DE102016005038A1

DE102016005038A1 - Schweissprozess mit manganarmen Dämpfen

Info

Publication number: DE102016005038A1
Application number: DE102016005038.1A
Authority: DE
Inventors: J. Ben Schaeffer
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2016-10-27
Also published as: CN106077906A; US20160311047A1; US10766091B2; JP2016203260A

Abstract

Die Menge an Mangan in den Schweißdämpfen, die durch einen Lichtbogenschweißprozess erzeugt werden, kann reduziert werden, ohne die Konzentration von Mangan in der letztendlichen Schweißablagerung zu reduzieren, die erhalten wird, indem das Mangan zu der Schweißstelle durch die Warmdrahtschweißelektrode eines Warmdrahtschweißprozesses zugeführt wird.

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Ein übliches Problem beim Lichtbogenschweißen ist die Entstehung von Dämpfen. Aufgrund der mit dem Schweißen einhergehenden hohen Temperaturen können sowohl die metallischen als auch die anorganischen am Schweißvorgang beteiligten Bestandteile in die Atmosphäre verdampfen. Einige dieser Bestandteile, wie zum Beispiel Mangan, Chrom, Nickel, Cadmium und Blei, sind gesundheitsschädlich. Deshalb regulieren die neuesten Umweltvorschriften die Grenzwerte für die Mengen dieser gesundheitsschädlichen Elemente, die in den Schweißdämpfen vorhanden sein können, die während eines typischen Schweißvorgangs entstehen.
Eine Vorgehensweise zum Reduzieren der Menge dieser gesundheitsschädlichen Elemente in Schweißdämpfen ist das Reduzieren der Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente in den Schweißablagerungen, die letztendlich entstehen. Normalerweise geschieht dies durch Reduzieren der Menge dieser gesundheitsschädlichen Elemente in den Schweißdrähten, die zum Bilden dieser Schweißablagerungen verwendet werden. Siehe zum Beispiel US-2013/0313240 und US-2014/0083981 an Amata et al., die Techniken zum Reduzieren der Menge an Mangan in Schweißdämpfen durch Verwendung manganarmer Schweißdrähte zum Bilden manganarmer Schweißablagerungen beschreiben.
Obgleich solche Vorgehensweisen zum Reduzieren der Menge an gesundheitsschädlichen Elementen in Schweißdämpfen wirkungsvoll sein können, sind sie insofern nachteilig, als die den Schweißablagerungen, die sie hervorbringen, eben diese Elemente entziehen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß dieser Erfindung wurde herausgefunden, dass die Menge an gesundheitsschädlichen Elementen, die in Schweißdämpfen enthalten sind, die durch verschiedene Arten von Schweißprozessen entstehen, wesentlich reduziert werden kann, ohne die Konzentration eben dieser Elemente in den letztendlich entstehenden Schweißablagerungen zu reduzieren, indem man sich eines Warmdrahtschweißansatzes zum Einleiten dieser gesundheitsschädlichen Elemente in die Schweißpfütze bedient.
Somit stellt diese Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren der Menge eines gesundheitsschädlichen Elements in den Schweißdämpfen bereit, die durch Nicht-Autogenschweißprozesse erzeugt werden, ohne die Konzentration des gesundheitsschädlichen Elements in der Schweißablagerung zu reduzieren, die durch die Nicht-Autogenschweißprozesse gebildet werden, wobei der Nicht-Autogenschweißprozess mindestens eine primäre Stromquelle verwendet, um intensive Wärme zum Ausführen des Schweißprozesses zuzuführen, wobei diese intensive Wärme ausreichend ist, um Schweißdämpfe zu erzeugen, indem wenigstens einige der Bestandteile, die der Schweißablagerung zugeführt werden, verdampft werden, wobei das Verfahren umfasst, den Nicht-Autogenschweißprozess mittels eines Warmdrahtschweißansatzes auszuführen, bei dem einige der Bestandteile, die die Schweißablagerung bilden, durch eine primäre Schweißelektrode zugeführt werden, die der intensiven Wärme ausgesetzt wird, die durch die mindestens eine primäre Stromquelle erzeugt wird, während andere der Bestandteile, die die Schweißablagerung bilden, durch mindestens eine Warmdrahtschweißelektrode zugeführt werden, die geschmolzen wird, ohne der intensiven Wärme ausgesetzt zu werden, die durch die mindestens eine primäre Stromquelle erzeugt wird, und der Schweißablagerung mehr als 50% des gesundheitsschädlichen Elements mittels der mindestens einen Warmdrahtschweißelektrode zuzuführen, wobei dieser Prozentsatz auf der Gesamtmenge dieses gesundheitsschädlichen Elements basiert, die der Schweißablagerung durch alle Fülldrähte zugeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese Erfindung kann anhand der folgenden Zeichnungen besser verstanden werden, in denen Folgendes zu sehen ist:
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines konventionellen GMAW (Gas-Metall-Lichtbogenschweißprozesses);
2 ist eine schematische Veranschaulichung ähnlich 1, die veranschaulicht einen modifizierten GMAW-Prozess, der sich eines Warmdrahtschweißansatzes gemäß dieser Erfindung bedient;
3 ist eine schematische Veranschaulichung ähnlich den 1 und 2, die einen modifizierten WIG(Wolfram-Inertgas)-Prozess veranschaulicht, der sich eines Warmdrahtschweißansatzes gemäß dieser Erfindung bedient;
4 ist eine schematische Veranschaulichung ähnlich den 1–3, die einen modifizierten lasergestützten Schweißprozess veranschaulicht, der sich eines Warmdrahtschweißansatzes gemäß dieser Erfindung bedient;
5 ist eine schematische Veranschaulichung ähnlich den 1–4, die einen modifizierten hybridlasergestützten Schweißprozess veranschaulicht, der sich eines Warmdrahtschweißansatzes gemäß dieser Erfindung bedient, und
6 ist eine schematische Veranschaulichung ähnlich den 1–5, wobei der Nicht-Autogenschweißprozess, der sich des Warmdrahtschweißansatzes dieser Erfindung bedient, ein modifizierter Hybrid-WIG-Schweißprozess ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Warmdrahtschweißen
Gemäß dieser Erfindung wird ein Warmdrahtschweißansatzes verwendet, um der Schweißpfütze eines Nicht-Autogenschweißprozesses gesundheitsschädliche Elemente zuzuführen. Infolge dessen wird die Menge dieser gesundheitsschädlichen Elemente, die während des Schweißprozesses verdampfen, wesentlich reduziert, was wiederum zur Folge hat, dass viel kleinere Mengen dieser gesundheitsschädlichen Elemente in den Schweißdämpfen vorliegen, die durch den Schweißprozess erzeugt werden.
Im Kontext dieser Offenbarung ist ein „nicht-autogener” Schweißprozess ein Schweißprozess, bei dem die Hochintensitätsstromquelle, die zum Zuführen des Großteils der zum Schweißen benötigten Energie nicht aus der Verbrennung eines Brennstoffs gewonnen wird. Ein Nicht-Autogenschweißprozess schließt damit beispielsweise Gasschweißen mit Sauerstoff-Acetylen-Flamme aus. Lichtbogenschweißen, lasergestütztes Schweißen und Elektronenstrahlschweißen sind gute Beispiele für Nicht-Autogenschweißprozesse im Kontext dieser Offenbarung.
Des Weiteren ist ein „Warmdraht”-Schweißprozess im Kontext dieser Offenbarung ein Nicht-Autogenschweißprozess, bei dem eine hoch-intensive (oder „primäre”) Stromquelle, wie zum Beispiel ein elektrischer Lichtbogen, ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl, verwendet wird, um intensive Wärme zum Ausführen des Schweißprozesses zu erzeugen, und bei dem des Weiteren eine sekundäre Quelle von elektrischem Strom verwendet wird, um einen Schweißfülldraht (oder „Warmdraht”) widerstandszuerwärmen, der in einer solchen Weise zu einer Schweißstelle geführt wird, dass er die Schweißpfütze berührt und dabei allenfalls in geringem Maße der intensiven Wärme ausgesetzt wird, die durch diese Hochintensitätsstromquelle erzeugt wird.
1 veranschaulicht einen konventionellen Gas-Metall-Lichtbogenschweiß(GMAW)-Prozess, der allgemein mit 110 bezeichnet ist, bei dem eine Schweißnaht auf einem Werkstück 112 gezogen wird. Zu diesem Zweck wird ein Schweißdraht 114 von einer Schweißdrahtversorgung 116 in einer solchen Weise durch den Schweißbrenner 118 geführt, dass sich das distale Ende 120 des Schweißdrahtes der Stelle nähert, wo das Schweißen stattfindet. Eine Schutzgasversorgung 124 liefert ein geeignetes Schutzgas zu dem Brenner 118, der so aufgebaut ist, dass er dieses Schutzgas zu der Schweißpfütze 122 leitet, um diese Schweißpfütze zu schützen, während sie erstarrt. Eine hoch-intensive oder „primäre” Stromversorgung 126 liefert elektrische Leistung zu dem Schweißbrenner 118 in einer solchen Weise, dass ein elektrischer Lichtbogen zwischen dem distalen Ende 120 des Schweißdrahtes 114 und der Schweißpfütze 122 erzeugt wird. Die Temperaturen, die dieser Lichtbogen erzeugt, sind hoch genug, um ein Plasma zu bilden, in der Regel in der Größenordnung von 3600°C oder mehr. Solche hohen Temperaturen sind erforderlich, um den Schweißvorgang ordnungsgemäß abzuschließen, da sowohl das distale Ende 120 des Schweißdrahtes 114 als auch der geschweißte Abschnitt des Werkstücks schmelzflüssig sein müssen, um die Schweißpfütze 122 zu bilden.
Weil diese Temperaturen so hoch sind, verdampft ein nicht unerheblicher Teil der Bestandteile in dem Schweißdraht 114 – als ein natürliches Ergebnis des Schweißprozesses – in die Atmosphäre. Das kann aus ökologischer Sicht durchaus relevant sein, wenn der Schweißdraht 114 bestimmte Elemente enthält, die bekanntermaßen gesundheitsschädliche Auswirkungen haben, wie zum Beispiel Mangan, Chrom, Nickel, Cadmium und Blei. Vor dieser Erfindung war der übliche Weg zur Lösung dieses Problems, die Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente in den entstehenden Schweißablagerungen zu reduzieren, indem man die Menge dieser gesundheitsschädlichen Elemente in den Schweißdrähten reduzierte, die zum Ziehen dieser Schweißnähte verwendet wurden. Gemäß dieser Erfindung wird dieses Problem gelöst, indem man sich eines Warmdrahtschweißansatzes bedient.
2 veranschaulicht eine erste Ausführungsform dieser Erfindung, bei der der Nicht-Autogenschweißprozess, der sich des Warmdrahtschweißansatzes dieser Erfindung bedient, ein GMAW-Prozess ist. Wie dort gezeigt, verwendet der GMAW-Warmdrahtschweißprozess dieser Erfindung auch im Wesentlichen die gleichen Elemente zum Ausführen des im Wesentlichen gleichen Schweißprozesses, wie oben in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Somit werden die Schutzgasversorgung 224, die primäre Schweißdrahtversorgung 216 und die primäre Stromversorgung 226 dafür verwendet, dem Schweißbrenner 218 ein Schutzgas, einen primären Schweißdraht 214 und elektrische Leistung in einer solchen Weise zuzuführen, dass ein Schweißlichtbogen zwischen dem distalen Ende 220 des primären Schweißdrahtes 214 und der Schweißpfütze 222 erzeugt wird. Wie im Fall des konventionellen GMAW-Prozesses von 1 wird genug elektrische Leistung durch die primäre Stromversorgung 226 zugeführt, um einen elektrischen Lichtbogen zwischen dem distalen Ende 220 des primären Schweißdrahtes 214 und der Schweißpfütze 222 zu bilden, wodurch dieses distale Ende sowie der geschweißte Abschnitt des Werkstücks 212 geschmolzen werden.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Warmdrahtanordnung, die allgemein mit 230 bezeichnet ist, zum separaten Zuführen ausgewählter gesundheitsschädlicher Elemente zu der Schweißpfütze 222, d. h. separat und getrennt von dem Schweißdraht 214, bereitgestellt. Zu diesem Zweck enthält die Warmdrahtanordnung 230 eine Warmdrahtversorgung 232 zum Zuführen von Warmdraht 234 zu dem Warmdrahtbrenner 236 und eine Warmdrahtstromversorgung 238 zum Zuführen von elektrischem Strom zu dem Warmdrahtbrenner 236. Dieser Warmdrahtbrenner ähnelt dem Schweißbrenner 118, der in dem konventionellen GMAW-Prozess von 1 verwendet wird, in dem Sinne, dass er ebenfalls so aufgebaut ist und betrieben wird, dass das distale Ende 240 des Warmdrahtes 234 in Richtung der Schweißpfütze 222 vorangeschoben wird.
Jedoch wird der Warmdrahtbrenner 236 insofern in einer etwas anderen Weise als der Schweißbrenner 118 betrieben, als der Warmdrahtbrenner 236 dergestalt betrieben wird, dass das distale Ende 240 des Warmdrahtes 234 zweckmäßigerweise die Schweißpfütze 222 nur an einer Stelle berührt, die nicht innerhalb des elektrischen Lichtbogens liegt, der zwischen dem distalen Ende 220 des primären Schweißdrahtes 214 und dem Werkstück 212 gebildet wird. Dies kann zum Beispiel geschehen, indem man das distale Ende 220 unmittelbar vor diesem elektrischen Lichtbogen zu dem Werkstück 212 führt, während er sich relativ zu dem Werkstück bewegt, um den Schweißprozess auszuführen. Siehe zum Beispiel das gemeinsam erteilte US-Patent 8,653,417 an Peters. Außerdem wird die Warmdrahtstromversorgung 238 in einer solchen Weise betrieben, dass der Betrag der dem Warmdrahtbrenner 236 zugeführten elektrischen Leistung zweckmäßigerweise gerade ausreicht, um die Temperatur des distalen Endes 240 dieses Warmdrahtes durch Widerstandserwärmung auf seine oder nahe seiner Schmelztemperatur anzuheben.
Dank dieser Merkmale schmilzt das distale Ende 240 des Warmdrahtes 234 erst, wenn es die Schweißpfütze 222 berührt oder im Wesentlichen berührt.
Infolge dessen fusioniert im Wesentlichen das gesamte distale Ende 240 mit der Schweißpfütze 222. Es verdampft nicht in die Atmosphäre, weil es nicht den hohen Temperaturen im Inneren des Schweißlichtbogens ausgesetzt war, der zwischen dem distalen Ende 220 des primären Schweißdrahtes 214 und der Schweißpfütze 222 gebildet wird. Das Gesamtergebnis ist, dass allenfalls ein sehr kleiner Teil der Bestandteile, die den Warmdraht 234 bilden, in die Schweißdämpfe hinein verdampft, die durch diesen Schweißprozess gebildet werden.
Gemäß dieser Erfindung macht man sich dieses Merkmal des Warmdrahtschweißens zunutze, indem man den Warmdraht 234 dafür verwendet, die gesundheitsschädlichen Elemente bevorzugt in die Schweißablagerung hineinzuführen. Weil diese Elemente nicht den hohen Temperaturen des Schweißlichtbogens ausgesetzt werden, verdampfen sie nicht in die Atmosphäre und entweichen folglich nicht in die letztendlich entstehenden Schweißdämpfe. Sie verbleiben vielmehr auf dem Werkstück, wo sie sich mit der Schweißpfütze und folglich mit der letztendlich gebildeten Schweißablagerung vereinigen. Dem Fachmann ist somit klar, dass es durch separates Zugeben dieser gesundheitsschädlichen Elemente in den Warmdraht 234 möglich ist, Schweißablagerungen zu erzeugen, die eine gewünschte hohe Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente aufweisen, während gleichzeitig die Menge dieser gesundheitsschädlichen Elemente in den letztendlich entstehenden Schweißdämpfen minimiert wird.
In der in 2 gezeigten konkreten Ausführungsform unterscheidet sich nun der Warmdrahtbrenner 236 von dem Schweißbrenner 118 dadurch, dass der Warmdrahtbrenner 236 auch nicht dafür ausgelegt ist, ein Schutzgas zu der Schweißpfütze 222 zu leiten. Jedoch ist dieses Merkmal, d. h. das Zuführen eines Schutzgases zu der Schweißpfütze 222 mittels des Warmdrahtbrenners 236, optional und kann gewünschtenfalls in den erfindungsgemäßen Prozess von 2 eingebunden werden.
3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, in der der Nicht-Autogenschweißprozess, der sich des Warmdrahtschweißansatzes dieser Erfindung bedient, ein Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweißprozess ist. Wie in dieser Figur gezeigt, wird eine konventionelle WIG-Schweißanordnung, die allgemein mit 310 bezeichnet ist, dafür verwendet, eine Schweißnaht auf einem Werkstück 312 zu bilden. Zu diesem Zweck wird von der primären Schweißdrahtversorgung 316 ein primärer Schweißdraht 314 zu der Schweißpfütze 322 geführt. In einigen Ausführungsformen kann der Schweißdraht 314 ein handgehaltener Stabfülldraht sein; in diesem Fall kann der Schweißer, der diesen Stabfülldraht hält, als die Schweißdrahtversorgung 316 angesehen werden. Außerdem führt die primäre Stromversorgung 326 elektrische Leistung in einer solchen Weise zu dem Schweißbrenner 318, dass ein Schweißlichtbogen zwischen der in dem Schweißbrenner 318 gehaltenen nicht-aufzehrbaren Wolframelektrode 319 und der Schweißpfütze 322 erzeugt wird. Wie im Fall eines konventionellen WIG-Schweißprozesses wird durch die primäre Stromversorgung 326 genug elektrische Leistung zugeführt, um die Schweißpfütze 322 durch Schmelzen sowohl des distalen Endes 320 des primären Schweißdrahtes 314 als auch des geschweißten Abschnitts des Werkstücks zu bilden. Wie in dieser Figur weiter gezeigt, wird ein inertes Schutzgas von der Schutzgasversorgung 324 optional zu dem Schweißbrenner 318 geleitet, um die Schweißpfütze 322 zu schützen, während sie erstarrt.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Warmdrahtanordnung, die allgemein mit 330 bezeichnet ist, bereitgestellt, um separat ausgewählte gesundheitsschädliche Elemente zu der Schweißpfütze 322 zu führen, d. h. separat und getrennt von dem primären Schweißdraht 314. Diese Warmdrahtanordnung hat im Wesentlichen die gleiche Struktur und arbeitet im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Warmdrahtanordnung 230, die oben in Verbindung mit 2 gezeigt wurde. Somit enthält die Warmdrahtanordnung 330 eine Warmdrahtversorgung 332 zum Zuführen von Warmdraht 334 zu dem Warmdrahtbrenner 336 und eine Warmdrahtstromversorgung 338 zum Zuführen von elektrischem Strom zu dem Warmdrahtbrenner 336. Wie im Fall der Warmdrahtanordnung 230 von 2 wird auch der Warmdrahtbrenner 336 dergestalt betrieben, dass das distale Ende 340 des Warmdrahtes 334 zweckmäßigerweise die Schweißpfütze 322 nur an einer Stelle berührt, die nicht innerhalb des elektrischen Lichtbogens liegt, der zwischen der nicht-aufzehrbaren Wolframelektrode 319 und dem Werkstück 312 gebildet wird, während die Warmdrahtstromversorgung 338 dergestalt betrieben wird, dass die Temperatur des distalen Endes 340 dieses Warmdrahtes durch Widerstandserwärmung nur auf seinen, oder nahe seinem, Schmelzpunkt angehoben wird.
Infolge dessen verdampft allenfalls ein wenig von dem distalen Ende 340 des Warmdrahtes 334 in die Atmosphäre, da es im Wesentlichen vollständig vor den hohen Temperaturen des Schweißlichtbogens abgeschirmt wurde, der zwischen der nicht-aufzehrbaren Wolframelektrode 319 und der Schweißpfütze 322 entsteht. Das Gesamtergebnis ist, dass allenfalls ein sehr kleiner Teil der Bestandteile, die den Warmdraht 334 bilden, in die Schweißdämpfe hinein verdampft, die durch diesen Schweißprozess gebildet werden. Infolge dessen kann man sich hier, wie in dem erfindungsgemäßen Schweißprozess von 2, dieses Merkmal zunutze machen, um die Mengen der gesundheitsschädlichen Elemente zu minimieren, die in die Schweißdämpfe entweichen, die durch diesen Lichtbogenschweißprozess gebildet werden, während gleichzeitig eine zweckmäßig hohe Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente in der letztendlich entstandenen Schweißablagerung beibehalten wird, indem man diese gesundheitsschädlichen Elemente bevorzugt in den Warmdraht 334 auslagert.
In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, sich eines Warmdrahtschweißansatzes zu bedienen, wenn ein WIG-Schweißsystem als die hoch-intensive Stromversorgung verwendet wird. Dieser konventionelle WIG-/Warmdrahtschweißprozess ähnelt dem oben in Verbindung mit 3 beschriebenen erfindungsgemäßen Schweißprozess, außer dass kein primärer Schweißdraht 314 verwendet wird.
Dieser konventionelle WIG-/Warmdrahtschweißprozess hat auch den Vorteil der Minimierung der Konzentration gesundheitsschädlicher Metalle in den Schweißdämpfen, weil alle gesundheitsschädlichen Metalle, die der Schweißpfütze zugeführt werden, durch den Warmdraht zugeführt werden und folglich ihr Verdampfen in die Schweißdämpfe hinein in der gleichen Weise weitgehend verhindert wird wie bei dem erfindungsgemäßen Prozess von 3. Jedoch muss ein übermäßiges Erwärmen des Warmdrahtes, der in diesem konventionellen WIG-/Warmdrahtschweißprozess verwendet wird, vermieden werden, um das Verdampfen seiner Bestandteile zu verhindern. Infolge dessen ist die Geschwindigkeit, mit der dieser Schweißprozess ausgeführt werden kann, inhärent beschränkt.
In dieser Hinsicht ist dem Schweißfachmann vollkommen klar, dass der größte Teil der Schweißablagerung, die auf einem Werkstück durch nicht-autogenes Schweißen gebildet wird, von der einen oder den mehreren aufzehrbaren Schweißelektroden herrührt, die in dem Prozess verwendet werden. Das bedeutet, dass in dem oben beschriebenen konventionellen WIG-/Warmdrahtschweißprozess die maximale Geschwindigkeit, mit der dieser Prozess ausgeführt werden kann, durch die maximale Rate beschränkt ist, mit der der Warmdraht, der in dem Prozess verwendet wird, ohne Verdampfen schmilzt. Diese maximale Geschwindigkeit kann nicht durch Erhöhen der Wärmeenergie erhöht werden, die der nicht-aufzehrbaren Wolframelektrode des Prozesses zugeführt wird, weil ein Lichtbogen am distalen Ende des Warmdrahtes entstehen würde, was wiederum dazu führen würde, dass die gesundheitsschädlichen Elemente in dem Warmdraht verdampfen. Somit ist die maximale Rate, mit der der Warmdraht in diesem Prozess ohne Verdampfen schmilzt, der Ratenbegrenzungsschritt, der die maximale Geschwindigkeit steuert, mit der dieser Prozess ausgeführt werden kann.
In dem erfindungsgemäßen Prozess von 3 wird diese Beschränkung jedoch vermieden, indem die primäre Schweißelektrode 314 verwendet wird, um eine wesentliche Menge der Metalle zuzuführen, welche die Schweißablagerung 322 bilden. Zu diesem Zweck wird die Menge an Wärmeenergie, die durch die nicht-aufzehrbare Wolframelektrode 319 zugeführt wird, relativ zur der Menge erhöht, die in dem oben beschriebenen konventionellen WIG-/Warmdrahtschweißprozess zugeführt wird, wobei diese zusätzliche Menge an Wärme ausreicht, um das distale Ende 320 des primären Schweißdrahtes 314 zusätzlich zu einem geschweißten Abschnitt des Werkstücks 312. Das Gesamtergebnis ist, dass der erfindungsgemäße Prozess von 3 schneller ausgeführt werden kann als der konventionelle WIG-/Warmdrahtschweißprozess, da mehr Wärmeenergie verwendet werden kann, um mehr Metall zu erwärmen, um die Schweißpfütze innerhalb eines bestimmten Zeitraums zu bilden. Weil aber die gesundheitsschädlichen Elemente, die zum Bilden der Schweißnaht benötigt werden, durch den Warmdraht zugeführt werden, wird ein Verdampfen dieser gesundheitsschädlichen Elemente in die Schweißdämpfe hinein nach wie vor vermieden.
4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, in der der Nicht-Autogenschweißprozess, der sich des Warmdrahtschweißansatzes dieser Erfindung bedient, ein lasergestützter Schweißprozess ist. Wie in dieser Figur gezeigt, wird eine konventionelle lasergestützte Schweißanordnung, die allgemein mit 410 bezeichnet ist, dafür verwendet, eine Schweißnaht auf einem Werkstück 412 zu bilden. Zu diesem Zweck wird der primäre Schweißdraht 414 von der primären Schweißdrahtversorgung 416 zu dem Brenner 418 in einer solchen Weise vorangeschoben, dass sein distales Ende 420 sich der Schweißpfütze 422 nähert. Der Laser 444 liefert genug Laserenergie über den Laserstrahl 445, um die Schweißpfütze 422 durch Schmelzen des distalen Endes 420 des primären Schweißdrahtes 414 sowie des geschweißten Abschnitts des Werkstücks zu bilden. Gewünschtenfalls kann ein optionales inertes Schutzgas durch ein nicht gezeigtes Mittel zugeführt werden, um die Schweißpfütze 422 zu schützen, während sie erstarrt.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Warmdrahtanordnung, die allgemein mit 430 bezeichnet ist, bereitgestellt, um ausgewählte gesundheitsschädliche Elemente separat zu der Schweißpfütze 422 zu führen, d. h. separat und getrennt von dem primären Schweißdraht 414. Diese Warmdrahtanordnung hat im Wesentlichen die gleiche Struktur und arbeitet im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Warmdrahtanordnungen 230 und 330, die oben in Verbindung mit den 2 und 3 gezeigt sind. Somit enthält die Warmdrahtanordnung 430 die Warmdrahtversorgung 432 zum Zuführen von Warmdraht 434 zu dem Warmdrahtbrenner 436 und einer Warmdrahtstromversorgung 438 zum Zuführen von elektrischem Strom zu dem Warmdrahtbrenner 436. In einer ähnlichen Weise wie im Fall der Warmdrahtanordnungen 230 und 330 der 2 und 3 wird auch der Warmdrahtbrenner 436 so betrieben, dass das distale Ende 440 des Warmdrahtes 434 die Schweißpfütze 422 zweckmäßigerweise nur an einer Stelle berührt, die nicht direkt durch den Laserstrahl 445 beschossen wird, während die Warmdrahtstromversorgung 438 so betrieben wird, dass das distale Ende 440 dieses Warmdrahtes durch Widerstandserwärmung nur auf seine, oder nahe seiner, Schmelztemperatur angehoben wird.
Infolge dessen verdampft allenfalls ein geringer Teil des distalen Endes 440 des Warmdrahtes 434 in die Atmosphäre, da es im Wesentlichen vor den durch den Laserstrahl 445 gebildeten hohen Temperaturen abgeschirmt wurde. Das Gesamtergebnis ist, dass allenfalls ein sehr kleiner Teil der Bestandteile, die den Warmdraht 434 bilden, in die Schweißdämpfe hinein verdampft, die durch diesen Schweißprozess erzeugt werden. Infolge dessen kann man sich – gleich den erfindungsgemäßen Schweißprozessen der 2 und 3 – dieses Merkmal hier zunutze machen, um die Mengen an gesundheitsschädlichen Elementen zu minimieren, die in die Schweißdämpfe entweichen, die durch diesen Schweißprozess gebildet werden, während gleichzeitig die Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente in der letztendlich entstehenden Schweißablagerung beibehalten wird, indem man bevorzugt diese gesundheitsschädlichen Elemente dem Warmdraht 434 separat zusetzt.
Wie im Fall des erfindungsgemäßen Prozesses von 3 unterscheidet sich der erfindungsgemäße Prozess von 4 von Prozessen zum Kombinieren von Warmdrahtschweißen mit lasergestütztem Schweißen dadurch, dass der erfindungsgemäße Laser-/Warmdraht-Prozess den primären Schweißdraht 414 verwendet – der konventionelle Laser-/Warmdraht-Prozess hingegen nicht. Infolge dessen wird, wie im Fall des erfindungsgemäßen Schweißprozesses von 3, der erfindungsgemäße Schweißprozess von 4 auch schneller ausgeführt als der konventionelle Laser-/Warmdrahtschweißprozess, während gleichzeitig das Verdampfen der gesundheitsschädlichen Elemente in der zu bildenden Schweißablagerung in die Schweißdämpfe hinein minimiert wird.
5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, in der der Nicht-Autogenschweißprozess, der sich des Warmdrahtschweißansatzes dieser Erfindung bedient, ein modifizierter hybridlasergestützter Schweißprozess ist. Wie in dieser Figur gezeigt, wird eine konventionelle hybridlasergestützte Schweißanordnung, die allgemein mit 510 bezeichnet ist, dafür verwendet, eine Schweißnaht auf einem Werkstück 512 zu bilden. Zu diesem Zweck liefern die Schutzgasversorgung 524, die primäre Schweißdrahtversorgung 516 und die Hybridstromversorgung 526 ein Schutzgas, den primären Schweißdraht 514 bzw. elektrische Leistung an den Schweißbrenner 518. Außerdem liefert der Laser 544 Laserenergie über den Laserstrahl 545 zu der Stelle der gebildeten Schweißnaht. Wie im Fall des konventionellen hybridlasergestützten Schweißens wird genug elektrische Leistung durch die Hybridstromversorgung 526 und den Laser 544 zugeführt, um die Schweißpfütze 522 durch Schmelzen sowohl des distalen Endes 520 des primären Schweißdrahtes 514 sowie des geschweißten Abschnitts des Werkstücks zu bilden.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Warmdrahtanordnung, die allgemein mit 530 bezeichnet ist, bereitgestellt, um der Schweißpfütze 522 ausgewählte gesundheitsschädliche Elemente separat zuzuführen, d. h. separat und getrennt von dem primären Schweißdraht 514. Diese Warmdrahtanordnung hat im Wesentlichen die gleiche Struktur und arbeitet im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Warmdrahtanordnungen 230, 330 und 430, die oben in Verbindung mit den 2, 3 und 4 gezeigt sind. Somit enthält die Warmdrahtanordnung 530 die Warmdrahtversorgung 532 zum Zuführen von Warmdraht 534 zu dem Warmdrahtbrenner 536 und eine Warmdrahtstromversorgung 538 zum Zuführen von elektrischem Strom zu dem Warmdrahtbrenner 536. Wie im Fall der Warmdrahtanordnungen der 2, 3 und 4 wird auch der Warmdrahtbrenner 536 so betrieben, dass das distale Ende 540 des Warmdrahtes 534 die Schweißpfütze 522 zweckmäßigerweise nur an einer Stelle berührt, die nicht direkt durch den Laserstrahl 545 beschossen wird und nicht direkt dem elektrischen Lichtbogen ausgesetzt wird, der zwischen dem distalen Ende 520 des primären Schweißdrahtes 514 und dem Werkstück 512 gebildet wird, während die Warmdrahtstromversorgung 538 dergestalt betrieben wird, dass die Temperatur des distales Endes 540 dieses Warmdrahtes durch Widerstandserwärmung nur auf seine, oder nahe seiner, Schmelztemperatur angehoben wird.
Infolge dessen verdampft allenfalls ein geringer Teil des distalen Endes 540 des Warmdrahtes 534 in die Atmosphäre, da verhindert wurde, dass es den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wird, die durch den Laserstrahl 545 und den elektrischen Lichtbogen, der zwischen dem distalen Ende 520 des primären Schweißdrahtes 514 und der Schweißpfütze 522 gebildet wird, entstehen. Das Gesamtergebnis ist, dass allenfalls ein sehr kleiner Teil der Bestandteile, die den Warmdraht 534 bilden, in die Schweißdämpfe hinein verdampft, die durch diesen Schweißprozess erzeugt werden. Infolge dessen kann man sich – gleich den erfindungsgemäßen Schweißprozessen der 2, 3 und 4 – dieses Merkmal hier zunutze machen, um die Mengen an gesundheitsschädlichen Elementen zu minimieren, die in die Schweißdämpfe entweichen, die durch diesen Schweißprozess gebildet werden, während gleichzeitig eine zweckmäßig hohe Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente in der letztendlich entstehenden Schweißablagerung beibehalten wird, indem man bevorzugt diese gesundheitsschädlichen Elemente dem Warmdraht 534 separat zusetzt.
6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, in der der Nicht-Autogenschweißprozess, der sich des Warmdrahtschweißansatzes dieser Erfindung bedient, ein modifizierter Hybrid-WIG-Schweißprozess ist. Wie in dieser Figur gezeigt, wird eine Hybrid-WIG-Schweißanordnung, die allgemein mit 610 bezeichnet ist, dafür verwendet, eine Schweißnaht auf einem Werkstück 612 zu bilden. Zu diesem Zweck liefern die Schutzgasversorgung 624, die primäre Schweißdrahtversorgung 616 und die Hybridstromversorgung 626 ein Schutzgas, den primären Schweißdraht 614 bzw. elektrische Leistung zu dem Schweißbrenner 618. Außerdem liefert die WIG-Stromversorgung 627 elektrische Leistung zu dem WIG-Schweißbrenner 617 in einer solchen Weise, dass ein Schweißlichtbogen zwischen der nicht-aufzehrbaren Wolframelektrode 619, die in dem Schweißbrenner 618 gehalten wird, und der Schweißpfütze 622 erzeugt wird. Es wird genug elektrische Leistung durch die Hybridstromversorgung 626 und die WIG-Stromversorgung 627 zugeführt, um die Schweißpfütze 622 durch Schmelzen sowohl des distalen Endes 620 des primären Schweißdrahtes 614 als auch des geschweißten Abschnitts des Werkstücks zu bilden.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Warmdrahtanordnung, die allgemein mit 630 bezeichnet ist, bereitgestellt, um der Schweißpfütze 622 ausgewählte gesundheitsschädliche Elemente separat zuzuführen, d. h. separat und getrennt von dem primären Schweißdraht 614. Diese Warmdrahtanordnung hat im Wesentlichen die gleiche Struktur und arbeitet im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Warmdrahtanordnungen, die in den vorherigen Ausführungsformen dieser Erfindung gezeigt wurden. Somit enthält die Warmdrahtanordnung 630 die Warmdrahtversorgung 632, den Warmdrahtbrenner 636 und die Warmdrahtstromversorgung 638. Wie im Fall der Warmdrahtanordnungen der vorherigen Ausführungsformen dieser Erfindung wird auch der Warmdrahtbrenner 636 so betrieben, dass das distale Ende 640 des Warmdrahtes 634 die Schweißpfütze 622 zweckmäßigerweise nur an einer Stelle berührt, die nicht direkt den elektrischen Lichtbögen ausgesetzt ist, die zwischen dem Werkstück 612 einerseits und den distale Enden des primären Schweißdrahtes 614 und der Wolframelektrode 619 andererseits gebildet werden. Außerdem wird die Warmdrahtstromversorgung 638 dergestalt betrieben, dass die Temperatur des distalen Endes 640 dieses Warmdrahtes durch Widerstandserwärmung nur auf seine, oder nahe seiner, Schmelztemperatur angehoben wird.
Infolge dessen wird die Menge an gesundheitsschädlichen Elementen, die in die Schweißdämpfe hinein verdampfen, die durch diesen Schweißprozess gebildet werden, minimiert, selbst wenn die Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente in der letztendlich entstandenen Schweißablagerung in der gleichen Weise zweckmäßig hoch gehalten wird wie in den oben beschriebenen anderen Ausführungsformen dieser Erfindung.
Die oben erläuterten Figuren zeigen nur einige wenige konkrete Beispiele, wie der erfindungsgemäße Warmdrahtschweißprozess ausgeführt werden kann. Wie dem Fachmann jedoch einleuchtet, kann das Warmdrahtschweißen auf unterschiedliche Weise in Verbindung mit einer Vielzahl verschiedener Arten nicht-autogener Schweißprozesse ausgeführt werden, wie zum Beispiel Lichtbogenschweißen, lasergestütztes Schweißen und Elektronenstrahlschweißen. Zum Beispiel kann Warmdrahtschweißen in Verbindung Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen (FCAW), Gas-Schutzgas-Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen (FCAW-G), selbstschützendem Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen (FCAW-S), Unterpulver-Lichtbogenschweißen (SAW), lasergestütztem Schweißen und hybridlasergestütztem Schweißen verwendet werden, um nur einige zu nennen.
Ein wichtiges Merkmal, das alle diese Warmdrahtschweißprozesse kennzeichnet, ungeachtet der konkret verwendeten Art der Schweißtechnik, ist, dass ein deutlicher Großteil der elektrischen Energie, die zum Ausführen des Schweißens benötigt wird, durch eine Hochintensitätsstromquelle zugeführt wird (oder durch eine Kombination einer solchen Hochintensitätsstromquelle und einer Hybridstromquelle im Fall eines Hybridschweißprozesses, wie zum Beispiel dem in 5 gezeigten hybridlasergestützten Schweißprozess oder dem in 6 gezeigten Hybrid-WIG-Schweißprozess). In dieser Offenbarung wird diese Hochintensitätsstromquelle als eine „primäre” Stromquelle oder -versorgung bezeichnet. In anderen Patenten und Publikationen kann diese Hochintensitätsstromquelle auch als eine „hoch-intensive” Stromversorgung, eine „Hochenergie”-Stromquelle oder -versorgung, eine Laserstromquelle oder -versorgung, eine GMAW-Stromquelle oder -versorgung und/oder eine WIG-Stromquelle oder -versorgung bezeichnet werden.
Ein weiteres wichtiges Merkmal, das alle diese Warmdrahtschweißprozesse kennzeichnet, ist, dass mindestens ein Schweißfülldraht, der „Warmdraht”, in einer solchen Weise zu der Schweißstelle geführt wird, dass eine Erwärmung des distalen Endes dieses Warmdrahtes auf die extrem hohen Temperaturen, die durch die hoch-intensive oder „primäre” Stromquelle des Schweißprozesses erzeugt werden, vermieden wird. Das soll nicht heißen, dass das distale Ende dieses Warmdrahtes niemals den hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die durch die Hochintensitätsstromquelle erzeugt werden. Es bedeutet viel mehr, dass Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass die Zeitdauer, die das distale Ende des Warmdrahtes dieser hohen Temperatur ausgesetzt ist (falls es dazu kommt), auf einem gewünschten Minimum gehalten wird, dergestalt, dass die Bestandteile, die den Warmdraht bilden, nicht komplett bis auf diese extrem hohen Temperaturen erwärmt werden. Für diesen Zweck können verschiedene Vorgehensweisen verwendet werden, wie dem Fachmann allgemein bekannt ist, wie zum Beispiel Steuern der elektrischen Leistung, die zum Widerstandserwärmen des Warmdrahtes verwendet wird, Steuern der elektrischen Leistung, die der primären Stromversorgung zum Erzeugen des Schweißlichtbogens und/oder des Laserstrahls zugeführt wird, Steuern der Geschwindigkeit, mit der sich das distale Ende des Warmdrahtes der Schweißstelle nähert, und Steuern der Stelle, an der sich das distale Ende des Warmdrahtes der Schweißstelle nähert, mit Bezug auf den elektrischen Lichtbogen und/oder den Laserstrahl, um nur einige zu nennen.
In jedem Fall versteht es sich, dass, wenn im Kontext dieser Offenbarung davon gesprochen wird, dass das Erwärmen des Warmdrahtes ausgeführt wird, ohne ihn den extrem hohen Temperaturen auszusetzen, die durch die hoch-intensive (primäre) Stromquelle erzeugt werden, dies nicht bedeutet, dass dieser Kontakt vollständig vermieden wird. Vielmehr bedeutet es, dass Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass die Zeitdauer, die das distale Ende des Warmdrahtes diesen Temperaturen ausgesetzt ist (falls es dazu kommt), auf einem gewünschten praktischen Minimum gehalten wird.
Warmdrahtschweißen ist in zahlreichen Patenten und Publikationen beschrieben worden, wie beispielsweise in US-2011/0297658 , US-2013/0043219 , US-8,653,417 , US-2014/0263193 , US-2014/0263234 und US-2015/0014283 . Die Offenbarungen aller dieser Patente und Publikationen werden hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen, wobei es sich versteht, dass die in jedem dieser Patente und Publikationen offenbarten Warmdrahtschweißprozesse zum Ausführen des Nicht-Autogenschweißprozesses dieser Erfindung verwendet werden können.
Ein weiteres wichtiges Merkmal, das die Warmdrahtschweißprozesse dieser Erfindung kennzeichnet, ist, dass mindestens zwei aufzehrbare Schweißelektroden verwendet werden. Wie oben angedeutet, ist es bereits bekannt, Warmdrahtschweißen mit WIG-Schweißen und mit lasergestütztem Schweißen zu kombinieren. Wie des Weiteren oben angedeutet, ist ein Ergebnis dieser Kombinationen, dass das Verdampfen gesundheitsschädlicher Metalle, die in die Schweißpfütze gebracht werden können, in weitgehend der gleichen Weise wie im Fall dieser Erfindung minimiert wird. Jedoch verwenden diese Warmdrahtprozesse nur eine einzige Schweißelektrode, den Warmdraht, und sind folglich im Hinblick auf die Geschwindigkeit inhärent beschränkt.
Gemäß dieser Erfindung werden mindestens zwei Schweißelektroden verwendet, eine oder mehrere primäre Elektroden und mindestens ein Warmdraht. Mit dieser Vorgehensweise kann eine wesentliche Menge an Metall, das die Schweißpfütze bildet, durch die primäre Elektrode zugeführt werden, die so formuliert ist, dass sie allenfalls nur wenig gesundheitsschädliche Bestandteile enthält. Dementsprechend können diese Schweißelektroden den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt werden, die durch einen Schweißlichtbogen und/oder einen Laserstrahl erzeugt werden, ohne zu bewirken, dass gesundheitsschädliche Bestandteile in der Schweißpfütze verdampfen. Dies ermöglicht es, dem Werkstück während des Schweißvorgangs eine größere Menge Wärmeenergie zuzuführen, was es wiederum ermöglicht, die Rate der Schweißnahtbildung im Vergleich zu Prozessen, bei denen nur Warmdrähte verwendet werden, wesentlich zu erhöhen. Das Resultat ist eine Minimierung der Menge an gesundheitsschädlichen Bestandteilen, die in die Schweißdämpfe hinein verdampfen, während gleichzeitig eine wesentlich höhere Schweißgeschwindigkeit.
Zwar wurden in der obigen Beschreibung die erfindungsgemäßen Warmdrahtschweißprozesse so veranschaulicht, dass sie mit nur einem einzigen Warmschweißdraht ausgeführt werden, doch es versteht sich, dass gewünschtenfalls auch zwei, drei oder mehr Warmdrähte verwendet werden können.
Chemische Zusammensetzung der Elektrode
Zunächst einmal ist anzumerken, dass es in der Schweißbranche üblich ist, von den chemischen Zusammensetzungen bestimmter Schweißelektroden in Bezug auf die chemischen Zusammensetzungen der unverdünnten Schweißablagerungen, die sie erzeugen, zu sprechen. Das heißt, es ist üblich, von der chemischen Zusammensetzung einer bestimmten Schweißelektrode in Bezug auf die chemische Zusammensetzung der Schweißablagerung, die sie erzeugt, zu sprechen, wenn sie ohne Kontaminierung durch andere Quellen, wie zum Beispiel ein geschweißtes Werkstück, geschmolzen wird und erstarrt. Diese übliche Praxis wird auch in dieser Offenbarung verwendet.
Wenden wir uns nun der eigentlichen Problematik zu. Die chemische Zusammensetzung (d. h. die Bestandteile) von Schweißelektroden ist ein hoch-entwickeltes Gebiet, in dem Sinne, dass für jede spezielle Legierung, die geschweißt werden soll, die speziellen chemischen Zusammensetzungen bestimmter Schweißelektroden, die zum Schweißen dieser speziellen Legierung geeignet sind, bestens bekannt sind.
Zum Beispiel bildet eine konventionelle Schweißelektrode, die durch den Abtretungsempfänger dieser Offenbarung unter der Bezeichnung „Techalloy 308/308L” zum Schweißen verschiedener Arten von Edelstählen vermarktet wird, eine unverdünnte Schweißablagerung, die signifikante Mengen an Chrom, Nickel und Mangan enthält, die alle drei zum Schweißen bestimmter Edelstähle erforderlich sind und die alle drei bekanntermaßen gesundheitsschädlich sind. Gemäß dieser Erfindung wird ein komplementäres Paar von Schweißelektroden bereitgestellt, die, wenn sie zusammen in dem erfindungsgemäßen Prozess verwendet werden, eine unverdünnte Schweißablagerung erzeugen, die im Wesentlichen die gleiche chemische Zusammensetzung hat wie die, die durch diese konventionelle Elektrode erzeugt wird, während gleichzeitig Schweißdämpfe entstehen, die minimale Mengen dieser gesundheitsschädlichen Elemente enthalten.
Dies ist in der folgenden Tabelle 1 veranschaulicht, welche die Zusammensetzungen der unverdünnten Schweißablagerung zeigt, die durch drei verschiedene Schweißelektroden gebildet werden. Die erste dieser Schweißelektroden ist die konventionelle Schweißelektrode des Typs Techalloy 308/308L.

Die zweite ist eine primäre Schweißelektrode, die gemäß dieser Erfindung hergestellt wurde, während die dritte eine komplementäre Warmdrahtschweißelektrode ist, die ebenfalls gemäß dieser Erfindung hergestellt wurde. Alle beide erfindungsgemäßen Schweißelektroden wurden so formuliert, dass, wenn sie in gleichen Mengen zusammen verwendet werden, die kombinierte unverdünnte Schweißablagerungszusammensetzung erzeugen, die in der letzten Spalte dieser Tabelle gezeigt ist und die, wie zu sehen ist, im Wesentlichen die gleiche chemischen Zusammensetzung besitzt wie die, die durch die konventionelle Schweißelektrode des Typs Techalloy 308/308L gebildet wird. In diesem Kontext bedeutet „gleiche Mengen”, dass die Rate, mit der eine bestimmte Masse (ein bestimmtes Gewicht) von Metall in der Schweißablagerung aus jeder Elektrode abgeschieden wird, die gleiche ist. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzungen von Schweißablagerungen von konventionellen und entsprechenden erfindungsgemäßen Schweißelektroden

Bestandteil, Gewichts-%	Techalloy 308/3081L (Konventionell)	Erfindungsgemäße Elektroden
Bestandteil, Gewichts-%	Techalloy 308/3081L (Konventionell)	Primär	Warmdraht	Kombiniert
C	0,01	0,01	0,01	0,01
Cr	19,3	0	39	19,5
Ni	9,3	0	19	9,5
Mo	0,1	0	0,4	0,2
Mn	1,7	0,05	3,4	1,7
Si	0,4	0,1	0,7	0,4
Fe	Rest	Rest	Rest	Rest

Dieser Tabelle ist zu entnehmen, dass die gesundheitsschädlichen Elemente Chrom, Nickel und Mangan der unverdünnten Schweißablagerung, die durch die konventionelle Elektrode des Typs Techalloy 308/308L erzeugt wurde, vollständig in der Warmdrahtelektrode dieser Erfindung vorhanden sind, während keines dieser gesundheitsschädlichen Elemente in der primären Elektrode dieser Erfindung vorhanden ist. Ungeachtet dessen ist die chemische Zusammensetzung der kombinierten unverdünnten Schweißablagerung, die entsteht, wenn diese Elektroden in gleichen Mengen zusammen verwendet werden, im Wesentlichen identisch mit der chemischen Zusammensetzung der unverdünnten Schweißablagerung, die durch diese konventionelle Elektrode gebildet wird, wenn sie allein verwendet wird. Das bedeutet, dass dieses komplementäre Paar erfindungsgemäßer Elektroden dafür verwendet werden kann, Schweißablagerungen mit im Wesentlichen der gleichen chemischen Zusammensetzung zu erzeugen wie die konventionelle Elektrode vom Typ Techalloy 308/308L, während gleichzeitig Schweißdämpfe erzeugt werden, die im Wesentlichen weder Chrom, Nickel noch Mangan enthalten, weil ein Verdampfen dieser gesundheitsschädlichen Elemente während des Schweißens im Wesentlichen vollständig vermieden wurde.
In der konkreten Ausführungsform, die in Tabelle 1 veranschaulicht ist, wurden alle gesundheitsschädlichen Chrom, Nickel und Mangan aus dem primären Schweißdraht eliminiert, wobei der Schweißpfütze die vollständige Menge dieser gesundheitsschädlichen Elemente in durch die komplementäre Warmdrahtschweißelektrode dieser Erfindung zugeführt wird. In anderen Ausführungsformen brauchen nicht alle dieser gesundheitsschädlichen Elemente vollständig aus der primären Elektrode entfernt zu werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform dieser Erfindung eine primäre Schweißelektrode, die speziell zum Schweißen von Edelstählen durch den erfindungsgemäßen Prozess geeignet ist, bis zu 5 Gewichts-% Chrom, bis zu 5 Gewichts-% Nickel und bis zu 1 Gewichts-% Mangan enthalten. In anderen Ausführungsformen können solche primären Schweißelektroden so formuliert werden, dass sie geringere Mengen dieser Elemente enthalten, zum Beispiel maximal 3 Gewichts-%, 2 Gewichts-% oder auch nur 1 Gewichts-% Chrom, maximal 3 Gewichts-%, 2 Gewichts-% oder auch nur 1 Gewichts-% Nickel und maximal 0,8 Gewichts-%, 0,7 Gewichts-% oder auch nur 0,6 Gewichts-% Molybdän.
In weiteren Ausführungsformen können die primären und Warmdrahtelektroden dieser Erfindung so formuliert sein, dass sie eine gewünschte kombinierte unverdünnte Schweißablagerung erzeugen, wenn verschiedene Mengen dieser komplementären Schweißelektroden verwendet werden, d. h. wenn die Rate, mit der der Schweißpfütze eine bestimmte Masse (ein bestimmtes Gewicht) von Metall durch jede Elektrode, die in dem erfindungsgemäßen Prozess verwendet wird, zugeführt wird (im Folgenden die „Massenzuführrate” der Elektrode) jeweils eine andere ist.
Wenn es zum Beispiel gewünscht wäre, den oben in Verbindung mit Tabelle 1 gezeigten erfindungsgemäßen Prozess so zu modifizieren, dass man der Schweißpfütze die primäre Elektrode mit einer Massenzuführrate zuführt, die ungefähr 50% größer als die Massenzuführrate der Warmdrahtelektrode ist, dann müsste die Menge an gesundheitsschädlichen Elementen in dem speziellen verwendeten Warmdraht entsprechend erhöht werden. Genauer gesagt, müssten die Konzentrationen von Cr, Ni, Mo, Mn und Si in der speziellen verwendeten Warmdrahtschweißelektrode 25% höher sein als die Konzentrationen dieser gleichen Bestandteile in dem Warmdraht von Tabelle 1, um die Rate, mit der jeder Bestandteil der Schweißpfütze zugeführt wird, auf dem gleichen Wert zu halten. Somit würde ein Warmdraht verwendet werden, der 0,01 Gewichts-% C, etwa 49 Gewichts-% Cr, etwa 24 Gewichts-% Ni, etwa 0,5 Gewichts-% Mo, etwa 4,3 Gewichts-% Mo und etwa 0,9 Gewichts-% Si enthält, unter der Annahme, dass auch die gleiche primäre Elektrode von Tabelle 1 verwendet wird.
In einigen Ausführungsformen dieser Erfindung könnte es wünschenswert sein, der Schweißpfütze die primäre Elektrode mit einer Massenzuführrate zuzuführen, die um so viel größer als die der Warmdrahtelektrode ist, dass nicht alle gesundheitsschädlichen Bestandteile durch einen einzigen Warmdraht zugeführt werden können. Zum Beispiel wäre es nicht möglich, der Schweißpfütze die primäre Elektrode von Tabelle 1 mit einer Zufuhrrate zuzuführen, die 2,5-mal so hoch ist wie die eines einzelnen Warmdrahtes, und immer noch die gleiche kombinierte unverdünnte Schweißablagerung wie in Tabelle 1 zu erzeugen, weil die Mengen der Bestandteile, die diesem einzelnen Warmdraht zugesetzt werden müssten, 100% übersteigen würden.
Darum müssten in diesem Fall mindestens einige dieser gesundheitsschädlichen Elemente durch die primäre Elektrode zugeführt werden, wenn die Verwendung nur eines einzigen Warmdrahtes gewünscht wäre, was aber aufgrund der möglichen Kontaminierung der Schweißdämpfe mit diesen gesundheitsschädlichen Elementen von Nachteil wäre. Eine bessere Herangehensweise gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung wäre die Verwendung von zwei oder mehr Warmdrähten gleichzeitig, die zusammen alle benötigten gesundheitsschädlichen Elemente liefern. Wenn zum Beispiel zwei Warmdrähte mit der Zusammensetzung von Tabelle 1 gleichzeitig verwendet werden würden, so könnten beide der Schweißpfütze mit der halben Massenzuführrate der primären Schweißelektrode von Tabelle 1 zugeführt werden, um die gleiche kombinierte unverdünnte Schweißablagerung dieser Tabelle zu erzeugen.
Es versteht sich darum, dass die Verwendung mehrerer Warmdrähte den weiteren Nutzeffekt bereitstellt, dass die Massenzuführraten, mit denen die verschiedenen Schweißelektroden zugeführt werden, variiert werden können, um verschiedene Betriebsregimes des Warmdrahtschweißprozesses zu ermöglichen.
In jedem Fall kann gemäß allen Ausführungsformen dieser Erfindung die Menge an gesundheitsschädlichen Elementen, die in den Schweißdämpfen zu finden sind, die durch einen Nicht-Autogenschweißprozess erzeugt werden, reduziert werden, ohne dass man eine entsprechende Abnahme der Konzentration dieser gesundheitsschädlichen Elemente in der letztendlich entstehenden Schweißablagerung hinnehmen muss, indem man diese gesundheitsschädlichen Elemente separat in die eine oder die mehreren Warmdrahtschweißelektroden einarbeitet, die in dem erfindungsgemäßen Prozess verwendet werden.
Das Ausmaß, in dem diese gesundheitsschädlichen Elemente separat in den oder die in dem erfindungsgemäßen Prozess verwendeten Warmdrähte eingearbeitet werden sollten, kann in breitem Umfang variieren, und im Wesentlichen kann jeder Grad einer solchen separaten Einarbeitung verwendet werden. So kann zum Beispiel die primäre Elektrode, die in dem erfindungsgemäßen Prozess verwendet wird (oder können die primären Elektroden, wenn mehrere primäre Elektroden verwendet werden) so formuliert werden, dass sie maximal 45 Gewichts-%, maximal 40 Gewichts-%, 45 Gewichts-%, maximal 30 Gewichts-%, 25 Gewichts-%, maximal 20 Gewichts-%, 15 Gewichts-%, maximal 10 Gewichts-%, maximal 5 Gewichts-%, maximal 2 Gewichts-% und sogar maximal 1 Gewichts-% der Gesamtmenge jedes gesundheitsschädlichen Elements enthält, das einer bestimmten Schweißablagerung durch alle Schweißelektroden zugeführt wird. Dementsprechend kann der Warmdraht (oder können die Warmdrähte, wenn mehrere Warmdrähte verwendet werden) so formuliert sein, dass sie mindestens 55 Gewichts-%, mindestens 60 Gewichts-%, mindestens 65 Gewichts-%, mindestens 70 Gewichts-%, mindestens 75 Gewichts-%, mindestens 80 Gewichts-%, mindestens 85 Gewichts-%, mindestens 90 Gewichts-%, mindestens 95 Gewichts-%, mindestens 98 Gewichts-% oder sogar mindestens 99 Gewichts-% der Gesamtmenge jedes gesundheitsschädlichen Elements enthält, das einer bestimmten Schweißablagerung durch alle Schweißelektroden zugeführt wird.
Weil sich jedoch die Größenordnung des Nutzeffekts, der durch diese Erfindung im Hinblick auf die Eliminierung gesundheitsschädlicher Elemente aus den Schweißdämpfen erhalten wird, direkt proportional zu dem Grad verhält, in dem diese gesundheitsschädlichen Elemente separat in den oder die Warmdrähte – getrennt von der oder den primären Elektroden – eingearbeitet werden, ist es sinnvoll, so wenig dieser gesundheitsschädlichen Elemente in der oder den primären Schweißelektroden dieser Erfindung wie praktisch möglich zu belassen.
In dieser Hinsicht ist dem Schweißfachmann vollkommen klar, dass das vollständige Eliminieren eines bestimmten Elements aus den Materialien, die zum Bilden von Schweißelektroden verwendet werden, sehr teuer werden kann und in der Realität sogar unmöglich sein kann. Dementsprechend sollte beim Ausführen des erfindungsgemäßen Prozesses das Ausmaß, in dem gesundheitsschädliche Elemente aus der oder den primären Elektroden eliminiert werden, nicht so groß sein, dass der Prozess insgesamt unwirtschaftlich wird. Vielmehr basiert das maximale Ausmaß, in dem diese gesundheitsschädlichen Elemente eliminiert werden sollten, normalerweise auf einer Kosten-Nutzen-Analyse, die den zusätzlichen Nutzen, der durch ein noch stärkeres Reduzieren der Konzentration von gesundheitsschädlichen Elementen in den primären Elektroden erhalten werden soll, mit den Kosten der Realisierung dieser weiteren Reduzierung vergleicht.
So wurden zum Beispiel in dem komplementären Paar erfindungsgemäßer Elektroden, die beispielhaft in der obigen Tabelle 1 verdeutlicht sind, die Mengen an Mangan und Silizium in der primären Elektrode nicht auf Null oder ungefähr Null reduziert, da der möglicherweise zu erhaltende Nutzeffekt in keinem vernünftigen Verhältnis zu den damit verbundenen Kosten stehen würde. Letztendlich bedeutet das, dass die Mindestmenge eines bestimmten gesundheitsschädlichen Elements, das in der primären Elektrode, die für die Praktizierung einer bestimmten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird, enthalten ist oder enthalten sein sollte, um ihren maximalen Nutzeffekt zu erreichen, in erster Linie auf der Wirtschaftlichkeitsfrage basiert, wobei diese Mindestmenge nicht so hoch ist, dass der erfindungsgemäße Prozess unwirtschaftlich wird. Der Schweißfachmann dürfte keine Schwierigkeiten haben, diese Wirtschaftlichkeitsfrage zu beantworten.
Oder anders ausgedrückt: Dem Schweißfachmann leuchtet ohne Weiteres ein, dass, was das Minimieren gesundheitsschädlicher Elemente in den Schweißdämpfen anbelangt, es umso besser ist, je mehr dieser gesundheitsschädlichen Elemente aus der primären Schweißelektrode eliminiert werden können. Jedoch würden die Kosten des Reduzierens aller traditionellen Legierungselemente (Mn und Si) aus den Schweißelektroden die Gesamtkosten erheblich in die Höhe treiben. Darüber hinaus würden selbst dann, wenn alle gesundheitsschädlichen Elemente aus alle Schweißelektroden entfernt werden würden, einige dieser Elemente wahrscheinlich immer noch in den Schweißdämpfen vorhanden sein, was der Tatsache geschuldet ist, dass der Grundwerkstoff (das zu schweißende Stück) wahrscheinlich eben diese Elemente (von denen einige durch den Schweißlichtbogen verdampft werden würden) enthalten würde. Das heißt, die zusätzlichen Kosten des vollständigen Eliminierens dieser gesundheitsschädlichen Elemente aus der Schweißelektrode würden nicht gerechtfertigt sein.
Zu diesem Zweck repräsentiert die chemische Zusammensetzung der Ablagerung der primären Elektrode des Beispiels dieser Erfindung in der obigen Tabelle 1 einen sinnvoll niedrigen Gehalt an Mangan und Silizium, aber nicht so niedrig, dass es die primäre Schweißelektrode signifikant verteuern würde.
Obgleich oben nur einige wenige Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass viele Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen. Alle derartigen Modifizierungen sollen innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung, der allein durch die folgenden Ansprüche beschränkt wird, enthalten sein.
Bezugszeichenliste

110: konventioneller Gas-Metall-Lichtbogenschweißprozess
112: Werkstück
114: Schweißdraht
116: Schweißdrahtversorgung
118: Schweißbrenner
120: distales Ende
122: Schweißpfütze
124: Schutzgasversorgung
126: hoch-intensive oder „primäre” Stromversorgung
212: Werkstück
214: primärer Schweißdraht
216: primärer Schweißdraht
218: Schweißbrenner
220: distalen Ende
222: Schweißpfütze
226: primäre Stromversorgung
224: Schutzgasversorgung
226: primäre Schweißdrahtversorgung
230: Warmdrahtanordnung
232: Warmdrahtversorgung
234: Warmdraht
236: Warmdrahtbrenner
238: Warmdrahtversorgung
310: konventionelle WIG-Schweißanordnung
312: Werkstück
314: primärer Schweißdraht
316: Schweißstromversorgung
318: Schweißbrenner
319: Wolframelektrode
320: distales Ende
322: Schweißpfütze
324: Schutzgasversorgung
326: primäre Stromversorgung
330: Warmdrahtanordnung
332: Warmdrahtversorgung
334: Warmdraht
336: Warmdrahtbrenner
338: Warmdrahtstromversorgung
340: distales Ende
430: Warmdrahtanordnung
510: konventionelle hybridlasergestützte Schweißanordnung
512: Werkstück
514: primärer Schweißdraht
516: Schweißdrahtversorgung
518: Schweißbrenner
520: distales Ende
522: Schweißpfütze
524: Schutzgasversorgung
526: Hybridstromversorgung
530: Warmdrahtanordnung
532: Warmdrahtversorgung
534: Warmdraht
536: Warmdrahtbrenner
538: Warmdrahtstromversorgung
540: distales Ende
544: Laser
545: Laserstrahl
610: Hybrid-WIG-Schweißanordnung
612: Werkstück
614: primärer Schweißdraht
616: Schweißdrahtversorgung
617: Schweißbrenner
618: Schweißbrenner
619: Wolframelektrode
622: Schweißpfütze
624: Schutzgasversorgung
626: Hybridstromversorgung
627: WIG-Stromversorgung
630: Warmdrahtanordnung
632: Warmdrahtversorgung
636: Warmdrahtbrenner
638: Warmdrahtbrenner

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0313240 [0002]
US 2014/0083981 [0002]
US 8653417 [0020, 0046]
US 2011/0297658 [0046]
US 2013/0043219 [0046]
US 2014/0263193 [0046]
US 2014/0263234 [0046]
US 2015/0014283 [0046]

Claims

Verfahren zum Reduzieren der Menge eines gesundheitsschädlichen Elements in den Schweißdämpfen, die durch einen Nicht-Autogenschweißprozess erzeugt werden, ohne die Konzentration des gesundheitsschädlichen Elements in der Schweißablagerung zu reduzieren, die durch den Nicht-Autogenschweißprozess erzeugt wird, wobei der Nicht-Autogenschweißprozess mindestens eine primäre Stromquelle verwendet, um intensive Wärme zum Ausführen des Schweißprozesses zuzuführen, wobei diese intensive Wärme ausreichend ist, um Schweißdämpfe zu erzeugen, indem wenigstens einige der Bestandteile, die der Schweißablagerung zugeführt werden, verdampft werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) den Nicht-Autogenschweißprozess mittels eines Warmdrahtschweißansatzes auszuführen, bei dem einige der Bestandteile, die die Schweißablagerung bilden, durch eine primäre Schweißelektrode zugeführt werden, die der intensiven Wärme ausgesetzt wird, die durch die mindestens eine primäre Stromquelle erzeugt wird, während andere der Bestandteile, die die Schweißablagerung bilden, durch mindestens eine Warmdrahtschweißelektrode zugeführt werden, die geschmolzen wird, ohne der intensiven Wärme ausgesetzt zu werden, die durch die mindestens eine primäre Stromquelle erzeugt wird, und (b) der Schweißablagerung mehr als 50% des gesundheitsschädlichen Elements mittels der mindestens einen Warmdrahtschweißelektrode zuzuführen, wobei dieser Prozentsatz auf der Gesamtmenge dieses gesundheitsschädlichen Elements basiert, die der Schweißablagerung durch alle Fülldrähte zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Nicht-Autogenschweißprozess aus der Gruppe bestehend aus Lichtbogenschweißen, lasergestütztem Schweißen und Elektronenstrahlschweißen ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Lichtbogenschweißprozess ein Gas-Metall-Lichtbogenschweißen(GMAW)-Prozess ist und/oder wobei der Lichtbogenschweißprozess ein Wolfram-Inertgas(WIG)-Schweißprozess ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der lasergestützte Schweißprozess ein hybridlasergestützter Schweißprozess ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mehr als 75% des der Schweißablagerung zugeführten gesundheitsschädlichen Elements durch die mindestens eine Warmdrahtschweißelektrode zugeführt wird, und wobei bevorzugt mehr als 95% des der Schweißablagerung zugeführten gesundheitsschädlichen Elements durch die mindestens eine Warmdrahtschweißelektrode zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei nur eine einzige Warmdrahtschweißelektrode in dem Nicht-Autogenschweißprozess verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die primäre Schweißelektrode und die mindestens eine Warmdrahtschweißelektrode eine Schweißpfütze bilden, die erstarrt, um die Schweißablagerung zu bilden, und wobei des Weiteren die primäre Schweißelektrode und die einzelne Warmdrahtschweißelektrode der Schweißpfütze mit der gleichen Massenzuführrate zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die primäre Schweißelektrode und die mindestens eine Warmdrahtschweißelektrode eine Schweißpfütze bilden, die erstarrt, um die Schweißablagerung zu bilden, und wobei des Weiteren die Massenzuführrate, mit der die primären Schweißelektrode der Schweißpfütze geführt wird, größer ist als die Massenzuführrate, mit der die einzelne Warmdrahtschweißelektrode der Schweißpfütze zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei mehrere Warmdrahtschweißelektroden in dem Nicht-Autogenschweißprozess verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das gesundheitsschädliche Element mindestens eines von Mangan, Chrom, Nickel, Cadmium und Blei ist, wobei das gesundheitsschädliche Element bevorzugt Mangan ist.
Verfahren zum Reduzieren der Menge eines gesundheitsschädlichen Elements in den Schweißdämpfen, die durch einen Schweißprozess erzeugt werden, ohne die Konzentration dieses gesundheitsschädlichen Elements in der letztendlich entstehenden Schweißablagerung zu reduzieren, wobei der Schweißprozess aus der Gruppe bestehend aus Lichtbogenschweißen, lasergestütztem Schweißen und Elektronenstrahlschweißen ausgewählt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Ausführen des Schweißprozesses mittels eines Warmdrahtschweißansatzes, bei dem einige der Elemente, die die Schweißablagerung bilden, durch eine primäre Schweißelektrode zugeführt werden, die durch die intensive Wärme geschmolzen wird, die durch den elektrischen Lichtbogen, den Laserstrahl oder den Elektronenstrahl des Schweißprozesses erzeugt wird, während andere der Elemente, die die Schweißablagerung bilden, durch mindestens eine Warmdrahtschweißelektrode zugeführt werden, die geschmolzen wird, ohne die Warmdrahtschweißelektrode der intensiven Wärme auszusetzen, die durch diesen elektrischen Lichtbogen, Laserstrahl oder Elektronenstrahl erzeugt wird, und (b) Zuführen von mehr als 50% dieses gesundheitsschädlichen Elements zu der Schweißablagerung mittels der mindestens einen Warmdrahtschweißelektrode, wobei dieser Prozentsatz auf der Gesamtmenge dieses gesundheitsschädlichen Elements basiert, die der Schweißablagerung durch alle Fülldrähte zugeführt wird.