-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogen-Schutzgasschweißen, bei
dem eine größere Menge
Schweißdraht
in ein Schweißdraht-Magazin
eingelegt und daraus für
einen Schweißprozess
entnommen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum
Lichtbogen-Schutzgasschweißen
umfassend ein Schweißdraht-Magazin zum Einlegen
einer Schweißdrahtspule
und eine Drahtfördereinrichtung.
-
Mangelhafte
Qualität
beim Schutzgasschweißen
entsteht oftmals durch Wasserstoff, welcher gasförmig als freier Wasserstoff
an der Schweißstelle
vorliegt und zu Poren in den Schweißnähten führt. Der freie Wasserstoff
löst sich
im Schweißbad
und erzeugt beim Abkühlen
Poren. Diese sog. Wasserstoff-Porosität bereitet v.a. beim Schweißen von
Aluminium und Aluminiumlegierungen Probleme. Betroffen sind ferner
davon hochreaktive Werkstoffe, wie beispielsweise Titan. Bei diesen Werkstoffen
führen
bereits sehr geringe Wasserstoffkonzentrationen zu mangelhafter
Qualität
der Schweißverbindungen.
Für diese
Werkstoffe sind deshalb besondere Maßnahmen und erhöhte Sorgfalt
aufzuwenden, um die Wasserstoff-Porosität zu unterbinden. Eintragsquellen
für die
Wasserstoff-Porosität
sind beispielsweise der Schweißdraht,
das Schutzgas oder – bei
ungenügender
Abschirmung durch das Schutzgas – die Umgebung selbst. Von diesen
Quellen wird der Wasserstoff hauptsächlich in Form von Feuchtigkeit
eingetragen. Freier Wasserstoff entsteht beim Lichtbogenschweißen aus
der Feuchtigkeit, da durch die Feuchtigkeit Wasserdampf in den Lichtbogen
gelangt und der Wasserdampf aufgrund der hohen Temperaturen im Lichtbogen
zu Wasserstoff dissoziiert.
-
Um
einen Feuchtigkeitseintrag zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass
trockenes Schutzgas verwendet wird und der Schweißdraht frei
von Feuchtigkeit ist. So sind Schutzgasmischungen erhältlich, welche
weniger als 10 ppm Feuchtigkeit aufweisen. Problematischer ist es,
die Schweißdrähte frei
von Feuchtigkeit zu halten. Die Schweißdrähte nehmen durch Adsorption
und Benetzung Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, sobald sie in Kontakt
mit der Umwelt kommen. Deshalb ist es üblich, die Schweißdrähte unter
Schutzgasatmosphäre
verpackt aufzubewahren. Da es sich bei der Wasserstoff-Porosität um ein
sehr sensibles Phänomen
handelt, führt
aber bereits ein relativ kurzer Kontakt des Schweißdrahts mit
der Feuchtigkeit der Umgebungsluft zu starken Qualitätseinbußen. In
Kontakt mit der Umgebung gerät
der Schweißdraht
beispielsweise, wenn der Schweißdraht
zur Verwendung aus der mit Schutzgasatmosphäre befüllten Verpackung entnommen wird.
Eine Möglichkeit,
den Feuchtigkeitseintrag zu unterbinden, ist es, den Schweißdraht unmittelbar vor
der Verwendung zu Trocknen. So werden, beispielsweise von der Firma
Binzel, Drahtvorschubgeräte
mit integrierter Heizeinrichtung angeboten, die den Schweißdraht nicht
nur fördern
sondern auch trocknen.
-
In
dem Artikel „Shielding
Gas for Semiautomtic Welds" von
Viwek V. Vaidya, Welding Journal, September 2002, Seite 43–48 wird
das Problem der Wasserstoff-Porosität diskutiert und es werden – neben
der Trocknung des Schweißdrahts – weitere
Vorschläge
zur Unterbindung der Wasserstoff-Porosität genannt. Beispielsweise wird
eine Verwendung von seifenfreien Drahtvorschubgeräten empfohlen
sowie zur Verwendung eines Schutzgases mit Kohlendioxid und Sauerstoff
und zu einer großen
freien Elektrodenlänge
geraten.
-
Die
bisher bekannten Lösungen
liefern jedoch oft nur ungenügende
Ergebnisse, insbesondere bei unregelmäßiger Benutzung des Schweißgeräts oder
nach Pausen, wie sie beispielsweise am Wochenende, bei Krankheiten
des Personals oder bei Reparatur und Wartung von Geräten entstehen.
Qualitätseinbußen zeigen
sich bereits bei Pausen von einigen Stunden. Bei sehr empfindlichen
Schweißvorgängen und
Werkstoffen ist oftmals bereits der Zeitraum, in welchem der Schweißdraht zum
Verbrauch beim Schweißprozess
ohne Schutzgasatmosphäre vorliegt,
zur Ausbildung der Wasserstoff-Porosität ausreichend. In den Benutzungspausen
und auch während
des Schweißvorgangs
lagert sich an dem Schweißdraht
zuviel Feuchtigkeit an, so dass die bekannten Gegenmaßnahmen
der Wasserstoff-Porosität
nicht entgegen wirken können
und es zu mangelhaften Schweißergebnissen
kommt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, welche auch bei auf Wasserstoff-Porosität empfindlich reagierenden
Werkstoffen zu qualitativ hochwertigen Schweißergebnissen führen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren
dadurch gelöst,
dass das Schweißdraht-Magazin
mit einem Spülgas
beaufschlagt wird und durch das Spülgas im Schweißdraht-Magazin eine
Schutzgasatmosphäre
für den
Schweißdraht
erzeugt wird. Durch die Schutzgasatmosphäre ist der Schweißdraht vor
der Umgebung und insbesondere vor der Feuchtigkeit der Umgebung
geschützt. Üblicherweise
wird der Schweißdraht
unter Schutzgas verpackt. Folglich wird der Schutz aufgehoben, wenn die
Schweißdrahtverpackung
geöffnet
und der Schweißdraht
in das Schweißdraht-Magazin eingelegt
wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird
der Schweißdraht
nun auch im Schweißdraht-Magazin
geschützt.
Die Schutzgasatmosphäre wird
somit bis zur Verarbeitung des Schweißdrahts nicht (beziehungsweise
nur sehr kurz beim Einlegen des Drahtes) unterbrochen. Die Verweildauer
des Schweißdrahts
im Schweißdraht-Magazin
beträgt meist
mehrere Tage. Zur Verweildauer zu rechnen ist die Verarbeitungszeit,
welche für
den im Magazin bereitgestellten Schweißdraht benötigt wird und welche bei üblichen
Drahtspulen mit mindestens zwei Tagen angesetzt werden muss, und
die Pausenzeiten, in welchen der Schweißprozess unterbrochen wird,
beispielsweise bei Wartungsarbeiten, am Wochenende, bei Krankheit
von Personal oder aus organisatorischen Gründen. Durch das Beaufschlagen
des Schweißdraht-Magazins
mit Spülgas
ist der Schweißdraht
auch während
dieser Zeit geschützt. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird es somit möglich,
die Wasserstoff-Porosität
wirkungsvoll zu unterbinden und qualitativ hochwertige Schweißverbindungen
auch bei empfindlichen Werkstoffen zu erreichen.
-
Vorteilhaftennreise
wird in dem Schweißdraht-Magazin
ein leichter Überdruck
an Spülgas aufgebaut.
Wird der Spülgasfluss
derartig gewählt, dass
in dem Schweißdraht-Magazin
ein leichter Überdruck
aufgebaut wird, wird der Schweißdraht besonders
gut vor der Umgebung geschützt,
da wegen des Druckunterschieds ein Einbruch von Umgebungsluft und
Zugluft wirkungsvoll unterbunden wird.
-
Der
Schweißdraht
wird vorteilhafterweise mittels einer sich in dem Schweißdraht-Magazin befindenden
Drahtfödereinrichtung
entnommen. Ferner wird vorteilhafterweise ein auf eine Drahtspule
aufgewickelter Schweißdraht
in das Schweißdraht-Magazin eingelegt,
da eine Drahtspule besonders einfach und schnell ausgetauscht werden
kann. Befindet sich nun eine Drahtfördereinrichtung und eine Drahtspule in
dem Schweißdraht-Magazin,
bezeichnet man dieses als Vorschubkoffer. Vorschubkoffer sind in
der Schweißtechnik
weit verbreitet. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun ein
solch üblicher
Vorschubkoffer mit einem Spülgas
beaufschlagt. Da dazu – abgesehen
von einem Anschluss für
das Spülgas – keine Änderungen
am Vorschubkoffer notwendig sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders
einfach durchzuführen.
Für den
Auslass des Spülgases
wird in dieser Ausgestaltung vorteilhafterweise der Schweißdrahtausgang
verwendet. Jedoch ist es auch möglich,
dass ein abgeschlossenes Schweißdraht-Magazin
benutzt wird, aus welchem der Schweißdraht mit einer eigenen Vorrichtung
durch Ziehen entnommen wird, oder dass die Drahtspule von außerhalb
des Magazins her abgewickelt wird. Auch in diesen Fällen kann
das Magazin problemlos mit Spülgas
beaufschlagt werden und es zeigen sich die Vorteile der Erfindung.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Schweißdraht-Magazin
im Schweißprozess
und auch während
Pausen gespült.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die Schutzgasatmosphäre
im Magazin nicht aufgehoben wird. Für das Beaufschlagen mit Spülgas bieten
sich verschiedene Möglichkeiten
an. Das Schweißdraht-Magazin
wird kontinuierlich gespült.
Durch die in der Regel gleichmäßige Zufuhr
von Spülgas
wird die Schutzgasatmosphäre im
Schweißdraht-Magazin
fortwährend
erneuert und der Schweißdraht
wird besonders wirkungsvoll von der Umgebung geschützt. An
undichten Stellen auftretende Gasverluste werden bei kontinuierlicher
Zufuhr sofort wieder ersetzt. Eine andere Möglichkeit ist es, die Spülgaszufuhr
immer wieder zu unterbrechen und das Schweißdraht-Magazin nur in bestimmten Zeitabständen zu
spülen.
Dazu wird beispielsweise ein Ventil automatisch geöffnet oder
die Schutzgaszufuhr wird in den Arbeitsablauf mit einbezogen und die
Zufuhr wird immer wieder von Hand geöffnet. Auch kann es in manchen
Fällen
auch Vorteile bieten, den Spülgasfluss
immer wieder zu verändern.
-
Vorteilhafterweise
wird dabei mit einem Spülgasfluss
zwischen 0,05 l/min bis 5 l/min, vorzugsweise zwischen 0,1 l/min
und 1 l/min gespült.
Bei diesen Werten für
den Spülgasfluss
wird im Schweißdraht-Magazin
eine Schutzgasatmosphäre
aufgebaut, die die Anfordernisse erfüllt.
-
Nach
dem Einlegen des Schweißdrahts
wird das Schweißdraht-Magazin
mit besonderen Vorteilen zeitlich begrenzt geflutet bis das Schweißdraht-Magazin
im wesentlichen mit Spülgas
befüllt
ist. Durch das Fluten des Magazins mit Spülgas wird die Umgebungsluft
und Feuchtigkeit besonders effektiv verdrängt und die Schutzgasatmosphäre wird
zügig aufgebaut.
-
Vorteilhafterweise
wird dabei mit einem Spülgasfluss
zwischen 0,5 l/min und 80 l/min, vorzugsweise zwischen 10 l/min
und 40 l/min gespült.
Mit diesen Werten für
den Spülgasfluss
wird erreicht, dass die Flutung des Schweißdraht-Magazins innerhalb einer nicht
zu langen Zeitspanne durchgeführt
wird.
-
Mit
besonderen Vorteilen wird der Schweißdraht als abschmelzende Elektrode
verwendet. Beim MIG-/MAG-Schweißen
wird der Schweißdraht
als abschmelzende Elektrode verwendet. Dazu wird der Schweißdraht in
die Schweißdüse geführt. Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird somit die Elektrode vor der Umgebung geschützt. Das Verfahren lässt sich
jedoch auch auf das WIG-Schweißen
anwenden, bei welchen eine nicht abschmelzende Wolframelektrode
verwendet wird und der Schweißdraht nicht über die
Schweißdüse, sondern
von außen
der Schweißstelle
zugeführt
wird.
-
In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird mit Argon gespült. Argon
ist ein schwer flüchtiges
Inertgas, mit welchem die Schutzgasatmosphäre vorteilhaft aufgebaut werden
kann. Zudem ist es preiswert. Darüber hinaus können auch
andere inerte oder reaktionsträge
Gase, wie beispielsweise Stickstoff, oder Gasgemische aus inerten
und/oder reaktionsträgen
Gasen verwendet werden. Auch die Schutzgasmischung, die zum Lichtbogenschweißen selbst
verwendet wird, kann unter Umständen
zur Erzeugung der Schutzgasatmosphäre benutzt werden.
-
Besonders
vorteilhaft eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißen von
Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titan und/oder Titanlegierungen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird
die Wasserstoff-Porosität
auch bei diesen sehr empfindlichen Werkstoffen wirkungsvoll unterbunden.
Geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren auch
für andere
hochreaktive Werkstoffe, beispielsweise Zirkonium, Tantal und Legierungen
aus diesen Elementen.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Schweißdraht von
dem Schweißdraht-Magazin
an einen Schweißbrenner
geführt, wobei
der Schweißdraht
von einem Spülgas
umhüllt wird.
Folglich befindet sich der Schweißdraht nicht nur im Schweißdraht-Magazin
sondern auch auf der Strecke zwischen Magazin und Schweißbrenner
in einer Schutzgasatmosphäre.
Wird das Spülgas
zuerst im Magazin benützt
und anschließend
weitergeleitet und auch auf dem Weg zum Schweißbrenner verwendet, wird kein
weiteres Spülgas
benötigt. Möglich ist
es jedoch auch, dass ein eigener Anschluss für weiteres Spülgas vorgesehen
wird.
-
Vorteilhafterweise
wird dabei das Spülgas zusammen
mit dem Schweißdraht
von dem Schweißdraht-Magazin
aus weiter zum Schweißbrenner
geführt.
Der Schweißdrahtausgang
wird somit als Spülgasauslass
verwendet. Bei einer direkten Weiterleitung des Spülgases vom
Magazin aus in die Umhüllung
des Schweißdrahts
zusammen mit dem Schweißdraht
wird kein zusätzlicher
Anschluss oder Leitung benötigt. Üblicherweise
bedeutet dies, dass das sogenannte Schlauchpaket, in welchem u.a.
der Schweißdraht
zum Schweißbrenner
geführt
wird, an das Schweißdraht-Magazin
angeschlossen wird.
-
Die
Aufgabe wird ferner für
die Vorrichtung dadurch gelöst,
dass das Schweißdraht-Magazin einen Spülgasanschluss
aufweist. Das Spülgas
fließt durch
den Spülgasanschluss
in das Schweißdraht-Magazin.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist
somit die vorgenannten Vorteile auf.
-
Vorteilhafterweise
ist die Drahtfördereinrichtung
im Schweißdraht-Magazin
angebracht. Ein derartiges Schweißdraht-Magazin – es handelt
sich um einen Vorschubkoffer – ist
weit verbreitet.
-
In
vorteilhaften Ausgestaltung Weiterbildung der Erfindung weist das
Schweißdraht-Magazin einen Schweißdrahtausgang
auf, welcher als Spülgasauslass
dient. Diese besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist alle Vorteile auf.
-
In
vorteilhafter Weiterbildung mündet
der Spülgasauslass
des Schweißdraht-Magazins
in einem Spülgaseinlass
für eine
Schweißdraht-Zufuhreinrichtung
zu einem Schweißbrenner:
-
Die
Vorteile der Erfindung werden nun anhand von vier beispielhaften
Ausführungen,
die sich alle auf die in 1 gezeigte, beispielhafte Ausgestaltung
beziehen.
-
1 zeigt
einen Vorschubkoffer 1, eine Drahtspule 2 mit
Schweißdraht 3,
eine Drahtfördereinrichtung 4 mit
Drahtförderspulen 5,
einen Spülgasanschluss 6 und
einen Schweißdrahtausgang 7 sowie
eine Gasflasche 8 und eine Gasleitung 9. 1 ist
nicht maßstabsgerecht
dargestellt. Zum Einlegen der Drahtspule 2 wird der Vorschubkoffer 1 geöffnet, der
aus der mit Schutzgas gefüllten
Verpackung entnommene Schweißdraht
wird in die Spule eingelegt und der Schweißdraht 3 wird in die
Drahtförderspulen 5 der
Drahtfördereinrichtung 4 zu
dem Drahtausgang 7 geführt.
Der Schweißdraht
wird weiter – in
der Regel in einem Schlauchpaket – in einen Schweißbrenner
geführt,
wo er die abschmelzende Elektrode bildet. Wird zum Schweißen eine
Schutzgasmischung mit Aktivgas, beispielsweise eine Mischung aus
Argon und Sauerstoff, verwendet, handelt es sich um Metall-Aktivgas-Schweißen; bei
Verwendung eines Inertgases als Schutzgas handelt es sich um Metall-Inertgas-Schweißen.
-
Erfindungsgemäß wird im
ersten Ausführungsbeispiel
der Vorschubkoffer 1 nach dem Einlegen des Schweißdrahts
und dem Schließen
des Vorschubkoffers mit einem Spülgas
geflutet. Dazu ist an dem Spülgasanschluss 6 eine
Gasleitung 9 angeschlossen, welche an eine beispielsweise
mit Argon befüllte
Gasflasche 8 führt.
Zum Auslass des Spülgases
wird der bereits vorhandene Schweißdrahtausgang 7 verwendet.
Zum Fluten des Vorschubskoffer wird durch Betätigung der Flaschenarmaturen
ein Spülgasfluss
von in etwa 20 l/min eingestellt. Da die Abmessungen des Vorschubkoffers
in etwa 20 cm × 40
cm × 50
cm betragen und sich somit ein Volumen von 40 l für den Vorschubkoffer
ergeben, ist der Vorschubkoffer nach ca. 2 min mit dem Spülgas geflutet. Nach
dem Fluten wird der Spülgasfluss
auf 0,5 l/min eingestellt und ein kontinuierlicher Spülgasstrom schützt den
Schweißdraht
vor den Einwirkungen der Umgebung. Der Spülgasstrom wird nicht unterbrochen,
solange sich der Schweißdraht
in dem Vorschubkoffer befindet. Erst wenn die Drahtspule leer ist,
wird das Spülgas
abgedreht. Der Schweißdraht ist
folglich durch das erfindungsgemäße Verfahren auch
nach dem Auspacken bis zum Verbrauch vor der Umgebungsatmosphäre geschützt.
-
In
der zweiten beispielhaften Ausführung
der Erfindung wird der Vorschubkoffer 1 nach Beendigung
des Einlegevorgangs mit Spülgas
geflutet. Dazu wird ein Ventil, das in der von der Gasflasche 8 zu
dem Spülgasanschluss 6 führenden
Gasleitung 9 angebracht ist, für 5 min geöffnet und danach wieder geöffnet. Der
Spülgasfluss
ist auf in etwa 8 l/min eingestellt. Der Vorschubkoffer wird in
dieser Zeit mit Spülgas
befüllt.
Nach der Flutung wird der Spülgasfluss
durch Schließen
des Ventils unterbrochen. Während
sich nun die Drahtspule 2 mit dem Schweißdraht 3 in
dem Vorschubkoffer 1 befindet, wird der Spülvorgang
alle Stunde für
2 min durch Ventilöffnung
wiederholt. Aus dem Vorschubkoffer austretendes Spülgas wird
im Spülvorgang
ersetzt und der Schweißdraht
ist vor Feuchtigkeit der Umgebung geschützt.
-
Auch
in der dritten beispielhaften Ausgestaltung wird der Vorschubkoffer 1 mit
Spülgas
geflutet. Das Vorgehen entspricht dabei dem der zweiten Ausgestaltung.
Im Unterschied dazu wird jedoch von einer Wiederholung des Spülvorgangs
abgesehen. Dieses Vorgehen empfiehlt sich v.a. bei zügigem Verbrauch
des Schweißdrahts
und geringer Leckrate des Vorschubkoffers.
-
Im
Unterschied zu den vorherigen Ausgestaltungen wird in der vierten
beispielhaften Ausführung
vom Fluten des Vorschubkoffers abgesehen. Erfindungsgemäß wird der
Vorschubkoffer jedoch mit Spülgas
gespült.
Dazu ist der Vorschubkoffer 1 an die Gasflasche 8 angeschlossen
und ein kontinuierlicher Spülgasfluss
von beispielsweise ca. 1 l/min wird eingestellt. Der Austausch der
Umgebungsatmosphäre mit
der schützenden
Spülgasatmosphäre findet
nur sehr langsam statt, jedoch entfällt ein Nachregeln des Spülgasflusses
und auch beim Einlegen von neuem Schweißdraht kann eine Unterbrechung
des Spülgasflusses
unterbleiben. Die Vorteile der Erfindung zeigen sich auch in dieser,
sehr einfach auszuführenden
Ausgestaltung.