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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Metallschutzgasschweißen, wobei unter Zufuhr eines Prozessgases eine abschmelzende Drahtelektrode durch einen Lichtbogen aufgeschmolzen wird.
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Stand der Technik
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Beim Metallschutzgasfügen (MSG-Schweißen, MSG-Löten) handelt es sich um Lichtbogenverfahren, die beispielsweise zum Auftragsschweißen, Verbindungsschweißen oder Verlöten von ein, zwei oder mehreren Werktücken aus metallischen Werkstoffen verwendet wird. Dabei wird in einer Prozessgasatmosphäre eine Drahtelektrode in Form eines Drahtes oder eines Bandes nachgeführt und durch einen Lichtbogen aufgeschmolzen, der zwischen dem Werkstück und der Drahtelektrode brennt. Das Werkstück dient dabei als zweite Elektrode.
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An ihrem Ende wird die Drahtelektrode aufgeschmolzen und es bildet sich ein schmelzflüssiger Tropfen oder viele feine Tropfen, letzteres z. B. bei einem Sprühlichtbogen. Durch verschiedene Kräfte löst sich der oder die Tropfen von der Drahtelektrode ab und geht in das Schmelzbad über. Dieser Prozess aus Aufschmelzen der Drahtelektrode, Bildung des Tropfens, Ablösen des Tropfens und Interaktion des Tropfens mit dem Werkstück wird als Werkstoffübergang bezeichnet. Das Prozessgas schützt den Werkstoffübergang insbesondere vor Lufteinfluss und beeinflusst darüber hinaus sowohl den Werkstoffübergang, die Metallurgie im Tropfen und im Schmelzbad, als auch die physikalisch-chemischen Reaktionen im Plasma.
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Beim Metallschutzgasschweißen und -löten wird eine Vielzahl von Emissionen in Form von Gas, Strahlung und Schweißrauch freigesetzt. Derartiger Schweißrauch wird insbesondere durch ein Verdampfen der Drahtelektrode freigesetzt. Schweißrauch bezeichnet partikelförmige Schadstoffe (zumeist Metalloxide), die einatembar und alveolengängig sowie gesundheitsgefährdend, toxisch und/oder krebserzeugend sein können. Schweißrauche stellen für einen Schweißer ein besonderes Risiko dar.
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Es ist wünschenswert, derartige Emissionen beim Metallschutzgasfügen zu reduzieren. Die Reduktion der Schadstoffe wird hier insbesondere als gegenüber einem mit Impuls- oder Sprühlichtbogen betriebenen Fügeverfahren mit gleicher Abschmelzleistung betrachtet.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Metallschutzgasfügen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Lichtbogen brennt zwischen einer abschmelzenden Drahtelektrode und einem zu schweißenden Werkstück. Die abschmelzende Drahtelektrode wird überwiegend durch den Lichtbogen aufgeschmolzen. Das Werkstück wird beim Schweißen zumindest teilweise aufgeschmolzen, wodurch ein Schmelzbad erzeugt wird. Je nach eingesetztem Prozessgas wird unterschieden zwischen MIG-Schweißen (mit inerten Gasen) oder MAG-Schweißen (mit aktiven, also reaktionsfähigen Gasen).
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Beim MSG-Löten werden Zusatzwerkstoffe, meist in Form einer Drahtelektrode, mit niedriger Schmelztemperatur verwendet, um den Grundwerkstoff bzw. das Werkstück nicht oder nur sehr wenig aufzuschmelzen.
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Erfindungsgemäß wird eine Elektrode als abschmelzende Drahtelektrode zugeführt, die einen Durchmesser von mindestens 1,4 mm aufweist. Bevorzugt weist die zugeführte Elektrode einen Durchmesser zwischen 1,4 mm und 2,0 mm auf, weiter bevorzugt einen Durchmesser zwischen 1,4 mm und 1,8 mm. Besonders bevorzugt weist die zugeführte Elektrode einen Durchmesser von 1,6 mm auf.
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Eine derartige erfindungsgemäß zugeführte Elektrode ist insbesondere als eine Massivdrahtelektrode ausgebildet. Weiter insbesondere ist eine derartige erfindungsgemäß zugeführte Elektrode nicht als eine Fülldrahtelektrode ausgebildet. Fülldrahtelektroden sind in der DIN EN ISO 17632 genormt. Fülldrahtelektroden umfassen einen Mantel aus einem metallischen Umhüllungsmaterial, in welchem ein Metallpulver eingebracht ist. Im Gegensatz dazu ist die erfindungsgemäß zugeführte Elektrode insbesondere aus einem Werkstoff homogen und isotrop gefertigt.
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Vorteile der Erfindung
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Übliche Drahtelektroden weisen zumeist einen Durchmesser zwischen 0,8 mm und 1,2 mm auf. Durch den vergleichsweise großen Durchmesser der zugeführten Elektrode gemäß der Erfindung wird es insbesondere ermöglicht, den Lichtbogen bei bestimmten Abschmelzleistungen in einer speziellen Lichtbogenart, dem gesteuerten Kurzlichtbogen, zu betreiben, wohingegen es bei einer herkömmlichen Drahtelektrode mit geringerem Durchmesser bei denselben Abschmelzleistungen nicht möglich ist, diese Lichtbogenart einzustellen.
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Insbesondere wird es durch die Erfindung ermöglicht, bei vorgegebenen Abschmelzleistungen eine Lichtbogenart einzustellen, bei welchen vergleichsweise wenig Schweißrauch freigesetzt wird. Mit herkömmlichen Schweißbrennern mit herkömmlichen Drahtelektroden ist es insbesondere nicht möglich, bei diesen vorgegebenen Abschmelzleistungen diese Lichtbogenart einzustellen.
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Durch die Erfindung wird die Freisetzung von Schweißrauchemissionen beim Metallschutzgasschweißen reduziert, also von partikelförmigen Schadstoffen (zumeist Metalloxiden), die einatembar, alveolengängig, toxisch und/oder krebserzeugend sein können. Eine Gesundheitsgefährdung für einen Schweißer wird reduziert. Insbesondere wird diese Reduzierung von freigesetzten Schweißrauchemissionen bei gleichbleibender Abschmelzleistung bzw. Produktivität erreicht.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für handgeführte Schweißbrenner zum Handschweißen, weiter insbesondere für (zumindest teilweise) automatisch geführte bzw. maschinengeführte Schweißbrenner. Derartige maschinengeführte Schweißbrenner benötigen zumeist dennoch eine Bedienperson, welche den Schweißprozess im Allgemeinen und/oder den Lichtbogen im Speziellen einstellt, kontrolliert und/oder regelt. Durch die Erfindung wird eine Sicherheit der Bedienpersonen derartiger handgeführter bzw. maschinengeführter Schweißbrenner erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Lichtbogen als ein Kurzlichtbogen betrieben. Insbesondere ist eine Lichtbogeneinstelleinrichtung dazu eingerichtet, den Lichtbogen gemäß dieser bestimmten Lichtbogenart zu betreiben. Durch die Erfindung kann der Kurzlichtbogen bei vorgegebenen Abschmelzleistungen eingestellt werden, bei welchen in herkömmlichen Schweißbrennern mit herkömmlicher Drahtelektrode insbesondere nur ein Sprühlichtbogen eingestellt werden kann.
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Bei einem Kurzlichtbogen erfolgt der Werkstoffübergang während eines Kurzschlusses. Der Werkstoff der Drahtelektrode berührt kurzzeitig das zu schweißende Werkstück bzw. das Schmelzbad, wodurch ein Kurzschluss entsteht. Durch diesen Kurzschluss entsteht ein hoher, schnell ansteigender Kurzschlussstrom, durch den sich die Drahtelektrode erwärmt. Die Drahtelektrode wird aufgeschmolzen und ein Schweißtropfen löst sich ab. Damit reißt die Kurzschlussbrücke ab und der Lichtbogen wird erneut gezündet. Je Sekunde werden insbesondere etwa 70 Tropfen abgelöst.
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Insbesondere wird das Metallschutzgasschweißen mit einem derartigen Kurzlichtbogen gesteuert durchgeführt, mit einem sogenannten gesteuerten Kurzlichtbogen. Diese Steuerung erfolgt insbesondere elektronisch und/oder elektromechanisch. Insbesondere ist die Lichtbogeneinstelleinrichtung dazu eingerichtet, diese Steuerung durchzuführen und den Lichtbogen als gesteuerten Kurzlichtbogen zu betreiben. Die Steuerung kann, zumindest teilweise, automatisch erfolgen und/oder durch eine Bedienperson.
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Bei einem derartigen gesteuerten Kurzlichtbogen werden wesentlich weniger Schweißrauchemissionen freigesetzt als beispielsweise bei einem Sprühlichtbogen. Durch den vergleichsweise großen Durchmesser der zugeführten Elektrode gemäß der Erfindung wird es insbesondere ermöglicht, einen gesteuerten Kurzlichtbogen bei vorgegebenen Abschmelzleistungen zu betreiben, wohingegen es bei einer herkömmlichen Drahtelektrode mit geringerem Durchmesser bei derselben Abschmelzleistung nicht möglich ist, einen Kurzlichtbogen, sondern insbesondere nur einen Sprühlichtbogen zu betreiben. Bei derselben Abschmelzleistung kann somit durch die Erfindung ein Lichtbogen betrieben werden, bei dem wesentlich geringere Schweißrauchemissionen freigesetzt werden.
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Beispielsweise kann bei einer Abschmelzleistung von 4,5 kg/h bei einem herkömmlichen Schweißen von Baustahl mit einer herkömmlichen Drahtelektrode mit einem Durchmesser von beispielsweise 1,2 mm nur ein Sprühlichtbogen betrieben werden. Bei derselben Abschmelzleistung von 4,5 kg/h kann jedoch gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer zugeführten Elektrode mit einem Durchmesser von 1,6 mm ein gesteuerter Kurzlichtbogen betrieben werden, der weniger Schadstoffe oder – anders ausgedrückt – möglicherweise gesundheitsgefährdende Stoffe emittiert als z. B. ein Sprühlichtbogen.
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Bevorzugt wird z. B. beim MAG-Schweißen von Stahl eine Abschmelzleistung zwischen 3 kg/h und 8 kg/h eingestellt, weiter bevorzugt eine Abschmelzleistung von 4,5 kg/h, weiter bevorzugt eine Abschmelzleistung von 5 kg/h. Die Abschmelzleistung und die Drahtvorschubgeschwindigkeit stehen miteinander in fester Beziehung. Durch Einstellen der Drahtvorschubgeschwindigkeit wird vorzugsweise die Abschmelzleistung eingestellt. Beispielsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Drahtelektrode mit einem Durchmesser von 1,6 mm eine Drahtvorschubgeschwindigkeit von 5,27 m/min eingestellt, um eine Abschmelzleistung von 5 kg/h einzustellen. Um dieselbe Abschmelzleistung von 5 kg/h mit einer Drahtelektrode mit einem Durchmesser von 1,2 mm zu erreichen, müsste der Schweißer einen Drahtvorschub von 9,36 m/min einstellen. Dies ist ein Wert, bei dem kein Kurzlichtbogen möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung ist für handgeführte und maschinen- oder robotergeführte Fügeverfahren vorteilhaft einsetzbar.
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Weiter bevorzugt wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit derart eingestellt, dass der Lichtbogen als Kurzlichtbogen betrieben wird. Insbesondere wird eine Drahtvorschubgeschwindigkeit von maximal 5 m/min eingestellt. Die Drahtvorschubeinstelleinrichtung kann insbesondere Bestandteil der Lichtbogeneinstelleinrichtung sein oder beide Einrichtungen können insbesondere als dieselbe Einrichtung ausgebildet sein. Durch zweckmäßiges Einstellen der Drahtvorschubgeschwindigkeit bzw. der Abschmelzleistung kann der Lichtbogen insbesondere als Kurzlichtbogen betrieben werden. Weiter insbesondere können Drahtvorschubeinstelleinrichtung und Lichtbogeneinstelleinrichtung auch als separate Einrichtungen ausgebildet sein, die miteinander in Kommunikation stehen.
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Vorteilhafterweise wird ein Werkstück aus unlegiertem Stahl geschweißt, weiter vorteilhafterweise ein Werkstücks aus niedriglegiertem Stahl.
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Stahl ist gemäß der DIN EN 10020:2000-07 ein ”Werkstoff, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2% ist und der andere Elemente enthält. Eine begrenzte Anzahl von Chromstählen kann mehr als 2% Kohlenstoff enthalten, aber 2% ist die übliche Grenze zwischen Stahl und Gusseisen.”
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Unlegierter Stahl und niedriglegierter Stahl werden insbesondere als Baustahl verstanden. Als Baustahl werden insbesondere Werkstoffe verstanden, welche gemäß der Gliederung der Stähle nach DIN EN 10025 mit dem Vorsatzzeichen ”S” für ”structural steel” bezeichnet sind.
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Gemäß der DIN EN 10020:2000 wird bei Stahl zwischen drei Hauptgüteklassen (unlegierte Stähle, nichtrostende Stähle, andere legierte Stähle) unterschieden. Unlegierte Stähle enthalten gemäß der DIN EN 10020:2000 als Zusatz überwiegend Kohlenstoff. Die Massenanteile von weiteren Elementen (z. B. Aluminium, Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan oder Silizium) dürfen jeweils einen in der DIN EN 10020:2000 vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten.
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Bei niedriglegierten Stahl überschreitet gemäß der Gliederung der Stähle nach DIN EN 10025 kein Legierungselement einen (mittleren) Massenanteil von 5%.
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Vorzugsweise wird ein Werkstück aus hochlegiertem Stahl geschweißt, weiter vorzugsweise ein Werkstück aus nichtrostendem Stahl. Gemäß der Gliederung der Stähle nach DIN EN 10025 überschreitet bei niedriglegiertem Stahl mindestens ein Legierungselement einen (mittleren) Massenanteil von 5%. Nichtrostender Stahl weist gemäß der DIN EN 10088-1:2005 einen Massenanteil von mehr als 10,5% Chrom auf, der insbesondere im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst ist.
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Vorteilhafterweise wird alternativ ein Werkstück aus Nichteisenmetall geschweißt, insbesondere aus Aluminium, Magnesium und/oder einer Nickelbasislegierung. Als Nichteisenmetall werden alle Metalle und Metalllegierungen verstanden, in denen Eisen nicht als Hauptelement enthalten ist bzw. in denen der Massenanteil von Eisen geringer als 50% ist. Nickelbasislegierungen sind Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Nickel ist und die mit mindestens einem anderen chemischen Element meist mittels eines Schmelzverfahrens erzeugt werden.
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Beim MSG-Löten können artgleiche oder artverschiedene Werkstoffe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammengefügt werden.
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Beim Metallschutzgasfügen wird – wie oben erläutert – ein Prozessgas zugeführt. Als Prozessgas wird beispielsweise ein Gasgemisch eingesetzt, welches Kohlendioxid und/oder Sauerstoff und/oder Wasserstoff und/oder Stickstoff aufweist sowie zumindest eine inerte Komponente ausgewählt aus der Liste von Argon, Helium, Argon-Helium-Gemischen und anderen Edelgasen und deren Gemische sowie Gemische von anderen Edelgasen mit Argon und/oder Helium.
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Mit besonderem Vorteil können mit der vorliegenden Erfindung Bleche mit einer Materialstärke größer 2 mm, bevorzugt 2,5 mm, 3 mm oder 4 mm Materialstärke zusammengefügt werden, bevorzugt geschweißt werden.
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Figurenbeschreibung
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
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1 schematisch ein Diagramm einer Abschmelzleistung aufgetragenen gegen eine Drahtvorschubgeschwindigkeit für unterschiedliche Verfahren zum Metallschutzgasschweißen.
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In 1 ist schematisch ein Diagramm 100 dargestellt, in dem beim Metallschutzgasschweißen mit unterschiedlichen abschmelzenden Drahtelektroden eine Abschmelzleistung P (in der Einheit kg/h) gegen eine Drahtvorschubgeschwindigkeit vd (in der Einheit m/min) aufgetragen ist.
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Kurve 101 beschreibt eine Drahtelektrode mit einem Durchmesser von 1,0 mm. Kurve 102 beschreibt eine Drahtelektrode mit einem Durchmesser von 1,2 mm. Kurve 103 beschreibt eine Drahtelektrode, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Durchmesser von 1,6 mm als abschmelzende Drahtelektrode ausgeführt ist.
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Bei der Kurve 103 wird mit einer Drahtvorschubeinstelleinrichtung eine Drahtvorschubgeschwindigkeit von ca. 5 m/min eingestellt, um eine Abschmelzleistung von 5 kg/h einzustellen. Bei der Kurve 102 wird eine Drahtvorschubgeschwindigkeit von ca. 10 m/min eingestellt, um dieselbe Abschmelzleistung von 5 kg/h einzustellen. Bei der Kurve 101 wird eine Drahtvorschubgeschwindigkeit von ca. 13 m/min eingestellt, um wiederum eine Abschmelzleistung von 5 kg/h zu erreichen.
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Durch den vergleichsweise großen Durchmesser von 1,6 mm der zugeführten Elektrode des Schweißbrenners gemäß Kurve 103 wird es ermöglicht, bei der eingestellten Abschmelzleistung von 5 kg/h einen Lichtbogen als Kurzlichtbogen, insbesondere als einen gesteuerten Kurzlichtbogen zu betreiben. Bei den herkömmlichen Schweißbrennern gemäß Kurve 101 und 102 kann bei derselben Abschmelzleistung von 5 kg/h nur einen Sprühlichtbogen betrieben werden. Durch die Erfindung wird es somit ermöglicht, bei derselben Abschmelzleistung einen Lichtbogen zu betreiben, bei dem wesentlich geringere Schweißrauchemissionen freigesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm ISO 857-1 (”Schweißen und verwandte Prozesse; Begriffe; Teil 1: Metallschweißprozesse”) [0009]
- DIN EN ISO 17632 [0011]
- DIN EN 10020:2000-07 [0025]
- DIN EN 10025 [0026]
- DIN EN 10020:2000 [0027]
- DIN EN 10020:2000 [0027]
- DIN EN 10020:2000 [0027]
- DIN EN 10025 [0028]
- DIN EN 10025 [0029]
- DIN EN 10088-1:2005 [0029]
