DE2456301A1

DE2456301A1 - Schweissverfahren

Info

Publication number: DE2456301A1
Application number: DE19742456301
Authority: DE
Inventors: Burney Allen Major; John Michael Urbanic
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1974-05-06
Filing date: 1974-11-26
Publication date: 1975-11-20
Also published as: CA1019409A; GB1463606A; US3944781A; NL7505350A; ES432602A1; FR2270046B1; FR2270046A1; SE7414501L; AU7552074A; CH605007A5; NO744214L; BE822871A; JPS50147449A

Description

Aluminum Company of America, Alcoa Building, (Pittsburgh )

Pennsylvania, V.St.A.

Schweißverfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren und insbesondere ein Verfahren zum Verschweißen dicker Aluminiumplatten.

wie dem Fachmann ersichtlich, handelt es sich bei dem vorliegenden Verfahren um ein verbessertes MIG-Schweißverfahren.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Schweißverfahren anzugeben, mit dem sich insbesondere dicke Aluminiumplatten schnell und mit hoher Qualität verschweißen lassen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist,eine höhere Ablagerungsgeschwindigkeit für das Schweißmaterial beim Schweißen dicker Aluminiumplatten durch Verwendung von Abschmelzelektroden großen Durchmessers zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schweißverfahren, demzufolge man eine Abschmelzelektrode mit einem Durchmesser von mindestens 3,175 mm (1/8 in.) mit konstanter Geschwindigkeit auf ein zu verschweißendes Grundmetall zuführt, während man

509847/0719

Strom-Spannungskennlinie der elektrischen Betriebsstromversorgung auf einer,Steigung von O bis 5 A/V und sowohl einen Gleiohstromlichtbogen zwischen der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall als auch eine Schutzgasströmung am Lichtbogen und auf dem geschmolzenen Metall aufrechterhält.

Pig. 1 ist eine Perspektivansicht eines Schweißvorgangs nach der vorliegenden Erfindung; Pig. la ist eine Ansicht eines Stoßes zwischen den beiden in Pig. I zu verschweißenden Blechen?

Pig. 2 ist eine Seitenansicht der Pig. 1; die Winkel X und Y liegen in der Ebene der Pig. 2;

Pig. 5 ist eine Schnittansicht des Schweißbrenners, den die Pig. 1 und 2 scheinatisch zeigen, und zwar entlang der Ebene III-III der Pig. 5?

Pig. 4 ist eine Schnittansicht auf der Ebene IV-IV der Pig. 3; Pig. 5 ist eine Ansicht auf die Ebene V-V der Pig. 3;

Pig. 6 und 7 sind Makrophotographien von Schnitten der Schweißnaht;

Pig. Sbund 8b sind Magramme der Stromspannungskennlinie.

Das Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung ist ideal dazu geeignet, dicke Aluminiumplatten - bspw. von 25 bis 75 mm 1 ... 3 in.) Dicke - unter Verwendung dicker Aluminium-Abschmelzelektroden (bspw. mit einem Durchmesser von 3,175 mm (1/8 in.) vorzugsweise 3,175 .·. 9,525 mm (1/8 ... 3/8 in.) und am besten 3,175 ... 6,35 mm (1/8 ... 1/4 in.) aus bspw. Aluminium der Normart 5183) schnell und qualitativ hochwertig zu verschweißen. Dickere Platten lassen sich mit einer größeren Anzahl von Lagen verschweißen.

Um mit Abschmelzelektroden regelmäßig gleichgute Ergebnisse zu erhalten, muß die zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung eingesetzte apparative Ausrüstung in

50 9847/0719. .

der Lage sein, während des Schweißvorgangs die Verfahrensbedingungen stabil zu halten. Der Schweißbogenstrom und die Zufuhrgescnwindigkeit der Abschmelzelektrode sind zwei beeinflußbare Variable, denen besondere Aufmerksamkeit zukommt. Bogenstromschwankungen, die von den Eigenschaften der Betriebsstromquelle oder schlechtem Stromübergang im Kontaktrohr verursacht werden, bewirken Ungleichmäßigkeiten des Schweißpuddels ("weld puddle"), die zu einer Vergröberung der Schweißnahtoberfläche führen* Setzt man zusätzlich zu einer Konstantstromquelle einen Schweißbrenner ein, der sowohl einen zuverlässigen Übergang des Schweißstroms als auch eine ausreichende Gasabschirmung zuläßt, erhält man stabile und steuerbare Lichtbögen bis zu 900 A und mehr. Der Ausdruck "Konstantstromquelle'¹, wie er hier gebraucht ist," bezeichnet vorzugsweise eine Stromquelle mit einer Stromspannungskennlinie, wie sie in der Pig. 8a gezeigt ist, wo die Kennlinie eine senkrechte Gerade ist, die bspw. die Abszisse bei 800 A schneidet; ihre Steigung -beträgt 0. A/V.

Während die Stromspannungskennlinie für den Betrieb nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Steigung von 0 l/k hat, kann diese irgendeinen Wert von 0 bis 5 A/V betragen - bspw. 3 A/V, wie in der Fig. 8b dargestellt. Insbesondere sollte die Steigung 0 ... 2 A/V betragen.

Vorzugsweise ist der Ausgangsstrom der Betriebsatromquelle für die vorliegende Erfindung dynamisch auf ± 5°i geregelt? insbesondere sollte die Regelung + 17 °h umfassen.

Geeignete Betriebsstromquellen, die für den Betrieb nach der vorliegenden Erfindung geeignete Stromspannungskennlinien aufweisen, sind bspw. die lek-Iran-Modelle IT-750 und LSC-IQOO der Tek-Tran Division der Fa. Air Products and Chemieale Corporation, Newark, Ohio, V.St.A., und das Gerät Diametrics Modell 174-1» Seriennummer 0001, der Fa. Diametrics Inc., North. Hollywood, Calif., V.St.A.

Was die Zufuhrgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode anbetrifft,

509847/0719

erhält man regelmäßig gleichgute Ergebnisse mit einer Zufuhranordnung, die die Abschmelzelektrode mit konstanter Geschwindigkeit dem zu verschweißenden Grundmetall zuführt. Vorzugsweise wird dabei die Zufuhrgeschwindigkeit innerhalb ± 1/2 % des gewählten Wertes gehalten.

Ein dritter Punkt, dem besondere Aufmerksamkeit zukommt, ist der Schweißbrenner. Er muß eine ausreichende Arbeitsfläche aufweisen, damit bei den hohen angewandten Strömen ein zuverlässiger Übergang stattfindet. Ein schlechter Übergang führt zu erheblichen Schwankungen der Bogenlänge. Zusätzlich braucht man eine ausreichend bemessene Gasglocke, damit der erzeugte Schweißpuddel ausreichend mit Schutzgas abgedeckt werden kann. Bei Gasglocken von bspw. 51 mm (2 in.) Innendurchmesser oder 35 mm (1-3/8 in.) Innendurchmesser mit Nachlaufschild ("auxiliary trailing shield cup"), wie unten unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, ergibt ein typischer Abstand der Glocke zum Werkstück von 12,7 mm (1/2 in.) eine ausreichende Abdeckung. Ein solcher Nachlaufschild ist jedoch nicht unbedingt erforderlich; eine Primärglocke, aus der die Elektrode austritt, kann mit ausreichend großem Innendurchmesser versehen werden, um den gleichen Effekt zu erreichen.

Das Verfahren der Erfindung ist bspw. für das Schweißen dicker Guß-, Schmiede- und auch Auspreßstücke anwendbar, obgleich es vorzugsweise zum Verschweißen dicker Aluminiumplatten eingesetzt wird.

Die nach der vorliegenden Erfindung zu verschweißenden Platten brauchen nicht besonders vorbereitet zu werden. Die Stoßflächen werden entweder gesägt oder gefräst und haben typischerweise eine Oberflächenrauhigkeit von 125 ... 500 HMS. Auch die Reinheit ist kein wesentlicher Paktor; normalerweise werden durch Abwischen mit einem herkömmlichen Entfettungsmittel verbleibendes Schmierfett oder Verunreinigungen, die die Schweißnaht porös machen würden, in ausreichendem Maß entfernt. Hinsichtlich der Stoßkonfiguration und der Plattendicke, für die dicke Elektroden

609847/0719

angewandt werden und die in den folgenden Beispielen beschrieben sind, hat sich herausgestellt, daß ein maximaler Spalt zwischen den Stoßflächen von 0,76 mm (0,03 ine.) regelmäßig toleriert werden kann, obgleich vorzugsweise kein Spalt vorliegt. Ist der Spalt breiter als 0,76 mm (0,03 inc.), läßt sich eine abnehmbare Hinterlage verwenden, um ein Durchbrennen zu verhindern.

Als Folge"des mit starken Elektroden erhaltenen Schweißpuddels sieht die vorliegende Erfindung zum Erreichen einer gleichmäßigen Durchdringung vor, daß fortwährend ein Bogen von der Elektrode auf das Grundmetall auftrifft, was bedeutet, daß nur der Bogen das Grundmetall dauernd neu schmilzt. Zusätzlich, ist sichergestellt, daß der Bogen stabil bleibt. Würde der Schmelzpuddel vollständig unter den Bogen gleiten und verhindern, daß der Bogen auf das Grundmetall auftrifft, würde die Durchdringung abnehmen und die Schweißung ungleichmäßig werden. Zwei Verfahren können angewendet werden, um zu verhindern, daß■ der Puddel vollständig unter den Bogen gleite.t und diesen daran hindert, auf das Grundmetall aufzutreffen. Nach dem einen Verfahren schweißt man (hinsichtlich der Senkrechten auf den Platten der 1"¹Ig. 1) mit einer Rückwärtsneigung ("backhand inclination angle") des Brenners - im Gegensatz zu dem, was in Fig. 1 gezeigt ist. Ein Nachteil einer Rückwärtsneigung ist die schlechte Seinigungswirkung.

Das zweite, vorzugsweise eingesetzte Verfahren ergibt bessere Ergebnisse: man verwendet auf die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Weise e;me Vorwärtsneigung ("forehand inclination angle") des Winkels Y für den Brenner und neigt auch den Stoß. Stoßneigungswinkel X von 3 ... 12° gegen die Waagerechte sind verwendet worden. Bin Winkel X von 12° ergibt für 70 mm (2-3/4 ine.) dicke Platten ausgezeichnete Ergebnisse, und für eine Dicke von 51 mm (2 ine.) wird ein Winkel X von 5° vorzugsweise angewandt. Bei diesem zweiten Verfahren nutzt man die Schwerkraft aus, um den Schweißpuddel aus dem Weg des auf das Grundmetall auftreffenden Bogens zu halten, damit das Grundmetall wirkungsvoll geschmolzen werden kann.

50 9847/0719

Wie sie hier benutzt sind, sind die Ausdrücke "Vorwärtsneigung¹¹ und "Rückwärtsneigung" für den Schweißbrenner unter Bezug auf Pig. 2 definiert. Liegt die 12-Uhr-Steilung senkrecht zur Platte 11, liegen die Vorwärtsstellungen nach Mittag - d.h. wie dargestellt - und die Rückwärtsstellungen Tor Mittag.

Ein weiterer Punkt, der beachtet werden muß, ist der Nahtführungsfehler. Eine Abweichung von mehr als ± 3,175 mm (+ 1/8 in.) kann eine Fehlanpassung des Durchdringungsmusters und damit einen Schweißfehler in der Mitte der Naht bewirken. Vorzugsweise wird man daher die Führung auf ± 1,588 mm (+, 1/16 ine.) genau halten? während der Bewegung dea Schweißbrenners entlang des Stoßes zwischen zwei Platten soll also der Mittelpunkt der Drahtspitze beiderseits nicht mehr als 1,588 mm (1/16 ine.) vom Stoß abweichen.

In der vorzugsweise angewandten Form der Erfindung wird Argon zum Reinigen und zum Schutz des Schweißpuddels verwendet. Helium wird in einer Menge zugeführt, die ausreicht, um die gewünschte Durchdringung und Metallströmung zu erreichen*

Die Beachtung der oben erwähnten Verfahrensparameter erlaubt dem Fachmann, das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit durchweg ausgezeichneten Ergebnissen durchzuführen. Es hat sich herausgestellt, daß bei der Vorbereitung des Stoßes, beim Einpassen, bei der Nachbehandlung oder beim Absplittern ("backchipping") keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen zu beachten sind. Spezielle Stoßkonfigurationen, wie sie für Platten verschiedener Dicken verwendet werden, und Elektrodenkombinationen werden unten in den Beispielen erörtert.

Die Pig. 1 zeigt nun ein Verfahren nach der Erfindung sowie die zu seiner Durchführung geeignete apparative Anordnung. Zwei dicke Aluminiumplatten 11 und 12 stoßen entlang des Stoßes 13 aneinander an und werden miteinander verschweißt. Mie dargestellt, ist bisher eine einzige Schweißlage einer Naht 14 aufgebracht worden, wobei diese einzige Naht die Fuge 15 vollständig ausfüllt.

509847/0719

Der Stoß zwischen, den Platten 11 und 12 ist vergrößert in der Fig. la dargestellt, deren Einzelheiten in den Beispielen erörtert werden. .

Die beiden Platten sind unter einem Winkel X gegen die Waagerechte geneigt, wie speziell in Fig. 2 gezeigt. Der Schweißbrenner 16 läuft in der in Fig. 1 gezeigten Richtung aufwärts die Fuge 15 entlang. Der Schweißbrenner ist gegen die Senkrechte auf der Platte um einen Winkel Y geneigt, der ebenfalls in der Fig. 2 gezeigt ist.

Die Abschmelzelektrode, bei der es sich um einen AluminiumdEaht handelt, läuft von einer Spule 18 durch eine Nylonführung 19 zwischen einer Antriebsrolle 20a und einer Freilaufrolle 20b hindurch in den Schweißbrenner 16 hinein. Die Zufuhr der Elektrode erfolgt durch die Antriebsrolle 20a, die auf die durch die Rollen 20a, 20b hindurchlaufende Elektrode wirkt.

Die Elektrodenspule 18 weist eine Trommel auf, auf die die Abschmelzelektrode aufgewickelt ist. Vorzugsweise hat die Trommel einen Durchmesser von mindestens etwa 380 mm (15 in.), damit die Elektrode sich nicht zu stark biegt. Ist der Schlag zu großr können in der Nähe der Antriebs- und Freilaufrollen 20a, 20b Richtrollen vorgesehen werden.

Die Antriebsrolle 20a wird von einem Zufuhrmotor 21 getrieben.

Der Haltearm 22 trägt die Elektrodenspule 18 in Zuordnung zum Motor 21.

Die gesamte Einheit aus der Elektrodenspule, dem Motor, den Antriebsrollen und dem Schweißbrenner ist vertikal mittels eines Lagerblocks- und Schlittens 23 einstellbar? der waagerechte Lagerblock und -schlitten 24 bewirkt eine entsprechende waagerechte iiinstellbarkei"b.

Der waagerechte Lagerbl.öok und -schlitten 24 ist starr mit der Schlitten- und Motoreinheit 25 verbunden, die mit den Zahnen

509847/0719

2b einer Zaimstange 27 zusammenwirft, χμ aen Schweißbrenner genau parallel zur Fuge 15 zu fünren. Typische Schiitbengeschwindigkeiten sind 0,1 ... -0,25 m/min. (4 ... 10 in./min.).

Die Zahnstange 27 ist mit Halterung 28 versehen, damit sie genau in demjenigen winkel X zur Waagerechten angeordnet werden kann, der zum Verschweißen der Platten gewählt worden ist.

Der Druck der freilauf- und der Antriebsrolle auf die Abschmelzelektrode 17 läßt sich mittels der Einrichtung 29 einstellen.

Der Schweißbrenner 16 wird von der Spannvorrichtung 30 in Zuordnung zum Zufuhrmotor und der Antriebsrolleneinheit gehalten.

Die Pig. 3 bis 5 zeigen einen Schweißbrenner 16, der zur Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Endhalterung 31 derjenige Teil des Brenners, der von der Spannvorrichtung 30 festgehalten wird. Die Halterung 31 ist ein Vorsprung auf dem Hülsenspanner 32, der mit einem Innengewinde 33 versehen ist, so daß eine Drehung des Bundes 34 die Hülse 35 in Fig. 3 axial nach links verschiebt, damit der Spannkopf 37, der durch die Schlitze 37a, 37b, 37c (Fig. 3 und 5) in drei Teile geteilt ist, sich einwärts auf das .Kontaktrohr 38 aus Kupfer auflegt, um dieses festzuspannen. Der Hülsenkopf 37 zieht sich infolge der federnden Auslenkung zusammen, die er erfährt, wenn seine äußere Kegelfläche 39 in Eingriff mit der konischen Innenfläche 40 des Hülsenkörpers 41 tritt.

Bine elektrische Zwangsverbindung (im Fall einer Gegenpolung ("reverse polarity")) zwischen einer geeigneten Betriebsstromquelle und dem Übergangsrohr 38 erfolgt bspw. über die Zuleitung 61, eine Schelle 62, das Schulterstück 63, den Hülsenspanner 32 und die Hülse 35. Die Übertragung des elektrischen Stroms vom Übergangsrohr 38 zur Abschmelzelektrode 17 muß sehr .Konstant sein. Dies wird gewährleistet, indem (1) für ein sehr kleines Spiel zwischen der Außenfläche der Abschmelzelektrode und der Innenfläche des Übergangsrohrs gesorgt wird, indem man

509847/0719 ^

bspw. ein Spiel von 0,635 ... 0,762 mm (0,025 ... 0,30 in.) zwischen einem Innendurchmesser des Übergangsrohres von 7,112 mm (0,28 in.) für einen Außendurchmesser der Abschmelzelektrode von 6,35 mm (0,_25 in.) oder einen Innendurchmesser von 3,81 mm (0,15 in.) für eine Abschmelzelektrode mit einem Außendurchmesser von 3,175 mm (0,125 in.) vorsieht, indem man (2) das Übergangsrohr verhältnismäßig lang - bspw. 152 mm (6 in.) macht und indem man (3) dafür sorgt, daß die Abschmelzelektrode einen maximalen Schlag hat, wobei der Schlag nur durch die Notwendigkeit begrenzt wird, eine übermäßige Reibung zwischen der Außenfläche der Elektrode und der Innenfläche des Übergangsrohrs zu vermeiden. Ein die Reibung verringerndes Nylonrohr 42 verläuft vom inneren Ende des Übergangsrohres 38 zum Ende der Endhalterung 31.

Die Glocke 43 des Schweißbrenners- ist mit einer Spannmutter 44 auf dem Brennerkörper fes.tgespannt und dient primär dazu, die Schutzgasströmung auf die zu verschweißende Fläche zu richten. Das Schutzgas strömt aus einer Gasquelle (nicht gezeigt) durch die Armaturen 44a, 44b in den Brenner ein und diesen entlang, wie durch die Pfeile gezeigt, bis ea den Ort des Bogens und des Schmelzpuddels erreicht. Der Streuring 45 gewänrleistet, daß Bogen und Puddel gleichmäßig und vollständig vom Schutzgas umströmt werden.

v/egen der hohen, in der vorliegenden Erfindung für starke Abschmelzelektroden eingesetzten Stromstärken ist die Glocke 43 wassergekühlt. Das "Wasser tritt in die Glocke durch die Armatur 46 ein, fließt abwärts durch die halbzylindrische Kammer 47 zwischen den Prallflächen 49,50 und dann wieder aufwärts durch die halbzylindrische Kammer 48, wonach es durch die Armatur 51 austritt. Eine zusätzliche v/asserkühlung (deren Einzelheiten nicht dargestellt sind) erfolgt in der Kammer 52 um den Hülsenkörper 41 herum.

In der dargestellten speziellen Ausführungsform des Schweißbrenners ist eine zusätzliche Gasabschirmung vorgesehen, um den

50984 770719

- ίο -

verhältnismäßig großen Schweißmetallpuddel zu schützen, der zurückbleibt, wenn der Schweißbrenner weiterläuft. Diese Abschirmung erfolgt durch das Nachlaufschild 53, der aus einer um die Glocke herumgelegten Schale 54 mit einem Boden 55 besteht, der eine Gasverteilerkammer 56 bildet'und Löcher 57 aufweist, durch die das Schutzgas austritt, um den Schweißpuddel abzuschirmen. Das Schutzgas tritt in diese Anordnung von der nicht gezeigten Gasquelle kommend durch die Armatur 58 ein. Um die Schale 54 ist Wasserkühlrohr 59 herumgelegt.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel I

Zwei 762 mm (30 in.) breite und 914 mm (36 in.) lange Platten aus Aluminiumlegierung 5083 im Zustand 0 und-mit einer Dicke T von 51 mm (2 in.) wurden entlang ihrer kurzen Kanten auf eine Stoßbreite L von 15,88 mm (5/8 in.) und einen Winkel A von 75 bearbeitet; vergl. Fig. la. Es handelte sich um gewalzte Platten, mit der Walzrichtung in der Längenabmessung. Diese Platten wurden entlang den vorbereiteten Kanten aneinandergefügt und mit Gleichstrom in Gegenpolung ("reverse polarity") nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung nach den Fig. 1 bis 5 verschweißt. Die Betriebs^-stromquelle war ein Tek-Tran-Gerät Modell TI-750, die auf die in Fig. 8a gezeigte Stromspannungskennlinie - Steigung 0 V/A - eingestellt war. Der Speisemotor und die Antriebsrollen lagen als eine Linde-SEH-2-Einheit vor, die von der Fa. Union Carbide Corp., Linde Division, in Cleveland, Ohio, V.St.A. hergestellt wird. Die Zufuhrgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode wurde konstant gehalten, indem auf die Welle des Antriebsmotora für die Elektrodenzufuhr ein Servotech-[fachometer Typ AC 7135-2 (1 V bei 1000 U/min., Ausgangsbereich 0 bis 10 V) der Fa. Servotech Products Company in Hawthorne, New Jersey, V.St.A. aufgebracht wurde, dessen Ausgangsleitungen an einen elektronischen Regler Typ Linde C der Fa. Union Carbide, Linde Divison (vergl. oben) gingen, dessen Ausgangsgröße

509847/07 19

wiederum die Geschwindigkeit des Zufuhrmotors steuerte. Hierdurch ließ die Geschwindigkeitsregelung sich von ± 5 I bei Ausnutzung der Rück-EMK des Zufuhnaotors auf ± 1/2 I verbessern. Der Innendurchmesser der Glocke 43 betrug 35 ran (1-3/8in.), die Abmessungen des Nachlauf Schildes etwa 70 sm (2-3/4 in.) Breite und 108 um (4-1/4 in.) Länge. Die Sdwtzgasströmung durch die Glot&e 43 bestand aus 4,25 m³/h (150 cu.ft./h) Argon und 2,12 m³/h (75 cu.ft./h) Helium, die Schutzgasströmung durch das Nachlaufschild 53 aus 4,25 m/h (150 cu.ft./h) Argon. Die beiden Platten wurden mit nur zwei Lagen, einer Deck- und einer Wurzellage, verschweißt. Bei der Decklage betrug der Schweißstron 590 A bei einer Zufuhrgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode

/200 in./min.) zum Grundmetall von 5,08 m/min.). Die Abschmelzelektrode aus Aluminium der Norm 5183 betrug 3,175 mm im Durchmesser. Die Bogenspannung betrug 35 V und die Laufgeschwindigkeit des Schweißbrenners in der in Fig. 1 gezeigten Richtung betrug 0,152 m/min. (6 in./min.). Für die Wurzellage betrugen der Schweißstrom 610 A, die Zufuhrgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode zu» Grundmetall 5,23 m/min. (206 in./min.). Der Schweißstrom war für die Wurzellage höher, da auf ein Durchbrennen wegen der bereits vorhandenen Decklage nicht mehr geachtet zu werden brauchte; der höhere Strom fördert den Ausgleich der Verwerfungen, die beim Aufbringen der Decklage verursacht werden» Auch hier betrug die Bodenspannung 35 V und die Laufgeschwindigkeit des Brenners entlang der Fuge 0,152 m/min. (6 in./min.). Bei sowohl der Deckais auch der Wurzellage betrug der Neigungswinkel X der Platten 5°; vergl. Fig. 2. Der Neigungswinkel Y des Brenners betrug 10 bis 15°; vergl. ebenfalls Fig. 2. Die Wurzellage wurde aufgebracht, nachdem die Platten 66°C (150⁰F) abgekühlt waren. Die resultierende Schweünaht wurde nach dem Abschnitt IX des "Boiler and Pressure Code" der ASMR und nach der Specification GG-7 der US-Küstenwache getestet; die Ergebnisse sind in der Tabelle I zusaraaengefaßt.

509847/0719

Tabelle I - Mechanische Eigenschaften in BSP. I

cn ο CO GO

Testverfahren	(L) (LT)	freie Biegung	UTS (ESI)	UYS (ESI)	Dehnung (%) 2" 10"	J71ächenabnahme (%)	Dehnung - 33,8 %
Pull Section Transverse Tensile	geführte Biegung (3-1/3 T 'Radius)	45,7	23,8(1)	17,5 11,2	—	180°-Querbiegung ergab keine Risse in der Deck- oder Wurzellage oder Seitenbiegungen
Reduced Section Transverse	44,7	—	— —	—
l/2'^! Diameter Beduced Section Tensile - All Weld Metal	41,3	20,0(2)	29,0	42
1/2" Diameter Eeduced Section Tensile - Parent Metal	46,9 48,1	23,0(2) 23,9(2)	21,8 . 21,2	30 28

Bemerkungen: (l) 10"= 254 mm Meßlänge
(2) 2" = 50,8 mm Meßlänge
(L) Längs-, d.h. Walζrichtung
(LT) Lange Querrichtung
(T) Plattendicke

UTS(ESI) = Zugfestigkeit in ESI (1 ESI =70,3 kp/cm²) UIS(ESI) = Streckgrenze in ESI

ro

LTi CD OJ

- 13 Beispiel II

Eine Schweißung wurde vfie im Beispiel I durchgeführt, aber mit folgenden Änderungen: Die Abschmelzelektrode aus Aluminium der Norm 5 183 hatte einen Durchmesser von 6,35 mm (1/4 in.)» während als Betriebsstromversorgung mit ü V/A Steigung der Stromspannungskennlinie (vergl. Fig. 8a) ein Diametricsüerät Modell 1741, Seriennuamer 0001, des bereits erwähnten Herstellers verwendet wurde. Für die Decklage war der Schweißstrom 800 A, die Zufuhrgeschwindigkeit der Elektrode zum Grundmetall 1,524 m/min. (60 in./min), die Bogenspasaung 32 V und die Laufgeschwindigkeit des Brenners entlano der Fuge 0,20 m/min. (8 in./ min.), für die Wurzellage der Schweißstrom 840 A, die Zufuhrgeschwindigkeit der Elektrode 1,65 m/min. (65 in./min.), die Bogenspannung 32 \ und die Laufgeschwindigkeit des Brenners entlang der Fuge 0,20 m/min. (8 in^uinl). Die Xantenherrichtung unterschied sich darin, daß die Stoßbreite L gleich 19,05 ran (3ft4 in.) betrug. Die Tabelle II zeigt die resultierenden mechanischen Eigenschaften und die Fig. 6 eine Makrophotographie der Schweißnaht.

50 98 4 7 /0719

Tabelle II - Mechanische Eigenschaften in Beispiel II

	(L) (LT)	freie Biegung	UTS (KSI)	UTS (KSI)	Dehnung (%) 2" 10"	Flächenabnahme (°/o)	Dehnung - 39,9 %
	geführte Biegung (3-1/3 T Radius)	44,2	23,6(1)	15,8 10,2	—	180 - Querbiegung erzeugte keine Risse in Deckr oder Wurzellage oder Seitenbiegungen
■ Testverfahren	43,8			— —
Full Section Transverse Tensile	41,2	20,4(2)	27,0	₂₂ -
Reduced Section Transverse Tensile	46,5 47,4	23,4(2) 24,2(2)	22,3 22,5	29 38
1/2" Diameter Reduced Section Tensile - All Weld Metal
1/2" Diameter Reduced Section Tensile - Parent Metal

Bemerkungen: (1) (2) L)

10" = 254 mm Meßlänge 2" = 51 mm Meßlänge

Längs-, d.h. Walzrichtung (LT) Lange Querabmessung (T) Plattendicke

UTS(KSI) = Zugfestigkeit in KSI (1 KST = 70,3 kp/cm") UYS(KSI) = Streckgrenze in KSI

' - 15 Beispiel III

Nach dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren wurde eine Schweißung durchgeführt, aber mit folgenden Abweichungen. Die Plattendicke betrug 70 m (2-3/4 in.) und die Stoßkanten wurden auf einen Winkel A von 90° und eine Steßbreite L von 19,05 ian (3/4 in.) hergerichtet. Die Abschmelzelektrode aus Aluminium der Norm 5183 hat einen Durchmesser von 6,35 ran (1/4 in.) und wurde zusammen mit der in Beispiel II eingesetzten Schweißmaschine verwendet, die ebenfalls aui die Stromspannungskennlinien der Fig. 8a eingestellt war. Due Schutzgasströmung durch die Glocke bestand aus 3,396 m /h (120 cu.ft./h) Argon und 3,396 m /h (120 cu.ft./h) Helium, die Schutzgasströmung durch den Nachlaufschild bestand aus 4,245 m /h (150 cu,ft./h) Argon. Für die Decklage betrug der Schweißstrom 800 A, die Zufuhrgeschwindigkeit der Elektrode zum Grundmetall 1,575 m/min. (62 in./inin.), die Bogenspannung 32 V, die Brennerlaufgeschwindigkeit entlang der Fuge 0,102 m/min. (4 in./min.) und der Winkel X gleich 12°, für die Wurzellage der Schweißstrom 840 A, die Elektrodenzufuhrgeschwindigkeit 1,651 m/min. (65 in./min.), die Bogenspannung 32 V, die Brennerlaufgeschwindigkeit entlang der Fuge 0,102 m/min. (4 in./min.) und der Winkel X gleich 12°. Die Fig. 7 ist eine Makrophotographie der resultierenden Naht.

Beim Testen der Schweißnähte, die mit dicken Elektroden nach der vorliegenden Erfindung hergestellt worden waren, zeigen die erhaltenen Meßwerte, wie sich aus den Beispielen I und II ergibt, daß sich in allen Fällen die geforderten Minimalwerte für 0-geglühte Platten nach Norm 5083 ("-0 temper 5083 plate") leicht mit Sicherheit errechen lassen. Zusätzlich ergaben sowohl die radiographische als auch die Ultraschallprüfung, daß die Schweißungen frei von erfaßbaren Porositäten und Einschlüssen sind* Die obigen Beispiele entsprechen Auftragsgegeschwindigkeiten von 6,356 bis 8,626 kg/h (14 bis 19 lbs./h). Das Aussehen der Schweißnahtoberfläche ist zwar in einigen Fällen besser als in anderen, aber gefugmäßig annehmbar und erfordert keine Nachbehandlung. Die nicht eingespannten 0,762 m (30 in.).

509847/0719

breiten Proben in den obigen Beispielen wiesen nach der ersten Lage keine größeren Abweichungen von völliger Flachheit als 3,175 mm (1/8 in.) auf; nach der zweiten Lage war die Unebenheit normalerweise über die gesamte Probenfläche geringer als 1,56 mm (1/16 in.)·

Angesichts der erhaltenen erhöhten Auftragsgeschwindigkeiten (gegenwärtig 6,356 ... 8,626 kg/h (14 ... 19 lbs./h)), der breiten (Toleranzen bei der Vorbereitung des Stoßes und der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, die sich erreichen lassen, macht es die vorliegende Erfindung möglich, MIG-Schweißungen mit dicken Elektroden durchzuführen und damit die Fabrikationskosten für Aufbauten und Anordnungen aus schweren AIumäiniumplatten zu senken.

Das neue Schweißverfahren nach der vorliegenden Erfindung hat regelmäßig ein gleiohgutes Verschweißen dicker Aluminiumplatten - bspw. gegenwärtig bis zu 70 mm (2-3/4 in.) - in zwei Lagen ermöglicht. Der Lichtbogen ist mit Elektroden von 6,35 mm (1/4 in.) oder mehr und Schweißströmen von 800 A und darüber glatt, spritzfrei, völlig kontrollierbar und durchdringend. Indem man die Kombination eines verbesserten Schweißbrenners, einer Konstantstromquelle und des verbesserten Drahtzufuhrsystems verwendet, läßt sich ein spritzfreier und vollständig kontrollierbarer Bogen aufrechterhalten, der eine bessere Durchdringung und Kontrolle des Schweißpuddels erlaubt und eine glatte Nahtoberfläche ergibt.

Aus den Einsparungen an Zeit in den verschiedenen Verfahrensschritten, die für eine annehmbare Verbindung erforderlich sind, lassen sich Kostensenkungen erreichen. Typischerweise ist die Herrichtung des Stoßes hinsichtlich der Maschinentoleranzen, des üiinrichtens, der Oberflächenbeschaffenheit und der Sauberkeit hier nicht so kritisch wie bei herkömmlichen Schweißungen. Die Verfahrensweisen und die. apparative Ausrüstung sind verhältnismäßig unkompliziert und erfordern für die richtige

509847/0 7 19

Anwendung kein speziell ausgebildetes Personal. Von den nach diesem Verfahren hergestellten Schweißungen läßt sich eine
Freiheit von Poren und Einschlüssen sowie eine sauber durchgeschmolzene Naht erwarten.' Die Größe des Schweißpuddels und seine Lebensdauer sorgen bereits dafür, daß derartige Fehlstellen nicht auftreten. Die Freiheit von diesen Fehlern führt zu einer erheblichen Senkung der Ausbesserungskosten, die man normalerweise beim mehrlagigen Schweißen zu erwarten hätte. Die Summe dieser Vorteile, die man in den beschriebenen Gebieten erhält^ ergibt insgesamt erhebliche niedrigere Schweißzeiten, -Probleme und -kosten.

An der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung lassen sich natürlich verschiedene Modifikationen, Änderungen und
dergl. vornehmen, wie sie im Rahmen der Äquivalente nach den folgenden Ansprüchen liegen.

Patentansprüche

509847/07 19

Claims

Patentansp riic he

Schweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man

3,175 (1/8 in.) mit konstanter Geschwindigkeit einem zu verschweißenden Grundmetall zuführt, während man bei einer Stromspannungskennlinie mit einer Steigung von O bis 5 k/l einen Gleichstrombogen zwischen der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall und eine Schutzgasströmung am Bogen und auf dem geschmolzenen Metall aufrechterhält.
2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Abschmelzelektrode als auch das Grundmetall aus Aluminium bestehen.
3. Schweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsspannungsanschluß zwischen ,der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall in Gegenpolung ("reverse polarity") erfolgt.
4. Schweißverfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspannungskennlinie eine Steigung von 0 k/l hat.
5. Schweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Geschwindigkeit

509847/0719

der Abschmelzelektrode zu dem zu verschweißenden Grundmetall höchstens auf £ 1/2 °/o des Sollwerts genau regelt.
6. Schweißverfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Grundmetall neigt, damit infolge der Schwerkraft der Lichtbogen auf das Grundmetall auftrifft.
7. Schweißverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abschmelzelektrode aus einem Schweißbrenner mit Vorwärtsneigung ("forehand inclination") zuführt.
8. Schweißverfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man aneinanderstoßende, 51 mm (2 in.) dicke Aluminiumplatten der Worm 5083-0 verschweißt, die Abschmelzelektrode aus Aluminium der Normart 5183 mit einem Durchmesser von 3»175 mm (1/8 in.) mit einer Geschwindigkeit von 5,08 m/min. (200 in./min.) dem Grundmetall zuführt, die Betriebsstromversorgung eine Stromspannungskennlinie mit einer Steigung von 0 A/V hat und daß sie in Gegenpolung ("reverse polarity") bei einem Strom von 590 A angeschlossen ist.
9. Schweißverfahren nac.h einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Grundmetall aneinanderstoßende, 51 mm (2 in.) dicke Aluminiumplatten der Normart 5083-0 und als Abschmelzelektrode eine solche aus Aluminium der Normart 5183 eines Durchmessers von 6,35 mm (1/3 ine.) einsetzt, letztere mit einer Zuführgeschwindigkeit von 1,524 m/min. (60 in./min.) . dem Grundmetall zuführt, daß die Kennlinie der Betriebsstromversorgung eine Steigung von 0 A/V hat und die Betriebsstromversorgung in Gegenpolung ("reverse polarity") bei 800 A Stromstärke angeschlossen ist.
10. Schweißverfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Grund-

509847/0 7 19

metall aneinanderstoßende, 70 mm (2-3/4 in.) dicke Platten aus Aluminium der Normart 5083-0 und als Abschmelzelektrode eine solche aus Aluminium der" Normart 5183 mit einem Durchmesser von 6,35 mm (1/4 in.) verwendet, letztere mit 1,575 m/min. (62 in./min.) Zufuhrgeschwindigkeit auf das Grundmetall zuführt, daß die Kennlinie der Betriebsstromversorgung eine Steigung von 0 k/l hat und daß die Betriebsstromversorgung in G-egenpolung ("reverse polarity") mit 800 A Stromstärke angeschlossen ist.

Ql/La

50984 7/0719

Leerseite