DE102012218931A1

DE102012218931A1 - Metallschutzgasschweißverfahren

Info

Publication number: DE102012218931A1
Application number: DE201210218931
Authority: DE
Inventors: Tim Rothenwöhrer; Dieter Glass; Rudolf Sturm; Reinhard Holzner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Bei einem Metallschutzgasschweißverfahren (MSG-Schweißverfahren), insbesondere zum Verschweißen eines Grundmaterials aus Aluminium, wird die Entstehung von MSG-spezifischen Nahtanfangsfehlern dadurch wirksam unterbunden, dass das zu verschweißende Grundmaterial vor dem Zünden des Metallschutzgasschweißbrenners zumindest bis zum Anschmelzen mit Hilfe eines zusatzmaterialfreien Wolframinertgasbrenners erhitzt und der Metallschutzgasschweißprozess derart nacheilend gezündet wird, dass das Grundmaterial am Nahtanfang im noch angeschmolzenen Zustand metallschutzgasverschweißt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metallschutzgasschweißverfahren (MSG-Verfahren) insbesondere zum Verschweißen von Aluminiumteilen, wie es in Form eines Metallinert- oder Metallaktivgasschweißverfahrens (MIG- oder MAG-Verfahren) bekannt ist.
In der EP 1 454 705 A1 ist ein Laserschweißverfahren für Aluminiumteile vorbeschrieben, bei dem die hochgradig temperaturfesten Oxidschichten oder andere Oberflächenverunreinigungen vor oder während der Laserbearbeitung mit Hilfe eines in einem Wechselstromfeld erzeugten Plasmas abgetragen werden, ohne dass das Grundmaterial aufgeschmolzen wird, während der eigentliche Schmelz- und Schweißprozess durch den Laserstrahl bewirkt wird.
Anders jedoch als beim Laser- oder auch beim Wolframinertgasschweißen (WIG-Schweißen), wo der Laserstrahl bzw. der Lichtbogen unabhängig von einer Zugabe von Zusatzmaterial erzeugt wird, wird beim MSG-Verfahren der Zusatzwerkstoff durch die kontinuierlich nachgeführte und abschmelzende Schweißelektrode selbst gebildet, mit dem MSG-spezifischen Effekt, dass am Beginn des MSG-Prozesses ein Nahtanfangsfehler entsteht, für den als einzige Gegenmaßnahme verbleibt, entweder den Nahtanfangsfehler durch eine aufwändige Nachbearbeitung zu beseitigen oder den Nahtanfang in einen Werkstückbereich zu verlegen, wo er nicht stört, z. B. weil dieser Werkstückbereich später als Abfall abgetrennt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metallschutzgasschweißverfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass die Entstehung von störenden Nahtanfangsfehlern wirksam unterbunden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete MSG-Verfahren gelöst.
Erfindungsgemäß wird durch das dem Zündvorgang vorauseilende Aufschmelzen des Grundmaterials am Nahtanfang in Verbindung mit der verzögerten, im zumindest noch angeschmolzenen Bereich des Grundmaterials ausgelösten Zündung des MSG-Brenners sichergestellt, dass sich das Grundmaterial zu Schweißbeginn im bereits vorgeschmolzenen Zustand befindet und sich daher auch an der kritischen Nahtanfangsstelle innig mit dem abschmelzenden Elektrodenmaterial verbindet, mit dem Ergebnis, dass die fertige Schweißnaht erfindungsgemäß auf fertigungstechnisch einfache Weise von qualitätsmindernden Nahtanfangsfehlern freigehalten wird.
Vorzugsweise erfolgt die Vorerhitzung des Grundmaterials auf Schmelztemperatur durch einen Plasmastrahl, welcher zweckmäßigerweise mit Hilfe eines zusatzwerkstofffreien Wolframinertgas-Schweißbrenners (WIG-Brenners) erzeugt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der MSG-Brenner möglichst nahe am Plasmastrahl bzw. am WIG-Brenner positioniert, um den zur Aufrechterhaltung des Schmelzzustandes bis zur Zündung des MSG-Prozesses erforderlichen Wärmeeintrag gering zu halten, wobei allerdings ein Mindestabstand zwischen der WIG- und der MSG-Elektrode nicht unterschritten werden darf, um eine Wechselwirkung zwischen den beiden Lichtbögen zu unterbinden. Ein in dieser Hinsicht besonders bevorzugter Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der WIG-Brenner mit einem variabel einstellbaren Inertgasgemisch betrieben wird, um so die Wechselwirkung zwischen den Lichtbögen und somit den erforderlichen Mindestabstand zwischen den Elektroden bei gleichbleibend hohem Wärmeeintrag verändern und vor allem reduzieren zu können.
Zwar ist es prinzipiell möglich, die Vorerhitzung des Grundmaterials nach dem Zünden des MSG-Brenners zu beenden, insbesondere beim Verschweißen von Aluminiumteilen empfiehlt es sich jedoch, dem MSG-Brenner zum Zwecke einer Oberflächenreinigung während des gesamten Schweißprozesses eine Wechselstrom-Plasma- bzw. WIG-Behandlung vorzuschalten.
Von besonderer Bedeutung ist das erfindungsgemäße Schweißverfahren in dem bevorzugten Anwendungsfall einer viellagigen Schweißnaht, denn hier lassen sich sonst Nahtanfangsfehler, die von darüber liegenden Schweißlagen überdeckt werden, nachträglich kaum mehr korrigieren, so dass das gesamte Werkstück als Ausschuss klassifiziert werden muss.
Ein weiterer, besonders bevorzugter Anwendungsfall der Erfindung betrifft das Metallschutzgasverschweißen an einem höhensprungartig abgesetzten Fügespalt. Während beim herkömmlichen MSG-Schweißprozess der Lichtbogen zu der höheren Begrenzungswand des Fügespalts abgelenkt wird und dadurch an der Schweißstelle eine zum Fügespalt asymmetrische Schweißwurzel entsteht, wird ein solcher Nahtlagenfehler erfindungsgemäß durch die vorauseilende Materialaufschmelzung der Fügespaltwände wirksam unterbunden.
Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 eine MSG- und WIG-Brennerkombination zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Nahtanfang;
2 die in 1 gezeigte Brennerkombination bei der Herstellung einer viellagigen Schweißnaht; und
3 die in 1 gezeigte Brennerkombination beim Verschweißen eines höhensprungartig abgesetzten Fügespalts.
Die in 1 dargestellte Brennerkombination 1, 2 besteht aus einem in Vorschubrichtung V vorderen, zusatzmaterialfreien Wolframinertgasbrenner 1 (WIG-Brenner) und einem mit diesem vorschubfest verbundenen Metallinertgasbrenner 2 (MIG-Brenner), welche am Nahtanfang 3 einer auf ein Grundmaterial 4 aus Aluminium aufzubringenden – in 1 strichpunktiert markierten – Schweißnaht positioniert sind.
Der WIG-Brenner 1 wird wechselstrombetrieben, derart, dass das ausströmende Inertgas in einen pulsierenden Plasmastrahl 5 umgewandelt und im Bereich der Nahtanfangsstelle 3 ein Schmelzbad 6 im Aluminiumteil 4 erzeugt wird. Bis zu diesem Zeitpunkt bleibt der MIG-Brenner 2 ausgeschaltet. Sobald dessen Elektrode 7 jedoch das Schmelzbad 6 überfährt, wird der MIG-Brenner 2 gezündet, so dass das von dessen nunmehr kontinuierlich nachgeführter und abschmelzender Elektrode 7 gebildete Zusatzmaterial am Nahtanfang 3 dem zuvor erzeugten Schweißbad 6 zugegeben wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Nahtanfang 3 von qualitätsmindernden Nahtanfangsfehlern freigehalten wird. Für die Dauer des restlichen Schweißprozesses bleiben die beiden Brenner 1 und 2 kontinuierlich eingeschaltet.
Damit sich das Grundmaterial 4 noch im zumindest angeschmolzenen Zustand befindet, wenn der MIG-Brenner 2 den Nahtanfang 3 erreicht, der Wärmeeintrag des WIG-Brenners 1 aber dennoch gering gehalten werden kann, sind die beiden Brenner 1, 2 möglichst nahe voneinander beabstandet. Ihr Mindestabstand wird allerdings dadurch begrenzt, dass eine Wechselwirkung zwischen den Lichtbögen in jedem Fall unterbunden wenden muss. Eine in dieser Hinsicht wirksame Maßnahme besteht darin, dass der WIG-Brenner 1 mit einem veränderlich einstellbaren Inertgasgemisch betrieben wird, derart, dass sich durch eine entsprechende Gemischzusammensetzung trotz verringerter Lichtbogenstärke ein gleichbleibend hoher Wärmeeintrag des Plasmastrahls 5 erzielen und auf diese Weise der Mindestabstand zwischen den Elektroden 7, 8 ohne das Risiko einer gegenseitigen Lichtbogenbeeinflussung reduzieren lässt.
2, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Komponenten durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, zeigt die Brennerkombination 1, 2 bei der Herstellung einer viellagigen Schweißnaht 9 an einem gewölbten Aluminiumkörper 4. Die beiden Brennerelektroden 7, 8 sind wiederum unter Beachtung der erwähnten Minimaldistanz nahe voneinander beabstandet, in diesem Fall jedoch zueinander geneigt auf den jeweiligen Krümmungsmittelpunkt des Aluminiumkörpers 4 ausgerichtet. Der Hauptzweck des vorgezündeten WIG-Brenners 1 besteht wiederum in der Verhinderung von Nahtanfangsfehlern, da jedoch der WIG-Brenner 1 auch bei diesem Anwendungsfall kontinuierlich eingeschaltet bleibt, ist die zuletzt abgelegte Schweißlage 10 beim Durchgang des MIG-Brenners 2 nicht nur durch den Plasmastrahl 5 des WIG-Brenners 1 örtlich angeschmolzen, sondern vor allem auch von Schmauchspuren oder anderen Verunreinigungen, die sich auf der Oberfläche der letzten Schweißlage 10 nach dem vorherigen Durchgang des MIG-Brenners 2 abgesetzt haben, befreit, mit dem Ergebnis, dass die so erzeugte, viellagige Schweißnaht 9 eine homogene und durchgehend fehlerfreie Struktur besitzt. An einem im Querschnitt geschlossenen Grundkörper 4, also etwa einem in Umfangsrichtung geschlossenen Fügespalt, können sämtliche Schweißlagen nacheinander in einem kontinuierlichen Schweißprozess mit Hilfe einer einzigen WIG-/MIG-Brennerkombination 1, 2 aufgebracht werden.
Anhand der 3 wird das erfindungsgemäße Schweißverfahren in dem kritischen Anwendungsfall eines stufenförmig abgesetzten Fügespalts 11 beschrieben. In diesem Fall hat der Lichtbogen des MIG-Brenners 2 insbesondere am Nahtanfang die Tendenz, zu der überständigen Begrenzungswand 12 des Fügespalts 11 auszuwandern, so dass die entstehende Nahtwurzel 13 zur Fügespaltmitte asymmetrisch geneigt ist. Durch den Vorschmelzeffekt des WIG-Brenners wird – wie aus 3 ersichtlich – ein derartiger Nahtlagenfehler wirksam verhindert.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung zwar nur in Verbindung mit einem MIG-Schweißprozess erläutert, jedoch ist sie in gleichartiger Weise auch für eine andere Metallschutzgas-Schweißmethode, also auch für das Metallaktivgasschweißen, verwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1454705 A1 [0002]

Claims

Metallschutzgasschweißverfahren (MSG-Schweißverfahren), insbesondere zum Verschweißen eines Grundmaterials (4) aus Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verschweißende Grundmaterial vor dem Zünden des Metallschutzgasschweißbrenners (2) zumindest bis zum Anschmelzen erhitzt und der Metallschutzgasschweißprozess derart nacheilend gezündet wird, dass das Grundmaterial im noch angeschmolzenen Zustand an der Metallschutzgasschweißstelle (Nahtanfang 3) verschweißt wird.
Metallschutzgasschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (4) vor dem Zünden des Metallschutzgasschweißbrenners (2) mittels eines Plasmastrahls (5) erhitzt wird.
Metallschutzgasschweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl (5) mit Hilfe eines zusatzmaterialfreien Wolframinertgasschweißbrenners (1) erzeugt wird.
Metallschutzgasschweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wolframinertgasschweißbrenner (1) mit einem variabel einstellbaren Inertgasgemisch betrieben wird.
Metallschutzgasschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (4) während des gesamten Schweißprozesses in einem durch einen Plasmastrahl (5) auf den angeschmolzenen Zustand vorerhitzten Zustand metallschutzgasverschweißt wird.
Metallschutzgasschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen Schweißprozess eine viellagige Schweißnaht (9) hergestellt wird.
Metallschutzgasschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (4) an einem höhensprungartig abgesetzten Fügespalt (11) metallschutzgasverschweißt wird.