DE3936993A1 - Verfahren zum schweissen - Google Patents

Description

Eines der wichtigsten Verfahren beim Fügen von Metallen stellt das Schweißen dar. Beim Schweißen wird entweder mit oder ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet. Alle Schmelz­ schweißverfahren, gleichgültig ob sie jetzt mit brenn­ baren Gasen oder mit elektrischem Strom oder dgl. be­ wirkt werden, haben zur Folge, daß in das bzw. in die Werkstücke Wärme eingebracht wird, womit entweder der Schweißzusatzwerkstoff zum Erschmelzen gebracht wird, oder lediglich der Werkstoff örtlich schmelzflüssig wird, wobei einerseits eine Vermischung der Werkstoffe eintre­ ten soll und andererseits als unerwünschter Effekt das Werkstück als solches erhitzt wird. Durch die Erhitzung kann jedoch eine unerwünschte Gefügeänderung auftreten.

Wie aus diesen Ausführungen hervorgeht, treten beim Schwei­ ßen zwei voneinander nicht trennbare Effekte auf, und zwar einerseits, daß der Werkstoff erschmolzen wird und ande­ rerseits, daß Wärme in das zu verarbeitende Werkstück eingebracht wird. Bei der Entwicklung von Schweißverfah­ ren besteht u. a. das Bestreben, die Wärmeeinbringung in das Werkstück möglichst gering zu halten und andererseits beispielsweise durch Schutzgas oder auch durch Anwendung von Schweißpulver die Einwirkung der Atmosphäre möglichst gering zu halten. Die Wärmeeinbringung kann einerseits durch möglichst hohe und kurzzeitige Energieeinwirkung gering gehalten werden, wobei hier als Beispiele Laser, Elektronenstrahlschweißen und dgl. angeführt werden kön­ nen. Derartige Einrichtungen sind jedoch besonders auf­ wendig, wobei gleichzeitig der energetische Wirkungsgrad außerordentlich gering ist.

Bei dem Unterpulverschweißverfahren wird auf die Schweiß­ stelle ein, zumindest bei höherer Temperatur nach dem Schmelzen elektrisch leitfähiges, Pulver aufgebracht, wo­ bei zwischen Werkstück und der verzehrenden Schweißelek­ trode unter dem Pulver ein Lichtbogen erzeugt wird. Die Schweißelektrode wird mit einer vorgegebenen Geschwin­ digkeit gegen das Werkstück bewegt, wobei der Schweiß­ kopf gleichzeitig entlang der zu bildenden Schweißnaht oder dgl. verschoben wird. Das Abschmelzen der Schweiß­ elektrode erfolgt zwar kontinuierlich, jedoch wird die Schweißnaht diskontinuierlich gebildet, da von der Schweiß­ elektrode jeweils das Material tropfenförmig abgegeben wird. Das Schweißpulver kann neben der Aufgabe des Ab­ deckens und Schutz gegen die Atmosphäre und als elektri­ scher Leiter zu dienen auch noch weitere Aufgaben erfül­ len. So kann beispielsweise über das Schweißpulver die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes, z. B. durch weitere Legierungselemente, beeinflußt werden. So sehr auf der einen Seite das Unterpulverschweißverfahren ein in seiner Anwendung besonders vielseitiges Verfahren dar­ stellt, ist der Schweißvorgang als solcher schwieriger einerseits dadurch bedingt, daß das Schweißen nicht vi­ suell verfolgt werden kann, da die Schweißstelle durch das Schweißpulver abgedeckt ist und andererseits das Schweißpulver bzw. die Schmelze desselben bei der Ausbil­ dung des Lichtbogens bzw. des elektrischen Leiters einen weiteren Parameter für das Schweißen darstellt, der bei anderen Schweißverfahren nicht vorhanden ist und daher nicht berücksichtigt werden muß.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Unterpulver­ schweißverfahren zu schaffen, bei dem eine möglichst ge­ ringe Erhitzung der Werkstoffe gewährleistet ist, wobei gleichzeitig eine geringere Empfindlichkeit auf Einfluß­ größen des Verfahrens gegeben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißen, insbesonde­ re Verbinden von metallischen Werkstoffen, wobei zumindest ein verzehrender metallischer Schweißzusatzwerkstoff, z. B. Draht- oder Bandelektrode, relativ entlang und zur zu bil­ denden Schweißstelle, Schweißnaht oder dgl. bewegt und als stromführende Elektrode unter Einwirkung von elektri­ scher Energie, insbesondere Gleichstrom, abgeschmolzen wird, wobei während des Schweißens die Schweißstelle vom Pulver bedeckt wird, das unter Einwirkung von elektrischer Energie teilweise erschmolzen wird, besteht im wesentli­ chen darin, daß die elektrische Energiezufuhr zum metalli­ schen Zusatzwerkstoff, bezogen auf die Bewegung entlang der zu bildenden Schweißstelle, angehoben und gesenkt wird und der metallische Schweißzusatzwerkstoff zur Ober- fläche der zu bildenden Schweißstelle in Abhängigkeit von der Energiezufuhr, bezogen auf die Bewegung, zugeführt wird, wobei vorzugsweise der metallische Zusatzwerkstoff im wesentlichen während der hohen Energiezufuhr abge­ schmolzen wird und während der gesenkten Energiezufuhr im wesentlichen nur die elektrische Leitung durch einen Lichtbogen möglichst niedrigen Stromes und Spannung oder evt. durch die Pulverschmelze aufrechterhalten wird.

Vorrichtungen, mit welchen der Strom und auch die Bewegung der Elektrode gesteuert werden können, sind von anderen Schweißverfahren bekannt und es kann hiezu auf die US-PS 46 20 082 verwiesen werden, in welcher eine derartige Vor­ richtung, allerdings für die verfeinerte Regelung eines normalen Lichtbogenschweißens mit abschmelzender Elektro­ de, beschrieben ist.

Es war nun durchaus überraschend, daß beim Unterpulver­ schweißverfahren ein derartiges Verfahren durchgeführt werden kann, wobei eine minimale Wärmeeinbringung mit be­ sonders hoher Verfahrenssicherheit dann gegeben ist, wenn die Hochenergiephase und die Niederenergiephase so auf­ einander abgestimmt sind, daß in der hohen Energiephase der metallische Schweißzusatzwerkstoff als stromführende Elektrode abgeschmolzen und gleichzeitig relativ rasch gegen die Oberfläche bewegt wird, wobei in der niedrigen Energiephase im wesentlichen kein metallischer Zusatz­ werkstoff abgeschmolzen wird und lediglich das Pulver er­ schmolzen bzw. der elektrische Lichtbogen aufrechterhal­ ten wird, um ein erneutes Zünden und somit einen unruhi­ gen Abschmelzprozeß zu vermeiden.

Durch einen derartig gezielten Abschmelzvorgang der me­ tallischen Elektrode kann ein besonders regelmäßiges Ab­ schmelzen erreicht werden, da die Tropfenanzahl, -größe und -geschwindigkeit über die Hochenergiephase gesteuert werden kann, wobei die unterschiedliche Elektrodenvor­ schubgeschwindigkeit das regelmäßige Abtropfen der Elek­ trode mit unterstützt. Durch die rasche lokale Erhitzung können Wärmeleitungsverluste gegenüber dem Schweißen mit stetigem Strom vermindert werden.

Während der periodischen, minimalen Energiezufuhr er­ starrt die Schmelzlinse größtenteils, d. h., die Wärme­ verluste führen zur gewünschten raschen Abkühlung. Durch die größere Wärmekonzentration und geringere Wärmeverlu­ ste können größere Tiefen aufgeschmolzen werden. Wegen der geringeren Schmelzenvolumina als beim stetigen Schweißen ist eine bessere Fähigkeit Spalten zu überbrücken, gegeben.

Bevorzugt wird die elektrische Energiezufuhr bezogen auf die Zeit gepulst, wobei die Relativbewegung des metalli­ schen Schweißzusatzwerkstoffes entlang der zu bildenden Schweißstelle (Vorschub) im wesentlichen konstant gehal­ ten wird. Diese Verfahrensvariante ist besonders ein­ fach, da eine gleichförmige Bewegung des Schweißkopfes entlang der zu bildenden Schweißnaht oder dgl. appa­ rativ besonders einfach realisiert werden kann, wobei weiters die zeitliche Pulsung der Energiezufuhr beson­ ders einfach und mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann. Eine andere Möglichkeit kann darin bestehen, daß der Schweißkopf diskontinuierlich, insbesondere unter­ stützt durch gepulsten Strom, geführt wird.

Wird der metallische Schweißzusatzwerkstoff zeitverzö­ gert bezogen auf die elektrische Energiezufuhr mit be­ schleunigter bzw. verzögerter Bewegung zur Oberfläche der zu bildenden Schweißstelle bewegt, so wird ein be­ sonders gleichmäßiger Schweißvorgang gewährleistet, der wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, daß die Träg­ heit des Systems, z. B. durch Wärmeleitung im Schweiß­ zusatzwerkstoff und dgl. berücksichtigt ist und damit die Länge des Lichtbogens im Pulver bzw. im geschmolze­ nen Pulver entsprechend geregelt bzw. konstant gehalten werden kann.

Ist der metallische Schweißzusatzwerkstoff mit dem posi­ tiven Pol der Spannungsquelle verbunden, so brennt der Lichtbogen besonders ruhig, wobei größere Schmelztropfen als bei Minuspolung auftreten.

Wird die Frequenzänderung der Energiezufuhr zum metalli­ schen Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere die Pulsie­ rung zwischen 0,1 und 5 Hertz, insbesondere zwischen 0,2 und 1 Hertz gehalten, so ist eine besonders günstige Anzahl der Tropfenbildung pro Zeiteinheit gewährleistet, wobei weiters eine besonders exakte Steuerung der Draht­ zufuhr durchgeführt werden kann.

Wird das Verhältnis der Zeitdauer von Hochenergie- und Niederenergiezufuhr zwischen 0,2 und 0,8 gehalten, so kann eine besonders geringe Wärmeeinbringung bei zufrie­ denstellend rascher Schweißung realisiert werden.

Die Änderung der Energiezufuhr kann über die Steuerung der Stromstärke erreicht werden. Bei konventionellen Stromquellen ergeben sich die zugehörigen Spannungen ge­ mäß den zugehörigen Kennlinien. Neue Stromquellen erlau­ ben hingegen freie Wahl von Strom und Spannung, sodaß diese optimal eingestellt werden können.

Erfolgt die Steigerung und/oder Senkung der Energiezu­ fuhr über zumindest zwei Stufen, insbesondere kontinuier­ lich, so kann der Trägheit des Systems, bestehend aus Schweißkopf mit Schweißzusatzwerkstoff, Pulver und dem zu schweißenden Werkstoff besonders günstig Rechnung ge­ tragen werden.

Wird die Energiezufuhr zudem in Abhängigkeit vom Quer­ schnitt des metallischen Zusatzwerkstoffes gesteuert, so können Unregelmäßigkeiten oder beabsichtigte Querschnitts­ änderungen, z. B. periodisch wiederkehrende Querschnitts­ änderungen, bei dem Schweißvorgang besonders einfach be­ rücksichtigt werden.

Wird eine Schweißnaht, insbesondere Wurzelschweißnaht, durch zu 20 bis 50%, bezogen auf die Oberfläche des Werkstückes, überlappende Schmelzlinsen gebildet, so ist einerseits eine besonders geringe Wärmeeinbringung in das Werkstück realisiert, wobei ein entsprechender Schweißvorgang gewährleistet ist und weiters ein Hin­ durchfallen der Schmelzlinsen noch sicher vermieden wer­ den kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in welcher eine Unterpulverschweißanlage mit Steuerein­ heit schematisch dargestellt ist und anhand der Beispiele mit bildlichen Darstellungen in Draufsicht bzw. in Schnitt einer Schweißnaht und zwei Diagrammen mit zeitlichem Ver­ lauf der Spannung bzw. Stromstärke, näher erläutert:

Das Werkstück 1 ist mit dem negativen Pol der Schweiß­ stromquelle 2 verbunden. Der Schweißkopf 3 weist einen Pulvertrichter 4 auf, über welchen das Pulver auf die Oberfläche des Werkstückes geleitet wird. Die drahtför­ mige Elektrode 5 wird von einer Vorratstrommel 6 abge­ zogen. Der Abzug erfolgt über das Rollenpaar 7, das über die Antriebseinheit für die Drahtvorschubrollen 8 ge­ steuert wird. Die Elektrode ist über die Schweißstrom­ zuführung 9 mit dem positiven Pol der Schweißstrom­ quelle verbunden. Die Schweißstromquelle wird durch eine Steuereinheit 11 gesteuert, und zwar in der Form, daß die Energieabgabe in gepulster Form erfolgt, wobei die Steuerung über die Stromstärke durchgeführt wird und gleichzeitig erfolgt die Steuerung der Vorschubeinrich­ tung 10, wobei eine zeitliche Verzögerung zwischen einem Impuls des Stromes und dem Vorschub der Elektrode erfolgt. Der Schweißkopf wird über eine nicht dargestellte Ein­ richtung kontinuierlich über das Werkstück geführt.

Beispiel 1:

Zwei Bleche mit einer Dicke von 15 mm aus einem Stahl mit in Gew.-% Kohlenstoff 0,08 Silizium 0,21, Mangan 0,66, Phosphor 0,017, Schwefel 0,028, Rest Eisen wurden mit einem für Unterpulverstumpfnahtschweißungen üblichen Stirnflächenabstand von 0,8 mm nebeneinander angeordnet. Die Werkstücke wurden sodann mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden. Für die Schweißung gelangte ein Schweißpulver folgender Zusammensetzung in Gew.-% in Anwendung: Silizium- und Titandioxid 15, Calzium­ und Magnesiumoxid 30, Aluminium- und Manganoxid 20 und Calziumfluorid 30. Als Schweißdraht gelangte ein Draht mit 4 mm ⌀ und folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-%: Kohlenstoff 0,1, Silizium 0,15, Mangan 1,0, Rest Eisen zum Einsatz. Während der Schweißung wurde der Schweißkopf bei einer gleichförmigen Bewegung mit 30 cm pro Minute entlang der zu bildenden Schweißnaht bewegt. Während der Bewegung wurde das Schweißpulver auf das Werkstück abgelagert. In der Niederenergiephase betrug die Spannung des Stromes 25 Volt und die Stromstärke 150 Amp. und es wurde sodann die Spannung und die Strom­ stärke in zwei Stufen auf 30 Volt bzw. 500 Amp. angeho­ ben. Durch diese beiden unterschiedlichen Energieniveaus konnte sichergestellt werden, daß in der Niederenergie­ phase lediglich ein Lichtbogen minimaler Energie brannte, wo hingegen nur in der Hochenergiephase die Schweißung erfolgte, d. h. der Zusatzdraht ab- und der Grundwerk­ stoff aufgeschmolzen wurde. Die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahtes betrug in der Niederenergiephase 13,8 cm/ min, wo hingegen in der Hochenergiephase der Schweißzusatz­ werkstoff mit 22,8 cm/min gegen das Werkstück bewegt wur­ de. Das Verhältnis zwischen Hochenergie- und Niederener­ giezufuhr betrug 50% bei einer Impulsfrequenz von 0,5 Hertz. Die so erhaltene Schweißnaht bestand aus einander überlappenden Schmelzlinsen, wobei die lineare Überlap­ pung rund 50% betragen hat. Die so erhaltene Schweiß­ naht wurde an mehreren Stellen durch Anfertigung ent­ sprechender Schliffe untersucht und wies keinerlei Stör­ stellen auf. In Bild 1 ist die erhaltene Schweißnaht in der Ansicht von oben dargestellt. Bild 2 zeigt den Schnitt durch die Schweißnaht von Bild 1 mit 2facher Vergrößerung.

Mit derselben Versuchsanordnung, jedoch mit der Ausnahme, daß der Strom nicht gepulst wurde, sondern unter einer Spannung von 30 Volt und 500 Amp. zugeführt wurde, wobei die Schweißkopfgeschwindigkeit wieder 30 cm pro Minute betrug, wurde eine weitere Schweißnaht angefertigt. Mikroskopische Untersuchungen dieser Schweißnaht haben ebenfalls ergeben, daß keine Störstellen vorliegen. Wie sich aus der Geschwindigkeit des Schweißkopfes und der Spannung und der Stromstärke ergibt, ist pro Zeiteinheit eine wesentlich höhere Wärmemenge in das Grundmaterial eingebracht worden.

Beispiel 2:

Es wurde analog Beispiel 1 verfahren, wobei ein Stahl folgender Zusammensetzung in Gew.-% Kohlenstoff 0,08, Silizium 0,21, Mangan 0,66, Phosphor 0,017, Schwefel 0,028, Rest Eisen verschweißt wurde. Als Schweißpulver wurde ein Pulver folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% verwendet: Silizium- und Titandioxid 30, Calziumfluorid 10, Aluminium- und Manganoxid 55. Als metallischer Schweißzusatzwerkstoff wurde ein Schweiß­ draht folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% verwendet: Kohlenstoff 0,08, Silizium 0,03, Mangan 0,48, Rest Eisen. Die Geschwindigkeit des Schweißkopfes betrug 20 cm pro Minute. In der Niederenergiephase betrug die Spannung 25 Volt und die Stromstärke 150 Amp. In der Hochenergiephase 35 Volt und 600 Amp. Die Frequenz war 0,3 Hertz, wo hingegen das Verhältnis von Hochenergie­ zur Niederenergiephase 43,75% betrug. Die Geschwindig­ keit des Schweißzusatzwerkstoffes in seiner Bewegung zur Oberfläche des Werkstoffes betrug in der Niederenergie­ phase 13,8 cm pro Minute, wo hingegen in der Hochenergie­ phase die Geschwindigkeit 31,2 cm pro Minute betrug. Die Beschleunigung der Geschwindigkeit des Schweißzusatzwerk­ stoffes erfolgt mit einer Zeitverzögerung von 0,42 Sekun­ den. Die so erhaltene Schweißnaht wurde wieder mit einer mikroskopischen Untersuchung überprüft, wobei einerseits eine lineare Überlappung von ca. 40% festgestellt wer­ den konnte. Die Schweißnaht, welche sich hervorragend als Wurzelschweißnaht eignet, die dann von entweder ana­ log oder anders gebildeten Schweißraupen überdeckt wer­ den kann, wies keinerlei Poren oder andere Fehlstellen auf. Der entsprechende zeitliche Spannungsverlauf bzw. der Schweißstromstärkeverlauf ist in Diagramm 1 bzw. 2 dargestellt.

Analog Beispiel 2 wurde sodann eine Schweißnaht unter Beibehaltung einer Spannung von 35 Volt und einer Strom­ stärke von 600 Amp. mit einer Geschwindigkeit von 20 cm pro Minute des Schweißkopfes durchgeführt. Die so erhal­ tene Schweißnaht war ebenfalls fehlerfrei, wobei aller­ dings die Wärmeeinbringung, bezogen auf die Gesamtlänge der Schweißnaht, wesentlich höher war als bei der gepulst angefertigten Schweißnaht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Schweißen, insbesondere Verbinden von metallischen Werkstoffen, wobei zumindest ein ver­ zehrender metallischer Schweißzusatzwerkstoff, z. B. Draht- oder Bandelektrode, relativ entlang und zur zu bildenden Schweißstelle, Schweißnaht oder dgl. be­ wegt und unter Einwirkung von elektrischer Energie, insbesondere Gleichstrom, abgeschmolzen wird, wobei während des Schweißens die Schweißstelle vom Pulver bedeckt wird, das unter Einwirkung von elektrischer Energie teilweise erschmolzen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Energiezufuhr zum metal­ lischen Zusatzschweißwerkstoff, bezogen auf die Bewe­ gung entlang der zu bildenden Schweißstelle, angehoben und gesenkt wird und der metallische Schweißzusatz­ werkstoff zur Oberfläche der zu bildenden Schweißstel­ le in Abhängigkeit von und entsprechend der Energie­ zufuhr bezogen auf die Bewegung zugeführt wird, wobei vorzugsweise der metallische Zusatzwerkstoff im wesent­ lichen während der hohen Energiezufuhr abgeschmolzen wird und während der gesenkten Energiezufuhr im wesent­ lichen nur die elektrische Leitung durch einen Licht­ bogen möglichst niedrigen Stromes und Spannung und/ oder durch die Pulverschmelze aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiezufuhr, bezogen auf die Zeit, gepulst wird, wobei die Relativbewegung des metallischen Schweißzusatzwerkstoffes entlang der zu bildenden Schweißstelle im wesentlichen konstant ge­ halten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der metallische Schweißzusatzwerkstoff zeit­ verzögert, bezogen auf die elektrische Energiezufuhr mit beschleunigter bzw. verzögerter Bewegung zur Ober­ fläche der zu bildenden Schweißstelle bewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der metallische Schweißzusatzwerkstoff mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Änderung der Energiezufuhr zum metallischen Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere die Pulsierung zwischen 0,1 und 5 Hertz gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zeitdauer von Hochenergie- zur Niederenergiezufuhr zwischen 0,2 und 0,8 gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über die Änderung der Stromstärke gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Strom- und Spannungswerte optimiert gewählt bzw. gekoppelt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigerung und/oder Senkung der Energiezufuhr über zumindest 2 Stufen, insbeson­ dere kontinuierlich, erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr in Abhängigkeit vom Querschnitt des metallischen Schweißzusatzwerk­ stoffes gesteuert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schweißnaht, insbesondere Wurzelschweißnaht, durch zu 20 bis 50% bezogen auf die Oberfläche überlappende und sodann erstarrende Schmelzlinsen gebildet wird.