DE1006986B

DE1006986B - Verfahren zum Lichtbogenschweissen mit abschmelzender Elektrode und mit inertem Schutzgas oder unter Pulver

Info

Publication number: DE1006986B
Application number: DEU3173A
Authority: DE
Inventors: Watt Wetmore Webb
Original assignee: Union Carbide and Carbon Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1955-08-15
Filing date: 1955-01-26
Publication date: 1957-04-25
Also published as: DE1006996B; BE550292A; FR1159210A; CH346958A; GB802896A; US2848417A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und mit inertem einatomigem Gas oder unter Pulver, wobei die Elektrode dem Werkstück unter einem mit Bezug auf die Schweißriditung rückwärts geneigten Winkel von etwa 45° automatisch zugeführt wird, ferner mit verhältnismäßig hoher Stromdichte in der Elektrode und vorzugsweise Zuführung des Stromes zu ihr über eine Kontaktdüse, die in einem solchen Abstand von dem abschmelzenden freien Ende der Elektrode entfernt angeordnet ist, daß der Endabschnitt der Elektrode einer Widerstandsaufheizung unterworfen ist.

Die Anwendung hoher Stromdichte ζ. Β. über 46 500 Amp./cm² beim Lichtbogenschweißen mit Schweißmittelabschirmung mittels Pulver oder inertem einatomigem Gas wurde schon seit langer Zeit angestrebt, da sie die Wirksamkeit des Schweißvorganges wesentlich erhöht. Versuche zur Anwendung hoher Stromdichten für solche Schweißungen wurden mit Unterbrechungen mindestens während der letzten 12 Jahre durchgeführt, wobei das Lichtbogenpotential nie mehr als 45 Volt betrug. Der Abstand zwischen Werkstück und der berührenden Düse wurde dabei stets auf dem kleinsten Wert gehalten, den die Belastung durch das Schweißmittel erlaubte. Die Schweißungen wurden jedoch porös und roh in der äußeren Oberflächenschicht, so daß es bisher nicht möglich war, technisch und wirtschaftlich annehmbare Schweißungen herzustellen, obwohl man schon lange wußte, daß mit der Anwendung von höheren Stromdichten höhere Schweißleistungen verbunden sind.

Nach der Erfindung werden diese Schwierigkeiten überwunden und technisch einwandfreie Schweißungen erzielt durch die Kombination des neuen Merkmals a) und der an sich bekannten Merkmale b) und c),

a) die Lichtbogenspannung beträgt mehr als 50 Volt;

b) die Stromdichte in der Elektrode beträgt mehr als 46 500 Amp./cm²;

c) etwaige Abweichungen der Elektrodenneigung vom 45°-WinkeI werden innerhalb von 5° gehalten.

Es ist zwar schon für das Schweißen in Wasserstoffatrnosphäre eine Lichtbogenspannung von 60 bis 100 Volt vorgeschlagen worden, jedoch muß hier in Betracht gezogen werden, daß die Verhältnisse bei Wasserstoff ganz anders liegen und auch dem Fachmann ganz anders erscheinen als bei inertem einatomigem Schutzgas oder bei Pulver. Es ist auch bereits bekannt, daß die Spannung eines Schweißbogens in Wasserstoff ungefähr das Doppelte der Spannung des entsprechenden Bogens in Luft beträgt. Eine ähnliche Relation besteht auch zwischen der Spannung eines wasserstoffgeschützten Bogens und

Verfahren zum Lichtbogenschweißen

mit abschmelzender Elektrode und

mit inertem Schutzgas oder unter Pulver

Anmelder:

Union Carbide and Carbon Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. Januar .1954

Watt Wetmore Webb, Cambridge, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

eines Bogens, der von einem inerten einatomigen Gas oder von einem Pulverschweißmittel geschützt ist.

Hingegen war es, obwohl die Aufrechterhaltung eines adäquaten Elektrodenabstandes in Wasserstoff Spannungen gegen 100 Volt erfordert, wie bereits erwähnt, bisher allgemein üblich, Bogenspannungsquellen unter 50 Volt, meist nur von 25 bis 30 Volt, zu verwenden, wenn mit den anderen Abschirmungsmedien nach der Erfindung gearbeitet wurde.

In der Schweißterminologie wird unter einem »inerten« Gas allgemein ein einatomiges Gas, wie Helium oder Argon, verstanden. Wasserstoff ist aber, unter anderem in Anbetracht der zerstörenden Porositäten, die in einigen Fällen durch das Entweichen

4" von Wasserstoff nach Verfestigung des Schweißmetalles auftritt, mindestens im physikalischen Sinn nicht vollständig inert. Es gehört auch nicht zu den einatomigen Gasen. Das Erfindungsmerkmal a) ist mithin gegenüber dem vorstehend geschilderten bekannten Vorschlag neu, während das Erfindungsmerkmal b), die Verwendung einer Stromdichte in der Elektrode von mehr als 46 500 Amp./cm², an sich l>ekannt war.

Das dritte Merkmal c) der Kombination nach der Erfindung, nämlich Schweißungen unter einem rückwärts geneigten Winkel von etwa 45° auszuführen, war zwar gleichfalls an sich bekannt, doch regt diese allgemeine Kenntnis nicht dazu an, daß diese Winkel, wenn die Elektrode mit höheren Stromdichten be-

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trieben wird, eine kritische Bedeutung erhält, welche durch die angegebenen Toleranzen gekennzeichnet ist.

Die Kombination einer unüblich hohen Lichtbogenspannung mit der hohen Stromdichte und der Aufrechterhaltung der Elektrodenneigung innerhalb genau angegebener Grenzen bildet daher für den Betrieb wesentliche Bedingungen, welche die Erzielung von technisch und zugleich wirtschaftlich annehmbaren Schweißungen bei hohen Elektrodenstromdiditen ermöglichen.

Weitere Eigenschaften der Erfindung sind aus den Darstellungen eines Ausführungsbeispieles sowie aus der Beschreibung zu entnehmen. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Stumpfschweißung, wie sie nach der Erfindung mit einer geneigten Elektrode ausgeführt wurde.

Bei Aus- und Durchführung der Erfindung wird,

mit 0,79 mm Durchmesser sehr wohl erforderlich. Die Elektrode sollte auf eine Spule aufgewickelt und auf einer spulenähnlichen Rolle unter sehr leichtem Rückstellfederdruck gehalten werden. Es ist ferner wünsehenswert, daß die Elektrode kalt fertig verarbeitet wird, um ihre Steifheit zu erhöhen. Obwohl es möglieh ist, auf eine Rolle eine ausgeglühte Elektrode von 0,79 mm Durchmesser aufzuwickeln, hat ein solcher Draht das Bestreben, aus dem Führungsrohr völlig verbogen in einer unvorhersehbaren Form auszutreten, so daß der Weg des Lichtbogens über der Oberfläche des Werkstückes hin- und herschwankt.

Die charakteristischen Unterschiede des Schweißens mit sehr hoher und überhoher Stromdichte sind recht genau bestimmbar und lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Tiefer Einbrand tritt bei normalen Spannungen (weniger als 45 Volt) und einer Stromdichte unter 46 512 Amp./cm² auf. Wird die Stromdichte auf über

wie in Fig. 1 veranschaulicht, eine Schicht 10 20 46 512 Amp./cm² erhöht, nimmt der Einbrand nicht eines granulierten, gegebenenfalls zusammengesetzten sehr viel zu, doch zeigt die Schweißung ein stärkeres Schweißmittels auf dem Werkstück 12 mittels eines Bestreben, porös und sehr viel mehr fadenartig zu Trichters 14 abgelagert, der vor einer Schweiß- erscheinen. Diese Ergebnisse sind im allgemeinen elektrode 16 angeordnet ist, die dem Werkstück kon- unabhängig von der Werkstücksgeschwindigkeit. Nach tinuierlich so zugeführt wird, wie der Trichter und 25 der Erfindung ist es jedoch möglich, durch Erhöhung die Elektrode über das Werkstück in Richtung der des Lichtbogenpotentials auf Werte über 50 Volt und Schweißung bewegt werden. Der Elektrode und dem
Werkstück wird Schweißstrom (Wechsel-oder Gleichstrom) in Reihenschaltung über ein Massekabel 18
und ein Kabel 20 zugeführt, wobei letzteres mit einem 30
Elektrodenführungsrohr 22 verbunden ist, durch welches die Elektrode auf ihrem Weg zur Schweißstelle
läuft. Die Elektrode wird durch eine Elektrodenfördervorrichtung angetrieben, die einen Motor 26
und Elektrodenförder- und -führungsrollen 28 auf- 35 deten Stromdichten scheint das Ausmaß der Elekweist. Die Elektrode ist unter einem Winkel Θ zur trodenabschmelzung in Gewichtseinheiten pro Sekunde Werkstücksoberfläche geneigt, wobei das Fübrungs- in gewissem Umfang von der Betriebshöhe des rohr 22 eine Strecke d vom Ende der Elektrode ent- Stromes, jedoch nicht der Spannung, sowie von dem fernt angeordnet ist. Schmelzmittel abzuhängen. Wird die Stromdichte

Bei den im folgenden zu beschreibenden Versuchen 40 erhöht, ergibt der Durchgang des Stromes durch die nach der Erfindung betrugen die Elektrodenzufuhr- Elektrode im Bereich zwischen der Kontaktdüse und geschwindigkeiten bis zu 65,5 m/min. Jedoch wurden der Spitze des Lichtbogens einen bestimmten Wert Versuche bei zwei mehr oder weniger voneinander der Widerstandsheizung. Der betreffende Leistungsverschiedenen Größenordnungen durchgeführt, und wert beträgt /²T?, wobei R der Widerstand der Elekzwar erstens sehr höhe Stromdichten, d. h. von der 45 trode in diesem Bereich ist. Wird z. B. der Abstand Größenordnung von 46 512 Amp./cm² bei einem Elek- der Kontaktdüse auf etwa 7,6 cm von der Arbeits-

fläche der Grundplatte vergrößert, ergibt sich hieraus eine Zunahme des Ausmaßes der Elektrodenabschmelzung um mindestens das Fünffache des normalen 50 Wertes. Die Beziehung zwischen Stromdichte, der Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit und dem Abstand d zwischen der Kontaktdüse 22 und der Spitze des Lichtbogens 34 (vgl. Fig. 1) hat erhebliche praktische Bedeutung, weil hierdurch das Ausmaß der Widerschen der Leistungszuführung zum Schweißkopf und 55 Standsheizung bestimmt wird. Eine nur geringe der Elektrode selbst auf den Bereich nächst dem Stromerhöhung ergibt z. B. eine Steigerung des Elek-Punkt des Austretens der Elektrode aus dem Füh- trodenverbrauches von 15,24 auf 60,96 m/min,
rungsrohr begrenzt ist. Daher sollten die zwischen Die obige Erläuterung läßt die wesentlichen Merk-

den Triebrollen und der Kontaktdüse verwendeten male der Technik hoher Stromdichte insoweit er-Führungsrohre gegen die Zuleitungsschiene isoliert 60 kennen, als das Schmelzen der Elektrode und der Einwerden, wobei ein elektrischer Kontakt nur in einem brand in dem Werkstoff betroffen ist. Es ist jedoch Rohr, vorzugsweise aus Beryllium-Kupfer, von unge- auch möglich, einige besondere Wirkungen auf den fähr 3,81 cm Länge am unteren Ende der Elektroden- Fluß des Schweiß metalls im Schweißbad zu beobachzuführungsvorrichtung verwirklicht wird. ten- Die Auswirkungen der Stromdichte auf diesen

Die obige Beschreibung bezieht sich auf die Ver- 65 Fluß werden zusammen mit anderen Faktoren nachwendung von Stahlelektroden von 1,59 und 0,79 mm stehend beschrieben.

Durchmesser. Beim Zuführen von Elektroden von Beim Schweißen scheint die Form der Schweißzone

1,59 mm Durchmesser treten stets nur sehr geringe auffällig anders zu sein als die nach dem bisherigen Schwierigkeiten auf, jedoch ist die vorerwähnte Vor- Verfahren, durch welches für gewöhnlich annehmbare sorge für di-ε gleichmäßige Zuführung von Elektroden 70 Schweißungen erzeugt werden. Eine Reihe von Be-

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der Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit auf mindestens 15,24 m/min breite, flache Schweißungen mit geringer Einbrandtiefe zu erzielen.

2. Das Ausmaß der Elektrodenabschmelzung schwankt auffällig mit den besonderen Betriebsbedingungen der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zum gewöhnlich konstanten Ausmaß der Abschmelzung bei normalen Stromdichten. Bei diesen bisher verwen-

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trodenverbrauch von 15,2 m/min, und zweitens überhohe Stromdichten, d. h. von der Größenordnung von 521 Amp./cm² bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von m/min.

Die Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit hängt vom Abstand d der Kontaktdüse (vgl. Fig. 1) sowie von der Stromdichte ab.

Es ist sehr wesentlich, daß die Kontaktzone zwi-

obachtungen liegen schon vor, die gewisse Hinweise Kurzschluß der Elektrode zu berühren, jedoch hängt auf diese im Schweißbad auftretenden Phänomene dies von dem Ausmaß der Elektrodenlänge über den gelten, von denen einige nachstehend behandelt werden. Berührungspunkt hinaus ab. Ein Spannungsabfall von

Es wurde beobachtet, daß eine Erhöhung der 30 Volt wurde bei kurzen freien Längen der Elektrode Stromdichte bei konstanter Lichtbogenspannung eine 5 und hohen Werkstücksgeschwindigkeiten verwendet. Verengung des Schmelzweges des Lichtbogens be- Die Erfindung eignet sich für die verschiedensten

wirkt. Der Weg des Lichtbogens kann nur dort Zwecke, beispielsweise für Stumpfschweißtechnik mit beobachtet werden, wo das Schweißmetall den vom geneigter Elektrode; bei diesem Arbeitsverfahren Lichtbogen geschmolzenen Trog nicht ausfüllt oder (Fig. 1) wird die Elektrode nach rückwärts unter wo es aus diesem Trog durch Lichtbogenkräfte her- io einem Winkel von ungefähr 40 bis 50° geneigt bei ausgeschleudert wird. Anwendung verhältnismäßig hoher Ströme und großer

Längs der Achse des Lichtbogens tritt eine elektro- Werkstücksarbeitsgeschwindigkeit. Hierbei ergeben dynamische oder hydrodynamische Kraft auf. Über- sich breite, flache, glatte Schweißungen,
legungen hinsichtlich der L^Trsache dieser Kraft legen Die Erfindung ist ferner besonders geeignet für

gleichzeitig ein elektronisches und ein ionisches 15 Auftragschweißung. Dieses Verfahren nach der Fig. 1 Bombardement im Lichtbogen oder ein mechanisches hängt von den verhältnismäßig breiten, flachen Herausschleudern flüssigen Schweißmetalls quer zum Schweißungen infolge Neigens der Elektrode in oben Lichtbogen nahe. Außerdem hat das Elektrodenmetall beschriebener Weise ab, jedoch wird außerdem die eine Anfangsgeschwindigkeit, die gleich der Elektro- Widerstandsheizung der Elektrode vorgenommen, um denzufuhrgeschwindigkeit ist, welche, wie festgestellt 20 die Menge des geschmolzenen Elektrodenmetalls im wurde, in einigen Fällen den erheblichen Wert von Vergleich zur Menge des geschmolzenen Werkstück-60,69 m/min erreicht. metalls zu erhöhen. Für dieses Verfahren wurde

Die Wirkung dieser Kraft scheint das flüssige bisher noch keine obere Grenze hinsichtlich des Aus-Schweißmetall aus dem Bereich unterhalb der Elek- maßes der Abscheidung der Elektrode festgestellt, trode herauszuschleudern. Hierdurch ergibt sich eine 25 Typische Schweißbedingungen sind 1000 Amp.,70 Volt, Art Ausspülwirkung auf dem Werkstück, die zu 76,2 cm/min Drähtvorschub sowie ein Elektrodentiefem Einbrand führt. Häufig zeigte die Unter- winkel von 45° bei einem Abstand von 6,35 cm suchung der Krater in den Enden ziemlich kleiner zwischen Kontaktdüse und Werkstück.
Schweißungen, daß, wenn diese Kraft genügend groß Schließlich lassen sich mit der Erfindung auch

ist, das Schweißmetall 10 bis 13 cm hinter die Elek- 30 Sehnellschweißungen von Stahlblech bis über trode geschleudert wurde. 12,7 m/min ermöglichen.

Es hat den Anschein, daß der Erfolg der technischen Maßnahmen, auf Grund der Neigung der Elektrode diese Lichtbogenkraft nach vorwärts zu richten, die Aufrechterhaltung eines Bades von geschmolzenem Metall unterhalb des Elektrodenendes bewirken. Hierdurch werden ein flacher Einbrand und breite, flache Schweißungen erzielt, die längs ihrer Kanten gut in das Werkstück eingeschmolzen sind. Wiederholt wurde beobachtet, daß mittlere Elektrodenwinkel zwischen denjenigen, die breite, flache Schweißungen und jenen, die fadenartige Schweißungen bilden, zu Mischungen von Schmelze und Metall unter Herausschleudern des geschmolzenen Metalls in alle Richtungen führen und hierdurch erweisen, daß es Fälle unstabiler Ränder gibt, sowie daß der Elektrodenwinkel kritisch ist, nämlich bei 45° (± 5°) für den Winkel Θ der Fig. 1.

Bei überhohen Schweißgeschwindigkeiten von 12,7 und 25,4 m/min ist es möglich, einen kontinuierlichen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, wobei sich eine kontinuierliche Ablagerung auf dem Werkstück ergibt. Bei 12,7 m/min wurde eine ununterbrochene Schweißmetallraupe abgelagert, wobei der Weg des Lichtbogens ungefähr zweimal so breit war wie die Schweißraupe, die in dem flachen, vom Lichtbogen geschmolzenen Trog abgelagert wurde. Die Breite des Lichtbogenweges und der Ablagerung kann durch Verwendung von Elektroden kleineren Durchmessers verringert werden.

Beim Schweißen mit sehr hohen und überhohen Stromdichten, insbesondere bei verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten, ist es nicht möglich, erheblich unter 50 Volt zu arbeiten, ohne das Werkstück unter

Claims

PATENTANSPRUCH:

Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode und mit inertem einatomigem Gas oder unter Pulver, wobei die Elektrode dem Werkstück unter einem mit Bezug auf die Schweißrichtung rückwärts geneigten Winkel von etwa 45° automatisch zugeführt wird, ferner mit verhältnismäßig hoher Stromdichte in der Elektrode und vorzugsweise Zuführung des Stromes zu ihr über eine Kontaktdüse, die in einem solchen Abstand von dem abschmelzenden freien Ende der Elektrode entfernt angeordnet ist, daß der Endabschnitt der Elektrode einer Widerstandsaufheizung unterworfen ist, gekennzeichnet durch die Kombination des neuen Merkmals a) und der an sich l>ekannten Merkmale b) und c):

a) Die Lichtbogenspannung beträgt mehr als 50 Volt;

b) die Stromdichte in der Elektrode beträgt mehr als 46 500 Amp./cm²;

c) etwaige Abweichungen der Elektrodenneigung

vom 45°-Winkel
halten.

werden innerhalb von 5° ge-

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 730 149;

belgische Patentschrift Nr. 518 739;

USA.-Patentschriften Nr. 1 746 207, 2 361 918, 444 834;

Zeitschrift »The Welding Journal« 1950, Heft Juni, S. 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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