DE212012000180U1

DE212012000180U1 - Elektrode für GMAW-Hybrid- Laserlichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE212012000180U1
Application number: DE212012000180.8U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-06-24
Anticipated expiration: 2022-09-29
Also published as: JP2014534072A; JP6247213B2; WO2013046002A1; CN103958119B; US9180553B2; BR112014007618A2; CN103958119A; DE112012004067T5; US20130082036A1

Abstract

Schweißelektrode (111), zum Hybrid-Laserlichtbogenschweißen (100), die Folgendes umfasst: einen Elektrodenkorpus; wobei der Elektrodenkorpus Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor in solchen Mengen umfasst, dass der Elektrodenkorpus – nach Gewichts-% – Folgendes enthält: maximal 0,02% Kohlenstoff, Mangan im Bereich von 0,6 bis 1,2%, Silizium im Bereich von 0,3 bis 0,6%, maximal 0,01% Schwefel, und maximal 0,01% Phosphor.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Schweißelektrode nach Anspruch 1. Vorrichtungen und Systeme gemäß der Erfindung betreffen Elektroden, die zum GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißen verwendet werden.
In jüngster Zeit haben auf dem Gebiet des Hybrid-Laserlichtbogenschweißens Entwicklungen stattgefunden, um Werkstücke mittels einer Kombination aus einem Laser und Gas-Metall-Lichtbogenschweißen(GMAW)-Verfahren zu verschweißen. In einem Beispiel eines solchen Schweißverfahrens wird der Laser dafür verwendet, die Schmelzpfütze zu erzeugen oder wenigstens zu initiieren, und der GMAW-Prozess folgt auf den Laser, um das Füllmaterial – die Schweißelektrode – in die Schmelzpfütze hinein abzulagern. Weil der GMAW-Prozess in der Regel gemäß allseits bekanntem GMAW ausgeführt wird, werden beispielsweise massive Schweißelektroden verwendet, die die Standards der American Welding Society (AWS) erfüllen, wie zum Beispiel A5.18 ER70S-3. Wenn jedoch in einem Hybrid-Laserlichtbogenschweißprozess standardmäßige AWS-Elektroden verwendet werden, so kann dies zur Entstehung von Erstarrungsrissen und erhöhter Schweißnahthärte führen, wodurch die Integrität und Qualität der Schweißnaht beeinträchtigt werden kann.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um das Problem der Verschlechterung der Integrität und Qualität der Schweißnaht zu lösen, wird eine Schweißelektrode nach Anspruch 1 bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrode zur Verwendung beim Hybrid-Laserlichtbogenschweißen sowie Verfahren zum Herstellen und Verwenden der Elektrode, die maximal 0,02% Kohlenstoff, Mangan im Bereich von 0,6 bis 1,2%, Silizium im Bereich von 0,3 bis 0,6%, maximal 0,01% Schwefel und maximal 0,01% Phosphor in Gewichts-% der Elektrode aufweist. Gemäß dem Verfahren zum Schweißen kann es ratsam sein, wenn die Elektrode aus einem Kern und einem äußeren Mantel, der den Kern umgibt, besteht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben dargelegten und/oder weitere Aspekte der Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung – in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen – deutlicher hervor. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 veranschaulicht eine schaubildhafte Darstellung eines repräsentativen GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißsystems; und
2 veranschaulicht eine schaubildhafte Darstellung eines Querschnitts einer Metallkernelektrode gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verständnis der Erfindung vereinfachen und sollen den Geltungsbereich der Erfindung in keiner Weise einschränken. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen stets gleiche Elemente.
1 zeigt eine grundlegende Darstellung des GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißsystems 100. Das System 100 enthält eine Laservorrichtung 103, die einen Strahl 101 auf das Werkstück W projiziert, wodurch das Werkstück zu schmelzen beginnt. Die Laservorrichtung 103 ist mit einer Laserstromversorgung 105 gekoppelt. Eine Schweißelektrode 111 wird der Schweißstelle über eine (nicht gezeigte) Drahtzuführvorrichtung und eine Kontaktspitze 113 zugeführt. Eine GMAW-Stromversorgung 115 liefert eine Schweißwellenform an die Elektrode 111, so dass die Elektrode mittels eines GMAW- oder ähnlichen Schweißprozesses in die Schweißnaht hinein abgelagert werden kann. Weil GMAW-Schweißen und GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißen allgemein bekannt sind, werden die Details des Schweißprozesses sowie die Funktionsweise und die Struktur der jeweiligen Komponenten hier nicht ausführlich erörtert. Obgleich sich die folgende Besprechung auf GMAW-Schweißen bezieht, sind Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung beim GMAW-Schweißen beschränkt, sondern können ebenso bei ähnlichen Schweißoperationen mit ähnlichen Problemstellungen verwendet werden.
Wie zuvor angesprochen, wird in typischen Hybrid-Laserlichtbogenschweißoperationen eine massive Standardelektrode nach AWS A5.18 ER70S-3/-6 verwendet. Es ist festgestellt worden, dass die Verwendung solcher Standardelektroden beim GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißen – aufgrund von Aspekten ihrer chemischen Zusammensetzung – zu Rissen und überhöhter Schweißnahthärte führen kann.
Die Elektrodenklassifikation AWS A5.18 verlangt, dass kompatible Elektroden vorgegebene Mengen bestimmter Elemente in der Zusammensetzung des Drahtes aufweisen. Genauer gesagt, verlangt AWS A5.18 ER70S-3 Folgendes (in Gewichts-% der Elektrode):
Kohlenstoff (C) = 0,06 bis 0,15%
Mangan (Mn) = 0,9 bis 1,40%
Silizium (Si) = 0,45 bis 0,75%
Schwefel (S) = maximal 0,035%
Phosphor (P) = maximal 0,025%
Für die Zwecke des typischen GMAW-Schweißens (sowie ähnlicher Schweißoperationen) führt die Verwendung massiver Elektroden mit einer solchen Zusammensetzung zu einer akzeptablen Schweißnaht. Wenn jedoch solche Elektroden beim GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißen verwendet werden, so vergrößert das Vorhandensein von Kohlenstoff, Mangan und Silizium den Erstarrungsbereich des Schweißmetalls. Darum vollzieht sich die Verfestigung der Schmelzpfütze über einen weiten Temperaturbereich. Das hat zur Folge, dass die letzte Flüssigkeit, die in der interdendritischen Region der Schweißnaht erstarrt, eine erhöhte Konzentration dieser Legierungselemente (C, Si und Mn) aufweist. Diese Konzentration verursacht, dass die Verfestigungstemperatur dieser Region noch niedriger wird. Das heißt, wenn dies in einer Region der Schweißfuge geschieht, in der hohe Spannungen vorliegen (wie es beispielsweise in einer Schweißfuge mit einem hohen Tiefe-Breite-Verhältnis der Fall ist), so kann es zu Rissen in der Schweißnaht kommen. Man kann das als Verfestigungsrisse bezeichnen. Des Weiteren können die Abkühlungsraten der Schweißnähte, die mit solchen Elektroden gezogen wurden, hoch genug sein, um zu bewirken, dass die verfestigte Schweißnaht Mikrostrukturen von hoher Härte aufweist. Diese kann zu einer Gesamtschweißnaht mit einer hohen Härte führen, was je nach der Anwendung des Werkstücks von Nachteil sein kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwinden oder beseitigen die oben beschriebenen Probleme durch die Verwendung einer Elektrode mit einer vorgegebenen Zusammensetzung außerhalb der Klassifikation nach AWS A5.18, die beim GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißen verwendet werden.
Genauer gesagt, hat eine beispielhafte Ausführungsform einer Schweißelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Komponenten in Gewichts-% der Elektrode:
Kohlenstoff (C) = maximal 0,02%
Mangan (Mn) = 0,6 bis 1,2%
Silizium (Si) = 0,3 bis 0,6%
Schwefel (S) = maximal 0,01%
Phosphor (P) = maximal 0,01%
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegt der Gehalt an Kohlenstoff im Bereich von 0,005 bis 0,015%. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform liegt der Mn-Gehalt im Bereich von 0,6 bis 0,9,% und der Si-Gehalt liegt im Bereich von 0,3 bis 0,45%. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform liegen die Mengen an Schwefel und Phosphor jeweils im Bereich von 0,002 bis 0,007%. Das heißt, eine andere Ausführungsform der Elektrode kann die folgenden Prozentsätze der oben beschriebenen Komponenten haben:
Kohlenstoff (C) = 0,005 bis 0,015%
Mangan (Mn) = 0,6 bis 0,90%
Silizium (Si) = 0,3 bis 0,45%
Schwefel (S) = maximal 0,002 bis 0,007%
Phosphor (P) = maximal 0,002 bis 0,007%
Natürlich können verschiedene Kombinationen der oben angegebenen Prozentsätze verwendet werden, um die Leistung einer Elektrode für eine bestimmte Schweißoperation zu optimieren. Zum Beispiel kann der Gehalt an Kohlenstoff im Bereich von 0,005 bis 0,015% liegen, während der Mangan-Gehalt im Bereich von 0,6 bis 1,2% liegt. Es können ähnliche beispielhafte Kombinationen zusammengestellt werden. Die relativen Prozentsätze sollten allerdings so gewählt werden, dass eine hochwertige und akzeptable Schweißnaht gewährleistet ist. Zum Beispiel sollten die Komponenten so gewählt werden, dass Verfestigungsrisse, Schweißnahthärte und Porosität minimiert werden.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit den oben genannten Zusammensetzungsprozentsätzen wird das Verhalten des Schweißmetalls während der Verfestigung der Schweißnaht gegenüber der Verwendung einer AWS-Elektrode verbessert, wenn sie beim GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißen eingesetzt wird. Durch die Verwendung solcher niedrigen Gehalte der oben beschriebenen Komponenten wird der Erstarrungsbereich der Schmelzpfütze reduziert. Des Weiteren wird der Gehalt der oben beschriebenen Komponenten zwar reduziert, doch er reicht immer noch aus, um sicherzustellen, dass wenig Porosität infolge von Sauerstoff, der versucht, aus der Schweißnaht zu entweichen, entsteht. Wenn der Gehalt einiger Komponenten zu stark reduziert wird, zum Beispiel Si und Mn, so können Sauerstoffblasen in der Schmelzpfütze entstehen, die Porosität verursachen, da sie versuchen, die Schmelzpfütze zu verlassen. Des Weiteren verhindern die oben spezifizierten Zusammensetzungen die Bildung von Flüssigkeitsfilmen aus Eisensulfiden, die ebenfalls Risse in der Schweißnaht verursachen können.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte Elektrode 111 ist eine Metallkernelektrode mit einem äußeren Mantel 201 und einem Kern 203. Der äußere Mantel 201 kann auf jede bekannte oder konventionelle Weise hergestellt und gebildet werden und kann eine Zusammensetzung haben, wie sie in der Regel zur Herstellung von Elektroden mit Metallkern verwendet wird. In einigen beispielhaften Ausführungsformen finden sich alle der oben genannten Komponenten in dem Kern 203, der in einer Pulver- oder Granulatform vorliegt. Das heißt, Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor finden sich allesamt in dem Kern 203. Andere Ausführungsformen haben mindestens einigen der oben genannten Komponenten in dem Mantel 201 der Elektrode. Zum Beispiel befinden sich in einer beispielhaften Ausführungsform mindestens eines von Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor in dem Mantel 201 der Elektrode. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthalten sowohl der Mantel 201 als auch der Kern 203 Mengen von mindestens einigen der oben angegebenen Komponenten. Zum Beispiel kann in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Mantel 201 mindestens 25% der Komponenten enthalten. Das heißt, der Mantel 201 kann mindestens 25% von einem oder allen der Elemente Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor enthalten.
Der Mantel 201 stellt den Großteil des Gewichts der Elektrode 111 dar. In einer beispielhaften Ausführungsform stellt der Kern 203 5 bis 35% des Gesamtgewichts der Elektrode dar. In anderen beispielhaften Ausführungsformen stellt der Kern 203 10 bis 25 Gewichts-% des Gesamtgewichts der Elektrode dar.
Wie zuvor angesprochen, ist die vorliegenden Erfindung nicht auf einen Draht mit Metallkern, wie in 2 gezeigt, beschränkt, sondern kann auch als eine Elektrode mit massivem Kern ausgebildet sein. Jedoch besteht ein Vorteil des Verwendens einer Metallkernelektrode darin, dass sich die Elektrodenchemie relativ kostengünstig einstellen lässt. Das liegt daran, dass die Einstellung der Chemie überwiegend durch Änderungen in der Chemie der Kernmaterialien anstatt in den Rohstoffen, die zum Ziehen eines Vollkerndrahtes verwendet werden, vorgenommen werden können.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Rest der Gewichtsprozente der Elektrode 111 aus Elementen bestehen, die man in der Regel in Standardelektroden nach AWS A5.18 findet, einschließlich beispielsweise Kupfer, Eisen, Chrom, Molybdän, Nickel, Vanadium usw. Diese Elemente würden jeweils in Mengen vorliegen, die nicht über denen der AWS-Standardvorgaben liegen.
Aufgrund der besonderen Mengen der oben beschriebenen Elemente können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum GMAW-Hybrid-Laserlichtbogenschweißen verwendet werden, ohne dass Verfestigungsrisse entstehen, aber dennoch die Festigkeit und die Eigenschaften der Schweißnaht erhalten werden, wie sie normalerweise bei Verwendung von ER70S-Elektroden erreichbar sind, die bisher üblicherweise verwendet wurden. Genauer gesagt, können Schweißnähte, die mit Elektroden 111 gezogen werden, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, Festigkeitsgrade mit einer praktischen Fließgrenze von mindestens 58 ksi und mindestens 70 ksi Zugfestigkeit erreichen.
Elektroden, die gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, können mit typischen Schutzgasgemischen geschweißt werden, einschließlich beispielsweise 100% Kohlendioxid oder ein Gemisch aus Argon und Kohlendioxid.
Zum Herstellen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können bekannte Herstellungsverfahren verwendet werden. Genauer gesagt, kann im Fall massiver Elektroden eine massive Elektrode aus einem „grünen Stab”, der die entsprechende Chemie, wie im vorliegenden Text dargelegt, besitzt, auf den entsprechenden Durchmesser gezogen werden. Das heißt, ein Ausgangsmaterial oder ein grüner Stab wird aus der gewünschten Chemie, wie im vorliegenden Text beschrieben, hergestellt, und das Ausgangsmaterial wird dann mittels bekannter Zieh- oder Herstellungsprozesse auf den gewünschten Durchmesser gezogen und mit einer gewünschten Oberflächenbeschichtung versehen. Solche Verfahren sind bekannt und brauchen hier nicht beschrieben zu werden. Für Metallkern-Ausführungsformen wird der Mantel 201 in der Regel als ein flaches Grundmaterial von einer gewünschten Breite und Dicke ausgebildet. Das flache Grundmaterial wird dann durch einen Formungsprozess zu einem „U”-Kanal geformt. Das Kernmaterial wird in dem U-Kanal abgelagert, und der U-Kanal wird verschlossen, um einen kreisförmigen Mantel 201 zu bilden, der den Kern 203 vollständig umfängt, um das Kernmaterial an seinem Platz zu halten. Natürlich können auch andere bekannte oder verwendete Herstellungsverfahren eingesetzt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in jedem der bekannten Schweißelektrodendurchmesser oder beliebigen anderen Elektrodendurchmessern, die für eine Schweißoperation benötigt werden, hergestellt werden.
Obgleich die Erfindung speziell mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Dem Durchschnittsfachmann ist klar, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

100: Laserschweißsystem
101: Strahl
103: Laservorrichtung
105: Laserstromversorgung
111: Schweißelektrode
113: Kontaktspitze
115: Stromversorgung
201: äußerer Mantel
203: Kern
W: Werkstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

AWS A5.18 ER70S-3/-6 [0009]
AWS A5.18 [0010]
AWS A5.18 ER70S-3 [0010]
AWS A5.18 [0012]
AWS A5.18 [0020]

Claims

Schweißelektrode (111), zum Hybrid-Laserlichtbogenschweißen (100), die Folgendes umfasst: einen Elektrodenkorpus; wobei der Elektrodenkorpus Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor in solchen Mengen umfasst, dass der Elektrodenkorpus – nach Gewichts-% – Folgendes enthält: maximal 0,02% Kohlenstoff, Mangan im Bereich von 0,6 bis 1,2%, Silizium im Bereich von 0,3 bis 0,6%, maximal 0,01% Schwefel, und maximal 0,01% Phosphor.
Schweißelektrode (111) nach Anspruch 1, wobei der Elektrodenkorpus aus einem Kern (203) und einem äußeren Mantel (201), der den Kern (203) umgibt, besteht.
Schweißelektrode (111) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kohlenstoff im Bereich von 0,005 bis 0,015 Gewichts-% des Elektrodenkorpus vorliegt.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mangan im Bereich von 0,6 bis 0,9 Gewichts-% des Elektrodenkorpus vorliegt.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Silizium im Bereich von 0,3 bis 0,45 Gewichts-% des Elektrodenkorpus vorliegt.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schwefel im Bereich von 0,002 bis 0,007 Gewichts-% des Elektrodenkorpus vorliegt.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Phosphor im Bereich von 0,002 bis 0,007 Gewichts-% des Elektrodenkorpus vorliegt.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kohlenstoff im Bereich von 0,005 bis 0,015 Gewichts-% des Elektrodenkorpus vorliegt und der Schwefel und der Phosphor jeweils im Bereich von 0,002 bis 0,007 Gewichts-% des Elektrodenkorpus vorliegen.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schritt des Ausbildens Folgendes umfasst: Ablagern eines Kerns (203) in einem äußeren Mantel (201), und Schließen des äußeren Mantels (201) um den Kern (203).
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jedes von Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor in dem Kern (203) enthalten ist.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kern 5 bis 35% des Gewichts der Elektrode (111) ausmacht.
Schweißelektrode (111) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Kern 10 bis 25% des Gewichts der Elektrode (111) ausmacht.