DE102004053757A1

DE102004053757A1 - Auftragschweissverfahren mittels stromlosen pulverförmigen und stromführenden drahtförmigen Schweisszusatzes bei dessen diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Zuführung zum Schweissbad

Info

Publication number: DE102004053757A1
Application number: DE102004053757A
Authority: DE
Inventors: Jörg Herrmann; Reinhard Dr. Rosert
Original assignee: SCHWEIßTECHNISCHE LEHR- und VERSUCHSANSTALT HALLE GmbH; SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Current assignee: SCHWEIßTECHNISCHE LEHR- und VERSUCHSANSTALT HALLE GmbH; SCHWEISTECHNISCHE LEHR und VER
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-11-06
Also published as: DE102004053757B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Auftragschweißverfahren mittels stromlosen pulverförmigen und stromführenden drahtförmigen Schweißzusatzes bei dessen diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Zuführung zum Schweißbad. DOLLAR A Dabei besitzt der Schweißzusatz (gefüllter oder massiver, hoch legierter Zusatzwerkstoff) eine nahezu rechteckige Querschnittsausbildung, um hohe Abschmelzleistungen, bei stabilem Verlauf des Schweißprozesses, zu erzielen. Das zu beschreibende MSG-Auftragschweißverfahren (Metall-Schutzgasverfahren) kann mit der Zielrichtung sowohl des Auftragschweißens als auch des Verbindungsschweißens eingesetzt werden. DOLLAR A Es ist gekennzeichnet dadurch, dass ein rechteckiger Flachdraht (1) in einem Breiten-/Dickenverhältnis von 5 : 1 bis 10 : 1 in der Schweißrichtung (3) seitlich hochkant ausgerichtet auf einem Bauteil (7) unter Schutzgas abgeschmolzen wird, wobei sich das Schmelzbad abhängig von einem Brenneranstellwinkel gamma (2) und einer Brenneranstellung alpha (10) und einem definierten Flachdrahtwinkel beta (12) unmittelbar am bereits abgesetzten Auftragschweißgut (8) ausbildet und die Pulverzuführung (5) an der Stelle des Lichtbogens (4), in der Übergangszone zwischen Lichtbogenbrennfleck und Schmelzbad oder in das Schmelzbad neben dem Lichtbogenbrennfleck stattfindet, wobei die Werte von Brenneranstellwinkel gamma (2), Brenneranstellung alpha (10) und Flachdrahtwinkel beta (12) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Flachdrahtes (1) gewählt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Auftragschweißverfahren mittels stromlosen pulverförmigen und stromführenden drahtförmigen Schweißzusatzes bei dessen diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Zuführung zum Schweißbad.

Dabei besitzt der Schweißzusatz (gefüllter oder massiver, hoch legierter Zusatzwerkstoff) eine nahezu rechteckige Querschnittsausbildung, um hohe Abschmelzleistungen zu erzielen, bei stabilem Verlauf des Schweißprozesses. Das zu beschreibende MSG-Auftragschweißverfahren (Metall-Schutzgas-Verfahren) kann mit der Zielrichtung sowohl des eigentlichen Auftragschweißens als auch des Verbindungsschweißens eingesetzt werden. Als stromloser Zusatzwerkstoff wird das dem Schmelzbad zugeführte Schweißpulver bezeichnet.

Eine Auftragschweißung wird verfahrenstechnisch in DE 21 12 876 beschrieben. Ein stromführender, im Lichtbogen, abschmelzender Draht mit kreisförmigem Querschnitt wird kontinuierlich zugeführt und gleichzeitig ein Metallpulvergemisch in definierter Körnung dem Draht vorlaufend zugegeben. Hier spielen insbesondere die Verfahrensbedingungen der Pulverzuführung (Fallhöhe, Breite der Streuung zur Naht) eine Rolle, wobei der Winkel des Drahtes aus der Lotrechten (rückwärts zur Vorschubrichtung geneigt, stechende Führung) vorteilhaft mit 5 bis 15° angegeben wird. Es wird nichts zur Verwendung von Schutzgas oder Schutzgasbildnern (ggf. im Pulver) mitgeteilt und vor allem auf die bestehenden Schwierigkeiten einer nicht gelösten Analysenkonstanz des Auftragschweißgutes, bestehend aus Draht- und Pulvermaterial, und seitlicher Pulververluste hingewiesen. Dies sei durch die Ermittlung einer Geschwindigkeit der Pulverzuführung mit bis zu 0,4 m/s und einer Fallhöhe um 1/3 bis 2/3 der Pendelbreite des Drahtes gelöst.

Das Verfahren verwendet traditionelle Runddrähte und erkennt somit noch nicht den Weg der Erhöhung der Abschmelzleistung über die Veränderung der Zusatzwerkstoff-Geometrie.

Eine Draht-Metallpulver-Auftragschweißmethode wurde auch in den „Schweißtechnischen Informationen" aus dem Zentralinstitut für Schweißtechnik der DDR M 639-77 vom 01.07.1977 angegeben.

Neben dem abschmelzenden herkömmlichen Runddraht wurden in besonders ausgebildeten Auftragbrennern Schutzgas- und Metall- bzw. Hartstoffpulverzuführungen integriert. Hierdurch wurden Auftragschweißungen für magnetische und unmagnetische Metallpulver realisiert. Bei letzteren ergaben sich konstruktive Unterschiede bzgl. der Pulverzuführung ( Aufschmelzen des Pulvers mit dem Draht und Einbettung von z. B. Gusshartmetallpulver in die erstarrende Schmelze ). Gemeinsam mit der zur Legierung des Schweißbades benutzten Pulverzuführung wird hier Schutzgas zugeführt.

Mit dem vorbeschriebenen Verfahren und seiner apparativen Umsetzung konnte jedoch noch kein entscheidender Durchbruch zur Verringerung des Aufmischungsgrades und der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Prozessstabilität des Auftragschweißens erreicht werden. Dabei wurden folgende Verschleißarten untersucht:
Mineral-Verschleiß (Abrasion),
Metall-Korn-Gleitverschleiß,
Metall-Warm-Gleitverschleiß.

Weiter sind Forschungsarbeiten bekannt, bei denen man sich sogenannter Bandelektroden im UP-Verbindungsschweißen und UP-Auftragschweißen bedient. Es wurde grundsätzlich ermittelt, dass durch eine geringe Dicke eines verwendeten Flachdrahtes/Bandes die für das Abschmelzen notwendige Wärmeeinbringung sowohl über die Querschnittsfläche bzw. Tropfenoberfläche als auch über die Band-Seitenfläche erfolgt. Damit konnte die Anwendbarkeit zum Auftrag- und Verbindungsschweißen nachgewiesen werden. Es kamen niedriglegierte Bandelektroden mit den Abmessungen 25 × 0,6 mm² und 50 × 0,5 mm² sowie hochlegierte mit den Abmessungen 60 × 0,5 mm² beim UP-Schweißen zum Einsatz. Für das Bandschweißen unter Schutzgas wurden in den vorgenannten Veröffentlichungen Bänder von 14 × 0,5 mm² und 35 × 0,5 mm² eingesetzt. Nachteilig war, dass ein elektroden- als auch ein grundwerkstoffseitiges Wandern oder Pendeln des Lichtbogens mit mehreren Tropfenübergängen auftrat und eine Prozessinstabilität, wie unregelmäßige Nahtausbildung und Spritzerbildungen zu verzeichnen waren.

Neben massiven Bändern wurden versuchsweise auch Füll- oder Sinterbänder eingesetzt. Wie dem vorstehend beschriebenem Stand der Technik zu entnehmen ist, sind noch keine Lösungsansätze vorhanden, die das Auftragschweißen technisch so vervollkommnen, dass einerseits andere Verfahrenslösungen aufgezeigt werden und neuartige Zusatzwerk stoffe Verwendung finden sowie andererseits auch die Leistungsfähigkeit/Prozessstabilität der Auftragschweißung in der vorbekannten Verfahrensweise gesteigert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für das Auftragschweißen, unter Schutzgas, insbesondere mit Schutzgasgemischen, gegenüber den Bandelektroden sogenannte Flachdrahtelektroden in definiertem Breiten-/Dickenverhältnis, massiv oder gefüllt, unter Beachtung neuer Prozessparameter einzusetzen, wodurch ein auch gegenüber herkömmlicher Drahtschweißungen breiteres und flacheres Schmelzbad mit einem geringen Aufmischungsgrad und besseren Ausgasungsmöglichkeiten erzeugbar ist und mittels der neuen Geometrie der Flachdrahtelektroden als Zusatzwerkstoff verbesserte Stromübertragungen im Kontaktrohr eines Brenners ermöglicht werden und zur zielgerichteten Erhöhung der Schichtdicke der Auftragschweißung die Einbringung von zugeführtem (Pulver mit magnetischen und/oder nichtmagnetischen Bestandteilen im und/oder außerhalb des Lichtbogens erfolgt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen die Legierungszusammensetzung, die Schichtdicke und der Aufmischungsgrad beeinflusst und die Anwendung insbesondere im Vergleich zu konventionellen Fülldrähten die Bereiche des Plattierens, des Pufferns, des formgebenden Auftragschweißens und des Schweißpanzerns abdecken.

Mit der Lösung der Aufgabenstellung sind solche Ergebnisse verbunden, wie:

• reproduzierbare Schweißparameter mit definierten Aufmischungsgraden zu sichern
• gute Oberflächenqualität mit minimierten oder in Abhängigkeit vom Einsatzfall nur geringen Nachbearbeitungszeiten, zu garantieren
• große Flächenleistungen bei entsprechend anlagentechnischen und schweißtechnischen Voraussetzungen zu erreichen
• eine gute Eignung verfügbarer Schweißzusätze bzw. Zusatzkombinationen für die unterschiedlichsten Beanspruchungsfälle zu sichern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 13.

Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.

Zur Realisierung des Verfahrens des Auftragschweißens mit gefüllten oder massiven Flachdrähten werden bekannte technische Elemente, wie eine MSG-Schweißstromquelle, ein Metall-Schutzgas-Flachdrahtbrenner (MSG-Flachdrahtbrenner) mit Push-Pull-Drahtvorschubsystem und gerändelten Vorschubrollen, kombiniert, wobei diese an einem Schweißportal installiert sind. Als Flachdrahtführung wird eine rechteckförmige Gleitseele vorgesehen.

Es hat sich gezeigt, dass die geometrischen Abmessungen der verwendeten Flachdrähte für Massivdrähte im Bereich von 4,5 × 0,5 mm² (Legierungsgruppe 1) und 4,0 × 0,4 mm² (CrNi- und basische Flachdrähte) sowie für gefüllte, verschleißbeständige Flachdrähte im Bereich von 4,8 × 0,85 mm² liegen sollten, um gute und reproduzierbare Auftragschweißungen zu erzielen. Dabei können die Auftragschweißungen an unterschiedlichen Grundwerkstoffen und Blechdicken bzw. Verschleißteilen durchgeführt werden.

Wesentlich zur Erzielung einer qualitätsgerechten Auftragschweißung sind die Garantie einer anforderungsgerechten Beschichtung und die eines beherrschbaren Werkstoffübergangs: Dazu bieten sich beim erfindungsgemäßen Verfahren der Impuls- und der Sprühlichtbogen an. Dabei wird erfindungsgemäß insbesondere mit der Impulslichtbogentechnik in Abhängigkeit von Brenneranstellwinkel γ und Brenneranstellung α die Einbrandtiefe, der Aufmischungsgrad und die Prozessstabilität wesentlich beeinflusst.

Je flacher der Brenneranstellwinkel γ (wie bei hoch legierten Flachdrähten z. B. 45°) gewählt werden kann, um so langgestreckter bildet sich das Schmelzbad des Lichtbogens aus; der Einbrand ist geringer, die Aufmischung nimmt ab und die Prozessstabilität bleibt erhalten.

Für hoch legierte Flachdrähte und gefüllte Flachdrähte können in Abhängigkeit vom Legierungstyp die bekannten Brenneranstellungen α stechend, schleppend und neutral (90°) grundsätzlich vorgesehen werden.

Zum Schutz des Schweißbades beim Einsatz hoch legierter Flachdrähte können neben Schutzgas bildenden Pulvern, die auch aufschmelzbare Bestandteile zur Erhöhung der Schichtdicke besitzen, Schutzgasgemische mit den Bestandteilen Ar, CO₂ O₂, He, H₂ und N₂ über die Pulverdüse mit eingebracht werden. Die verwendeten Pulver stellen sich als ein physikalisches Gemisch, ein Agglomerat gesinterten und/oder geschmolzenen und verdüsten Materials dar.

Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Dabei soll auf nachstehend genannte Figuren zurückgegriffen werden:
1: Vorderansicht als Prinzipdarstellung im Schnitt beim Auftragschweißen mit massiven Flachdrähten oder gefüllten Flachdrähten und kombinierter Gas-Pulverzuführung
2: Vorderansicht im Schnitt mit Darstellung des Brenneranstellwinkels γ für massive, hochlegierte Flachdrähte (bis 45°) und gefüllte Flachdrähte (bis 60°) mit koaxial zum Flachdraht angeordneter Gaszuführung
3: Dreidimensionale Darstellung des Flachdrahtwinkels β (90°), der Brenneranstellung α (80°, 90°, 105°) und des Brenneranstellwinkels γ (45–60°) Die im Einzelnen verwendeten Bezugszeichen lauten:

1: Flachdraht
2: Brenneranstellwinkel γ
3: Schweißrichtung
4: Lichtbogen
5: Pulverzuführung
6: rechteckiger Querschnitt
7: Bauteil
8: Auftragschweißgut
9: Stromkontaktrohr
10: Brenneranstellung α
11: Schutzgaszuführung (pulverseitig)
12: Flachdrahtwinkel β
13: Schutzgasdüse – Flachdraht

Nach 1 verläuft die Schweißrichtung 3 in die Bildebene hinein. Es wird gezeigt, dass der Flachdraht 1 mit für massive, hoch legierte oder gefüllte Ausführungen in ausgewählten Brenneranstellwinkeln γ 2 über das hier nicht dargestellte Stromkontaktrohr 9 hochkant im Lichtbogen 4 abgeschmolzen wird. Der Flachdraht 1 nimmt dabei eine Querschnittsform an, die einem Breiten-/Dicken-Verhältnis von 5 : 1 bis 10 : 1 entspricht. Er kann diskontinuierlich (gepulst) oder auch kontinuierlich dem Lichtbogen 4 zugeführt werden. Schutzgasgemische, bestehend aus Argon mit CO₂- und O₂-Anteilen können dabei zusätzlich über eine Schutzgasführung 13 in der Pulverzuführung 5 zur Abschirmung des Auftragsschweißgutes 8 in den Schweißprozess eingeleitet werden.
Bei Fülldrähten, in denen Schutzgasbildner eingebunden sind, kann auf eine Schutzgaszuführung 13 im Stromkontaktrohr 9 verzichtet werden und es kann das Schutzgasge misch mit dem Pulver über die Pulverzuführung 5 aufgebracht werden. Die Pulvergemische mit Körnungen von 63–250 μm bestehen aus Metallen und/oder Nichtmetallen. Letztere sind dabei keramische Pulver in Oxidform oder Hartstoffe. Die Verwendung eines zugeleiteten Schutzgasgemisches, bestehend aus Ar, O₂ (bis 1%) und mindestens einem Anteil von 2,5% CO₂, erbringt einen geringeren Aufmischungsgrad und eine geringe Einbrandtiefe, wobei der Lichtbogen 4 und das Schmelzbad gestreckt werden. Einen wesentlichen Einfluss auf den Aufmischungsgrad des Auftragschweißgutes 8 von Lage zu Lage haben der Brenneranstellwinkel γ 2 und der Flachdrahtwinkel β 12.
In 2 ist daher dargestellt, dass der Brenneranstellwinkel γ 2 zwischen 45° (hoch legierte massive Flachdrähte) und 60° (gefüllte Flachdrähte) beträgt, um den gewünschten geringen Aufmischungsgrad bzw. einen geringen Einbrand herbeizuführen. Es ist erkennbar, dass bei Verringerung des Brenneranstellwinkels γ 2 der Tropfenübergang nicht in der Mitte des Drahtes, sondern an der der bereits geschweißten Auftragslage zugewandten Seite abschmilzt.
Nach 3 ist der Einfluss der Brenneranstellung α 10 zu nennen. Beim Schweißen von Schlacke bildenden, gefüllten Flachdrähten ist es günstig, den Flachdraht 1 möglichst in schleppender Position zu führen, um Fehlstellen in der Beschichtung zu vermeiden. Metallurgische Eigenschaften des Auftragschweißgutes 8 können durch den Brenneranstellwinkel γ 2 bzgl. Härte und. Verschleißverhalten gezielt beeinflusst werden. Die Pulverzuführung 5 sollte zweckmäßigerweise an der Stelle des Lichtbogens 4, in der Grenzregion Lichtbogen 4/der Schmelze oder in die Schmelze – unmittelbar neben dem Lichtbogenbrennfleck – erfolgen. Die Pulverzuführung 5 kann auch aus der Lotrechten geneigt sein.
Die Anwendung des Verfahrens kann z. B. beim Auftragschweißen von Mühlenschlägern oder von Schonern an Baggerschaufeln vorgesehen werden. Es sind hierbei auch mehrlagige Auftragschweißungen denkbar, wobei Schweißgeschwindigkeiten von 2,2 m/min erreichbar sind.
Die massiven oder gefüllten Flachdrähte werden unter Verwendung der Metalle Fe, Ni, Co, Cu, Al oder deren Basislegierungen eingesetzt.

Claims

Auftragschweißverfahren mittels stromlosen pulverförmigen und stromführenden drahtförmigen Schweißzusatzes bei dessen diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Zuführung zum Schweißbad, gekennzeichnet dadurch, dass ein rechteckiger Flachdraht (1) in einem Breiten-/Dickenverhältnis von 5 : 1 bis 10 : 1 in Schweißrichtung (3) seitlich hochkant ausgerichtet über ein Stromkontaktrohr (9) mittels eines Lichtbogens (4) auf einem Bauteil (7) unter Schutzgas abgeschmolzen wird, wobei sich ein Schmelzbad abhängig von einem Brenneranstellwinkel γ (2) und einer Brenneranstellung α (10) und einem definierten Flachdrahtwinkel β (12) unmittelbar an einem bereits abgesetzten Auftragschweißgut (8) ausbildet und eine Pulverzuführung (5) an der Stelle des Lichtbogens (4), in der Übergangszone zwischen dem Lichtbogenbrennfleck und dem Schmelzbad oder in das Schmelzbad neben dem Lichtbogenbrennfleck stattfindet, wobei die Werte vom Brenneranstellwinkel γ (2), der Brenneranstellung α (10) und des Flachdrahtwinkels β (12) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Flachdrahtes (1) gewählt werden.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Brenneranstellwinkel γ (2) bei Verwendung eines hoch legierten Flachdrahtes (1) bis 45° beträgt.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Brenneranstellwinkel γ (2) bei Verwendung eines gefüllten Flachdrahtes (1) bis 60° beträgt.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Brenneranstellung α (10) in den Positionen stechend (> 90°), neutral (= 90°) und schleppend (< 90°) zur Schweißrichtung (3) gewählt wird.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Pulver über die Pulverzuführung (5) physikalische Gemische, Agglomerate gesinterten oder geschmolzenen, verdüsten Materials eingesetzt werden.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass als Pulver physikalische Gemische aus Metallen und/oder Nichtmetallen zur Anwendung kommen.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass als Nichtmetallbestandteile des Pulvers, keramische Pulver als Oxide oder als Hartstoffe vorliegen.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Pulverzuführung (5) aus der Lotrechten geneigt zum Schmelzbad hin gerichtet sein kann.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass eine Schutzgasgaszuführung über die Zuführung des Flachdrahtes (1) in der Kombination Schutzgasdüse-Flachdraht (13) koaxial zum Stromkontaktrohr (9), über die Pulverzuführung (5) oder gemeinsam über beide erfolgt.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei Verwendung gefüllter Flachdrähte, die Schutzgasbildner enthalten, eine zusätzliche Schutzgaszufuhr über die Kombination Schutzgasdüse-Flachdraht (13) entfällt.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1, 9 und 10, gekennzeichnet dadurch, dass als Schutzgasgemisch ein Gemisch aus Argon sowie CO₂-, O₂-, He-, N₂-, und H₂-Anteilen eingesetzt wird.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass CO₂ bis zu einem Anteil von ≥ 2,5% und O₂ bis zu einem Anteil von 1% im Gemisch mit Argon verwendet wird.
Auftragschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass massive oder gefüllte Flachdrähte (1), die unter Verwendung der Metalle Fe, Ni, Co, Cu oder Al bzw. deren Basislegierungen hergestellt wurden, eingesetzt werden.