DE2133257A1

DE2133257A1 - Verfahren zum Lichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE2133257A1
Application number: DE19712133257
Authority: DE
Inventors: Mian Mohammad Amin
Original assignee: British Oxigen Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-07-05
Publication date: 1972-01-13
Also published as: GB1358985A; AU3089971A; FR2098182B1; NL7109239A; BE769571A; ZA714384B; FR2098182A1

Description

K. 378

Augsburg, den 2.JuIi 1971

The British Oxygen Company Limited, Hammersmith House, London W.β 9DX, England

Verfahren zum Lichtbogenschweißen

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit Abschmelzelektrode und von außen zugeführtem Schutzgas.

Bei derartigen Schweißverfahren ist es üblich, die

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Schweißstromquelle derart anzuschließen, daß die Polarität der Elektrode mit Bezug auf die Polarität des Werkstückes positiv ist. Ein Umkehren der Polarität ist theoretisch reizvoll, weil bei der Verwendung von FlußStahlelektroden der Spannungsabfall an einer Kathode größer ist als an einer Anode. Daraus müßte sich aufgrund des größeren

S.

Metallniederschlages bei einem bestimmten Schweißstrom eine größere Schweißgeschwindigkeit ergeben, die das Schweißen wirtschaftlicher macht. Das Schweißen mit

negativ gepolter Elektrode weist jedoch Nachteile auf. Die hauptsächlichen Nachteile sind, daß der Lichtbogen sehr instabil wird und daß die Übertragung von Sohweißmetall auf das Werkstück grob, ungleichmäßig und nicht axial erfolgt, was beim Schweißen zu einem unzulässig starken Spritzen führt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit Abschmelzelektrode und von außen■zugeführtem Schutzgas anzugeben, bei welchem nur ein sehr geringfügiges Spritzen auftritt.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit Abschmelzelektrode und von außen zugeführtem Schutzgas,

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ORiQlWAL IWSPECtSD

welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Elektrode mit Bezug auf das Werkstück negativ gepolt wird und daß als Schutzgas vorwiegend Argon mit einem Anteil mindestens eines weiteren Gases, mindestens Kohlendioxid, verwendet wird.

Unter dem.in der Beschreibung verwendeten Ausdruck "Küseichen" ist der geschmolzene Teil der Abschmelzelektrode zu verstehen, bevor dieser mit dem Werkstück in Berührung kommt. Der im Rahmen der Beschreibung verwendete Ausdruck ■".Schutzgas" schlieft auch Gasgemische ein.

Als.Beispiel wird die Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, o.Ie in] einzelnen zeigen:

Pij;. 1 ■ in Seitenansicht ein

Licht α ο seilscheibe rät" mit negativer- Jblek'orode,

J'ijT,. 2 in a u Γ el nande rf olgenden

Ansichten die Bildung"eines losgelösten dclriveiiskügeicher.s

- 3 —

109883/1 239 BAD

. beim Ausführen des Verfahrens nach der Erfindung,

Fig.. 3 .-."■■ ..."".■"." die Güte der Schweißraupe,

....■".- . .-die bei Anwendung des Ver- . ■ "-.- --'-: :. ' ;'.- . fahr ens nach-der. Erfindung : "- '-.:..;■■ mit unterschiedlichen Gemischen .· - ..:■"".■ ■:.■ ■-■■-. von Argon, Kohlendioxid und ".-"■:■ . -■'. , Sauerstoff erzielt-wird,

Fig. 4. ". ^: . "" -- \ " .. - ,die Güte von Kehlnähten,

■ ". ; ,'- . "die mit unterschiedlichen

.--."': -- . - "■ "Schutzgas zusammensetzungen ■ '.\y': "■'■.; aus rostfreiem-Stahl erzielt ·-

■".-. ".· :^: - ,wird, und . -

Fig. 5 '■'-: - iri gleicher Darstellung ' ■

■■-.-■■ wie in Fig. 4 die Güte

.. ■ von Schweißungen auf

'■ ■' "^: ; rostfreiem Stahl mit einem

' ... Schutzgas, 'welches reich

an Argon is't und Wasserstoff

- enthält.

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^iV" ^:" BAD ORIGINAL

bei dem in Fig. 1 dargestellten Schweißgerät ist eine Kontaktspitze 2 mit der negativen Klemme einer Schweißstromquelle verbunden. Diese Schweißstromquelle ist so ausgelegt, daß sie etwa bis zu 500 A bei einer Spannung von bis zu 48 V liefert, obgleich diese Maximalwerte, wenn überhaupt, selten gleichzeitig verwendet werden.

Durch die Kontaktspitze 2 hindurch und in Berührung

mit ihr wird.eine Abschmelzelektrode 4 zugeführt, so daß diese g auf dem gleichen Potential wie die Kontaktspitze ist.

Mit Abstand vom Ende der Abschmelzelektrode ist ein Werkstück 6 angeordnet, welches in Pig* 1 von zwei aneinanderstoßenden Plußstahlplatten gebildet wird. Beim Lichtbogenschweißverfahren wird in der Oberfläche des Werkstückes ein Schmelzbad 8 erzeugt, in welches durch den zwischen dem Ende der Elektrode 4 und dem Werkstück gezogenen Lichtbogen nacheinander Kügelchen aus geschmolzenem Elektrodenmaterial eingebracht werden. *

Der Übersichtlichkeit halber sind Einrichtungen, mittels Vielehen der Lichtbogen gezogen wird, in der Zeichnung weggelassen, da sie keinen Teil der Erfindung bilden.

Wenn das Schutzgas vorwiegend aus Argon mit einem

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BAD OFSiGiWAL

geringen. Prozentsatz von Sauerstoff besteht, ist der Lichtbogen zwar verhältnismäßig stabil, er ist jedoch zu lang.
Ls ist sehr schwierig für den Schweißer, während des
Schweißvorganges eine wirksame Steuerung auszuüben, und die Schweißraupe neigt dazu, unterschnitten zu werden, Darüberhinaus ist der Lichtbogen so gezogen, daß er die Schweißraupe vor dem Blick des Schweißers verbirgt.

Es hat sich ergeben, daß die Lichtbogenwurzel bei
Verwendung eines Schutzgases aus reinem Argon versucht, sich auf dem ungeschmolzenen Teil der Elektrode so weit aufwärts zu bewegen, bis sie die Kontaktspitze erreicht, woraufhin
der Lichtbogen auf das geschmolzene Xügelchen zurückschlägt und an einer Zufallsstelle auf demselben einen heißen Fleck erzeugt. Die durch den Lichtbogen erzeugten elektromagnetischen Kräfte wirken auf das Kügelchen ein, so daß dieses, wenn es groß genug ist, um von der Elektrode abgelöst zu werden,
durch die nichtaxialen elektromagnetischen Kräfte quer zur
Elektrodenachse bewegt wird und an einer Zufallsstelle auf
dem "»verkstück in einiger Entfernung von dem Schmelzbad
aufgebracht wird, wodurch sich eine sehr schlechte Schweißung mit sehr starkem Spritzen ergibt.

Wenn dem Argon Helium hinzugefügt wird, so ergibt sich eine höhere Oszillationsfrequenz der Lichtbogenwurzel längs

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BAD

der iilektroae, und zwar für einen geringeren Abstand als mit reineiu Argon, da jedoch der Lichtbogen ebenfalls dazu neigt, sien selbst auszulöschen ,ist diese Gaszusammensetzung nicht zulässig.

Im Rahmen der Erfindung ist gefunden worden, daß es möglich ist, eine bestimmte Schutzgaskombination zu wählen, bei welcher zumindestens teilweise das Problem des Spritzens beim schweißen überwunden ist. Ϊ

Die Zusammensetzung des Gases kann zwar in einem verhältnismäßig; begrenzten Bereich variiert werden, jedoch werden bestimmte Zusammensetzungen für verschiedene Anwendungsfälle am besten empirisch gewählt, obgleich man hofft, "universelle" Gasgemische zu finden, bei welchen ein akzeptables Lichtbogenschweißeη mit negativer Elektrode in einei.i großen Bereich von Sciweißbedingungen möglich ist.

Unter "Schweißen mit negativer Elektrode" ist im Iiaimen der Beschreibung ein Schweißen zu verstehen, bei welchem die iolarität der Abschmelzelektrode mit Bezug auf das Werkstück vcänrend eines beträchtlichten Veils jedes ■jelrweijozyklus negativ ist, VJenn als Schweißstrom Gleichstrom Cev,-ählt viird, so ist die Polarität während. 100 % der ocavieiiisyklusseit negativ, ',venn als Schweißstrom jedoch

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BAD ORIGlNAU

Wechselstrom verwendet wird, der dem normalen Versorgungsnetz mit 50 Hz entnommen wird, so ist die Polarität nur während 50 % der Schweißzykluszeit negativ. Bei Bedarf können durch Verwendung von Wechselspannungsquellen, die nieht-sinusförmige Wellenformen abgeben, andere Prozentsätze erzielt werden.

Im Rahmen der Erfindung hat sich ergeben, daß bei _ Verwendung eines aus drei Anteilen zusammengesetzten Gasgemisches beim Lichtbogenschweißen mit negativer Elektrode das Spritzen wesentlich verringert werden kann. Ein Gemisch, welches zufriedenstellende Ergebnisse erbringt, besteht vorwiegend aus Argon mit 2 Volumenprozent Sauerstoff und 12 Volumenprozent Kohlendioxid, Bei Verwendung dieses Gasgemis'ches versucht das Schweißkügelchen, sich automatisch in zwei oder mehr Teile zu unterteilen, die jeweils durch einen Halsteil geringeren Querschnitts miteinander verbunden sind. Beide Teile des Kügelchens versuchen den Schweißstrom zu führen, und beide sind jeweils elektrisch über das Lichtbogenplasma mit dem Werkstück verbunden, so daß das teilweise abgelöste Schweißkügelehen nur einen Teil des Schweißstromes führt. Dieser Stromfluß führt in dem Halsteil zu verhältnismäßig hohen Stromdichten, die elektromagnetische Kräfte hervorrufen, welche im Sinne einer noch weiteren Querschnittsverringerung des Halsteiles auf diesen

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einwirken. Dieser Vorgang setzt sich automatisch so lange fort, bis der Halsteil abreißt und ein abgelöstes Kügelchen erzeugt. Die Kräfte, die auf dieses Kügelchen durch den Lichtbogen ausgeübt werden, der zu der Elektrode mit dem nicht abgelösten Kügelchen hin gezogen bleibt, haben so gut wie keine Querkomponenten, so daß das abgelöste Kügelchen direkt auf den darunter liegenden Teil des Werkstückes, bei welchem es sich um das Schmelzbad 8 handelt, zu fallen versucht bzw. dorthin getrieben wird.

Wenn der Lichtbogen verhältnismäßig stabil ist und zu der festen Elektrode und dem noch daranhängenden Kügelchen hin gezogen bleibt, schmilzt die Elektrode weiter, wodurch das Kügelchen nach und nach größer wird, bis es sich wieder in zwei Teile unterteilt, die durch einen Halsteil miteinander verbunden sind, und sich der Zyklus wiederholt.

Es ist verständlich, daß die oben beschriebene Betriebsweise des Schweißvorganges weitgehend theoretisch ist und f daß sich das Verfahren nach der Erfindung nicht auf irgendeine besondere Betriebstheorie beschränkt.

In den Fig. 2A bis 20 sind aufeinanderfolgende Schritte bei der Bildung eines losgelösten Kügelchens aus geschmolzenem Elektrodenmaterial dargestellt, und zwar ausgehend

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von einer Elektrode, an welcher sich bereits ein kleines Kügelchen gebildet hat.

Die äußere Kurve in Fig. 3 gibt die Zusammensetzung verschiedener Gasgemische an_s bei welchen sich Schweißraupen annehmbarer Güte ergeben, während die innere Kurve sich auf Schweißraupen erwünschter Güte bezieht. Diese Abschätzungen müssen zwar subjektiv sein, es ist jedoch anzunehmen, daß die meisten Schweißfachleute diesen Abschätzungen der Schweißraupengüte im wesentlichen zustimmen.

Die in Pig. 3 angegebenen Werte beziehen sich auf das Schweißen von Flußstahl.

Die in Fig. 4 dargestellten Kurven wurden beim Schweißen von Kehlnähten auf rostfreiem Stahl unter Verwendung eines rostfreien Stahldrahtes mit einem Durchmesser von 1,2 mm erzielt. Dieser Schweißdraht wurde mit einer Geschwindigkeit ™ von 12,7 m/min zugeführt und von einem Schweißglexchstrom von 25O A bei einer Spannung von 24,5 V durchflossen.

Aus Fig. 4 geht hervor,daß zwar einige zufriedenstellende Schweißungen mit einem Schutzgas erzielt wurden, welches keinen Sauerstoff oder kein Kohlendioxid enthielt, daß aber zur Erzielung der optimalen Werte beide Gase vorhanden

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10 9 8 8 3712 3 9

sein müssen.

üie in fig. 5 dargestellten Kurven wurden mit an Argon reichen Schutzgasen erzielt, die 1,5 Volumenprozent bis 3,25 Volumenprozent Wasserstoff zusätzlich zu den angegebenen »verteil von Sauerstoff und Kohlendioxid enthielten. Es ist verständlich, daß sich die verschiedenen Auswirkungen von drei Anteilen in dein Gasgemisch in einem zweidimensionalen Diagramm nur schwierig darstellen lassen, es ist jedoch davon auszugehen, daß das Vorhandensein geringer Mengen von Wasserstoff für das Schweißen von rostfreiem Stahl überhaupt und niciit nur für das Schweißen von Kehlnähten von Bedeutung ist.

Die Scnweißbedingungen für Fig. 5 waren die gleichen wie für Fig. 4, mit der Ausnahme, daß die Schweißspannung in einem bereich von 24 V bis 31 V lag.

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Claims

Patentansprüche;

/Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit Abschmelzelektrode und von außen zugeführtem Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit Bezug auf das Werkstück negativ gepolt wird und daß als Schutzgas vorwiegend-Argon mit einem Anteil mindestens eines weiteren Gases, mindestens Kohlendioxid verwendet wird.

•2.. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode während eines beträchtlichen Zeitanteils des Schweißzyklus negativ gepolt wird.

3_., Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß. die Elektrode während der Halfte der Schweißzyklusdauer negativ gepolt wird,.

4> Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis j5, dadurch.-gekeiinzeichnet, daß. dem Schutzgas 5 Vol.-$ bis 15 Vol.-$ Kohlendioxid zugesetzt und für den übrigen Anteiil: des,Schutzgases Argon verwendet wird.

S;. Verfahren nach; Anspruch Jf-, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas ;l·^.VoX..*■%_,bis 14 VoI.--# ,Kohlendioxid zugesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas 12 Vol.-$ Kohlendioxid zugesetzt wird,

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis j5* dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas zusätzlich zu dem Kohlendioxid Sauerstoff zugesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet,

daß dem Schutzgas 2 Vol.-# bis 20 Vol.-# Kohlendioxid, 0,5 Vol.-$ bis 10 Vol.-$ Sauerstoff zugesetzt werden und daß als restlicher Anteil Argon verwendet wird.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas bei einem Sauerstoffanteil bis zu 5 Vol.-^ ein Kohlendioxidanteil im Bereich von 4 Vol.-$ bis 18 Vol.-# zugesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet,

daß dem Schutzgas β Vol.-$ bis 15 VoI.-^ Kohlendioxid %

und 0,5 VoI.-^ bis 4 Vol.-$ Sauerstoff zugesetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 7 zum Schweißen eines Werkstückes aus rostfreiem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas 3 Vol.-$ bis 15 Vol.-$ Kohlendioxid, 1 Vol.-$ bis 10 Vol.-$> Sauerstoff zugesetzt werden und

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daß als übriger Anteil Argon verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas 5 Vol.-% bis 10 YoI.-^a/o Kohlendioxid und
4 Vol.-$ bis 8 Vol.-$ Sauerstoff zugesetzt werden.

I^· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
zum Schweißen von Werkstücken aus rostfreiem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas zusätzlich zu Kohlendioxid und Argon noch Wasserstoff zugesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas bei einem Anteil von 1 Vol.-% bis

6 YoI.-fo Wasserstoff nicht mehr als 4 YoI.-fo Kohlendioxid'
zugesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas 5. VoI.-^ bis 10 Vol.-$ Kohlendioxid

ft zugesetzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas 6 VoI.-^ Kohlendioxid zugesetzt wird.

17· Verfahren nach Anspruch 13* dadurch gekennzeichnet, daß dem Schutzgas auch Sauerstoff zugesetzt wird.

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18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daS dem Schutzgas 2 VoI,-# bis 15 Vol.-$ Kohlendioxid, bis zu 6 Vol.-;S Sauerstoff und 16 Vol.-# Wasserstoff zugesetzt-werden.

19. Verfahren zum Lichtbogenschweißen von Werkstücken aus Flußstahl unter Verwendung einer Abschmelzelektrode und eines von außen zugeführten Schutzgases, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit Bezug auf das Werkstück negativ gepolt wird und daß das Schutzgas als ■ ein Gemisch von Argon, Sauerstoff, und Kohlendioxid gebildet wird, wobei die Sauerstoff- und Kohlendioxidanteile jeweils innerhalb der in Pig. 5 der beigefügten Zeichnungen dargestellten größeren Fläche liegen.

20. Verfahren zum Lichtbogenschweißen von Werkstücken aus Flußstahl unter Verwendung einer Abschmelzelektrode und eines von außen zugeführten Schutzgases, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit Bezug auf das % Werkstück negativ gepolt wird und daß das Schutzgas als ein Gemisch von Argon, Sauerstoff und Kohlendioxid gebildet wird, wobei die Sauerstoff- und Kohlendioxidanteile jeweils innerhalb der in Fig. J> der beigefügten Zeichnungen ;

dargestellten kleineren Fläche liegen. i

21. Verfahren zum Lichtbogenschweißen von Werkstücken

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BAD ORIGINAL

aus rostfreiem Stahl unter Verwendung einer Abschmelzelektrode und eines von außen"zugeführten Scnutzgases, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit Bezug . auf das Werkstück negativ gepolt wird und daß das Schutzgas als ein Gemisch von Sauerstoff, Kohlendioxid und Argon gebildet wird, wobei die·Sauerstoff- und Kohlendioxidanteile jeweils innerhalb derjenigen Fläche in dem Diagramm in Fig. 4 der beigefügten Zeichnungen liegen,, deren Grenzen von der Abszissen- und Ordinatenachse -sowie von den zwischen den Vierten für 8 Sauerstoff und 10 Vol.-?o Kohlendioxid und 4 Sauerstoff und 5 Vol.-$ Kohlendioxid gezogenen Linien gebildet werden.

22. "Verfahren zum Lichtbogenschweißen von Werkstücken aus rostfreiem Stahl unter Verwendung einer Abschmelzelektrode und eines von außen zugeführten Schutzgases, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit Bezug auf das Werkstück negativ gepolt wird und daß das Schutzgas als ein Gemisch von Sauerstoff,- Kohlendioxid, Wasserstoff und Argon gebildet wird, wobei sich der Wasserstoffanteil zwischen 1 Vol.-$ und 4 Vol.-$ ändern kann und wobei die Sauerstoff- und Kohlendioxidanteile Werte haben, die in dem Diagramm in Fig. 5 durch eine gekrümmte Linie angegeben sind, weTche zwischen den Werten 5 Vol.-% Kohlen-

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BAD ORiGINAL.

Λ-

dioxid und 10 VoI.-^ Kohlendioxid verläuft.

2j5. Vorfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Anteile von Sauerstoff und Kohlendioxid derart gewählt sind, daß sie innerhalb der länglichen Fläche liegen, welche sich in Fig. 5 von dem Wert 6 Vol.-$ Kohlendioxid aus aufwärts erstreckt.

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At

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