DE3103247C2

DE3103247C2 - Mittelfrequenz-Impuls-Lichtbogenschweißverfahren für das Wolfram-Schutzgas-(WIG) Verbindungsschweißen

Info

Publication number: DE3103247C2
Application number: DE3103247A
Authority: DE
Inventors: Kouzi Yokosuka Kanagawa Ishiwata; Ichiro Ohta; Akio Yokohama Kanagawa Tejima; Masayuki Yokosuka Kanagawa Watando; Minoru Yokohama Kanagawa Yamada; Akira Chigasaki Kanagawa Yamaoka
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1980-03-18
Filing date: 1981-01-31
Publication date: 1985-01-10
Also published as: US4366362A; JPS56131071A; DE3103247A1; AU6636281A; AU538441B2

Abstract

Bei einem Wolfram-Schutzgas-Schweißverfahren mit gesteuerten Schweißstromimpulsen werden Gleichspannungsstromimpulse mit einer Frequenz von einigen Zehn bis einigen Hundert Hz (vorzugsweise von 30 bis 300 Hz) einer Elektrode zugeführt. Weiterhin werden Stromimpulse einem Schweißdraht zugeführt, so daß ein Lichtbogen gezwungen wird, zu schwingen, wodurch ein großes Schmelzbad aus geschmolzenem Metall in positiver und stabiler Weise aufgrund des hohen Lichtbogendruckes aufrechterhalten werden kann, wobei dieser Lichtbogendruck erhalten wird, wenn die Schweißstromimpulse zwischen einigen Zehn bis einigen Hundert Hz liegen.

Description

das Volumen des Schinclzbades aufgrund der Schwerkraft im KaII des Schweißens in allen möglichen Stellungen begrenzt. Das Schmelzbad kann insbesondere bei einer vertikal nach unten weisenden Schweißstellung nur sehr schwer aufrechterhalten werden. Dies wird im Zusammenhang mit F i g. 1 näher erläutert, in der ein Schmelzbad i 1, ein Grundmetall 2, ein Schweißbrenner 3 und ein Lichtbogen 4 dargestellt sind. In der vertikalen Schweißstelle lung neigt das Schmelzbad 1 dazu, aufgrund der Schwerkraft nach unten zu fließen, jedoch wird durch die || Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls das Schmelzbad 1 in gewissem Umfang aufrechterhalten. Das I Volumen des Schmelzbades, das aufgrund der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls aufrechterhal- |ΐ ten wird, ist natürlich begrenzt. Um das Volumen des Schmelzbades zu vergrößern, muß eine zusätzliche Kraft B auf das Schmelzbad ausgeübt werden. Bei einem vertikal nach unten gerichteten Schweißen treten sogenannte

I kalte Überlappungen auf, wenn der Randwinkel Θ, der von der Schweißbadoberfläche und der Werkstücksfläche j| gebildet wird, einen gewissen Grenzwert überschreitet, woraus schlechte Schweißverbindungen resultieren. Aus

II diesem Grund hat das vertikal nach unten gerichtete Schweißen eine niedrige Schweißrate.

|fj Wie oben beschrieben wurde, weist das Niederfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfahren eine niedrige Ablage-

% rungsrate auf. Zusätzlich ist die Möglichkeit, ein Schmelzbad aus Metall durch einen Lichtbogen aufrechtzuer- % halten, gering. Hieraus folgt, daß bei Anwendung des Niederfrequenz-WIG-Schweißverfahrens für ein Schweii^: ßen in allen möglichen Stellungen die Schweißeffektivität im Vergleich zu anderen Schweißverfahren, wie z. B. ii dem WIG-Schweißverfahren, weiterhin abnimmt.

Weiterhin gibt es Schweißverfahren, die man als »Mittelfrequenzimpuls-WIG-Schweißen« bezeichnen kann, da sie Frequenzen, die zwischen den hohen und niedrigen Frequenzen der oben beschriebenen WIG-Schweißi verfahren liegen, verwenden. Es ist allgemein bekannt, daß man mit Schweißstromimpulsen bei mittleren ;'■■ Frequenzen hohe Lichtbogendrücke erreichen kann; allerdings wird bei den Mittelfrequeiu';npuls-WiG-Schweißverfahren die Oberfläche des Schmelzbades aus Metall unmittelbar unter dem Lichtbogen aufgrund des hohen Lichtbogendrucks zusammengedrückt, so daß der Lichtbogen vom geschmolzenen Metall umgeben ist, welches eine Art Wall bildet Im Ergebnis ist die Raupenbildung nicht zufriedenstellend.

.; Darüber hinaus ist durch die DE-OS 29 42 856 ein WIG-Schweißverfahren bekanntgeworden, bei dem der

Lichtbogen in der fortschreitenden Schweißrichtung durch Pulsierer des Stromes, der durch den Schweiß- oder Füllungsdraht fließt, wellenförmig bzw. hin und her bewegt wird, wobei pulsierender Gleichstrom zugeführt wird. Durch die wellenförmige Bewegung des Lichtbogens soll insbesondere beim Schweißen unter verschiede- ·' nen Schweißlagen sowie mit hoher Schweißgeschwindgkeit vermieden werden, daß der Füllungsdraht in verfe- '■;■':, stigte Schweißraupen umgewandelt wird, wenn das Ende des Füllungsdrahtes von dem Schmelzbad aus irgend-

einem Grunde wegbewegt wird. Bei diesem Schweißverfahren wird jedoch die wellenförmige Bewegung des fe Lichtbogens entweder nur in der Schweißrichtung oder in der entgegengesetzten Richtung ermöglicht.
''■ Im Hinblick auf den Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein Wolfram-Schutz-

: i gas-Schweißverfahren anzugeben, bei dem Stromimpulse von mittleren Frequenzen verwendet werden, um U hohe Lichtbogendrücke zu erhalten, so daß Schweißungen mit hoher Qualität im Vergleich zu den Hoch- oder ': Niederfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfahren erhalten werden, und das in allen Stellungen ausführbar ist, wobei selbst im Fall eines vertikal nach unten oder nach oben gerichteten Schweißens das Schmelzbad in stabiler j Weise aufrechterhalten wird, d. h. also, auch dann aufrechterhalten wird, wenn eine nach abwärts gerichtete *;· Kraft auf das Schmelzbad ausgeübt wird, so daß insgesamt die Schweißeffektivität und -rate wesentlich verbessert werden

Diese Aufgabe wird bei einem WIG-Schweißverfahren gemäß der DE-OS 29 42 856 dadurch gelöst, daß auch '. der Wolframelektrode Stromimpulse zugeführt werden, die die gleiche Frequenz zwischen 30 und 300 Hz haben

wie die dem Schweißdraht zugeführten Stromimpulse, wobei die dem Schweißdraht zugeführten Stromimpulse ^: wechselnde Polarität aufweisen und das sich ausbildende, die Schwingungsbewegung des Lichtbogens verursachende Magnetfeld von der einstellbaren gegenseitigen Phasenlage der dem Schweißdraht und der Wolframelektrode zngeführtan Stromimpulse gesteuert wird.

Dadurch wird erreicht, daß die Lichtbogensäule eine gleichförmige Schwingbewegung sowohl in Richtung des Schweißens wie auch in entgegengesetzter Richtung ausführen kann, wobei gleichzeitig ein ausreichend hoher Lichtbogendruck erzielt wird. Hieraus resultiert letztendlich eine ausgezeichnete Stabilisierung des Schmelzba- ' des aus geschmolzenen". Metall auch dann, wenn eine abwärts gerichtete Kraft auf das Schmelzbad ausgeübt wird.

Die Patentansprüche 2 jnd 3 haben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 1 zum Gegenstand.
, Durch die Erfindung kann ein großes Bad aus geschmolzenem Kieiall in einer äußerst zufriedenstellenden und

stabilen Weise bei allen Schweißstellungen aufrechterhalten werden, womit folglich der Schweißwirkungsgrad, z. B. die Ablagerungsrate, beträchtlich verbessert werden kann. Da Stromimpulse im mittleren Frequenzbereich zur Anwendung kommen, wird die Induktivität des Elektrokabels keine nachteiligen Wirkungen hervorrufen, da auch bei einer Kabellänge von beispielsweise 100 m die Schweißbedingungen unverändert bleiben, wodurch das Verfahren gemäß der Erfindung mit Vorteil auf Baustellen zur Anwendung korn men kann.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel erläutert. :·■ Es zeigt

F i g. 1 die bereits erläuterte Darstellung eines Schmelzbades aus Metall bei einem Schweißen in verfik&ler Stellung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung gelangenden Einrichtungen. F i g. 3(a) und (b) Ansichten zur Erläuterung des Schwingens eines Lichtbogens,
F i g. 4(a) und (b) WelVnformen von Hauptimpulsen und Sub- oder Nebenimpulsen,
F i g. 5 die Beziehungen zwischen der Impulsfrequenz und dem Lichtbogendruck,

F i g. 6 und 7 Ansichten zur Erläuterung einer Überlagerung der Subimpulsc, F i g. 8 eine mit dem Schweißverfahren der vorliegenden Erfindung erhaltene Schweißung. In F i g. 2 sind ein »Schweißbrenner« 3, eine Wolframelektrode 8, ein Grundmetall 2, ein Schweißdraht S und ein Schweißdrahthalter 6, der mit Bezug auf die Schweißrichtung A an der Rückseite des Brenners 3 derart angebracht ist, daß der Schweißdraht S so weit wie möglich parallel zur Wolframelektrode 8 gehalten werden kann, gezeigt.

Eine Gleichspannungs-Impulsquelle 7 ist mit der Wolframelektrode 8 und dem Grundmetall 2 verbunden. Eine Impulsquelle 9 für den Schweißdraht 5 ist mit diesem und dem Grundmetall 2 verbunden. Die Impulsquellen 7 und 9 sind untereinander über eine Phasensteuerung 10 verbunden, die die von den Quellen 7 und 9 erzeugten

ίο Impulse in vorbestimmter Phasenbeziehung verriegelt.

Die Gleichstromimpulse (Hauptstrom) mit einer Frequenz von einigen 10 bis einigen 100 Hz fließen von der Gleichspannungs-Impulsquelle 7 zur Wolframelektrode 8, so daß dort der Lichtbogen erhalten wird. Zu Beginn des Schweißens steuert die Phasensteuerung 10 die Impulsquelle 9 so, daß diese die Sub-Stromimpulse (worunter im folgenden die dem Schweißdraht zugeführten Impulse oder Ströme zu verstehen sind) in synchroner

Phasenbeziehung mit den Hauptstromimpulsen zum Schweißdraht 5 überträgt. Die Spitze des Schweißdrahts

wird in den Hochtemperatur-Plasmastrahl im Schweiß-Lichtbogen geführt, so daß der Schweißdraht schnell zu einem Schmelzbad aus Metall geschmolzen wird. Die Bewegung des Lichtbogens unter diesen Bedingungen wird weiter unten erläutert.

Wenn, wie in Fig.4(a) gezeigt isi, der naupiiiium i_a und der Sub-Strom k in Phase sind, se wird ein

Magnetfeld rings um den Schweißdraht 5 aufgebaut, das die durch den Pfeil in F i g. 3(a) bezeichnete Richtung aufweist. Folglich wirkt das Magnetfeld Φι, so mit dem Lichtbogenstrom zusammen, daß der Lichtbogen in Richtung zum Schweißdraht 5 gezogen wird, was bedeutet, daß der Lichtbogen gezwungen wird, zum Schweißdraht 5 hin zu schwingen. Andererseits wird, wenn, wie in Fig.4(b) gezeigt ist, der Hauptstrom i_a und der Sub-Strom /* außer Phase sind, der Lichtbogen gezwungen, vom Schweißdraht 5 weg zu schwingen, wie Fig.3(b) zeigt. Wenn folglich die Polarität des Sub-Stromcs 4 zeitlich geändert wird, so wird der Lichtbogen gezwungen, um die Wolframelektrode 8 herum zum Schweißdraht 5 hin bzw. von diesem weg zu schwingen, und zwar mit einer Frequenz, die der Frequenz des Sub-Stromes /* entspricht.

Jedoch wird, wenn die Phasenbeziehung zwischen dem HaupMirom i_a und dem Sub-Strom i_b nicht verriegelt wird, die Schwingbewegung des Lichtbogens wahllos gestört, so daß eine gesunde Schweißung nicht erhalten t

werden kann. f

Deshalb kommt gemäß der Erfindung eine Phasensteuerung 10 zur Anwendung, so daß der Hauptstrom i_c und ^: _t der Sub-Strom ;* in vorbestimmter Phasenbeziehung verriegelt werden können, womit eine gleichförmige ' Schwingbewegung des Lichtbogens erhalten werden kann.

Da der Lichtbogen regelmäßig gleichförmig über das Schmelzbad aus Metall schwingt, wie oben beschrieben „

wurde, und da das Mittelfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfahren einen hohen Lichtbogendruck erzeugt, kann »1 die Aufrechterhaltung des Schmelzbades aus Metall im Vergleich zu den Hoch- oder Niederfrequenzimpuls- ν WlG-SchwciSvcrfahrcn bctr ächilich verbessert cdsr "este!"srt werden. _

Gemäß der Erfindung werden der Hauptstrom /_a und der Sub-Strom U so gesteuert, daß sie synchrone Phasen zwischen 0° und 180° aufweisen, wie in F i g. 4 gezeigt ist. Wenn der Hauptstrom i, und der Sub-Strom /* in Phase

sind, wie in Fig.4(a) gezeigt ist, so wird der Lichtbogen zum Schweißdraht 5 hin gezogen; sind die Ströme dagegen außer Phase, d.h. um 180° verschoben, wie in Fig.4(b) gezeigt ist, so wird der Lichtbogen vom Schweißdraht 5 weggezogen. Im Ergebnis kann eine gleichförmige Schwingbewegung des Lichtbogens aufrechterhalten werden, und das Schmelzbad aus Metall wird folglich stabilisiert. Zusätzlich kann die Schwingbewegung des Lichtbogens auch lediglich durch den niedrigen Sub-Strom k aufrechterhalten werden. Folglich

kann der Lichtbogen in optimaler Weise in Abhängigkeit von verschiedenen Schweißbedingungen, wie z. B. den Hauptstrom /* die Menge an verwendetem Schweißdraht usw., gesteuert werden.

In F i g. 4 ist der Sub-Strom i_b mit rechteckiger Wellenform dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß er auch irgendeine andere geeignete Wellenform aufweisen kann, z. B. eine Sinuswelle.

Die F i g. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Lichtbogendruck und der Frequenz der Schweißstromimpulse.

so Es ist zu erkennen, daß der Lichtbogendruck bei einer Frequenz zwischen 20 und 500 Hz (Mittelfrequenz) einen Spitzenwert erreicht. Verglichen mit den Lichtbogendrücken, die durch konstanten Strom oder Hochfrequenzimpulse erhalten werden, ist dieser Lichtbogendruck von beträchtlicher Größe. Wenn folglich die Frequenz zwischen 20 und 500 Hz ist, so kann ein großes Volumen eines Schmeizbades aus Metall stabil aufrechterhalten werden. Wenn die Frequenz nahe bei 20 Hz ist, so werden intermittierende Veränderungen in der Wärmezufuhr

zum Lichtbogen und dem Lichtbogendruck deutlich, und die Raten, mit denen das Grundmaterial und der Schweißdraht geschmolzen werden, sinken, so daß die gewünschten Schweißraten nicht erhalten werden. Wenn andererseits die Frequenz nahe an der oberen Grenze, d. h. bei 500 Hz. gewählt wird, so wird der Lichtbogen »hart«, so daß die magnetische Steuerung der Lichtbogenbewegung nicht erhalten werden kann. Im Hinblick darauf liegt ein optimales Frequenzband zwischen 30 und 300 Hz.

Gemäß der Erfindung wird in Abweichung von den Hoch- oder Niederfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfah- _; , ren der Lichtbogen nicht auf einen Punkt auf der Oberfläche des Schmeizbades konzentriert, sondern er wird "■ gezwungen, synchron mit der Frequenz der Impulse von 30 bis 300 Hz dreidimensional zu schwingen. Das hat zum Ergebnis, daß elektromagnetische Druckwellen erzeugt und radial über das Schmelzbad ausgebreitet ,; werden. Diese dynamische Lichtbogensäule wird gleichförmig in Richtung des Schweißens und in entgegenge-

bi seizter Richtung (nach links und rechts in F i g. 3) durch den synchronisierten Sub-Strom oder -Impuls geschwun- ,^ gen. Zusätzlich wird die Phase, wie oben beschrieben wurde, gesteuert Als Ergebnis wird, selbst wenn eine nach abwärts gerichtete Kraft auf das Schmelzbad ausgeübt wird, wie es im Fall eines vertikal nach unten oder nach .-■ oben gerichteten Schweißens auftritt, das Schmelzbad in stabiler Weise aufrechterhalten, so daß die Schweißef- Ä

!aktivität oder die Ablagerungsrate beträchtlich verbessert werden können.

Vorteilhafterweise kann, um ein Schmelzbad aus Metall von großem Volumen aufrechtzuerhalten und folglich die Schweißeffektivität oder die Ablagerungsra'.e zu verbessern, ein negativer oder ein positiver Gleichstrom ι dem Sub-Strom /», der durch den Schweißdraht 5 fließt, überlagert werden, wie in F i g. 6 und 7 gezeigt ist. Hierzu dient eine (nicht dargestellte) Gleichstromslcuerung, so daß ohne Änderung der Amplitude der Schwingbewegung des Lichtbogens dessen Schwingen nach vor- oder rückwärts in Abhängigkeit von der Schweißstellung gesteuert werden kann. Als Ergebnis kann ein Schmelzbad aus Metall in stabiler Weise aufrechterhalten werden.

Die F i g. 6 zeigt einen Sub-Strom lh, dem ein negativer Gleichstrom i überlagert wurde, während F i g. 7 einen Sub-Sti'om taziegt.dem ein positiver Gleichstrom /überlagert wurde.

Die Polarität des Gleichstromes / wird in Abhängigkeit von einer vertikal nach unten oder oben gerichteten Sehweißstellung geändert, während die Größe des Stromes / in geeigneter Weise ausgewählt wird und in Abhängigkeit von der Schweißstellung auch Null sein kann, so daß ein erwünschtes Schmelzbad aus Metall aufrechterhalten und eine vorbestimmte Wärmezufuhr zum Schweißdraht, d. h. ein vorbestimmter Effektivwert, eingehalten werden kann.

Bei vertikal nach unten gerichteter Schweißstellung wird, wenn der Lichtbogen, wie oben beschrieben wurde, geschwungen, die Oberfläche des Grundmetalls unterhalb des Schmelzbades auf hohe Temperaturen vorgeheizt, so daß der Randwinkel β (vgl. Fig. 1) klein wird und folglich »kalte Überlappungen« oder Schmelzfehler vermieden werden können.

Im folgenden werden einige Beispiele bzw. Ergebnisse der Erfindung beschrieben. Zwei Rohre mit einem Durchmesser von 44ÖÖ mm aus Stahl mit einer Zugfestigkeit von 60 kg/iimr wurden unter 45° geneigt und mit einer umlaufenden Kehle mit schmalem Spalt gegeneinander gedrückt. Die Kanten wurden durch ein Einseiten- und ein All-Stellungs-Schweißen verbunden. Der Schnitt der Schweißung ist in F i g. 8 gezeigt. Das Schweißen begann vom Boden der umlaufenden Rille aus, die Schweißposition von »eben« über vertikal aufwärts zu »Überkopf« geändert. Unter den gleichen Bedingungen wurden halbkreisförmige Kanten geschweißt, wie in der nachfolgenden Tabelle I gezeigt ist. Die Schweißbedingungen wurden ohne Rücksicht auf die Schweißstellung bei jedem Durchlauf unverändert belassen. Die verwendete Elektrode hatte einen Durchmesser von 4,0 mm und war aus 2% Tn-W. Die Schweißbrenner-Hin- und Herbewegung war unter 40° geneigt. Argonschutzgas wurde mit 20 l/min zugeführt. Die Temperaturdifferenz zwischen den Raupen wurde auf 100°C gehalten.

Aus F i g. 8 und Tabelle 1 ist zu ersehen, daß Rohre mit großer Wandstärke mit einer minimalen Anzahl von Durchgängen miteinander verbunden werden, was bisher durch irgendwelche bekannten All-Stellungs-WIG-Schweißverfahren nicht möglich war. Mit Ausnahme der 6. Schicht bedeckt jeder Wulst vollständig die volle Breite der Kehle. Insbesondere der erste oder eindringende Wulst ist 8 mm dick. Ein mittlerer Wulst überdeckt vollständig die Kehlenbreite von 16 mm.

In Tabelle 2 wird das WIG-Schweißverfahren für alle denkbaren Stellungen gemäß der Erfindung mit dem vor kurzem entwickelten Impuls-MIG-Schweißverfahren verglichen. Bei beiden Verfahren lag die Wärmeenergie-Zufuhr bei 33 000JZCm.

Es ist zu erkennen, daß das Schweißverfahren gemäß der Erfindung nicht nur bezüglich der Ablagerungsrate, sondern auch bezüglich des Gewichts des pro Längeneinheit abgelagerten Metalls dem MIG-Schweißverfahren weit überlegen ist. Beispielsweise ist selbst im Fall der schwierigsten Überkopf-Schweißstellung das Gewicht des abgelagerten Metalls pro Längeneinheit 5,6 g/cm.

Die Tabelle 3 erläutert die Schweißbedingungen, wenn Edelstahlrohre mit 304,8 mm bzw. 558,8 mm Durchmesser mittels des All-Stellungs-Schweißverfahrens gemäß der Erfindung sowie mit bekannten All-Stellungs-Sehweißverfahren verbunden werden.

Aus der Tabelle 3 ist leicht zu erkennen, daß durch das Schweißverfahren gemäß der Erfindung im Vergleich mit den bekannten Schweißverfahren die Anzahl der Durchgänge beträchtlich verringert werden kann. Wenn der Zeitverlust aufgrund der intermittierenden Unterbrechung des Schweißens für das Bilden einer neuen Raupe in Betracht gezogen wird, so wird im Ergebnis die gesamte Effektivität bemerkenswert gegenüber den bekannten Schweißverfahren verbessert.

Die Tabelle 4 zeigt die Schweißbedingungen, bei denen ein Vorspannungsstrom dem Sub-Strom überlagert und verändert wird. Der Schweißstrom war 220 A, die Schweißspannung 9,5 V, die Schweißgeschwindigkeit 10 cm/min, die Hin- und Herbewegungs-Geschwindigkeit 120 bis 130 cm/min und die Schwenkbreite 4 bis 8,5 mm.

Tabelle Schicht Hauptstrom Sub-Strom Schweiß-Geschw. Ablagerungsrate Gewicht des

(Durchlauf Nr.) in Ampere in Ampere in cm/min in g/min abgelagerten Metalls

pro Längeneinheit in g/cm

10

I.Schicht (Nr. 1)

2. Schicht (Nr. 2)

3. Schicht (Nr. 3)

4. Schicht (Nr. 4)

5. Schicht (Nr. 5)

6. Schicht (Nr. 6)

25

30

35

40

45

50

dito (Nr. 7)

420

430

420

300

Tabelle

10

40

45

40

30

4,4 5,0 5,6 5,6 5,0 3,0 3,0

Zu verbindende Werkstücke Rohre mil 4400 mm Durchmesser und 35 mm Wandstärke aus HT Die Achsen der gegeneinander-sloßenden Rohre waren

um 45" geneigt.

Schweißverfahren Impuls-MIG-Schweißen

Erfindung

dito

g/min
4,4 g/cm

000 Joule/cm

Schichten in

Durchgängen

Schweißstellung	vertikal eben — nach ob
Ablagerungsrate	45 g/min
Gewicht des abgelagerten Metalls pro Längeneinheit	5,6 g/cm
Wärmezufuhr	33 000 )oule/cm
Anzahl der Schichten	6 Schichten in 7 Durchgängen

55

60

Tabelle Zu verbindende Werkstücke Rohre mil 304,8 mm Durchmesser und

22 mm Wandstürke ;:us SUS

Sdiwcißvcrfiihren

Nieder- lirfinclung Hochfrequenz- Nicdcr-

frcqucnz- Impuls-V/IG frequcnz-

Impuls- Impuls-WIG

WIG

Rohre mit 558,8 mm Durchmesser und 3b mm Wandstärke aus SUS 3(M

Krfindung

HochfrtqutnziiTipuls-lG

Mittlerer Schweißstrom [A; Hz]	150A I - 2 Hz	240A 100 Hz	250A 20 kHz	150Λ 1-2 Hz	240A 100 Hz	250A 2OkHz
Schweißdraht	kalt	mit Sub- strom	kalt	killt	mitSub- sirom	kalt
Mittlere Schweißgeschw. [cm/min]	10	10	10	10	10	10
Maximale Vv'ärme- zufuhr[J/min]	8000	14 000	15 000	8 000	14000	15 000
Zahl der Durchgänge	45	15	25	81	32	45
Lichtbogenzeit [h]	7,4	2,5	4,2	22,2	8,8	12,5
Maximale Ablage rungsrate [g/min]	8,0	24,0	15,0	8,0	24,0	15,0
Kritische Abla gerungsrate [g/cm]	0,8	2,4	1,5	0,8	2,4	1,5
Tabelle 4
Test Nr. Richtung des hori zontalen Schweißens	SP/RP-Vcrhiilinis des Sub-Slromes //,		Ablagcrungs- rate [g/cm]	Kritische Ablagerungsrate [g/cm]	Ergebnis

nach oben nach unten nach oben nach unten	SP/RP 5/5 (keine Vorspannung) SP/RP 0/10	10/0	20 20 15 20	2.0 2,0 1.5 2,0	gut gut mittel gut
nach oben nach unten	SP/RP	8/2	20 16	2,0 1,6	gut mittel
nach oben nach unten	SP/RP	2/8	25 18	2,5 i,8	ausgezeichnet mittel
nach oben nach unten	SP/RP	18 25	1,8 2,5	mittel ausgezeichnet

Das SP/RP Verhältnis ist das Verhältnis zwischen den Komponenten gleicher Polarität (SP) und Komponenten umgekehrter Polarität (RP) des Sub-Stromes ib-

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wolfram-Schutzgas-Nahtschweißverfahren, bei dem die Wolframelektrode und der Schweißdraht jeweils an einen Anschluß zweier unterschiedlicher Stromquellen liegen, die mit ihrem jeweils anderen An-

Schluß am Werkstück angeschlossen sind, wobei dem in Schweißrichtung hinter der Wolframelektrode liegenden Schweißdraht ein pulsierender Strom zugeführt wird und je nach Polarität von Wolframelektrode und Schweißdraht der Lichtbogen von dem sich ausbildenden Magnetfeld in Richtung der Schweißbewegung oder ihr entgegen abgelenkt wird und der Ablenkungsgrad durch Verändern der Stromamplitude und -frequenz eingestellt wird, wodurch eine Schwingbewegung des Lichtbogens mit vorgegebener Amplitude

ίο und Richtung für jeden zur Herstellung der Schweißung erforderlichen Arbeitsgang ermöglicht wird, d a -durch gekennzeichnet, daß auch der Wolframelektrode Stromimpulse (k) zugeführt werden, die die gleiche Frequenz zwischen 30 und 300 Hz haben wie die dem Schweißdraht zugeführten Stromimpulse (k), wobei die dem Schweißdraht zugeführten Stromimpulse wechselnde Polarität aufweisen und das sich ausbildende, die Schwingungsbewegung des Lichtbogens verursachende Magnetfeld von der einstellbaren gegen-

seitigen Phasenlage der dem Schweißdraht und der V/olframelektrode zugeführten Stromimpulse gesteuert wird.

2. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Schweißens die dem Schweißdraht und die der Wolframelektrode zugeführten Stromimpulse in einer gegenseitigen synchronen Phasenbeziehung verriegelt werden.

Μ 3. Scbveißverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den dem Schweißdraht zugeführten Stromimpuisen (7^ ein Gleichstrom (i) überlagert wird.

Die Erfindung bezieht sich e.uf ein Wolfram-Schutzgas-Nahtschweißverfahren, bei dem die Wolframelektrode und der Schweißdraht jeweils am einen Anschluß zweier unterschiedlicher Stromquellen liegen, die mit ihrem jeweils anderen Anschluß am Werkstück angeschlossen sind, wobei dem in Schweißrichtung hinter der Wolframelektrode liegenden Schweißdraht ein pulsierender Strom zugeführt wird und je nach Polarität von

Wolframelektrode und Schweißdraht der Lichtbogen von dem sich ausbildenden Magnetfeld in Richtung der Schweißbe\»egung oder ihr entgegen abgelenkt wird und der Ablenkungsgrad durch Verändern der Stromamplitude und -frequenz eingeteilt wird, wodurch eine Schwingbewegung des Lichtbogens mit vorgegebener Amplitude und Richtung, für jeden zur Herstellung der Schweißung erforderlichen Arbeitsgang ermöglicht wird. Da durch das Wolfram-Schuf^gas-Schweißverfahren (WIG-Schweißverfahren) Schweißungen mit exzellenter

Qualität erhalten werden, wird es in großem Umfang zum Verschweißen verschiedenartiger Rohre in jeglichen denkbaren Schweißstellungen verwendet. Allgemein kann man die WIG-Schweißverfahren in Niederfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfahren und in Hochfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfahren aufteilen. Das Niederfrequenzverfahren ist recht weit verbreitet, während das Hochfrequenzverfahren für spezielle Zwecke reserviert

Beim Niederfrequenz-WIG-Schweißverfahren wird der Schweißstrom durch elektrische Stromimpulse mit niedrigen Frequenzen von wenigen Hertz gesteuert, während der »Schweißbrenner« bewegt wird. Die Schweißzone wird wiederholt geschmolzen und verfestigt, wobei ein Wulst oder eine Schweißraupe erhalten wird. Aus diesem Grund ist das Niederfrequenz-WIG-Schweißverfahren am besten geeignet, um Schweißungen in allen möglichen Stellungen auszuführen. Zusätzlich sind die Hochfrequenzimpuls-WIG-Schweißmaschinen konstruk-

tiv einfach und im Betrieb sehr effizient, wenn sie »vor Ort« benutzt werden. Allerdings weist das Niederfrequenz-WIG-Schweißen eine prinzipielle in Begrenzung in der Schweißeffektivität auf, der darin besteht, daß die Metallablagerungsrate gering ist. Beispielsweise ist bei einer vertikal nach unten weisenden Schweißstellung, die am gebräuchlichsten ist, die Metallablagerungsrate kleiner als 8 g/min (bei einer Wärmezufuhr von 7500 J/cm). Folglich muß die Anzahl von Durchgängen vergrößert werden, so daß die zum Wickeln der Schweißkabel und

der Schläuche für das Schutzgas benötigte Einrichtzeit vergrößert wird und folglich das Schweißen absatzweise für eine relativ lange Zeit unterbrochen werden muß. Insofern ist die Produktivität gering.

Beim Hochfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfahren werden hochfrequente Lichtbögen von 2000 bis 25 000 Hz verwendet. Synchron mit einem mechanischen Schwenken eines Schweißbrenners wird der Ausgang des Hochfrequenzstromes gesteuert, wodurch die Rohre in allen Stellungen geschweißt werden können. Da ein

Lichtbogen mit geringem Querschnitt und guter Stabilisierung erhalten werden kann, kann ein zufriedenstellendes Eindringen erreicht werden, selbst wenn Kehlen oder Spalte sehr schmal sind. Auch kann im Vergleich zum Niederfrequenz-WIG-Schweißverfahren ein großes Schmelzbad aus Metall aufrechterhalten werden. Allerdings hat auch das Hochfrequenzimpuls-WIG-Schweißverfahren einen Nachteil. Wenn nämlich der Abstand zwischen einer elektrischen Energiequelle und dem Brenner einige Meter überschreitet, so werden die Hochfre-

quenzkomponenten aufgrund der Induktivität des Schweißkabel in ihrer Wirksamkeit plötzlich verschlechtert. Im Ergebnis könner daher die gewünschten, dem Hochfrequenz-WIG-Schweißverfahren eigentümlichen Schweißergebnisse nicht unter allen gebräuchlichen oder üblichen Schweißbedingungen erhalten werden und insofern wird die Effektivität im Schweißen in allen denkbaren Stellungen nachteilig beeinflußt. Beispielsweise ist im Falle des vertikal nach unten gerichteten Schweißens die Mctallablagerungsrate in der Größenordnung

b5 von 15 g/min (mit einer Wärmezufuhr von 15 000 J/cm).

Die Effektivität des Schweißens in allen denkbaren Stellungen wird wesentlich dadurch beeinflußt, wie gut ein Schmelzbad aus Metall aufrechterhalten wird. Grundsätzlich muß ein großes Schmelzbad aus Metall aufrechterhalten werden, um die Metallablagcrungsrate und folglich die Schweißeffektivität zu verbessern. Allerdings ist