DE3432087A1

DE3432087A1 - Metall-lichtbogen-schweissverfahren unter schutzgas

Info

Publication number: DE3432087A1
Application number: DE19843432087
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Boulogne-Billancourt Lebel
Original assignee: Performance Process International Ppi
Current assignee: Performance Process International Ppi
Priority date: 1983-09-01
Filing date: 1984-08-28
Publication date: 1985-03-21
Also published as: NL8402640A; SE8404314D0; GB8422013D0; US4529863A; BE900422A; FR2551377A1; IT1179086B; JPS6072679A; GB2148165A; BR8404284A; IT8467862A0; SE8404314L; GB2148165B; CA1216637A

Description

Hetall-Lichtboqen-Schweißverfahren unter Schutzgas Die Erfindung betriff ein weiterentwickeltes Verfahren

des Lichtbogenschweißens unter Schutzgas, das sich insbesonzum Schweißen in der nichtflachen Stellung eignet, obgleich es auch beim Flachschweißen verwendet werden kann. Das Verfahren betrifft dabei insbesondere die Verwendung eines Schutzgase*gemisches aus vier Gasen, und zwar aus Argon und Helium sowie geringfügigen Mengen Kohlendioxid und Sauerstoff. Das Schweißen geschieht kontinuierlich mittels eines Schweißbrenners unter Verwendung einer abschmelzenden Drahtelektrode.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein verbessertes Gasgemisch aus vier Gasen in Verbindung mit einem Schweißverfahren unter Verwendung einer abschmelzbaren Drahtelektrode, wie es von John G. Church erfunden und in der US-Patentschrift Nr. A04 722 am . 3. August 1982 veröffentlicht wurde. Der allgemeine Grundgedanke der Verwendung eines Viergas-Gemischs war bekannt und wurde beispielhalber in den folgenden Patenten verwendet: US-PS 3 139 506, 2 907 866 und 2 946 847.

Im Gegensatz zu diesen bekannten Gasmischungen richtet das Verfahren nach Church sein Hauptaugenmerk auf spezifische Formulierungsbereiche derartiger Gasgemische, bei denen sich ungewöhnliche und unerwartete Schweißwirkungen herausgestellt haben. Unter diesen Wirkungen sind von Bedeutung die hohen Schmelzraten mit entsprechend ungewöhnlich hohen Auftragungsraten gegenüber den bekannten Verfahren. Dabei haben sich die Schweißungen im Hinblick auf Schweißraupenform, Durchdringung, Gleichförmigkeit, mechanische Eigenschaften wie Widerstandsfähigkeit gegen Sprödbruch, günstiges Gefüge, geringere Porosität und ähnliches als von besserer Qualität erwiesen.

Im bekannten Church-Verfahren wurde eine in der US-PS 349 141 am 16. Februar 1982 offenbarte Schweißpistole verwendet. Dabei wird eine Abschmelzelektrode verwendet, die durch eine röhrenförmige Kontaktspitze, die von einer röhrenförmigen Düse umgeben ist, nachgeschoben wird. Das freie Ende der Kontaktspitze ist in der Düse erheblich vertieft, so daß es zu einer ungewöhnlich langen Elektrodenverlängerung oder Elektroden"vorstand" aus der Kontaktspitze zum Elektrodenende hin kommt, wo der Lichtbogen entsteht. Etwa die Hälfte der Elektrodenverlängerung sitz vertieft in der Düse, die sie umhüllt. Das Schutzgas umströmt die Spitze und die Elektrodenverlängerung und durchläuft die Düse in allgemeiner längsverlaufender lminarer Strömung. Durch ein externes Kühlungsmittelleitsystem, das das der Elektrodenverlängerung gegenüberliegende Ende der Schweißpistole umgibt, erfährt die Kontaktspitze eine kräftige Kühlung.

Dem Stand der Technik sind Schweißbrenner zum Gas-Lichtbogenschweißen mit Abschmelzelektrode bekannt. Beispiele' derartiger Schweißbrenner oder -pistolen werden in den US-PS 3 283 121, 3 469 070 und 1 094-008 offenbart. Diese Offenbarungen zeigen unterschiedliche Pistolenkonstruktionen, bei denen um die Kontaktspitze strömendes Schutzgas verwendet wird, das Innere der Düsen unterschiedlich·'ausgestaltet ist und verschiedene Mittel zum Kü"hlen der Pistole angewendet werden.

Nach dem Church-Verfahren werden große Tropfen der Schmelze aufgetragen, die sich am Ende der Elektrode

bilden und im freien Fall oder freien Flug abgehen, d.h. daß sich durch Anlegen an die Elektrode eines ausreichend großen elektrischen Stroms am Ende der Elektrode, d.h. am Lichtbogenspalt, hintereinander große Tropfen aus Schmelzmaterial bilden. Diese Tropfen gehen von der Elektrode ab und fallen, hauptsächlich durch die Wirkung der Schwerkraft in das Schmelzbad oder die Auftragung.

Die Überführung im freien Fluge ist im allgemeinen auf die Schweißung in flacher Stellung begrenzt, d.h. auf eine Schweißung, bei dem der Lichtbogenspalt unter dem Elektrodenende liegt. Obgleich ein wesentlicher Teil der großtechnischen Schweißarbeiten in flacher Stellung als Flachschweißungen durchgeführt werden, besteht ein Bedarf, das Churchverfahren auch für Schweißungen in allen Stellungen umzugestalten und anzupassen, so daß insbesondere auch Überkopfschweißungen durchgeführt werden können.

Das erfindungsgemäße Metall-Lichtbogen-Schweißverfahren unter Schutzgas ist insbesondere anwendbar für Schweißarbeiten, die in der nichtflachen Stellung, d.h. in der senkrechten, geneigten oder Uberkopfstellung durchgeführt werden, wobei dieses verfahren aber auch zum Flachschweißen geeignet ist. Es hat sich herausgestellt, daß durch eine Zusammenstellung oder Kombination aus einem Vier-Gas-Gemisch mit einer Abschmelzelektrode, ununterbrochener Zufuhr der Elektrode und einer bestimmten Ausgestaltung der Schweißpistole, bei der es zu einer allgemein laminaren Gasströmung längs der Eletroden-.achse kommt, eine vorgeheizte Elektrodenverlängerung als heraustretendes Teil vorgesehen ist und bei der die Kontaktspitze, durch die die Elektrrode hindurchgeht, gekühlt wird, eine im wesentlichen sprühfreie Schweißung von hoher Qualität und Auftragungsrate unter Verwendung eines Auftragungsverfahrens erzielt werden kann, in dem die Schmelzüberführung

durch Kurzschluß bewerkstelligt wird.. Hierdurch ist es möglich, unter voller Ausnutzung des Church-Verfahrens Schweißungen in allen Stellungen durchzuführen. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, daß bei diesem Verfahren ein größerer Lichtbogenspalt für die Sprühübertragung genutzt wirdy·:¹, die für die schnelle Schmelzrate beim Flachschweißen von l/orteil ist.

Das vorgeschlagene Schutzgas ist eine neuartige Ausgangsmischung oder Formulierung eines proportinaleo hochvolumiges Gemisch aus zwei "Edel"-gasen, und zwar Argon und Helium in Verbindung mit einem proportional niedrigvolumigen Gemisch aus Kohlendioxid und Sauerstoff. Der Sauerstoffanteil liegt sehr niedrig und beträgt etwa zwischen 0,1 bis 1 Vol?o. Hierbei ist die erfindungsgemäße Formulierung der in der Church-Patentschrift veröffentlichten ähnlich, sie ist jedoch spezifischer.

Es hat sich herausgestellt, daß die Kombination der Sondergasgemisch-Formulierungen noch weiter in drei allgemeine Formulierungsfamilien oder -gruppen spezifiziert werden kann, nämlich in die zum Schweißen von kohlenstoffarmen oder weichen Stahl, schwachlegiertefn Stahl und rostfreiem Stahl. Bei der Verwendung dieser Formulierungen mit lang herausragender Elektrode, gekühlter Kontaktspitze, den Sondermerkmalen der laminaren Strömung und Kurz- · Schließung in Verbindung mit dem Verfahren der Auftragungsübertragung (bei geringerer elektrischer Leistung) oder Sprühübertragung (bei hoher elektrischer Leistung) lassen sich bei äußerst hohen Schmelz- und Auftragungsraten Schweißungen von unerwartet hoher Qualität herstellen. Hierbei ist unerwartet und gegenwärtig nicht erklärlich , daß der Lichtbogen bemerkenswert stabil und sprätzerfrei ist, wobei sich die aufgetragenen Tropfen

axial von der Elektrode zum Schmelzbad hin bewegen. In der Überkopf- sowie in den anderen Schweißstellungen lassen sich somit exakte, kontrollierte und ausgezeichnete Schweißungen durchführen.

Somit ist es Zielsetzung der Erfindung, ein Schweißverfahren zu schaffen, das spritzerfrei arbeitet und eine hohe Schmelzrate aufweist, wobei dieses Verfahren allgemein anwendbar und auch besonders geeignet ist für die Durchführung von nichtflachen Schweißungen, bei denen die Schmelztropfen kontrolliert in axialer Richtung aufgetragen werden.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aniih/id der nächstfolgenden Beschreibung ej.ner in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Hierbei zeigen.

Fig. 1 eine schematische.Darstellung im Schnitt einer Schweißpistole mit kontinuierlich zugeführter Abschmelzelektrode beim Auftragen einer Schweißraupe in nichtflacher Stellung;

Fig. 2 eine freigelegte Perspektivansicht der Grund-■ · bestandteile der Schweißpistole;

Fig. 3 eine Darstellung der Pistole in verkleinertem Maßstab in umgekehrter Stellung zum Überkopfschweißen, wobei Stumpfschweißen an den unteren Flächen zweier aneinanderstoßender Platten durchgeführt wird, und

Figuren 4 bis 7 schematische Darstellungen der aufeinanderfolgenden Schritte der Kurzschlußüberführung beim Überkopfschweißen.

Fig. 1 zeigt eine Abschmelz-Elektrode-Schweißpisto.le, die als solche nicht Gegenstand der Anmeldung ist, weshalb auch der Griff sowie der übliche Zuführmechanismus zum Vorschub der Drehelektrode durch die Pistole und die Kraftversorgung und Gasbehälter und dgl. nicht eingezeichnet sind, die das Gasgemisch einspeisen. Es sind hier also zum Zwecke der ₍ vereinfachten Darstellung alle nicht sachdienliche Bauteile, die als solche bekannt und im Handel erhaltlich sind, weggelassen worden.

Die dargestellte Pistole ist also eine Schweißpistole zum Metall-Lichtbogenschweißen unter Schutzgas mit einer, ununterbrochen zugeführten Abschmelz-Elektrode. Die Elektrode erstreckt sich durch die Mittelbohrung 12 der röhrenförmigen Kontaktspitze 13 der Pistole 10. Die Drahtelektrode wird durch herkömmliche, nicht dargestellte, Fördermittel axial durch die Kontaktspitze hindurch zugeführt.

Die Kontaktspitze 13 sitzt in der Bohrung 15 eines.Gasdiffusorgliedes 16 mit vergrößertem zylinderförmigen Innenende 17. Von einer zylinderförmigen Senkbohrung 18 im Zylinderinnenende 17 wird ein Abstandsstück 20 aufgenommen, der aus einem röhrenförmigen Körper 21 gebildet ist und Nasen oder Rippen 22 aufweist. Das Abstandsstück paßt..enganliegend in die zylinderfrömige Senkbohrung 18 und wird in seiner Stellung durch eine Stiftschraube 25 festgelegt, die durch das vergrößerte Zylinderinnenende 17 des Gasdiffusors in das Gewindeloch 26 eingeschraubt wird.

Die röhrenförmige KOntaktspitze kann innerhalb der Bohrung 15 im Gasdiffusor zum Ende hin verschoben werden, bis sie am Abstandsstück aufsitzt. Demgegenüber kann sie aber auch vom Abstandsstück weg bewegt werden, wie dies Fig. 1 zeigt, um sie im Hinblick auf die zu nutzende Länge einzustellen. Die Kontaktspitze wird durch herkömmlich reibende Befestigungsmittel in ihrer Stellung reibungsgesperrt. Hierfür kann beispielshalber ein Gewindestift verwendet werden. Als herkömmliche andersartig ausgebildete Sperre kann ein Abschnitt der Kontaktspitze exzentrisch oder geringfügig oval gestaltet sein, wobei in der Bohrung 15 des Diffusors 17 eine entsprechend exzentrisch oder oval geformte Vertiefung vorgesehen sein sollte. Somit wird durch einfaches Verdrehen der Kontaktspitze diese in ihrer Sperrstellung verkeilt. Da es sich hier u.m herkömmliche Verbindungsmittel handelt, sind diese nicht in der Zeichnung wiedergegeben. Die Spitze könnte aber auch einfach enganliegend in der Bohrung eingesetzt sein und dadurch in ihrer Stellung gehalten werden.

Im Diffusor sind mehrere Gasdurchgänge 27 ausgebildet. Sie erstrecken sich von der Zylindersenkung 18 zur Verbindungsstelle zwischen dem vergrößerten Zylinde.rende 17 und dem mit kleinerem Durchmesser ' ausgebildeten Hauptabschnitt des Diffors. Die Durchgänge sind voneinander getrennt angeordnet und weisen in bezug zur Diffusorachse einen relativ flachen Winkel auf, der vorzugsweise bei etwa 15° liegt. Es können

beispielshalber sechs in gleichen Abständen zueinander stehende Durchgänge mit jeweils einem Durchmesser von etwa 2mm (5/64 Zoll) vorgesehen werden.

Eine Kupferröhre 30 mit einem mit Gewinde versehenen Ende greift in die Gewindehülse 32, die am vergrößerten Zylinderende 17 des Diffusors ausgebildet ist. Die Röhre führt Elektrizität und trägt die Drahtelektrode. Um die Röhre liegt eine elektrisch isolierende Hülse 33.

Um den Diffusor, der vorzugsweise aus Messing oder Kupfer gefertigt ist, und die Kupferkontaktspitze zu kühlen, so daß sie mit der Wärmeentwicklung fertig werden, die durch die hohe elektrische Leistung entsteht, ist eine Kühlrohre 35 vorgesehen, die längs der Röhre 30 angeordnet ist. Die Kühlröhre besitzt eine kreisförmige Krümmung oder einen Umgriff 36, der sich am mit Gewinde versehenen Ende 31 befindet. Sie weist bei 35a einen rücklaufenden Abschnitt auf. Indem durch-die Röhre 35, den Umgriff 36 und dann · durch den rücklaufenden Abschnitt 35a Wassef mit einem verhältnismäßig hohen Durchsatz von beispielshalber 4,5 bis 7 Liter (1-1/2 gal.) pro Minute gepumpt werden, wird das Ende der Kupferröhre 30 abgekühlt.·Aufgrund der Fortleitung werden der Diffusor-und die Kontaktspitze somit kräftig abgekühlt. Hierdurch ist es für diese Teile möglich, höhere elektrische Belastungen zu vertragen. Es ist hierbei von Bedeutung, daß das Kühlsystem sehr einfach ausgestaltet ist und keine korn-

plazierten inneren Druchgänge oder Dichtungen und dgl. aufweist, wie dies in den Pistolen bekannter Bauart der Fall ist.

Um einen günstigen Kühlkontakt zwischen dem Umgriff 36 und der Kupferröhre 30 zu gewährleisten, ist eine Hartlötverbindung 37 zwischen ihnen ausgebildet, beispielshalber eine Silberlötverbindung, durch die eine vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit gegeben ist.

Ein geeigneter Hülsengriff 38 liegt um die Kupferröhre, die Isolierhülse 33 und die Kühlrohre 35 - 35a. Es können noch weitere Isolier- oder Schutzhülsen verwendet werden; normalerweise wird auch ein Handgriff zum Halten sowie zur Kontrolle während des Betriebs vorgesehen.

Eine längliche röhrenförmige Düse 40 umgibt den Diffusor und die Kontaktspitze. Sie ist entweder durch Haftreibung oder mittels eines Gewindes oder durch Schrauben am Zylinderinnenende 17 des Diffusors gesichert. Die Hülse hat eine verhältnismäßig glatte Innenwand gleichförmigen Durchmessers und ist aus einem Werkstoff gefertigt, der Wärme gut vertragen kann und isolierend wirkt. Die Hülse kann somit entweder aus nur einem einzigen. Werkstoff gefertigt sein und nur eine Dickenlage besitzen oder aber in abgewandelter Ausgestaltung eine Schichtung aufwiesen, deren innere Schicht aus einem Werkstoff ist, die eine höhere Wärmewiderstandskraft besitzt.

Aus der Fig. 1 ist der Betrieb des Schweißbrenners schematisch dargestellt. Es werden hier zwei eisenartige Metallplatten 43 und 44 miteinander verschweißt oder verbunden, deren Stümpfe aufeinanderstoßen.

Die Elektrodenverlängerung 45, die hier beträchtlich vorsteht, ist weit länger, als dies bei normalen Schweißungen der Fall ist, d.h. das "Ende der röhrenförmigen Kontrollspitze sitzt in der Düse 40 ziemlich vertieft, so daß etwa die Hälfte des "Vorstandes" sich in der Düse befindet und die andere Hälfte über sie hinausgeht. Durch diesen extralangen Vorstand ist für einen erhöhten elektrischen Widerstand gesorgt, so daß eine beträchtlich heißere als normale Vorwärmung der Drahtelektrode erzielt werden kann.

Beim Schweißen bilden sich aufeinander Schmelztropfen am Ende der Elektorde. Bei Verwendung eines kurzen Lichtbogens wird der Schmelztropfen im Lichtbogenspalt 46 unmittelbar neben dem Schmelzauftrag oder -bad 47 gebildet. Der Bogen 48 (siehe Fig. 4) wird aufrechterhalten, während der Tropfen 50 weiter wächst (siehe Fig. 5), bis er mit der Oberfläche des Schmelzbades 47 (siehe Fig. 6) körperlich in Kontakt kommt. Zu diesem Zeitpunkt setzt ein Kurzschluß ein, durch den der Lichtbogen momentan gelöscht wird und wodurch der Tropfen in das Schmelzbad hineingezogen wird.. Durch das Abtrennen des Tropfens vom Ende der Elektrode kommt es zu einer Wiederherstellung desLichtbogens 48 (siehe Fig. 7).

Dieser Arbeitsgang wiederholt sich in schneller Folge und ist als Kurzschließungs-Kurzlichtbogenschweißverfahren bekannt.

Während des Schweißvorgangs durchströmt das Schutzgas die Röhre 30 und gelangt dann zwischen den Rippen 22 des Abstandsstücks 20 und durch die Kanäle oder Durchgänge 27 in den Diffusor. Wegen des flachen Winkels der Durchgänge wird der Gasstrom gegen die Innenwand der Düse 40 gerichtet, wo das Gas in eine zur Achse der Kontaktspitze und der Elektrode parallel verlaufende laminare Strömung umgeleitet wird. Das Schutzgas 51 strömt um den exponierten Abschnitt des Vorstandes oder vorstehenden Abschnitts der E-lektrode, wobei es um die Schweißung herum auf das Werkstück trifft und sich dann zerstreut.

Die laminare Strömung des Gases in Verbindung mit dem vorstehenden Abschnitt der Elektrode zur Schaffung der vorgewärmten Elektrode sowie fortleitende Form der Kühlung, durch die die Kontaktspitze abgekühlt wird, sind hierbei von Bedeutung. Durch den energetischen Kühlungs effekts des in der Kühlröhre umlaufenden kalten Wassers wird ein höherer elektrischer Leistungsstrom möglich, durch den eine beträchtliche Vorwärmung erreicht' wird·

Wie bereits eingangs erwähnt, setzt sich das Gasgemisch hauptanteilig aus Helium und Argon mit weit geringeren Anteilen Kohlendioxid und Sauerstoff zusammen, wobei gerade der Sauerstoff mit einem sehr geringen Anteil vertreten ist, wobei die Volumenateile wie folgt

liegen: zwischen 2,5 bis 8,5 VolÄ Kohlendioxid; zwischen/etwa 0,1 bis 0,8 Vol?o Sauerstoff; zwischen etwa 25 bis 60 Vol?o Helium und mit einem auf 100 Vol?a ergänzenden Anteil Argon.

Es hat sich in diesem Zusammenhang herausgestellt, daß diese Gasformulierung in bezug auf die drei hauptsächlichen Arten der eisenhaltigen Werkstücke, dih. weicher oder kohlenstoffarmer Stahl, schwachliegierter Stahl und rostfreier Stahl, vorzugsweise näher spezifiziert werden sollte. In der nachstehenden Tabelle I werden Anteilbereiche angegeben, die sich für diese besonderen Werkstoffe als vorteilhaft erwiesen haben. Die angegebenen Prozentsätze werden aufgrund der kommerziellen Gasreinheitsgrade, die zwischen plus und minus 2 % schwanken, etwas variieren. Es hat sich dabei gezeigt, daß plus oder minus 5% von dem für jedes einzelne Gas angegebenen Prozentsatz annehmbar ist.

Tabelle

pi Ishfjrpi php für snfi7i fisphp FiBftnnmrkfifn f £.(*.

Weicher Stänl

schwachleqierterStahl 3,1-4
Rostfreier Stahl

U' /0	CO	2	%	O₂	5SHe	SSAr
6,	7-8,	5	0	,3-0,8	25-35	Rest
3,	1-4		0	,15-035	49-57 .	Rest
2,	5-3,	4	0	,10-0,3	52-^0	Rest

Es wurde ermittelt, daß zur Bestimmung des Gemisches die folgenden fünf Beziehungen zwischen den Gasen im Gemisch eingehalten werden sollten r

(1) (CO₂ + O₂) + (Ar + He) = 100?ί

/2) cn - ^O (Kurzschluß-Überführung

— und auch Sprühüberführung)

0, . 1

(2a) CO₂ _ 10 (für Sprühüberführung)

O₂

Das Oxidationspotential von frei vorhandenem und in Form von Kohlendioxid kombiniert auftretendem Sauerstoff sollte anteilmäßig im Bereich von 0,9 bis 2,6 liegen, insbesondere gelten hierbei üblicherweise folgende Angaben: %Q₂ + 1/4 % CO₂, was nach der Berechnung den Angaben entspricht, die in der nachstehenden Tabelle II angeführt sind:

TABELLE II Bereich Bevorzugt

kohlenstoffarmer Stahl ' 2,2 - 2,6 2,4

schwachlegierter Stahl 1,08-1,20 1,14

rostfreier Stahl 0,9 -1,02 0,96

Die oben angeführten Beziehungen des Oxidationspotentials können sich in Entsprechung der Materialabweichungen mit mehr oder weniger Kohlenstoff, Legierungen und dgl. verändern, wobei die vorstehend gemachten Angaben jedoch eine recht genauen'und' brauchbaren Bereich darstellen..

(4) Der Heliumanteii im Gas wird wie folgt berechnet: % He = 72,65 - 5,65 (% C0_{2); diesß Beziehung wurde} experimentell ermittelt. Sie läßt sich in geringem Umfang verändern, ohne die Ergebnisse wesentlich zu beeinflussen, obgleich die genauen Schwankungen bis heute noch nicht genau ermittelt werden konnten.

(5) Der verbleibende Anteil für das damit aufzufüllende Gas entfällt auf Argon.

Es hat sich gezeigt, daß ein Verhältnis von Kohlendioxid zu Kohlenstoff von etwa 20 zu 1 bei der Anwendung dem KurzschluB-Überführungsverfahren vorteilhaft angewendet werden kann; es läßt sich aber auch für das Sprühverfahren verwenden. Wo jedoch nur das Sprühverfahren zur Anwendung kommt, sollte das Verhältnis auf etwa 10:1 gesenkt werden. Demzufolge ergeben sich die in den nachstehenden Tabellen III und IV angegebenen Vorzugswerte:

TABELLE III

Formulierungsbereiche für CO₂ : O_{2 4} von 20: 1

in einem Verhältnis

	Stahl"	0' /0	CO₂	%	O₂	% He	% Ar
kohlenstöffapner	Stall	8		0	,4	27,4	Rest
schvöcnlegierter		3	,8	0	,2	51,2	Rest
rostfreier Stahl	3	,2	0	,15	54,5	Rest

TABELLE IV . '·

Formulierungsbereiche für CO₂ : O₂ in einem Verhältnis von 10 : 1

KCO₂ % O₂ % He % Ar

konlenstoffarmer Stchl ' 6,9 schwachlegierter Stahl 3,3 rostfreier Stahl 2,7

0,7	34	Rest
0,3	54	Rest
0,25	57	Rest

Als Beispiel der Betriebsparameter liegt unter Verwendung einer Elektrode mit einem Durchmesser von 1,14 mmm ( 0,045 Zoll) der vorstehende Teil mit etwa 15,87 mm (0,625 oder 5/8 Zoll) über dem Ende der Düse, wobei eine gleichgroße Länge in der Düse vertieft einsitzt, d.h. der gesamte heraustretende Bereich liegt bei etwa 31,7 mm (1,250 Zoll).

Die entweder mit Flußmittel überzogenen oder blanken Drahtelektroden sind herkömmliche Abschmelz-Elektroden mit einem. Druchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 2,4m (0,030 bis 3/32 Zoll). Die Werte können aber auch nur bei I=,5 mm(0,020 Zoll) bis 4mm (5/32 Zoll) liegen.

Die Zuführrate für die Drahtelektrode kann in Abhängigkeit von der Drahtdicke und dem Stromfluß variieren, sollte aber innerhalb des Bereichs von 254cm bis 2515 cm (100 bis 990 Zoll) pro Minute liegen. Im spezifischen Beispiel mit einem Strom von 90 Amp und einem Draht von 1,14 mm (0,045 Zoll) Durchmesser liegt die Zuführgeschwindigkeit annähernd bei '2 1/2 m pro Minute (88,6 Zoll pro Minute). Bei 440 Amp beträgt der Vorschub 25 m pro Minute (990 Zoll pro Minute).

In dem nachfolgenden typischen Beipsiel ist das Grundmetall kohlenstoffarmer Stahl, wobei die Elektroden den AWS-Vorschriften A 5. 18-79 im Bereich von ER 70S-2 bis ER 70S-7 entsprechen. In besonderen Fällen kann ER 70S-G auch benutzt werden.

Der elektrische STrom beträgt normalerweise' 90 Amp bis 440 Amp, wobei 220 Amp den Übergangsstrom bei 1,14 mm (0,045 Zoll) zwischen Tropfen darstellt, die größer sind als der Drahtdurchmesser und Tröpfchen oder Tropfen die mit dem Druchmesser des Drahtes gleichgroß oder kleiner sind. Die Spannung variiert etwa von 20 bis 10% der Amp; insbesondere schwankt die Spannung bei 90 -440 Amp von etwa 19 bis 42 Volt. Die tatsächlichen Spannungs- und Amperewerte werden durch Einstellungen seites des Schweißers während des Schweißens vor-

genommen. Durch zweckmäßige Einstellung der Ampere- und Spannungswerte bilden sich Tröpfchen von etwa der Durchmessergröße des Elektrodendrahtes. Bei niedrigerem Stromfluß sind die Tropfen größer, und bei größeren Strömen nehmen die Tropfen größenmäßig ab. Für die Schmelz-Übertragung nach dem Kurzschlußverfahren werden niedrigere Ströme gebraucht, wogegen der Strombedarf für das Sprühverfahren größer ist, da kleinere Tröpfchen bei gleichzeitiger Erhöhung der Schmelzrate und des Metallauftrags · im Schmelzbad gebildet werden.

Die Gasströmung kann im Bereich von etwa 0,707925 cm bis 1,699020 m pro Stunde bei niedrigem Gasdruck, etwa geringfügig über dem atmosphärischen Druck, variieren. Demgemäß ergibt sich bei einer Gasströmung unter niedrigem Druck durch die Durchgänge im Diffusor, daß das Gas in einem sehr flachen Winkel zur Innenwand der Düse strömt, wo die Strömung in gewünschte laminare Strömung neu ausgerichtet wird.

Bei nichflachem Schweißen findet das kurzschließende Kurzlichtbogen-Auftragsverfahren Anwendung. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, kann die Schweißpistole umgedreht werden, so daß zufriedenstellende Überkopfschweißungen wie auch Schweißungen an geneigten Flächen - sowie'senkrechte auf- und ablaufende Schweißungen durchgeführt werden können. Besteht kein Bedarf an nichtflachen Schweißungen mit der einhergehenden Zunahme an Stromstärke und Spannung, bilden sich die kleineren Tröpfchen beim Sprühübertragungsverfahren, wobei dieses Verfahren zum Schnellauftrag der Schmelze beim Flachschweißen angewendet werden kann.

Das Schweißverfahren, das vorstehend beschrieben wurde, liefert einen glatten und stabilen Lichtbogen sowie eine gegenüber dem Draht axial verlaufende Tröpfchenbewegung, was zu einer kontrollierten, genau ausgebildeten linearen Schmelzraupe führt. Hierbei ist der Betrieb praktisch spritzerfrei. Die Menge der auf der Raupe entwickelte Schlacke ist sehr gering.

Bei Verwendung dieses Verfahrens kommt es zu einer beträchtlichen Verringerung an Ozon. Man geht dabei davon aus, daß nahezu 2/3 bis 3/4 der normalen Ozonerzeugung unterbleibt, wenn mit dem Schutzgas gearbeitet wird, daß einen hohen Anteil Argon (z.B. über 75?ό ) aufweist, wobei auch die Entwicklung von Rauch gleichfalls beträchtlich eingeschränkt wird. Darüber hinaus liefert die glatter ausgebildete Raupe ein besseres Aussehen und erbringt dazu noch eine Einsparung an Material für vergleichsweise starke Schweißungen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß es bei nach diesem Verfahren gearbeiteten Schweißungen zu einer geringeren Porosität und einem niedrigeren Wasserstoffgehalt kommt, was möglicherweise auf ein wirksameres Ausbrennen der Wasserstoffverunreinigungen zurückzuführen ist, die aus dem Drahtziehvorgang durch Vorwärmen des Drahtes zurückbleiben. Dabei tritt ein günstiges Druchdringungsvermögen zutage, wobei insbesondere die tiefen fingeränichen Schmelzzonen vermieden werden, die bei anderen Verfahren auftreten. Anstattdessen wird eine schüsseiförmige Durchdringung erreicht. Mit diesem Verfahren wird ein Unterschneiden eingeschränkt. Gleichzeitig unterbleibt die mangelnde Verschmelzung mit dem Grundmaterial. Auch besteht eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Rißbildung der Schweißung, die augenscheinlich auf ein ungenügendes Korngefüge der Raupe zurückzuführen ist, wobei die Körnung dazu neigt, von einer zentralen Stelle in der Nähe des oberen Abschnitts der Schweißraupe aus zu strahlen. Die Schweißungen besitzen günstige mechanische Eigerrschaf ten, d. h. angemessene Festigkeit und hohe Schlagzähigkeit.

Von ganz besonderer Bedeutung ist die hohe Schmelzrate, so daß eine entsprechend sehr hohe Auftragsgeschwindigkeitlder · Schmelze erzielt wird.

Obgleich es sich bei diesem Verfahren um ein gegenüber den normalen Schweißverfahren heißeren Verfahren handelt, läßt es sich auch als "Kaltverfahren" anwenden, indem der elektriche Strom beim Schweißen von Blechen verringert wird, wodurch es zu weniger Spritzern kommt und wobei gleichzeitig eine höhere Schmelz- und Auftrags rie gegenüber bekannten Schweißsystemen erzielt wird.

Auch wenn das obige Verfahren in Zusammenhang mit dem Schweißen beschrieben wurde, bei dem allgemein zwei Metallstücke miteinander verbunden werden, so läßt es sich auch zur Oberflächenbehandlung oder zum Auftrags schweißen verwenden, d.h. es läßt sich auch dort anwenden, wo auf ein Substrat zum Oberflächenhärten ein schmelzartiger Überzug aufgetragen wird. Anstatt eine Raupe zu bilden, wird die Schmelze bis auf die erforderliche Tiefe über den Bereich der Oberfläche ausgebreitet. Somit erstreckt sich der Begriff des Schweißens, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, auch im Bedarfsfalle auf diese besondere Form der Behandlung des Beschichtens oder Oberflächenhärtais.

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Claims

Meissner & Meissner PATENTANWALTSBÜRO —— ' PATENTANWÄLTE 3 k ^ 2 0 8 7 DlPL-INQ. W. MEISSNER (1980) V -Γ ν «■ ν ν DIPL-INQ. P. E. MEISSNER DIPL-ING. H.-J. PRESTING Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt -Professional Representatives before the European Patent Office Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unsere Zeichen HERBERTSTR. 22,1000 BERLIN ppi ι/Qi «-& Auij. 1984 P.P.I. Performance Process International N.V. Curacao, Niederl.Antillen Metall-Lichtbogen-Schweißverfahren unter Schutzgas PATENTANSPRÜCHE

1. Metall-Lichtbogen-Schweißverfahren, das allgemein spritzerfrei arbeitet, eine hohe Schmelzauftragsrate hat und besonders für nichtflache Schweißarbeiten geeignet ist, wobei eine Abschme-lz-Elektrode aus Draht verwendet wird, die in einer kontinuierlich zugeführten Kontaktspitze gehalten wird, die in der Schweißpistole angeordnet ist und zur Schweißauftragung in Längsrichtung kontinuierlich vorgeschoben wird, und wobei das Elektrodenende unmittelbar in der Nähe der Stelle liegt, an der die Schweißschmelze aufgetragen wird und mit der sie einen Lichtbogenspalt bildet, gekennzeichnet durch das Hindurchführen durch die Elektrode eines elektrischen Stroms mit vorbestimmter Stromstärke und Spannung, der ausreicht, die Elektrode zu schmelzen und an ihr Schmelztropfen zu bilden, die am Schmelzbad abgesetzt werden, durch Vorwärmen und Erhöhen der Schmelzrate der Elektrode durch kontinuierliches Beibehalten einer relative langen, über die Kontaktspitze hinausgehenden Elektrodenverlängerung, durch kontinuierliches Vorbeiführen eines allgemein längsgerichteten laminaren Gasstroms um die Kontaktspitze, die Elektrodenverlängerung und den Spalt, wobei das Gas einen Hauptanteil eines Argon- und Heliumgemisches sowie einen geringeren Anteil eines Kohlendioxid und

TELEFAX: TELETEX: TELEGRAMM TELEFON: BANKKONTO: POSTSCHECKKOh 030/891 78 50 TELiX: INVENTION 030/891 60 37 BERLINER BANK AQ. P. MEISSNER. BLN 308062 BERLIN 030/891 30 26 BERLIN 31 400*7 37-103 Inuan ri -•«15716000

Sauerstoffgemisches enthält, und durch Überführen der Schmelztropfen zum Schmelzbad, indem entweder durch Kurzschluß die Tropfen dazu gebracht werden, bei der Druchführung won nichtflachen oder flachen SchweiQarbeiten vom Schmelzbad aufgenommen zu werden, oder indem als Alternative bei der Durchführung ausschließlich von Flachschweißungen die Tropfen vom Elektrodenende an das Schmelzbad durch Sprühschweißen überführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch intensives Abkühlen des dem Elektrodenverlängerungsende gegenüberliegenden Ende des Schweißpistolenspitzenteils.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die annähernden volumetrischen Beziehungen der Gase wie folgt berechnet sind:

(1) Kohlendioxid zwischen 2,5 - 8,5 %, Sauerstoff zwischen etwa 0,1 - 0,8 %, Helium zwischen etwa 25-60% und der Rest Argon, und

(2) das Verhältnis von Kohlendioxid zu Sauerstoff etwa bei 10:1

bis etwa 20 :1 liegt,

(3) das Verhältnis des Oxidationspotentials des Schutzgases, das berechnet wird als die Summe des prozentuellen Sauerstoffs und 1/4 des prozentuellen Kohlendioxids, zwischen etwa 0,96 bis 2,4 liegt und

(4) der Prozentsatz des Heliumanteils im Gesamtgas als annähernd das 72,65 bis 5,65 fache des prozentuellen Kohlendioxids berechnet wird.

4. Verfahren' nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch

prozentuell Kohlendioxid zwischen etwa 6,7 - 8,5, prozentuell Sauerstoff zwischen etwa 0,3 - 0,8, prozentuell Helium mit 25 bis 35?ό enthält und der Rest Argon ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

Gasgemisch

Kohlendioxid zwischen etwa 3,1 bis 4?ό, Sauerstoff zwischen etwa 0,15 bis 0,35 %, Helium zwischen etwa 49 - 57 % und den Rest Argon enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch

Kohlendioxid zwischen etwa 2,5 bis 3,4 ?ό, Sauerstoff zwischen etwa 0,10 bis 0,3%, Helium zwischen etwa 52 bis 60?ό und den Rest Argon enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis \ion Kohlendioxid zu Sauerstoff etwa bei 20:1 liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Kohlendioxid zu Sauerstoff etwa bei 10:1 liegt. ■ · " ■ ""