) beträgt.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die und wie veranschaulicht in den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, ist jedoch in keiner Weise darauf begrenzt. In den beiliegenden Zeichnungen ist:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Systems, das für das Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Leistung bezüglich der Abschmelzmenge des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einsatz eines Drahts mit einem Durchmesser von 0,584 mm (0,023 inch) im Axialsprühbetrieb, und der Leistung bezüglich der Abschmelzmenge von anderen bekannten Verfahren;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Leistung bezüglich der Abschmelzmenge des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einsatz eines Drahts mit einem Durchmesser von 0,889 mm (0,035 inch) im Axialsprühbetrieb, und der Leistung bezüglich der Abschmelzmenge von anderen bekannten Verfahren; und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Leistung bezüglich der Abschmelzmenge des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einsatz eines Drahts mit einem Durchmesser von 1,143 mm (0,045 inch) im Axialsprühbetrieb, und der Leistung bezüglich der Abschmelzmenge von anderen bekannten Verfahren.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird in Fig. 1 eine abschmelzende Drahtelektrode 1 von einer Drahtrolle 12 durch eine Zufuhrrolle 14 durch ein Kontaktrohr 16 in einem Schutzgas-Lichtbogen-Schweißbrenner 2 gezogen. Die abschmelzende Drahtelektrode kann einen Durchmesser im Bereich von 0,584 bis 1,321 mm (0,023 bis 0,052 inch) haben; und sie kann aus jeder geeigneten Metallzusammensetzung bestehen, die für die spezielle Schweißanwendung geeignet ist. Beispiele geeigneter Metallzusammensetzungen beinhalten jegliche Drähte wie z.B. ER70S-3, -6-7 Metall-Schutzgaslichtbogen-Schweißdrähte, wie sie in der Veröffentlichung A5.18 der American Welding Society genannt sind.
Es kann jeder geeignete Schutzgasbrenner benutzt werden, um das Verfahren gemäß dieser Erfindung auszuführen. Ein solcher geeigneter Brenner ist der ST-16 Brenner, der von der L- Tec Corporation kommerziell erhältlich ist. Der Brenner kann entweder manuell betrieben oder mechanisiert sein.
Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform ist der Brenner 2 ein mechanisierter Brenner. Die Zufuhrrolle 14 wird von einem Antriebsmotor 3 angetrieben, der in einer Drahtzufuhreinheit 18 enthalten ist, die Draht mit den zum Erreichen gewünschter Abschmelzmengen erforderlichen Geschwindigkeiten zuführen kann. Eine kommerziell erhältliche Zufuhreinheit ist der von der L-Tec Corporation hergestellte "High Deposition Feeder", der bis zu etwa 50 Meter Draht pro Minute zuführen kann (2000 inch pro Minute (ipm)).
Um die Handhabung der Trägheit einer sich drehenden Drahtpackung zu unterstützen, ist es zweckmäßig, ein Freilaufbremssystem mit einer angleichenden Rückbrennschaltung einzusetzen, um zu verhindern, daß der Draht in dem Kontaktrohr nach Beendigung des Schweißvorgangs kleben bleibt.
Eine Stromversorgung 20 liefert Strom sowohl zu der Drahtzufuhreinheit 18 als auch zu dem Brenner 2. Die Stromversorgung 20 ist spannungsgesteuert und arbeitet mit einem konstanten Potential.
Bei Betrieb wird ein Lichtbogen 4 zwischen der abschmelzenden Elektrode 1 und dem Werkstück 5 eingerichtet, indem die Stromversorgung 20 in Betrieb genommen wird und die Elektrode in direkten Kontakt mit dem Werkstück gebracht wird. Die Lichtbogenspannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück wird während des Schweißvorgangs im wesentlichen konstant gehalten. Mit "im wesentlichen konstant" ist gemeint, daß die Lichtbogenspannung während des Schweißvorgangs nicht mehr als 5 Prozent von dem Sollwert abweicht. Der Sollwert der Lichtbogenspannung ist ein Wert, bei dem ein stabiler Lichtbogen erreicht wird. Für einem Draht mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,584 mm (0,023 inch) wird ein stabiler Lichtbogen mit einer Lichtbogenspannung zwischen 24 und 30 Volt erreicht, und für einen Draht mit einem Durchmesser von 0,889 bis 1,321 mm (0,035 bis 0,052 inch) wird ein stabiler Lichtbogen mit einer Lichtbogenspannung zwischen 35 und 51 Volt erreicht. Die abschmelzende Drahtelektrode wird durch das Schweißbrenner-Kontaktrohr 16 in den Lichtbogen geführt, und Metall wird von der Elektrode auf das Werkstück übertragen.
Die Elektrode 1 wird durch das Kontaktrohr 16 in den zwischen der Elektrode 1 und dem Werkstück 5 ausgebildeten Lichtbogen 4 eingebracht. Das Kontaktrohr 16 ist über den Brenner 2 mit der Stromversorgung 20 verbunden, um der Elektrode 1 Strom zuzuführen. Das Werkstück 5 ist ebenso wie die Erdung der Stromversorgung mit Masse verbunden. Vorzugsweise wird der Brenner 2 über das Werkstück 5 oder in einem Abstand zu diesem gehalten, um eine freie Elektrodenlänge oder einen Abstand x zwischen Brenner und Werkstück zu gewährleisten. Für eine Elektrode mit einem Durchmesser von 0,584 mm (0,023 inch) liegt die bevorzugte freie Elektrodenlänge im Bereich von 9,525 bis 19,05 mm (3/8 bis 3/4 inch), am stärksten bevorzugt beträgt sie etwa 15,875 mm (5/8 inch), und für eine Elektrode mit einem Durchmesser von 0,889 bis 1,321 mm (0,035 bis 0,052 inch) liegt die bevorzugte freie Elektrodenlänge im Bereich von 19,05 bis 38,1 mm (3/4 bis 1 1/2 inch), wobei sie am starksten bevorzugt etwa 25,4 mm (1 inch) beträgt.
Der Lichtbogen wird von der Umgebungsatmosphäre durch ein Gasgemisch abgeschirmt, bestehend aus
(A) 3 bis 8 Vol.% Kohlendioxid;
(B) 30 bis 40 Vol.% Argon;
(C) Rest Helium.
Wieder unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird das bei der vorliegenden Erfindung zweckmäßige Schutzgasgemisch in einem Gesmischer 22 hergestellt, der die Komponentengase von Gasflaschen 24, 25 und 26 erhält. Zum Beispiel kann die Gasflasche 24 Argon enthalten, die Gasflasche 25 kann Kohlendioxid enthalten und die Gesflasche 26 kann Helium enthalten. Jeder andere geeignete Gesspeicherbehälter, wie z.B. ein Speichertank kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls eingesetzt werden. Der Gasmischer 22 kann jeder konventionelle Gasmischer sein, der so eingestellt werden kann, daß das entsprechende Gas von jeder Gasquelle dosiert wird, um das für die vorliegende Erfindung zweckmäßige Gasgemisch zu erhalten.
Das bei der vorliegenden Erfindung zweckmäßige Schutzgasgemisch wird dann über eine Leitungsanordnung zu Brenner 2 und durch der Raum 27 zwischen dem Kontaktrohr 16 und der Brennerkappe 28 geleitet, so daß es eine Ummantelung zum Abschirmen des Lichtbogens 4 gegen die Umgebungsatmosphäre bildet. Die Brennerkappe 28 erstreckt sich vorzugsweise über das vordere Ende 17 des Kontaktrohrs 16 hinaus, so daß das Kontaktrohr innerhalb der Brennerkappe um einen Abstand y zurückgesetzt wird. Vorzugsweise beträgt der Abstand y mindestens 3,97 mm (5/32 inch).
Bisher erforderte das Vermögen des Erreichens hoher Abschmelzmengen mit Stabilität einen Betrieb im Sprühlichtbogen-Rotationsbetrieb. Die Fig. 2, 3 und 4 sind graphische Darstellungen der stabilen Abschmelzbereiche für Drähte mit Durchmessern von 0,584, 0,889 bzw. 1,143 mm (0,023, 0,035 bzw. 0,045 inch). In den Fig. 2, 3 und 4 können die in lbs/h gezeigten Mengen durch Multiplikation mit 0,454 in kg/h umgerechnet werden, und die Mengen in inch/min können durch Multiplikation mit 25,4 in mm/min umgerechnet werden. Die Kurve A repräsentiert den Stabilitätsbereich für konventionelles Metall-Schutzgasschweißen mit Lichtbogen, die Kurve C repräsentiert den Stabilitätsbereich für Metall-Schutzgasschweißen mit Lichtbogen im Sprühlichtbogen-Rotationsbetrieb, und die Kurve D repräsentiert den Stabilitätsbereich für das Metall-Schutzgasschweißverfahren mit Lichtbogen gemäß dieser Erfindung im Sprühlichtbogen-Axialbetrieb. In den Fig. 3 und 4 repräsentiert die zusätzliche Kurve B den Stabilitätsbereich des in US-A-4 645 903 offenbarten und beanspruchten verbesserten Metall-Schutzgasschweißverfahrens mit Lichtbogen im Sprühlichtbogen-Axialbetrieb. Die zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung und zum Erzeugen der in den Fig. 2 bis 4 dargelegten Werte benutzte Schutzgaszusammensetzung bestand aus 61 Vol.% Helium, 35 Vol.% Argon und 4 Vol.% Kohlendioxid. Für die veranschaulichten Durchmesser wurden Messungen der Abschmelzmenge für einen großen Bereich von Drahtzufuhrgeschwindigkeiten vorgenommen, über den ein stabiles Axialsprühen erzielt wurde.
Wie aus den Kurven der Fig. 2, 3 und 4 ersichtlich ist, ermöglicht das Metall-Schutzgasschweißverfahren mit Lichtbogen gemäß dieser Erfindung eine stabile Abschmelzmenge im Axialsprühbetrieb von bis zu etwa 6,80 kg/h (15 lbs)h) für eine Elektrode mit einem Durchmesser von 0,584 mm (0,023 inch), und für Elektroden mit einem Durchmesser von 0,889 mm und von 1,143 mm (0,035 inch und 0,045 inch) ermöglichte es erheblich erhöhte, stabile Abschmelzmengen im Axialsprühbetrieb, die höher als die von anderen Metall-Schutzgasschweißverfahren mit Lichtbogen sogar im Sprühlichtbogen-Rotationsbetrieb waren.
Nun kann durch den Gebrauch des Verfahrens und des Gasgemisches gemäß der vorliegenden Erfindung Metall-Schutzgasschweißen mit Spruhlichtbogen in einer verbesserten Weise ausgeführt werden. Insbesondere kann Metall-Schutzgasschweißen mit Lichtbogen im bevorzugten Sprühlichtbogen-Axialbetrieb bei einer höheren stabilen Abschmelzmenge ausgeführt werden, als es bisher mit anderen bekannten Metall-Schutzgasschweißverfahren mit Lichtbogen möglich war.

Claims

1. Verfahren zum Metall-Schutzgasschweißen mit Sprühlichtbogen unter Verwendung einer abschmelzenden Drahtelektrode, bei dem

(a) ein Lichtbogen zwischen der abschmelzenden Drahtelektrode und einem Werkstück ausgebildet wird;

(b) eine im wesentlichen konstante Lichtbogenspannung zwischen der Drahtelektrode und dem Werkstück aufrechterhalten wird;

(c) die abschmelzende Drahtelektrode durch ein Schweißbrenner-Kontaktrohr hindurch in den Lichtbogen eingebracht wird;

(d) Metall von der Elektrode zum Übergang auf das Werkstück gebracht wird; und

(e) der Lichtbogen mit einem Gasgemisch abgeschirmt wird, das aufweist:

(A) 3 bis 8 Vol.% Kohlendioxid;

(B) 30 bis 40 Vol.% Argon;

(C) Resthelium.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Elektrode einen Durchmesser im Bereich von 0,584 bis 1,321 mm (0,023 bis 0,052 inch) hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Drahtelektrode in solchem Maße vorgeschoben wird, daß der Übergang von bis zu 24,95 kg/h (55 Pfund pro h) Metall von der Elektrode auf das Werkstück ermöglicht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtbogenspannung im Bereich von 24 bis 51 Volt liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Metall-Schutzgasschweißen mit Sprühlichtbogen im Axialsprühbetrieb durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Kontaktrohr in einem Abstand von dem Werkstück gehalten wird, um eine freie Elektrodenlänge von 12,7 bis 38,1 mm (0,5 bis 1,5 inch) zu ermöglichen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Kontaktrohr in dem Schweißbrenner zurückgesetzt ist, wobei der Schweißbrenner eine Brennerkappe aufweist, die sich über das vordere Ende des Kontaktrohrs hinaus erstreckt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zurücksetzung mindestens 3,97 mm (5/32 inch) beträgt.