DE2803190C2

DE2803190C2 - Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen dicker Metallteile in Querposition

Info

Publication number: DE2803190C2
Application number: DE19782803190
Authority: DE
Inventors: Malcolm Gaines New Kensington Pa. Hoy; George Paul Yanok
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1978-01-23
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE2803190A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißer dicker Metallteile, insbesondere dicker Aluminiumbleche, wobei die zu verschweißenden Teile Kante auf Kante übereinander angeordnet werden, um einen horizontalen Stoß zu schaffen, wobei wenigstens das untere Teil an der Verbindungsstelle geschrägt wird und eine Abschmelzelektrode mit im wesentlichen konstanter Vorschubgeschwindigkeit auf die Verbindungsstelle zugeführt wird, während ein Gleichstromlichtbogen zwischen der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall und eine Schutzgasströmung um den Lichtbogen und die Schmelze aufrechterhalten wird.

Beim herkömmlichen Schweißen dicker Aluminiumbleche wird das MIG-Verfahren mit einer Vielzahl von Mehrfachlagen angewendet, typischerweise mindestens Durchgänge für 25,4 mm dickes Blech und bis zu Durchgänge für Platten mit 76,2 mm Dicke.

Weiterhin ist beim Schweißen dicker Aluminiumplatten in der Waagerechten bislang eine verhältnismäßig hohe Vorschubgeschwindigkeit erforderlich, um die Wirkung der Schwerkraft auf das Schmelzbad auszugleichen; diese Geschwindigkeiten beeinflussen indessen nachteilig Größe und Qualität der Schweißraupe und damit die Menge des pro Durchgang abgelagerten, qualitativ hochwertigen Schweißmetalles.

Bei bekannten Verfahren zum Schweißen solcher Platten treten auch dahingehend Schwierigkeiten auf, daß der Wurzelbereich vollständig ausgehauen werden muß. damit die Schweißnaht ausreichend tief eindringt; auch müssen die Flächen der Verbindungsstelle vor dem

Schweißen speziell maschinell bearbeitet werden.

Ein Verfahren zum automatischen MIG-Schweißen mit Schutzgashülle ist in der US-PS 29 16 600 beschrieben. Nach diesem Verfahren wird ein waagerechter K-Stoß so angeordnet, daß d.ri Schweißmetall sich in einer Naht auf jeder Seite ablagern kann; hierbei soll das Schweißen solcher Verbindungen gegenüber dem Unterpulverschweißen verbessert werden. Dicke Platten und insbesondere Aluminiumplatten lassen sich nach dem Verfahren gemäß der US-PS 29 16 600 nicht verschweißen, bei dem der Lichtbogen an der Wurzel des zu verschweißenden Stoßes auftrifft, denn Aluminium und Stahl haben unterschiedliche Schmelzpunkte, so daß beim herkömmlichen Schweißen von dicken Aluminiumplatten eine Vielzahl von Durchgängen , angewendet werden mußte.

In Becken, »Handbuch des Schutzgasschweißens« Teil (, S. 112 bis 117, ist die Wichtigkeit herausgestellt, beim Schweißen die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode konstant zu halten, ohne dabei Zahlenangaben für das Maß der Genauigkeit anzugeben.

H. Munske erwähnt im »Handbuch des Schutzgasschweißens« 2. Teil, 2. Auflage, 1975, S. 140 bis 142, Stromquellen mit 4 bis 8 V je 100 A Spannungsabfall, wobei die höheren Werte als weniger günstig zum Kurzlichtbogenschweißen angesehen werden. In »Schweißen und Löten von Äluminiumwerkstoffen«, 1977, S. 52, ist ausgeführt, daß die Regulierung der Lichtbogenlänge bei Stromquellen mit flacher Kennlinie

wesentlich ausgeprägter ist als bei solchen mit fallender Kennlinie, wobei solche flachen Kennlinien eine Neigung von 1,5 bis 4 V je 100 A haben.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Schweißverfahren anzugeben, mit welchem horizontale Stumpfstöße an stehender, dicker Metallwand, insbesondere Aluminiumwand, in einer einzigen Lage mit dem Schutzgas-Lichtbogen verschweißt werden können, ohne aushauen zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, ι ο daß der Lichtbogen mit einer Lastkennlinie mit einer Steigung von 7 bis 10 V/100 A bei umgekehrter Polung aufrechterhalten und die Abschmelzelektrode mit einer auf ±³Λ% des Sollwertes genau geregelten Geschwindigkeit zugeführt wird und daß die Elektrode auf is ±1,6 mm genau entlang der unteren Schrägkante des unteren Teils geführt und der Lichtbogen zwischen dem Ende der Elektrode und dieser Schrägkante gehalten wird.

Vorzugsweise bestehen die zu verschweißenden Teile und die Abschmelzelektrode aus Aluminium.

Dabei können der Strom und die Geschwindigkeit der Abschmelzelektrode so hoch gewählt werden, daß d?.s Schmelzbad auf der Schräge aufwärts und geringfügig in die Wurzel des Stoßes und über diese hinaus getrieben wird, wobei in Abhängigkeit von der Dicke der zu verschweißenden Teile mit einem Strom von 300 bis 700 A gearbeitet wird.

Die Zuführungsgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode kann auf ±'/«% des Sollwertes eingestellt werden, wobei die Abschmelzelektrode durch eine Pistole geführt wird, die von der Waagerechten unter einem Winkel aufwärts geneigt ist, der kleiner als der Schrägungswinkel des unteren zu verschweißenden Teils ist

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann 25,4 mm und 38 mm dickes Blech mit einer geringen Anzahl von Durchgängen bei hoher Schweißqualität verschweißt werden, so daß sich die Schweißkosten erheblich verringern lassen.

Auch lassen sich geringere Laufgeschwindigkeiten als bei dem herkömmlichen Vorgehen anwenden, so daß gewährleistet ist, daß genug Metall abgelagert wird, um beispielsweise 90% der Stoßstelle auszufüllen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich bei geringerer Geschwindigkeit ein größeres Schmelzbad aufrechterhalten läßt, so daß eine höhere Ablagerung ohne Überlaufen möglich wird; hieraus ergibt sich der Vorteil einer verbesserten Lichtbogenzeit. Die Lichtbogenzeit ist die Zeit in Minuten, für die der Lichtbogen pro so Stunde brennt Beispielsweise muß nach jedem Durchlauf der Schlitten in die Ausgangslage zurückgeführt werden, um den nächsten Durchlauf anzufangen. Diese Rückführzeit reduziert die Lichtbogenzeit und damit den Gesamtwirkungsrad des Schweißvorgangs, jede Minute, die der Lichtbogen brennt, senkt daher die Gesamtkosten.

Die Vorteile, die mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren erzielbar sind, lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

1. Eine Vorbereitung der Blechkanten ist nur auf einer Seite der Verbindung erforderlich und läßt sich außerdem mit einer einfachen Säge durchführen.

2. Die Durchdringung von beiden Seiten ist so ausreichend, daß ein Aushauen überflüssig wird.

3. Der Schutzgasverbrauch läßt sich um etwa 36% reduzieren.

4. Der Leistungsverbrauch läßt sich um etwa 33% reduzieren.

5. Die Lichtbogenbrennzeit läßt sich um etwa 68% reduzieren.

6. Die Rücklaufzeit läßt sich um etwa 86% reduzieren.

7. Die Gesamtzeit läßt sich um etwa 74% reduzieren.

8. Die Gesamtmenge des abgelagerten Metalls läßt sich um 75% reduzieren.

Typische Geschwindigkeiten für die Wurzellage bei den angegebenen Dicken sind nachfolgend aufgeführt:

12.7 mm Dicke mit 12,69 mm/s
25,4 mm Dicke mit 7,19 mm/s
38,1 mm Dicke mit 4,76 mm/s

50.8 mm Dicke mit 4,23 mm/s

Beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren wird die Abschmelzelektrode mit genau eingehaltener Geschwindigkeit auf das Basismaterial zugeschoben, während die Auftreffstelle des Lichtbogens an der Unterkante des Stoßes, nicht an der Wurzel des Stoßes, gehalten und für einen sehr hohen Sjhweißstrom gesorgt wird

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 schematisch einen Schweißvorgang, F i g. 2 eine Schnittansicht einer Stoßanordnung,

Fig.3 schematisch einen herkömmlichen Schweißvorgang,

F i g. 4 eine Makrophotographie eines Feinstgefüges einer Schweißnaht mit 2,5facher Vergrößerung.

Das zu erläuternde Verfahren ist besonders geeignet für das qualitativ hochwertige waagerechte Verschweißen von Aluminiumplatten Tiit 12,7 mm bis 76,2 mm Dicke, wobei das Schwermetall in einer erheblich geringeren Anzahl von Durchgängen als bislang eingebracht wird. So ist beim Schweißen von 38 mm-Platten nur ein Durchgang pro Seite erforderlich, um etwa 95% des Schweißmetalls einzubringen.

Bei der Durchführung des Schweißverfahrens ist es wesentlich, für einen hohen, aber stabilen Schweißstrom sowie eine genau eingehaltene Zuführgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode zu sorgen.

Es wird eine Stromversorgung eingesetzt, die elektrische Leistung mit einer Steigung von 7 bis 10 V/l 00 A liefert

Es werden hohe Schweißströme von etwa 400 bis 600 A eingesetzt Noch besser sind Ströme von 420 A und mehr und von mindestens 460 A für die Wurzellage an 25,4 mm und 38 mm dicken Platten.

Gleichmäßige Ergebnisse erhält man, wenn man die Abschmelzelektrode mit konstanter Geschwindigkeit zuführt Demzufolge wird die Zufuhrgeschwindigkeit der Elektrode innerhalb ±³Λ% des Sollwerts gennu gehalten.

Die gewünschte Geschwindigkeit hängt von der Dicke der zu vei schweißenden Teile und anderen Verfahrensvariablen ab. Einige typische Geschwindigkeiten der Elektrode sind 120 mm/s bei 460 A an 38 mm dickem Blech sowie 137 mm/s bei 560A an 51mm dickem Blech. Eine präzise Elektrodengeschwindigkeit bringt eine Treibwirkung, die ein gutes Eindringen in das Grundmaterial erlaubt und damit das Aushauen entbehrlich macht.

Die wesentliche Besonderheit bei der Aufbringung des Schweißmetalls ist. daß die F.lelctroHp an rW

Unterkante und nicht an der Wurzel des Stoßes auftrifft. Dadurch kann die Schmelze zur Schräge hinauffließen, die beiden Platten miteinander verschmelzen und die Verfestigung des geschmolzenen Elektrodenmetalls kontrollieren.

Die Richtung der Elektrode wird so gewählt, daß das zuvor geschmolzene Metall als Damm für das nachfließende Material wirkt. Der Lichtbogen dient also immer dazu, das Schmelzen des Grundmaterials zu konfrollieren. Als Folge des hohen Stromes und der Größe der Schweißblase bei präziser Elektrodengeschwindigkeit erhält man eine gute Durchdringung. Der Ansatzwinkel der Pistole ist kleiner als der Winkel der Schräge, damit ein einwandfreies Auftreffen auf die Kante erreicht wird. Der Flammwinkel beträgt 15 bis r, 30" gegen die Waagerechte, wobei der Optimalwert 25° beträgt. Auf diese Weise entsteht ein Wirbeleffekt im Schmelzbad, der ein einwandfreies Durchschmelzen und iiic verringerte Porösität bewirkt und Qxideinsch!!}??«

verhindert. Bislang erforderten alle waagerechten MIG-Verfahren an Aluminium ein vollständiges Aushauen infolge der Oxideinschlüsse.

Weicht die Auftreffstelle von der unteren Kante des Stoßes ab, besteht die Gefahr, daß die Mitte der Schweißnaht nicht einwandfrei durchschmilzt Richtet man den Brenner auf die Wurzel des Stoßes, führt der hohe Schweißstrom zu einem Durchblasen des geschmolzenen Metalls und damit zu einer schlechten Schweißung. Eine einwandfreie Elektrodenführung auf ±1,6 mm längs der unteren Schrägkante des unteren jo Teiles sollte daher aufrechterhalten werden. Diese Führung läßt sich mit einer Sonde überwachen; es ist jedoch auch möglich, daß sie vom Schweißer visuell eingehalten wird.

Für das große Schmelzbad muß für eine ausreichende )s Schutzgashülle gesorgt werden. Hierzu lassen sich Argon-Helium-Schutzgaskombinationen verwenden. Die typische Gasströmung beträgt 1,42 m³/h Argon und 4,25 mVh Helium. Für diese Gasströmung ist eine Düse mit einem Durchmesser von 19 mm geeignet

Es ist ein waagerechter K-StoB mit geschrägter unterer Platte verwendet, welcher nicht speziell vorbereitet werden muß. Die Stoßfläche kann mit der Säge geschnitten oder gefräst sein. Die Schweißstelle wird gesäubert, indem man sie mit einem geeigneten Entfettungsmittel abwischt und mit einer Drahtbürste aus nichtrostendem Stahl bürstet

Eine Konfiguration, die sich als besonders günstig herausgestellt hat ist ein umgekehrter K-Stoß von 40" bei einer Auflagefläche von 1,6 mm. Diese Konfiguration erfordert ein Schneiden nur an einer Fläche der Platten, so daß die Kosten für die Vorbereitung der Schweißung sehr gering bleiben.

Der Gesamteffekt der erreichbaren Vorteile ist eine Verringerung der Schweißdauer und -kosten.

In F i g. 1 sind zwei dicke Aluminiumplatten 1, la von 38 mm während des Schweißvorgangs gezeigt Bei einem einzigen Durchlauf mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit von 286 mm/min ist Schweißmetall 5 in einer Menge aufgetragen worden, die eine Seite des Spalts zwischen der geschrägten Platte la und der anstoßenden oberen Platte 1 fast vollständig ausfüllt.

Eine Abschmelzelektrode 3 aus einem 2,4 mm-Aluminiumdraht wird in eine Brennerdüse 2 eingeführt. Der Gleichstromanschluß mit umgekehrter (positiver) Polung erfolgt an den Brenner auf übliche Weise. Auch ist wie üblich für eine Schutzgaszufuhr (nicht gezeigt) gesorgt. Der Brenner und die Elektrode sind von der Waagerechten unter einem Winkel λ zwischen 15 und 30° in Abhängigkeit von der Plattendicke geneigt.

Anstatt wie bei herkömmlichen Verfahren den Lichtbogen zwischen dem Ende der Elektrode und der Wurzel des Stoßes zu ziehen, wird die Brennerdüse und die Elektrode relativ zu den zu verschweißenden Platten so gehalten, daß der Lichtbogen auf einem Punkt zwischen der Unterkante des Stoßes und der Ecke der unteren (geschrägten) Platte aufrechterhalten bleibt.

Der Pfeil 4 stellt die Strömung der Metallschmelze dar, wobei die Kraft des Starkstroms (mehr als 450 A) und die verhältnismäßig hohe Drahtzuführgeschwindigkeit das Schmelzbad auf der Schräge aufwärts in die Wurzel hinein und geringfügig über diese hinaustreiben, so daß sie die Wurzel durchdringt. Der Rest der Metallschmelze fließt von der Wurzel auf der flachen Kante der oberen Platte 1 entlang und nach außen über die Kante der oberen Platte unter Rampenbildung.

An den "leiten des Wurzelbereichs ist kein Aushauen erforderlich.

In Fig.2 ist eine Stoßkonfiguration gezeigt. Die obere Platte 1 stößt an einer Auflage 7 auf die untere geschrägte Platte la, so daß sich ein K-Stoß ergibt, bei welchem der Schrägungswinkel β etwa 4(T beträgt.

Zum Vergleich ist in F i g. 3 eine Stoßkonfiguration und ein Schweißvorgang beim herkömmlichen M IG-Schweißen an 38 mm dickem Aluminiumblech gezeigt. Eine obere Platte Xb stößt auf eine untere Platte Ic; wobei die Kanten beider Platten mit einem Werkzeug speziell bearbeitet werden müssen, um diese Stoßanordnung zu erreichen.

Dort wird eine Abschmelzelektrode 3 aus 1,6 mm dickem Aluminiumdraht in den Brenner 2 eingeführt wobei Brenner und Elektrode waagerecht gehalten werden, um den Lichtbogen zwischen dem Ende der Elektrode und der Wurzel des Stoßes zu ziehen.

Bei mehreren Wurzelläufen sind mehrere Schweißraupen 8 mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit von 508 bis 890 mm pro Minute aufgetragen worden. Diese Geschwindigkeiten sind erforderlich, um die Schwerkraft auszugleichen und ein Abfließen des Schmelzbades bei Schweißströmen von 260—280 A ind 28—34 V Lichtbogenspannung zu verhindern.

Es ist erforderlich, die zweite Seite des Wurzelbereichs 6 auszuhauen, bevor diese Seite geschweißt wird, um eine ausreichende Durchdringung zu erreichen.

Eine herkömmliche MIG-Schweißung an 76,2 mm dickem Blech wurde mit mehreren Durchgängen bei einer Schweißgeschwindigkeit 508 mm bis 890 mm pro Minute durchgeführt

Beispiel

Dicke Platten aus Aluminium wurden unter Verwendung der oben im Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 beschriebenen Stoßkonfiguration, Brennerhaltung und

Schweißverfahren miteinander verschweißt

In Tabelle 1 sind die einzelnen Parameter wiedergegeben.

Tabelle 1	Lage
	Wurzel
Schweißbedingungen	Deckl.
Dicke (mm)	Wurzel
25,4	Deckl.

38,1

Hlektrodendurchmesser 2,4 mm

Platten d x 305 mm x 305 mm

Größe der Schweiliplattc d x 610 mm x 610 mm

Tabelle 2

Mechanische Eigenschaften

Strom (Λ»	Spannung	Hlektr.-	LauTgeschw
	(V)	Geschw.	(mm/s)
		(mm/s)
420	36	105	7,19
280	30	72	16,9
460	36	120	4.65
280	30	72	16,9

Lagen

Hinbrand

vollständig vollständig

Dicke (mm)

Zugfestigkeit
(MPa)*

Streckgren/e

Dehnung|%)
in 4 D

38,1
12,7

274
305

16,3
16.0

tlächenreduktion (%)

*) Qualifikationswert min. 269MPa für 25.4 mm Hlechdicke oder mehr sowie min. 276MPa für Blechdicke von weniger als 25.4 mm.

Sämtliche geführten Seitenbiegungen wurden zufriedenstellend über 180° mit einem Biegeradius von der 333fachen Dicke ohne Risse oder Brüche durchgeführt.

Aus einem Vergleich der F i g. 1 (Erfindung) mit F i g. 3 (Stand der Technik) ist erkennbar, daß in letzterer die Konfiguration der Verbindungsstelle breit abgeschrägt ist Dies ist erforderlich, damit die Pistole in die Verbindungsstelle eintreten kann, um einen Lichtbogen von der Wurzel des Stoßes zu ziehen und die erforderliche Länge des Lichtbogens aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz hierzu ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Stoß schmaler; dies läßt sich erreichen, da der Lichtbogen auf die Kante des unteren Blechs gerichtet ist. Auf diese Weise ist weniger Metall erforderlich, um die Naht aufzufüllen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschwei-Ben dicker Metallteile, wobei die zu verschweißenden Teile Kante auf Kante übereinander angeordnet werden, um einen horizontalen Stoß zu schaffen, wobei wenigstens das untere Teil an der Verbindungsstelle geschrägt wird und eine Abschmelzelektrode mit im wesentlichen konstanter Vorschubgeschwindigkeit auf die Verbindungsstelle zugeführt wird, während ein Gleichstromlichtbogen zwischen der Abschmelzelektrode und dem Grundmetall und eine Schutzgasströmung um den Lichtbogen und die Schmelze aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen mit einer Lastkennlinie mit einer Steigung von 7 bis 10 V/100 A bei umgekehrter Polung aufrechterhalten und die Abschmelzelektrode mit einer auf ±³/₄% des Sollwerts genau geregelten Geschwindigkeit zugeführt wird und daß die Elektrode auf ±1,6 mm genau entlang der unteren Schrägkante des unteren Teils geführt und der Lichtbogen zwischen dem Ende der Elektrode und dieser Schrägkante gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschweißenden Teile aus

Aluminium bestehen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschmelzelektrode aus Aluminium besteht
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom und die Geschwindigkeit der Abschmelzelektrode so hoch gewählt werden, daß die Schmelzblase auf der Schräge aufwärts und geringfügig in die Wurzel des Stoßes und über diese hinaus getrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Dicke der zu verschweißenden Teile mit einem Strom von 300 bis 700 A gearbeitet wird
6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsgeschwindigkeit der Abschmelzelektrode auf ± 'Λ% des Sollwertes eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschmelzelektrode durch eine Pistole geführt wird, die von der Waagerechten unter einem Winke! aufwärts geneigt ist, der kleiner als der Schrägungswinkel des unteren zu verschweißenden Teils ist