DE3936993A1 - Verfahren zum schweissen - Google Patents
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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.
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.
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
AT0273388A AT394819B (de) | 1988-11-07 | 1988-11-07 | Verfahren zum schweissen |
Publications (1)
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Country Status (2)
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