DE102007009572A1

DE102007009572A1 - Method for the electric arc joining of workpieces comprises using a protective gas containing carbon dioxide, helium and argon

Info

Publication number: DE102007009572A1
Application number: DE200710009572
Authority: DE
Inventors: Thomas Ammann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-08-28

Abstract

Method for the electric arc joining of workpieces comprises using a protective gas containing 0.005-0.5 vol.% carbon dioxide, 5-60 vol.% helium and argon.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenfügen eines Werkstücks unter einem Schutzgas mit einer abschmelzenden Elektrode unter Verwendung eines Kurzlichtbogens, bei welchem Material von der abschmelzenden Elektrode an das Werkstück unter Bildung eines elektronisch gesteuerten elektrischen Kurzschlusses übergeben wird.The The invention relates to a method of arc joining a Workpiece under a protective gas with a melting Electrode using a short arc, in which material from the consumable electrode to the workpiece Formation of an electronically controlled electrical short circuit passed becomes.

Das Lichtbogenfügen unter Schutzgas ist eine viel eingesetzte Fügetechnik. Dabei brennt ein Lichtbogen zwischen einer in einem Brenner angeordneten Elektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück. Eine Schweißverbindung entsteht dabei durch ein Aufschmelzen des Grundwerkstoffs an der Bearbeitungsstelle im Lichtbogen und anschließende Wiedererstarrung des Werkstoffs. Wird eine abschmelzende Elektrode verwendet, geht das Material der Elektrode als Zusatzwerkstoff in die Schweißverbindung ein. Bei einer Hartlotverbindung entsteht die stoffschlüssige Verbindung durch das geschmolzene und wiedererstarrte Lot, welches als Zusatzwerkstoff zugegeben wird. Der Grundwerkstoff wird dabei nicht aufgeschmolzen, vielmehr entsteht eine Verklammerung von Lot und Grundwerkstoff. Beim Hartlöten mit Lichtbogen wird dazu meist eine abschmelzende Elektrode verwendet. Für den Übergang des Elektrodenmaterials gibt es unterschiedliche Varianten, die auch zu unterschiedlich brennenden Lichtbögen führen. So gibt es beispielsweise den Sprühlichtbogen, den Lichtbogen mit globularem Tröpfchenübergang, den rotierenden Lichtbogen mit Tröpfchenübergang und den Kurzlichtbogen. Beim Kurzlichtbogen entsteht zwischen der Elektrode und dem Werkstück, welches als zweite Elektrode gepolt wird, während des Elektrodenwerkstoffübergangs, also wenn das welch gewordene Material sich von der Elektrode zu lösen beginnt und sich eine Brücke zwischen Elektrode und Werkstück ausgebildet, ein elektrischer Kurzschluss. Durch den Kurzschluss wird der sich von der Elektrode abzulösen beginnende Tropfen abgeschnürt, worauf sich der Tropfen von der Elektrode löst. In dem elektrischen Feld, das nun nach Auflösung des Kurzschlusses wieder vorliegt, entzündet sich der Lichtbogen wieder. Ein neuer Zyklus beginnt. Von den meisten Schweißgeräten wird der Schweißstrom in dem Moment nach unten geregelt oder abgeschaltet, in welchem der Kurzschluss ausgebildet wird. Folglich muss der Schweißstrom wieder angelegt werden, damit der Lichtbogen neu gezündet werden kann. Dieses Abschalten des Lichtbogens wird vorgenommen, um die Spritzerbildung, die mit der Kurzschlussbildung einhergeht, einzudämmen.The Arc joining under inert gas is a much used Joining technology. It burns an arc between one arranged in a burner electrode and to be processed Workpiece. A welded connection is created by melting the base material at the processing point in the arc and subsequent re-solidification of the material. If a consumable electrode is used, the material of the Electrode as additional material in the welded joint one. In a braze joint, the cohesive Connection through the molten and re-solidified solder, which is added as a filler. The base material is included not melted, but rather a bracing of solder and base material. When brazing with arc is usually used a consumable electrode. For The transition of the electrode material is different Variants that also cause differently burning arcs to lead. For example, there is the spray arc, the Arc with globular droplet transition, the rotating arc with droplet transition and the short arc. The short arc creates between the electrode and the workpiece, which is poled as a second electrode is, during the electrode material transition, that is, when the material has become detached from the electrode begins and builds a bridge between the electrode and the workpiece trained, an electrical short circuit. By the short circuit becomes the droplets starting to come off the electrode pinched off, whereupon the droplet detaches from the electrode. In the electric field, now after the short circuit Once again, the arc ignites again. A new cycle begins. From most welding equipment the welding current is regulated downwards at the moment or switched off, in which the short circuit is formed. Consequently, the welding current must be re-applied, so that the arc can be re-ignited. This shutdown The arc is made to the splattering that with the formation of short circuits goes hand in hand.

In jüngster Zeit wurde das Verfahren des Schweißens und Hartlötens mit Kurzlichtbogen weiterentwickelt. Voraussetzung dafür war die Möglichkeit einer elektronischen Regelbarkeit. Durch die elektronische Regelung wird in erster Linie der Kurzschlussstrom verringert, so dass der Wärmeeintrag in das Werkstück zurückgeht. Ferner wird mit der elektronischen Steuerung die Abruptheit, mit welcher die Kurzschlussbrücke reist und der Materialübergang stattfindet, wirkungsvoll abgemildert, so dass Schweißspritzer deutlich abnehmen. Wird hingegen nicht mit einer elektronischen Regelung, sondern mit, wie früher üblich, einer Drossel der Lichtbogen geregelt, ist die Spritzerbildung so hoch, dass der Kurzlichtbogen nur in wenigen Anwendungsfällen erfolgreich eingesetzt werden kann. Da durch die elektronische Regelung Spritzerbildung, Wärmeeintrag, Materialübergang und die Wiederzündbarkeit des Lichtbogens beeinflusst wird, verändert sich durch die elektronische Regelung das Verhalten des Schweißprozesses signifikant. Die elektronische Regelung des Kurzlichtbogens betrifft dabei meist die Strom- und Spannungswerte. Teilweise wird auch die Drahtförderung in die Steuerung mit einbezogen. Verfahren und Apparate zum Schweißen mit elektronisch gesteuertem Kurzlichtbogen sind beispielsweise in den Druckschriften US 2005/0056629 , EP 1462207 , EP 1379354 , WO 2005/042199 und WO 2005/051586 erwähnt. In diesen Druckschriften werden einzig in der EP 1462207 als Schutzgas Argon oder eine Mischungen aus Argon mit geringen Anteilen Sauerstoff empfohlen.Recently, the method of welding and brazing with short arc has been further developed. The prerequisite for this was the possibility of electronic controllability. The electronic control reduces the short-circuit current in the first place, so that the heat input back into the workpiece. Furthermore, with the electronic control, the abruptness with which the short-circuiting bridge travels and the material transfer takes place is effectively mitigated so that welding spatters decrease significantly. If, on the other hand, the arc is not controlled by an electronic control but by a throttle, as was customary in the past, the spatter formation is so high that the short arc can only be used successfully in a few applications. Since the electronic control regulates spatter formation, heat input, material transfer and the re-ignitability of the arc, the behavior of the welding process changes significantly as a result of the electronic control. The electronic control of the short arc usually affects the current and voltage values. Partly also the wire promotion is included in the control. Methods and apparatus for welding with electronically controlled short arc are, for example, in the publications US 2005/0056629 . EP 1462207 . EP 1379354 . WO 2005/042199 and WO 2005/051586 mentioned. In these publications are unique in the EP 1462207 argon or a mixture of argon with small amounts of oxygen is recommended as inert gas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches das Schweißen und Löten mit einem elektronisch geregelten Kurzlichtbogen verbessert. Eine Verbesserung soll hinsichtlich der Qualität der Schweißnähte und der Lotverbindungen und auch hinsichtlich der Bearbeitungsgeschwindigkeit erfolgen. Insbesondere soll das anzugebende Verfahren qualitativ hochwertiges Fügen bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglichen.Of the Invention has for its object to provide a method which Welding and soldering with an electronic regulated short-arc improved. An improvement should be made regarding the quality of the welds and the Lotverbindungen and also in terms of processing speed respectively. In particular, the method to be specified should be qualitative high quality joining at high processing speeds enable.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schutzgas 50 bis 5000 vpm (0,005 bis 0,5 Vol.-%) Kohlendioxid, 5 bis 60 Vol.-% Helium und Argon enthält. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren zu einer verbesserten Wiederzündfähigkeit des Lichtbogens führt. Dadurch wird der gesamte Fügeprozess deutlich stabiler und damit besser beherrschbar. Infolgedessen wird die Schweiß- beziehungsweise Lotnaht gleichmäßig mit dem Zusatzmaterial gefüllt, eine gleichbleibende Raupe wird erzeugt und auch die Porenhäufigkeit wird deutlich herabgesetzt. Diese Vorteile stellen sich auch bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten ein, welche bisher nur sehr schlecht beherrschbar waren und deshalb nicht verwendet wurden. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare sehr gute Wiederzündfähigkeit ist notwendig, um einen stabilen Fügeprozess einstellen und folglich qualitativ hochwertige Verbindungen herzustellen zu können. Es sind Steigerungen in der Schweißgeschwindigkeit von bis zu Hundert Prozent möglich – und dies ohne bedeutende Qualitätseinbußen und bei gutem Nahtaussehen. Aufgrund der Möglichkeit höhere Schweißgeschwindigkeiten zu verwirklichen wird auch die Streckenenergie verringert und damit die Belastung der Bauteile vermindert.The object is achieved according to the invention in that the protective gas contains 50 to 5000 vpm (0.005 to 0.5% by volume) of carbon dioxide, 5 to 60% by volume of helium and argon. Surprisingly, it has been shown that the method according to the invention leads to an improved re-ignitability of the arc. This makes the entire joining process much more stable and therefore easier to control. As a result, the welding or solder seam is uniformly filled with the additional material, a constant bead is produced and the pore frequency is significantly reduced. These advantages are also at high processing speeds, which were previously very difficult to control and therefore were not used. The achievable with the method according to the invention very good Wiederzündfähigkeit is necessary to set a stable joining process and thus to be able to produce high-quality compounds. There are increases in welding speed of up to one hundred percent possible - and without significant loss of quality and good seam appearance. Due to the possibility to realize higher welding speeds, the path energy is reduced and thus reduces the load on the components.

Die verbesserte Wiederzündfähigkeit ist auf die Eigenschaften der verwendeten Schutzgasmischung zurückzuführen. Das in der Schutzgasmischung als Dotiergas enthaltene Kohlendioxid lagert sich an der der Oberfläche des Werkstücks an. An diesen Stellen kommt es zu einer Feldüberhöhung des elektrischen Feldes, das durch das Anlegen der Schweißspannung zwischen Elektrode und Werkstück entsteht. An diesen Stellen beginnt nun die Plasmabildung. Zuerst ionisiert nur das Argon. Durch die bei der Ionisation freiwerdenden Elektronen beginnt der Lichtbogen zu brennen, wodurch sich der Energieeintrag stark erhöht. Durch die Dotierung mit 50 bis 5000 vpm bilden sich vereinzelte Inseln aus angelagertem Dotiergas in ausreichender Zahl, um die Plasmabildung zügig und stabil einsetzen zu lassen. Anderseits ist bei dieser Dotierung die Konzentration der Dotiergase so gering, dass unerwünschte metallurgische Effekte nicht auftreten. Argon ist notwendiger Bestandteil der Schutzgasmischung, da durch die Ionisation des Argons die Elektronenemission einsetzt und der Lichtbogen zu brennen beginnt. Deshalb ist ein Argonanteil von mindestens knapp 40 Vol.-%, besser von mindestens knapp 50 Vol.-% notwendig (der genaue Volumenanteil Argon berechnet sich aus 40% beziehungsweise 50% minus Anteil des Kohlendioxids in %). Helium unterstützt mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit den Wärmeeintrag in das Material und sorgt somit für die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung und ist deshalb notwendiger Bestandteil. Im Rahmen der Erfindung hat es sich gezeigt, dass das aus dem Schutzgas entstehende Plasma entscheidend Einfluss auf den Prozess hat und dass das Metalldampfplasma, das durch Ionisation von verdampftem Material entsteht, nur eine untergeordnete Rolle spielt. Dies steht im Widerspruch zu der vor der Erfindung in der Fachwelt verbreiteten Ansicht, dass das Schutzgas beim Schweißen mit elektronisch gesteuertem Kurzlichtbogen abgesehen von der Abschirmung der Umgebung und der Nahtabdeckung so gut wie keinen Einfluss auf den Prozess habe, da es sich beim elektronisch geregelten Lichtbogen um einen sehr kalten Prozess handle. Im Rahmen der Erfindung hat es sich aber nun überraschenderweise gezeigt, dass gerade beim elektronisch geregelten Lichtbogen der Einfluss des Schutzgases von besonderer Bedeutung ist und dies auf die Plasmabildung des Schutzgases zurückzuführen ist. Die Ausbildung des Plasmas hängt wiederum entscheidend von der Schutzgaszusammensetzung ab, woraus sich die vorteilhafte Wirkungsweise der der Erfindung ergibt.The improved re-ignition ability is on the properties attributed to the protective gas mixture used. The carbon dioxide contained in the shielding gas mixture as a doping gas superimposes on the surface of the workpiece at. At these points there is a field swell of the electric field caused by the application of welding voltage created between electrode and workpiece. In these places Now begins the plasma formation. First, only the argon ionizes. By the When the ionization released electrons of the arc begins to burn, which greatly increases the energy input. By doping with 50 to 5000 vpm to form isolated Islands of attached doping gas in sufficient number to the To use plasma formation quickly and stably. On the other hand, With this doping, the concentration of the doping gases is so low that unwanted metallurgical effects do not occur. Argon is a necessary component of the inert gas mixture, as by the ionization of the argon uses the electron emission and the Arc starts to burn. Therefore, an argon content of at least just under 40% by volume, better of at least just under 50% by volume necessary (The exact volume fraction of argon is calculated from 40% or 50% minus percentage of carbon dioxide in%). Helium supported with its high thermal conductivity the heat input into the material and thus ensures the formation of cohesive Connection and is therefore a necessary component. As part of the Invention it has been found that the resulting from the protective gas Plasma has a decisive influence on the process and that the metal vapor plasma, which results from ionization of vaporized material, only one plays a minor role. This is contrary to the preceding the invention spread in the art world view that the inert gas when welding with electronically controlled short arc apart from the shielding of the environment and the seam cover As good as no influence on the process, as it was the case electronically controlled arc around a very cold process handle. In the context of the invention, it has now but surprisingly demonstrated that especially in electronically controlled arc of the influence the protective gas is of particular importance and this on the plasma formation the protective gas is due. Training In turn, the plasma depends critically on the protective gas composition From, from which the advantageous mode of action of the invention results.

Vorteilhafterweise enthält das Schutzgas 30 bis 50 Vol.-% Helium. Damit sich die hohe Wärmeleitfähigkeit des Heliums positiv auf den Prozess auswirkt, ist ein genügend großer Heliumanteil notwendig. Jedoch ist der Heliumanteil nach oben hin begrenzt, da im Schutzgas ausreichend Argon enthalten sein muss, damit die mit Argon beginnende Ionisierung unverzüglich einsetzen kann.advantageously, the protective gas contains 30 to 50 vol.% helium. So that the high thermal conductivity of helium positive affecting the process is a big enough one Helium content necessary. However, the helium content is upwards limited because the protective gas must contain sufficient argon, so that the argon ionization begins immediately can use.

Vorteilhafterweise enthält das Schutzgas 300 bis 700 vpm (0,03 bis 0,07 Vol.-%), vorzugsweise 500 vpm (0,05 Vol.-%) Kohlendioxid. Mit diesem Kohlendioxidanteil wird die Wiederzündfähigkeit besonders vorteilhaft unterstützt.advantageously, the shielding gas contains 300 to 700 vpm (0.03 to 0.07 vol.%), preferably 500 vpm (0.05 vol.%) carbon dioxide. With this carbon dioxide content the re-ignitability becomes particularly advantageous supported.

In besonderer Weise zeigen sich die Vorteile der Erfindung, wenn Werkstücke aus Nickelwerkstoffen gefügt werden. Nickelwerkstoffe weisen eine hohe Heißrissanfälligkeit auf. In Folge dessen ergeben sich beim Fügen von Nickelwerkstoffen häufig Qualitätsprobleme, insbesondere bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein qualitativ hochwertiges Fügen mit elektronisch geregeltem Lichtbogen möglich. Der Heißrissanfälligkeit wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wirkungsvoll entgegen gewirkt, so dass diese Problematik durch das erfindungsgemäße Verfahren auch bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten gelöst ist.In special show the benefits of the invention, when workpieces made of nickel materials. Nickel materials exhibit a high susceptibility to hot cracking. Consequently quality problems often arise when joining nickel materials, especially at high processing speeds. With the invention Procedure will be a high quality joining with electronic controlled arc possible. The hot crack susceptibility becomes effective with the method according to the invention counteracted, so that this problem by the inventive Process solved even at high processing speeds is.

Mit besonderem Vorteil enthält das Schutzgas 1 bis 5 Vol.-% Wasserstoff. Eine Zugabe von Wasserstoff in das Schutzgas wirkt sich insbesondere vorteilhaft aus, wenn Nickelwerkstoffe verbunden werden, da durch den Wasserstoff das Fließverhalten positiv beeinflusst wird.With particular advantage, the protective gas contains 1 to 5 vol .-% Hydrogen. An addition of hydrogen in the protective gas acts particularly advantageous when joining nickel materials, because the hydrogen positively influences the flow behavior becomes.

Auch eine Zugabe von 3 bis 10 Vol.-% Stickstoff in das Schutzgas wirkt sich in vielen Fällen vorteilhaft aus. Durch den Stickstoff werden die Verbindung und die unmittelbare Umgebung der Verbindung metallurgisch positiv beeinflusst. Insbesondere bei Nickelwerkstoffen wirkt sich dies positiv aus.Also an addition of 3 to 10 vol .-% nitrogen in the inert gas acts in many cases advantageous. Through the nitrogen become the connection and the immediate environment of the connection metallurgically positively influenced. Especially with nickel materials this has a positive effect.

Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren die vorgenannten Vorteile in besonders ausgezeichneter Weise aufweist, wenn das Schutzgas aus einer Mischung aus

– Kohlendioxid, Helium und Argon oder einer Mischung aus
– Kohlendioxid, Helium, Argon und Wasserstoff oder aus einer Mischung aus
– Kohlendioxid, Helium, Argon und Stickstoff besteht.

It has been found that the inventive method has the aforementioned advantages in a particularly excellent manner when the inert gas from a mixture of

- Carbon dioxide, helium and argon or a mixture of
- Carbon dioxide, helium, argon and hydrogen or from a mixture of
- Carbon dioxide, helium, argon and nitrogen.

Möglich ist neben diesen Drei- und Vier-Komponenten-Mischungen auch ein Einsatz einer Fünf-Komponenten-Mischung aus Kohlendioxid, Helium, Argon, Stickstoff und Wasserstoff.Possible is in addition to these three- and four-component blends also one Use of a five-component mixture of carbon dioxide, helium, Argon, nitrogen and hydrogen.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißen von Werkstücken von Vorteil. Aber auch beim Hartlöten von Werkstücken zeigt es Vorzüge.In particular, the invention is Method for welding workpieces advantage. But it also shows advantages in the brazing of workpieces.

Die erfindungsgemäßen Vorteile zeigen sich auch bei einer Verwendung einer Schutzgasmischung mit den vorgenannten Bestandteilen und Volumenanteilen zum Schweißen und Hartlöten mit einem elektronisch gesteuerten Kurzlichtbogen.The Advantages of the invention are also apparent a use of a protective gas mixture with the aforementioned components and volume fractions for welding and brazing with an electronically controlled short arc.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2005/0056629 [0003]
- EP 1462207 [0003, 0003]
EP 1379354 [0003]
WO 2005/042199 [0003]
WO 2005/051586 [0003]

Claims

A method of arc blending a workpiece under a shielding gas with a consumable electrode using a short arc in which material is transferred from the ablative electrode to the workpiece to form an electronically controlled electrical short circuit, characterized in that the shielding gas is 50 to 5000 vpm (.005 to 0.5 vol.%) Of carbon dioxide, 5 to 60 vol.% Of helium and argon.

Method according to claim 1, characterized in that the protective gas contains 30 to 50 vol.% helium.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the shielding gas 300 to 700 vpm (0.03 to 0.07 vol .-%), preferably 500 vpm (0.05 vol.%) Of carbon dioxide.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that workpieces made of nickel materials be joined.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the protective gas 1 to 5 vol .-% hydrogen contains.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the protective gas 3 to 10 vol .-% nitrogen contains.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the protective gas of a mixture out - Carbon dioxide, helium and argon or a mixture out - Carbon dioxide, helium, argon and hydrogen or from a mixture of - carbon dioxide, helium, Argon and nitrogen exist.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that workpieces by welding get connected.

Use of at least one shielding gas during arc joining, in particular in arc welding and / or arc brazing, at least one workpiece using a method according to at least one of the claims 1 to 8.