DE2552495A1

DE2552495A1 - Verfahren zum mehrelektroden-schutzgas-lichtbogenschweissen

Info

Publication number: DE2552495A1
Application number: DE19752552495
Authority: DE
Inventors: Fusao Koshiga; Jinkichi Tanaka; Itaru Watanabe; Kanagawa Yokohama
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1974-11-26
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1976-06-10
Also published as: US4034179A; JPS5169436A; JPS5236941B2; DE2552495C2; CA1040718A; ES442954A1; IT1049705B

Description

Nippon Kokan Kabushiki Kaisha 1-2 Marunouchi-1-chome, Chiyoda-ku, Tokyo/Japan

Verfahren zum Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißen

Die Erfindung betrifft Verbesserungen auf dem Gebiet der automatischen Lichtbogenschweißtechnik. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißen.

Das Unterpulver-Lichtbogenschweißen und Schutzgas-Lichtbogenschweißen stellen die gebräuchlichsten Varianten der herkömmlichen automatischen Lichtbogenschweißmethoden dar. Ein Nachteil des Unterpulver-Lichtbogenschweißverfahrens, bei welchem die Desoxidation und Zugabe von Legierungselementen mit Hilfe eines Pulvers vorgenommen werden, besteht darin, daß das Pulver teuer ist und sich nur schwer beseitigen läßt. Da außerdem zusätzliche Einrichtungen, wie eine Pulverzufuhreinrichtung, erforderlich sind, vergrößern sich die Dimensionen und Kosten der Schweißvorrichtung. Beim Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren wird der Zutritt von Luft (insbesondere Sauerstoff und Stickstoff) zur Schweißstelle mit Hilfe eines reinen

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Gases, wie von Argon oder Kohlendioxid, oder eines Gasgemisches aus Argon und Kohlendioxid oder Sauerstoff verhindert. Diese Methode weist daher den Nachteil einer geringen Schweißgeschwindigkeit auf, obwohl sie nicht mit den vorgenannten Mangeln der Unterpulver-Lichfbogenschweißmethode behaftet ist. Aus diesem Grunde wurde häufig nach einer Schweißtechnik gearbeitet, bei der zwei oder mehrere Elektroden in einer geraden Reihe längs der Schweißnahtfuge des (der) zu verschweißenden Werkstücks (Werkstücke) angeordnet werden und mit deren-Hilf e die gewünschte Mehrfachlagenschweißung kontinuierlich erfolgt. Obwohl dieses Verfahren eine etwas bessere Schweißleistung gewährleistet, leidet es unter dem schwerwiegenden Nachteil, daß die Eigenschaften an den verschiedenen Stellen des Schweißguts unterschiedlich sind, wobei insbesondere die Schlagzähigkeiten an den einzelnen Stellen beträchtlich voneinander abweichen.

Das auf die Überwindung der vorgenannten Schwierigkeiten gerichtete Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweissen zu schaffen, bei dem die Zusammensetzung des Schutzgases so eingestellt wird, daß beim vorangehenden bzw. nachfolgenden Durchgang unterschiedliche Volumanteile der aktiven Gaskomponente im Schutzgas enthalten sind, mit welchem der Lichtbogen vom Elektrodendraht her umspült wird, wodurch die Desoxidationsreaktion· während jedes Durchgangs geregelt wird.

Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißen zur Verfügung zu stellen, bei dem man die Volumanteile der aktiven Gaskomponente im Schutzgas in den einzelnen Durchgängen relativ zueinander variiert, um die Desoxidationsreaktion zu regeln, wodurch eine einheitliche chemische Zusammensetzung des Schweißguts in den anläßlich der einzelnen Durchgänge

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eingebrachten Schweißlagen erzielt werden soll.

Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißen zu schaffen, bei welchem dem Schweißgut in den anläßlich der einzelnen Durchgänge eingebrachten Schweißlagen eine einheitliche chemische Zusammensetzung verliehen wird, damit eine verbesserte Schweißleistung sowie homogene Schweißguteigenschaften in den einzelnen Schweißlagen gewährleistet werden.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Mehrelektroden-Schutzgas-Liehtbogenschweißen, bei dem sich die chemische Zusammensetzung des Schutzgases im vorangehenden Durchgang derart von jener im nachfolgenden Durchgang unterscheidet, daß das Schutzgas im vorangehenden bzw. nachfolgenden Durchgang andere Volumanteile an aktivem Gas enthält. Im einzelnen gilt folgendes: Wenn die verwendeten Elektrodendrähte die gleichen chemischen Zusammensetzungen wie der Grundwerkstoff oder geringere Gehalte an Legierungsbestandteilen als letzterer aufweisen, wird die chemische Zusammensetzung des Schutzgases derart geregelt, daß das Schutzgas für die Führungselektrode oder -elektrodengruppe einen höheren Volumanteil an aktivem Gas als das Schutzgas für die Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe enthält. Wenn die verwendeten Elektrodendrähte dagegen höhere Anteile an Legierungselementen als der Grundwerkstoff enthalten, wird die chemische Zusammensetzung des Schutzgases derart geregelt, daß das Schutzga's für die Führungselektrode oder -elektrodengruppe einen geringeren Volumanteil an aktivem Gas als das Schutzgas für die Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe enthält. Unter diesen Bedingungen wird das Schweißgut in mehreren Lagen eingebracht.

Die vorgenannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung treten beim Studium der nachfolgenden detaillierten Erfindungsbeschreibung unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen noch deutlicher hervor.

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Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Fig. 1(a) und 1(b) veranschaulichen schematisch die Art und Weise, mit welcher das in jedem Durchgang eingeschweißte Metall mit dem Grundwerkstoff vermischt wird.

Fig. 2(a) und 2(b) veranschaulichen in graphischer Darstellung die Ergebnisse von Tests, welche zur Berechnung der
Kühlgeschwindigkeiten und entsprechenden Wärmezufuhren beim Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren durchgeführt wurden.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführung der beim erfindungsgemäßen Verfahren angewendeten Fugenform.

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Schweißstrom und der durch eine einzelne Schweißelektrode
erzielten Einbrandtiefe veranschaulicht.

Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Schweißstrom und dem abgeschmolzenen bzw. eingetragenen Anteil des Elektrodendrahts darstellt.

Fig. 6 ist ein Diagramm, welches den Einfluß der Schutzgaszusammensetzung auf die durch Bogenspannung und -strom bestimmte Lichtbogenausbildung zeigt.

Fig. 7 veranschaulicht schematisch die Stelle des Kerbs,
welcher an den bei den erfindungsgemäßen Beispielen verwendeten Gharpy-Prüfkörpern erzeugt wird.

Fig. 8 zeigt in graphischer Darstellung eine beispielhafte
Form der Änderung der Werte der Charpy-Schlagzähigkeit
bei konstantem Volumanteil des aktiven Gases im Schutzgas
für die Führungselektrode und veränderlichem Aktivgas-Volumanteil im Schutzgas für die Nachlaufelektrode.

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Pig. 9 zeigt die Stellen des Kerbs, der an den bei einem weiteren erfindungs gemäß en Beispiel verwendeten Charpy- -Prüfkörpern erzeugt wird.

Die Erfindung soll nun näher erläutert werden.

Die Erfinder u.a. haben die Ursachen für die Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften in den einzelnen Lagen des Schweißguts, welche, wie erwähnt, beim Verschweißen der einzelnen Grundwerkstoffteile nach dem Kehrelektroden-Schutzgas- -Lichtbogenschweißverfahren auftreten, sorgfältig untersucht. Dabei wurde gefunden, daß diese Unregelmäßigkeiten darauf zurückzuführen sind, daß die chemische Zusammensetzung des in einem Durchgang eingeschweißten Metalls anders ist als jene des bei einem weiteren Durchgang eingeschweißten Metalls und daß für dieses Phänomen zwei Ursachen verantwortlich sind. Eine dieser Ursachen besteht in der Vermischung des Schweißguts mit dem Grundwerkstoff, während die andere auf der Beschleunigung der Lesoxidationsreaktionen aufgrund des Vorheizeffekts beruht. Das Problem der Vermischung tritt auf, wenn beispielsweise zwei Stahlplatten Kante an Kante unter Bildung einer einzelnen V-Fuge mit breiter Wurzelflache bzw. Stegflanke aneinandergefügt und in zwei Durchgängen verschweißt werden. Wegen der unterschiedlichen Tiefe und Breite der Fuge beim ersten bzw. zweiten Schweißgang wird nämlich beim ersten Durchgang ein größerer Bereich der Fugenfläche zum Schmelzen gebracht als beim zweiten Durchgang, was zu einem unterschiedlichen Grad der Vermischung des Schweißguts mit dem Grundwerkstoff führt, d.h., der Vermischungsgrad der im ersten Durchgang eingebrachten Schweißlage ist höher als jener der im zweiten Durchgang eingetragenen Schweißlage. Daher weist das Schweißgut in den einzelnen Lagen selbst bei Verwendung desselben Schweißelektrodenmaterials für den ersten und zweiten Durchgang unterschiedliche chemische Zusammensetzungen auf, welche von den Positionen der Lagen in

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Richtung der Fugentiefe abhängen. Andererseits enthalten der Grundwerkstoff und das Schweißmaterial Legierungselemente (wie C, Mn, Si, Cr, Al, Ti, Zr und B), welche sich leicht mit Sauerstoff verbinden. Hochwertige Stähle, wie hochzugfeste Stähle und Niedertemperatur-Stähle, weisen hohe ■ Anteile an derartigen Legierungselementen auf. Diese Legierungselemente vereinigen sich daher beim Schweißprozeß mit dem in der den Lichtbogen umgebenden Luft und im Schutzgas enthaltenen Sauerstoff und führen somit zu Desoxidationsreaktionen, wie C + 2 0 —> CO₂1\ Mn +20 —»MnO₂, Si + + 204 SiO₂, 2 Cr + 3 0 -> Cr₃O₃, 2 Al + 3 0 -> Al₃O₃, Ti + 2 0 -> TiO₂ und 2 B + 3 0 —? B₃O₃, so daß die genannten Elemente in Form von Desoxidationsprodukten (Schlacke) oder Gasen zur Oberfläche der Schweißperle strömen oder aber in Form von Einschlüssen im Schweißgut zurückbleiben. Wenn die an den vorgenannten Reaktionen teilnehmenden Elemente aufgrund des erwähnten Mischungsgradunterschieds in den anläßlich der einzelnen Durchgänge eingebrachten Schweißlagen in unterschiedlichen Mengen enthalten sind, ist das Verhältnis des infolge der Umsetzungen als Schlacke, Gase oder Einschlüsse verlorengehenden Anteils der Elemente zum restlichen Anteil der Elemente, welcher im Schweißgut in Form von festen Lösungselementen zurückbleibt oder Carbide und Nitride bildet, welche die Eigenschaften des Schweißguts regelnde Bestandteile darstellen, in den einzelnen durch den Mehrlagen-Schweißprozeß eingebrachten Schweißlagen nicht durchgehend gleich. Die eingeschweißten Metallanteile der übereinandergefügten Lagen bestehen vielmehr aus unterschiedlich zusammengesetzten Legierungen, so daß nicht zu erwarten ist, daß die Eigenschaften im Bereich des gesamten Schweißguts homogen sind. Dieses Problem tritt umso stärker in den Vordergrund, je höher die Qualität des Grundwerkstoffs ist.

Zum Problem der aufgrund'·der- Vorerhitzung beschleunigten Desoxidationsreaktion ist folgendes auszuführen. Während

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die Desoxidationsreaktion stattfindet, wenn der Schweißtropfen vom Vorderende des durch den Lichtbogen geschmolzenen Elektrodendrahtes durch den Lichtbogen wandert, besteht vor der Erstarrung des Tropfens im Schmelzbad und teilweise danach die Tendenz, daß die Desoxidationsreaktion stark beschleunigt wird, da sich die Abkühlgeschwindigkeit des Schweißguts verringert, wenn die Schweißwärmezufuhr erhöht wird und die Vorheiztemperatur sowie die Temperatur zwischen den einzelnen Schweißlagen höher werden, so daß das Schweißgut längere Zeit bei erhöhter Temperatur gehalten wird. Dies bedeutet, daß die Desoxidationsreaktion bei der kontinuierlichen Mehrfachlagenschweißung während des darauffolgenden Schweißgangs, bei dem sich die Vorerhitzung durch die von der Führungselektrode abgegebene Wärmeenergie auswirkt, im stärkeren Maße stattfindet. Das beim anschliessenden Durchgang eingetragene Schweißgut verliert daher eine erhöhte Menge an den Legierungselementen.

Wenn der Grundwerkstoff beträchtliche Mengen an Legierungselementen enthält und die Mehrfachlagen-Schweißung nach dem automatischen Mehrelektroden-Lichtbogenschweißverfahren erfolgt, ergibt sich aufgrund des Zusammenwirkens der vorgenannten beiden Effekte (d.h. des Vorheizeffekts und des auf den Vermischungsgradunterschied zurückzuführenden Effekts) eine noch stärkere Schwankung der chemischen Zusammensetzung des Schweißguts in den anläßlich der einzelnen Durchgänge eingebrachten Lagen. Dies führt wiederum zu einer noch stärkeren Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften des eingeschweißten Metalls an den verschiedenen Stellen des Schweißguts.

Bei der Mehrelektroden-Schutzgas-Schweißung schwankt der Vermischungsgrad, welcher das Ausmaß wiedergibt, mit welchem ein bestimmtes Legierungselement des Schweißelektrodendrahtes im Schweißgut mit dem Grundwerkstoff vermischt wird, im Falle einer Mehrfachlagen-Schweißung in Abhängigkeit von der Position der Schweißlagen. Der Vermischungsgrad der zweiten

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Lage und der darauffolgenden Lagen nimmt gegenüber jenen der ersten Lage immer mehr ab, d.h., der Legierungsgehalt nähert sich jenem des aus dem Elektrodendraht allein erzeugten Schweißguts. Diese Tatsache läßt sich anhand der Fig. 1(a) und 1(b) erläutern, welche beispielhaft die Verschweißung von zwei Stahlplatten durch Einbringen des Schweißguts in zwei Durchgängen veranschaulichen. Gemäß Fig. 1(a), welche das beim ersten Durchgang eingebrachte Schweißgut zeigt, errechnet sich der Vermischungsgrad B unter der Annahme, daß A die Querschnittsfläche des Grundwerkstoffbereichs in der Schweißnahtzone beim ersten Durchgang und B die Querschnittsfläche des Bereichs des im ersten Durchgang in der Schweißnahtzone eingebrachten Metalls bedeuten, nach folgender Gleichung:

P =

A + B

Gemäß Fig. 1(b), welche das beim zweiten Durchgang eingebrachte Schweißgut zeigt, errechnet sich andererseits der Vermischungsgrad B¹ unter der Annahme, daß A' die Querschnittsfläche des Grundwerkstoifbereichs in der Schweißnahtzone beim zweiten Durchgang und P¹ die Querschnittsfläche des Bereichs des im zweiten Durchgang in der Schweißnahtzone eingebrachten Metalls bedeuten, nach folgender Gleichung:

P' =

A' + B¹

Bei gleicher Abschmelz- bzw. Einlagerungsleistung im ersten und zweiten Durchgang resultiert somit die Ungleichung P>P·, da Tiefe und Breite der Fuge, wie erwähnt, bei den beiden Durchgängen nicht gleich sind.

Fig.2 zeigt die Resultate eines beispielhaften Versuchs zur Berechnung der äquivalenten Wärmezufuhren für den

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zweiten oder darauffolgenden Durchgang, wobei eine 25 mm dicke Stahlplatte von beiden Seiten her (ein Durchgang bzw. eine lage für jede Schweißelektrode) nach der Zwei-

elektroden-Tandem-Schutzgas-Lichtbogenschweißmethoüe verschweißt wird. Bei diesem Beispiel erfolgen der erste Durchgang bei einem Schweißstrom von 800A, einer Schweißspannung von 30 V, einer Schweißgeschwindigkeit von 300 mm/ min und einer Schweißwärmezufuhr von 24 k.j/cm, der zweite Durchgang bei einem Schweißstrom von 700 A, einer Schweißspannung von 30 V, einer Schweißgeschwindigkeit von 600 mm/ min und einer Schweißwärmezufuhr von 21 k.J/cm. Beim Schweißprozeß wird der Abstand zwischen der Pührungs- bzw. Nachlaufelektrode verändert, um die Temperatur zwischen den Durchgängen der Führungs- bzw. Nachlaufelektrode zu variieren. Bei einer vorgewählten Elektrodendistanz von 350 mm zeigte die durch Einführung eines Thermoelements in das Schweißgut der nachfolgenden Schweißlage durchgeführte Messung an, daß die zum Abkühlen von 800⁰C bis auf 500⁰C erforderliche Zeitspanne etwa 25 Sekunden betrug (vgl. Pig. 2(b)). Eine entsprechende Abkühlzeit entspricht bei der Einelektrodenschweißung gemäß Fig. 2(a) einer Schweißwärmezufuhr von 40 k.j/cm. Während beim zweiten Durchgang tatsächlich eine Schweißwärme von 21 k.J/cm aufgewendet wird, beträgt die im wesentlichen äquivalente Wärmezufuhr 40 k.J/cm (d.h. nahezu das doppelte der tatsächlichen Wärmezufuhr) . Dies kann nur dadurch erklärt werden, daß im vorangehenden Durchgang ein beträchtlicher Vorheizeffekt erzielt wird. Die vorgenannten Desoxidationsreaktionen und die dadurch bedingte Unregelmäßigkeit der Eigenschaften des Schweißguts in den anläßlich der einzelnen Durchgänge eingebrachten Schweißlagen müssen daher uneingeschränkt berücksichtigt werden.

Die erfindungsgemäße Schutzgas-Lichtbogenschweißtechnik läßt sioh auf beliebige Verfahren anwenden, bei denen die

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Elektrodendrähte einen, großen oder geringen Durchmesser aufweisen, vorausgesetzt, daß die jeweilige Methode mit mehreren Elektroden arbeitet. Auch, die Anzahl der Elektroden ist nicht auf zwei begrenzt. Ebensowenig gibt es eine Beschränkung hinsichtlich des erfindungsgemäß verwendeten Schutzgas typ s. Man kann die verschiedensten Schutzgase einsetzen, beispielsweise ein Mischgas aus Argon und einer Sauerstoff- oder Kohlendioxidbeimengung. Anstelle von Argon kann auch. Helium als Schutzgas dienen. Bei der erfin— dungsgeraäßen Mehrfachlagenschweißung verwendet man jedoch für die Pührungselektrode oder —elektrodengruppe ein Schutzgas mit einer anderen chemischen Zusammensetzung als für die Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe, wobei speziell der Volumanteil des in den jeweiligen Schutzgasen enthaltenen aktiven Gases variiert wird. Welches der beiden Schutzgase (für die Führungselektrode bzw. -elektrodengruppe oder für die Nachlaufelektrode bzw. -elektrodengruppe) einen höheren Volumanteil an aktivem Gas aufweist, bestimmt man zweckmäßig anhand der Tatsache, ob der Grundwerkstoff oder das Schweiß— material einen höheren Anteil der sich leicht mit Sauerstoff verbindenden Elemente aufweist. Die Beantwortung der Frage hängt somit davon ab, ob das Schweißmaterial im Verhältnis zum Grundwerkstoff niedrig- oder hochlegiert ist.

Wenn beim Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißen beispielsweise ein Schweißmaterial verwendet wird, welches entsprechende oder geringere Mengen von Legierungselementen enthält, verleiht man dem Schutzgas für die Führungselektrode oder -elektrodengruppe einen hohen Volumanteil an aktivem Gas und dem Schutzgas für die Nachlauf elektrode oder -elektrodengruppe einen geringen Anteil an aktivem Gas. Auf diese Weise läßt sich die beim vorangehenden bzw. nachfolgenden Durchgang zugeführte Sauerstoffmenge genau derart regeln, daß die Desoxidationsreaktion bei dem. einen höheren Vermischungsgrad aufweisenden ersten Durchgang beschleunigt und

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bei dem durch die von der Führungselektrode stammende Wärmeenergie vorgeheizten zweiten Durchgang gebremst wird. Auf diese Art kann die Zusammensetzung des im ersten Durchgang eingeschweißten Metalls nahe an jene des im zweiten Durchgang eingebrachten Schweißguts angeglichen werden.

Wenn bei der Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißung jedoch ein höhere Anteile an Legierungselementen als der Grundwerkstoff aufweisendes Schweißmaterial verwendet wird, regelt man die Sauerstoffzufuhr in der Weise, daß man dem Schutzgas für die Führungselektrode oder -elektrodengruppe einen geringen Volumanteil an aktivem Gas und dem Schutzgas für die Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe einen hohen Volumanteil an aktivem Gas verleiht. Man erreicht so, daß die in den einzelnen Durchgängen eingeschweißten Metallanteile ähnliche Zusammensetzungen aufweisen.

Die vorgenannte unterschiedliche Wahl der Schutzgaszusammensetzung (d.h. der bestimmten Volumanteile des aktiven Gases im Schutzgas) wird zweckmäßig anhand des Elektrodendrahtdurchmessers, der Zusammensetzung des Grundwerkstoffs und des Schweißguts u.a. vorgenommen. Jedenfalls läßt sich durch Einstellung der Zusammensetzung des Schutzgases für die Führungs- bzw. Nachlaufelektrode eine einfache, den Mengen der desoxidierenden Elemente angepaßte Kontrolle der Desoxidationsreaktion erreichen und somit ein einheitliches Schweißgut erzielen.

Durch die bei der Mehrfachlagenschweißung erfindungsgemäß vorgenommene unterschiedliche Einstellung der Zusammensetzung der Schutzgase für den vorangehenden bzw. nachfolgenden Durchgang werden ferner die Schweißeigenschaften beträchtlich verbessert, so daß man hochwertige verschweißte Metalle erhält. Fig. 3 zeigt die Fugenform, welche bei der Herstellung von Stahlrohren (Wanddicke 25 mm) nach der Mehrelektroden- -Tandem-Schutzgas-Lichtbogenschweißmethode gemäß einer bevorzugten erfindungsgeinäßen Ausführungsform angewendet wird.

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Die Elektroden werden dabei jeweils einmal an jeder Seite des Grundwerkstoffs entlanggeführt. Fig. 4 verdeutlicht die Beziehung zwischen dem Schweißstrom und der Einbrandtiefe im Falle der Einelektroden-Schutzgas-Schweißung, Fig. 5 die Beziehung zwischen dem Schweißstrom und der abgeschmolzenen bzw. eingebrachten Elektrodendrahtmenge bei der Einelektroden-Schutzgas-Schweißung. Damit die an der Innen- und Außenfläche des Rohres eingetragenen Schweißlagen in der Mitte der Plattendicke eine richtige Bindung eingehen, ist es wichtig, daß die Tiefe des Schweißnahteinbrandes mehr als 4,5 bis 5 mm beträgt. Man erkennt somit aus Fig.4, daß der Schweißstrom für die Führungselektrode bei der Tandem-Schutzgasschweißung 800 A betragen muß.

Andererseits beträgt die abgeschmolzene bzw. eingebrachte Elektrodendrahtmenge bei einem Schweißstrom von 800 A etwa 195 g/min. Die Fuge mit der in Fig. 3 gezeigten Form wird daher bei einer Schweißgeschwindigkeit von 600 mm/min bis zu einem etwa 0,5 mm unterhalb der Oberfläche befindlichen Niveau mit dem vom Elektrodendraht stammenden Schweißgut gefüllt. Zur Füllung des restlichen unbedeutenden Raums in der Fuge sowie zur Erzielung der richtigen Höhe der Schweißnahtüberwölbung (die übliche Höhe beträgt über 3 mm) und der richtigen Schweißlagenbreite (die übliche Breite beträgt 20 bis 22 mm) ist es daher wichtig, das Schweißgut im anschließenden Durchgang in einer Menge von etwa 150 bis 160 g/min einzubringen und dieselbe Schweißgeschwindigkeit wie beim vorangehenden Durchgang (600 mm/min) anzuwenden. Bei diesen Schweißbedingungen beträgt der richtige Schweißstrom beim nachfolgenden Durchgang 700 A, wie aus Fig. 5 hervorgeht. Bekanntlich ist es beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen im allgemeinen zweckmäßig, im Sprühlichtbogenbereich zu arbeiten. Wenn man die Schweißung im Tropfenlichtbogen oder -Kurzschlußbereich durchführt, ist es unmöglich, die richtige Einbrandtiefe zu erzielen. Ferner kommt es zu einem

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starken Spritzen, worunter die schweißtechnischen Eigenschaften beträchtlich leiden.

Die Erfinder u.a. haben anhand zahlreicher Versuche auf dem Gebiet der Schutzgas-Lichtbogenschweißung gefunden, daß bei geeignet konstant gehaltener Lichtbogenspannung der einen Sprühlichtbogen erzeugende Schweißstrombereich stark vom Volumanteil des aktiven Gases im Schutzgas abhängt. Fig. 6 veranschaulicht graphisch die Art und Weise, mit welcher die von der Lichtbogenspannung und vom Schweißstrom abhängige Lichtbogenausbildung in Abhängigkeit vom Volumanteil des aktiven Gases im Schutzgas variiert. Dieses Phänomen wird anhand der vorgenannten Ausführungsform näher erläutert. Wenn man der Führungselektrode einen Schweißstrom von 800 A zuführt, beträgt die zur Erzeugung eines Sprühlichtbogens erforderliche Menge an aktivem Gas 15 ^, wenn dem Argon Kohlendioxid zugesetzt wird. Ein ähnlicher Sprühlichtbogen wird bei Zufuhr eines Schweißstroms von 700 A zur Nachlaufelektrode erzielt, wenn man Argon mit einem COg-Zusatz von 5 i» verwendet. Anders ausgedrückt, wenn beim vorangehenden Durchgang als Schutzgas ein Gemisch von Argon mit 15 $> COp und beim darauffolgenden Durchgang als Schutzgas ein Gemisch von Argon mit 5 i° 0O₂ eingesetzt werden, läßt sich das Auftreten von Spritzern vermeiden. Wenn man. jedoch sowohl beim vorangehenden als auch beim darauffolgenden Durchgang ein Gemisch von Argon mit 15 i° CO₂ als Schutzgas einsetzt und bei den vorgenannten Schweißbedingungen arbeitet, kommt es zu einem Kurzschluß zwischen der Spitze des Elektrodendrahtes und dem Schweißgut des Schmelzbades, was starke Spritzer verursacht und daher eine beträchtliche Verschlechterung der Schweißeigenschaften nach sich zieht.

Man erkennt somit, daß es beim vorstehend beschriebenen Beispiel wichtig ist, die Zusammensetzungen des· Schutzgases für die Führungs- bzw. Nachlaufelektrode relativ zueinander

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zu regeln bzw. zu variieren. Auf diese Weise läßt sich eine einwandfreie Schweißnahtzone ohne irgendwelche Spritzer und Schweißnahtfehler, dafür jedoch mit verbesserten Schweißeigenschaften erzielen.

Die nachstehenden Beispiele dienen der näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Schweißung von Stahlplatten.

Beispiel 1

Man verwendet zwei verschiedene Titandrahttypen als Elektrodendrähte und eine 20 mm starke Platte aus 3,5 $ Nickel enthaltendem Stahl als Grundwerkstoff. Die Platte wird durch automatische Mehrelektroden-Schutzgas-Schweißung in zwei Durchgängen verschweißt/Die Schweißbedingungen sind folgende:

1) Durchmesser des Elektrodendrahtes: 4 mm (sowohl bei der Führungs- als auch bei der Nachlaufelektrode);

2) Schweißstrom, -spannung und -geschwindigkeit: .1. Durchgang: 800 A χ 30 V χ 600 mm/min;

2. Durchgang: 760 A χ 31 V χ 600 mm/min;

3) Schutzgas: Mischgas aus Ar + COp·

Tabelle I zeigt die Ergebnisse von Tests, welche an dem unter Anwendung derselben Kohlendioxid-Volumanteile im Schutzgas für die Führungs- und Nachlaufelektrode (herkömmliches Verfahren) erzielten Produkt sowie an dem mit verschiedenen Kohlendioxid-Volumanteilen (erfindungsgemäßes Verfahren) erhaltenen Produkt durchgeführt werden.

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Tabelle I

	NI	herkömmliciie	erfindungsgemäß e s	12,8
	N2	Methode	Verfahren	13,2
GOp-Volumanteil im	Führungselektro-	Pührungs elektro-
Schutzgas, i°	de: 20	de: 20
	Nachlaufelektro	Nachlaufelektro
	de: 2o	de: 10
VE-8O°C	12,0
(kg.m)	4,0

co₂

Bemerkungen: COg-Volumanteil: '

Die Charpy-Tests werden an Standard-Charpy- -Prüfkörpern mit einem 2 mm-Spitzkerb vorgenommen· N1 bzw. N2 bedeuten, daß der Kerb in dem größtenteils beim ersten Durchgang eingeschweißten Metall bzw. größtenteils in dem beim zweiten Durchgang eingeschweißten Metall erzeugt wird.

Aus Tabelle I geht hervor, daß das zufriedenstellend homogenisierte Schweißgut erfindungsgemäß durch Erhöhung des Volumanteils des aktiven Gases im Schutzgas für die Pührungselektrode und Senkung des Volumanteils des aktiven Gases im Schutzgas für die Nachlaufelektrode erzielt wird.

Wenn der COg-Volumanteil (A) im Schutzgas für die Führungselektrode bei 20 io festgelegt und der COg-Volumanteil (B) im Schutzgas für die Nachlaufelektrode allmählich gesenkt wird, erhält man, wenn man die Differenz (A - B) graphisch auf ^der Abszisse und die Charpy-Testwerte auf der Ordinate

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aufträgt, die aus Fig. 8 ersichtlichen Abhängigkeitskurven für N1 und N2. Man erkennt, daß sich die Variierung der C0₂-Volumanteile im Schutzgas für die Führungsbzw. Nachlaufelektrode beträchtlich auf die Charpy-Testwerte auswirkt.

Beispiel 2

Man verwendet hochlegierte Drähte auf Ti/B/Al/Zr-Basis als Elektrodendrähte und eine 20 mm starke Platte aus 1,6 $ Mn und 0,5 i» Ni enthaltendem Stahl als Grundwerkstoff. Die Platte wird durch automatische Mehrelektroden-Schutzgas- -Lichtbogenschweißung bei den unter (1), (2) und (3) von Beispiel 1 angeführten Schweißbedingungen und unter Erhöhung des C0₂-Volumanteils im Schutzgas für die Nachlaufelektrode über jenen im Schutzgas für die Führungselektrode verschweißt. Tabelle II zeigt die entsprechenden Testergebnisse wie in Beispiel 1.

Tabelle

II

	N1 N2	herkömmliche Methode	erfindungsgemäßes Verfahren
CO2-Volumanteil im Schutzgas, fo	Führungselektro de: 10 Nachlaufelektro- de: 10	Führungselektro de: 10 Nachlaufelektro de: 20
VE-50°G (kg.m)	8,6 2,8	8,8 8,2

Tabelle II zeigt, daß man im Falle eines relativ zum Grundwerkstoff hochlegierten Schweißmaterials den CO₂-Volumanteil des Schutzgases für die Nachlaufelektrode gegenüber jenem des Schutzgases für die Führungselektrode erhöhen kann, um

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die chemischen Zusammensetzungen der in den einzelnen Durchgängen eingeschweißten Metallanteile nahe aneinander anzugleichen und dadurch für einheitliche Eigenschaften innerhalb des gesamten Schweißguts zu sorgen.

Beispiel 3

Dieselbe als Grundwerkstoff fungierende Stahlplatte wie in Beispiel 1 wird unter Anwendung der gleichen Elektrodendrähte und derselben Schweißbedingungen (Drahtdurchmesser sowie Schweißstrom, -spannung und -geschwindigkeit) wie in Beispiel 1, jedoch unter Einsatz eines Mischgases aus Ar + O₂ als Schutzgas nach der automatischen Mehrelektroden-Schutzgasmethode verschweißt. Tabelle III zeigt die entsprechenden Testergebnisse wie in Beispiel

Tabelle

III

	in N2	herkömmliche Methode	erfindungsgemäßes Verfahren
Ög-Vblumanteil im Schutzgas, ?£	Führungselektro de: 10 Nachlaufelektro- de: 10	Pührungselektro- de: 10 Nachlaufelektro- de: 20
VE-80°C (kg.m)	11,5 2,4	11,3 11,8

Tabelle III zeigt, daß sich die Eigenschaften der einzelnen Lagen im Schweißgut mit Hilfe des erfindungs gemäß en Verfahrens selbst dann wirksam vereinheitlichen lassen, wenn man ein Gemisch aus Ar + O₂ als Schutzgas verwendet.

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Beispiel 4

20 mm starke Platten aus 9 $ Ni enthaltendem Stahl werden bei dem in Pig. 9 gezeigten Fugenwinkel mit Hilfe von 10,5 $> Ni enthaltenden Titandrähten (Durchmesser 1,6 mm) als Elektrodendrähte nach der einseitigen automatischen Mehrlagen- -Schutzgas-Lichtbogenschweißmethode verschweißt. Die Schweißbedingungen sind folgende: Führungselektrode 380 A χ 28 V χ 250 mm/min; Nachlaufelektrode 320 A χ 32 V χ 250 mm/ mini Schutzgas Ar +

Tabelle IV zeigt die entsprechenden Testergebnisse wie in Beispiel 1.

Tabelle

IV

	N1 N2	herkömmliche Methode	erfindungsge mäßes Verfahren
COp-Volumanteil im Schutzgas, %	Führungselektro- de: 3 Nachlaufelektro de: 3	Führungselektro der 3 Nachlaufelektro de: 1
VE-196°C (kg.m)	5,6 0,8	5,4 5,0

Bemerkung: Die Größe der Prüfkörper ist die 2 mm-Spitzkerb-Unterg"

Tabelle IV zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch dann sehr leistungsfähig ist, wenn es zur einseitigen Schweißung unter Einsatz von Elektrodendrähten mit geringem Durchmesser angewendet wird.

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Beispiel 5

Unter denselben Schweißbedingungen wie in Beispiel 4, außer daß man als Schutzgas ein Gemisch von Ar + Op verwendet, wird am Grundwerkstoff eine einseitige automatische Mehrlagen-Licht bogenschweißung vorgenommen. Tabelle V zeigt die entsprechenden Testergebnisse wie in Beispiel 1.

Tabelle

	N1 N2	herkömmliche Methode	erfindungsgemäßes Verfahren
Op-Volumanteil im Schutzgas, i»	Führungselektro- de: 1 Nachlaufelektro de: 1	Pührungselektro- de: 1 Nachlaufelektro de: O
VE-196°C (kg.m)	5,5 0,6	5,6 5,1

Tabelle V zeigt, daß die einseitige Mehrlagenschwexßung nach der erfindungsgemäßen Methode unter Verwendung von Elektrodendrahten mit geringem Durchmesser und beider Gasgemische hervorragende Resultate liefert. Man erkennt ferner, daß die erfindungsgemäße Einstellung der Schutzgaszusammensetzung für die Führungs- bzw. Nachlaufelektrode auch jene Fälle umfaßt, bei denen der Anteil des aktiven Gases auf 0 gesenkt wird.

Beispiel 6

Es wird eine automatische Schutz gas schweißung bei denselben Schweißbedingungen und mit Hilfe desselben Schutzgases wie in Beispiel 1 durchgeführt; dabei werden folgende Elektrodendrähte und der nachstehende Grundwerkstoff verwendet;

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Elektrodendrähte: (1) Material auf Titanbasis (nachstehend als "Draht A" bezeichnet);

(2) Material mit einem Gehalt von: C, 0,10 ^; Si, 0,35 ^; Mn, 2,00 fa S, 0,015 1°\ P, 0,015 %', Ni, 2,00 #; Mo, 0,30 %; Ti, 0,25 /o; B, 0,010 <f< >; Al, 0,02 <fo (nachstehend als "Draht B" bezeichnet).

Beide Drähte weisen einen Durchmesser von 4 mm auf.

Grundwerkstoff: C, 0,08 </<>; Si, 0,30 $; Mn, 1,40 $; Mo, 0,30 <fo; Cr, 0,50 $; Ni, 3,88 $; P, 0,010 <f< >; S, 0,010 $; Ti, 0,03 1°\ Al, 0,04 fo.

Die Stärke der Platte beträgt 20 mm.

Tabelle VI zeigt die entsprechenden Testergebnisse wie in Beispiel 1.

Tabelle

VI

	N1 N2	herkömmliche Methode	erfindungsge mäßes Verfahren
Drahttyp und COg-Volum- anteil im Schutzgas	Pührungselek trode (A): 20 i» Nachlaufelek trode (A): 20 $>	Pührungselek trode (A): 20 io Nachlaufelek trode (B): 10 i»
VE-80°C (kg.m)	12,0 4,0	12,6 15,3

Tabelle VI zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren hervorragende Produkte liefert, wenn man für die Führungsund Nachlaufelektrode Schutzgase mit unterschiedlichen Zusammensetzungen sowie Drähte mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen verwendet.

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Bei der erfindungsgemäßen Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogens chweißung wird somit die Zusammensetzung des Schutzgases für die Pührungselektrode oder -elektrodengruppe relativ zu jener des Schutzgases für die Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe eingestellt. Auf diese V/eise wird die chemische Zusammensetzung des in jedem Durchgang eingeschweißten Metalls exakt in der Weise geregelt, daß zufriedenstellend homogene bzw. einheitliche Eigenschaften in den einzelnen Lagen des gesamten Schweißguts erzielt werden und das Problem des Auftretens von Spritzern gelöst wird. Dadurch werden eine verbesserte Schweißleistung und bessere Arbeitsbedingungen gewährleistet sowie Schweißnahtzonen von hoher Qualität erzielt.

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Claims

Patentansprü ehe

Verfahren zum Mehrelektroden-Schutzgas-Lichtbogenschweißen, bei dem das Schweißgut in mehreren Lagen eingebracht wird, indem die Zusammensetzung des der Pührungselektrode oder -elektrodengruppe zugeführten Schutzgases und die Zusammensetzung des der Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe zugeführten Schutzgases in der Weise unterschiedlich gewählt werden, daß die beiden Schutzgase jeweils verschiedene Anteile an aktivem Gas enthalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den der Führungselektrode oder -elektrodengruppe bzw. der Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe zugeführten Schutzgasen unterschiedliche Anteile an aktivem Gas verleiht, um die Desoxidationsreaktionen des im vorangehenden und darauffolgenden Durchgang eingebrachten Schweißguts zu regeln.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Desoxidationsreaktionen des in jedem von mehreren Durchgängen eingebrachten Schweißguts regelt, um dem in den einzelnen Durchgängen eingeschweißten Metall der verschiedenen Schweißlagen gleichmäßige Eigenschaften zu verleihen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode aus einem Elektrodendraht besteht, der eine entsprechende chemische Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff aufweist oder geringere Anteile an Legierungselementen als letzterer enthält, und daß man dem Schutzgas für die Pührungselektrode oder -elektrodengruppe einen höheren Volumanteil an aktivem Gas als dem Schutzgas für die Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe verleiht.

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Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode aus einem Elektrodendraht besteht, der eine relativ zum Grundwerkstoff hochlegierte chemische Zusammensetzung aufweist, und daß man dem Schutzgas für die Führungselektrode oder -elektrodengruppe einen niedrigeren Volumanteil an aktivem Gas als dem Schutzgas für die Nachlaufelektrode oder -elektrodengruppe verleiht.

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