DE3328272A1

DE3328272A1 - Schweisssystem

Info

Publication number: DE3328272A1
Application number: DE19833328272
Authority: DE
Inventors: John Garnet Mississauga Ontario Church
Original assignee: Performance Process International Ppi
Current assignee: Performance Process International Ppi
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1983-08-02
Publication date: 1984-02-09
Also published as: SE8304232D0; BR8304110A; GB2124531B; SE454854B; SE8304232L; US4463243A; FR2531358B1; JPS5945084A; GB8320769D0; DE3328272C2; BE897430A; SE454854C; IT1159461B; CA1189152A; MX168124B; FR2531358A1; IT8367805A0; GB2124531A; JPH0317590B2; CH656821A5

Description

Die Erfindung betrifft Lichtbogenschweißen, und insbesondere ein allgemein als Gasmetallichtbogenschweißen ( Gas Metall-Are, GMA) bekanntes Vorfahren.

Bei diesem Verfahren wird die Hitze zum Schweißen durch einen elektrischen Strom erzeugt, der zwischen einer Abschmelzelektrode und einem getrennten Werkstück fließt. Die Elektrode verzehrt sich sölbst nach Maßgabe ihres kontinuierlichen Vorig schubs zum Schweißbereich und wird dabei zum Zusatzmaterial, das sich mit dem Grundwerkstoff vermischt oder legiert, um die Schweißnaht zu bilden. Das Puddle- oder Schweißgut wird durch eine Gasumhüllung von Verunreinigung geschützt. Diese Gasumhüllung oder -abschirmung besteht aus einem die Elektrode und das Schweißgut umgebenden Gasstrom.

Die Erfindung betrifft eine einmalige Kombination von Schweißgasen, Elektrodendurchmessern und Stromdichten, durch die eine verbesserte Schweißnaht oher -verbindung bei einer Schweißauftragungsgeschwindigkeit geschaffen wird, die gegenüber den bekannten GMA-Schweißverahren wesentlich schneller verläuft. Aus dem Nachstehenden wird ersichtlich, daß das Gasschweißsystem nach der Erfindung folgen-

2^ de Vorteile aufweist:

bessere Schweißgeometrie, schwefelfreier Schweißauftrag, weit vorteilhaftere physikalische Eigenschaften der Schweißverbindung gegenüber den herkömmlichen Schutz - oder Umhüllungsgasgemischeη und eine Durchdringung oder Eindringtiefe, die zu 100% igen Schweißstellen mit vorteilhafter Schmelzschwei-

Bung bei bis zu 1 ,27 cm (1/2 Zoll) dicken Platten mit einer Schweißraupe beiderseits einer Stumpffuge und ohne weiterführende Vorbearbeitung der Platten führt. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft beim Schweißen von kohlenstoffarmen Flußstahl, mitttleren und unlegiertem Stahl, sowie schwachlegierten hochfestem Stahl und zeitigt auch bei rostfreiem Stahl sowie bei verschiedenen Legierungen und Kupfer hervorragende Ergebnisse.

Es sind drei verschiedene Arten von GMA-Schweißverfahren bekannt, die sich durch ihre Lichtbogeneigenschaften sowie durch die Art und Weise unterscheiden, nach der Metall von Abschmelzelektrode auf das Werkstück übertragen wird.

Hierbei wird in einem ersten Verfahren dee Sprühlichtbogenschweißens Metall vom Ende der Elektrode auf das·. Werkstück oder Schweißgut in einem Fluß oder einer Reihe von kleinen Schmelztröpfchen übertragen. Die Übertragung beim Sprühlichtschweißen lauft ab bei bisher als relativ hoch angesehenen Stromdichten, die jedoch im allgemeinen nicht über 130 000 Ampere je Quadratzoll (Elektrodenquerschnittfläche) bei einer Auftragsgeschwindigkeit von 54-Gramm bis I36 Gramm pro Minute (0,12 bis Q,30 lbs/min) hinausgehen. Die Schweißdrahtdurchmesser liegen in der Regel im Bereich von 0,76 cm (0,30 Zoll) bis 1,57 cm (0,62 Zoll). Die Übertragung wird pormalerweise in Argon oder in einer mit Argongas angereicherten Atmosphäre durchgeführt.

Beim nächsten zu erwähnenden Verfahren kommt es zur

globoidalen Übertragung, bei der ein verhältnismäßig großes Kügelchen am Elektrodenende gebildet wi£d und dann auf das Werkstück fällt, wenn die Schwerkraft die Oberflächenspannung des Schmelztropfens überwindet. Bei der Überführung des Kügelchöns über den Lichtbogen wird es den Kräften im Lichtbogen ausgesetzt und nimm+: dabei eine unregelmäßige Gestalt sowie eine rotierende Bewegung an. Dies führt manchmal dazu, daß sich das Kügelchen wieder mit der Elektrode und dem Grundwerkstoff verbindet und somit einen Kurzschluß bewirkt, wobei der Lichtbogen für diesen Augenblick gelöscht wird. Eine Übertragung dieser Art läuft bei gegenüber dem Sprühlichtschweißen niedrigeren Stromdichten sowie

15" unter verschiedenartigen Schutz- oder Umhüllungsgasen ab.

Die KurzSchlußübertragung des dritten Verfahrens eignet sich aufgrund der relativ geringen Wärmeübertragung besonders gut zum Schweißen von dünnem Profilstahl. Bei einer derartigen übertragung wird am Ende der Elektrode ein aus flüssigem Metall bestehendes Kügelchen gebildet, das: zunehmend länger wird, bis es zum Kontakt und somit zum Kurzschluß kommt. Auch hier kommt die Metallübertragung durch Schwerkraft und Oberflächenspannung zustande. Wird die globulare Brücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück durch eine Pinch- oder Quetschkraft zerbrochen, kommt es zu einer Unterbrechung des Lichtbogens, wonach der Lichtbogen wiederhergestellt wird; und der Zyklus erneut einsetzt. Normalerweise wird eine solche Übertragung in einer Schutzgasatmosphäre

aus Kohlendioxid, Argon/Kohlendioxid oder Helium durchgeführt. Werden hier hohe Stromdichten und normale Lichtbogenspannungen verwendet, läuft die Metallübertragung bei diesem "Verfahren weit heftiger ab, so daß es zu einem Verspritzen des Schweiß- oder Zusatzmaterials kommt, und zwar derart, daß eine Schweißung zustande kommt, die sowohl nach ihrem Aussehen als auch ihrer räumlichen Beschaffenheit nicht zufriedenstellend ist.

Die Gharakteristika der Metallübertragung in den drei Verfahren lassen sich wie folgt zusammenfassen!

Verfahren Metallübertragung

1. Sprühlichtbogen Besonders kleine Tröpfchen

(langer Lichtbogen) kein Kurzschließen

2. Globular Große Tröpfchen «- will-

(langer Lichtbogen) kürlich auftretender Kurzschluß möglich

3· Kurzschluß

(kurzer Lichtbogen) Kurzschließen

Beim Gasmetallichtbogenschweißen von Nichteisenstoffen werden am häufigsten Argon und Helium als Schutzgase verwendet, die beide vollständig inert sind. Obgleich diese beiden Gase gleichermaßen inert sind, unterscheiden sie sich jedoch hinsichtlich ihrer Eigenschaften. Diese Unterschiede spiegeln sich in der

Metallübertragung durch den Lichtbogen hindurch, in der Schmelznahtdurchdringung, der Gestalt der Schweiße und der Hintersehneidung sowie weiterer Schweißvariablen wieder.

Hierbei weist Helium eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Argon auf. Für eine gegebene Lichtbogenlänge und einen gegebenen Strom liegt die Lichtbogenspannung beim Schutzgar Helium höher als beim Schutzgas Argon. Demzufolge wird auch mit einem gegebenen St£om beim Schutzgar Helium mehr Wärme erzeugt als bei Argon als Schutzgar. Hierdurch erweist sich Helium für das Schweißen von dicken Metallen, insbesondere denen von hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium- und Kupferlegierungen als vorteilhafter.

Demgegenüber zieht man Argon vor, wenn man dünnere Teile aus Metall und Metalle mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit verschweißt. Dies trifft insbesondere beim Schweißen in von der Flachstellung abweichenden Stellungen zu.

Die Schweißraupen— und durchdringungsmuster weichen für Argon und Helium sowie deren Gemischen voneinander ab. Die mit Helium geschaffenen Schweißungen haben gegenüber denen mit Argon breitere Raupen. Auch sind die Schweißstellen, die unter Argon durchgeführt wurden, in der Mitte tiefer durchdrungen als an den Kanten. Helium wurde dem Argon beigegeben, um die Druchdringung der Verbindungsstelle unter Wahrung der gewünschten Metallübertragungscharakteristik von Argon zu erhöhen. Die Form oder Gestalt der Schweißraupe und Durchdringung werden von diesen Charakteristiken der Metallübertragung weitgehend be-

einflußt. Die Übertragung beim Sprühlichtbogenschweißen führt aufgrund des Plasmaeffekts zu relativ tiefer Durchdringung längs der- Mittellinie der Schweißungen und zu relativ flacher Durchdringung an den Rändern. Die Übertragungen beim Globular- und Kurzschlußverfahren führen zu breiterer und flacherer Durchdringung. In der Regel läßt sich die Übertragung beim Sprühlichtbogenverfahren leichter unter Argon als Helium durchführen.

Obgleich die reinen Inertgase bei der Verwendung zum Schweißen von Nichteisenmetallen oftmals unerläßlich oder wünschenswerter sind, so liefern sie jedoch bei der Verwendung zum Schweißen von Eisenmetallen nicht immer die günstigsten Arbeitsweisen.

Es besteht dabei unter reinem Argon als Schutzgas die Neigung, daß das Metall von der Verbindungslinie oder Schweißspitze bei Kohlenstoffstahl und den meisten niedriglegierten Stahlsorten wegströmt und nicht zu dieser Linie oder Spitze hinströmt.

Darüber hinaus ist die Metallübertragung regellos und spritzartig. Dieser Tatbestand ändert sich jedoch auch nicht zum Besseren, wenn Helium oder Argon-Heliumgemenge verwendet werden.Auch beim Schweißen der höherlegierten Eisenmetalle verläuft die Metallübertragung unter reinem Inertgas als. Schutzgas ähnlich regellos und spritzerhaft.

Die Zugabe eines reaktionsfähigen Gases wie Sauerstoff oder Kohlendioxid zum Argon stabilisiert den Lichtbogen und fördert die Metallübertragung, wobei das Verspritzen auf ein Mindestmaß beschränkt wird.

Gleichzeitig wird durch eine derartige Zugabe die Gestalt des Querschnitts der Schweiße veräildert und die Netzung und der Fluß des Schweißmötails längs der Kanten der Schweiße im gekohltön und niedriglegierten Stahl gefördert.

Das reaktionsfähige Gas vermindert oder beseitigt dabei auch noch den Hinterschnitt. Durch diese Veränderung im Querschnitt, eine Verminderung im Mittelfinger der Durchdringung, wird die Porositat verringert.

Die beim Kurzschlußverfahren angewandten Schutzgase unterscheiden sich oft von denen, die im Tropfverfahren verwendet werden. Beispielshalber werden häufig zum Umhüllen von Stahl beim Kurzschlußverfahren der Übertragung Argon/Kohlendioxidgemische verwendet;-, sie kommen jedoch, wenn überhaupt, nur selten bei der Übertragung nach dem Tropfenverfahren zur Anwendung. Es werden Argon oder Argon/Heliumgemische zum Abschirmen der meisten Nichteisenmetalle verwendet. Reaktionsfähige Gase oder Gemische aus inerten und reaktionsfähigen Gasen werden beim Verbinden von Stahlteilen verwendet.

Mehratomare oder "Hochspannungs"-Gase werden in Schutzgemischen beim Kurzschlußschweißen häufiger als beim Tropfübertragungsschweißen verwendet, um die Wärmezufuhr sowie die Netzung zu erhöhen. Der Prozentsatz des reaktionsfähigen Gases muß beschränkt werden auf die Kontrolle der Gasmetallreaktionen, die metallurgisch schädlich sind.

Argon/Kohlendioxidgemische arbeiten zur Abschirmung von rostfreiem Stählen zufriedenstellend, sie er-

höhen jedoch den Kohlenstoffgehalt des Schweißguts und senken die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei Schweißungen mit mehreren Durchgängen. Es wurde ein weniger reaktionsfähiges Schutzgemisch aus 90% Helium - 7,5% Argon - 2,5% Kohlendioxid zur Sicherung einer hinreichenden Korrosionsbeständigkeit und zur Verminderung der Oxidation der Schweiße verwendet. Bei diesem Gemisch wird die Wärmezufuhr für einen gegebenen Strom durch - sowohl das Helium als auch das Kohlendioxid erhöht.

Auch wird durch das Kohlendioxid die Lichtbogenstabilität verbessert. Demzufolge erhält man eine bessere Netzung und eine bessere· Schweißform.

Ein weiteres Beispiel der Wirkung des Schutzgasgemisches ergibt beim Tropfen oder Globularübertragungsverfahren unter Verwendung von Kohlendioxid als Schutzgas eine Übertragung die gekennzeichnet ist durch gegenüber dem Elektrodendurchmesser größere Tropfen oder Kügelchen (gewöhnlich die zweifache Größe), wobei jedoch die Tröpfchenübertragung regellos und nicht axial ist. Wird Argon dem Schutzgas beigegeben, verändern die mit Argon angereicherten Kohlendioxidgase die Tröpfchen auf kleinere Größe, die unter dem Durchmesser des Schweißdrahtes liegt, und diese werden koaxial mit der Elektrode übertragen. Die Schwerkraft führt in Zusammenwirkung mit den elektromagnetischen Kräften zu einem weiterführenden Werkstoff transfer. Mit weiteren Beimengungen von Argon geht die Tröpfchengröße noch weiter zurück, bis die Übertragung nach dem Sprühlichtbogenverfahren abläuft, ohne daß es zu Kurzschlüssen kommt»

-r-⁾⁵

In einem in der Februarausgabe 1975 erschienenden Artikels des "Metalworking Engagement" wurde von dem Anmelder dieser Erfindung, John Church, der Hintergrund des Plasmaschweißverfahrens (Plasmig Welding Process) beschrieben, das er 1971 entwickelte. In diesem Artikel beschreibt John Church dieses Verfahren, in dem das Dreigasgemisch aus Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff verwendet wurde, wobei er noch nahelegte, daß weitere Gase wie Helium oder Wasserstoff hinzugemengt werden können, die jedoch nach seiner Kenntnis zum Zeitpunkt des Schreibens jenes Artikels noch nicht beigemengt worden sind. Vor dem Verfahren von Church wurden im Handel zum Schweißen von Stahl noch keine Dreigasgemische verwendet. Es verblieb also der Anmelderin, dieses einmaligen proportionierte Viergasgemisch zu entwickeln und die unerwarteten, dadurch gewonnenen günstigeren Ergebnisse aufzuzeigen. Durch diese Fortbildung hat die Anmelderin die Schweißtechnik im Hinblick auf Schweißqualität und -geschwindigkeit bei gleichzeitiger Ersparnis an Schweißkosten um ein beträchtliches Stück vorangetrieben.

Die US-PS 3 139 506, Wolff et al., offenbart ein Lichtbogenschweißverfahren, in dem ein Schutzgasgemisch einer Zusammensetzung aus 20 bis 70 Vol% C.O2, 1 bis 15 % Op und dem Rest Argon beansprucht wird. Im letzten Satz dieser Patentschrift legen Wolff et al. nahe, daß Helium oder ein Gemisch aus Helium und Argon anstelle von Argon in ihrem Schutz-

■zQ gasgemisch verwendet werden können. Hierbei schweigt sich die Patentschrift jedoch über die Mischungsprozentsätze von Helium und Argon aus, so daß keine

kritischen Bereiche aufgestellt wurden. Es ist auch anzumerken, daß Wolff et al Bereiche der Volumina für CO₂ und Oo angeben, die über die von der Anmelderin verwendeten hinausgehen.

Zielsetzung der Erfindung ist die Schweißauftragungsraten wesentlich zu erhöhen und dabei auch die gewünschte Qualität und das Aussehen der Schweiße zu verbessern. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines neuen Gasmetallichtbogenschweißverfahrens, in dem wesentlich höhere Strömungsdichten, Spannungen, Elektrodendurchmesser zu— sammenmit einem Schweißgasgemisch einzigartiger Zusammensetzung angewandt werden, durch dajgsein einzigartiges Schweißplasma mit weitgehend verbesser-"fcer Stabilität geschaffen wird. Bei einer Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Verbindungsschweiße werden durch das neue Verfahren auch Schweißauftragungsraten erzielt, die gegenüber denen des Sprühlichtbogenverfahrens zweimal so hoch liegen.

Das Verfahren nach der Erfindung weist die gewünschten Charakteristiken sowohl des Sprühlichtbogen-(eine große Anzahl von Kügelchen pro Sekunde) als auch des globularen oder Tropfenübertragungsverfahrens (Kügelchen größer Abmessung) auf, ohne daß es zu KurzSchließungen kommt. Durch daa^ Verfahren werden, mit anderen Worten, vergrößerte Kügelchen oder Globule sowie das globulare Übertragungsverfahren mit dem beständigen globularem Strom des Sprühlichtbogenverfahrens geschaffen. Die hohe Auftragungsrate tritt unerwartet auf, da die globulare

oder Großtropfenübertragung des Elektrodenwerkstoffes bisher dem Schweißen mit niedriger Stromdichte zugeordnet wurde. Darüber hinaus wird eine konsistente Freigabe der Globule gegenüber der seitlich versetzten Freigabe wie bei den bekannten Schutzgasmischungen erreicht. Es wird.dabei von der Annahme ausgegangen, daß die axiale Globulfreigäbe dazu beiträgt, das im Verfahren erzielte Verhalten des nicht mehr zustandekommenden Verspritzens herbeizuführen. Ein sehr wichtiger Aspekt des neuen Verfahrens ist die Erkenntnis der Bedeutung, die Größe und die Form des Plasmas zu stabilisieren und ein Schweißgasgemisch zu schaffen, daß das dieses Ergebnis leichter herbeigeführt und höhere Stromdichten Bowie Elektroden größerer Abmessungen verwendet werden können.

Ein Schweißverfahren, das regelmäßiges oder intermittierendes Kurzschließen zwischen der Elektrode und dem Werkstück bedingt, läßt der Auftragungsrate aufgrund der Unterbrechung des Stromflusses die Auftragungsrate und somit die Menge der Werkstoffübertragung von der Elektrode an das Werkstück unausweichlich langsamer und geringer werden. Das Auftragen des Schweißgutes und die Güte der Schweißverbindung stehen in unmittelbarem Verhältnis zur Menge des von der Elektrode übertragenen Materials, zum vorgewärmten Zustand der Werkstückverbindung und zur Fähigkeit, den übertragenen Schmelzstrom in der Schweißverbindung zu halten.

Obwohl es bekannt ist, daß hohe Stromdichten und

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Spannungen eine Übertragung des Elektrodenmaterials erhöhen, bestimmen, anders ausgedrückt, andere Bedingungen die Fähigkeit, das derart übertragene Material am Werkstück zu halten, um so eine gewünschte Schweißverbindung zu schaffen, und diese Bedingungen ließen normalerweise die Stromdichten bei I30 000 Ampere pro Quadratzoll für die bisher schnellsten Auftragunsprozesse bestehen.

Bei dem Schweißverfahren nach der Erfindung gibt es einen kurzschlußlosen freien Fluchtstrom des geschmolzenen Elektrodenmaterials wie beim Sprühlichtbogenübertragungsverfahren in Verbindung mit Tropfgrößen, die normalerweise dem globularen Übertragungsverfahren zugeordnet werden, um so ein wesentlich größeres Übertragungsvolumen des Elektrodenschweißgutes zu erzielen. Gleichzeitig ermöglicht das neue Schweißgasgemisch und dessen einzigartiges und gesteuertes Plasmafeld das Festhalten des derart vergrößerten Metallstromflußvolumens in der Schweißverbindung, eine verbesserte Qualität der Schweißverbindung sowie eine bessere Durchdringung durch weitgehend weitergeführtes Vorwärmen des Grundwerkstoffes.

Das in der Erfindung verwendete neuartige Schweißgasgemisch besteht im wesentlichen aus. 3 Vo1% Kohlendioxid, von 0,1 bis 1 Vo1% Sauerstoff und dem Rest Helium und Argon im Verhältnis von 0,5 bis 3,5 Volumenteile Argon pro Volumenteil Helium.

JO Die Erfindung wird anhand der nächstfolgenden Be-

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söhreibung einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert: Hierbei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Gasmetallichtbogenschweißsystems,

Figur 2 eine Ansicht einer theoretischen Schweißverbindung, die nach der Erfindung hergestellt wur de,

Figur '3 schematische Einzeldarstellungen der drei grundsätzlichen Arten der Gasmetallicht-

bogenschweißverfahren,

Figur 4 eine schematische Ansicht des in der Erfindung angewandten Gasschweißsystems,

Fig. 5 bis. 13 Ansichten von Schweißverbindungen, die mit verschiedenen Schutzgasen im Ver

gleich zu den erfindungsgemäßen Schweißgas geschaffen wurden,

Fig. 14- bis 16 Darstellungen von Bildern aus einem - photographischen Hochgeschwindigkeitsfilm,

. . der das entwickelte Plasma unter Verwen

dung einer gasförmigen Schutzhülle aus 100% Kohlenstoffdioxid zeigt, und die

Fig. 20 bis 22 zeigen Darstellungen von Bildern aus

einem photographischen Hochgeschwindigkeitsfilm, der das entwickelte Plasma unter Ver

wendung des erfindungsgemäßen Ochweißgasgemisches zeigt.

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In dem schematisch dargestellten typischen Gasmetallichtbogenschweißsystem der Figur 1 führt die Spule 10 einer Schweißdrahtfördervorrichtung 14 Schweißdraht zu, die den Draht durch eine nachgiebige Leitung 16 schiebt, die in einen Elektodenhalter oder eine Schweißpistole 18 oder dgl. ausläuft. Durch die Stromversorgungseinheit 20 wird Strom an den Schweißdraht geführt. Die Stromversorgungseinheit umfaßt dabei auch Steuerungen der Normalspannung und Stromstärke. Ein Schutzgastank 22 liefert Gas an eine Durchflußregelung 24, die ihrerseits das Gas an die Leitung und an die Schweißpistole 18 weiterleitet.

Die Figur 2 zeigt schematisch eine Schweißverbindung von !or Irt, wie sie nach der Erfindung geschaffen werden kann.

In der Figur 2 ist eine horizontale Platte 26, eine senkrechte Platte 28 und das Schweißgut oder eingeschweißte Material 30.. Folgende Bezeichnungen betreffen Teile der Schweißverbindung der Fig. 2:

A. Theoretische. Nahthöhe

B. Senkrechter Schenkel G. Horizontaler Schenkel D. Wurzel der Schweißung

E. Schweißspitze

F. Schweißoberfläche

G. Wurzel der Schweißverbindung

Die Schweißung nach der Erfindung ist so beschaffen, daß die Schenkel B und G mit vergleichbaren Längen

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sowie eine ebene bis geringfügig konvexe Oberfläche F gebildet werden können. Nach den bekannten Verfahren, in denen hohe Stromdichten und hohe Auftjfagungsroten zur Anwendung kommen, werden oft Schenkel von weitgehend ungleichen Abmessungen erzielt, wobei der längere Schenkel auf der horizontalen Fläche und der kürzere auf der vertikalen Fläche liegt» Darüber hinaus sind die Schweißflächenprofile nicht beständig gewesen, so daß die Spitze der Schweißung oft nicht glatt an den Flatten anliegt und es häufig zum Hinterschneiden der vertikalen Platte um die Spitze E herum kommt.

Die Figur 3 zeigt schematische Darstellungen von typischen Sprühlichtbogen- (A), Globular- (B) und Kurzschlußverfahren- (C) der Übertragung. In dem Sprühlichtbogenverfahren (A) ist eine Elektrode in einer Entfernung vom Grundwerkstoff oder Werkstück 34- angeordnet und weist eine Reihe von diskreten kleinen Tröpfchen 36 auf, die im Lichtbogen— strom zum Schweißpuddel 38 hin strömen. Bei dem globularen Übertragungsverfahren (B) bildet sich ein großes Kügelchen 4-0 am Ende der Elektrode 42, das auf den Schweißpuddel 44 fällt,. wenn der Zug der Schwerkraft auf dasi Kügelchen größer wird als die Oberflächenspannung zwischen Elektrode und dem Kügelchen. Beim Kurzschlußverfahren (C) schmilzt die Spitze der Elektrode 46 und bildet einen Tropfen 48, der sich unter der Schwerkraft längt, bis er mit dem Schweißpuddel 50 in Berührung kommt, wodurch es zu einem Kurzschluß kommt, worauf die Brücke zwischen dem Tropfen und der Elektrode abbricht und der Lichtbogen seinen Zyklus sowie Tropfenbildung erneut aufnimmt.

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Insofern das Sprühlichtbogenverfahren bei verhältnismäßig hohen Stromdichten abläuft, die jedoch normalerweise 130 000 Ampere pro Quadratzoll nicht überschreiten, weist dieses Verfahren eine verhältnismäßig hohe Auftragungsgeschwindigkeit oder -rate auf, z.B. 54,432 Gramm bis 136,08 Gramm pro Minute (0,12 bis 0,3 Pfund pro Minute), Die globulare und kurzschließende übertragung findet bei niedrigen Stromdichten und mit geringeren Auftragungsraten statt.

Die Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer allgemein mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichneten Schweißpistole, wobei auch das erfindungsgemäße Metallübertragungsverfahren dargestellt ist. Die Spitze 64 wird von der Pistolendüse 62 koaxial umfaßt, Durch die Spitze 64 wird der Schweißdraht oder die Elektrode 66 zugeführt. Aus der Versorgungseinheit hergeleiteter Strom wird an die Spitze 64 der Elektrode 66 gelegt, die über die Entfernung P zwischen dem Ende der Spitze und dem Ende der Düse vorgewärmt wird. Schutzgas 68 strömt durch die Düse 62 und umhüllt die Elektrode sowie den Schmelzpuddel 70 im Werkstück 72.

Der Schweißlichtbogen ist bei 73 angezeigt.

Der Elektrodenstrom hebt die Energiehöhe des Schweißgases hinreichend an, um zumindest die innere Lage zu ironsieren, so daß ein Plasmastrahl 7^ "um die Elektrode herum zwischen der Düse und dem Werkstück entsteht und den Schweißpuddel 70 mit umfaßt.

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Da ionisiertes Gas oder Plasma die bekannten Gesetze der Physik oder Thermodynamik nicht befolgt, wurde es auch als "vierten Zustand der Materie" bezeichnet, d.h. also fest, flüssig, gasförmig und plasmatisch, Das Plasma bietet zwei hauptsächliche Vorteile über herkömmliches Gas zu Heizzwecken: höhere Temperatur und bessere Wärmeübertragung auf andere Gegenstände. Es ist dabei offensichtlich, daß es beim Schweißen äußerst erwünscht ist, das Zusatzmaterial schnell zu erwärmen, was durch bestimmte Plasmen weitgehend unterstützt werden kann. Es hat sich auch bei der Erfindung herausgestellt , daß ein gesteuertes oder stabilisiertes Plasma die Vorerwärmung des Grund— werkstoffs weitgehend erleichtert oder fördert, wodurch die Durchdringungen oder Eindringtiefe der Schweißung verbessert wird.

Bei der Schaffung eines Plasmas werden die Gasatome in Ionen und freie Elektronen dissoziiert, wobei die geladenen Gasteilchen auf sehr hohe Temperaturen z.B. auf 6650° bis 22200⁰G (12 000° bis 40 000⁰P) angehoben werden.

Wenn nun solche derart hocherhitzten Gasteilchen über den Lichtbogen hinweg übertragen werden, geben die geladenen Plasmateilchen ihre Wärme ab, um die Elektrode zu schmelzen und den Grundwerkstoff vorzuwärmen, wonach sich die gekühlten Gasteilchen wiederverbinden, um das Molekulargefüge des oder der ursprünglichen Gases zu bilden.

JO Während man annimmt, daß etwas Plasma mit den meisten Schutzgasen geschaffen wird, die beim Licht-

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bogenschweißen verwendet werden, so besitzt jedes derartige Gas oder deren Gemische ein einzigartiges Plasma mit eignen physikalischen und elektrischen Eigenschaften. Allgemein verbindet sich die Wärme des Plasmas, z.B. 7^ <ier Figur 4, mit der Wärme, die von dem Elektrodenlichtbogen erzeugt wurde, um die Gesamtwärme zum Schmelzen der Elektrode zu ergeben. Jedoch wurde bisher anscheinend von der Bedeutung, die Form und Größe eines solchen Plasmas als Mittel der Verbesserung der Schweißgüte und der Auftragungsrate zu steuern und zu stabilisieren, keine Kenntnis genommen. Demgemäß muß hier näher auf das erfindungsgemäße Plasma eingegangen werden.

Zur Erfindung gehört die Entdeckung, daß es notwendig ist, das elktrische Potential zwischen dem Schweißlichtbogen und dem Plasma zu steuern, um eine kontrollierte und koaxiale Übertragung der geschmolzenen Elektrodenteilchen oder -tropfchen ans Werkstück zu erzielen, ohne daß es dabei zu einem Ausblasen oder Verspritzen des Zusatzmaterials und einem Hinterschneiden des Werkstücks kommt, wobei gleichzeitig die Übertragung zunehmender Mengen des Elektrodenzusatzmaterials an die Schweißverbindung ermöglicht wird.

Es besteht sowohl im Schwe^ßlichtbogen als auch in dem die Elektrode umgebenden Plasma ein Strom. Diese Ströme verbinden sich, um die gesamte verfügbare Wärme zum Schmelzen der Elektrode und zum Vorwärmen des Werkstücks zu erzeugen. Das Plasmapotential ist

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die Differenz zwischen der Lichtbogenspannung und der Plasmaspannung. Wenn die Potentialdifferenz verhältnismäßig groß ist, was bei dem Plasma der Fall ist, das im typischen Sprühlichtbogenverfahren mit einem aus Argon bestehenden^ oder mit Argon angereichertem Schutzgas geschaffen wird, möchte das Plasmakraft die Auftragung des Schweißmetalls bei hohen Stromdichten herausblasen oder -waschen, weshalb eine Stromverminderung erforderlich wird, wodurch die Auftragungsraten gesenkt werden, um eine zufriedenstellende Schweißverbindung zu erhalten.

Beim Schweißverfahren nach der Erfindung wird ein einzigartiger Plasmastrahl oder eine plasmahaube geschaffen, bei dem bzw. der das Plasmapotential ( die Differenz von Lichtbogen- und Plasmaspannungen) niedriger als bei den bekannten Sprühlichbogenverfähren ist, wodurch höhere Stromdichten ermöglicht werden, so dnß es zu weitgehend gesteigerten Übertragungen des Elektrodenmaterials an die Schweißverbindung kommen kann, ohne daß dies zu einem Herauswaschen oder Verspritzen der Schweißauftragung führt.

Es hat sich beim GMA-Schweißen bisher als im allgemeinen nicht praktisch erwiesen, Elektroden zu verwenden, die Durchmesser über 0,158 cm (1/16 Zoll) aufweisen, und zwar aufgrund der Begrenzung der anwendbaren Strommenge unter Beibehaltung der gewünschten Schweißverbindungsausbildung. Ein solcher Strom wurde bisher auf den 100 - 400 Amperebereich oder Stromdichten beschränkt, die nicht über I30 000 Ampere pro Quadratzoll hinausgehen.

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Durch die Erfindung wird die Verwendung des neuartigen Schweißgases in Strombereichen bis zu 1100 Ampere, Stromdichten im Bereich bis zu 450 000 Ampere pro Quadratzoll und Elektroden bis zu 0,4 cm (5/52 Zoll) Durchmesser ermöglicht. Gleichzeitig erlaubt das Gmisch Schweißdrähte mit kleinerem Durchmesser zum Führen höherer Stromdichten z.B. kann ein 0,076 cm (0,030") Draht 360 000 Ampere pro Quadratzoll verglichen mit normalerweise 120 000 Ampere pro Quadratzoll

führen. Der Schv/eißgasfluß liegt im Bereich von 0,99 m⁵ bis 1,98 m⁵ pro Stunde (35 bis 70 c.f.h.).

Zur Schaffung des erfindungsgemäßen Plasmas besteht das neuartige Schweißgas aus einem Gemisch aus Argon, Helium, Sauerstoff und Kohlendioxid, und zwar in den folgenden Mischungsbereichen:

Argon 40% bis 70%

Helium 25% bis 60%

Kohlendioxid 3% bis 10%

Sauerstoff 0,1% bis 1%

Wie nachstehend noch näher erläutert wird, werden die spezifischen Gasgemische sowie die Amperezahlen und Spannungspegel mit den zu schweißenden Metallen oder Metallegierungen und der Größe der gewünschten Schweißung variiert.

Flußstahl und niedriglegierte Stähle

Wie bereits vorstehend vermerkt, wurden die bisher schnellsten Schweißauftragungsraten mit dem Sprüh?-

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lichtbogenverfahren erzielt. Abhängig von der gewünschten Durchdringungstiefe bedingte ein derartiges Verfahren normalerweise eine gasförmige Schutzhülle aus Argon und Kohlendioxid oder Argon und nur Sauerstoff. Schweißverbindungen, die mit derartigen gasförmigen Schutzhüllen gegenüber dem erfindungsgemäßen Gasgemisch erzielt wurden, sind in den Figuren 5 bis 13 dargestellt. Um einen sinnvollen Vergleich anzustellen, wurden¹grundsätzlich identische Schweißbedingungen aufgestellt, wobei die Hauptvariante das verwendete Schutzgar oder Schutzgasgemisch darstellte. Bei den Vergleichstests wurden 2 cm (0,8 Zoll) dicke kohlenstoffarme Flußstahlplatten 82 und 84 verwendet, die horizontal und vertikal zueinander angeordnet sind und eine T-Verbindung bilden. Als Schweißelektroden wurden E 70 S6 und E 70 S7 Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,132 cm (0,052 Zoll) verwendet. Die verwendeten Schweißelektroden waren entweder mit Kupfer überzogen oder nicht überzogen und erbrachten bei den Schweißergebnissen keine Unterschied, Ein erster Qualitätsstandard einer Schweißung besteht in der Eindringtiefe der Schweißung von der Wurzel der Schweißverbindung G zur Wurzel der Schweißung D. Die Durchdringungs- oder Eindringtiefen der Schweißstellen sind im Vergleich in den Figen 5 bis 7 dargestellt.

Zunächst zeigt die Figur 5 eine Sprühlichtbogen-Schweißverbindung, für die ein als bisher äußerst wirksam angesehenes Schutzgasgemisch aus 85 % Argon und I5 % Kohlendioxid verwendet wurde.

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Die Durchdringung bei χ mißt 2,5 mm (0,10 Zoll) in die vertikale Platte von der Wurzel der Schweißverbindung G aus bis zur Wurzel der Schweißung D.

Die Schweißparameter und -ergebnisse für die in Figur 5 gezeigte Schweißverbindung sind folgende:

Schutzgas - 85 % Argon /15% Kohlendioxid

Drahtzufuhrge- - 1358,9 cm/min (535 Zoll/min.) schwindigkeit

Abschmelzrate - 8,6 Kg/ h (19 lbs.Ar) Strom - 4-00 Ampere

Spannung - 33 Volt

Schwe ißge schwindigkeit - 50cm / min (19,7 Zoll/min).

Es ist bekannt, daß die Verwendung einer Umhüllung aus Kohlendioxid die Schweißeindringtiefe verbessert. Demgemäß zeigt die Fig. 6 eine Schweißverbindung unter Verwendung eines 100% aus Kohlendioxid bestehenden Schutzgases. In diesem Falle erhöht sich die Schweißeindringtiefe v_ auf 3,4- mm (0,13 Zoll).

Die Schweißparameter und -ergebnisse für die Schweißverbindung der Fig. 6 sind folgende:

Schutzgas — 100% Kohlendioxid

Drahtzufuhrgeschwindigkeit - 1230 cm/min. (4-84- Zoll/min.) Abschmelzrate - 8,165 Kg/h (18 lbs./hr) Strom - 350 Ampere

Spannung - 33 Volt

Schweißgecchwindigkeit - 50 cm/min (19,7 Zoll/min.)

Die Figur 7 zeigt die Schweißverbindung, bei der das am meisten bevorzugte Schweißgasgemisch nach der Erfindung für niedriglegierten Flußstahl verwendet wurde. In diesem Falle lag die Eindringtiefe z. B. bei 5,4- mm (0,21 Zoll). Die Schweißparameter und -ergebnisse für die Schweißverbindung der Fig. 7 sind folgende:

Schutzgas -65,0% Argon

26,5% Helium

8,0% Kohlendioxid

0,5% Sauerstoff

Drahtzuführgeschwindigkeit - 1600 cm/min (630 Zoll/min.) Abschmelzrate - 9,979 Kg/h ( 22 lbs. /hr.) Strom - 4-00 Ampere

Spannung -37,5 Volt Schweißgeschwindigkeit -80cm/min (31,5 Zoll/min.)

Es hat sich herausgestellt, daß durch Variieren jeder der vorstehend erwähnten einzelnen Gasgemische in einem Bereich von plus oder minus 5% der meistbevorzugten Werte im wesentlichen die gleichen weitgehend verbesserten Ergebnisse liefert.

Ein Vergleich der Ergebnisse der Schweißverfahren der Figuren 5 und 6 nach den herkömmlichen Sprühlichtbogenverfahren mit dem Schweißverfahren nach der Erfindung der Fig. 7 zeigt an: die Schweißdurchdringung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist um 216% besser als die nach der Fiκ. und um 159% besser als die der Fig. 6. Die Cchweiß-

geschwindigkeit und somit die Auftragungsrate der Verfahren der Figuren 5 und 6 lag in beiden Fällen bei 50 cm/min (19,7 Zoll/min) gegenüber 80 cm pro Minute (31,5 Zoll/min.) beim erfindungsgemäßen Verfahren. Die Auftragungsgeschwindigkeit nach der Erfindung liegt um 160% höher als bei den vergleichbaren Sprühlichtbogenverfahren unter Verwendung vergleichbaren Stromstärken und Spannungen.

Somit werden mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren eine bessere Durchdringung und bessere Auftragungsraten erzielt, als dies mit den bisherigen besten Sprühlichtbogenverfahren möglich war.

Ein weiterer Standard zum Messen der Qualität einer Schweißverbindung besteht darin, die (Rockwell B) Härte des Zusatzmaterials mit dem des Grundwerkstoffes oder Werkstücks zu vergleichen. Idealerweise wäre eine Schweißverbindung am besten, wenn die Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials und des Grundwerkstoffs oder Werkstücks um die Schweißverbindung dieselbe wäre. Man hat jedoch bis jetz akzeptiert, daß das aufgetragene Zusatzmaterial normalerweise härter als das Werkstück ist.

Beim Messen der Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials und der Werkstücke nach den Sprühlichtbogenverfahren der Figuren 5 und 6 mit der des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, daß die Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen dieselbe ist wie die des Werkstücks. Diese Ergebnisse zeigen die Figuren 8 bis 10.

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Iö den Figuren 8 bis 10 stellen die eingezeichneten Ziffern die Rockwellhärtezahlen (bei einem Gewicht von 102,06 kg) dar, die an verschiedenen Punkten auf dem Werkstück um die Schweißverbindung herum sowie auf dem aufgetragenen Zusatzmaterial genommen wurden.

Die Figur 8 entspricht der Schweißverbindung der Figur 6 unter Verwendung des Schutzgases mit 85% Argon und 15% Kohlendioxid. In diesem Fall schwankt die Härte des Werkstücks um die Schweißverbindung von 66 bis 72, wobei die Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials bei annähernd 96 liegt. Somit ist der Zusatzstoff um 146% bis 134% härter als das Werkstück.

. Die Figur 9 entspricht der Schweißverbindung der Fig. 6, wobei hier ein Schutzgas aus 100% Kohlendioxid verwendet wurde. Die Härte in diesem Werkstück um die Verbindung schwankt in diesem Falle von 65 bis etwa 67; die Härte des Zusatzstoffes liegt dabei bei etwa 88. Somit ist hier der Zusatzstoff um 135% bis 131% härter als das Werkstück.

Die Figur 10 entspricht der Fig. 7 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißgases. In diesem Falle variiert die Härte des Werkstücks um die Schweißverbindung· von 86 bis 87 und die Härte des Zusatzstoffes beträgt etwa 86. Somit ist die Härte des Zusatzstoffes im wesentlichen dieselbe wie die des Werkstücks .

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Als weiterer Test für die Güte der Schweißverbindung ist es sehr erwünscht, daß die Zugfestigkeit des Werkstücks und die des aufgetragenen Zusatzstoffes so weit wie nur möglich annähend gleich ist. Derartige vergleichbare Zugfestigkeiten sind in den Figuren 11 bis 13 wiedergegeben. Hierbei entsprechen die in diesen Figuren 11-13 dargestellten Zugfestigkeiten Werte, die in Kg/mm gemessen sind.

Die Figur 11 entspricht der Schweißverbindung der Figur 5· Hier wird ein Schutzgas aus 85% Argon und 15% Kohlendioxid verwendet. Die Zugfestigkeit des Werkstücks schwankt dabei von annäherd 43 bis 47, während die des Zusatzstoffes bei annähernd 75 liegt. Somit liegt die Zugfestigkeit des Zusatzstoffes um etwa 172% höher als die des Werkstücks.

Die Figur 12 entspricht der Schweißverbindung der Figur 6. Hier wird ein Schutzgas aua: 100% Kohlendioxid verwendet. Die Zugfestigkeit des Werkstücks liegt dabei bei annähernd 43 und die des Zusatzstoffes bei 64. Somit liegt die Zugfestigkeit des Zusatzstoffes um etwa 149% höher als die des Werkstückes.

Die Figur I3 entspricht der Schweißverbindung der Figur 7· Hier wird ein Schweißgas nach der Erfindung verwendet. In diesem Falle beträgt die Zugfestigkeit des Werkstücks und die des Zusatzstoffes für beide gleich etwa 61.

Ein weiterer Standarttest stellt der Kerbschlag-

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test nach Charpy dar. Durch diesen Test wird die Fähigkeit einer Schweißung ermittelt, einem vorbestimmten Kerbschlag bei einer gegebenen Temperatur zu widerstehen. Zum Vergleich wird das Händig buch "Pocket Welding Guide" von Hobart Brothers Company von 1979 angezogen, in dem auf Seite 7^ die Ergebnisse nach Charpy für ein AWS E70S-6 Elektrodenmaterial unter Verwendung von COp als Schutzgas: eine Kerbschlagzahl von 3₉0426 kpm (22 ft 1ä) für einen Draht von 0,1143 cm (0,045 in.) bei einer Temperatur von - 28,9⁰C (- 20⁰F) angegeben wird„ Nach einer Untersuchung seitens einer unabhänigen Prüfinstitution wurden in vergleichbaren Test mit E70S-6 Elektrodenmaterial und obigen Flußstahl sowie niedriglegiertem Stahlschweißgasgemischen der Erfindung bei -28,9⁰C (-20⁰F) die folgenden Ergebnisse in den fünf Festproben ermittelt.

Testprobe 1	Kerbschlag kpm 16,596	(ft 1b) (120,0)
2	11,755	( 85,0)
3	14,3832	(104,0)
4	10,3725	( 75,0)
VJl	11.4789	( 83,0)

Verfahrensgemäß wurden die hohen (16,596 kpm; 120,0 ft 1b) und die niedrigen (10,3725 kpm; 75,0 ft 1b) Ergebnisse außer Betracht gelassen, was zu einer durchschnittlichen Kerbschlagfestigkeit von annähernd 12,447 Kpm (90,0 ft 1b) oder zu einem drei bis -viermal größerem Wert des im Leitfaden von Hobart angegebenen führte»

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VU TW W # m w

Bei dem Bemühen, den Grund für diese unerwarteten besseren Kerbschlagwerte zu ermitteln, wurden von demselben Testinstitut verschiedene weitere Untersuchungen der Schweißung durchgeführt und auch eine photomikrographische Aufnahme eines Schwefeldrucks erstellt, aus dem hervorging, das die Schweiße im Grunde genomme schwefelfrei war. Hieraus folgerte man, daß die weitgehend verbesserten Kerbschlagergebnisse auf die Reinheit oder Schwefelfreiheit der Schweiße zurückzuführen seien, die durch das Verfahren und das Gasgemisch nach der Erfindung erzielt wurden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Puddel oder die Heißlache (cauldron), wie nachstehend beschrieben, auf eine höhere Temperatür angehoben und mit den Großtropfen der Elektrode ungewöhnlich intensiv gepulst und oder bombardiert, um zum Reinigen der Schweißverbindung beizutragen.

Hierbei geht man von der theoretischen Überlegung aus, daß die nahe Anpassung des Zusatzstoffes und die Schweißhärten, Zugfestigkeiten, die verbesserte Durchdringung sowie die weitgehend verbesserten Kerbschlagfestigkeiten der Schweiße, die nach der Erfindung erzielt werden, zurückzuführen sind auf das weitgehend verbesserte Mischen oder Legieren des Zusatz-r und des Grundwerkstoffes, das durch wesentlich höhere Wärmemengen durch das erfindungsgemäße Verfahren verfügbar gemacht, einschließlich des Vorwärmens des Grundstoffes bedingt ist. Auch glaubt man, daß diese Ergebnisse zurückzuführen sind auf die schnelle Beschießung der Schweißverbindung mit großen Mengen geschmolzener Großtropfen

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sowie auf die Schwefelfreiheit der Schweiße.

Somit ist offensichtlich, daß durch das erfindungsgemäße Schweißsystem eine Schweißverbindung
geschaffen wird, die im Hinblick auf Kerbschlagfestigkeit Eindringtiefe, Auftragungsrate sowie
Abstimmung des aufgetragenen Zusatzstoffes mit
dem Werkstück hinsichtlich Härte und Zugfestigkeit eine weitgehende Verbesserung erfahren hat.

Niedriglegierter Vergütungsstahl

Diese Stahlsorten stellen eine Kategorie dar, für
die nach der Erfindung erhöhte Verbesserungen verzeichnet werden konnten. Das nach der Erfindung am meisten bevorzugte Schweißgasgemisch für diese Kategorie hat folgende Zusammensetzung:

Argon	44,00%
Helium	52,00%
Kohlendioxid	3,82%
Sauerstoff	0,18%

Unter Anwendung des obigen Gemische zum Stumpfschweißen von zwei 5-3/4-" dicken Profilen niedriglegierten Vergütungsstahls wurden Kerbschalgtests
nach Charpy bei einer Temperatur von -51⁰Q (-60⁰F) auf fünf 10 mm Querschnitten genommen an der oberen (Seite A) und unteren (Seite B) Abschnitt der
Schweißverbindung durchgeführt, was zu den folgenden Ergebnissen "führte:

30 -

- y. si.

Seite A Seite B

1. 9,4044 kpm (68 ft lbs) 1. 14,2449 kpm (103 ft lbs)

2. 11,2023 kpm (81 ft lbs) 2. 13,9683 kpm (101 ft lbs)

3. 14,1066 kpm (102 ft lbs) 3- 13,48425 kpm (97,5 ft lbs)

4. 12,8619 kpm (93 ft lbs) 4. 8,57^6 kpm (62 ft lbs)

5. 14,2449 kpm (103 ft lbs) 5- 8,78205 kpm (63,5 ft lbs)

Werden wiederum die höchsten und niedrigsten Ergeb-' nisse herausgenommen, so erhält man durchschnittliche Kerbsehlagwerte von 12,7236 kpm (92 ft lbs) für die · Seite A und 11,8938 kpm (86 ft lbs) für die Seite B. Diese Resultate waren in etwa zweimal besser als die höchsten Standart- oder Normalwerte, die jemals für die Kerbschlagfestigkeit für das Schweißen derartiger Werkstoffe aufgestellt wurden.

Rostfreier Stahl

Das nach der Erfindung am meisten bevorzugte Gemisch hat folgende Zusammensetzung:

Argon	Plasma	41,66%
Helium	55,ΟΟ°/ό
Kohlendioxid	3,2σ/₀
Sauerstoff	0,14%

Zeitlich vor der Erfindung wurde wenig Aufmerksamkeit, wenn überhaupt, der Eigenschaft des beim

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GMA^-Schweifi^erf ahrens entstehenden Plasmas im Hinblick auf dessen Gestalt, Größe und Konsistenz entgegengebracht. Die Einzigartigkeit des Plasmas naöh der Erfindung hat zu den verbesserten Schweissungen geführt, die durch die Erfindung möglich wurden"* Bisher wurden die Gase hauptsächlich im Hinblick auf den Schutz der Schweißverbindung vor Verunreinigung (siehe US-PS 3 496 323, Lesnewich et al), auf Änderung der Eindringtiefe (siehe US-PS 3 139 506, Wolff et al) und hinsichtlich der Lichtbogenstabilisierung (US-PS 2 916 601) gewählt. Sämtliche dieser Faktoren sind beim Schweißen von Bedeutung. Jedoch wurde das geschaffene Schutzgasplasma als für diese Faktoren nebensächlich angesehen. Wie nachstehend noch bei der Anwendung von bereits bekannten und bevorzugten Gasmischungen noch dargelegt wird, waren die erzeugten Flasmen hinsichtlich Gestalt und Form unregelmäßig und unkontrolliert; sie kamen manchmal sogar während des Schweißverfahrens zum Verschwinden.

Die Anmeldering hat die Kritikalität der Kontrolle und Stabilisierung des Plasmas ermittelt, um sowohl die Güte der Schweiße als auch die Schweißauftragungsraten zu verbessern. Somit ist es Hauptzielsetzung der Erfindung, die Gestalt und Form, die Größe sowie Konsistenz des Plasmas zu kontrollieren, das die Elektrode und den Schweißpuddel oder die Schweißverbindung umgibt. Durch die Kontrolle der Gestalt und Größe des Plasmas sowie durch eine genaue Einschränkung des Plasmas an der Elektrode und in der Schweißzone wird die Plasmawärme konzentriert, um so das Elektrodenmaterial schnell zu schmelzen und die

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Schweißzone vorzuwärmen, so daß die Durchdringung, die Auftragungsrate und die Schweißqualität verbessert werden.

Um die Einzigartigkeit aufzuzeigen, wurde eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsfilmen ( 4 000 Bilder pro Sekunde) angefertigt, die zum Vergleich des erfindungsgemäßen Plasmas mit denen von zwei anderen, als besonders günstig angesehenen Schutzgasen herangezogen wurden. Die beiden anderen Schutzgase waren im einzelnen das Gemisch (1) aus 85% Argon und 15% Kohlendioxid und das. Gemisch (2) aus 100% Kohlendioxid.

Die bei der Verwendung dieser Schutzgase ermittelten Auftragungsraten und Schweißqualitäten wurden in Bezug auf die Figuren 5-13 verglichen und beschrieben.

Da es schwer ist, Hochgeschwindigkeitsphotos in den Patentzeichnungen wiederzugeben, sind in den Zeichnungen. Darstellung oder Abzeichnungen von den Vergleichsphotos in den Figuren 14-22 wiedergegeben. Somit stellt jedes der Figuren 14 bis 22 ein Photo dar, das mit einer Geschwindigkeit von 1/4000 Sekunden aufgenommen wurde.

Bei einem Plasma, das durch Beigabe von Argon während eines Schweißvorgangs erzeugt wurde, verändert sich, wie die Hochgesch.windigkeitspho.tos zeigen, die Gestalt, die Abmessung sowie, was am wichtigsten ist, die Richtung des Schutzgasplasmas gewissermassen kontinuierlich während des Schweißzyklus. Während also das bei 74 der Figur 4 ange-

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deutete Plasma eine Augenblicksdarstellung des erfindungsgemäßen Plasmas ist, so variieren die Proportionen des Plasmas zu einem anderen Moment. Bei einem Vergleich der Figuren 14- bis 22 ist ersichtlich, daß die Plasmen verschiedener Schutzgase insgesamt unterschiedliche physikalische und elektrische Eigenschaften haben, was zu großen Unterschieden der Schweißcharakteristiken führt.

In den abgezeichneten Photos der Figuren 14 bis 22 betrugen die Elektrodengrößen 0,13208 cm (0,052 in); die Spannungen lagen im Bereich von 33 bis 38 Volt und die Ampere zahlen im Bereich von 350 bis 4-10 Ampere. Es sei noch angemerkt, daß die Elektrodengröße, die Spannungen und die Amperezaheln im allgemeinen die bei vergleichbaren Schutzgasen, wie Argon/Kohlendioxid/und nur Kohlendioxid, praktisch anwendbaren Größtwerte darstellen.

Im ersten Hochgeschwindigkeitsfilm der Figuren 14- bis 16 besteht das Schutzgas aus 85% Argon und ^5% Kohlendioxid. Man beobachtete in diesem Falle, daß das Plasma 90 die Elektrode 92 über der Spitze 94 nicht eng umgibt, sondern eher an der Spitze seinen Anfang zu nehmen und die feingeschmolzenen, von der Spitze füllenden Tröpfchen zu verschlingen scheint.

Hierbei ist anzumerken, daß die feingeschmolzenen Tröpfchen jedes für sich beträchtlich kleiner sind als der Durchmesser der Elektrode.

üas riasma 90 trifft auf die Grundwerkstoffplatten 96 und 98 und steigt (Figuren 14 - 16) nach, einem unkontrollierten Zufallsmuster von der Basisbreite wvon annähernd 0,508 cm (0,2 in) bis 1,016 cm (0,4 in) um den Schweißpuddel 100 nach oben und erstreckt sich bis auf eine Höhe h von etwa 1,016 cm (0,4 in).
Wenn die Stromdichte nicht unter einen gegebenen Wert gehalten wird, der im allgemeinen 1300 000

ο
Ampere/in¹¹" nicht übersteigt, möchte das Plasma 90 in seinem regellosen und unkontrollierten Verhalten das geschmolzene Metall vom Schweißnuddel 100 herauswaschen. Die Potentialdifferenz zwischen dem Elektrodenlichtbogen und dem Plasma erlaubt es offensichtlich den beiden nicht, ihre Wärmeenergienen wirksam zu verbinden, um ein Größtmaß für die Elektrodenschmelze' und für die Grundstoffvorwärmewirkung zu erreichen. Der Film zeigt auch, daß die Größe der Tröpfchen 102 vom Ende der Elektrode einen feinen Sprühstrahl ergeben, der an der Elektrode kein regelmäßiges Muster hinterläßt. Vielmehr trennen sich die Tropfen willkürlich von der einen Seite der Elektrodenspitze und dann von der anderen. Aufgrund des unkontrollierten Verhaltens des Plasmas 90 und des regellosen Abgehens der Tröpfchen von der Elektrode ist es notwendig, die Stromdichte zu begrenzen, um die Tendenz einzuschränken, daß das geschmolzene Metall vom Schweißpuddel herausgewaschen wird.

Zum Zwecke eines Vergleichs der Schweißauftragungsraten liegen die Parameter des ersten Films (85% Argon / 15% Kohlendioxid) wie folgt:

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Drahtgeschwindigkeit -'1371,6 cm/min (540"/min) Abschmelzrate - 7,71 kg/h (17 lbs/hr)

Schweißgeschwindigkeit - 48,26 cm/min

Im zweiten Hochgeschwindigkeitsfilm, deren abgezeichnete Einzelphotos in den Figuren 17 bis 19 wiedergegeben sind, besteht das Schutzgas aus 100% Kohlendioxid. Auch hier umgibt das Plasma 104 die Elektrode nicht sehr viel über der Spitze 108, sondern erstreckt sich allgemein zwischen der Spitze und dem Schweißpuddel 110, wobei es eine sehr geringe Breite von annähernd 0,2032 cm (0,08 in) bis 0,3048 cm (0,12 in) um den Schweißpuddel und eine Höhe von etwa 0,254 cm (0,1 in) aufweist. Es wurde während des Schweißvorgangs beobachtet, daß das Plasma periodische zu verschwinden oder zu erlöschen scheint. Es ist noch anzumerken, daß das Gesamtplasma ziemlich klein ist. Eine über den Film gelegte Oszillographspur bestätigt das.regellose Lichtbogenverhalten, das durch die Kurzschließung bedingt ist.

Der Kurzschluß kommt zustande, wenn sich der Tropfen 112 von der Elektrode verlängert und mit dem Werkstück 114 - 116 in Berührung kommt, um dann in den Schweißpuddel einzutreten.

Die Parameter der Auftragungsrate beim zweiten Film (100% Kohlendioxid) sind wie folgt:

Drahtgeschwindigkeit - 127O cm/min (500 in/min) Abschmelzrate - 7,25 kg/ h (16 lbs / hr) Schweißgeschwindigkeit 48,26 cm/min (19 in/min).

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- μ.

Im dritten Hochgeschwindigkeitsfilm, deren abgezeichnete Einzelphotos in den Figuren 20 bis 22 wiedergegeben sind, besteht das Schutzgas ausdem erfindungsgemäßen Gemisch aus 65% - 70% Argon, 25% bis 55% Helium, 5% - 10% Kohlendioxid und 0,1 bis 1% Sauerstoff. Hierbei weist das Flasma 120 eine allgemein auseinandergehende oder kegelförmige Gestalt auf und erstreckt sich von über der Spitze 122 der Elektrode 124 zur Basis, die den Schweißpuddel 126 umgibt, wobei es eine im wesentliche konstante Basisbreite von annähernd 1,016 cm (0,A- in) bei einer Höhe von 0,762 cm (0,3 in) bis 1,27 cm (0,5 in) aufweist. Während die Größe und Gestalt von Plasma 120, wie bereits vermerkt, beim Schweißvorgang fluktuiert, so behält es dennoch seine auseinandergehende oder kegelförmige Gestalt bei und bewahrt ein engumliegendes Verhältnis zur Elektrode und dem Schweißpuddel.

Die Parameter der Auftragsrate beim dritten Film unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schutzgasmischung für Flußstahl sind wie folgt:

Drahtgeschwindigkeit - I65I cm/min (650 in/min)

Abschmelzrate - 10,432 kg/h (23 lbs/ hr)

Schweißgeschwindigkeit - 91 »4-4- cm/min (36 in/min)

Im Verfahren nach der Erfindung lassen die Figuren 20 bis 22 eine Pulsierung erkennen, die beim Plasma in Zusammenhang mit der Ausbildung der Großtropfen 128 auftritt, die vor der Trennung von der Elektro-

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de geringfügig bis wesentlich größer als der Durchmesser der Elektrode sind. Es wurde gemessen, daß diese Tropfen sich mit einer Geschwindigkeit von 800 Stück pro Sekunde bildeten.

Zu Vergleichszwecken ist festzustellen, daß bei einem typischen Kurzschluß- oder Kurzlichtbogenschweißen die geschmolzenen Elektrodentropfen mit einer Geschwindigkeit von 90 Stück pro Sekunde übertragen werden und in den Schweißpuddel eindringen. Auch treten die geschmolzenen Tropfen nach dem Verfahren der Erfindung in den Krater ein, ohne daß es dabei zum Verspritzen oder Auswaschen kommt. Man nimmt.an, daß das: Fortbestehen des engeinschließenden Plasmas 120 und die wesentliche Vorwärmung des Grundwerkstoffs 150-132 bedeutend zum Rückhalten der Tropfen im Krater oder der Mulde sowie zur Vermeidung der Verspritzung beiträgt.

Auch liegt die Größe der geschmolzenen Tropfen 128 zumindest bei der des Durchmessers der Elektrode (0,132 cm; 0,052 in) und fällt allgemein in den Bereich von 0,1422 cm (0,056 in) bis 0,32 cm (0,126^vin), Die feinen Tröpfchen 102 der Sprühlichtbogenübertragung nach den Figuren 14 bis 16 waren für eine Messung in der Praxis zu klein. Andererseits war es, da die Tropfen 112 der Figuren 17-19 normalerweise durch Kurzschließen übertragen wurden, nicht ausführbar, ihre Größe genau zu bestimmen, obgleich sie wahrscheinlich doch der Durchmessergröße der . Elektrode sehr nahe kommen.

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Es wird angenommen, daß die Pulsierung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und übertragung von Großtropfen mit hoher Übertragungsrate von 400 bis 1200 Großtropfen pro- Sekunde in den Schmelzpuddel bedeutsam zur Verbesserung der Schweißgüte beiträgt, wie dies in Bezug auf die Figuren 5 bis 13 bereits beschrieben wurde.

Durch die Verwendung von Elektrodengrößen und Stromdichten beim oder in der Nähe des praktischen Höchstwerts, der bei den bisherigen hohen Auftragungsraten in den GMA-Verfahren genutzt werden konnten, konnte durch die Erfindung der Anmelderin wesentlich verbesserte Schweißauftragungsraten und -eigenschaften erzielt werden. Die Anmelderin er-

T5 zielt nach vorstehenden Ausführungen anhand der Figuren 5 bis 13 unter Verwendung ähnlicher Betriebsparameter, ausgenommen für Schutzgase, eine gegenüber den bekannten Schweißverfahren um 160% schnellere Auftragungsrate mit zusätzlich verbesser-"ten Eigenschaften der Schweißverbindung.

Durch die Anwendung von Elektrodengrößen und Stromdichten, die wesentlich großer sind als diejenigen, die mit bisher bekannten Schutzgasen oder -gasgemischen praktikabel waren, hat die Anmelderin eine weitgehend verbesserte Qualität der Schweißverbindung sowie sehr viel bessere Auftragungsratien erzielt. Als weiteres Beispiel wurden von dep Änmelderin Flußstahlplatten mit einer Elektrode von 0,132 cm (0,052 in) und den folgenden Parametern verschweißt:

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Schutzgas

Drahtförderge schwindigkeit

Abschmelzrate Stromdichte

Spannung

65,0% Argon

26,5% Helium

8,0% Kohlendioxid

0,5% Sauerstoff

3302 cm/min (I3OO in/min) 21,23 kg/h (4-6,8 lbs/hr) 4-50 000 Ampere/Quadratzoll 38 - 4-2

In sämtlichen oben angeführten und sonstigen bevorzugten Schweißgasgemischen ist Argon in einer Menge von 0,5 bis 3,5 Teilen pro Volumen pro Volumenteil Helium vorhanden.

Ein weiteres einzigartiges Ergebnis, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt wird, besteht in der Fähigkeit, eine 100%ige Verschweißung von Stahlplatten bis zu einer Dicke von 1,27 cm durchzuführen. Hierbei werden die bei 1,27 cm dicken Stahlplatten aneinanderstoßend ausgerichtet, ohne daß dabei die Stoßkanten vorher aufgereitet werden. Bei Verwenden der Erfindungsgemäßen Gasmischung für Flußstahl wird eine erste Schweißverbindung oder Raupe längs der Länge der Stoßkanten auf einer Seite der Platten und dann eine zweite Schweißraupe längs der Länge der Stoßkanten auf der anderen Seite der Platten erstellt. Ein Querschnitt durch die geschweißte Verbindung zeigt, daß die erste und die zweite Raupe sich miteinander verbunden haben oder zusammengeflossen sind, was eine 100%ige Schweißung ergibt.

Nach der Kenntnis der Anmeldering wurden derartige iOO%ige Schweißungen mit 1,27 cm dicken Stahlplatten

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mit den bisherigen Gasmetallichtbogenverfahren nicht erreicht.

V/eitere vorteilhafte Ergebnisse sind im Rahmen der Erfindung und nach Maßgabe der Ansprüche möglich.

Claims

PATENTANWALTS BÜ RO

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. W. MEISSNER (1980) DIPL-ING. P. E. MEISSNER DIPL-ING. H.-J. PRESTING

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt -Professional Representatives before the European Patent Office

Ihr Zeichen Ihr Schreiben vom Unsere Zeichen HERBERTSTR. 22, 1000 BERLIN 33

I9O7.O2I

P- 304

P.P.I. Performance Process International N. V. Willenjstad, Curacao, Niederl. Antillen

Schweißsystem Patentansprüche

( 1.)Elektrisches G-asschweißverfahren zur Verwendung mit einer Schweißpistole mit einer eine Abschmelz-Elektrode aufnehmenden Spitze, einer mit der Spitze koaxial und radial getrennt davon liegenden Düse zum Bildeneines ringförmigen Gasdurchganges, wobei das Verfahren besteht aus den Schritten des Zuführens der Schweißelektrode zur zu verschweißenden Metallverbindung oder -fuge, des Durchleitens eines durch die Elektrode zur Bildung eines elektrisehen Lichtbogens zwischen dem Ende der Elektrode und der Metallfuge hindurchgehenden elektrischen Stroms, der den Endteil der Elektrode abschmilzt, so daß das abgeschmolzene Elektrodenmaterial an

r[=LfcX; tfcLtuHAMM ItLfcCUN BAHIM'IJMIU misiqf ttfcl ifl-ii)ir<> 1-85644 INVENTION BERLIN BtRLINtRBANKAU P MEIiANtH. BLN W inven d BERLIN 030/89160 37 BERLIN 31 4047 3/ 103 n^nmai an or iR957ifinnn

der Schweißfuge aufgetragen wird und diese füllt, und des Hindurchleiten eines Gases durch die Düse an ein Lichtbogenplasma zwischen der Elektrode und der Schweißfuge, gekennzeichnet durch

a) eine Abschmelz-Elektrode mit einem Durchmesser im Bereich von 0,076 cm (0,030 Zoll) bis 0,396 cm (0,156 Zoll),

b) einen Elektrodenstrom im Bereich von 100 bis 1100 Ampere durch die Elektrode und

c) ein Schweißgasgemisch bestehend im wesentlichen aus:

(1) von 40% bis 70% Argon

(2) von 25% bis 60% Helium

(3) von 3% bis 10% Kohlendioxid

(4) von 0,10% bis 1% Sauerstoff.
2. Elektrisches Gasschweißverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) eine Schweißgasgemisch bestehend im wesentliehen aus:

(1) von 40% bis 70% Argon

(2) von 25% bis 60% Helium

(3) von 3% bis 10% Kohlendioxid

(4) von 0,10#bis 1% Sauerstoff und durch

b) einen elektrischen Strom einer zur Bildung von geschmolzenen Kügelchen mit einer Rate von 400 bis 1200 Kügelchen pro Sekunde an der Elektrodenspitze geeigneten Größe.
3» Elektrisches Gasschweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen eine Durchmesserabmessung von zumindest der Größe des Durchmessers der Elektrode aufweisen.
4» Elektrisches Gasschweißverfahren zum Schweißen von Flußstahl und niedriglegiertem Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet, durch

a) eine Schweißgasgemisch bestehend im wesentlichen aus:

(1) Argon -65,0% (2)Helium ^26,5% (3) Kohlendioxid - 8,0%

(4) Sauerstoff - 0,5% und durch

b) einen elektrischen Strom von einer zur Bildung von geschmolzenen Kügelchen mit einer Rate von 400 bis 1200 Kügelchen pro Sekunde an der Elektrodenspitze geeigneten Größe.
5. Elektrisches Gasechweißverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen eine Durchmesserabmessung von zumindest der Größe des Durchmessers der Elekrode aufweisen.
6. Elektrisches Gasschweißverfahren zum Schweißen von niedriglegiertem Vergütungsstahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5* gekennzeichnet durch

- 4 —

a) ein Schweißgasgemisch bestehend im wesentlichen aus:

(1) Argon - 4-4,00%

(2) Helium - 52,00% (3) Kohlendioxid - 3,82%

(4) Sauerstoff - 0,18%

und durch die in den vorhergehenden Ansprüchen 2 und 3 angeführte Stromgröße.
7. Elektrisches Gasschweißverfahren zum Schweißen von rostfreiem Stahl, gekennzeichnet durch

a) ein Schweißgasgemisch bestehend im wesentlichen aus:

(1) Argon - 41,66 % (2) Helium - 55,00 %

(3) Kohlendixid - 3,20 %

(4) Sauerstoff - 0,14 %

und durch die in den vorhergehenden Ansprüchen 2 und 3 angeführte Stromgröße.
8. Elektrisches G-asschweißverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kügelchen eine Durchmesserabmessung von zumindest der Größe des Durchmessers der Elektrode aufweisen.
9· Gasgemisch zur "Verwendung in einem elektrischen Lichtbogenschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen besteht aus:

(a) von 40% bis 70% Argon

(b) von 25% bis 60% Helium

(c) von 3% bis 10% Kohlendioxid

(d) von 0,10% bis 1% Sauerstoff.
10. Gasgemisch zur Verwendung in einem elektrischen Lichtbogenschweißverfahren für Flußstahl und niedriglegierten Stahl, dadurch gek e η η ζ si c h η e t, daß das Gasgemisch im wesentlichen besteht aus:

(a) Argon -65,0%

(b) Helium - 26,5%

(c) Kohlendioxid - 8,0%

(d) Sauerstoff - 0,5 %

1«i· Gasgemisch zur Verwendung in einem Lichtbogenschweißverfahren für niedriglegierten Vergütungsstahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen besteht aus:

(a) Argon - 44,00% (6) Helium - 52,00%

(c) Kohlendioxid - 3,82%

(d) Sauerstoff - 0,18 %

Ί2. Gasgemisch zur Verwendung in einem Lichtbogenschweißverfahren für rostfreien Stahl, d a durch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen besteht aus:

(a) Argon -41,66%

(b) Helium -55,00%

(c) Kohlendioxid - 3,20% (d) Sauerstoff τ 0,14%

Schweißgasgemisch gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus 3 Vol% bis 10 Vol% Kohlendioxid, 0,1 Vo 1% bis 1 Vo1% Sauerstoff und dem Rest aus Helium und Argon in einem Verhaältnis von 0,5 zu 3»5 Volumenteilen Argon für jedes Volumenteil Helium.