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Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen in kohlensäurehaltiger
Atmosphäre mit abschmelzender Drahtelektrode Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen an im wesentlichen aus Eisen bestehenden
Werkstücken unter Anwendung einer dünnen, nicht umhüllten, abschmelzenden Drahtelektrode
in einem kohlensäurehaltigen Schutzgas. Es wurde schon vorgeschlagen, bei solchen
Verfahren verschiedene Gasmischungen als Schutzatmosphäre, z. B. Mischungen von
Kohlensäure mit Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen, zu verwenden.
Die damit erhaltenen Schweißen sind aber meistens nicht einheitlich, und die Gasmischungen
können zu Explosionen und Vergiftung führen und werden daher gar nicht oder nur
ausnahmsweise verwendet. Wird hingegen ein solches Verfahren in einer Schutzatmosphäre
aus reiner oder fast reiner Kohlensäure zur Schweißung von nicht oder nicht vollständig
desoxydierten Eisenwerkstücken unter Verwendung eines mindestens 0,3% Mangan und
0,3% eines anderen desoxydierenden Metalls enthaltenden Eisendrahtes durchgeführt,
so treten diese Nachteile nicht auf. Es wurde vielmehr gerade gefunden, daß bei
Verwendung eines Schutzgases, das aus reinem oder nahezu reinem Kohlendioxyd besteht,
unerwartete und neue Vorteile beim Schweißen einer nicht vorbearbeiteten stumpfen
I-Naht erzielt werden können.
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Eine »nicht vorbearbeitete stumpfe I-Naht« ist die in der Schweißtechnik
übliche Bezeichnung für eine mit Schweißmetall auszufüllende Naht zwischen zwei
Teilen eines Werkstückes, meistens Platten, mit annähernd parallelen Wänden. Eine
solche Naht wird in der Schweißtechnik wegen der niedrigen Vorbearbeitungskosten
vorzugsweise angewandt.
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Beim Schweißen einer nicht vorbearbeiteten stumpfen I-Naht unter Anwendung
einer dünnen, nicht umhüllten, kontinuierlich der Schweißstelle zugeführten Metallelektrode
wird das Schweißdrahtende, an dem der Schweißbogen gezündet wird, gewöhnlich oberhalb
der Naht gehalten und an ihr entlang bewegt, wodurch der Lichtbogen das Metall des
Werkstückes bis zu einigen Millimetern unterhalb der Werkstückoberfläche schmelzen
und darauf zusammenfließen läßt. Diese Verfahren lassen sich jedoch nur durchführen,
solange der Einbrand einen Wert von etwa 6 mm nicht zu überschreiten braucht. Für
tiefere Nähte wird daher eine Vorbearbeitung durchgeführt, wobei die Naht einen
bestimmten, gewöhnlich V-förmigen Querschnitt annimmt, worauf die Naht, meistens
durch Niederschmelzen mehrer Schweißmetallschichten aufeinander, ausgefüllt wird.
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Bei anderen Verfahren, die gewöhnlich mittels umhüllter Elektroden
durch Handschweißen durchgeführt werden, wird eine breite, auf der unteren Seite
durch eine Unterlage verschlossene Naht mit Schweißmetall dadurch ausgefüllt, daß
schichtweise Schweißmetall niedergeschmolzen wird, wobei die Elektrode in der Naht
gehalten wird. Diese Verfahren sind unwirtschaftlich, da die Ausfüllung der breiten
Naht eine große Metallmenge erfordert, das Niederschmelzen in Schichten viel Zeit
beansprucht und der Stromverbrauch hoch ist.
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Gemäß der Erfindung wird in bekannter Anwendung von nahezu reiner
Kohlensäure als Schutzgas eine auf der unteren Seite verschlossene, stumpfe I-Naht,
deren Tiefe mindestens 7 mm beträgt und deren Breite nur wenig größer als der Durchmesser
des Schweißdrahtes ist, mit Schweißmetall ausgefüllt, derart, daß bei kontinuierlichem
Elektrodenvorschub in Lichtbogen- und in Schweißrichtung die Naht bis zu einem Pegel
mit Schweißmetall ausgefüllt wird, der höher als das abzuschmelzende Drahtende liegt.
Es hat sich bei dem Verfahren nach der Erfindung ergeben, daß in der schmalen Naht
ein Kurzschluß zwischen dem Schweißdraht und dem Werkstück nicht zu befürchten ist,
da die Wärmestrahlung des Lichtbogens das Werkstückmetall an den angrenzenden Kantenflächen
schmilzt, ehe eine Berührung stattfinden kann.
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Die bei dem Verfahren nach der Erfindung anzuwendende Zuführungsgeschwindigkeit
für den Draht hängt im wesentlichen von der Wahl des Drahtdurchmessers, der anzuwendenden
Stromstärke und den Abmessungen der Naht ab. Diese Geschwindigkeit ist stets größer
als bei dem bekannten ähnlichen Verfahren, wobei der Lichtbogen an der Oberfläche
des
Werkstückes brennt, während die Bogenspannung beim Verfahren
nach der Erfindung stets niedriger als bei diesem ähnlichen Verfahren ist. Man kann
die Geschwindigkeit der Drahtzufuhr auf den erforderlichen Wert z. B. dadurch einstellen,
daß zunächst das Drahtende mit der oberen Oberfläche des Werkstückes in Berührung
gebracht und sodann die Geschwindigkeit der Drahtzufuhr erhöht wird, wobei die Bogenspannung
sich verringert.
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Bei Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zum Ausfüllen einer
Naht mit einer-Tiefe von 7 bis 9 mm wird das Schweißdrahtende nur in einer geringen
Tiefe in der Naht gehalten.
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Soll jedoch eine tiefere Naht, z. B. mit einer Tiefe von 13 mm und
mehr, gemäß der Erfindung durch einen einmaligen Schweißvorgang ausgefüllt werden,
so wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Schweißdrahtende
gewöhnlich mindestens um ein Viertel der Nahttiefe hineingeführt, was dadurch eingestellt
werden kann, daß die Geschwindigkeit der Drahtzufuhr entsprechend einer Verringerung
der Bogenspannung um 2 bis 3 V vergrößert wird, nachdem das Schweißdrahtende mit
der oberen Seite Naht in Berührung gebracht worden ist.
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Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ermöglicht, starke
Platten, z. B. mit einer Stärke von 13 mm, durch einen einmaligen Schweißvorgang
miteinander zu verbinden, wobei der Verbrauch an Schweißmetall und an elektrischem
Strom niedrig und die zum Schweißen benötigte Zeit im Vergleich zu anderen Schweißverfahren
kurz ist.
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Der niedrige Stromverbrauch ist wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen,
daß die Bogenwärme nahezu vollständig von den Nahtwänden aufgenommen wird, und auf
die Ausnützung der Wärme beim einmaligen Schweißvorgang zum Ausfüllen der Naht.
Ein zusätzlicher Vorteil ist die geringe Ausstrahlung störenden Lichtes.
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Es hat sich ergeben, daß, wenn als Schutzgas z. B. Argon verwendet
wird und das Schweißdrahtende in der Achse einer verhältnismäßig schmalen Naht gehalten
werden soll, eine poröse Schweiße entsteht, die häufig nicht vollständig mit dem
Metall des Werkstückes verschmilzt. Auch andere Schweißverfahren, z. B. das Verfahren,
bei dem anstatt eines Schutzgases ein schlackenbildendes Pulver in die Naht eingeführt
wird, schaffen nicht die Möglichkeit, gemäß der Erfindung eine Naht auszufüllen.
Wahrscheinlich ist diese Möglichkeit auf die Tatsache zurückzuführen, daß bei einem
Verfahren, bei dem das den Lichtbogen tragende Schweißdrahtende in einer Kohlensäureatmosphäre
gehalten wird, die Schweißmetalltropfen am Schweißdrahtende kräftig seitwärts in
Richtung der bereits erzeugten Schweiße geschleudert werden, wo sie den Pegel des
niedergeschmolzenen Metalls bedeutend erhöhen. Eine Erniedrigung dieses Pegels wird
wahrscheinlich durch einen Strom des durch den Bogen erhitzten Schutzgases verhindert,
der an dieser Stelle aus der Naht aufsteigt.
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Das seitliche Wegschleudern der Schweißmetalltropfen ist auch die
Ursache dafür, daß die Wärme des Schweißbogens weniger gestreut wird und somit einen
tieferen Einbrand hervorruft als bei Anwendung von z. B. Argon als Hilfsgas, wobei
die Metalltropfen in der Bogenrichtung weggeschleudert werden.
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Bei der Verbindung von Platten u. dgl. gemäß dem Verfahren nach der
Erfindung ist es zu bevorzugen, die Naht auf der unteren Seite mittels einer Unterlage,
z. B. eines Kupfer- oder Eisenstreifens, zu verschließen, da in diesem Falle das
Werkstück nicht umgekehrt zu werden braucht, weil nur auf einer Seite geschweißt
wird.
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Man kann jedoch auch die Naht auf einer Seite mit einer Schweißraupe
verschließen, die hier als Überbrückungsschweiße bezeichnet wird und unter Anwendung
eines schwachen Schweißstromes gebildet wird, um ein Wegfließen von flüssigem Metall
zu verhüten.
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Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Querschnittes der Naht und der Schweiße
während des Schweißvorgangs nach der Erfindung; Fig. 2 und 3 zeigen einen Schnitt
durch eine Schweißnaht, die durch das Verfahren nach der Erfindung gefertigt ist,
wobei nach Fig. 2 die Naht auf der unteren Seite durch eine Kupferplatte verschlossen
ist, während nach Fig.3 eine Überbrückungsschweiße zum Verschließen der Naht verwendet
ist.
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In Fig. 1 ist mit 1 die Schweißmetall ausfüllende Naht bezeichnet;
2 bezeichnet einen Schnitt durch die hergestellte Schweißnaht; ein starker Kupferstreifen
3 verschließt die Naht auf der unteren Seite derart, daß das flüssige Metall nicht
wegfließen kann. Der Schweißdraht 4, an dessen Ende 5 ein Lichtbogen gezündet ist,
wird während des Schweißvorganges in der Richtung des Pfeiles bewegt. Die Geschwindigkeit,
mit der der Schweißdraht verbraucht wird, wird derart geregelt, daß das Ende 5 stets
tiefer als der Schweißmetallpegel dahinter in der Naht gehalten wird. Die Geschwindigkeit
der Bewegung des Drahtendes in der Pfeilrichtung ist gewöhnlich etwas geringer als
die Geschwindigkeit, bei der das pro Zeiteinheit zugeführte Drahtvolumen gleich
dem Volumen des Nahtabschnittes ist, an dem das Ende 5 sich in der Zeiteinheit entlang
bewegt hat. Aus einem Mundstück strömt Kohlensäuregas, das durch Verdampfung unter
Druck aufbewahrter flüssiger Kohlensäure erhalten wird. Das durch die gestrichelten
Linien umrahmte Gebiet 7 deutet flüssiges Schweißmetall an.
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In den Fig. 2 und 3 sind mit 10 und 11 die beiden Werkstückteile bezeichnet;
12 bezeichnet die diese Teile verbindende Schweiße. Die Schweiße 12 läßt sich auf
bekannte Weise in einem Schnitt durch das Werkstück sichtbar machen, etwa indem
sie durch geeignete Flüssigkeiten geätzt wird. Die Schweiße 12 wird durch die im
wesentlichen senkrechten Schmelzlinien 13 und 14 begrenzt, und in Fig. 3 deutet
die annähernd waagerechte Schmelzlinie 15 die Grenze zwischen dem Teil 16 der Schweiße
12, die als Überbrückungsschweiße dient, und dem Teil 17 an, der gemäß dem Hauptverfahren
der Erfindung hergestellt ist. Durch gestrichelte Linien ist die ursprüngliche Nahtform
angedeutet.
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Nachstehend werden geeignete Ausführungsmöglichkeiten des Verfahrens
beschrieben.
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I. Eine nicht vorbearbeitete stumpfe Naht mit einer Breite von 3 mm
zwischen zwei je 13 mm starken Eisenplatten, die auf der unteren Seite durch einen
Kupferstreifen mit einer Stärke von 6 mm verschlossen ist, wird gemäß dem Verfahren
nach der Erfindung mittels eines 2 mm starken Drahtes unter Anwendung von Gleichstrom
von 500 A mit Schweißmetall ausgefüllt, wobei der Schweißdraht an den Pluspol angeschlossen
ist. Bei diesem Strom beträgt die Drahtzufuhr 5 m/min, und das Schweißdrahtende
wird mit einer Geschwindigkeit von 35 cm pro Minute durch die Naht bewegt. Während
des Schweißvorganges werden der Schweißstelle 201 Kohlensäure pro Minute zugeführt.
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Um eine Schweiße guter Qualität herzustellen, wird ein Schweißdraht
verwendet, der aus Eisen besteht,
das mit 1% Mangan, 0,6% Silicium
und 0,2% Titan legiert ist, aber auch andere Schweißdrähte sind verwendbar.
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1I. Zwei Platten mit einer Stärke von 20 mm werden derart angeordnet,
daß eine nicht vorbearbeitete stumpfe Naht mit einer Breite von 4 mm gebildet wird.
Diese Nahtfuge wird von der .Wurzelseite her durch eine Schweiße überbrückt, darauf
wird das Werkstück umgedreht, und gemäß Beispiel I wird die Naht ausgefüllt, mit
dem Unterschied jedoch, daß die Führungsgeschwindigkeit 26 cm/min beträgt.
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Andere Ausführungsbeispiele werden durch nachfolgende Zahlen gekennzeichnet.
| Schweißdraht Naht- Strom- Schweißdraht- Führungs- |
| Tiefe breite stärke zufuhr- geschwindigkeit |
| Durchmesser geschwindigkeit |
| 1, 2 mm S mm 2 mm 290 A 12 m/min 55 cm/min |
| 1. 6 mm 10 mm 2 mm 430 A 8 m/min 50 cm/min |
| 2, 5 mm 20 mm 4 mm 700 A 5 m/min 25 cm/min |
Der Durchmesser des Schweißdrahtes darf nicht kleiner als etwa 1 mm sein, aber auch
das Schweißen mit Drähten von mehr als 3 mm bringt Schwierigkeiten mit sich. Die
Breite der Naht wird gewöhnlich klein gehalten, d. h. 0,3 bis 3 mm breiter als der
Durchmesser des Schweißdrahtes, wobei die großen Breiten im wesentlichen nur bei
tiefen Nähten in Frage kommen.
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Die günstigste Stromstärke beträgt 130 bis 260 A pro mm2 Drahtquerschnitt,
wobei die höheren Werte sich besser für die dünnen Drähte mit einem Durchmesser
von 1 bis 2 mm und die niedrigeren Werte sich besser für Drähte mit einem Durchmesser
von 2 bis 3 mm eignen.
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Die geeignete Führungsgeschwindigkeit beträgt 15 bis 80 cm/min.