Verfahren und Elektrode zur Lichtbogenschweissung Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur elektrischen Lichtbogenschweissung sowie auf eine Elektrode zur Durchführung desselben.
Beim Schweissen von Aluminium und Aluminium legierungen ist es heute allgemein üblich, mit einem Lichtbogen zu arbeiten, der durch ein inertes Gas abgeschirmt ist. Diese Arbeitsweise umfasst die Verwendung von sich verbrauchenden oder sich nicht verbrauchenden Elektroden und wird üblicher weise automatisch oder halbautomatisch durchge führt. Eine in grossem Umfang angewandte Arbeits weise ist ein halbautomatisches Schweissverfahren, bei dem ein Fülldraht, der vorzugsweise nicht um hüllt ist, eine sich verbrauchende Elektrode dar stellt und einer von Hand bedienten Pistole zugeführt wird.
Durch Betätigung des Abzuges an der Pistole seitens des Schweissers wird der Fülldraht einem Lichtbogen zugeführt, der sich in einer Umhüllung eines abschirmenden Gases, wie zum Beispiel Argon, Helium oder Mischungen derselben, befindet, welches Gas auch das geschmolzene Metall an der Schweiss naht abdeckt. Bei dieser Arbeitsweise bewegt der Schweisser die Pistole von Hand so, dass die Spitze der Drahtelektrode der Schweissnaht folgt und mit fortschreitender Schweissung der Fülldraht automa tisch in und durch die Pistole hindurchgeführt -wird. Ein Beispiel für eine übliche Vorrichtung zur halb automatischen Schweissung ist im amerikanischen Patent N-.2504868 beschrieben.
Obschon Aluminium und Aluminiumlegierungen durch die Schweissmethode mit einem inerten ab schirmenden Gas unter Verwendung von sich ver brauchenden oder nicht verbrauchenden Elektroden auf automatischem oder halbautomatischem Wege sich leicht verbinden lassen, wurde gefunden, dass es ausserordentlich schwierig ist, in reproduzierbarer Weise feste Schweissverbindungen herzustellen, was auf die Anwesenheit einer gewissen Porosität in denselben zurückzuführen ist. Diese beobachtete Schwäche ist, wie man annimmt, auf mitgerissene Gase mit oder ohne Schlackenfilme und/oder ge löste Gase zurückzuführen, welche sich bei der Ver festigung des Schweissmetalles ausscheiden.
In letzter Zeit richteten sich die hauptsächlichsten Bestrebun gen zur Verbesserung der Festigkeit der Schweissung, auf die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften des Füllmetalldrahtes, die Regulierung des Licht bogens, insbesondere bezüglich Spannung und Strom stärke, Kontrolle der Oberflächenbehandlung des Werkstückes, Puddeln in der Schweisslache, Anwen dung der Perlenschnurtechnik und Kontrolle der Ausbildung der Schweissverbindung. Diese Anstren gungen führten jedoch nicht zu einem Verfahren zum Schweissen von Aluminium und Aluminium legierungen mittels eines durch inerte Gase abge schirmten Lichtbogens, das reproduzierbare Schwei- ssungen von hoher Qualität ergibt.
Ausserdem wird die Schwäche der Schweissung noch dadurch er höht, dass man die gleiche Schweissstelle mehrmals behandelt, was in gewissen Fällen vorkommt, oder durch senkrechte oder über dem Kopf des Arbeiters liegende Schweissung, bei der man ein rasches Er starren benötigt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zum Schweissen von Metallen mittels eines zwischen einer Elektrode und dem Werkstück erzeugten Lichtbogens und der Zuführung eines inerten gasförmigen Mediums, welches den Licht bogen und die Schweisszone gegen die äussere Atmosphäre abschirmt, dadurch gekennzeichnet, dass diese inerte Gasabschirmung mindestens ein Halogenid enthält, das praktisch frei ist von den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff.
Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum Schweissen von Aluminium und Aluminiumlegierun gen, wobei die Porosität der Schweissnaht eliminiert oder wesentlich vermindert ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine sich verbrauchende Elektrode zur Durchfüh rung des Verfahrens, insbesondere zur Lichtbogen schweissung, von Aluminium und Aluminiumlegie rungen. Diese Elektrode besteht aus einem Stück von Füllmetall für die Schweissnaht und mindestens einem Halogenid, das praktisch frei ist von den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff.
Die abschirmende Atmosphäre aus inertem Gas besteht zum Beispiel aus Argon, Helium oder einer Mischung derselben. Wasserstoff ist unerwünscht, da er in geschmolzenem Aluminium löslich ist und sich bei der Verfestigung dieses Metalles unter Bildung von Poren wieder ausscheidet, also gerade das Gegenteil der vorliegenden Erfindung bewirkt. Kohlenstoff ist aus dem Grunde unerwünscht, weil die kohlenstoffhaltigen Halogenide in Kontakt mit dem Lichtbogen Kohleabscheidungen in der Schweiss zone bewirken, die als Kohleeinschlüsse in der Schweissnaht auftreten können. Ausserdem bilden die kohlenstoffhaltigen Halogenide im Kontakt mit dem Lichtbogen ausserordentlich giftige Verbindun gen, wie Phosgen.
Weiterhin ist der Lichtbogen sehr empfindlich gegen die Anwesenheit von Kohlen stoff und Wasserstoff in Form von Halogeniden in der Schutzgashülle, da dadurch der Lichtbogen un stabil wird. Die Quelle der Halogenide kann ein Halogenid als solches oder elementares Halogen sein. Je nach dem verwendeten Ausgangsmaterial kann es sich in flüssigem, gasförmigem oder festem Zustand befinden. Wenn man Halogen verwendet, wird es mindestens teilweise in der Schweisszone in Gegenwart der geschmolzenen Aluminiumschweiss lache in das Halogenid übergeführt.
Beispiele für geeignete Halogenide sind Magnesiumchlorid, Natriumchlorid, Aluminiumtrichlorid, Zirkonteträ- chlorid, Siliziumtetrachlorid, Titantetrachlorid, Bor- trichlorid und Bortrifluorid.
Es versteht sich, d'ass das Halogen in elementarem Zustand für sich allein in Mischung mit dem inerten Abschirmgas oder in Kombination von Halogen und Halogenid mit dem inerten Gas verwendet werden kann, wobei das Halogen und/oder Halogenid in innigem Kontakt mit der Schweisszone, das heisst dem Lichtbogen und der Schweisslache gelangt.
Obschon bei der vorliegenden Erfindung das Halogen oder Halogenid in verschiedenen Formen auftreten kann, ist die bevorzugte Ausführungs form der Erfindung in der Verwendung des Halo- gens Chlor in gasförmigem Zustand und in Mischung mit geeigneten Mengen des inerten Gases zu er blicken. Es wurde gefunden, dass man ausgezeich nete Ergebnisse erhalten kann, wenn das Halogen im abschirmenden Gas in so kleinen Mengen, wie etwa 0,01 Vol.% zugegen ist. Der bevorzugte Be reich des Halogengehaltes liegt zwischen etwa 0,05 und 0,5 %.
Grössere Mengen als 0,5 %, zum Bei spiel 2 %, wurden verwendet, doch ergab sich dar aus kein Vorteil. Ausserdem kann die Anwendung grösserer Mengen Halogen im Hinblick auf die Sicherheit des Schweissers ein ernstliches Problem bilden, indem dieser übermässige Mengen davon einatmet. Ausserdem wurde gefunden, dass beim Schweissen von Aluminiumlegierungen, die verhält nismässig grosse Anteile an Magnesium als Legie rungsbestandteil enthalten, ein wesentlich grösserer Halogengehalt als 0,5% eine übermässige Entfernung von Magnesium aus dem Schweissmetall bewirkt, was zu einer ausgesprochenen Herabsetzung der Festig keit der Schweissung führt, obschon die Schweissun gen sich als frei oder praktisch frei von Poren erwiesen.
Nachstehend soll die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert werden.
Fig. 1 ist ein Röntgenbild einer vergleichsweise nur in Argonschutzatmosphäre durchgeführten Schweissung.
Fig.2 bis 5 und 7 sind Röntgenbilder von Schweissnähten, die nach dem neuen Verfahren erzielt werden.
Fig.6 zeigt eine schematische Darstellung, teil weise im Schnitt, des Vorderteils einer zur Durch führung des Verfahrens verwendbaren Schweiss pistole. 6,3 mm dicke Plattenabschnitte aus einer Alu miniumlegierung, welche 4,6% Magnesium, 0,75% Mangan, Rest Aluminium mit üblichen Verunreini gungen enthielt, wurden in flacher Lage durch Stossschweissungen quadratischen Querschnittes ver bunden, wobei die Schweissung in einem Durch gang erfolgte. Zur Schweissung verwendete man einen mit inertem Gas abgeschirmten Lichtbogen und eine sich verbrauchende Füllmetallelektrode, deren Draht im wesentlichen die gleiche Zusammen setzung aufwies, wie das Werkstück. Als inertes Gas diente Argon und als Halogen Chlorgas. Der ge samte Gasstrom betrug ungefähr 1700 Liter pro Stunde, wobei der Chlorgehalt die nachstehenden Werte aufwies.
Man verwendete einen Schweiss strom von rund 225 Ampere und eine Bogenspan nung von rund 24 Volt. Von den 1700 Litern Gas pro Stunde bestanden
EMI0002.0021
a) <SEP> 0,85 <SEP> Liter <SEP> (= <SEP> 0,05%)
<tb> b) <SEP> 2,55 <SEP> " <SEP> (= <SEP> 0,15%)
<tb> 0 <SEP> 3,50 <SEP> " <SEP> (= <SEP> 0,25%) aus Chlor.
Die derart erhaltenen Schweissnähte wurden ra diographisch untersucht und ergaben die in Fig.2 bis 4 reproduzierten Bilder, wobei Fig. 2 der obigen Variante<I>a),</I> Fig. 3 der Variante<I>b)</I> und Fig. 4 der Variante c) entspricht. Als Vergleich ist in Fig. 1 das Röntgenbild einer Schweissnaht wiedergegeben, die unter Argon atmosphäre allein, ohne Halogenzusatz, hergestellt wurde. Es ist deutlich aus diesen Bildern ersichtlich, dass die erfindungsgemäss ausgeführten Schweissungen eine praktisch porenfreie Naht besitzen, während bei Abwesenheit eines Halogens im Abschirmgas (Fig. 1) deutliche Porenbildung zu erkennen ist.
Ausser der radiographischen Untersuchung wur den die Schweissungen Zugfestigkeitsversuchen un terworfen. Zur Vorbereitung dieser Versuche wur den die Schweissperlen maschinell entfernt, um den schliesslichen Bruch der Zugproben im Bereich der Schweissung herbeizuführen, um so einen Augen schein der Qualität des Schweissmetalles zu erlauben.
Dabei wurden folgende Werte gefunden:
EMI0003.0001
Zugfestigkeit <SEP> Streckgrenze <SEP> Dehnung
<tb> kg/cm2 <SEP> kg/cm' <SEP> %
<tb> a.) <SEP> 2925 <SEP> <B>1</B>638 <SEP> 12,2
<tb> b) <SEP> 2883 <SEP> 1596 <SEP> 12,8
<tb> c) <SEP> 2838 <SEP> 1603 <SEP> 12,9
<tb> Vergleichsversuch
<tb> (ohne <SEP> Halogen) <SEP> 2508 <SEP> 1533 <SEP> 8,3 Die mechanischen Eigenschaften dieser Schwei ssung (Fig.2 bis 4) können leicht gegenüber den üblicherweise hergestellten Schweissungen verbessert werden, indem man im Elektrodendrahtmaterial einen etwas höheren Magnesiumgehalt verwendet, um einen geringen Magnesiumverlust, der durch die Anwendung von Halogen hervorgerufen wird, aus zugleichen.
Als Beispiel einer Elektrode zur Durchführung des Verfahrens wird ein Füllmetalldraht beschrie ben, dem Halogenid einverleibt ist. Der Stab wurde aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, die etwa 5,2% Magnesium, 0,1% Mangan, 0,1% Chrom, Rest Aluminium mit den üblichen Verunreinigungen enthielt. Der Stab hatte einen Durchmesser von 25,4 mm und eine Länge von etwa 60 cm. Eine Bohrung von etwa 3,2 mm mit geschlossenem Boden wurde in Längsrichtung dieses Stabes vorgesehen und mit Magnesiumchloridpulver gefüllt. Das offene Ende der Bohrung wurde hernach dicht verschweisst. Der Stab wurde erhitzt und heiss zu einem 9,6-mm- Stab ausgewalzt und dann abwechselnd angelassen und gezogen, um einen Füllmetalldraht von 1,6 mm zu erhalten.
Quadratische Stossschweissungen zwischen Werkstücken aus 6,35-mm-Platten aus Aluminium legierung etwa folgender Zusammensetzung: 4,6% Magnesium, 0,75% Mangan, Rest Aluminium mit den üblichen Verunreinigungen wurden unter Ver wendung des oben genannten Elektrodenfüllmetall drahtes und Zuführung einer inerten Gasabschir mung durchgeführt mit dem Ergebnis, dass man feste Schweissungen erhielt. Fig. 5 zeigt eine Rönt genaufnahme solcher Schweissungen.
Es können zum Beispiel Füllmetalldrähte herge stellt werden, welche Kerne von Stoffen, wie Alu- minium- und Natriumchlorid Mischungen, Natrium chlorid, Magnesiumchlorid, Aluminiumchlorid und eine Mischung von Aluminium- und Magnesium chlorid enthalten. Bei der Herstellung solcher Drähte wird das Kernmaterial in der Regel in Pulverform zugesetzt, obschon man in gewissen Fällen dieses Material auch in geschmolzener Form zugeben kann.
Der Füllmetalldraht kann auch hergestellt werden, indem man das Halogenid oder die Halo genide mit Aluminiumpulver oder Pulver eine Alu- miniumlegierung vermischt, die Mischung kompri miert und durch Auspressen und Ziehen zur ge wünschten Drahtgrösse verarbeitet. Es wurden zahl reiche Schweissungen an Aluminiumlegierungsplatten unter Verwendung der oben beschriebenen Elektro dendrähte durchgeführt, wobei die erhaltenen Schwei ssungen hinsichtlich ihrer Güte gegenüber solchen, die mit den üblichen Füllmetalldrähten, welche keine Halogenide enthalten, stark verbessert waren.
Bei Verwendung eines Behälters mit festem Aluminiumtrichlorid, der zwecks Verdampfung des Chlorids erhitzt wird und in das Abschirmgas ge langt, kann der übliche Schweisskopf oder die Pistole zum Schweissen mittels inertem Abschirmgas so ab geändert werden, dass der Behälter darin enthalten ist. Bei einer üblichen Art der Schweisspistole be nützt man Wasser, um die elektrische Leitung zur Pistole zu kühlen und auch um das Vorderende der Pistole zu kühlen. Eine derartige Pistole kann, wie in Fig. 6 gezeigt, abgeändert werden, die eine schematische Darstellung teilweise im Schnitt des Vorderteils einer solchen abgeänderten Schweiss pistole zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist ein Aluminium- oder Kupferkabel 1 vorgesehen, um den Strom der Pistole zuzuführen. Das Kabel wird durch das inerte Absperrgas, das durch die Leitung 2 gegen das Vorderende der Pistole strömt, gekühlt. Nachdem das inerte Gas das Kabel pas siert hat, gelangt es durch den Becher oder das Mundstück 3 am Vorderende des Pistolenlaufs 4, wodurch es den Becher kühlt und selber erhitzt wird. Nach Verlassen des Bechers 3 strömt es durch die Leitung 5 zurück, welche mit einem perforierten Diaphragma 6 in Verbindung steht, welches ge stattet, dass das Gas in den Lauf 4 eintritt, welcher das Drahtführungsrohr und den Fülldraht 7 und 8 umgibt, wo es in der Richtung gegen den Becher 3 strömt. Der Kraftkontakt mit dem Führungsrohr ist mit 10 bezeichnet.
Wenn das Gas gegen den Becher 3 strömt, wird es veranlasst, durch einen Zylinder 9, der festes Halogenid in Partikelform, zum Beispiel Aluminiumchloridpulver, enthält, hin durchzuströmen, und die verhältnismässig hohe Tem peratur des inerten Gases an dieser Stelle dient dazu, einen Teil des Halogenids zu verdampfen, der dann über das Drahtführungsrohr und in die Licht bogenzone mitgeführt wird.
Zusätzlich zur Heizwir kung, welche das inerte Gas beim Mitführen von genügend Halogeniddampf in die Schweissbogen zone ausübt, wird auch vom Bogen Hitze reflek- fiert und vom Becher und dem Führungsrohr dem Zylinder zugeleitet, wodurch die Erhöhung des Dampfdruckes unterstützt und deshalb genügend Halogeniddampf im inerten Gasstrom vorgesehen wird, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen.
Ein Halogenid von geeigneter Zusammenset zung kann auch in flüssigem oder festem Zustand verwendet werden, wobei das inerte Gas in Kontakt mit diesem gelangt, Halogen mitnimmt und dieses als Teil des Abschirmgases für den Lichtbogen mit sich führt. Man kann zum Beispiel das inerte Gas durch einen Behälter perlen lassen, der flüssiges Titantetrachlorid oder Tetrabromid enthält, von wo aus das Gas bis zum Schweisskopf gelangt, um den Lichtbogen abzuschirmen. Man kann auch festes Aluminiumtrichlorid in einen Behälter geben, der zwecks Verdampfung des Chlorids erhitzt wurde, wonach man das inerte Gas hindurchleitete, wodurch der nötige Halogenidgehalt im Abschirmgas erzielt wurde.
Die Menge des gewünschten Halogenids hängt für jeden Fall von Faktoren, wie Zusammen setzung des Füllmetalles und des Werkstoffmetalles, der Oberflächenbeschaffenheit der verwendeten Me talle und dem verwendeten System der Schweiss apparatur ab. Eine Kontrolle der Menge des Halo genids im Abschirmgas kann durch Regulierung der Temperatur des Halogenids, das fest oder flüssig sein kann, der Länge des Durchtrittes des inerten Gases durch das feste oder flüssige Halogenid und der Menge und Strömungsgeschwindigkeit des inerten Gases durch dieses erreicht werden. Für jeden ge gebenen Fall ist nur eine geringe Zahl von Ver suchen erforderlich, um den am meisten erwünsch ten Gehalt des zu verwendenden Halogenids zu bestimmen.
Die Menge des Halogeniddampfes, welche in den Lichtbogen eingeführt wird, kann durch die Be messung der Grösse des Kabels 1 für eine gegebene Stromstärke, Änderung der Strömungsgeschwindig keit des inerten Gases oder der Nähe des Halogenid enthaltenden Zylinders 9 vom Ende des Bechers 3 und vom Bogen und der Länge des Zylinders ein gestellt werden.
Als Beispiel für die Verwendung des abgeän derten Schweisskopfes oder der Pistole, wie oben beschrieben, wurden quadratische Stossschweissungen mit 6,3 mm Plattenabschnitten, die eine chemische Zusammensetzung von etwa 4,5% Magnesium, 0,7% Mangan, Rest Aluminium, mit den üblichen Verunreinigungen aufwiesen, durchgeführt. Das ver wendete Elektrodenfüllmetall hatte eine Zusamen- mensetzung von etwa 5,2% Magnesium, 0,1% Mangan, Rest Aluminium, mit den üblichen Verun reinigungen. Das im Zylinder vorgesehene Halo genid war Aluminiumtrichlorid und das inerte Gas war Argon mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2265 Liter pro Stunde. Die Schweisspistole wurde mit einer Stromstärke von etwa 225 Ampere und einer Bogenspannung von etwa 24 Volt be trieben.
Nach Prüfung der Schweissungen durch Ein- wirkung von Zugbeanspruchung ergab sich für die mittlere mechanische Festigkeit der Schweissungen eine Zugfestigkeit von rund 2974 kg/cm2, eine Streckgrenze von 1564 kg/cm2 und eine Dehnung von 13,5%. Die Güte der gebildeten Schweissun gen ergibt sich aus Fig.7, welche eine Röntgen aufnahme darstellt.
Eine zusätzliche Abänderung der üblichen Schweisspistolen für Schweissung mit inerter Gasab schirmung besteht darin, dass man im Pistolenlauf einfach einen das Halogenid enthaltenden Zylinder ähnlich dem Zylinder 9 der Fig.6 vorsieht und diesen mittels einem ihn umgebenden Widerstands element erhitzt. Das den Lauf in üblicher Weise durchstreichende inerte Gas wird durch das erhitzte Halogenidmaterial geleitet und führt Dämpfe des selben der Schweissbogenzone zu. Es versteht sich, dass viele andere Abänderungen an bestehenden Schweisspistolen getroffen werden könnten, um die Halogenidquelle in diesen anzuordnen.
Der Ausdruck Aluminiumlegierungen , wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf Zusammen setzungen, in denen die Aluminiumkomponente mindestens 50% beträgt und im allgemeinen in einer Menge von mindestens 90% vorhanden ist.
Es versteht sich, dass viele Abänderungen, Modifi kationen und Varianten möglich sind, ohne vom Wesen und der Tragweite der Erfindung als solche abzuweichen.