DE102015209203B4 - Method of lift-arc welding and use - Google Patents
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- B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
Abstract
Verfahren zum Hubzündungsschweißen mit Gleichstrom, bei dem ein Schweißteil (100) mit einem Werkstück (200) an einer Fügestelle (300) verschweißt wird, wobei zunächst in einer Vorstromphase über einen Vorstromzeitraum (tV) mittels eines Vorstroms (IV) ein Lichtbogen zwischen dem Schweißteil (100) und dem Werkstück (200) ausgebildet wird und in einer anschließenden Hauptstromphase der Vorstrom (IV) auf einen Hauptstrom (IH) für einen Hauptstromzeitraum (tH) erhöht wird, das Werkstück (200) als Anode betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorstromzeitraum (tV) und/oder der Betrag des Vorstroms (IV) so eingestellt werden, dass das Werkstück (200) während der Vorstromphase im Bereich der Fügestelle (300) zumindest bis zur plastischen Verformbarkeit erwärmt wird.Method for the arc welding with direct current, in which a welded part (100) is welded to a workpiece (200) at a joint (300), wherein initially in a pre-flow phase over a Vorstromzeitraum (tV) by means of a Vorstroms (IV) an arc between the welded part (100) and the workpiece (200) is formed and in a subsequent main flow phase, the bias current (IV) is increased to a main current (IH) for a main flow period (tH), the workpiece (200) is operated as an anode, characterized in that the Vorstromzeitraum (tV) and / or the amount of the bias current (IV) are adjusted so that the workpiece (200) is heated during the Vorstromphase in the region of the joint (300) at least until the plastic deformability.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hubzündungsschweißen mit Gleichstrom gemäß Patentanspruch 1 und eine Verwendung gemäß Patentanspruch 8.The invention relates to a method for Hubzündungschweißen with DC according to claim 1 and a use according to claim 8.
Beim Hubzündungsschweißen wird ein Schweißteil, wie z. B. ein Bolzen, mit einem Werkstück an einer Fügestelle verschweißt. Hierzu wird das Schweißteil an der Fügestelle auf dem Werkstück aufgesetzt. In einer ersten Phase, der Vorstromphase, wird ein niedriger Vorstrom eingeschaltet, der durch das Schweißteil und das Werkstück fließt. Das Schweißteil wird bis zu einem vorgegebenen Abstand vom Werkstück entfernt. Hierdurch kommt es zur Ausbildung eines schwachen Lichtbogens. Daran schließt sich die Hauptstromphase an, in der der Vorstrom auf einen Hauptstrom (Schweißstrom) erhöht wird. Der resultierende Schweißlichtbogen bedingt eine zumindest teilweise Aufschmelzung der Materialien von Schweißteil und Werkstück. Zur Beendigung des Verfahrens wird das Schweißteil auf das Werkstück abgesenkt bzw. um eine geringe Strecke in das Werkstück eingetaucht und der Strom wird abgeschaltet. Die aufgeschmolzenen Materialien erkalten.When Hubzündungschweißen a welded part, such. B. a bolt, welded to a workpiece at a joint. For this purpose, the welding part is placed on the joint on the workpiece. In a first phase, the pre-flow phase, a low bias current is applied, which flows through the welding part and the workpiece. The welding part is removed up to a predetermined distance from the workpiece. This leads to the formation of a weak arc. This is followed by the main flow phase, in which the pre-flow is increased to a main flow (welding current). The resulting welding arc requires at least partial melting of the materials of the welding part and the workpiece. To end the process, the welding part is lowered onto the workpiece or immersed in the workpiece by a small distance and the current is switched off. The melted materials cool.
Beim Hubzündungsschweißen mit Gleichstrom wird die Flussrichtung des Stroms während des Verfahrens nicht verändert.In direct current spark-ignition welding, the flow direction of the stream is not changed during the process.
Das Hubzündungsschweißen mit Gleichstrom ist ein instabiler und schwer zu kontrollierender Prozess, insbesondere beim Verschweißen von aluminiumhaltigen Werkstücken oder Schweißteilen. Es kommt häufig zu Spritzerbildung durch Explosion der Schmelze oder zu Festigkeitsproblemen aufgrund Blaswirkung oder unzureichendem Einbrand in das Werkstück.Direct current DC spark-ignition welding is an unstable and difficult-to-control process, especially when welding aluminum-containing workpieces or welded parts. It often comes to spattering by explosion of the melt or to strength problems due to blowing effect or insufficient penetration into the workpiece.
Zur Verbesserung der Schweißqualität beim Hubzündungsschweißen mit Gleichstrom ist es aus der Druckschrift
Weiterhin ist aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Hubzündungsschweißen mit Gleichstrom anzugeben, mit dem die Qualität der Schweißverbindung weiter verbessert werden kann.The object of the present invention is to provide a process for DC-DC welding with which the quality of the welded joint can be further improved.
Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1.The object of the invention is achieved by a method according to claim 1.
Erfindungsgemäß wird das Werkstück als Anode betrieben und der Betrag des Vorstroms und die Dauer der Vorstromphase werden so ausgewählt, dass sich das Werkstück während der Vorstromphase im Fügebereich mindestens bis zur plastischen Verformbarkeit erwärmt. In Versuchen hat sich bei dieser Verfahrensführung gezeigt, dass durch einen größeren Energieeintrag in der Vorstromphase vor allem der Wärmeeintrag auf der Werkstückseite erhöht werden kann, wodurch die Qualität der Schweißverbindung gesteigert wird.According to the invention, the workpiece is operated as an anode and the amount of the bias current and the duration of the pre-current phase are selected such that the workpiece heats up during the pre-current phase in the joining region at least up to plastic deformability. In experiments, it has been shown in this process procedure that, in particular, the heat input on the workpiece side can be increased by a larger energy input in the pre-flow phase, whereby the quality of the welded connection is increased.
Während bei herkömmlichen Verfahren die Vorstromphase lediglich genutzt wird, um den Lichtbogen auszubilden, wird nun während der Vorstromphase eine signifikante Erwärmung des Werkstücks in der Fügestelle angestrebt. Hierzu wird ein, im Vergleich zur herkömmlichen Vorstromphase, höherer Vorstrom und eine längere Vorstromzeit eingesetzt. Durch den höheren Energieeintrag in den Grundwerkstoff wird im Schweißergebnis ein tieferer Einbrand mit besserer Fügezone zwischen Schweißteil und Werkstück realisiert. Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass auch die Neigung zur Spritzerbildung erheblich reduziert wird. Als Grund hierfür wird eine verbesserte Oberflächenreinigung durch den stärkeren bzw. länger andauernden Vorstromlichtbogen vermutet.While in conventional methods, the pre-flow phase is only used to form the arc, now during the pre-flow phase, a significant heating of the workpiece in the joint is desired. For this purpose, a higher pre-flow and a longer pre-flow time is used compared to the conventional pre-flow phase. Due to the higher energy input into the base material, a deeper penetration with a better joining zone between the welding part and the workpiece is realized in the welding result. Surprisingly, it has been found that the tendency to spatter is also significantly reduced. The reason for this is assumed to be improved surface cleaning due to the stronger or longer-lasting pre-arc.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher vor, den Betrag des Vorstroms und/oder die Zeitdauer der Vorstromphase gegenüber den bekannten Hubzündungsschweißverfahren zu erhöhen. Hierdurch wird in der Vorstromphase der Energieeintrag erhöht, so dass in der anschließenden Hauptstrom- bzw. Schweißphase der Hauptstrom reduziert werden kann. Vorteilhafter Weise resultiert hieraus eine verringerte Abschmelzung am Schweißteil sowie eine ruhigere Schmelze und verringerter Wulstauswurf. The method according to the invention therefore provides for increasing the amount of the pre-flow and / or the duration of the pre-flow phase compared with the known lift-and-strike welding methods. As a result, the energy input is increased in the pre-current phase, so that the main current can be reduced in the subsequent main current or welding phase. Advantageously, this results in a reduced melting of the weldment and a quieter melt and reduced bead ejection.
Als besonders effektiv hat sich das Verfahren herausgestellt, wenn ein signifikanter Anteil der eingebrachten elektrischen Energie innerhalb der Vorstromphase eingebracht wird. Hierdurch wird der Grundwerkstoff besser aufgeschmolzen bei gleichzeitig verringerter Anschmelzung des Schweißteils. So sollten in einer Ausgestaltung mindestens 30% der elektrischen Energie in der Vorstromphase eingebracht werden, vorzugsweise mindestens 50%, und besonders bevorzugt mindestens 60%. Die eingebrachte Energie EGES bestimmt sich dabei nach Gleichung 1.
Je nach verwendeten Materialien und Bauteilabmessungen sind unterschiedliche Prozessparameter zur Erzielung des gewünschten Effekts notwendig. Vorstrom und Vorstromzeit werden insbesondere so gewählt, dass es zwar zu einer deutlichen Erwärmung im Werkstück kommt, jedoch noch nicht zu einem Aufschmelzen am Schweißteil. Dies erfolgt erst in der nachfolgenden Hauptstrom- bzw. Schweißphase, wozu der Hauptstrom bzw. die Hauptstromzeit entsprechend ausgewählt werden.Depending on the materials used and component dimensions, different process parameters are necessary to achieve the desired effect. Pre-flow and pre-flow time are chosen in particular so that, although there is a significant heating in the workpiece, but not yet to a melting at the weldment. This takes place only in the subsequent main flow or welding phase, for which purpose the main flow or the main flow time are selected accordingly.
Versuche haben gezeigt, dass eine Schweißverbindung besonders hoher Qualität erzielt werden kann, wenn der Vorstromzeitraum bzw. die Vorstromzeit in einer Ausgestaltung mindestens die siebenfache Dauer des Hauptstromzeitraums bzw. der Hauptstromzeit aufweist, vorzugsweise die acht- bis 10-fache Dauer. Zudem ist es vorteilhaft, wenn in dieser Ausgestaltung die Beträge von Vorstrom und Hauptstrom so gewählt werden, dass das Verhältnis von Vorstrom zu Hauptstrom in einem Bereich von 0,3 bis 0,5 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 0,35 bis 0,45.Experiments have shown that a welded connection of particularly high quality can be achieved if the pre-flow period or the pre-flow time in one embodiment has at least seven times the duration of the main flow period or the main flow time, preferably eight to ten times the duration. In addition, it is advantageous if, in this embodiment, the amounts of pre-flow and main flow are selected such that the ratio of pre-flow to main flow is in a range of 0.3 to 0.5, preferably in a range of 0.35 to 0, 45th
Zur Beendigung des Verfahrens wird das Schweißteil auf das Werkstück abgesenkt und der Schweißstrom abgeschaltet. Zur Steigerung der Prozessstabilität wird in einer Ausgestaltung der Schweißstrom abgeschaltet, sobald ein Massekontakt zwischen Schweißteil und Werkstück hergestellt wird.To terminate the process, the welding part is lowered onto the workpiece and the welding current is switched off. To increase the process stability of the welding current is switched off in one embodiment, as soon as a ground contact between the welding part and the workpiece is produced.
Eine weitere Reduzierung von Schweißspritzern sowie eine höhere Festigkeit der Schweißverbindung kann in einer Ausgestaltung erzielt werden, bei der das Eintauchen, also das Absenken des Schweißteils auf oder in das Werkstück, mit einer verringerten Geschwindigkeit von 0,11 m/s oder weniger und vorzugsweise von 0,1 m/s oder weniger erfolgt.A further reduction of weld spatter and a higher strength of the welded connection can be achieved in an embodiment in which the immersion, ie the lowering of the welding part on or into the workpiece, at a reduced speed of 0.11 m / s or less, and preferably of 0.1 m / s or less.
Das voranstehend beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zum Aufbringen von T-Bolzen und Gewindebolzen (mit Außen- oder Innengewinde), vorzugsweise mit einem Durchmesser im Bereich von 3 mm bis 9 mm. Jedoch können ebenso weitere Bolzenarten, wie z. B. Kugelbolzen etc., und Bolzen anderer Abmessungen mit diesem Verfahren auf ein Werkstück aufgebracht werden.The method described above is particularly suitable for applying T-bolts and threaded bolts (with external or internal thread), preferably with a diameter in the range of 3 mm to 9 mm. However, other types of bolts, such as. As ball pins, etc., and bolts of other dimensions are applied to a workpiece with this method.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Verschweißen von Bolzen auf Dünnblechen mit einer Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm. Besondere Vorteile erzielt das Verfahren beim Schweißen von aluminiumhaltigen Werkstücken bzw. Schweißteilen und beim Schweißen von Werkstücken, die mit einer Antikorrosionsschicht versehen sind, z. B. zink- oder aluminiumbeschichteten Blechen. Hier wird durch die verlängerte Vorstromphase eine gute Oberflächenreinigung erzielt. Das Verfahren ist jedoch nicht auf die genannten Werkstücke und Schweißteile beschränkt.The method is particularly suitable for welding bolts on thin sheets having a thickness in the range of 0.5 mm to 3 mm. The process achieves particular advantages in the welding of aluminum-containing workpieces or welded parts and in the welding of workpieces which are provided with an anticorrosion layer, eg. As zinc or aluminum coated sheets. Here is achieved by the extended Vorstromphase a good surface cleaning. However, the method is not limited to the aforementioned workpieces and weldments.
Mit anderen Worten erfolgt, verglichen mit einem herkömmlichen Schweißprozess mit Hubzündung, eine Erhöhung des Vorstromes und der Vorstromzeit bei gleichzeitiger Verringerung des Hauptstromes. Zudem wird die Eintauchgeschwindigkeit verringert, wodurch die Schmelze stabil auf das Grundmaterial auftrifft. In other words, as compared with a conventional arc ignition process, an increase in the bias current and the bias current time while reducing the main current. In addition, the immersion speed is reduced, whereby the melt stably impacts the base material.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit neuartiger Schweiß-Kennlinie ergeben sich die nachfolgenden Vorteile. Der Grundwerkstoff wird besser aufgeschmolzen, gleichzeitig wird der Bolzen nicht so stark abgeschmolzen, wodurch sich eine hohe Verbindungsfestigkeit ergibt. Durch die niedrige Eintauchgeschwindigkeit bleibt die Schmelze ruhig bis es zur Verbindung kommt. Somit werden Schweißspritzer minimal gehalten und die Schmelze wird nicht zu stark ausgedrängt. Damit entsteht ein höheres Unterkopfmaß sowie sehr geringe Spritzerbildung, Wulstbildung und eine sehr hohe Festigkeit auf Zugversuch bzw. Scherzugbelastung in der Montage.The inventive method with novel welding characteristic results in the following advantages. The base material is better melted, at the same time the bolt is not so much melted, resulting in a high connection strength. Due to the low immersion speed, the melt remains calm until it comes to the connection. Thus, spatter is minimized and the melt is not over-expelled. This results in a higher lower head size and very low spatter formation, bead formation and a very high strength tensile test or Scherzugbelastung in the assembly.
Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf eine Verwendung einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.With a sibling claim, the solution of the problem also extends to a use of a welding device for carrying out the method according to the invention.
Eine Schweißvorrichtung zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens weist eine herkömmliche Halterung zur Aufnahme eines Schweißteils auf. Weiterhin weist die Schweißvorrichtung eine Gleichstrom-Energiequelle sowie eine Steuer- und Regelvorrichtung auf, mittels der ein Gleichstrom zwischen dem Schweißteil (Kathode) und einem Werkstück (Anode) aufbringbar ist, zur Ausbildung eines Lichtbogens zwischen Schweißteil und Werkstück. Die Steuer- und Regelvorrichtung ist zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens geeignet, beispielsweise sind die Parameter Vorstrom, Vorstromzeit, Hauptstrom, Hauptstromzeit, Eintauchgeschwindigkeit, Eintauchverzögerung in der Steuer- und Regelvorrichtung im erforderlichen Wertebereich einstellbar oder als Kennlinie hinterlegt.A welding device for carrying out the method described above has a conventional holder for receiving a welding part. Furthermore, the welding device to a DC power source and a control and regulating device by means of a direct current between the welding part (cathode) and a workpiece (anode) can be applied, to form an arc between the welding part and the workpiece. The control and regulating device is suitable for carrying out the method described above, for example, the parameters bias current, bias current, main current, main current time, immersion speed, immersion delay in the control and regulating device in the required value range adjustable or stored as a characteristic.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:Embodiments will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show:
Es wurde ein T-Gewindebolzen mit 5 mm Durchmesser auf ein Werkstück in Form eines feuerverzinkten Aluminiumblechs (DX54D Z100) mit einer Dicke von 0,7 mm bis 0,8 mm aufgebracht.A 5 mm diameter T-bolt was applied to a workpiece in the form of a hot-dip galvanized aluminum plate (DX54D Z100) with a thickness of 0.7 mm to 0.8 mm.
In
Zu Beginn des Verfahrens wurde nach Kontaktierung des Bolzens mit der Werkstückoberfläche ein Vorstrom IV von 100 A für einen Vorstromzeitraum tV von 0,1 s (100 Millisekunden) eingeschaltet. Der Bolzen wurde mit einer Geschwindigkeit von 0,127 m/s um 1,4 mm von dem Werkstück angehoben. Nach Ablauf der Vorstromzeit tV wurde der Strom auf einen Schweiß- bzw. Hauptstrom IH von 270 A erhöht für eine Schweißdauer tH (Hauptstromzeitraum) von 0,012 s (12 Millisekunden).At the beginning of the process, after contacting the bolt with the workpiece surface, a bias current I V of 100 A was switched on for a pre-current period t V of 0.1 s (100 milliseconds). The bolt was raised 1.4 mm from the workpiece at a speed of 0.127 m / s. After expiration of the pre-current time t V , the current was increased to a main current I H of 270 A for a welding time t H (main current period) of 0.012 s (12 milliseconds).
Zur Beendigung des Prozesses wurde der Bolzen auf und geringfügig in das Blech abgesenkt mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/s.To complete the process, the bolt was lowered and slightly lowered into the plate at a speed of 100 mm / s.
Verglichen mit den Prozessparametern eines herkömmlichen Verfahrens zum Hubzündungsschweißen dieser Materialkombination wurde die Vorstromzeit tV verlängert. Damit dauert die Vorstromphase mehr als acht Mal so lange wie die anschließende Schweißphase. Weiterhin wurde der Betrag des Vorstroms IV erhöht und der Hauptstrom IH verringert. Vorstrom IV und Hauptstrom IH stehen bei diesem Ausführungsbeispiel in einem Verhältnis von 0,37. Gleichzeitig wurde die Eintauchgeschwindigkeit verringert. Compared to the process parameters of a conventional method of lift-and-strike welding of this material combination, the pre-flow time t V has been extended. Thus, the pre-flow phase lasts more than eight times as long as the subsequent welding phase. Furthermore, the amount of the bias current I V was increased and the main current I H reduced. Vorstrom I V and main current I H are in this embodiment in a ratio of 0.37. At the same time, the dipping speed was reduced.
Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung der Steuerungsparameter gemäß Ausführungsbeispiel und herkömmlichem Verfahren: Tabelle 1:
In
Das Verfahren kann mit einfachen Mitteln in einer Anlage zum Hubzündungsschweißen umgesetzt werden.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The embodiments are not to scale and are not restrictive. Modifications in the context of expert action are possible.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Schweißvorrichtungwelder
- 2020
- Halterungbracket
- 3030
- Gleichstrom-EnergiequelleDC power source
- 32, 3432, 34
- Leitungencables
- 4040
- Steuer- und RegelvorrichtungControl and regulating device
- 42, 4442, 44
- Leitungencables
- 100100
- Schweißteilweldment
- 200200
- Werkstückworkpiece
- 300300
- Fügestellejoint
- II
- Stromelectricity
- IV I V
- Vorstrombias
- IH I H
- Hauptstrommain power
- ss
- AbhubstreckeAbhubstrecke
- tV t V
- Vorstromzeit(raum)Preweld current (space)
- tH t H
- Hauptstromzeit(raum)Main current time (space)
- UU
- Spannungtension
Claims (8)
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