-
Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Metallen und Legierungen
mit abschmelzender Elektrode . Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Aluminium, Aluminiumlegierungen, korrosionsbeständigen
Stählen, dauerstandfesten Stählen, niedriglegierten Stählen, Nickel, Nickelstählen
oder Kohlenstoffstählen mit abschmelzender, negativ gepolter Metallelektrode.
-
Es ist bereits bekannt, einige der obengenannten Metalle oder Legierungen
mittels einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode sowie unter Anwendung einer
schützenden Argon- oder Heliumatmosphäre zu schweißen. Auch ist vorgeschlagen worden,
einige dieser Metalle unter Benutzung einer abschmelzenden Elektrode, die in ihrer
Zusammensetzung dem zu schweißenden Metall ähnelt, zu schweißen, indem der negative
Pol der Gleichstromquelle mit dem Schweißstück verbunden wird. Um zufriedenstellende
Schweißungen zu erzielen, werden atomare Gase von vorzugsweise nicht weniger als
99,5 % Reinheit empfohlen. Der
teilweise oder vollständige Ersatz
von Argon oder Helium durch andere Gase beim Schweißen mit einer nicht abschmelzenden
Wolframelektrode wurde für unzweckmäßig befunden, unter anderem auf Grund von häufig
raschem Verschleiß der Wolframelektrode, häufiger Porosität im geschweißten Metall
oder ebenfalls häufiger Unstabilität des Lichtbogens.
-
Das Verfahren nach der Erfindung betrifft das Schutzgas-Lichtbogenschweißen
von Aluminium, Aluminiumlegierungen, korrosionsbeständigen Stählen, dauerstandfesten
Stählen, niedrig legierten Stählen, Nickel, Nickelstählen oder Kohlenstoffstählen
mit abschmelzender, negativ gepolter Metallelektrode, gekennzeichnet, vorzugsweise
beim Schweißen senkrecht und über Kopf, durch die Kombination der Merkmale a) Verwendung
eines Schutzgasgemisches aus Argon mit 1/2 bis 8 Volumprozent Sauerstoff, b) Einhaltung
einer Schweißstromdichte von mehr als 388o A/cm2 Elektrodenquerschnitt, c) Wassergehalt
des Schutzgasgemisches niedriger als 2 Gramm Wasser pro ioo ms Schutzgas.
-
Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es insbesondere möglich,
den von dem Ende der Elektrode sich erstreckenden Sprühregen von zusammenhängenden
geschmolzenen Metallteilchen mit einer Kraft fortzuschleudern, die zur Überwindung
der Schwerkraft ausreicht, wodurch das Verfahren auch senkrechtes und Überkopfschweißen
bei hoher Schweißgeschwindigkeit und mit dem Ergebnis völlig gesunder Schweißnähte
gestattet, ohne den Schweißer allzusehr zu gefährden, während dagegen die bekannten
eingangs erwähnten Verfahren allenfalls genügen, um das geschmolzene Metall von
dem Ende eines horizontalen Schweißdrahtes gegen eine vertikale Schweißfläche zu
schleudern.
-
Für das Schweißen unter Schutzgas- sind zwar schon Versuche mit Zusätzen
von 5,2o und 300/0 Sauerstoff zum Schutzgas, namentlich zu Argon, druckschriftlich
geschildert worden, jedoch bezogen sich diese Schilderungen lediglich auf das Schweißen
von kaltgewalztem Stahl mit einer Weicheisenkomponente und nicht auf das Schweißen
anderer Stähle, geschweige denn Nickel, Nickellegierungen oder gar Aluminium und
Aluminiumlegierungen, wobei es sich überdies nur um wissenschaftliche Erkenntnisse
bezüglich günstiger Kraterbildung, der Eindringtiefe, der Diffusion von Abscheidungsmetall
in das Grundmetall und dergleichen Einzelheiten mehr handelte; mit alldem hat die
Aufgabenstellung der neuen Erfindung nichts zu tun. Die bekannten Vorschläge enthalten
nicht die genaue und genau umrissene Lehre nach der neuen Erfindung.
-
Für Aluminiumschweißungen ist zwar auch schon ein Schweißverfahren
mit Stromdichten von über 3880 AJcm2, für Kohlenstoffstahl ein solches von
über 17oo A/cm2 und für korrosionsbeständigen Stahl ein solches von über 25oo A/cm2
vorgeschlagen worden. Diese Vorschläge standen jedoch in keinerlei Zusammenhang
mit den Merkmalen a) und c) der neuen Erfindung und bezweckten auch nicht das Überkopf-
und Senkrechtschweißen bei erhöhten Schweißgeschwindigkeiten unter Gewährleistung
stets völlig gesunder Schweißraupen.
-
Es ist früher auch schon vorgeschlagen worden, Schutzgase in völlig
wasserfreiem Zustand anzuwenden, um dadurch den Einfluß des auf dem Wasser sich
sonst bildenden Sauerstoffes auf den flüssigen Werkstoff (Oxydation) auszuschalten.
Es war dort aber nicht angeregt und war auch keineswegs zu erwarten, daß die Verwendung
eines wasserfreien bzw. sehr wasserarmen Schutzgases auch dann vorteilhaft sein
könnte, wenn diesem Schutzgas bereits ein Sauerstoffgehalt von 1/2 bis 8,1/o. zugegeben
worden war.
-
Eine Literaturstelle, die sich ganz allgemein mit Lichtbogen-Schweißungen
von Leichtmetallen befaßt, schildert, daß manche dieser Metalle im flüssigen Zustand
sehr stark bereit seien, andere Stoffe zu zersetzen, so werde z. B. Wasser in seine
Bestandteile zerlegt, der Sauerstoff verbinde sich mit dem Metall, der Wasserstoff
bleibe in Form von Poren in der Schweißung. Aber auch dort findet sich nicht die
ausdrückliche Lehre, den Wassergehalt auf 2 g je ioo m3 Schutzgas zu begrenzen bzw.
noch zuzulassen.
-
Eine andere Literaturstelle betrifft die Schädlichkeit des Wasserstoffs,
der beim Schweißen von Eisenwerkstoffen insbesondere durch Zersetzung der Feuchtigkeitsniederschläge
an umhüllten Elektroden entsteht. Vom Schutzgas ist dort indessen überhaupt nicht
die Rede.
-
Durch das Verfahren nach der Erfindung werden noch eine Reihe weiterer,
zum Teil ebenfalls überraschender Vorteile erreicht, wie z. B. die praktisch völlige
Vermeidung von Porosität, vor allem bei mehrfacher Überlagerungsschweißung, die
Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit auf etwa das Doppelte des unter Anwendung von
reinem Argon Erreichbaren, eine erhebliche Verminderung der Hitze, welcher der Schweißer
ausgesetzt ist, kürzere Lichtbogen und entsprechend gesündere Schweißungen, höhereElektrodenvorschubgeschwindigkeiten
bei gleichem Schweißstrom mit Geschwindigkeitszunahmen von 2o bis 70'/0.
-
Die erfindungsgemäß einzuhaltende Trockenheit des Schutzgasgemisches
mit weniger als 2 g Wasserdampf auf ioo ms Gas hat die sehr vorteilhafte Wirkung,
daß das geschmolzene Metall, insbesondere Aluminium, gesund, vor allem nicht porös
ist.
-
Weitere Verbesserungen des Verfahrens nach der Erfindung, wie z. B.
durch Anwendung konstanter Lichtbogenspannung bei entsprechender Steuerung der V
orschubgeschwindigkeit, vorheriges Mischen der Schutzgasatmosphäre in einem Mischer
und ringförmige Führung des Gemischstromes durch die Düse und entlang der Elektrode,
ergeben sich aus den Lehren und Merkmalen der schematischen Zeichnungen sowie aus
der nachstehenden Beschreibung.
-
Der zwischen dem Ende einer blanken schmelzbaren Metallelektrode i2
und dem zu schweißenden Stück 14 gezogene Lichtbogen io wird von einer Gleichstromquelle
16 mit Strom versorgt. Der eine
Pol dieser Quelle ist mit dem Werkstück
1,4 mittels eines Leiters 20 verbunden, während der andere Pol über einen Leiter
18 mit einem Anschlußstück 22 eines Schweißbrenners oder einer Schweißpistole verbunden
ist. Das Anschlußstück 22 ist mit der hindurchlaufenden Elektrode 12 elektrisch
leitend verbunden. Ein gasförmiges Gemisch, das im wesentlichen Argon und bis zu
8 Volumprozent Sauerstoff enthält, wird der Düse 24 des Schweißbrenners über eine
Leitung 28 zugeleitet.
-
Die Schutzgasatmosphäre kann durch vorheriges Mischen erzeugt werden,
indem ein Mischer 26 über eine mit Regulierventil 34 versehene Leitung 32 mit handelsüblich
reinem Argon aus einem Behälter 30 versorgt wird, und dem Mischer ferner über eine
mit dem Regulierventil 40 versehene Leitung 38 Sauerstoff aus dem Behälter 36 zugeführt
wird. Das gewünschte Verhältnis Sauerstoff zu Argon wird durch Einstellung der Ventile
30 und 4o erzielt.
-
Das durch die Düse 24 geführte Sauerstoff-Argon-Gasgemisch fließt
in ringförmigem Strom entlang der und um die Elektrode 12 und schützt den Lichtbogen
sowie das angrenzende geschmolzene Metall gegen atmosphärische Verunreinigungen.
Die Schweißelektrode 12, die aus einem dem Schweißgut oder Werkstück ähnlichem Metall
besteht, wird mittels einer von einem Motor 48 angetriebenen Rolle q.6 von einem
Haspel 44 abgespult und dem Schweißbrenner nach Maßgabe des Ablaufs der Schweißung
zugeführt. Falls erwünscht, kann der Motor 48 in Abhängigkeit von Änderungen der
Schweißspannung automatisch gesteuert werden, damit die Elektrode so vorgeschoben
wird, daß die Länge des Lichtbogens konstant bleibt.
-
Fig.2 veranschaulicht einen von Hand bedienbaren Schweißbrenner 5o
bei einer Schweißung von unten her. Eine schmelzbare blanke Metallelektrode 52 wird
mittels einer von einem Motor 58 angetriebenen Elektrodenvorschubvorrichtung 56
von einem Vorratshaspel 54 abgespult; der Motor erhält seinen Strom über die Leiter
86. Die Elektrode 52 wird durch die Schweißpistole 5o gegen das Schweißgut oder
Werkstück 6o vorgeschoben, das aus einem Metall, ähnlich jenem des Drahtes 52, besteht.
Der Brenner wird über eine Leitung 64 mit einem Gemisch aus Sauerstoff und Argon
aus einer Flasche 62 versorgt. Das Gasgemisch befindet sich in der Flasche 62, zweckentsprechend
in komprimiertem Zustand, und seine Zusammensetzung liegt im weiter oben beschriebenen
Bereich. In der Gasleitung 64 ist ein Druckregler und Durchflußmesser 68 angeordnet.
Der Schweißbrenner 50 und das Werkstück 6o sind durch Leiter 72 und 74 mit
einer Gleichstromquelle, etwa einem Generator 70, verbunden. Zwischen dem Ende 76
der Elektrode und dem Werkstück 6o bildet sich ein Lichtbogen, wobei der Bogen und
das angrenzende Metall durch einen hüllenförmigen Strom des zuvor erwähnten Gasgemisches
gegen die Atmosphäre geschützt werden.
-
Die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode wird mittels der Spannungssteuereinrichtung
77 selbsttätig gesteuert, durch welche die Lichtbogenspannung innerhalb ±o,5 Volt
eines vorbestimmten Spannungswertes gehalten werden kann. Die Lichtbogenspannung
wird der Steuereinrichtung 77 über Leiter 78 und 8o zugeführt, die an das Werkstück
bzw. den Brenner angeschlossen sind, während die Steuereinrichtung 77 ihren Strom
über Leiter 82 erhält. Mit der Steuereinrichtung 77 ist ferner über Leiter 84 der
Drahtvorschubmotor 58 verbunden. Die gewünschte Lichtbogenspannung wird mittels
des Einstellknopfes 88 an der Steuereinrichtung 77 gewählt. Zum Vorschieben der
Elektrode 76 zum Werkstück 6o hin wird der Motor 58 entsprechend der Lichtbogenspannung
mit solcher Geschwindigkeit betrieben, daß diese Spannung im wesentlichen auf dem
gewählten Wert gehalten wird, wodurch wiederum die Länge des Bogens praktisch konstant
bleibt.
-
Das Schweißen von Aluminium mit dem Sauerstoff-Argon-Gasgemisch nach
der Erfindung bietet den Vorteil nahezu vollständiger Vermeidung von Porosität der
Schweißnähte, insbesondere bei mehrfacher Überlagerungsschweißung, und der Erhöhung
der Schweißgeschwindigkeit auf etwa das Doppelte des bei Anwendung von reinem Argon
Erreichbaren bei erheblicher Verminderung der Hitze, welcher der Schweißer ausgesetzt
ist. Beim Schweißen von Aluminium hat der dem Argon zugesetzte Sauerstoff auch die
günstige Wirkung, die Anwendung eines kürzeren Lichtbogens zu ermöglichen, wodurch
eine gesündere Schweißraupe erzielt wird. Die Geschwindigkeit einer von Hand ausgeführten
Aluminiumschweißung kann durch die Anwendung des Sauerstoff-Argon-Lichtbogenschutzgases
nach der Erfindung etwa um looo/o gesteigert werden.
-
Bei einem Brennerabstand (Elektrodenende-Werkstück) von 2,5 cm für
Aluminiumschweißung mit einer Drahtelektrode von 1,6 mm Durchmesser und einer Lichtbogenspannung
zwischen 23 und 27 Volt bei einem Schweißstrom zwischen 15o und 22o A ließen sich
gesunde Schweißungen mit einem trockenen Argon-Sauerstoff-Gasgemisch mit 2 bis 5
Volumprozent Sauerstoff und einer Durchflußmenge von 1,4 M3/h erzielen. Bei denselben
Bedingungen der Schweißung und einem Abstand von 1,3 cm begann das geschmolzene
Metall leicht zu spritzen; die Schweißgeschwindigkeit aber wurde um 9o oder Zoo
cm/min erhöht, ohne daß sich fehlerhafte Schweißungen ergaben. Bei denselben Schweißbedingungen,
jedoch mit einem Abstand Elektrodenende-Werkstück von 1,3 cm und mit einem Sauerstoff-Argon-Schutzgasgemisch
mit mehr als 7 Volumprozent Sauerstoff nahm das Spritzen bedenklich zu und die Oberfläche
des Schweißmetalls zeigte Oxydationserscheinungen.
-
Beim Schweißen von Aluminium mit Gleichstrom, dessen positiver Pol
mit dem Werkstück und dessen negativer Pol mit der Elektrode verbunden ist, wurde
gefunden, daß für eine Drahtelektrode mit 1,6 mm Durchmesser bei Anwendung von Vorschubgeschwindigkeiten
von mindestens 5 in/min und bei höheren Stromdichten als
388o A/cm2
die Beziehung zwischen Stromdichte und Elektrodenvorschub durch die folgende Gleichung
ausgedrückt werden kann:
wobei D die Stromdichte in jos A/cm2, B die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit
in m/min ist und C von -6,7 bis -r6,2 schwankt. Zwecks Verhütung von Oxydeinschlüssen
im abgeschiedenen geschmolzenen Aluminium ist es, wenn Elektroden von 1,6 mm Durchmesser
benutzt werden, erwünscht, eine Schweißgeschwindigkeit von etwa 13 m/min
oder einen Schweißstrom von 40o A nicht zu überschreiten.
-
Wird das Verfahren nach der Erfindung zum Schweißen von Kohlenstoffstählenoder
von niedriglegierten Stählen mit Gleichstrom angewendet und wird dabei das Werkstück
an den positiven Pol angeschlossen und wird weiter als Elektrode ein Kohlenstoffstahl-
oder ein niedriglegierter Stahldraht mit einem Durchmesser von 1,6 mm benutzt, so
kann die Beziehung zwischen Stromdichte und Elektrodenvorschubgeschwindigkeit bei
deren Werten von mindestens 5 m/min durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
B D= A ,
wobei D und B dieselben Begriffe wie oben bedeuten
und A von 1,5 bis 3,0 für Kohlenstoff- oder niedriglegierte Stähle und von
1,5 bis 2,o für korrosionsbeständige, z. B. rostfreie Stähle schwankt.
-
Zum Schweißen von korrosionsbeständigem Stahl ist die Anwendung eines
Verhältnisses von ungefähr 4 bis 8 Volumprozent Sauerstoff zu Argon vorzuziehen.
Beispielsweise ergab sich bei einer korrosionsbeständigen Stahldrahtelektrode mit
einem Durchmesser von 1,6 mm bei einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 8 m/min auf
einem o,6 mm starken Blech aus korrosionsbeständigem Stahl eine kontinuierliche
und glatte Schweißraupe. Unter den gleichen oder ähnlichen Schweißbedingungen, aber
nur mit reinem Argon als Schutzgas, ergab sich eine diskontinuierliche Schweißung
aus einzelnen, ungefähr 5 mm voneinander entfernten Schweißtropfen.
-
Im allgemeinen erlaubt die unvertauschte oder direkte Polarität mit
dem Sauerstoff-Argon-Gasgemisch, wie es oben beschrieben wird, die Anwendung höherer
Elektrodenvor.schubgeschwindigkeiten für den gleichen Schweißstrom, wobei die Geschwindigkeitszunahme
etwa 2o bis 700/0 gegenüber den Werten der bisher bekannten Verfahren der gasgeschützten
Lichtbogenschweißung beträgt und von den zu schweißenden Metallen und von der Zusammensetzung
des den Lichtbogen schützenden Gases abhängt.