DE2942856C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines ferritischen Stahls mit Hilfe eine mit Gleichstrom betriebenen WIG-Lichtbogenschweißverfahrens, bei dem der Stahl 3,4-9,5 Gew.-% Nickel, weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 100 ppm Stickstoff enthält, unter Anwendung eines Fülldrahtes, der 8-15 Gew.-% Nickel, 0,1-0,8 Gew.-% Mangan, weniger als 0,15 Gew.-% Silicium, weniger als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 0,1 Gew.-% Aluminium, weniger als 0,1 Gew.-% Titan, weniger als 0,0006 Gew.-% Bor, weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 100 ppm Stickstoff enthält, und bei dem man bei einer Summe des Sauerstoffsgehalts des Fülldrahtes und des doppelten Sauerstoffgehalts des Stahls von weniger als 200 ppm und einer Summe des Stickstoffgehalts des Fülldrahtes und des doppelten Stickstoffgehalts des Stahls von weniger als 200 ppm arbeitet, das zum Schweißen eines Super-Niedrigtemperaturstahls, wie 9% Nickel-Stahl geeignet ist.

Beim 9% Nickel-Stahl handelt es sich um einen hoch zugfesten Stahl, der bei einer super-niedrigen Temperatur bis zu -196°C verwendet werden kann. Die Zugfestigkeit des 9% Nickel-Stahls wird nach dem ASTM-Standard A 353 (NNT-Material) und A 553 (QT-Material) als in der Größenordnung von 70,3-84,4 kg/mm² definiert, und die Fließgrenze (0,2% Fließfestigkeit) nach A 353 und A 553 als höher als 52,7 kg/mm² und höher als 59,8 kg/mm². Der ASTM-Standard erfordert auch, daß seine Kerbschlagzähigkeit größer als 3,5 kg-m bei -196°C ist. Ein weiteres Erfordernis des ASTM-Standards, Case 1308-5, liegt darin, daß bei Herstellung einer Baukonstruktion durch Verschweißen des 9% Nickel-Stahls die Zugfestigkeit einer Schweißnaht, einschließlich eines Basis- bzw. Grundmetallmaterials größer als 66,8 kg/mm² ist und unter der das Grundmaterials als solchem liegt, um eine Leistungsfähigkeit der Naht sicherzustellen, wenn die Schweißbedingungen kein Glühen bzw. Anlassen zur Entfernung von Spannungen umfassen.

In den letzten Jahren bestand ein starkes Bedürfnis nach der Entwicklung von Schweißnähten bzw. -fugen mit einer Zugfestigkeit, die weit über dem durch Case 1308-5 definierten Standardwert liegt, und nach der Entwicklung von Schweißmaterialien, mit einer Festigkeit, die nicht geringer ist, als die des Grundmetallmaterials, für eine gesteigerte Spannung zum Konstruktionszeitpunkt für das Schweißen. Wie aus dem ASTM-Standard ersichtlich ist, sind eine geeignete Festigkeit und Niedrig-Temperaturzähigkeit des 9% Nickel-Stahls durch Wärmebehandlung erzielbar, jedoch ist im Falle eines großen Konstruktionsaufbaus, beispielsweise eines Lagerungsbehälters, eine derartige Hitzebehandlung nach dem Aufbau der Konstruktion im wesentlichen nicht möglich. Aus diesem Grunde macht man die Konstruktion schweißbar, bzw. führt sie so aus, daß sie Schweißbedingungen entspricht.

Zwar ist es sehr günstig, einen Schweißdraht zu verwenden, dessen Zusammensetzung identisch mit der des Grundmaterials zum Schweißen des 9% Nickel-Stahls ist, jedoch werden häufig hohe Nickellegierungsdrähte, wie nach dem AWSA-Standard 5,11 ENiCrFe. 1-3 usw. definiert, in der Praxis zum Schweißen verwendet, da Schwierigkeiten bei der Erzielung einer stabilen Niedrig-Temperaturzähigkeit des 9% Nickel-Stahldrahtes auftreten. Schweißnähte, die unter Anwendung des stark nickelhaltigen Schweißdrahts hergestellt wurden, zeigen nach dem Schweißen eine ausgezeichnete Zähigkeit bei einer Temperatur von -196°C, sie besitzen jedoch eine sehr geringe Zugfestigkeit (insbesondere 0,2% Fließfestigkeit) im Vergleich mit der des Grundmetallmaterials. Tatsächlich ist bei Verwendung des 9% Nickel-Stahls oder eines 70 kg/mm² hoch-zugfesten Stahls die Festigkeit der Verbindungen gering, so daß Spannungen zum Zeitpunkt der Konstruktion für das Schweißen gering sein sollten und die geschweißte Gesamtkonstruktion dick sein sollte. Übliche Schweißverfahren waren nicht dazu geeignet, die Festigkeitseigenschaften von 9% Nickel-Stahl voll auszunutzen und wiesen zwei wirtschaftliche Nachteile auf, nämlich eine größere Dicke der geschweißten Konstruktion und eine zunehmende Menge an verbrauchten kostspieligem stark nickelhaltigem Legierungs-Schweißdraht. Das Schweißen mit der stark nickelhaltigen Legierung war darüber hinaus von Nachteil, da in der Hitze Risse und thermische Ermüdungen auftraten, bedingt durch die Unterschiede zwischen den Koeffizienten der thermischen Expansion, und da darüber hinaus aufwendige Schweißverfahren erforderlich waren.

Aus diesen Gründen ist 9% Nickel-Stahl in seiner Anwendung stark begrenzt, obwohl er als Super-Niedrigtemperaturstahl ausgezeichnet geeignet ist.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Schweißverfahren bereitzustellen, bei dem ein Schweißdraht verwendet wird, der eine stabile Nieder-Temperaturzähigkeit aufweist, die mit der eines üblichen stark nickelhaltigen Legierungs-Schweißdrahs vergleichbar ist und dessen Festigkeit mit der von 9% Nickel-Stahl vergleichbar ist.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung und um deren weitere Ziele und Vorteile aufzuzeigen, wird in der folgenden Beschreibung auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, die im folgenden erläutert werden:

Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung dar, das zur Steuerung der Bogenlänge aufgestellt wurde.

Fig. 2 ist ein Schaltdiagramm eines Beispiels für die Steuerungsmethode einer Bogenspannung.

Fig. 3 ist ein Schaltdiagramm eines weiteren Beispiels für die Steuerungsmethode der Bogenspannung.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Charakteristika der Eingangswerte gegen die Leistungsabgabe des Beispiels der Fig. 3 zeigt.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Antriebsteils.

Die Fig. 6 und 7 sind perspektivische Ansichten des Konzepts einer magnetischen Bogen-Beblasung.

Die Fig. 8 und 9 sind schematische Querschnittsansichten einer Schweißzone.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, worin die Fig. 10 und 11 Seitenansichten darstellen.

Fig. 12 ist ein Wellendiagramm eines pulsierenden Stroms.

Fig. 13 und 14 sind graphische Darstellungen, die die Beziehung zwischen der Summe des Sauerstoffgehalts und des Stickstoffgehalt eines Drahtes und des doppelten Sauerstoffgehalts und doppelten Stickstoffgehalts eines Grundmetalls sowie die V-Kerb- (V-notch)Absortionsenergie eines Schweißmetalls zeigen.

Fig. 16 und 17 sind graphische Darstellungen, die die Beziehung zwischen dem Sauerstoffgehalt und dem Stickstoffgehalt eines Drahtes und der "V"-Kerb-Absortionsenergie eines Schweißmetalls zeigen.

Fig. 18 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Kühlungsperiode und der Bruchfestigkeit einer endgültigen Schicht während des WIG-Schweißens zeigt.

Fig. 15 stellt den Auftrag der Schlagzähigkeit einer Fuge bzw. eines Schweißstoßen gegen den Borgehalt des Drahtes dar.

Fig. 19 und 20 sind photographische Ansichten, die die erfindungsgemäß hergestellte Schweißnaht zeigen; und

Fig. 21 stellt Fugenformen dar, die bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben:

Die vorstehenden Ziele werden erfindungsgemäß erzielt durch Verwendung eines Drahtes der eingangs beschriebenen Zusammensetzung, wobei %-Angaben Gew.-% bedeuten:

Gegenstand der Erfindung ist ein Schweißverfahren der eingangs beschriebenen Gattung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Fülldraht in die Säule des Lichtbogens zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und dem Stahl eingespeist wird, und daß auch der Fülldraht mit der Gleichstromquelle verbunden wird, und die Richtung der Gleichströme durch den Fülldraht und die nicht verschmelzende Elektrode gleichsinnig ist, wenn der Draht bezogen auf die Schweißrichtung vor der nicht abschmelzenden Elektrode angeordnet ist, und entgegengesetzt ist, wenn ersterer hinter der letzteren angeordnet ist.

In der folgenden genaueren Beschreibung werden zunächst der Schweißdraht und anschließend das erfindungsgemäße Schweißverfahren unter Anwendung des Drahtes beschrieben. Der erfindungsgemäße Draht ist zwar auf das WIG-Schweißverfahren und das WIG-Plasmabogen-Schweißverfahren anwendbar, jedoch werden diese zur Vereinfachung als "WIG-Schweißverfahren", "WIG-Schweißdraht" usw. bezeichnet.

Der WIG-Schweißdraht ist weniger kostspielig als jegliche stark nickelhaltigen Legierungs-Schweißdrähte und weist die verschiedenen Probleme, die bei stark nickelhaltigen Legierungsdrähten, wie vorstehend diskutiert, auftreten können, nicht auf, wodurch Schweißnähte erhalten werden, die eine ausgezeichnete Niedrig-Temperaturzähigkeit, Zugfestigkeit usw. ausweisen. Hierdurch wird es möglich, die Dicke einer geschweißten Gesamtkonstruktion wesentlich zu verringern, die dem 9% Nickel-Stahl zu eigenen Vorteile voll ausnützen und die Anwendungszwecke des 9% Nickel-Stahls auszuweiten. Zwar wurden vorstehend die Probleme diskutiert, die sich bei 9% Nickel-Stahl als einem typischen Beispiel für Super-Niedrigtemperaturstähle, ergeben, jedoch versteht es sich, daß die Erfindung nicht nur auf den 9% Nickel-Stahl anwendbar ist, sondern auch auf geringergradige Nickel-Stähle, wie 5,5% Nickel-Stahl und 3,5% Nickel-Stahl-

Da, wie vorstehend ausgeführt, der verwendete Draht eine ausgezeichnete Niedrig-Temperaturzähigkeit beim Schweißen des Super-Niedrigtemperaturstahls, wie 9% Nickel-Stahl, aufweisen soll, ist der Gehalt eines Entoxidationsmittels, wie Al, Ti, Mn und Si stark begrenzt. Im Falle von Schweißmaterialien, die eine sehr geringe Menge des Entoxidationsmittels enthalten, führen mehr als 100 ppm Sauerstoff in dem Schweißmetall zur Möglichkeit von Schweißfehlstellen, wie Blaslöchern, was sich nachteilig auf die Niedrig-Temperaturzähigkeit auswirkt. Andererseits werden Oxide in Flüssen bei dem verdeckten Lichtbogenschweißen und dem Unterpulververschweißen (submerged arc welding) im allgemeinen reduziert, und ein aktives Gas (CO₂ oder O₂), das leicht in ein Schutzgas für die Lichtbogenstabilisation gemischt wird, wird bei der MIG-Schweißmethode ebenfalls reduziert. In jedem Falle ist es schwierig, den Sauerstoffgehalt des Schweißmetalls unter 100 ppm zu begrenzen. Da jedoch das WIG-Schweißverfahren weder Oxide als Schweißmaterial noch aktives Gas als Schutzgas verwendet, kann es zu einer Schweißnaht führen, die frei von Nahtdefekten bei superniedrigerer Temperatur von -196°C ist und eine ausgezeichnete Niedrig-Temperaturzähigkeit und andere mechanische Festigkeiten aufweist, wenn man den Schweißdraht und das Basis-Metallmaterial bzw. Grundmetallmaterial verwendet, die im Hinblick auf ihre Zusammensetzung genauer beschrieben werden.

Wie vorstehend kurz beschrieben, enthält der verwendete Schweißdraht 8-15 Gew.-% Nickel und 0,1-0,8 Gew.-% Mangan, weniger als 0,15% Silicium, weniger als 0,1% Kohlenstoff, weniger als 0,1% Aluminium, weniger als 0,1% Titan, weniger als 0,0006% Bor, weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 100 ppm Stickstoff. Nickel ist wesentlich, um eine Niedrig-Temperaturzähigkeit, wie im Falle der stark nickelhaltigen Stähle sicherzustellen, die mit dem Draht verwendet werden. Weniger als 8% Nickel führen zu einem Versagen bei der Erzielung einer ausreichenden Niedrig-Temperaturzähigkeit der Stöße. Mehr als 15% Nickel machen andererseits die mechanische Festigkeit der Stöße zu groß und führen zu einer beträchtlichen Verringerung des Ziehvermögens, wodurch ein instabiler restlicher Austenit (austinite) gebildet und anschließend bei einer superniedrigen Temperatur in die Martensit-Struktur umgewandelt wird, wodurch die Niedrig-Temperaturzähigkeit verschlechtert wird. Zwar ist Mn sehr wirksam bei der Verbesserung der Schweißbarkeit sowie als Entoxidationsmittel und ein Abfänger für Schwefel, jedoch doch beeinträchtigt eine Menge von weniger als 0,1% Mn die Schweißbarkeit beträchtlich und neigt zur Entwicklung von Gasblasen usw. in den Schweißnähten, da eine mangelnde Entoxidation stattfindet. Dementsprechend ist in diesem Falle die Wirkung von Mn nicht zu erwarten. Bei einer Mn-Menge von über 0,8% besteht die Neigung zur Entwicklung eines instabilen restlichen Austenits und zur Verschlechterung der Niedrig-Temperaturzähigkeit in einem großen Ausmaß.

Der Siliciumgehalt sollte geringer als 0,15% betragen, da Silicium die Schweißbarkeit verbessert und als Entoxidationsmittel dient, jedoch andererseits die Niedrig-Temperaturzähigkeit verringert und die Ausbildung von Hitzerissen sehr verstärkt. Da bereits eine geringe Menge an Kohlenstoff ausreicht, die Zugfestigkeit zu erhöhen, sollte der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,1% betragen, um die Niedrig-Temperaturzähigkeit nicht zu beeinträchtigen. Aluminium und Titan sollten beide zu weniger als 0,1% zugesetzt werden, da sie beide als Entoxidationsmittel und zur Verhinderung des Auftretens von Gasblasen usw. wirksam sind, das erstgenannte jedoch die Rißbildungs-Elastizität stark beeinträchtigt und das letztgenannte zu einer wesentlichen Verschlechterung der Niedrig-Temperaturzähigkeit wegen der Ausfällungshärtung von Titancarbid (Titanium carbite) führt.

Die Ergebnisse der Versuche zeigen, daß sich Bor sehr nachteilig auf eine gute Niedrig-Temperaturzähigkeit bei einer superniedrigen Temperatur auswirkt, wenn der Schweißdraht der vorstehend definierten Zusammensetzung verwendet wird. Falls der Borgehalt 0,0006% überschreitet, ist der Draht Hitzerissen besser zugänglich, leichter härtbar und zäher bei niedrigen Temperaturen. Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist es besonders bevorzugt, wenn der Borgehalt 0 beträgt, und aus praktischen Gründen sollte der Borgehalt zumindest geringer als 0,0006% sein. Bekanntlich ist Bor als eine Verunreinigung in Eisensystem-Materialien eingemischt, wie elektrolytisches Eisen, einer der Hauptbestandteile des Drahtes, und sein Gehalt kann maximal 0,02% beim elektrolytischen Eisen, das die geringsten Verunreinigungsmengen enthält, überschreiten. Ist eine wesentliche Bormenge in das Material eingemischt, so ist die Vakuumentgasungs-Lösungsmethode zur Entfernung des Bors nicht geeignet. Im Rahmen der Lehre der Erfindung sollte der Borgehalt des Ausgangsmaterials stark überwacht werden und das Ausgangsmaterial derart gewählt werden, daß der Borgehalt des Schweißdrahtes 0,0006%, vorzugsweise 0,0004% nicht überschreitet. Erst im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, daß derartige Nachteile des Bors auftreten. Selbst wenn die vom Bor unterschiedlichen Bestandteile innerhalb der definierten Bereiche liegen, ist es nicht leicht, die Ziele der Erfindung zu erreichen, wenn der Borgehalt den Erfordernissen nicht entspricht.

Da Sauerstoff z. B. zur Ablagerung von Oxiden an einer Korngrenze führt, ist es notwendig, den Sauerstoffgehalt des Schweißdrahtes derart zu steuern, daß der Sauerstoff weniger als 100 ppm in dem Schweißmetall beträgt, wobei es empfehlenswert ist, den Sauerstoffgehalt des Schweißdrahtes unter 100 ppm zu halten. Da der Sauerstoff in dem Schweißmetall nicht nur von dem Sauerstoff in dem Schweißdraht, sondern auch in dem Grundmetall abhängt, sollte der Sauerstoffgehalt in dem Grundmetall für die erfindungsgemäßen Zwecke so gering wie möglich sein. Im Rahmen der Erfindung hat es sich auch gezeigt, daß der Sauerstoffgehalt des Grundmetalls weniger als 100 ppm betragen sollte und der gesamte Sauerstoffgehalt des Drahtes und der doppelte Sauerstoffgehalt des Basismetalls weniger als 200 ppm betragen sollten, um die Ziele der Erfindung zu ermöglichen. Der Grund dafür, daß der Sauerstoffgehalt des Grundmetalls weniger als 100 ppm betragen sollte, liegt darin, daß der Sauerstoff in dem Grundmetall durch die entoxidierende Wirkung des Entoxidationsmittels, das in dem Schweißdraht enthalten ist, kaum beeinflußt wird und im Lauf des Schweißverfahrens schwer zu entfernen ist.

Schließlich weist Stickstoff die Eigenschaft auf, Nitride in dem Schweißmetall auszufällen und die Niedrig-Temperaturzähigkeit beträchtlich zu verschlechtern. Dies führt dazu, daß der Stickstoffgehalt des Schweißdrahtes weniger als 100 ppm betragen sollte. Da der Stickstoff in dem Schweißmetall sowohl mit dem Stickstoff in dem Schweißdraht als auch in dem Grundmetall in Beziehung steht, sollte der Stickstoffgehalt für die erfindungsgemäßen Zwecke so gering wie möglich sein. Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben bestätigt, daß der Stickstoffgehalt in dem Grundmetall 100 ppm nicht überschreiten sollte, noch sollte die Summe des Stickstoffgehalts des Drahtes und des doppelten Stickstoffgehalts des Grundmetalls 200 ppm überschreiten, um die Ziele der Erfindung zu erreichen.

Die Fig. 16, 17, 13 und 14 sind graphische Darstellungen, die zeigen, daß die "V"-Kerbabsorptionsenergie bei -196°C unter 80 J in Anwesenheit von mehr als 100 ppm Sauerstoff und von mehr als 100 ppm Stickstoff abfällt und daß der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt geringer als 100 ppm sein sollten, sowie auch, wenn die Summe jedes Gasgehalts in dem Draht und des Doppels jedes Gasgehalts in dem Grundmetall mehr als 200 ppm beträgt.

Da, wie vorstehend erwähnt, der verwendete Schweißdraht nur äußerst geringe Mengen an Sauerstoff und Stickstoff zusammen mit einer sehr geringen Menge an Entoxidationsmittel enthalten sollte, ist es besonders günstig, die Vakuum-Entgasungs-Lösungsmethode anzuwenden, um das Beimischen von Sauerstoff und Stickstoff zu verhindern. Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die Erfindung auf die Verwendung von Super-Niedrigtemperaturstählen als Grundmaterialien abzieht und der beträchtlichste Vorteil der Erfindung erzielt wird, wenn Niedrig-Temperaturstähle, mit Nickel im Bereich von 3,5-9,5%, beispielsweise 9% Nickel-Stahl, 5,5% Nickel-Stahl und 3,5% Nickel-Stahl als Basis-Metallmaterial verwendet werden.

Unter der Annahme, daß eine WIG-Schweißmethode durchgeführt wird, wird es durch die Erfindung möglich, Schweißfugen bzw. Schweißnähte herzustellen, die die Zugfestigkeit und die Niedrig-Temperaturzähigkeit aufweisen, die mit der von Niedrig-Temperaturstählen, wie 9% Nickelstahl vergleichbar sind, wenn die Zusammensetzung des Schweißdrahts und insbesondere der Maximalgehalt an Bor, Sauerstoff und Stickstoff definiert werden. Der verwendete Schweißdraht weist im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung auf, wie das Grundmetallmaterial und führt so zu Schweißnähten, die frei von Problemen, wie der thermischen Ermüdung aufgrund von Unterschieden zwischen den thermischen Expansions-Koeffizienten und Heißrissen sind und ausgezeichnete mechanische Festigkeiten ergeben. Außerdem wird eine wirtschaftliche verschweißte Konstruktion ermöglicht, die so angelegt ist, daß die niedrigst möglichen Spannungen vorhanden sind, wobei die Vorteile der Niedrig-Temperaturstähle ausgenutzt werden.

Im vorstehenden wurden die Zusammensetzung des Schweißdrahts, der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt des Basismetallmaterials, die die Leistungsfähigkeit der Schweißdrähte sicherstellt sowie die kritischen Werte unter Einbeziehung des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts des Drahtes aufgestellt. Wenn diesen Erfordernissen entsprochen wird, so erhält man Schweißnähte, die sowohl eine ausgezeichnete Niedrig-Temperaturzähigkeit als auch Zugfestigkeit an einer beliebigen Stelle in der Schweiß-Metallzone, einer Bindungszone und einer Hitzeeinwirkungszone (HAZ) während des WIG-Schweißverfahrens oder das WIG-Plasma-Bogen-Schweißverfahrens, aufweisen. Im folgenden wird das erfindungsgemäße Schweißverfahren zusammen mit den Schweißbedingungen beschrieben.

Das Schutzgas ist bei der Durchführung des WIG-Schweißverfahrens oder das WIG-Plasma-Schweißverfahrens von großer Bedeutung. Ein reines Inertgas, wie reines Ar oder reines He werden bei dem Schweißverfahren der Erfindung wie bei üblichen Verfahren verwendet. Da der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt des Drahtes und des Grundmetallmaterials, wie vorstehend erwähnt, erfindungsgemäß begrenzt sind, so werden die Vorteile des reinen Inertgases in größtmöglichem Ausmaß ausgenutzt. Da das erfindungsgemäße Schweißverfahren der WIG-Schweißmethode oder der WIG-Plasma-Schweißmethode angehört, kann der eine Ausführungsform der Erfindung verkörpernde Draht als ein Fülldraht im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und Patentansprüche definiert werden.

Die automatische Einstellung der Länge eines Bogens, der sich zwischen einer nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Grund- bzw. Basismetallmaterial ausbildet, wird als erste Bedingung für das WIG-Schweißverfahren beschrieben.

Um ein homogenes Schweißergebnis zu erzielen, wird die automatische Bogenschweißmethode des Typs der nicht-abschmelzenden Elektrode benötigt, um eine konstante Bogenlänge zu allen Zeitpunkten, unabhängig von der Bewegungsmethode der Brennerelektrode und der Fugenform aufrecht zu erhalten und das automatisch zugeführte Schweißmaterial in einer homogenen flüssigen Phase zu halten. Falls die automatische Lichtbogen-Schweißmethode vom nicht-abschmelzenden Elektrodentyp in jeder Position durchgeführt werden soll, ist es günstig, den Brenner derart hin- und herzubewegen, daß die Oberfläche der Perlen bzw. Raupen eben wird und innere Defekte auf ein Minimum herabgesetzt werden; ein Fehlschlag der genauen Steuerung der Bogenlänge würde zu konkav-konvex-Konfigurationen in den Fugen oder in den darunterliegenden Schweißraupen bzw. -perlen im Falle eines mehrschichtigen Schweißens und zu einer Miß-Ausrichtung zwischen der Wellenbewegung und den Fugen führen. Dementsprechend wird die Bogenlänge variiert, und falls der Bogen zu kurz wird, kann die nicht-abschmelzende Elektrode mit dem Grundmetall kurz-geschlossen werden, wobei Unfälle auftreten, wie die Zerstörung der Elektrode und das Einmischen des Elektrodenmaterials in das Schweißmetall. Darüber hinaus führen Änderungen der Bogenlänge, d. h. Änderungen der Stromdichte einer Lichtbogensäule und in der Fläche, die durch die Lichtbogensäule in einem geschmolzenen Pool auftreten, nicht nur zu einer mangelnden Penetration, sondern auch zu einer ungleichmäßigen Raupen- bzw. Perlenkonfiguration, da kein homogen geschmolzener Pool erzielt wurde.

Wird der Fülldraht automatisch beim Typ des automatischen Schweißens mit der nicht-abschmelzenden Elektrode überwacht, so bewirkt eine leichte Änderung der Bogenlänge eine Änderung der Schmelzgeschwindigkeit des Fülldrahtes. Unter diesen Umständen werden die Raupen bzw. Perlen ungleichmäßig, und der geschmolzene Pool wird nicht bei konstanter Temperatur gehalten, wobei ein ungleichmäßiges oder unebenes Eindringen des Fülldrahtes in den geschmolzenen Pool oder eine vorzeitige Penetration erfolgt. Im letzteren Fall bewegen sich die geschmolzenen Kügelchen nicht in normalem Wege in vertikaler Richtung, in Überkopfposition usw. in den geschmolzenen Pool. Insbesondere bei Durchführung des automatischen Schweißverfahrens vom Typ der nicht-abschmelzenden Elektrode mit hochlegierten Stählen, wie Niedrig-Temperaturstählen und rostfreien Stählen, sowie nicht-eisenhaltigen Metallen, sind die vorstehend diskutierten Probleme besonders ernst, da die Form des geschmolzenen Pools leicht, selbst bei geringster Variation der Bogenlänge, in Verbindung mit dem Schmelzpunkt des Schweißmetalles und der Schmelzgeschwindigkeit des Fülldrahtes variiert.

Daher ist es im Falle der automatischen Lichtbogen-Schweißmethode vom Typ der nicht-abschmelzenden Elektrode und insbesondere beim wellenförmigen Schweißen über die Gesamtposition sowie beim Schweißen mit hochlegierten Stählen und nicht-eisenhaltigen Metallen, notwendig, die Bogenlänge und den optimalen Wert sehr genau einzuhalten und eine Messungs-Steuerung der Bogenlänge ist notwendig und unerläßlich.

Bisher wurde versucht, die Bogenlänge beim automatischen Lichtbogenschweißen vom Typ der nicht-abschmelzenden Elektrode dadurch konstant zu halten, daß die Lichtbogenspannung abgefühlt und verstärkt wurde und die Elektrode vorwärts und rückwärts geführt wurde. Der Versuch sollte ein Jagen des Motors verhindern durch Aufstellen einer linearen Beziehung zwischen einer Motorzufuhrspannung, die die Schweißelektrode ermöglichte und der Lichtbogenspannung als einem speziellen Lichtbogenspannungsbereich, für den der Motor nicht ansprach.

Innerhalb des speziellen Lichtbogenspannungsbereichs oder einer Blindzone, in der der Motor nicht anspricht, wird der Motor in verschiedenen Zwischenlagen angehalten, wenn die Bogenspannung auf einen stabilen Punkt im sich verringernden Verfahren und im zunehmenden Verfahren zurückkehrt. Der stabile Punkt hängt von der Amplitude der variierenden Lichtbogenspannung ab, und der Bewegungsbereich des Motors hängt auch von der daran angelegten Spannung ab, so daß es schwierig wird, den Motor in einer gewünschten festgesetzten Lage zu stoppen. Falls es unbekannt ist, wo der stabile Arbeitspunkt innerhalb der Blindzone liegt, so treten Schwierigkeiten bei der Einstellung der Bogenspannung auf, und die Reaktion auf Änderungen der Lichtbogenspannung verringert sich durch den Spannungsbereich der Blindzone.

Im Hinblick auf das Vorstehende ist der übliche Weg zur Steuerung der Lichtbogenlänge beim automatischen Lichtbogenschweißen vom Typ der nicht-abschmelzenden Elektrode für die verschiedenen Schweißverfahren, die genaue Bogenlängen erfordern, um ein gleichmäßiges Schmelzen des automatisch zugeführten Drahts und Schweißzonen hoher Qualität zu erzielen, beispielsweise ein Feinschweißen mit hochlegierten Stählen und nicht-eisenhaltigen Metallen, wellenförmiges Schweißen und Schwellen über die gesamte Position (overall position welding), praktisch unzufriedenstellend.

Im Rahmen der Erfindung wurden derartige praktische Probleme untersucht, verbesserte Schweißvorrichtungen gefunden und zur Anwendung gebracht. Im Rahmen der Beschreibung werden zwei Beispiele für Wege für eine automatische Steuerung der Lichtbogenlänge wie folgt aufgeführt, entweder für das WIG-Schweißverfahren oder das WIG-Plasma-Schweißverfahren:

• A) Durch Anwendung eines Integratorelements wird eine Differentialspannung zwischen einer festgestellten Lichtbogenspannung und einer vorgegebenen Bezugsspannung proportional integriert oder multipliziert bzw. vervielfacht, und das resultierende Signal wird dazu verwendet, einen Elektrodenantriebsmotor mit Energie zu versorgen, wodurch die Bogenlänge zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Schweißmaterial automatisch präzise gesteuert wird, und
• B) als Alternative wird ein Bogenspannungsdetektor bereitgestellt, der ein Integratorelement, einen Bezugsspannungs-Einstellabschnitt, eine Bogenspannungssteuerung, einschließlich einem Integrator oder einem Vervielfältiger bzw. Multiplikator, eine Motorsteuerung, einschließlich eines Operators, und eines Polaritäts-Entscheidungselements und einen Antriebsabschnitt zur Bewegung der nicht-abschmelzenden Elektrode durch den Motor umfaßt. Der Unterschied zwischen einer Leistungsspannung des Bogenspannungsdetektors und dem Gegensatz hierzu, nämlich der Bezugsspannung-Einstelleinrichtung, wird durch die Lichtbogenspannungssteuerung stabilisiert, die in geeigneter Weise die Lichtbogenlänge zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Schweißmetall steuert.

Eine spezifische Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Dieses Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1) umfaßt einen Lichtbogen-Spannungsdetektor 1, der ein Integratorelement 11, eine Bezugsspannungs-Einstelleinrichtung 2, eine Bogenspannungssteuerung 3 zum Vergleich einer Bogenspannung und einer Bezugsspannung zur Berechnung, eine Motorantriebssteuerung 4 und eine Antriebssteuerung 5 zur Vor- und Rückbewegung einer nicht-abschmelzenden Elektrode 43, je nach der Bogenlänge mittels der Einwirkung eines Motors, umfaßt.

Die Bogenspannung (-E_a) wird durch den Bogenspannungsdetektor 1 abgefühlt und durch das Integratorelement 11 stabilisiert, das eine Zeitkonstante aufweist, die größer ist als die Hochfrequenzkomponente und die Reaktionsgeschwindigkeit des Motors. Das Integratorelement kann ergänzt sein durch einen CR-Integrator oder einen Integrations-Rechen-Verstärker (integration operational amplifier) mit einer entsprechenden Steigerung in Beziehung auf eine zugeführte Eingangsleistung.

Die Bezugsspannungs-Einstellvorrichtung 2 teilt eine konstante Gleichstromspannung (+E) durch einen variablen Widerstand, wobei eine gewünschte Lichtbogenspannung oder eine gewünschte Lichtbogenlänge durch die Lage eines Armes des variablen Widerstands bestimmt wird.

Die Steuerung der Lichtbogenspannung 3 ist dazu geeignet, die Differentialspannung (im folgenden als "Scheinspannung" bezeichnet) zwischen der Ausgangsspannung des Lichtbogenspannungsdetektors 1 und der Ausgangsspannung der Bezugsspannungs-Einstellvorrichtung 2 linear zu integrieren und zu verstärken, wobei die Kontrolle 3 einen linearen Integrationsverstärker, der aus einem Widerstand 12 besteht, einen Rechenverstärker (operational amplifier) 13, einen Kondensator 14 und einen variablen Widerstand 15, zur Einstellung des Gewinns bzw. der Verstärkung, wobei die beiden letzten Elemente jedoch in seiner Rückkoppelungsschaltung enthalten sind, umfaßt; vgl. Fig. 2.

Der lineare Integrationsverstärker erzielt den Integrations- und Verstärkungsvorgang entsprechend der Scheinspannung und beliefert die nächste Stufe der Motorantriebssteuerung 4 mit einem Signal zur Wiedererzielung der gewünschten und geeigneten Bogenlänge als Reaktion auf eine lediglich geringe Änderung der Scheinspannung, wodurch sichergestellt wird, daß das Schweißen beim optimalen Wert der Lichtbogenspannung erfolgt.

Wie vorstehend beschrieben, wird der Elektrodenantriebsmotor 20 gebremst, um nicht in der Nähe seines optimalen Betriebspunkts mit einer Arbeitsüberlastung zu arbeiten, mittels Anwendung des Integratorelements 11 und der Lichtbogenspannungssteuerung 3. Das Problem des Jagens wird somit gänzlich vermieden.

Wie in der Fig. 3 dargestellt, kann ein Paar von Multiplikatoren 21 und 22 innerhalb der Lichtbogenspannungssteuerung 3 die "n"te (n=2, 3, 4, . . .) Energiebeziehung zwischen deren Eingangs- und Ausgangswerten tragen.

Die Steuerung 3 umfaßt die zwei serienmäßig verbundenen Multiplikatoren 21 und 22 und ein Koeffizienten-Potentiometer 26 nächst einem der Multiplikatoren 22, wobei das Potentiometer 26 einen Widerstand 23, einen Rechenverstärker 24 und einen verstellbaren Widerstand 25 umfaßt.

Durch die Steuerung 3 werden die Scheinspannung (Eingabe) und das Signal der Steuerung der Bogenlänge (Ausgang) für die nächste Stufe der Motorantriebssteuerung, wie in der kubischen Kurve der Fig. 4 dargestellt, korreliert.

Je größer auf diese Weise die Scheinspannung ist, umso größer ist das Ausgangssignal, das der nächsten Stufe der Motorantriebssteuerung 4 zugeführt wird. Hierdurch erfolgt ein rascheres Schweißen in der Nähe der optimalen Lichtbogenlänge. Das Bremsmoment wird erhöht, wenn eine Annäherung an die optimale Bogenlänge erfolgt. Gegebenenfalls verbleibt die Bogenlänge auf dem optimalen Wert. Da kein übermäßiges Ausgangssignal an die Motorantriebssteuerung 4 abgegeben wird, wenn die Scheinspannung gering ist, arbeitet der Elektrodenantriebsmotor 20 ohne zu jagen, falls die zeitabhängige lineare Integrationsmethode nicht zuverlässig ist.

Die Motorantriebssteuerung 4 verstärkt das Ausgangssignal von der Lichtbogenspannungssteuerung 3 und bewahrt den Elektrodenantriebsmotor vor einer Überlastung. Der Elektrodenantriebsmotor ist, je nach der Polarität des Ausgangssignals reversibel. Die Steuerung 4 umfaßt einen Operator 28 (bzw. Rechner) und in der nächsten Stufe ein Polaritäts-Entscheidungselement 30.

Der Operator 28 umfaßt einen Rechenverstärker 31, ein Rückführglied 32 und einen Tachogenerator 33 zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, proportional zu der Anzahl der Umdrehungen des Elektrodenantriebsmotors 20, wobei der Ausgang des Tachogenerators eine negative Rückführung über das Rückführglied 32 zum Eingang des Rechenverstärkers 31 ist. Das Rückführglied 32 soll Änderungen der Ausgangsleistung des Motors 20 verringern, die durch eine variierende Belastung des Elektrodenantriebsmotors 20 bewirkt wird.

Das Polaritäts-Entscheidungselement 30 umfaßt einen npn-Transistor Tr₁ und einen pnp-Transistor Tr₂, wobei die Basisanschlüsse der Transistoren Tr₁ und Tr₂ mit einem Ausgangsanschluß des Rechenverstärkers 31 verbunden sind, ein Kollektoranschluß des Transistors Tr₁ mit einem Anschluß b des Elektrodenantriebsmotors 20 über eine Energiequelle 34 verbunden ist und das Äquivalent des Transistors Tr₂ ebenfalls mit dem Anschluß b über eine andere Energiequelle 35 verbunden ist. Emitter-Anschlüsse beider Transistoren Tr₁ und Tr₂ sind mit einem geerdeten Anschluß a des Elektrodenantriebsmotors 20 verbunden. Wird an das Polaritäts-Entscheidungselement 30 ein positives Signal angelegt, so leitet der Transistors Tr₁, so daß der Elektrodenantriebsmotor 20 in einer positiven Richtung rotiert, wenn der Strom von dem Anschluß a in den Anschluß b des Elektrodenantriebsmotors 20 fließt. Wird im Gegensatz hierzu ein negatives Signal an das Polaritäts-Entscheidungselement 30 angelegt, so leitet der andere Transistor Tr₂, so daß der Strom von dem Anschluß b in den Anschluß a des Motors 20 fließt, so daß die Drehrichtung des Motors 20 umgekehrt wird. Das Antriebsglied 5 umfaßt einen Elektrodenabschnitt 40 und eine Elektrodenantriebsanordnung 41, vgl. Fig. 5. Der Elektrodenabschnitt 40 enthält die nicht-abschmelzende Elektrode 43 und einen Isolator 44, der die Elektrode 43 trägt, wobei die nicht-abschmelzende Elektrode mit einem Schweißkabel 45 über einen Bleileiter verbunden ist, der sich innerhalb des Isolators erstreckt. Die Elektrodenantriebsanordnung 41 har Elektrodenstützarme 46, eine Führungsstange 47 zum Führen der Arme 46, eine Schraube 48, die die Arme 46 vorwärts und rückwärts schiebt und einen Rahmen 49, der die Führungsstange 47 und die Schraube 48 stützt. Der Elektrodenstützarm 46 weist drei Arme auf: der erste trägt den Elektrodenabschnitt 40 und stützt ein Schweiß-Führungsstück 50 in einem geeigneten Winkel, bezogen auf die nicht-abschmelzende Elektrode 43; der zweite weist einen Gleitschlitz geeigneter Abmessung auf, in dem eine Führungsstange 47 gleiten kann; und der dritte und letzte trägt einen Schraubenbolzen, der mit der Schraube 48 ineinandergreift. Die Schraube 48 ist mit einem Rotationsschaft des Elektrodenantriebsmotors 20 gekoppelt. Der Fülldraht 51 bewegt sich innerhalb des Fülldraht-Führungsstücks 50. Mit dem Rahmen 49 ist ein Schwenkmechanismus 55 gekoppelt, um die nicht-abschmelzende Elektrode 43 mittels des Rahmens 49 nach links oder rechts zu schwenken bzw. wellenförmig zu führen. Auf diese Weise bewegt sich das Antriebsglied 5 über eine Schweißlinie mittels einer geeigneten Bewegungsvorrichtung.

Wie vorstehend erwähnt, wird die Bogenspannung durch das Integratorelement abgefühlt, das eine Zeitkonstante aufweist, die größer ist, als dessen Hochfrequenzkomponenten, und die Reaktionsgeschwindigkeit des Motors und die Differentialspannung zwischen dem Ausgang des Integratorelements und der vorhandenen Bezugsspannung wird an den linearen Integrator oder den Multiplikator bzw. Vervielfältiger angelegt und davon als Motorantriebssignal entnommen, so daß der Elektrodenantriebsmotor ohne zu jagen derart arbeitet, daß die Bogenlänge auf dem optimalen Punkt gehalten wird. Dementsprechend kann die Bogenlänge je nach Wunsch vorhanden sein, und beim automatischen Lichtbogenschweißen vom Typ der nicht-abschmelzenden Elektrode rasch eingestellt werden, unabhängig von einer unebenen Schweißzone und der Konfiguration der Fugen. Hierdurch wird das Elektrodenmaterial geschützt, es erfolgt ein gleichmäßiges Schmelzen des Fülldrahts, es wird eine hohe Qualität der Schweißzone garantiert, und es wird möglich, in jeder Lage zu schweißen oder durch das automatische Lichtbogenschweißen vom Typ der nicht-abschmelzenden Elektrode präzise z. B. mit hochlegierten Stählen und nicht-eisenhaltigen Metallen zu schweißen.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht eine automatische Steuerung der Bogenlänge. In der folgenden Beschreibung sind Vorrichtungen aufgeführt, die jegliche magnetische Beblasung verhindern, wenn die Gleichstrom-WIG-Schweißmethode mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird. Diese Vorrichtungen sind für die WIG-Plasma-Schweißmethode nicht geeignet, und lediglich auf die WIG-Schweißverfahrensweise im engeren Sinne anwendbar.

Das WIG-Schweißverfahren ist in folgenden Fällen nicht vorteilhaft:

• 1. Das WIG-Schweißverfahren soll vorwiegend das Schweißmatell durch Wärmeleitung in das Grundmetall einschmelzen. Der WIG-Lichtbogen entwickelt sich, um das Schmelzbad (Hochtemperaturanteil) herum ohne Schwierigkeit. Wenn die Schmelzgeschwindigkeit zu groß ist, bewirkt eine unzureichende Vorerwärmung eine unzureichende Verbindung ("wetness") des Schweißmetalls mit dem Grundmetall und ein unzureichendes Schmelzen des abgelagerten Metalls in das Grundmetall.
• 2. Führt man das WIG-Schweißverfahren mit einer Gleichstromspannung durch, so ist der WIG-Lichtbogen sehr empfindlich gegenüber Schwankungen in dem umgebenden Magnetfeld, die durch eine Magnetisierung und verschiedene Formen des zu schweißenden Materials bewirkt werden und es bildet sich aufgrund einer magnetischen Beblasung ein nicht-schweißbarer Zustand. Beispielsweise zeigen die Fig. 6 und 7 die perspektivische Ansicht von magnetischen Beblasungszuständen, wobei die Fig. 6 ein Beispiel für eine magnetische Beblasung durch eine Magnetisierung der Stahlbleche 61 und 61′ des Basismaterials darstellt und die Fig. 7 ein Beispiel für die magnetische Beblasung aufgrund von Änderungen in der Form der Stahlbleche 61 und 61′ darstellt. Eine Wolframelektrode 62 (die im folgenden als "Elektrode" bezeichnet wird) erstreckt sich in die Fugen der Stahlbleche 61 und 61′, und die Stahlbleche 61 und 61′ werden jeweils mit "N"- und "S"-Polen magnetisiert, wodurch sich ein Magnetfeld innerhalb der Fugen ausbildet. Wird beispielsweise eine konstante Gleichstromspannungsquelle zwischen die Elektrode 62 und die Stahlbleche 61 und 61′ eingebracht, so fließt der Strom in einer zum Magnetfeld normalen Richtung. Weist der Strom eine positive Polarität auf, so entwickelt sich eine elektromagnetische Kraft, in der Pfeilrichtung f nach dem Flemingschen Gesetz der linken Hand, unter Ablenkung einer Bogensäule 63, ein flexibler Leiter, wie in den Zeichnungen dargestellt. In der Fig. 7 sind die Stahlbleche 61 und 61′ nicht magnetisiert, und die Elektrode 62 liegt nahe der Kanten der Stahlbleche 61 und 61′. In diesem Falle ist die elektromagnetische Kraft vorwiegend gegen die Stahlbleche 61 und 61′ orientiert, unter Ablenkung der Bogensäule 63 in der Pfeilrichtung f. Die Fig. 6 und 7 zeigen die wenigen Beispiele für magnetische Beblasungen. Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen aktuelle Situationen in einem Schweißpunkt, wobei die Fig. 8 eine Querschnittsansicht darstellt, die ein aufwärts gerichtetes Schweißen in senkrechter Lage zeigt (W: Schweißrichtung), und die Fig. 9 ein nach links gerichtetes Schweißen in flacher Lage zeigt. In jedem Falle wird die Bogensäule 63 nach der Seite abgelenkt, an der die Menge des Stahlmaterials groß ist, d. h. in die Gegenrichtung zur fortschreitenden Richtung des Schweißens. Unter diesen Umständen erfolgt kaum eine Einwirkung des Lichtbogens auf den zu schweißenden Stahl. Wie vorstehend erwähnt, sind die Vorerwärmung und das Schmelzen unzugänglich, und es erfolgt eine geringe Fusion zwischen der Fugenfläche des Grundmetallmaterials und dem abgelagerten Metall. Der Bogen wird auf vorgeformte Perlen bzw. Raupen 64 entwickelt, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, so daß die Raupen 64 durch den Bogen lokal geschmolzen werden und eine ungleichmäßige Form annehmen. Bei der in Aufwärtsrichtung orientierten senkrechten Lage oder der Überkopflage, wie in der Fig. 8 dargestellt, kann das Schweißmetall wegen einer Überhitzung der Raupen 64 durchbrennen, so daß anschließende Schweißvorgänge unmöglich werden.

Die Erfindung hat sich daher auch zum Ziel gesetzt, Bedingungen für das Schweißen mit hoher Geschwindigkeit bereitzustellen, die frei von den vorstehend diskutierten Problemen sind, und es wurde gefunden, daß es günstig ist, den Lichtbogen in die fortschreitende Schweißrichtung abzulenken, um das magnetische Beblasungsphänomen gut auszunutzen. Dies läßt sich wie folgt zusammenfassen:

Bei dem Gleichstrom-WIG-Schweißverfahren

• 1. werden die Gleichstromquellen zwischen der nicht-abschmelzenden Elektrode und dem Grundmetallmaterial bzw. zwischen dem Füllungs- und Basismetallmaterial verbunden
• 2. sind die Stromflüsse dazwischen
  • a) gleich, wenn das Schweißmaterial vor der Elektrode in Richtung des fortschreitenden Schweißens liegt, und
  • b) entgegengesetzt, wenn das Schweißmaterial hinter der Elektrode in Richtung des Fortschreitens des Schweißens liegt; und
• 3. ist der Lichtbogen gegen die fortschreitende Schweißrichtung gerichtet.

Einige Ausführungsformen, die sämtliche vorstehenden Erfordernisse erfüllen, sind unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im folgenden beschrieben.

Die Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform, bei der der Füllungsdraht 66 vor einer Schutzgaskappe 65 in Richtung des fortschreitenden Schweißvorgangs liegt und in der Pfeilrichtung Y zugeführt wird. Sobald das Ende des Füllungsdrahts in das Schmelzbad eintaucht, tritt es in den Bogen 63 ein, der abgelenkt wird. Die Fig. 10 zeigt eine gleiche Polarität, wobei das Grundmaterial 61 als eine Anode und die Elektrode 62 als eine Kathode dient. Der Leitungsstrom fließt durch das Grundmetall 61 mit der gleichen Polarität wie die Elektrode 62 (Grundmetall 61: Anode und, Fülldraht 66: Kathode). Sind die Stromflüsse durch die Elektrode 62 und das Schweißmaterial 66 miteinander identisch, so werden Magnetfelder entwickelt, die sich gegenseitig anziehen, so daß die flexible Lichtbogensäule 63 in Richtung des Fülldrahts 66 und daher in die Richtung des fortschreitenden Schweißvorgangs abgelenkt wird, wie aus der Fig. 10 ersichtlich. Die Intensität des Magnetfelds, das sich um den Fülldraht 66 entwickelt und der Ablenkungsgrad der Lichtbogensäule werden variabel gemacht durch Variieren der Amplitude des Leitungsstroms in den Füllungsdraht 66.

Die Photographien 1A, B und C zeigen verschiedene Bogenablenkungszustände, wenn die Gleichstromspannungsquellen wie in der Fig. 1 verbunden sind. Die Wolframelektrode leitet mit 250 A und 15 V und der Fülldraht leitet mit OV (A), 100 A und 4 V (B) und 160 A und 6 V (C), getrennt. Wenn der Leitungsstrom in der Füllung 0 beträgt, (die normale Bedingung beim WIG-Bogenschweißverfahren) so wird der Bogen nicht abgelenkt. In diesem Falle ist, je größer die Amplitude des Leitungsstroms in dem Fülldraht ist, der Ablenkungswinkel des Bogens umso größer.

Die Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Fülldraht 66′ in bezug auf die fortschreitende Richtung des Schweißvorgangs von hinten zugeführt wird, und der Fülldraht 66′ wird mit einem Leitungsstrom mit dem Fülldraht 66′ als Anode und dem Grundmetall 61 als Kathode beschickt, obwohl die Elektrode 62, wie im Falle der Fig. 10 gezeigt, eine positive Polarität aufweist. Daher ist die Richtung des Stromes in dem Fülldraht 66′ entgegengesetzt zu dem Strom durch die Elektrode 62, so daß die zwei resultierenden Magnetfelder sich voneinander abstoßen, wodurch die Bogensäule 63 von dem Fülldraht weg und somit in die Richtung der fortschreitenden Schweißung gesteuert wird.

Je näher die Zufuhrposition des Fülldrahtes in bezug auf die nicht-abschmelzbare Elektrode gebracht wird, umso wirksamer wird der Einfluß der Magnetfelder. Die vorstehenden Vorteile lassen sich mit einer sehr geringen Menge an Leitungsstrom erwarten.

Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Schweißverfahren ist aus folgenden Gründen vorteilhaft:

• 1. Der WIG-Lichtbogen kann nach vorwärts in der Schweißlinie gerichtet werden;
• 2. die Richtungskraft ist leicht durch Variieren der Amplitude des Leitungsstroms in den Fülldraht einstellbar;
• 3. das Gebiet vor der Schweißlinie wird in geeigneter Weise erwärmt und kommt in den geschmolzenen Zustand oder kommt dem geschmolzenen Zustand nahe, so daß die Fusion mit dem Fülldraht vervollständigt wird;
• 4. ein Überhitzen des abgelagerten Metalls wird vermieden, ohne Schädigung des Aussehens der Raupen oder Durchbrennen des abgelagerten Metalls beim Schweißen in Überkopfposition oder beim Schweißen in nach aufwärts gerichteter senkrechter Lage, und
• 5. der Temperaturgradient in der Schweißzone nimmt allmählich von vor dem Bogen bis zum Bogenpunkt zu und nimmt allmählich von dem Gebiet des geschmolzenen Metalls zu dem Gebiet des verfestigten Metalls ab, wodurch ein Schweißen mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht wird, ohne die Raupen höckerförmig zu gestalten.

Durch die Erfindung werden zwar die Hauptprobleme des WIG-Schweißverfahrens beseitigt, jedoch wird erfindungsgemäß auch angestrebt, die erfindungsgemäß erzielten Vorteile zu sichern. Mit anderen Worten, wurde angestrebt, die leichte Durchführbarkeit des Schmelzens des Schweißmetalls in das Grundmetall beim Schweißen unter verschiedenen Schweißlagen und mit verschiedenen Stählen zu verbessern und möglich Gasblasen beim Schweißen mit hoher Geschwindigkeit zu vermeiden. Da es sich bei dem Schweißverfahren nicht um das sog. Heißdrahtverfahren an sich handelt und das Schweißmaterial nicht erwähnt wird, wenn das Ende der Füllung von dem Schmelzbad aus irgendeinem Grunde wegbewegt wird, so wird der Fülldraht anschließend in die verfestigten Raupen umgewandelt, wodurch weitere Schweißvorgänge abgebrochen werden.

Eine gute Möglichkeit, das vorstehende Problem zu lösen, liegt darin, den Bogen wellenförmig zu bewegen bzw. hin- und herzubewegen, ist jedoch aus folgenden Gründen weiterhin nicht vorteilhaft:

• 1. im Falle eines mechanischen Verfahrens, bei dem eine Schwenkvorrichtung um einen Schweißkopf installiert ist, ist die Gesamtkonstruktion massiv und aufwendig und innerhalb eines engen Raums schwierig zu bewegen und anzuwenden, aufgrund der Installation der Schwenkvorrichtung, eines Motors, einer Gleitbasis usw.;
• 2. die vorstehend erwähnte mechanische Methode erfordert im allgemeinen einen geeigneten Abstand zwischen dem Bogenpunkt und dem Ende des Fülldrahts. Der Schweißbrenner und die Führung für den Fülldraht sind daher zusammen auf der Gleitbasis innerhalb der Schwenkvorrichtung montiert, jedoch variiert der jeweilige Abstand zwischen ihnen unvermeidlich durch Vibrieren der Schwenkvorrichtung. In einigen Fällen wird es für den Führungsdraht unmöglich, in das Schmelzbad in geeigneter Lage einzutreten.
• 3. Für eine andere Möglichkeit, ein Magnetfeld über einen Elektromagneten zu entwickeln, ist es erforderlich, daß der Elektromagnet so nahe wie möglich an dem Bogenpunkt liegt. Im Falle des Schweißens bei dicken Stahlblechen sollte das Ende des Elektromagneten in die Fugen eingeführt werden und einen äußerst hohen Wärmewiderstand entwickeln, da die Magnetkraft auf einen Stahl mit einer guten magnetischen Permeabilität zentriert werden kann. Diesen Erfordernissen kann bis zu einem begrenzten Ausmaß entsprochen werden, und die Gesamtkonstruktion ist groß, wie im Abschnitt 1 dargestellt, selbst wenn ein Wasserkühlungsschema gleichzeitig verwendet wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines neuen Schwenkverfahrens für den WIG-Lichtbogen. Es wurde gefunden, daß der Pincheffekt gering ist, da die bei der WIG-Schweißmethode verwendete nicht-abschmelzende Elektrode im allgemeinen dick ist (etwa 4 mm ⌀), um den Elektrodenverbrauch auf ein Minimum herabzusetzen und die Stromdichte niedriger ist, als beim MIG-Schweißverfahren (im allgemeinen 1 mm ⌀). Da darüber hinaus die Starrheit des Bogens im Vergleich mit der des MIG-Schweißverfahrens (beispielsweise ein Inertgas und Metallplasma) gering ist, weist der WIG-Bogen eine große Flexibilität auf, die nicht mehr mit der des MIG-Bogens vergleichbar ist. Um diese dem WIG-Bogen zu eigenen Charakteristika vorteilhaft auszunutzen, werden die in dem vorstehend beschriebenen Schweißverfahren angewendeten Magnetfelder in einem festen oder variablen Rhythmus variiert, durch Pulsieren des Leitungsstromes in dem Fülldraht, Steuern des WIG-Bogens aus einer Lage, die etwas von der fortschreitenden Schweißrichtung liegt, in eine Position unter der nicht-abschmelzenden Elektrode und vice versa. In diesem Falle ist es lediglich notwendig, den Leitungsstrom in dem Fülldraht zu pulsieren, so daß ein wellenförmiges Schweißen keine großen und komplizierten peripheren Vorrichtungen um den Brenner erfordert und auf einen engen Raum anwendbar ist. Eine ähnliche Technik für das MIG-Schweißverfahren wird beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung 45/39 931 beschrieben. Diese Technik verwendet einen stromführenden Drahtleiter, der sich von einer verbrauchbaren Elektrode unterscheidet, beschickt den Leiter von der Hinterseite der verbrauchbaren Elektrode und führt Stromflüsse durch die verbrauchbare Elektrode und den Leiter zur Vorwärts-Ablenkung des MIG-Lichtbogens längs der fortschreitenden Schweißrichtung. Wie früher aufgeführt, ist der MIG-Bogen wesentlich weniger flexibel als der WIG-Bogen und daher in der Praxis schwieriger in Vorwärtsrichtung abzulenken. Jedoch ergeben sich einige Schwierigkeiten bei dem wellenförmigen Führen des Bogens durch Anwendung des pulsierenden Stromes. Die MIG-Schweißmethode erfordert eine beträchtliche Menge an Stromfluß in den Fülldraht, wegen der großen Starrheit des Bogens, wenn es gewünscht wird, den Bogen durch den Leitungsstrom in einen Teil des Fülldrahts abzulenken, der in der Nähe des Bogens zugeführt wird. Für eine solche Bedingung eines hohen Stroms ist es notwendig, die Beschickungsgeschwindigkeit des Fülldrahts zu erhöhen oder die Stromdichte zu erniedrigen, unter Anwendung eines Fülldrahts von dickem Durchmesser; ansonsten wird der Fülldraht geschmolzen, oder es entwickelt sich ein Bogen, um den Fülldraht, bis der Fülldraht das Schmelzbad erreicht. Das MIG-Schweißverfahren leidet an dem Auftreten des Bogens, es kommt jedoch nie vor, daß der Schweißarbeitsgang nicht durchgeführt werden kann, jedoch wird die nicht-abschmelzende Elektrode mit Metalldampf bis zu einem derartigen Ausmaß verunreinigt, daß der Schweißarbeitsgang im wesentlichen unmöglich wird. Daher sind Maßnahmen zur Erhöhung der Beschickungsgeschwindigkeit des Fülldrahts und die Anwendung von Fülldraht mit großen Dimensionen noch möglich, jedoch führt die zunehmende Menge an Schweißmetall notwendigerweise zu einem unzureichenden Schmelzen beim MIG-Schweißverfahren. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen sind schwierig auf das MIG-Schweißverfahren anzuwenden, da der Hauptbogen tief eindringt. Auf diese Weise ist es beim MIG-Schweißverfahren sehr schwierig, den Bogen abzulenken, und beim WIG-Schweißverfahren werden verschiedene Bedingungen sorgfältig in Betracht gezogen.

Zwar sind die Photographien 1 mit 250 A des Leitungsstroms in der nicht-abschmelzenden Elektrode abgebildet, jedoch ist es im allgemeinen erwünscht, daß die nicht-abschmelzende Elektrode mit 500 A oder weniger gespeist wird, da eine übermäßige Strommenge eine Zunahme der Stromdichte und die Starrheit des Bogens bewirkt, wodurch die Ablenkung und Hin- und Herbewegung bzw. wellenförmige Bewegung möglich werden. Die Elektrode wird zweckmäßig mit einem konstanten Strom beliefert und wird gegebenenfalls mit Energie versehen, um einen pulsierenden Bogen zu entwickeln. Die Charakteristika des WIG-Bogens an sich sollen keine Beschränkungen des Rahmens der Erfindung darstellen.

Wie in dem übl. kombin. MIG- und WIG-Schweißverfahren oder Plasma-MIG-Schweißverfahren sollte der Leitungsstrom in den Fülldraht gering genug sein, um eine Betriebssituation zu vermeiden, bei der sich ein Bogen von dem Fülldraht bildet, sowie einen Betriebszustand, wie einem heißen Draht. Vorzugsweise wird der Fülldraht mit 200 A oder darunter gespeist und eine Spannung bei einer Projektion bzw. Buckelschweißung des Schweißdrahts ist geringer als die WIG-Bogenspannung; ansonsten ist das Magnetfeld zu intensiv, und der WIG-Bogen wird ab- oder ausgeblasen. Um einen Arbeitszustand, wie den heißen Draht, zu vermeiden, und den Schweißdraht sicher mit dem Schmelzbad kurzzuschließen und damit in Kontakt zu bringen, ist eine höhere Beschickungsgeschwindigkeit erforderlich. Darüber hinaus sollte das Problem von überschüssigem abgelagerten Metall vermieden werden.

Wie vorstehend erwähnt, bildet das erfindungsgemäße Verfahren die wellenförmige Wirkung durch Zufuhr des pulsierenden Stromes in den Fülldraht, wie in der Fig. 12 gezeigt. Die Fig. 12 zeigt Wellenformen des pulsierenden Stroms an der linken Seite A-E und die Bogenablenkungszustände rechtsseitig A-D. In den Beispielen A-C alterniert die Leitungsperiode mit der nicht-leitenden Periode und insbesondere im Beispiel C beträgt die nicht-leitende Periode 0. In den Beispielen D und E wird der Fülldraht ständig mit dem Schweißstrom bespeist und ein hoher Strom Ah alterniert mit einem niedrigen Strom Al, unter Bildung des pulsierenden Stromes. Th stellt den Zeitraum dar, in dem der hohe Strom fließt und Tl den Zeitraum, in dem der niedrige Strom fließt. Es versteht sich, daß der Ablenkungszustand der Bogensäule in jeder Stufe von der Stromamplitude abhängt. Beispiel E zeigt, daß derStrom leicht sowohl während der Leitungsperiode, als auch während der nicht-leitenden Periode variiert, und die Erfindung ist auch auf dieses Beispiel anwendbar. Die Schwingungsbreite (Schwingungswinkel) und der Schwingungszyklus bzw. wellenförmige Zyklus sind frei wählbar durch eine geeignete Wahl der verschiedenen Werte Ah, Al, Th und Tl, und das Fortschreiten der Wellenbewegung und das Verhalten an beiden Enden der Wellenamplitude sind frei einstellbar durch Variieren der Amplitude des Stromes. Wird beispielsweise eine Stumpfschweißung auf einem Rohrumfang in Sequenz-Weise in vertikalen ⇆ horizontalen ⇆ flachen Positionen durchgeführt, so variiert die Gravitätsrichtung bezogen auf das Schmelzbad, so daß von Zeit zu Zeit das günstigste Wellenschema gewählt werden kann. Dies stellt einen der Hauptvorteile der Erfindung dar.

In gewöhnlichen Situationen, wie der Änderung des Fugen-Grund-Zwischenraums und eines Fehlers der Grundoberfläche längs der Schweißlinie bei der üblichen einseitigen Rückseiten- bzw. Verstärkungs-Schweißmethode, wird die Amplitude des WIG-Lichtbogenstroms variiert, und die Bogentemperatur und die Form und die Größe des Schmelzbades werden ebenfalls variiert. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die Schmelzgeschwindigkeit des Füllungsdrahtes zu variieren und den WIG-Lichtbogenstrom synchron zur Beschickungsgeschwindigkeit des Fülldrahtes zu machen. Eine derartige Einstellung ist ziemlich aufwendig, jedoch kann das erfindungsgemäße Schweißverfahren mit derartigen ungewöhnlichen Situationen fertig werden, durch bloßen Variieren der Amplitude des Schweißstroms in dem Fülldraht; einige Maßnahmen sind im folgenden aufgeführt:

• 1. Verläuft beispielsweise das Schweißen nach dem in der Fig. 12A dargestellten Schema und wird die Grundoberfläche dicker, so geht die hintere Raupe bzw. Perle in dieser Zone schwieriger heraus. Wird die Amplitude des starken Stroms (Ah) aus diesem Grunde erhöht, so wird der Winkel der Lichtbogensäule in der Vorwärtsrichtung vergrößert, und der Bogen wirkt direkt auf den Grund der Fuge in einer davorliegenden Metallzone, in der keine Ablagerung stattgefunden hat. Aus diesem Grunde schmilzt der Grund ausreichend, und die rückwärtige Raupe bzw. Perle wird vollständig gebildet.
• 2. Zusätzlich zu der vorstehenden Maßnahme wird, wenn die Leitungszeit des Fülldrahtes verlängert wird, der Zeitraum der Vorwärtsrichtung des Lichtbogens auch länger, so daß eine ausreichende Penetration erzielt wird.
• 3. Die vorstehenden Maßnahmen 1 und 2 werden vereint.
• 4. Das Muster wird, wie aus den Fig. 12D und 12E ersichtlich, modifiziert, und gegebenenfalls wird der Strom Ah verstärkt.
• 5. Die Maßnahmen 2 und 4 werden zusammen angewendet.
• 6. Die Maßnahmen 4 und 5 werden zusammen angewendet.
• 7. Durch eine feine Einstellung dieser Faktoren werden verschiedene andere Maßnahmen verfügbar.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren kann erfolgreich angewendet werden zur Erzielung eines feinen Schlängelmusters durch Anwendung des pulsierenden Stromes, wenn das Schweißen mit der gleichen Gleichstrompolarität bewirkt wird, und der Fülldraht von der Hinterseite der nicht-abschmelzenden Elektrode zugeführt wird. Es lediglich notwendig, die Richtungen der Leitungsströme in dem Falle identisch zu machen, wenn der Fülldraht von der Vorderseite der nicht-abschmelzenden Elektrode zugeführt wird. Darüber hinaus können im Falle des Schweißens mit umgekehrter Polarität die Richtungen der Leitungsströme entgegengesetzt zu denen des Schweißens bei gerader Polarität sein. Das erfindungsgemäße Schweißverfahren ist auch dann anwendbar, wenn der Fülldraht vor und nach der nicht-abschmelzenden Elektrode zugeführt wird.

Man erhält zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Niedrig-Temperaturzähigkeit, Zugfestigkeit usw., solange die vorstehenden Erfordernisse erfüllt werden. Ein Weg zur Bewertung der mechanischen Festigkeit der resultierenden Schweißnähte liegt in der Anwendung kleiner Proben, wie der Charpy-Test. Wird eine derartige Bewertungsmethode verfolgt, so ergeben sich keine Probleme hinsichtlich der Niedrig-Temperaturcharakteristika der Schweißnähte, die entsprechend den Erfordernissen hergestellt wurden. Es verbleiben jedoch hinsichtlich der Schweißnähte einige Probleme, wenn sie nach dem COD-Test bewertet werden, der sich als eine geeignete Methode zur Bewertung der Sprödigkeits-Bruchcharakteristika von geschweißten Gebäudekonstruktionen erwiesen hat. Im Rahmen ausgedehnter Untersuchungen wurde gefunden, daß derartige Probleme der Wärmeentwicklung der Endschicht zuzuschreiben sind, wenn ein mehrschichtiges Schweißen nach der WIG-Schweißmethode oder der WIG-Plasma-Schweißmethode durchgeführt wurde. Es wurde daraus geschlossen, daß auch der Endschicht eine ausreichende Aufmerksamkeit hinsichtlich der Wärme zukommt. Dies erzielt man beim mehrschichtigen Schweißen, durch Kühlen der Schweißraupenoberfläche der Endschicht unter 150°C und erneutes Schmelzen der Endschicht mit dem Lichtbogen, der von der nicht-abschmelzenden Elektrode erzeugt wird, wobei die Raupenendschicht mit einem Inertgas abgeschirmt wird. Weitere Einzelheiten sind im folgenden aufgeführt.

Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, daß bei einem mehrschichtigen Schweißen eines Super-Niedrigtemperaturstahls, wie 9% Nickel-Stahl unter Verwendung des Schweißdrahts, der 8-15% Ni enthält, ein zentraler Teil der Fuge, d. h. die niedrigen Schichten durch die Auswirkungen der Hitzebehandlung während eines Wärmekreislaufs während des Schweißens der oberen Schichten beeinflußt werden, wobei die Einwirkungen einer derartigen Wärmebehandlung die Niedrig-Temperaturzähigkeit der unteren Schichten wirksam erhöhen. Die Endschicht jedoch erfährt nicht die günstige Auswirkung einer derartigen Wärmebehandlung, wodurch die Niedrig-Temperaturzähigkeit des gesamten geschweißten Metalls beträchtlich verringert wird. Diese Neigung ist von Bedeutung, wenn die Auswirkungen der Wärmebehandlungen äußerst groß sind, wie dies im Falle einer eutektischen Legierungs-Schweißung mit Ni enthaltenden Ferrit-Stählen, wie 9% Nickel-Stahl, der Fall ist (die Körner werden ohne Schwierigkeiten größer, aufgrund des darin enthaltenen Ni). Wird die Raupenoberfläche der eutektischen Legierungsschweißzone des Ni enthaltenden Stahls erneut mit der nicht-abschmelzenden Elektrode geschmolzen, so werden verbleibende Spannungen aus der Endschicht beträchtlich verringert, und die Niedrig-Temperaturzähigkeit des gesamten Schweißmetalls wird stark verbessert.

Ein hervortretendes Merkmal des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens, eine Zunahme der Niedrig-Temperaturzähigkeit, kann nach dem COD-Test bewertet werden, der sich als geeigneter erwiesen hat als der übliche Charpy-Test zur Bewertung der Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen oder der Bruchzähigkeit.

Im folgenden wird zwar das erfindungsgemäße Schweißverfahren unter Verwendung eines Ni enthaltenden Stahls als Grundmetall beschrieben, jedoch ist es ersichtlich, daß die Erfindung auch auf das Schweißen anderer Niedrig-Temperaturstähle anwendbar ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Fuge bzw. eine Naht eines Super-Niedrigtemperaturstahls, der Ni enthält, mehrschichtig geschweißt, unter Anwendung eines eutektischen Legierungs-Stahlmaterials, das 8-15 Gew.-% Ni enthält, und anschließend der erneuten Schmelzbehandlung unterzogen wird.

Die erneute Schmelzbehandlung soll restliche Schweißspannungen aus der endgültigen Finish-Schicht in der vielschichtigen Schweißzone entfernen und dem geschweißten Metall eine Niedrig-Temperaturzähigkeit durch seine Behandlung verleihen. Diese Behandlung erzielt man durch die Lichtbogenwärme der nicht-abschmelzenden Elektrode. Die Eindringtiefe während der erneuten Schmelzbehandlung sollte gleich oder geringer sein, als die Tiefe der endgültigen Finish-Schicht bzw. der endgültigen Oberflächenschicht. Ansonsten verringert eine übermäßige Penetration die Wirkungen der erneuten Schmelzbehandlung. Wie vorstehend erwähnt, liegt das Ziel der erneuten Schmelzbehandlung darin, verbleibende Schweißspannungen in der endgültigen Finish-Schicht zu eliminieren und die Niedrig-Temperaturzähigkeit zu verbessern. Für die erneute Schmelzbehandlung ist es günstig, die Penetrationstiefe während der erneuten Schmelzbehandlung gleich oder geringer zu machen, als die Tiefe der Finish-Endschicht. Falls die Penetration bei der erneuten Schmelzbehandlung tiefer geht als die Finish-Endschicht, werden die erneut geschmolzenen Raupen bzw. Perlen größer, als die vorangegangenen, wodurch die Wirkungen der erneuten Schmelzbehandlung unterdrückt werden. Die erneut geschmolzene Zone ist vorzugsweise mehr als halb so breit, wie die endgültige Finish-Schicht, so daß der gesamten Naht bzw. der gesamten Fuge die gewünschten Wirkungen der Wärmebehandlung zugute kommen.

Ist die erneut geschmolzene Zone als 1,3mal so breit wie die endgültige Finish-Schicht, wird die Wärmeaufnahme bzw. der Wärmeeingang übermäßig, und das Grundmetall erfährt eine übermäßige Wärmebeeinflussung. Bei der Durchführung der erneuten Schmelzbehandlung sollte die Raupen- bzw. Perlenoberfläche der mehrschichtigen Schweißzone mit Luft oder Wasser unter 150°C gekühlt werden. Falls die erneute Schmelzbehandlung mit einer Raupenoberflächentemperatur über 150°C durchgeführt wird, so verringert sich die Abkühlungsgeschwindigkeit in der erneut geschmolzenen Zone, so daß die Körner in der Raupenoberfläche grob werden, wodurch die Niedrig-Temperaturzähigkeit verringert wird. Wird die Raupenoberfläche einmal nach beendigtem Schweißen unter 150°C abgekühlt, so läßt man sie durch Wärmefreisetzung während eines relativ kurzen Zeitraums nach der erneuten Schmelzbehandlung kühlen, so daß die Raupenoberfläche eine feine kristalline Struktur mit einer ausgezeichneten Niedrig-Temperaturzähigkeit aufweist. Der Grund dafür, warum die Kühlungsgeschwindigkeit nach der erneuten Schmelzbehandlung nicht verringert werden sollte, ergibt sich aus einer Analyse der Fig. 18. Die Raupen bzw. Perlen werden allmählich durch Wärmefreisetzung nach der erneuten Schmelzbehandlung gekühlt. Erstreckt sich insbesondere die Zeit, während der die Raupen bzw. Perlen von 800-500°C gekühlt werden, über 100 Stunden, so wird der COD-Wert (die Bruchzähigkeit des brüchigsten Anteils bei -162°C) geringer als 0,1. Es ist daher bevorzugt, die Raupen bzw. Perlen von 800 auf 500°C während eines Zeitraums von etwa 50 Sekunden zu kühlen. Mit anderen Worten expandiert eines übermäßige Menge der Schweiß-Hitzezufuhr während der erneuten Schmelzbehandlung die durch Wärme beeinflußte Zone, verlängert die Kühlzeit und macht die Kristallkörner grob, wodurch eine Zunahme der Niedrig-Temperaturzähigkeit verhindert wird. Die erneute Schmelzbehandlung verläuft unter den Bedingungen, daß die nicht-abschmelzende Elektrode aus Wolfram hergestellt ist und die erneut geschmolzene Zone mit einem Inertgas geschützt wird, wie Argon und Helium, wobei die Menge des zugeführten Schutzgases vorzugsweise im Bereich von 10-100 l/Min. liegt. Eine Zufuhr von weniger als 10 l/Min. führt zu verschiedenen Schwierigkeiten wegen des mangelnden Schutzschilds, und andererseits bewirkt eine Menge über 100 l/Min. eine Strömung des Schutzgases, die sehr störend wirkt, und in die erneut geschmolzene Zone einbezogen wird, wodurch Defekte der Naht bzw. der Fuge, wie Kanten, auftreten. Eine Technik ähnlich dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren wird in den japanischen Patentveröffentlichungen 49/55 538 und 49/66 548 beschrieben. Die erstgenannte lehrt einen Versuch zur Verhinderung des spröden Bruchs nach dem Schweißen durch erneutes Erwärmen sowohl der wärmebeeinflußten Zone, als auch der Bindungszone mit vom WIG-Bogen abgestrahlter Wärme und wird als ähnlich der Schweißmethode angesehen, da die Nachbehandlung nach dem Schweißen mittels der Hitze des WIG-Lichtbogens durchgeführt wird. Jedoch unterscheiden sich die beiden gänzlich in folgender Hinsicht:

• 1. Das Ziel der in der Veröffentlichung 49/55 538 beschriebenen Technik erreicht man durch erneutes Erwärmen der wärmebeeinflußten Zone und der Bindungszone, wohingegen beim erfindungsgemäßen Verfahren der endgültige Finish-Anteil des Schweißmetalls selbst erneut geschmolzen wird. Der Unterschied ergibt sich hieraus, daß nach dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren die Niedrig-Temperaturzähigkeit der Schweißmetallzone selbst erhöht werden soll. Mit anderen Worten, ist es nach der Erfindung unter Verwendung eines Super-Niedrigtemperatur-Stahls als Grundmetall nötig, die Niedrig-Temperaturzähigkeit des Schweißmetalls zu erhöhen, um Leistungsfähigkeiten der Naht bzw. der Fuge zu erzielen, die mit der des Grundmetalls vergleichbar sind. Die Wärmebehandlung auf lediglich der durch Wärme beeinflußten Zone und der Bindungszone, wie in der Veröffentlichung 49/55 538 beschrieben, ist jedoch zur Erreichung dieses Ziels nicht geeignet.
• 2. Die in der Veröffentlichung 49/55 538 beschriebene Technik erreicht ihre Hauptziele durch bloßes erneutes Erwärmen, ohne das Schweißmetall in den geschmolzenen Zustand zu bringen, wohingegen erfindungsgemäß die erneute Schmelzbehandlung der Finish-Endschicht des Schweißmetalls wesentlich ist. Der zweite Unterschied ist dadurch bedingt, daß die Erfindung das Schweißen von Super-Niedrigtemperatur-Stählen betrifft und im Rahmen der Erfindung gefunden wurde, daß es unmöglich ist, dieses Ziel zu erreichen, wenn nicht die erneute Schmelzbehandlung durchgeführt wird, wenn ein Ni enthaltender Stahl als Grundmetallmaterial und als Schweißmetall verwendet wird. Darüber hinaus gibt die Veröffentlichung 49/55 538 keinen Anhaltspunkt für das Konzept der vorliegenden Erfindung, wonach die Schweißraupen bzw. -perlen mit fortschreitender erneuter Schmelzbehandlung bei einer Temperatur von weniger als 150°C gehalten werden sollten. Hierdurch ergeben sich wesentliche Unterschiede in der Aufgabestellung und der technischen Lösung zwischen der vorliegenden Erfindung und der Lehre der Veröffentlichung 49/55 538.
• Im Gegensatz hierzu empfiehlt die Veröffentlichung 49/66 548 einen Versuch zur Erzielung einer glatten Raupen- bzw. Perlenoberfläche durch deren erneutes Schmelzen mittels eines WIG-Schweißbrenners nach dem MIG-Schweißen. Weiter geht auch hervor, daß die hier beschriebene Technik eine unzureichende Auflösung der Schweißmetallzone, Fehlstellen der Fuge bzw. der Naht, wie Gasblasen und Unterschnitte, verhindert und die Stoßfestigkeit erhöht. Es wird auch empfohlen, einen derartigen Versuch auf das Schweißen von Ni enthaltendem Stahl anzuwenden. Das einzige Ziel, das angestrebt wird, liegt darin, die Raupen- bzw. Perlenoberfläche glatt zu gestalten, und es ergibt sich kein Hinweis auf eine Technik zur Erhöhung der Niedrig-Temperaturzähigkeit der Schweißmetallzone.
• Das vorwiegende Ziel der vorliegenden Erfindung liegt andererseits darin, die Niedrig-Temperaturzähigkeit der endgültigen Oberflächen- bzw. Finish-Schicht in der Schweißmetallzone zu erhöhen. Dieses Hauptziel wird dadurch erreicht, daß die Oberflächentemperatur der Schweißraupen bzw. -perlen unter 150°C gehalten wird und die erneute Schmelzbehandlung durchgeführt wird. Erfindungsgemäß werden auch zahlreiche günstige Bedingungen für die erneute Schmelzbehandlung definiert. In der Veröffentlichung 49/66 548 findet sich nichts über derartige Kriterien.

Gegebenenfalls weist das erfindungsgemäße Schweißverfahren durch die erneute Schmelzbehandlung der Finish-Endschicht bzw. End-Oberflächenschicht des Schweißmetalls anschließend an das eutektische Legierungsschweißen die im folgenden aufgeführten Vorteile auf. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in den vergrößerten Anwendungsmöglichkeiten von Super-Niedrigtemperatur-Stählen.

• 1. Die resultierende Naht und das Basismetallmaterial zeigen im wesentlichen die gleiche Niedrig-Temperaturzähigkeit, wodurch die Niedrig-Temperaturzähigkeit der gesamten geschweißten Konstruktion verbessert wird.
• 2. Der Schweißdraht ist wirtschaftlich, da es nicht notwendig ist, einen stark nickelhaltigen Stahl zu verwenden.
• 3. Sowohl die Naht als auch das Basismetallmaterial sind im wesentlichen gleich in ihrer chemischen Zusammensetzung und dem thermischen Expansions-Koeffizienten, wodurch die mechanische Festigkeit der gesamten Konstruktion, wie 0,2% Festigkeit und Heiß-Rißfestigkeit ohne thermischen Ermüdung bei variierender Temperatur, vereinheitlicht werden.
• 4. Folglich ist die gesamte Konstruktion relativ dünn und leichtgewichtig.
• 5. Es ist lediglich notwendig, die Raupen- bzw. Perlenoberfläche erneut zu schmelzen, so daß die Schweißverfahren einfach und wenig kostspielig sind.
• 6. Die Wirkungen der erneuten Schmelzbehandlung sind sicher dadurch erzielbar, daß man lediglich die Oberflächentemperatur während der erneuten Schmelzbehandlung unter 150°C hält.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung und sollen keine Einschränkung darstellen. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Beispiel 1

Grundmetalle, deren Zusammensetzung in der Tabelle I angegeben ist, wurden hergestellt und durch Gasschneiden mit Fugen von 60° versehen. Nach Entfernung der Ablagerungen von den Fugen mit einer Schleifvorrichtung wurde eine WIG-Schweißung unter den in der Tabelle III angegebenen Bedingungen durchgeführt, wobei Schweißdrähte verwendet wurden, deren Zusammensetzung in der Tabelle II angegeben ist. Es wurde derart geschweißt, daß die Vorderseite zunächst geschweißt wurde und anschließend an eine Aushöhlung des Fugengrundes mittels Lichtbogen-Luft, die Rückseite geschweißt wurde. Es wurde eine automatische WIG-Schweißvorrichtung mit einem automatischen Lichtbogen-Steuerungsschema verwendet.

Tabelle I

9% Nickel-Stahl (Blechdicke 200 mm)

Tabelle II

Tabelle III

(Schweiß-Bedingungen)

Die Schweißbarkeit war sowohl bei der senkrechten, als auch bei der waagerechten Lage zufriedenstellend.

Nach dem Schweißen wurden alle Beispiel einem Zugtest (JIS-Z-3112.A2, gemessen bei Raumtemperatur), einem Schlagtest (JIS-Z-3112,4, gemessen bei -196°C), einem Seiten-Biegetest (JIS-3122) unterzogen, und die Ergebnisse sind in der Tabelle IV aufgeführt.

Tabelle IV

Die Ergebnisse der Tabelle IV können wie folgt analysiert werden:

Nr. 1, 3, 6 und 9: Die Beispiele, die den erfindungsgemäßen Erfordernissen entsprachen, waren nicht nur hinsichtlich der mechanischen Festigkeiten, wie der Zugfestigkeit und der Schlagzähigkeit, sondern auch hinsichtlich der Ergebnisse der Röntgenstrahlenbewertung ausgezeichnet.

Nr. 2: Dieser Vergleichsversuch enthält beträchtliche Mengen an Sauerstoff und Stickstoff in dem Schweißmetall; sowohl der Sauerstoff- als auch der Stickstoffgehalt davon lagen über 100 ppm. Die Schlagzähigkeit (Niedrig-Temperaturzähigkeit) war sehr schlecht, und die Seitenbiegungsfestigkeit und die Röntgenstrahlen-Ergebnisse waren ebenfalls schlecht.

Nr. 4: Der Borgehalt des Schweißdrahtes (Vergleichsversuch) überschritt 0,0006%; es ergab sich eine vergleichsweise sehr geringe Bruchfestigkeit. Der Stickstoffgehalt des Drahtes war ebenfalls zu hoch.

Nr. 5: Der Borgehalt des Schweißdrahtes war zu hoch, und der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt des Schweißdrahtes lagen jeweils über 100 ppm (Vergleichsversuch), wodurch sich unzufriedenstellende Ergebnisse in der Bruchfestigkeit, der Streckung und der Seitenbiegungsfestigkeit zusammen mit schlechten Bewertungen der Röntgenstrahlenuntersuchung ergaben.

Nr. 7: Der Sauerstoffgehalt des Fülldrahts und des Grundmetalls entsprachen zwar den erfindungsgemäßen Erfordernissen, jedoch lag die Summe des Sauerstoffgehalts (70 ppm), des Schweißdrahts und des doppelten Sauerstoffgehalts (100×2=200 ppm) des Basismetalls über 270 ppm (d. h. 70+200=270 ppm). Es ergaben sich unzufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Bruchfestigkeit, der Seitenbiegungsfestigkeit und der Röntgenstrahlenuntersuchung.

Nr. 8: Dieser Vergleichsversuch wurde mit einem Sauerstoffgehalt des Fülldrahts über 200 ppm und bei einem Borgehalt davon über 0,0006 Gew.-% durchgeführt. Die Bruchfestigkeit, die Seitenbiegungsfestigkeit und die Ergebnisse der Röntgenstrahlenuntersuchung waren nicht zufriedenstellen.

Anschließend wurde die Schlagzähigkeit der resultierenden Schweißnaht bzw. des resultierenden Schweißstoßes bei -196°C gemessen, wenn der 9% Nickel-Stahl, wie durch das Symbol A in der Tabelle I angegeben, als Basismetallmaterial verwendet wurde, und der Borgehalt des Schweißdrahts variiert wurde. Die Fig. 15 gibt die Ergebnisse einer derartigen Messung an, und zeigt, daß die Schlagzähigkeit der Schweißverbindung stark verringert wird, wenn der Borgehalt über 0,0006% liegt. Der Schweißdraht zeigte eine sehr hohe Schlagzähigkeit, wenn der Borgehalt 0,0006% oder weniger, insbesondere weniger als 0,0004% betrug.

Im folgenden werden verschiedene Beispiele für Schweißbedingungen entsprechend der vorliegenden Erfindung angegeben. Falls nicht anders angegeben, handelte es sich bei einem verwendeten Draht um den Draht "a" der Tabelle II im Beispiel 1 und bei einem verwendeten Grundmetallmaterial um den Ni-Stahl "A" der Tabelle I.

Beispiel 2

Unter den Bedingungen der Tabelle V wurde eine Schweißraupe auf einer Platte (bead-on-plate) gebildet. Man erzielte ein ausgezeichnetes Aussehen mit einer hohen Geschwindigkeit von 60 cm/Min. entsprechend der Erfindung, wohingegen die übliche Verfahrensweise bei einer geringen Geschwindigkeit von 40 cm/Min. zu einer holperigen Raupe führte.

Tabelle V

Beispiel 3

Es wurde senkrecht aufwärts unter den in der Tabelle VI angegebenen Bedingungen geschweißt. Die Fig. 19 zeigt einen Querschnitt durch eine Schweißraupe mit makroskopischer Struktur an einem Endteil eines nach üblicher Verfahrensweise geschweißten Blechs, wohingegen die Fig. 20 das entsprechende erfindungsgemäße Gegenstück zeigt. Die übliche Verfahrensweise führte zu einer beträchtlich konvexen Raupen- bzw. Perlenkonfiguration, wohingegen erfindungsgemäß eine ausgezeichnete Raupen- bzw. Perlenkonfiguration erzielt wurde.

Tabelle VI

Beispiel 4

Es wurde in allen Schweißlagen an einem Rohr geschweißt, das eine Fugenform, wie in Fig. 21 dargestellt, aufwies, wobei die Bedingungen der Tabelle VII und VIII angewendet wurden. Die übliche Verfahrensweise führte zu einer konvex geformten Raupe in flacher Position und zu einer konkaven Form in senkrechter Position; erfindungsgemäß erhielt man eine homogene und saubere Raupe in allen Positionen.

Tabelle VII

Tabelle VIII

Beispiel 5

Es wurde in waagrechter Richtung unter den Bedingungen der Tabelle IX geschweißt. Rohre, die in üblicher Weise hergestellt wurden, wurden in die JIS-1. Klasse, 2. Sorte (Gasblasen) durch den Röntgenstrahl-Durchlässigkeitstest eingereiht, wohingegen erfindungsgemäß die Rohre frei von jeglichen Fehlern waren (Die Fugenform und die Arbeitsweise zur Ausbildung von abgelagertem Metall sind aus der Fig. 20 ersichtlich.).

Tabelle IX

Beispiel 7

Ein handelsüblicher 9% Ni-Stahl von 20 mm Dicke wurde mit einer 60° "V"-förmigen Fuge versehen, und die Stirnflächenseite der Fuge wurde mehrschichtig geschweißt. Anschließend erfolgte eine Aushöhlung mit dem Lichtbogen an der Luft am Grund der Fuge, und die rückwärtige Oberflächenseite der Fuge wurde geschweißt. Die chemischen Zusammensetzungen des verwendeten 9% Nickel-Stahls (Grundmetallmaterial) und des Schweißdrahts sind in der Tabelle XI veranschaulicht, die Schweißbedingungen in der Tabelle XII.

Tabelle XI

Tabelle XII

Nach dem Kühlen der Raupenoberfläche unter 100°C nach Beendigung des Schweißens wurde eine erneute Schmelzbehandlung unter Verwendung des WIG-Lichtbogens durchgeführt. Die Bedingungen der erneuten Schmelzbehandlung sind in der Tabelle XIII aufgeführt, in der die Kühlgeschwindigkeit die Dauer der Zeit darstellt, während der die Temperatur von 800 auf 500°C abfällt.

Tabelle XIII

Die resultierenden Schweißstöße bzw. -nähte wurden dem Schlagzähigkeitstest (JIS Z-3112, mit einer 4. Charpy-Testprobe bei -196°C) und einem Dreipunkt-Biege-COD-Test (BS Standard DD-19, mit zusätzlicher Ermüdungseinkerbung und bei -196°C) [die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle XIV aufgeführt], unterzogen.

Tabelle XIV

Die Analyse der Ergebnisse der Tabelle XIV zeigt, daß die Ergebnisse des Charpy-Tests nicht notwendigerweise mit den COD-Bewertungswerten übereinstimmen; die Niedrig-Temperaturzähigkeit der Naht, die einer erneuten Schmelzbehandlung gemäß der Erfindung unterzogen worden war, war vergleichbar der des Grundmetalls (Beispiele X-Z) und relativ sehr hoch im Gegensatz zum Vergleichsversuch Z (keine erneute Schmelzbehandlung). Der Vergleichsversuch X wurde bei langsamer Kühlgeschwindigkeit nach der erneuten Schmelzbehandlung durchgeführt (Tabelle XIII). In diesem Falle waren die COD-Werte, die eine Niedrig-Temperaturzähigkeit anzeigen, sehr gering, unabhängig davon, ab die Charpy-Testergebnisse ausgezeichnet waren. Der Vergleichsversuch Y wurde unter Verwendung eines Stahls mit einem großen Ni-Gehalt (Ni-Gehalt 17,4%, Tabelle XI) als Schweißdraht durchgeführt, und es war nicht zu erwarten, daß er die Vorteile der Erfindung zeigen würde.

Beispiel 8

Nach Durchführung mit dem gleichen Grundmetall, dem gleichen Fülldraht A, der gleichen Fugenbildungsmethode und unter den gleichen WIG-Schweißbedingungen wie im Beispiel 7, wurde die erneute Schmelzbehandlung unter Änderung der Raupenoberflächentemperatur durchgeführt (Hitzezufuhr 45 kJ/cm, Schutzgas: Ar. 30 l/Min., Breite der erneuten Schmelzzone: 2/3 W und Tiefe des erneuten Schmelzens: 1/2 t). Die Ergebnisse des Charpytests und des COD-Tests der resultierenden Stöße bzw. Fugen sind in der Tabelle XV aufgeführt.

Tabelle XV

Aus der Tabelle XV ist ersichtlich, daß die Raupen- bzw. Perlenoberflächentemperatur während der erneuten Schmelzbehandlung sich sehr stark auf die Niedrig-Temperaturzähigkeit auswirkte. Mit anderen Worten, verblieb das erfindungsgemäße Verfahren wirksam, wenn die Temperatur 150°C oder weniger betrug, jedoch erfolgte eine beträchtliche Verringerung der Niedrig-Temperaturzähigkeit, wenn die Temperatur 150°C überschritt (Vergleichsversuche O und P).

Claims (13)

1. Verfahren zum Schweißen eines ferritischen Stahls mit Hilfe eines mit Gleichstrom betriebenen WIG-Lichtbogenschweißverfahrens, bei dem der Stahl 3,5-9,5 Gew.-% Nickel, weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 100 ppm Stickstoff enthält, unter Anwendung eines Fülldrahtes, der 8-15 Gew.-% Nickel, 0,1-0,8 Gew.-% Mangan, weniger als 0,15 Gew.-% Silicium, weniger als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 0,1 Gew.-% Aluminium, weniger als 0,1 Gew.-% Titan, weniger als 0,0006 Gew.-% Bor, weniger als 100 ppm Sauerstoff und weniger als 100 ppm Stickstoff enthält, und bei dem man bei einer Summe des Sauerstoffsgehalts des Fülldrahtes und des doppelten Sauerstoffgehalts des Stahls von weniger als 200 ppm und einer Summe des Stickstoffgehalts des Fülldrahtes und des doppelten Stickstoffgehalts des Stahls von weniger als 200 ppm arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Fülldraht in die Säule des Lichtbogens zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und dem Stahl eingespeist wird, und daß auch der Fülldraht mit der Gleichstromquelle verbunden wird, und die Richtung der Gleichströme durch den Fülldraht und die nicht verschmelzende Elektrode gleich sinnig ist, wenn der Fülldraht bezogen auf die Schweißrichtung vor der nicht abschmelzenden Elektrode angeordnet ist, und entgegengesetzt ist, wenn ersterer hinter der letzteren angeordnet ist.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit geglättetem Gleichstrom geschweißt wird.

3. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fülldraht mit pulsierendem Gleichstrom gespeist wird.

4. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fülldraht mit Gleichstrompulsen gespeist wird.

5. Schweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Periode, in der der Fülldraht mit einem relativ hohen pulsierenden Gleichstrom gespeist wird eine Periode folgt, in der der Fülldraht mit einem relativ niedrigen pulsierenden Gleichstrom gespeist wird.

6. Schweißverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrompulse keine Rechteckimpulse sind.

7. Schweißverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide die Pulslänge und/oder die Pulspausenlänge variiert werden.

8. Schweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlängen variiert werden.

9. Schweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulshöhe variiert wird.

10. Schweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der pulsierenden Gleichströme variiert wird.

11. Schweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fülldraht maximal mit 200 A gespeist wird.

12. Schweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht abschmelzende Elektrode maximal mit 500 A gespeist wird.

13. Schweißverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Fülldraht angelegte Spannung geringer ist, als die an die nicht abschmelzende Elektrode angelegte Spannung.