DE202014010582U1

DE202014010582U1 - Verbrauchsmaterial für speziell beschichtete Metalle

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Publication number: DE202014010582U1
Application number: DE202014010582.0U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2024-03-08
Also published as: WO2014140708A1; US20140263259A1; CN105189031A; BR112015022502A2

Abstract

Aufzehrbare Elektrode (40, 100) zur Verwendung in Lichtbogenschweißanwendungen, bei denen ein Werkstück (50) mit einer Zinkbeschichtung (52) verarbeitet wird, wobei die Elektrode (40, 100) gekennzeichnet ist durch: eine Metallummantelung (110), die einen Kern (120) umgibt; und Füllmaterialien, die in dem Kern (120) angeordnet sind, wobei die Füllmaterialien Flussmittelmaterialien (140) umfassen, wobei die Flussmittelmaterialien (140) eine Abtrennung der Zinkbeschichtung (52) des Werkstücks (50) zu einer Schlacke unterstützen, die wenigstens teilweise durch die Flussmittelmaterialien (140) gebildet wird, und wobei die Flussmittelmaterialien (140) Entoxidierungsmaterialien in einem Bereich von 2 bis 6 Gewichts-% der Elektrode (40, 100) umfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Bestimmte Ausführungsformen betreffen aufzehrbare Elektroden, die in Lichtbogenschweißanwendungen verwendet werden. Insbesondere betreffen bestimmte Ausführungsformen porositätsbeständige, dampfarme aufzehrbare Elektroden, die bei Schutzgas-Metall-Lichtbogenschweiß(GMAW)- oder Schutzgas-Flussmittelkern-Lichtbogenschweiß(FCAW-G)-Anwendungen auf einem Werkstück mit einer Metallbeschichtung verwendet werden. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung eine aufzehrbare Elektrode zur Verwendung in Lichtbogenschweißanwendungen, bei denen ein Werkstück mit einer Zinkbeschichtung verarbeitet wird, ein System zur Verwendung in Lichtbogenschweißanwendungen, ein System zum Lichtbogenschweißen, und eine Elektrode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, 10, 12 bzw. 13.
HINTERGRUND
Metalle, wie zum Beispiel Eisen oder Stahl, können galvanisiert und zum Beispiel mit Zink beschichtet werden. Die Zinkbeschichtungen verhindern Korrosion des darunterliegenden Eisens oder Stahls durch Bilden einer physischen Sperre. Des Weiteren kann das Zink als eine Opferanode fungieren, um das Eisen oder den Stahl sogar dann zu schützen, wenn die Sperre zerkratzt oder beschädigt wird. Galvanisierter Stahl kann geschweißt werden, aber die Zinkbeschichtung erzeugt zahlreiche Probleme. Nicht nur, dass Zinkoxiddämpfe entstehen – die Zinkbeschichtung kann überdies flüchtige Stoffe und Oxide erzeugen, die die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigen können. Zum Beispiel können Zinkdämpfe in der Schweißpfütze eingeschlossen werden, die dann zu starker Porosität in der fertigen Schweißnaht führen können. Dies geschieht, wenn die Schweißpfütze abkühlt, bevor die Dämpfe entweichen können, wenn es keinen Weg zum Entweichen für die Dämpfe gibt, und/oder wenn eine hohe Konzentration an flüchtigen Zinkbestandteilen vorliegt. Des Weiteren können die flüchtigen Zinkbestandteile und das Zinkoxid den Lichtbogen stören und ein hohes Maß an Schweißspritzern generieren, was zu einer suboptimalen Schweißnaht führt. Aufgrund dieser Probleme wird das galvanisierte Werkstück routinemäßig vorbereitet, indem die Zinkbeschichtung beispielsweise durch Abschleifen entfernt wird, bevor der eigentliche Schweißvorgang beginnt. Jedoch ist das Vorbereiten des Werkstücks vor dem Schweißen zeitaufwendig und ineffizient. Darum geht der Trend dahin, über die Beschichtung zu schweißen, anstatt sie zuerst zu entfernen. Jedoch führt dieses Verfahren zu Schweißvorgängen mit einem hohen Maß an Schweißspritzern, was Probleme verursacht, wenn das Werkstück später lackiert wird, und/oder es kann zu innerer Porosität kommen, was schlechte mechanische Eigenschaften zur Folge hat (Ermüdungsbrüche).
Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen eine aufzehrbare Elektrode zur Verwendung beim Lichtbogenschweißen, wie zum Beispiel in Schutzgas-Lichtbogenschweiß(GMAW)- oder Schutzgas-Flussmittelkern-Lichtbogenschweiß(FCAW-G)-Anwendungen auf einem Werkstück mit einer Metallbeschichtung, zum Beispiel einer Zinkbeschichtung. Zu solchen Anwendungen können Hartlöt-, Plattierungs-, Materialaufbau-, Füll-, Hartauftragsschweiß-, Füge- und Schweißanwendungen gehören. Die Elektrode enthält eine Metallummantelung, die einen Kern umgibt, und Füllmaterialien sind in dem Kern angeordnet. Die Füllmaterialien können Eisen enthalten, zum Beispiel in einem Bereich von 8 bis 12 Gewichts-% der Elektrode. Natürlich kann die Metallummantelung – zusätzlich zu dem Eisen in den Füllmaterialien – ebenfalls Eisen enthalten. Zum Beispiel kann die Metallummantelung zu 100% aus Eisen bestehen. Die Füllmaterialien enthalten des Weiteren Flussmittelmaterialien, die das Teilen der Beschichtung des Werkstücks zu einer Schlacke erleichtern, die wenigstens teilweise durch die Flussmittelmaterialien gebildet wird. Die Flussmittelmaterialien enthalten Entoxidierungsmaterialien in einem Bereich von 2 bis 6 Gewichts-% der Elektrode. Die Entoxidierungsmaterialien können Aluminium und/oder Magnesium enthalten. Um das Entstehen von Dämpfen zu reduzieren, wird die Konzentration der schlackebildenden Materialien in dem Kern auf die Menge beschränkt, die benötigt wird, um genügend Beschichtungsmetall von der Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke abzutrennen, um eine Schweißnaht mit allenfalls geringer Porosität zu erzeugen. Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung lassen sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen herleiten.
Diese und weitere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details von veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und/oder weitere Aspekte und/oder Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen verständlicher, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Systems für GMAW- oder FCAW-G-Anwendungen gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer aufzehrbaren Elektrode, die in dem System von 1 verwendet werden kann; und
3 veranschaulicht eine erklärende Querschnittsansicht einer Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke, die durch das System von 1 unter Verwendung des Verbrauchsmaterials von 2 erzeugt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen und sind nicht dafür gedacht, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich stets auf gleiche Elemente.
1 veranschaulicht ein Funktionsblockschaubild eines beispielhaften Systems für GMAW- oder FCAW-G-Anwendungen. Obgleich die vorliegende Erfindung anhand eines Verbrauchsmaterials zur Verwendung in GMAW/FCAW-G-Anwendungen beschrieben wird, kann die vorliegende Erfindung auch in anderen Arten von Prozessen verwendet werden. Das System enthält eine Schweißstromversorgung 80. Die Stromversorgung 80 ist eine gepulste Gleichstromversorgung, obgleich auch Wechselstrom- oder andere Arten von Stromversorgungen möglich sind. Die Konfiguration der Stromversorgung 80 ist dem Fachmann vertraut und wird im Interesse der Kürze hier nicht weiter besprochen.
Die Stromversorgung 80 ist mit dem Kontaktrohr 20 wirkverbunden, das in dem Schweißbrenner 10 untergebracht ist. Das Kontaktrohr 20 stellt einen Kontakt zu der aufzehrbaren Elektrode 40 her. Die Stromversorgung 80 kann einen (nicht gezeigten) Lichtbogeninitiierungskreis enthalten, um einen Lichtbogen 30 zwischen der aufzehrbaren Elektrode 40 und dem Werkstück 50 zu erzeugen. Sobald der Lichtbogen 30 gebildet ist, liefert die Stromversorgung 80 einen Strom über das Kontaktrohr 20, die aufzehrbare Elektrode 40 und den Lichtbogen 30, um das Werkstück 50 zu erwärmen und die Schweißpfütze 45 zu bilden. Während des Betriebes schmilzt der Lichtbogen 30 die aufzehrbare Elektrode 40, wodurch Füllmaterial zum Fügen, Schweißen, Hartlöten, Plattieren usw. bereitgestellt wird. Ein Drahtzufuhrsystem 90 führt die aufzehrbare Elektrode 40 in Richtung des Werkstücks 50 zu, während die Elektrode 40 aufgezehrt wird. Das Werkstück 50 hat auch eine Zinkbeschichtung 52, die durch den Lichtbogen 30 während des Erwärmungsprozesses geschmolzen oder verdampft wird. Um die Porosität in der fertigen Schweißschicht aufgrund atmosphärischen Stickstoffs und Sauerstoffs reduzieren zu helfen, leitet die Gaszufuhr 60 Schutzgas 70 zu dem Schweißbrenner 10. Das Schutzgas 70 verdrängt die Atmosphäre und bildet eine Abschirmung um den Lichtbogen 30 und die Schweißpfütze 45. Wie weiter unten noch besprochen wird, erzeugen die Interaktionen der Füllmaterialien in der aufzehrbaren Elektrode 40 mit der Beschichtung 52 und dem Werkstück 50 während des Schweißprozesses einen Schweißnaht-Schlacke-Schicht 54.
Wie oben besprochen, ist die Zinkbeschichtung 52 dahingehend problematisch, dass sie Porosität in der fertigen Schweißnaht erzeugt. Um dieses Problem zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung, wie in 2 veranschaulicht, eine porositätsbeständige, dampfarme aufzehrbare Elektrode 100 bereit, die für beschichtete Metalle, zum Beispiel verzinkten Stahl, ausgelegt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die aufzehrbare Elektrode 100 ein mit einem Kern versehener Fülldraht mit einer Stahlummantelung 110 sein. Die Ummantelung 110 umgibt einen Kern 120, der Eisenpulver 130, Flussmittelmaterialien 140 und Legierungsagenzien 150 aufweist. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die aufzehrbare Elektrode 100 ein Flussmittelkern-Fülldraht sein. In anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Elektrode 100 ein mit einem Metallkern versehener Fülldraht. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Elektrode 100 insbesondere dafür ausgelegt sein, beim Schweißen mit Schutzgas verwendet zu werden. In weiteren Ausführungsformen ist die aufzehrbare Elektrode 100 dafür ausgelegt, in einer Gleichstrom-Elektrodennegativen (DCEN) Konfiguration verwendet zu werden.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Ummantelung 110 aus kohlenstoffarmem Stahl mit 0,05 bis 0,1 Gewichts-% Kohlenstoff im Verhältnis zur Ummantelung 110 bestehen. Mit Bezug auf die Füllmaterialien in dem Kern 120 ist der Hauptbestandteil des Kerns Eisen 130. Der prozentuale Anteil der Eisenfüllung 130 im Kern 120 liegt im Bereich von 49 bis 80 Gewichts-% des Kerns 120. Der Kern enthält außerdem Flussmittelmaterialien 140. Wie weiter unten noch besprochen wird, sind die Flussmittelmaterialien 140 mindestens dafür enthalten, Schlacke zu erzeugen, die das Entfernen von Zink unterstützt und/oder zu verhindern hilft, dass Stickstoff in die Schweißpfütze gelangt. Die Flussmittelmaterialien 140 können Metallfluoride (oder azidische Oxide) und Entoxidierungsmetalle enthalten. In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Fluoride zum Beispiel Bariumfluorid, Kalziumfluorid und/oder Strontiumfluorid sein. Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf nur diese Fluoride beschränkt und kann auch andere Fluoride enthalten, solange sie die Bildung von Schlacke fördern. In einigen Ausführungsformen können die Entoxidierungsmaterialien Magnesium und/oder Aluminium sein. Auch hier ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Entoxidierer beschränkt und kann auch andere Entoxidierungsmetalle enthalten, solange sie die Abtrennung des Zinks in der Schlacke fördern, wie unten besprochen. Auf der Basis des Schweißprozesses und der gewünschten Schweißeigenschaften kann die Elektrode 100 außerdem Legierungsagenzien 150 enthalten, wie zum Beispiel Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Titan, Chrom, Nickel, Bor, Molybdän, Zirkon, Kalzium und/oder Barium. Natürlich sind die Legierungsagenzien 150 nicht auf die oben genannten Elemente und Verbindungen beschränkt und können auf der Basis der gewünschten Schweißeigenschaften auch andere Legierungsagenzien enthalten.
Wie oben besprochen, ist eine wichtige Erwägung beim Schweißen verzinkter Metalle die Porosität aufgrund der eingeschlossenen Zinkdämpfe. Jedoch kann die Porosität auch durch atmosphärischen Stickstoff verursacht werden, der in der Schweißpfütze eingeschlossen wird, während der Fülldraht zu der Schweißpfütze übertragen wird. In dieser Hinsicht können die oben besprochenen Metallfluoride (oder azidischen Oxide) und Entoxidierungsmetalle helfen zu verhindern, dass der atmosphärische Stickstoff und Sauerstoff mit der Schweißpfütze in Kontakt kommt. Während des Schweißprozesses werden die Fluoride und Entoxidierer aus der aufzehrbaren Elektrode 100 freigesetzt, um zu helfen, die Schlacke zu bilden. Die Schlacke ist reich an Oxiden und entsteht, wenn das Aluminium, Magnesium und andere Materialien mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre reagieren. Die Schlacke kühlt vor der Schweißpfütze ab, verfestigt sich vor dieser und schwimmt oben auf der Schweißpfütze. Die Schlacke fungiert dann als eine Sperre, die hilft zu verhindern, dass atmosphärischer Stickstoff und Sauerstoff in die Schweißpfütze 45 gelangen.
Darüber hinaus hilft in der vorliegenden Erfindung die Schlacke auch beim Entfernen der flüchtigen Zinkbestandteile und Zinkoxide, die während des Schweißprozesses gebildet werden, aus der Schweißpfütze 45. Wie in 3 veranschaulicht, entsteht beim Schweißen von verzinktem Stahl eine zweiphasige Schlackeschicht 310/320 auf der Schweißschicht 300. An der Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke 305 bilden die Aluminium- und/oder Magnesiumoxide eine relativ dichte Schlackeschicht 310. Eine zweite Schlackeschicht 320, die weniger dicht ist und überwiegend aus Zinkoxid besteht, bildet sich auf der dichten Schlackeschicht 310. Das heißt, das Zink wird von der Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke 305 fort zu einer poröseren Sektion der Schlacke abgetrennt. Die Abtrennung des Zinks ist analog dem Entschwefelungsprozess bei der Stahlherstellung. In diesem Prozess erhöhen die Flussmittelzusätze die Schwefelkapazität der Schlacke, wodurch der in dem Stahl eingeschlossene Schwefel erhöht wird. Gleichermaßen wird durch Abtrennen des Zinks von der Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke 305 fort dank der Verwendung von Aluminium und Magnesium weniger Zink in der Schweißpfütze 45 eingeschlossen. In diesem Fall ist die Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke 305 vor allem ein Oxid, das reich an Aluminium und/oder Magnesium ist.

Zwar hat die Schlacke vorteilhafte Auswirkungen im Hinblick auf ihre Funktion als eine Sperre gegen atmosphärischen Stickstoff und Sauerstoff und das Abtrennen des Zinks von der Schweißnaht fort. Doch einige der Fluoride, Oxidationsmittel und Oxide, die zum Erzeugen der Schlacke verwendet werden, bilden Dämpfe. Zum Beispiel erzeugen Fluoride, wie zum Beispiel Kalziumfluorid, Bariumfluorid und Strontiumfluorid, und Entoxidierer, wie zum Beispiel Magnesium, viel Schlacke und erzeugen Dämpfe. Weil des Weiteren die Schlacke von der fertigen Schweißnaht entfernt werden muss, macht zu viel Schlacke den Fertigungsprozess ineffizient. Um also in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Dämpfe- und Schlackebildung zu reduzieren, wird die Konzentration der schlackebildenden Materialien im Kern 120 auf jene beschränkt, die benötigt wird, um genug Zink von der Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke 305 fort abzutrennen, um eine Schweißnaht 300 mit allenfalls geringer Porosität zu erzeugen. Solche Schweißnähte können Zugfestigkeiten in einem Bereich von 450 MPa bis 900 MPa erreichen. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Fluoride in der aufzehrbaren Elektrode 100 im Bereich von 0 bis 2,2 Gewichts-% der Elektrode 100 liegen. In einigen Ausführungsformen liegen die Fluoride im Bereich von 0,43 bis 0,52 Gewichts-% der Elektrode 100. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Entoxidierer im Bereich von 2 bis 6 Gewichts-% der Elektrode 100 liegen, und in einigen Ausführungsformen liegen die Entoxidierer im Bereich von 4,15 bis 5,03 Gewichts-% der Elektrode 100. Des Weiteren kann in beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung der Kohlenstoff in den Füllmaterialien im Bereich von 0 bis 0,5 Gewichts-% der Elektrode 100 liegen, und in einigen Ausführungsformen liegt der Kohlenstoff bei etwa 0,003 Gewichts-% der Elektrode 100. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die aufzehrbare Elektrode 100 Füllmaterialien haben, so wie es in Tabelle 1 gezeigt ist. TABELLE 1

Prozentbereich an Füllmaterialien
	Min % Draht	Max % Draht	Min % Füllung (15,5% Füllung)	Max % Füllung (15,5% Füllung)
Al	2	5	12,90	32,26
Ba	0	0,1	0,00	0,65
C	0	0,5	0,00	3,23
Ca	0	0,1	0,00	0,65
Fe	8	12	51,61	77,42
Mg	0	1	0,00	6,45
Mn	0	1,2	0,00	7,74
Si	0,1	0,3	0,65	1,94
Ti	0	0,03	0,00	0,19
Al₂O₂	0	0,04	0,00	0,26
SiO₂	0	0,01	0,00	0,06
BaF₂	0	1,5	0,00	9,68
SrF₂	0	0,04	0,00	0,26
CaF₂	0	0,3	0,00	1,94

Die erste Spalte von Tabelle 1 ist eine beispielhafte Liste von Füllmaterialien, die in Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Natürlich können auch andere Materialien verwendet werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Die nächsten zwei Spalten zeigen den kleinsten und den größten Gewichtsprozentsatz des Drahtes (der Elektrode) eines jeden der Füllmaterialien. Wie durch die 0% in der Min %-Spalte angedeutet, sind nicht unbedingt alle aufgelisteten Materialien in jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorhanden. Jedoch macht in einigen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Kombination der Füllmaterialien ungefähr 15,5 Gewichts-% der Elektrode 100 aus. In den in Tabelle 1 offenbarten beispielhaften Ausführungsformen zeigen die letzten zwei Spalten den kleinsten und den größten Prozentsatz jedes Füllmaterials als einen Gewichtsprozentsatz am Gesamtfüllmaterial.

Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung einer beispielhaften Ausführungsform der Elektrode 100. Die „Füllung”-Spalte zeigt den Gewichtsprozentsatz des Gesamtfüllmaterials, wobei die Füllmaterialien etwa 15,5 Gewichts-% der Elektrode 100 ausmachen. Die nächsten zwei Spalten zeigen eine Varianz (d. h. den kleinsten Prozentsatz und den größten Prozentsatz) als Gewichtsprozent des Drahtes (der Elektroden) jedes Füllmaterials in beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung. Somit kann der Prozentsatz der Füllmaterialien in diesen Ausführungsformen im Bereich von etwa 14% bis etwa 17% liegen. TABELLE 2

Aufschlüsselung der chemischen Zusammensetzung	Füllung (15,5%)	Min % Draht	Max % Draht
Al	26,98	3,78	4,59
Ba	0,32	0,04	0,05
C	0,02	0,003	0,003
Ca	0,36	0,05	0,06
Fe	64,97	9,09	11,04
Mg	2,61	0,37	0,44
Mn	0,15	0,02	0,03
Si	1,33	0,19	0,23
Ti	0,01	0,002	0,002
AL₂O₂	0,12	0,02	0,02
SiO₂	0,07	0,01	0,01
BaF₂	2,92	0,41	0,5
SrF₂	0,08	0,01	0,01

In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die aufzehrbare Elektrode 100 in einem GMAW-System oder einem FCAW-G-System verwendet werden, wie zum Beispiel dem, das in 1 veranschaulicht ist. Die Klassifikation, ob die Elektrode 100 eine Metallkernelektrode oder eine Flussmittelkernelektrode ist, richtet sich nach der Menge des Flussmittelmaterials 140 in dem Kern 120.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Elektrode 100 für eine reduzierte Schlackebildung ausgelegt. Darum kann in einigen Anwendungen ein höheres Risiko bestehen, dass atmosphärischer Stickstoff in die Schweißpfütze 45 übertragen wird und es somit zu Porosität in der Schweißraupe kommt. Dementsprechend kann die aufzehrbare Elektrode 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dafür ausgelegt sein, mit einem Schutzgas 70 verwendet zu werden, wie in 1 gezeigt, um einen zusätzlichen Porositätsschutz zu bieten. Das Schutzgas 70 verdrängt den atmosphärischen Stickstoff und Sauerstoff um den Lichtbogen 30 und die Schweißpfütze 45 durch Bilden einer Hülle um sie herum. Das Schutzgas 70 kann Argon, Helium, Kohlendioxid oder irgendein sonstiges Inertgas oder ein Gemisch davon sein. Zum Beispiel kann das Schutzgas 70 eine Kombination aus Kohlendioxid und Argon sein, wobei die Konzentration von Kohlendioxid im Argon im Bereich von 10% bis 25% liegt.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann das GMAW- oder das FCAW-G-System als Gleichstrom-Elektrodennegativ (DCEN) eingerichtet werden. Im Gleichstrom-Elektrodenpositiven (DCEP) Modus erfolgt ein tiefer Einbrand in das Werkstück, was einen „Schlüssellocheffekt” zur Folge hat. Somit kann eine verstärkte Interaktion mit der Zinkbeschichtung in der Wurzel der Schweißnaht stattfinden, wenn das DCEP-Verfahren verwendet wird. Bei Verwendung des DCEN-Verfahrens gibt es einen minimalen Einbrand, d. h. keinen Schlüssellocheffekt, aber die Festigkeit der Schweißnaht wird nicht beeinträchtigt. Weil es keinen Schlüssellocheffekt gibt, gibt es eine verringerte Interaktion mit der Zinkbeschichtung und ein geringeres Porositätsrisiko.
Durch Beschränken der Schlacke und Dämpfe, wie oben besprochen, sind beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung in der Lage, solide Schweißnähte auf galvanisiertem Metall mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten, zum Beispiel 40 Inch/Minute oder höher, zu erzeugen. Des Weiteren können Schweißnähte, die mit einer aufzehrbaren Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung gezogen werden, eine Zugfestigkeit von mehr als 700 MPa erreichen, was der Zugfestigkeit von hochfestem Automobilblech entspricht.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente substituiert werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne ihren Schutzumfang zu verlassen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen enthält, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

10: Schweißbrenner
20: Kontaktrohr
30: Lichtbogen
40: Elektrode
45: Schweißpfütze
50: Werkstück
52: Zinkbeschichtung
54: Schweißnaht-Schlacke-Schicht
60: Gaszufuhr
80: Stromversorgung
100: Elektrode
110: Stahlummantelung
120: Kern
130: Eisenpulver
140: Flussmittelmaterialien
150: Legierungsagenzien
300: Schweißschicht
305: Grenzschicht zwischen Schweißnaht und Schlacke
310: Schlackeschicht
320: Schlackeschicht

Claims

Aufzehrbare Elektrode (40, 100) zur Verwendung in Lichtbogenschweißanwendungen, bei denen ein Werkstück (50) mit einer Zinkbeschichtung (52) verarbeitet wird, wobei die Elektrode (40, 100) gekennzeichnet ist durch: eine Metallummantelung (110), die einen Kern (120) umgibt; und Füllmaterialien, die in dem Kern (120) angeordnet sind, wobei die Füllmaterialien Flussmittelmaterialien (140) umfassen, wobei die Flussmittelmaterialien (140) eine Abtrennung der Zinkbeschichtung (52) des Werkstücks (50) zu einer Schlacke unterstützen, die wenigstens teilweise durch die Flussmittelmaterialien (140) gebildet wird, und wobei die Flussmittelmaterialien (140) Entoxidierungsmaterialien in einem Bereich von 2 bis 6 Gewichts-% der Elektrode (40, 100) umfassen.
Aufzehrbare Elektrode nach Anspruch 1, wobei die Füllmaterialien des Weiteren, nach dem Gewicht der Elektrode, Fluoride in nicht mehr als 2,2%, Kohlenstoff in nicht mehr als 0,5%, und Barium in nicht mehr als 0,1% umfassen.
Aufzehrbare Elektrode nach Anspruch 2, wobei die Fluoride, nach dem Gewicht der Elektrode, Bariumfluorid in nicht mehr als 1,5% und Strontiumfluorid in nicht mehr als 0,04% umfassen.
Aufzehrbare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Entoxidierungsmaterialien, nach dem Gewicht der Elektrode, Aluminium in einem Bereich von 2% bis 5% und Magnesium in nicht mehr als 1% umfassen.
Aufzehrbare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Füllmaterialien des Weiteren, nach dem Gewicht der Elektrode, Kalzium bis zu 0,5%, Mangan bis zu 1,2%, Silizium in einem Bereich von 0,1% bis 0,3%, Titan bis zu 0,03%, Aluminiumoxid bis zu 0,04% und Siliziumoxid bis zu etwa 0,01% umfassen.
Aufzehrbare Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der Bereich des Aluminiums 3,78% bis 4,59% beträgt, das Magnesium in einem Bereich von 0,37% bis 0,44% liegt, das Barium in einem Bereich von 0,04% bis 0,05% liegt, der Kohlenstoff 0,003% beträgt, das Kalzium in einem Bereich von 0,05% bis 0,06% liegt, das Mangan in einem Bereich von 0,02% bis 0,03% liegt, der Bereich des Silizium 0,19% bis 0,23% beträgt, das Titan 0,002% beträgt, das Aluminiumoxid 0,02% beträgt und das Siliziumoxid 0,01% beträgt.
Aufzehrbare Elektrode nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Fluoride, nach dem Gewicht der Elektrode, Bariumfluorid in nicht mehr als 1,5% und Kalziumfluorid in nicht mehr als 0,3% umfassen.
Aufzehrbare Elektrode nach Anspruch 6, wobei die Füllmaterialien des Weiteren Eisen bevorzugt im Bereich von 9,09% bis 11,04 Gewichts-% der Elektrode umfassen, und wobei die Füllmaterialien im Bereich von 14% bis 17 Gewichts-% der Elektrode liegen.
Aufzehrbare Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verbrauchsmaterial zur Verwendung in Schutzgas-Anwendungen ausgelegt ist.
System zur Verwendung in Lichtbogenschweißanwendungen, bei denen ein Werkstück (50) mit einer Zinkbeschichtung (52) verarbeitet wird, wobei das System Folgendes umfasst: eine Schweißstromversorgung (80), die mit einer aufzehrbaren Elektrode (40, 100) wirkverbunden ist, um einen Lichtbogen (30) zwischen der aufzehrbaren Elektrode (80) und dem Werkstück (50) zu erzeugen; und ein Drahtzuführvorrichtungssystem, das die aufzehrbare Elektrode (40, 100) zu dem Werkstück (50) führt; gekennzeichnet durch eine aufzehrbare Elektrode (40, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
System nach Anspruch 10, das des Weiteren Folgendes umfasst: ein Schutzgassystem (60), das der Elektrode (40, 100) und dem Lichtbogen (30) Schutzgas zuführt, wobei die Stromversorgung (80) für eine Gleichstrom-Elektrodennegative Konfiguration eingerichtet ist.
System zum Lichtbogenschweißen in Anwendungen, in denen ein Werkstück (50) mit einer Zinkbeschichtung (52) verarbeitet wird, wobei das System ausgestaltet ist zum: Erzeugen eines Lichtbogens (30) zwischen einer aufzehrbaren Elektrode (40, 100) und dem Werkstück (50); und Zuführen der aufzehrbaren Elektrode (40, 100) zu dem Werkstück (50); gekennzeichnet durch die Verwendung einer aufzehrbaren Elektrode (40, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Unterstützen einer Abtrennung einer Beschichtung (52) eines Werkstücks (50) zu einer Schlacke während des Schweißens des Werkstücks (50), um so die Porosität der resultierenden Schweißnaht zu reduzieren.