DE1273725B

DE1273725B - Verfahren zum Stumpfschweissen von schwer schweissbaren Metallen mit dem Lichtbogen-Plasmastrahl

Info

Publication number: DE1273725B
Application number: DEU10369A
Authority: DE
Inventors: Stanley Paul Filipski; Howard Raymond Miller; Arthur James Newman
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1962-12-28
Filing date: 1963-12-24
Publication date: 1968-07-25
Also published as: US3226523A; AT243602B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4MTWt PATENTAMT Int. Cl.:

B23k

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21h-30/12

Nummer: 1273 725

Aktenzeichen: P 12 73 725.6-34 (U 10369)

Anmeldetag: 24. Dezember 1963

Auslegetag: 25. Juli 1968

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Stumpfschweißen von schwer schweißbaren Metallen und Metallegierungen mittels eines außergewöhnlich heißen, richtungsstabilen, scharf begrenzten Plasmastrahles unter Anwendung eines übertragenen elektrischen Lichtbogens und eines Gases.

Es ist bekannt, daß bestimmte Metalle und Metalllegierungen, wie z. B. Kupfer-Nickel- und Nickel-Kupfer-Legierungen, rostfreie Stähle, vergütete Stähle, Nickel-Chrom- und Chrom-Nickel-Stähle ebenso wie verschiedene Werkstoffe auf Kupfergrundlage mit Ausnahme von Messing nur schwer schweißbar sind, da sie Bestandteile enthalten, die die Bildung schwer schmelzbarer und schlecht wärmeleitender Oxyde bewirken.

Zur Vermeidung der Oxydbildung ist es bekannt, beim Schweißen derartiger Metalle mittels eines elektrischen Lichtbogens Argon als Schutzgas zu verwenden. Es wurde auch schon vorgeschlagen, an ao Stelle von Argon Helium zu benutzen, das besonders wirksam bei der Zerstörung der Oxyde ist. Helium ist aber teuer in der Anwendung.

Ferner ist es bekannt, daß durch Zusatz von Wasserstoff zum als Schutzgas dienenden Argon eine Reduktion der Oxyde bewirkt werden kann. Hierbei bestehen aber gewisse Grenzen, und es wurde gefunden, daß bei Herstellung von Stumpfnähten an Werkstücken über etwa 3 mm Dicke der prozentual notwendige Zusatz an Wasserstoff zur Erzielung einer ausreichenden Reduktion der Oxyde zu einer Porosität der Schweißnaht führt. Zum Beispiel dürfte der Wasserstoffzusatz beim Schweißen von 3 mm dicken Blechen nur 8% und beim Schweißen von 5-mm-Blech sogar nur 4 °/o betragen.

Außerdem tritt bei den bisher angewandten Verfahren zum Stumpfschweißen schwer schweißbarer Metalle der Nachteil ein, daß sich bei guter Durchschweißung die Wärme erheblich nach den Seiten ausbreitet, so daß eine breite Schweißraupe entsteht. Bei Blechdicken ab etwa 3 mm muß daher eine entsprechende Kantenvorbereitung und Mehrlagenschweißung angewendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem bei der Herstellung von Stumpfschweißnähten bzw. schmalen V-Schweißnähten ohne Kantenvorbereitung das Einlagenschweißen auch dicker Bleche aus schwer schweißbaren Metallen möglich ist, und wobei eine Porosität in der Schweißnaht sowie Unterschneidungen vermieden werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird von dem als Plasmaarc bekannten und in der Patentschrift 1 066 676 be-Verfahren zum Stumpfschweißen von schwer

schweißbaren Metallen

mit dem Lichtbogen-Plasnjastrahl

Anmelder:

Union Carbide Corporation, New York, N. Y.
(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Schwan, Patentanwalt,

8000 München 8, Goerzer Str. 15

Als Erfinder benannt:

Stanley Paul Filipski, Caldwell Township, N. J.;
Howard Raymond Miller, Clark, N. J.;
Arthur James Newman, North Plainfield, N. J.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Dezember 1962
(248 129)

schriebenen Verfahren Gebrauch gemacht, bei dem ein außergewöhnlich heißer, richtungsstabiler, scharf begrenzter Plasmastrahl unter Anwendung eines übertragenen elektrischen Lichtbogens und eines Gases zum Schneiden, Schmelzen und Schweißen verwendet wird.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß mit dem Plasmastrahl in die gegeneinandergestoßenen Werkstückkanten eine Öffnung geschnitten und der Plasmastrahl unter Fortführung des Schnittes an den Stoßkanten entlangbewegt wird, wobei das im Bereich der wandernden Öffnung geschmolzene Metall hinter dem Plasmastrahl wieder zusammenfließt und eine Schweißnaht bildet. Hierdurch wird ein »Schlüssellocheffekt« erzielt, wobei die Größe des Loches abhängig ist von der Austrittsgeschwindigkeit des Plasmastrahles und der zugeführten elektrischen Leistung, die auch der Dicke der zusammenzuschweißenden Bleche angepaßt werden müssen. Die mit der Kombination eines Schneid- und eines Schweißvorganges erzielte Wirkung ergibt eine dichte Stumpfschweißnaht bei gegenüber den bisherigen Verfahren größerer Schweißgeschwindigkeit.

Nach einem weiteren Vorschlag wird als Gas für den Plasmastrahl Argon verwendet mit einem Was-

809 587/454

Claims

3 4

serstoffgehalt von etwa 2,5 bis 15%, vorzugsweise offenen Ringkanal 26, wobei das schließlich aus letz-

4 bis 8 %. terem ausströmende Schutzgas das aus der Durch-

Zur Erzielung einer gewissen Streckung des Strömöffnung 12 austretende Plasma sowie das aus Plasmastrahles entlang den Stoßkanten, um dadurch den Durchströmkanälen 14 ausströmende Gas ringeine Vergrößerung des »Schlüssellocheffektes« zu 5 förmig abschirmt, erreichen, wird ferner vorgeschlagen, an den Seiten

des Plasmastrahles, die den Stoßkanten gegenüber- Beispiel liegen, jeweils einen Strom vorzugsweise inerten

Schutzgases entlangzuführen. Allgemeine Schweißbedingungen zur Herstellung

Um den Zutritt von Umgebungsluft zu der io einer geraden Stumpfschweißung an einer etwa

Schweißstelle mit Sicherheit auszuschließen, wird der 4,8 mm dicken Kupfer-Nickel-Legierung (70-30): Plasmastrahl und/oder die seitlichen Gasströme von

einem Schutzgasstrom abgeschirmt. ^Strom ¹³° Ampere, Gleichstrom,

Eine beispielsweise Ausführungsform einer Vor- negative Polung

richtung zur Durchführung der vorliegenden Erfin- 15 Spannung 34 Volt

dung ist in der Zeichnung dargestellt. Argonschutzgas etwa 20 l/Min., 7,5% Was-

Fig. 1 zeigt einen Schweißbrenner im Längs- serstoff

^schQitt; Argongas für Plasma .. etwa 5 l/Min., 7,5% Was-

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch diesen Bren- serstoff

ner, jedoch senkrecht zu F i g. 1, und 20 ^ _{plasma seitUch yor}_

Fig. 3 zeigt eine Unteransicht mit dem erfmdungs- beigeführtes Gas ... etwa 20 l/Min., 7,5% Was-

gemaß erzielten Effekt. ^ö serstoff

Dem unteren Teil des Schweißbrenners wird

Argongas mit einem Wasserstoffgehalt von 2,5 bis Vorschubgeschwindig-

15 % zugeführt, das in die Ringkammer 10 und von 25 ^keit ^{&tvia 25} ^cm/Mm·

da durch eine zentral angeordnete und verjüngte Düse Mittelbohrung etwa 20 mm

Düse 12 strömt. In der Mitte der Kammer 10 ist eine Durchmesser

vorzugsweise aus Wolfram bestehende Elektrode E Hilfsbohrungen etwalOmmDurchmesserauf

angeordnet. Der Lichtbogen wird zwischen der Elek- einem Lochkreis mit einem

trodels und den beiden zusammenzuschweißenden 30 Durchmesser von etwa

Blechen W₁ und W₂ gezündet, wobei zweckmäßiger- 35 mm um die Mittelboh-

weise beide Werkstücke mit der Stromquelle verbun- rung den sind. In der Düse wird z. B. nach der in der

Patentschrift 1 066 676 beschriebenen Weise Plasma Die gleichen Bedingungen wurden bei der Hergebildet, und der Plasmastrahl P tritt richtungssta- 35 stellung von geraden Stumpfschweißungen an etwa bilisiert und scharf begrenzt aus der Düse 12 aus und 6,4 mm dicken Kupfer-Nickel-Rohren eingehalten, gelangt so zu den Werkstücken W₁ und W₂. Die Schweißnähte erwiesen sich bei der Untersuchung

Aus der Ringkammer 10 strömt ein Teil des zu- mit Röntgenstrahlen als porenfrei. Gerade Stumpfgeführten Gases durch die Kanäle 14, die in einem schweißungen wurden in ähnlicher Weise an etwa bestimmten Abstand seitlich neben dem Düsenkanal 40 4,8 mm dickem rostfreiem Stahl Type 300 unter Ver-12 angeordnet sind. Durch die aus den Kanälen 14 wendung von Argon mit 15% Wasserstoffgehalt herausströmenden Gasstrahlen wird der im allgemeinen gestellt.

einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Plasma- Patentansprüche-

strahl P entlang den Stoßkanten gestreckt. ^

Der auf das Werkstück auftreffende Plasmastrahl P 45 1. Verfahren zum Stumpfschweißen von schwer

hat einen »Schlüssellocheffekt« zur Folge, wobei im schweißbaren Metallen und Metallegierungen

Bereich der aneinandergestoßenen Blechkanten ein mittels eines außergewöhnlich heißen, richtungs-

Loch 16 mit kleinem Durchmesser geschnitten wird. stabilen, scharf begrenzten Plasmastrahles unter

Der Plasmastrahl P wird mit bestimmter Vorschub- Anwendung eines übertragenen elektrischen

geschwindigkeit an den Stoßkanten entlanggeführt, 50 Lichtbogens und eines Gases, dadurch ge-

so daß das Loch entsprechend der Vorschub- kennzeichnet, daß mit dem Plasmastrahl

geschwindigkeit an den Stoßkanten entlangwandert. in die gegeneinandergestoßenen Werkstückkanten

Insbesondere bei gestrecktem Plasmastrahl P, wie er eine Öffnung geschnitten und der Plasmastrahl

z. B. in Fig. 3 dargestellt ist, erfolgt eine starke Vor- unter Fortführung des Schnittes an den Stoßkan-

und Nachwärmung der Werkstücke vor und hinter 55 ten entlangbewegt wird, wobei das im Bereich der

dem Plasmastrahl, wobei durch die große Hitze des wandernden Öffnung geschmolzene Metall hinter

Plasmastrahles der durch das wandernde Loch ge- dem Plasmastrahl wieder zusammenfließt und eine

schaffene Spalt mit dem geschmolzenen Metall aus- Schweißnaht bildet.

gefüllt wird unter Bildung einer Schweißnaht 20 und 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geeiner glatten unteren Schweißraupe 22. 60 kennzeichnet, daß als Gas Argon mit einem Durch den Wasserstoff wird nicht nur mehr Wärme Wasserstoffgehalt von etwa 2,5 bis 15 %, vorzugsauf das Grundmetall übertragen; er verbrennt auch weise 4 bis 8 ⁰Io, verwendet wird, in dem Maße, wie er aus der Düse ausströmt, und 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch schirmt dabei eine größere Fläche ab, als mit Argon gekennzeichnet, daß die zu schweißenden Werkallein abgeschirmt werden könnte. 65 stücke aus Kupfer-Nickel-Legierungen bestehen. Ein dem in der Kammer 10 befindlichen Gas art- 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gleiches Schutzgas strömt in eine mit einer Gaslinse gekennzeichnet, daß die zu schweißenden Werkversehene Kammer und von da in den unten stücke aus rostfreiem Stahl bestehen.

1 Ζ/ό /2b

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Seiten des Plasmastrahles, die den Stoßkanten gegenüberliegen, jeweils ein Strom, vorzugsweise inerten Gases, entlanggeführt wird, derart, daß der Querschnitt des Plasmastrahles in Richtung der Stoßkanten gestreckt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl und/oder die seitlichen Gasströme von einem Schutzgasstrom abgeschirmt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 1 070 308; deutsche Auslegeschrift Nr. 1007 448;

William M. Conn, Die Technische Physik der Lichtbogenschweißung, Berlin-Göttingen-Heidelberg-München, 1959, S. 300.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen