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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragsschweißen
oder Auftragslöten mit einem Lichtbogen, wobei ein Lichtbogen
zwischen abschmelzender Elektrode und Werkstück brennt,
und wobei der Lichtbogen zumindest zeitweise mittels mindestens
eines externen, rotierenden, transversalen Magnetfelds ausgelenkt
wird.
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Zum
Lichtbogenschweißen unter Schutzgas werden verschiedene
Schweißverfahren eingesetzt. Neben dem Verfahren mit abschmelzender
Elektrode, zu welcher das Metall-Aktiv-Gas- und das Metall-Inert-Gas-Schweißen
zählen, gibt es das mit nicht abschmelzender Elektrode
arbeitende Wolfram-Inert-Gas-Schweißen und das Plasmaschweißen.
Zu Steigerung der Produktivität werden in den letzten Jahren
zunehmend Hochleistungsschweißverfahren eingesetzt. Hochleistungsschweißverfahren,
welche in der Regel mit abschmelzenden Elektroden arbeiten, zeichnen
sich im Vergleich zum konventionellen Metall-Schutzgas-Schweißen
durch höhere Abschmelzleistungen der Elektrode aus. Die Abschmelzleistung
ist proportional zum Drahtdurchmesser und zur Drahtvorschubgeschwindigkeit.
Die höheren Abschmelzleistungen lassen sich in höhere Schweißgeschwindigkeiten
oder/und in größere Schweißnahtvolumina
umsetzen. Grundlagen des Metall-Schutzgas-Hochleistungsschweißens
sind im Merkblatt des deutschen Verbandes für Schweißen und
verwandte Verfahren e.V., DSV 0909-1 (September 2000) und DSV 0909-2
(Juni 2003) näher beschrieben.
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Neben
dem Metall-Schutzgas-Schweißen wird seit einigen Jahren
auch das Metall-Schutzgas-Löten (MIG und MAG-Löten)
praktiziert. Hier wird eine Drahtelektrode mit niedrigem Schmelzpunkt
verwendet. Das Ziel ist eine Lötverbindung mit möglichst
keiner oder nur geringer Aufschmelzung des Grundwerkstoffes. Neueste
Entwicklungen versuchen auch eine Kombination beider Prozesse, z.
B. Verbinden von Aluminiumwerkstoffen mit beschichteten Stahlblechen,
wobei zur einen Werkstoffseite hin ein Lötprozess vorherrscht,
und zur anderen ein Schweißprozess.
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Beim
Lichtbogenfügen mit abschmelzender Elektrode brennt ein
Lichtbogen zwischen abschmelzender Elektrode und Werkstück.
Zur Erzeugung des Lichtbogens wird ein elektrisches Feld zwischen Elektrode
und Werkstück angelegt. Der Materialübergang von
der abschmelzenden Elektrode zum Werkstück erfolgt durch
Ablösung von Tropfen von der Elektrode. Neben dem Schweißen
mit nicht pulsierendem Gleichstrom gibt es auch das Schweißen
mit pulsierendem Gleichstrom und mit Wechselstrom. Bei Verwendung
eines Gleichstroms mit positiver Polung der abschmelzenden Elektrode
zur Lichtbogenerzeugung erfolgt die Tropfenablösung unter
Einwirkung des Pincheffekts, der ein Einschnüren des Tropfens
bewirkt und damit die Tropfenablösung unterstützt
und für Prozessstabilität sorgt. Der Pincheffekt unterstützt
die Tropfenablösung nur bei positiver Polung der Drahtelektrode,
nicht aber bei negativer Polung. Eine negative Polung der Elektrode
führt deshalb ohne zusätzliche Maßnahmen
vor allem bei höheren und hohen Abschmelzleistungen zu
einem sehr ungeordneten und wenig effektiven Materialübertrag
von Elektrode zu Werkstück, weshalb eine negative Elektrodenpolung
vermieden wird.
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Beim
Auftragsschweißen und Auftragstöten wird Material
auf ein Werkstück aufgebracht. Das Verfahren wird beispielsweise
benützt, um verschlissene Bauteile zu reparieren, um verschleißfeste oder/und
korrosionsbeständige Rand- oder Oberflächenschichten
aufzubringen und um zu Plattieren und Panzern. Das Material wird
durch Schweißen oder Löten aufgebracht, wobei
eine oder mehrere Lagen aufgetragen werden. Beim Auftragsschweißen und
Auftragslöten wird eine geringe Aufmischung gewünscht,
damit eine Entstehung von intermetallischen Phasen so weit wie möglich
unterbunden wird. Die üblichen Schweißverfahren
führen jedoch insbesondere bei hohen Abschmelzleistungen
zu einer unerwünscht hohen Aufmischung. Ebenso können hohe
Abschmelzleistungen auch beim Metall-Schutzgas-Löten zu
einer unerwünschten Aufmischung führen.
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Weiterhin
ist es bekannt, dass der Lichtbogen mittels externer longitudinaler
oder transversaler Magnetfelder in seiner Beschaffenheit und in
seiner Lage beeinflusst werden kann. Eine Beeinflussung des Lichtbogenschweißens
ist beispielsweise in „Beitrag zur Lichtbogensteuerung
durch transversale Zusatzmagnetfelder bei mechanisierten Lichtbogenschweißverfahren"
von U.Dilthey, Dissertation, RWTH Aachen (technische Hochschule,
Aachen), 1972 beschrieben oder in „Beeinflussung
der Metall-Schutzgasschweißung durch Magnetfelder" von H.B.Basler,
Dissertation, TU Hannover (Technische Universität, Hannover),
1973. Auch im Rahmen eines AIF Vorhaben wurde der Einfluss
von externen Magnetfeldern untersucht, wie die Veröffentlichung "MAGM-Hochleistungsschweißen
mit Massiv- und Fülldrähten", AIF Vorhaben; Abschlußbericht
AIF 103 68N; Datum des Berichts: 28.05.1998, Institut für Schweißtechnische
Fertigungsverfahren der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen, Ulrich Dilthey, P. Warmuth, Techn. Hochsch., ISF,
Aachen, 1998 zeigt.
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Insbesondere
ist hieraus bekannt, dass beim Schweißen mit abschmelzender
Elektrode bei positiver Elektrodenpolung ein um den Schweißbrenner, also
um Elektrode und Lichtbogen, konzentrisch angeordnetes externes
Magnetfeld oder ein externes longitudinales Magentfeld die Tropfenablösung
und den Materialübergang beim Sprüh- oder rotierendem Lichtbogen
beeinflußt.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Auftragsschweißen oder Auftragslöten anzugeben,
das mit einer geringen Aufmischung verbunden ist, wobei eine geringe
Aufmischung insbesondere auch bei hohen Abschmelzleistungen möglich
sein soll. Weiterhin soll die dem Schweißprozess oder dem
Hartlötprozess zugeführte Energie effektiv genutzt
und die Überhitzung des von der Elektrode sich lösenden
Tropfens möglichst gering gehalten werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Elektrode negativ gepolt wird. Durch die negative Polung
der Elektrode wird eine geringe Aufmischung erreicht. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass bei negativer Polung der
Elektrode der Lichtbogen an der Elektrode hochklettert und dadurch
der Wärmeübergang auf einer größeren
Fläche stattfindet. Dadurch reduziert sich die Überhitzung
der Elektrode im Vergleich zum Schweiß- oder Lötprozess
mit positiver Polung. Da aufgrund der negativen Polung der Lichtbogen
hochklettert, umschließt der Lichtbogen einen Bereich am
Abschluss der Elektrode, den Abschlussbereich, und das Ende der
Elektrode. Der gesamte Abschlussbereich der Elektrode wird folglich
im Lichtbogen erwärmt und erweicht. Da ein externes Magentfeld
anliegt, kann ein geordneter und effektiver Übergang des
erweichten Materials erfolgen. Da weiterhin im externen Magnetfeld
auch der Lichtbogen beeinflusst wird, kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch der Wärmeeintrag in das Werkstück
derart modifiziert werden, dass die Aufmischung des Grundwerkstoffs
minimiert und auch die Effizienz des Auftragschweißens
und des Auftragslöten erhöht wird.
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Mit
besonderen Vorteilen wird durch das externe Magnetfeld ein Rotieren
des Lichtbogens und des Abschlussbereichs der Elektrode bewirkt.
Durch das Rotieren des Abschlussbereichs der Elektrode wird der
Materialübergang besonders vorteilhaft unterstützt,
da der im Lichtbogen teigig gewordene Abschlussbereich durch die
Rotierung das Material gezielt an die Bearbeitungsstelle abgibt.
Durch die Rotation des Lichtbogens wird erreicht, dass die durch den
Lichtbogen dem Werkstück zugeführte Wärme einen
größeren Wärmefleck ausbildet. Der Wärmefleck
ist dabei größer im Vergleich zu dem Wärmefleck,
der sich ausbildet, wenn ohne Rotation gearbeitet wird. Ein größerer
Wärmefleck reduziert die Überhitzung im Werkstück
und vermindert dadurch die Aufmischung.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung rotiert das externe transversale
Magnetfeld um die Achse der Elektrode. Ein derart rotierendes Magnetfeld
sorgt für ein Rotieren von Abschlussbereich der Elektrode
und Lichtbogen und damit für einen effektiven Materialübergang
von abschmelzender Elektrode an die Bearbeitungsstelle.
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Mit
besonderen Vorteilen beträgt die Rotationsfrequenz des
externen Magentfelds und/oder des Abschlussbereichs der Elektrode
und/oder des Lichtbogens 5 bis 10 Hz, vorzugsweise 10 bis 40 Hz.
Insbesondere ist es von Vorteil wenn externes Magnetfeld, Abschlussbereich
der Elektrode und Lichtbogen mit der gleichen Frequenz rotieren,
also externes Magnetfeld, Abschlussbereich der Elektrode und Lichtbogen
eine Frequenz von 5 bis 10 Hz, vorzugsweise 10 bis 40 Hz aufweisen.
Es hat sich gezeigt, dass mit diesen Frequenzen der Materialübergang
besonders vorteilhaft erfolgt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung klettert der Lichtbogen
die Elektrode auf einer Länge hinauf, die das zwei- bis
siebenfache, vorzugsweise das drei- bis fünffache des Durchmessers
der Elektrode beträgt. Klettert der Lichtbogen diese Länge
die Elektrode hinauf, wird die Elektrode im unteren Bereich im richtigen
Maße erwärmt und erweicht, so dass die Rotation
des Abschlussbereichs der Elektrode und des Lichtbogens besonders
vorteilhaft unterstützt wird.
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Vorteilhafterweise
weist die Elektrode ein freies Elektrodenende von 18 bis 60 mm,
vorzugsweise von 22 bis 40 mm auf. Bei den angegebenen Werten für
das freie Elektrodenende handelt es sich um sehr große
Werte, die über den üblicherweise verwendeten
Werten liegen. Durch das lange freie Elektrodenende wird die Rotation
des Abschlussbereichs der Elektrode besonders vorteilhaft unterstützt.
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Mit
besonderen Vorteilen wird eine Abschmelzleistung zwischen 7 und
15 kg/h, vorzugsweise zwischen 8 und 11 kg/h verwendet. Das erfindungsgemäße
Verfahren macht ein Auftragsschweißen und Auftragstöten
mit derart hohen Abschmelzleistungen möglich. Die hohen
Abschmelzleistungen ermöglichen hohe Auftragsschweißgeschwindigkeiten
oder/und hohe Auftragsraten.
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Es
wird als Elektrode besonders bevorzugt eine Drahtelektrode mit einem
Durchmesser von 0,8 bis 1,6 mm, vorzugsweise von 1,0 bis 1,2 mm
verwendet. Mit diesen bevorzugten Drahtdurchmessern werden die hohen
Abschmelzleistungen wirkungsvoll unterstützt.
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Mit
Vorteil werden als Schutzgas Gase oder Gasgemische verwendet werden,
die zumindest Argon, Helium, Kohlendioxid, Sauerstoff und/oder Stickstoff
enthalten. Die Festlegung des geeignetes Gas beziehungsweise der
geeigneten Gasmischung erfolgt in Abhängigkeit von der
Schweiß- bziehungsweise Hartlötaufgabe, insbesondere
unter Berücksichtigung von Grund- und Auftragswerkstoff.
Es kommen sowohl die Reingase als auch Zwei-, Drei- und Mehr-Komponenten-Gemische
zum Einsatz. In vielen Fällen erweisen sich auch dotierte
Gasmischungen als besonders vorteilhaft, wobei dotierte Gasmischungen
eine Dotierung mit aktiven Gasen im vpm-Bereich aufweisen, d. h.
die Dotierung erfolgt im Bereich von weniger als einem Prozent,
meist weniger als 0,1 Vol.-%. Als Dotiergas werden aktive Gas, wie
beispielsweise Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid, Lachgas
oder Stickstoff verwendet.
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Im
Schutzgas sind vorteilhafterweise 10 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise
20 bis 80 Vol.-%, besonders bevorzugt 30 bis 70 Vol.-% Helium enthalten.
Eine Zugabe von Helium ist in vielen Fällen empfehlenswert,
da dies die Möglichkeit zu einer gezielten Steuerung der
Aufmischung bietet. Auch wird durch eine Heliumzugabe die Nahtgeometrie
positiv beeinflusst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere,
wenn Werkstücke aus Stählen bearbeitet werden.
So eignet es sich für alle Stahlsorten inklusive Baustählen,
Feinkornbaustählen und nichtrostende Stählen.
Auch für Nickelbasiswerkstoffe sind Anwendungen möglich.
Ebenso ist eine Anwendung für Nichteisenmetalle besonders
vorteilhaft, wie beispielsweise für Aluminium/Aluminiumlegierungen
oder für Magnesium/Magnesiumlegierungen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Merkblatt
des deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte
Verfahren e.V., DSV 0909-1 (September 2000) und DSV 0909-2 (Juni
2003) [0002]
- - „Beitrag zur Lichtbogensteuerung durch transversale
Zusatzmagnetfelder bei mechanisierten Lichtbogenschweißverfahren"
von U.Dilthey, Dissertation, RWTH Aachen (technische Hochschule,
Aachen), 1972 [0006]
- - „Beeinflussung der Metall-Schutzgasschweißung
durch Magnetfelder" von H.B.Basler, Dissertation, TU Hannover (Technische
Universität, Hannover), 1973 [0006]
- - "MAGM-Hochleistungsschweißen mit Massiv- und Fülldrähten",
AIF Vorhaben; Abschlußbericht AIF 103 68N; Datum des Berichts:
28.05.1998, Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen,
Ulrich Dilthey, P. Warmuth, Techn. Hochsch., ISF, Aachen, 1998 [0006]