DE2125031A1 - Verfahren zum senkrechten Schweißen von Werkstucken aus Aluminium oder Alumimumlegierungen - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. QERHARD SCHWAN ? 1 ? ζ Π ^

t MÖNCHEN 80 · QOERZER STRASSE 15

20. Mai 1971

L-8O99-G

UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N. Y, 10017, V.St.A.

Verfahren zum senkrechten SchweiBen von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum senkrechten Schweißen von relativ dicken Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Bis jetzt steht noch kein wirtschaftlich brauchbares Verfahren zum Schweißen von starken Teilen aus Aluminium, d. h. Werkstükken mit einer Dicke von 25 mm oder mehr, zur Verfügung. Ein in jüngerer Zeit gemachter, erfolgversprechender Vorschlag geht dahin, Aluminiumteile solcher Dicke im Elektroschlackeverfahren zu schweißen. Bei diesem Prozeß wird zwischen den zu verschweißenden Oberflächen und zwei einander gegenüberliegenden Badsicherungen aus Kupfer oder rostsicherem Stahl ein Schweißspalt gebildet. Eine Aluminiumdrahtelektrode wird innerhalb des Schweißspaltes unter einer Schweißmittelschicht, die auf Grund des Hindurchleitens von Schweißstrom in schmelzflüssigem Zustand bleibt, fortschreitend abgeschmolzen- Um zu verhindern, daß die Drahtelektrode mit den Wänden des Schweißspaltes in Kontakt kommt,

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FERNSPRECHER 0811/40 10 1» · KABELCELECTItICPATENTMONCHEN

wird ein stromführendes, aus Aluminium bestehendes Führungsrohr benutzt, das zunächst bis fast zum Boden des Schweißspaltes reicht und fortschreitend abschmilzt, wenn das Schweißbad hochsteigt.

Eine erheblich.fi Schwierigkeit, die beim Schweißen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen mittels des Elektroschlackeverfahrens angetroffen wurde, besteht darin, daß die Badsicherungen aus Kupfer oder rostsicherem Stahl zu SchweiBungen führen, die an den Kanten Kaltschweißstellen aufweisen. Außerdem bildet das zur Abschirmung des Schweißbades gegen die Atmosphäre verwendete Schweißmittel eine mechanische Bindung zwischen den Badsicherungen und der Schweißung, so daß die Badsicherungen von der fertigen Schweißung nicht ohne weiteres abgenommen werden können. Werden die Badsicherungen beseitigt, haftet die Schlacke an der Schweißung.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Elektroschlackeverfahren zum Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen zu schaffen, das es erlaubt, die Badsicherungen leicht abzunehmen, und das zu fehlerlosen, porenfreien Schweißungen führt, die im wesentlichen frei von Kaltschweißstellen und anhaftender Schlacke sind.

Ausgehend von einem Verfahren zum senkrechten Schweißen von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit einer Dicke von mindestens 25 mm, bei dem eine aus Aluminium oder einer

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Aluminiumlegierung bestehende Drahtelektrode durch ein stromführendes Führungsrohr hindurch in einen Schweißspalt hineingeleitet wird, der von den in Abstand voneinander angeordneten, zu verschweißenden Werkstückoberflachen und zwei einander gegenüberliegenden Badsicherungen begrenzt wird, und bei dem die Drahtelektrode innerhalb des Schweißspaltes unter einer Schweißmittelschicht, die durch das Hindurchleiten von Schweißstrom in schmelzflüssigem Zustand gehalten wird, fortschreitend abgeschmolzen wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schweißvorgang mit Hilfe von Badsicherungen erfolgt, die aus Graphit bestehen oder an der dem Schweißspalt zugekehrten Oberfläche mit Graphit überzogen sind, daß mit einer Schweißspannung von 4O bis 75 V in Verbindung mit einem Schweißstrom von 1300 bis 4OO A gearbeitet wird und daß ein Schweißmittel auf Halogenbasis verwendet wird.

Weitere Merkmale der' Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die einzige Figur der beiliegenden Zeichnung zeigt, teilweise im Schnitt, einen Aufriß einer typischen Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Ein stationäres Führungsrohr 1O aus Aluminium,durch das ein von einer Spule 14 aus zugeführter Aluminiumschweißdraht 12 hindurchläuft, befindet sich zwischen den miteinander zu verschweißenden Aluminiumteilen 18 und 20. Der Draht wird mittels einer Transportrollengruppe 15, die von einem Motor M angetrieben ist, vorgeschoben und läuft durch eine Drahtbiegevorrichtung 17 hin-

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durch. Diese Vorrichtung biegt den Draht 12 ab und rotiert dabei, so daß das Ende des Drahtes eine kreisförmige Bahn beschreibt, wenn es aus dem Führungsrohr 10 austritt und in die Schweißzone gelangt. Von der Biegevorrichtung 17 aus läuft der Draht durch ein Kontaktteil 16 hindurch und tritt dann in das Führungsrohr 10 ein.

fc Das Führungsrohr 10 befindet sich zwischen den in Abstand voneinqncter liegenden Kanten der zu verschweißenden Aluminiumteile 18 und 20« Badsicherungen 22 aus Graphit sind an der Außenfläche der Schweißteile festgeklemmt und begrenzen einen Hohlraum (den Schweißspalt),innerhalb dessen das Schweißbad ausgebildet wird.

Die eine Seite einer Schweißstromquelle 25 ist an das Kontaktteil 16 angeschlossen. Von diesem geht der Strom auf das Führungsrohr 10 über, das seinerseits den Strom auf den Schweißdraht 12 überträgt. Die andere Klemme der Stromquelle 25 ist mit einer Bodenplatte 26 verbunden, die mit den Aluminiumteilen 18 und 20 in Kontakt steht,

Im Betrieb wird der Draht 12 durch das Führungsrohr 1O hindurch vorgeschoben, bis er aus dem Führungsrohr nahe der Unterseite der miteinander zu verschweißenden Platten austritt. In den Schweißspalt wird ein Schweißmittel auf Halogenbasis eingebracht; ein Lichtbogen wird ausgebildet. Nach dem Aufschmelzen bildet das Schweißmittel ein schmelzflüssiges Bad, in dem durch Widerstandserwärmung eine ausreichende Wärme erzeugt wird, um das Ende der

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Drahtelektrode und des Führungsrohres aufzuschmelzen. Das Schweißbad wird innerhalb des Schweißspaltes gehalten. In dem Maße, in dem das Führungsrohr und der Draht fortschreitend abschmelzen, steigt das Schweißbad nach oben.

Bei Verwendung von Badsicherungen aus Graphit, unter denen vorliegend auch Badsicherungen mit einer Oberflächenschicht aus Graphit verstanden werden, haftet der größte Teil des geschmolzenen Schweißmittels an den Badsicherungen an, so daß die Badsicherungen leicht abgenommen werden können, wenn die Schweißung fertiggestellt ist. Die Badsicherungen aus Graphit haben den weiteren Vorteil, daß durch sie hindurch nur eine vergleichsweise kleine Wärmemenge aus der Schweißbadzone abgeführt wird, wodurch die Wärmemenge verkleinert wird, die zur Bildung der Schweißung in das Aluminium eingebracht werden muß.

Es wurde gefunden, daß zur Herstellung von senkrechten Schweißungen in Aluminium nicht nur Badsicherungen aus Graphit zu verwenden sind, sondern daß auch die Spannung und der Strom, die jedem abschmelzenden Draht zugeführt werden, innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten werden müssen. Die Spannung kann zwischen 40 V und 75 V variiert werden, während der Strom entsprechend zwischen 1300 A und 4OO A liegen kann. Wird mit einer Schweißenergie unterhalb dieser Grenzwerte gearbeitet, bilden sich an den Plattenkanten Kaltschweißstellen j es kommt zu einer ungenügenden Aufschmelzung. Beim Arbeiten mit höherer Leistung wird die Stabilität des Prozesses schlecht.

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Es zeigte sich ferner, daß beim Schweißen von Aluminiumplatten mit einer Dicke von über ungefähr 5O mm mehrere Führungsrohre zu verwenden sind, denen jeweils ein Schweißdraht über eine rotierende Biegevorrichtung zugeleitet wird. Ohne Kreisbewegung der Drahtspitze ist es schwierig, für ein vollständiges Aufschmelzen der Schweißung zu sorgen. Weil eine derartige Kreisbewegung der Drahtspitze ein vollständiges Schmelzen sicherstellt, wird sie vorzugsweise bei allen Werkstückdicken verwendet, obwohl die Verhältnisse diesbezüglich erst beim Schweißen von Werkstücken kritisch sind, die dicker als ungefähr 5O mm sind.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Ausbildung von einwandfreien senkrechten Aluminiumschweißungen ist das Schweißmittel. Das Schweißmittel muß ein Schweißmittel auf Halogenbasis sein. Zur Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde ein neuartiges Schweißmittel entwickelt. Dieses Schweißmittel besteht im wesentlichen aus ungefähr 35 bis 6O Gew.% Kaliumchlorid (KCl), ungefähr 15 bis 35 Gew.% Natriumchlorid (NaCl), ungefähr 15 bis 3O Gew.% Kryolith (NaAl₃F₆) und einer Spur bis ungefähr 1O Gew.% Lithiumfluorid (LiF). Ein vorzugsweise benutztes Schweißmittel besteht aus 45 Gew.% KCl, 27 Gew.% NaCl, 22 Gew.% NaAl-,F, und 6 Gew.% LiF.

Der Spalt zwischen den Werkstücken sollte vorzugsweise 35 bis 40 mm breit sein. Wie beim herkömmlichen Elektroschlackeverfahren ist vorteilhafterweise eine Verstärkungsnut in die Badsicherungen 22 eingearbeitet. Diese Nut verläuft in Längsrichtung;

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sie hat die Aufgabe, für eine Verstärkung der Schweißung entlang den Seiten zu sorgen. Beim Schweißen von Aluminium hat die Nut vorzugsweise eine größere Querschnittsfläche als Nuten, wie sie beim Schweißen von anderen Werkstoffen verwendet werden. Beispielsweise haben herkömmliche Nuten eine Querschnittsfläche von

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ungefähr 1 cm . Beim Schweißen von Aluminium sollte die Nut eine

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Querschnittsfläche zwischen 1,6 cm und ungefähr 5 cm haben. Die große Verstärkungsnut hat den Zweck, das senkrechte Fortschreiten der Schweißung für einen vorgegebenen Stromwert zu vermindern. Dadurch wird es möglich, auf die zu verschweißenden Teile eine größere Energie- und Wärmemenge zu überführen·. Die vergrö-Berte Nut sorgt ferner für einen Rühreffekt an den Plattenkanten, wodurch ein einwandfreies Aufschmelzen sichergestellt wird.

Die folgenden Beispiele zeigen typische Schweißprozesse entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Beispiel I

Bei diesem Beispiel wurden zwei 50 mm dicke Aluminiumplatten in der in der Zeichnung veranschaulichten Weise angeordnet. Zwischen den Platten war ein Spalt von 35 mm vorhanden. Ein Aluminiumführungsrohr mit 16 mm Außendurchmesser wurde zwischen die Platten eingebracht. Die Badsicherungen aus Graphit wurden an den Endflächen der Platten angeklemmt. Jede der Badsicherungen

2 war mit einer Verstärkungsnut von 3,4 cm Querschnittsfläche versehen. Ein Aluminiumdraht mit 3,2 mm Durchmesser wurde dem

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Führungsrohr zugeleitet. Das Schweißmittel bestand aus 45 Gew.% Kaliumchlorid, 27 Gew.% Natriumchlorid, 22 Gew.% Kryolith und 6 Gew.% Lithiumfluorid.

Es wurde mit 6CXD A bei 56 V gearbeitet. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit betrug 17,75 m/min.

Beispiel II

Bei diesem Beispiel wurden zwei 25 mm dicke Aluminiumplatten
verwendet, zwischen denen ein 38 mm breiter Spalt vorgesehen
war. Ein Aluminiumführungsrohr mit 16 mm Außendurchmesser wurde zwischen die Platten eingeführt. Es wurden Graphitbadsicherungen verwendet, die jeweils mit einer Verstärkungsnut von

5 cm Querschnittsfläche versehen waren. Das Schweißmittel und

der Schweißdraht entsprachen dem Ausführungsbeispiel I. Die
h Drahtvorschubgeschwindigkeit betrug 15,24 m/min. Es wurde mit 550 A bei 56 V geschweißt.

Beispiel III

Zwei 1O,2 mm dicke Aluminiumplatten wurden mit einem gegenseitigen Abstand von 38 mm angeordnet. Es wurden zwei Aluminiumführungsrohre mit 16 mm Außendurchmesser und zwei Aluminiumdrähte mit 3,2 mm Durchmesser benutzt. Die Führungsrohre hatten einen gegenseitigen Abstand von 64 mm. Die Drähte wurden mittels einer Biegevorrichtung abgebogen, die mit ungefähr 25 Umdrehungen/min

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oder einer Umdrehung je 3,2 mm senkrechtem Drahtvorschub rotierte. Bei dem einen Führungsrohr wurde mit 6OO A bei 61 V und mit einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von 17,78 m/min gearbeitet. Bei dem anderen Schweißdraht wurden 58 V bei 600 A verwendet; die Drahtvorschubgeschwindigkeit betrug 20,32 m/min. Das Schweißmittel war das gleiche wie in Beispiel I. Es wurden Badsicherun-

2 gen aus Graphit benutzt, die eine Verstärkungsnut von 3,9 cm Querschnittsfläche besaßen.

Beispiel IV

Zwei 50 mm dicke Aluminiumplatten wurden in der in der Zeichnung veranschaulichten Weise mit einem gegenseitigen Abstand von 38 mm angeordnet. Es wurden ein Aluminiumführungsrohr mit 16 mm Außendurchmesser und ein Aluminiumdraht mit 3,2 mm Durchmesser verwendet. Der Draht wurde mittels einer rotierenden Biegevorrichtung abgebogen. Die Graphitbadsicherungen hatten eine Verstär-

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kungsnut von 3,2 cm Querschnittsfläche. Im unteren Teil der Schweißung wurde mit 58 V und 575 A, im oberen Teil mit 45 V und 10OO A gearbeitet. Das Schweißmittel war das gleiche wie in Beispiel I.

Beispiel V

Zwei 50 mm dicke Aluminiumplatten wurden in der in der Zeichnung veranschaulichten Weise mit einem gegenseitigen Abstand von 38 mm angeordnet. Es wurden ein Aluminiumführungsrohr mit 16 mm

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Außendurchmesser und ein Aluminiumdraht mit 3,2 mm Durchmesser verwendet. Der Draht wurde mittels einer Biegevorrichtung abgebogen, die mit einer Drehzahl von 25 bis 3O U/min rotierte. Die Badsicherungen aus Graphit hatten eine Verstärkungsnut von 1,8

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cm Querschnittsfläche. Im unteren Teil der Schweißung wurde mit 58 V und 600 A, im oberen Teil mit 40 V und 13OO A gearbeitet. Das Schweißmittel war das gleiche wie in Beispiel I.

In jedem der obigen Beispiele wurde eine fehlerfreie Schweißung erhalten. Die Badsicherungen ließen sich zusammen mit dem erstarrten Schweißmittel leicht von der Schweißung trennen. Die derart freigelegten Oberflächen der Schweißungen waren im wesentlichen frei von Kaltschweißstellen.

Unter den Begriff Aluminium sollen vorliegend - mit Ausnahme der Beispiele - nicht nur reines Aluminium, sondern auch Aluminiumlegierungen fallen.

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Claims (5)

- 11 Ansprüche

1. Verfahren zum senkrechten Schweißen von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit einer Dicke von mindestens 25 mm, bei dem eine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Drahtelektrode durch ein stromfünrendes Führungsrohr hindurch in einen Schweißspalt hineingeleitet wird, der von den in Abstand voneinander angeordneten,.zu verschweißenden Werkstückoberflächen und zwei einander gegenüberliegenden Badsicherungen begrenzt wird, und bei dem die Drahtelektrode innerhalb des Schweißspaltes unter einer Schweißmittelschicht, die durch das Hindurchleiten von Schweißstrom in schmelzflüssigem Zustand gehalten wird, fortschreitend abgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißvorgang mit Hilfe von Badsicherungen erfolgt, die aus Graphit bestehen oder an der dem Schweißspalt zugekehrten Oberfläche mit Graphit überzogen sind, daß mit einer Schweißspannung von 40 bis 75 V in Verbindung mit einem Schweißstrom von 1300 bis 400 A gearbeitet wird und daß ein Schweißmittel auf Halogenbasis verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schweißmittel verwendet wird, das im wesentlichen aus 35 bis 60 Gew.% Kaliumchlorid, 15 bis 35 Gew.% Natriumchlorid, 15 bis 30 Gew.% Kryolith und einer Spur bis 1O % Lithiumfluorid besteht.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißmittel im wesentlichen aus 45 Gew.% Kaliumchlorid, 27 Gew.% Natriumchlorid, 22 Gew.% Kryolith und 6 Gew.% Lithiumfluorid besteht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das abschmelzende Ende der Drahtelektrode entlang einer kreisförmigen Bahn bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Badsicherungen mit einer Schweißungsverstärkungsnut verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schweißen von Werkstücken, deren Oberflächen einen gegenseitigen Abstand von 35 bis 4O mm haben, Badsicherungen mit einem Nutquerschnitt zwischen 1,6

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und 5 cm verwendet werden.

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