DE60016077T2

DE60016077T2 - Verfahren zum pulsförmigen MIG-Schweissen von Al-Legierungen

Info

Publication number: DE60016077T2
Application number: DE60016077T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Fortain; Philippe Lefebvre; Gerard Plottier
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: FR2792236A1; FR2792236B1; ATE283139T1; CA2305026A1; AR023516A1; EP1044752A1; DE60016077D1; ES2233300T3; EP1044752B1; BR0001608A; JP2000317633A; AU2240800A; US6392194B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein MIG- (Metall-Inertgas-) Verfahren zum pulsförmigen Lichtbogenschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 (siehe z.B. EP-A-0 722 804).
Das Lichtbogenschweißverfahren, das einen Schmelzdraht als Elektrode und ein Inertgas zum Schutz des geschweißten Bereichs verwendet, ist wohlbekannt und wird weitgehend in der Industrie verwendet. Gewöhnlich wird es als MIG-Schweißverfahren bezeichnet.
Wenn der Schmelzdraht, d.h. die Elektrode, schmilzt, kann die Übertragung des geschmolzenen Metalls in mehreren Betriebsweisen erfolgen. Somit wären folgende Betriebsweisen zu erwähnen:

– der so genannte "Kurzschlussmodus", wobei sich bei schwacher Lichtbogenenergie ein Tropfen geschmolzenen Metalls am Ende des Schmelzdrahts bildet, dann zunimmt und anschließend mit dem Schweißbad in Berührung kommt und sich von dem Draht löst.
– der so genannte "Sprühlichtbogenmodus", wobei die Übertragung des Drahtmetalls auf das schmelzflüssige Metallbad unter Einwirkung großer Energie und Stromdichte bei hoher Geschwindigkeit in Form von feinen Tröpfchen mit einem Durchmesser, der geringer ist als der des Drahts, und in der Achse des Drahts erfolgt. Er ist durch einen sehr stabilen Lichtbogen ohne Metallspritzer gekennzeichnet.
– der so genannte "Impulsmodus", wobei man einem Grundstrom zum Aufrechterhalten des Lichtbogens Stromimpulse überlagert, um einen Tropfen geschmolzenen Metalls pro Stromimpuls abzusetzen. Diese Betriebsweise ist mit dem Sprühlichtbogenmodus (mit axialem Sprühen) vergleichbar, jedoch unter Einsatz eines geringeren Durchschnittsstroms.

Um die technischen Fortschritte der Industrie, wie etwa im Transportsektor (Eisenbahn, Marine, Kraftfahrzeug, Luftfahrt oder Raumfahrt) oder im Energie- und Lagerhaltungssektor, nachzuvollziehen, hat sich das MIG-Verfahren anpassen müssen.
Zunächst hat man einen wesentlichen Fortschritt der Stromquellen (Mikroprozessor gesteuerte Leistungselektronik) feststellen können, dann wurde eine rationellere Auswahl der Schweißgase getroffen, die es ermöglicht hat, den Erwartungen der Industrie konkreter entgegenzukommen, insbesondere bezüglich Produktivität und Qualität der Schweißarbeit.
Somit wurde aufgezeigt, dass Argon sowohl bei automatischer als auch manueller Schweißarbeit zu einer guten Übertragung des Metalls in den Lichtbogen und einem schönen glänzenden Aussehen der so ausgebildeten Schweißstellen führt.
Die Druckschrift EP-A-722 804 lehrt z.B. ein pulsförmiges, nicht moduliertes MIG-Schweißverfahren mit Schmelzdraht von Aluminium mit reinem Argon als Schutzgas, das es ermöglicht, eine Schweißgeschwindigkeit von 2 bis 7 m/min zu erreichen.
Dagegen erlaubt Argon keine hohen Schweißgeschwindigkeiten und kann bei automatischer Schweißarbeit Unbeständigkeiten des Lichtbogens über 500 A hinaus verursachen.
Zudem passt die typische enge Form der mit Argon erhaltenen Durchdringungen schlecht zu einer Schweißarbeit durch gegenseitiges Durchdringen.
In den Gemischen aus Argon und Helium (nachstehend Ar/He) ermöglicht es das Helium, die Tiefe der Durchdringung und ihre Wurzelbreite zu erhöhen, es kann also ermöglichen, auf kostspielige Vorbereitungen zu verzichten, und zwar umso mehr je höher der Heliumgehalt ist.
Mit anderen Worten erlaubt es also bei gleich bleibender Dicke umso höhere Schweißgeschwindigkeiten als sein Gehalt erheblich ist.
Im Allgemeinen verbessert sich dadurch auch die Dichte der Schweißraupen, jedoch auf Kosten des Aussehens der Schweißraupen, die weniger glänzend als bei reinem Argon sind.
Die Ar/He-Gemische sind also offensichtlich bezüglich Qualität und Produktivität sowohl bei manueller Schweißarbeit (Ar + 20% He) als auch bei automatischer Schweißarbeit (Ar + 50% bis 70% He) interessant, jedoch bei nicht unbeträchtlichen Kosten, die mit dem Heliumgehalt zusammenhängen.
Bei Anwendungen, für die diese beiden Kriterien nicht unbedingt zu erfüllen sind, kann es ratsam sein, sich für andersartige Gemische zu interessieren.
Somit schlägt die Druckschrift EP-A-639 423 für die TIG- und MIG-Verfahren vor, ein argonartiges oder argon-/heliumartiges Schweißgas zu verwenden, das außerdem von 100 bis 1000 ppmv CO₂ und oder O₂ enthält.
Ansonsten lehrt die Druckschrift US-A-3,143,631 ein MIG-Schweißverfahren, das ein Schutzgas verwendet, das hauptsächlich aus Argon und in geringem Ausmaß aus Sauerstoff besteht und für das Schweißen von Eisenmetallen, insbesondere von Stählen, empfohlen wird, das jedoch zum Schweißen von Nichteisenmetallen, insbesondere von Aluminium, anwendbar ist. Es wird ein einzelnes Beispiel für Aluminium beschrieben, bei dem das Gemisch 1% Sauerstoff enthält.
Außerdem schlägt die Druckschrift DE-A-4 241 982 ihrerseits vor, Argon oder ein Argon/Helium-Gemisch unter Zugabe von 80 bis 250 ppmv Stickstoff zu verwenden.
Allerdings ist von diesen bekannten Verfahren keines aus industrieller Sicht völlig zufrieden stellend.
Außerdem wurde bei dem modulierten Sprühlichtbogen-MIG-Schweißen, d.h. unter Einsatz einer Modulierung des Schweißstroms, bereits empfohlen, ein Schutzgas oder ein Schutzgasgemisch bestehend aus Argon, Helium oder ihren Gemischen unter Zugabe von 0,01% bis 1,80% Kohlendioxid und/oder Sauerstoff zu verwenden, wie in der EP-A-909 604 beschrieben.
Allerdings werden dabei die Strommodulierungen bei einer Frequenz von weniger als 60 Hz auf den Strom angewendet, um das Schweißbad entgasen zu können, um eventuell darin befindliche Gaseinschlüsse, insbesondere diffundierbaren Wasserstoff, daraus zu entfernen.
Die MIG-Verfahren im Sprühlichtbogenmodus mit Strommodulierungen werden nämlich eingesetzt, wenn man eine hohe Qualität der Schweißnaht erhalten möchte, jedoch ohne dass es unbedingt nötig wäre, eine erhebliche Schweißgeschwindigkeit zu erreichen.
Infolgedessen besteht das dargelegte Problem darin, die bekannten MIG-Schweißverfahren zu verbessern, die keine Schweißstrommodulierungen einsetzen, insbesondere die mit Impulsmodus, um Hochleistung bezüglich Produktivität und Schweißgeschwindigkeit zu erhalten.
Dazu sind die pulsförmigen MIG-Verfahren viel besser geeignet, wenn man eher die Produktivität als die Qualität, d.h. das Aussehen der so ausgebildeten Schweißstellen, verbessern möchte.
Bislang wurden die pulsförmigen MIG-Verfahren jedoch gar nicht oder nur wenig zum Schweißen von Aluminium oder seiner Legierungen verwendet, wenn das Schutzgas Sauerstoff enthielt.
Es wird nämlich gewöhnlich anerkannt, dass das Vorhandensein von Sauerstoff in dem Schutzgas eine ungünstige Auswirkung auf die Schweißstelle haben kann, da, wenn Sauerstoff in das Schutzgas integriert ist, sich dieser leicht mit den Aluminiumatomen kombiniert und daraus Aluminiumoxid-Festeinschlüsse (Al₂O₃) in der Schweißstelle ergeben, die sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißstelle auswirken. Dies wurde übrigens für erhebliche Sauerstoffgehalte, d.h. Gehalte von mehr als 2% Sauerstoff, sowie für erhebliche Kohlendioxidgehalte, d.h. auch hier Gehalte über 2%, nachgewiesen.
Das Vorhandensein von Sauerstoff in dem Schutzgasstrom führt dagegen jedoch zu annehmbaren Produktivitätsleistungen.
Daraus ergibt sich also, dass das dargelegte Problem darin besteht, ein MIG-Schweißverfahren von Aluminium und seinen Legierungen vorzuschlagen, das es ermöglicht, sowohl eine hohe und industriell annehmbare Produktivität als auch einen geringen Grad von Aluminiumoxideinschlüssen in der Schweißstelle ohne größeren oder merkbaren Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindungen zu erlangen.
Die von der vorliegenden Erfindung erbrachte Lösung beruht dabei auf einem pulsförmigen MIG-Schweißverfahren nach Anspruch 1.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend angegeben:

– Das Gas- oder Schutzgemisch enthält 1,2 bis 1,65% Sauerstoff, wobei der Rest Argon ist, bevorzugt ungefähr 1,50% Sauerstoff.
– Es wird ein Vollschmelzdraht oder ein Fülldraht eingesetzt.
– Die Schweißgeschwindigkeit beträgt 0,60 bis 1 m/min.
– Die Drahtgeschwindigkeit beträgt 4 m/min bis 13 m/min.
– Die durchschnittliche Schweißstärke beträgt 40 A bis 450 A.
– Die durchschnittliche Schweißspannung beträgt 15 V bis 40 V.
– Die Schweißstärke beträgt 120 A bis 350 A.
– Die durchschnittliche Schweißspannung beträgt 20 V bis 28 V.

Die vorliegende Erfindung beruht also auf einer genauen Regelung des Sauerstoffgehalts in Argon; wobei das derart gebildete Gasgemisch das Schutzgas bildet, das bei dem Einsatz des pulsförmigen MIG-Verfahrens verwendet wird.
Die Erfindung soll nun dank der nachstehenden Beispiele, die zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung angegeben werden und deren Ergebnisse schematisch in den beigefügten Figuren dargestellt sind, besser verständlich werden.
Beispiele
Um die Wirksamkeit des pulsförmigen MIG-Verfahrens der Erfindung aufzuzeigen, wurden mehrere Vergleichsprüfungen durchgeführt.
Im Rahmen dieser Prüfungen wurden Aluminiumstücke (Klasse 5000 und 6000 nach den Normen NFEN 485, 487, 515 und 573) in einem nicht modulierten MIG-Verfahren im Sprühlichtbogenmodus zum Vergleich, und in einem erfindungsgemäßen pulsförmigen MIG-Verfahren geschweißt, wobei ein Schutzgas verwendet wurde, das aus Argon unter Zugabe von 1 bis 3% O₂ oder gegebenenfalls 1 bis 3% CO₂ bestand.
Der Stromgenerator ist ein von der Firma LA SOUDURE AUTOGENE FRANÇAISE vertriebener Generator 480 TRS.
Der Schmelzdraht als eingesetztes Zusatzmetall ist wie überall ein Draht mit einem Durchmesser von 1,2 mm von der Art 5356 (nach den Normen AWS A5.10 oder NF A50.403).
Die Aluminiumstücke werden vor dem Schweißen durch mechanisches Aufrauen vorbereitet.
Die anderen Schweißparameter werden in der nachstehenden Tabelle I angegeben, wobei:

– Vfil: die Vorschubgeschwindigkeit des Schmelzdrahts ist
– Ic: die Spitzenstromstärke ist
– Ibase: die Grundstärke ist
– Imoy: die durchschnittliche Stärke ist
– Uc: die Spitzenspannung ist
– Umoy: die durchschnittliche Spannung ist
– Fp: die Stromimpulsfrequenz ist (beim pulsförmigem MIG)
– Tp: die Stromimpulsdauer ist (beim pulsförmigen MIG)

Tabelle I: Schweißparameter
Die erhaltenen Ergebnisse werden nachstehend angegeben, nach Beurteilung der Leistung bezüglich Produktivität (Schweißgeschwindigkeit) und Nahtqualität (Dichte und Aussehen der Raupe) und mechanische Leistung.
In den Tabellen II und III wurden die in den 3 Aluminiumklassen gegebenen Geschwindigkeitssteigerungen im Verhältnis zu den herkömmlich mit Argon (ohne Zugabe von O₂ oder CO₂) erhaltenen Schweißgeschwindigkeiten bestimmt.
Die schattierten Bereiche entsprechen Zugaben, die zu vermeiden sind und für welche die Festigkeitseigenschaften der Schweißstöße (Zug- oder Biegefestigkeit) nicht zufrieden stellend sind.
Tabelle II: Argon + O₂
NR: wegen der mit den Klassen 5000 erhaltenen Ergebnisse nicht durchgeführt
Tabelle III: Argon + CO₂
NR: wegen der mit den Klassen 5000 erhaltenen Ergebnisse nicht durchgeführt
Aus den Tabellen II et III geht deutlich hervor, dass obwohl die Zugaben von CO₂ in Bezug auf die Schweißgeschwindigkeit im Prinzip leistungsstärker sind, es nur Zugaben von O₂, die nicht 2% übersteigen, ermöglichen, die Festigkeitseigenschaften der verschiedenen Klassen von Aluminiumstücken zu gewährleisten.
Zudem wurden zur Beurteilung der Leistung in Bezug auf die Nahtqualität (Dichte und Aussehen der Raupe) an den Stücken der Klasse 5000 Röntgenprüfungen vorgenommen, die keine Angaben aufdeckten, die sich von den gewöhnlich bei MIG mit Argon oder Ar/He-Gemischen gefundenen unterschieden. Bei Zugaben von 3% und mehr CO₂ kann das stark verzerrte Aussehen der Oberfläche jedoch beim Röntgen eventuelle kleine Fehler verdecken.
Demnach ermöglichten es zusätzlich makrographische Entnahmen, durch einfaches Polieren Bereiche mit kleineren Einschlüssen (ungefähr 0,01 mm), mit unterschiedlicher Verteilung und unterschiedlichen Orientierungen sichtbar zu machen. Bei gleichprozentiger Zugabe sind diese Bereiche allerdings bei CO₂ wesentlich größer und dichter als bei O₂.
Diese Bereiche wurden unter einem REM als Aluminiumoxid-Bereiche (Al₂O₃) identifiziert. Außerdem unterscheidet sich das Aussehen der mit den Ar/O₂- und Ar/CO₂-Gemischen erhaltenen Raupen deutlich von denen, die mit reinem Argon erhalten wurden. Bei den beiden Zugabearten CO₂ oder O₂ zeigen die Raupen je nach dem gewählten Gehalt ein stumpfes, nahezu schwärzliches Aussehen. Im Allgemeinen sind die Oberflächenablagerungen, die von einer CO₂-Zugabe erhalten wurden, deutlicher und fest haftender als die mit O₂ ausgebildeten, die sich durch einfaches Bürsten oder anhand eines Tuchs entfernen lassen.
Anschließend wurde die mechanische Leistung ausgehend von abgestrichenen Querzugproben und Querbiegeproben, die an den Schweißstößen entnommen wurden, beurteilt.
Die Zugergebnisse werden in den folgenden Tabellen IV und V angegeben, wo sie als Schweißfaktor ausgedrückt sind (Schweißgutfestigkeit/ Grundmetallfestigkeit).
Es ist zu beachten, dass die Abweichungen der Schweißfaktoren zwischen den Klassen 5000 und 6000 nur auf die Verwendung eines Grundmetalls der Klasse 6000, das im Zustand T6 geliefert wurde, zurückzuführen ist, obwohl der Schweißstoß nach der Schweißarbeit keiner Wärmebehandlung unterzogen wurde.
Tabelle IV: Argon + O₂
NR: wegen der mit der Klasse 5000 erhaltenen Ergebnisse nicht durchgeführt
Tabelle V: Argon + CO₂
NR: wegen der mit der Klasse 5000 erhaltenen Ergebnisse nicht durchgeführt
Die erhaltenen Ergebnisse haben an den Bruchmustern dieser Proben Bereiche mit vereinzelten feinen schwarzen Einschlüssen sichtbar gemacht. Diese Angaben bestätigen die Ergebnisse der Makrostrukturprüfungen. Mit zunehmendem Prozentanteil von O₂ oder CO₂ gewinnen sie immer mehr an Größe und Dichte und verursachen einen erheblicheren Verlust der Verformungsfähigkeit bei den Biegeprüfungen sowie einen spürbaren Verlust der Festigkeitseigenschaften.
Die Ergebnisse dieser Eigenschaften werden als annehmbar (Biegewinkel von 180° ohne Fehler oder mit geringfügigen Fehlern) und nicht annehmbar (Biegewinkel < 180° mit Riss) dargestellt.
Es ist jedoch zu betonen, dass die Einschlussbereiche (Aluminiumoxid) bei den Ar+CO₂-Gemischen sehr viel zahlreicher und dichter sind als bei den Ar+O₂-Gemischen.
Die Ergebnisse werden in den beigefügten 1 bis 4 schematisch dargestellt.
1 (Legierung Klasse 5000) und 3 (Legierung Klasse 6000) stellen den Einfluss der Zugabe von zunehmenden Anteilen von O₂ oder von CO₂ in Argon beim MIG-Schweißen im nicht modulierten Sprühlichtbogenmodus auf die Leistung der Biegefestigkeit und der Bruchfestigkeit an der Zugprobe dar; dagegen stellen 2 (Legierung Klasse 5000) und 4 (Legierung Klasse 6000) den Einfluss der Zugabe von zunehmenden Anteilen von O₂ oder CO₂ in Argon beim erfindungsgemäßen pulsförmigen MIG-Schweißen auf die Leistung der Biegefestigkeit und der Bruchfestigkeit an der Zugprobe dar.
In 1 bis 4 stellt die Abszissenachse den O₂- oder CO₂-Gehalt in Argon (in %) und die Ordinatenachse die Zugfestigkeitswerte (Rm) (in MPa) der Schweißstöße der Klassen 5000 (1 und 2) und 6000 (3 und 4) dar.
Die Ergebnisse werden als annehmbar angesehen, solange die 180°-Biegung "ohne Fehler" oder "mit geringfügigen Fehlern aber ohne Riss" ist (siehe Beschriftung von 1 bis 4).
Für 3 und 4 sind keine Verschlechterungen der Festigkeitseigenschaften des geschmolzenen Bereichs in Abhängigkeit von dem O₂-Gehalt festzustellen, insofern als die Risse der Zugproben systematisch in dem Verbindungsbereich auftreten, der einem Materialzustand T4 entspricht, der unter dem unversehrten Lieferzustand T6 liegt.
Dies erklärt auch die Unterschiede der Schweißfaktoren zwischen den Reihen 5000 und 6000.
Schließlich erhält man die besten Ergebnisse beim Einsatz von Argon- und Sauerstoffgemischen, die weniger als 2% Sauerstoff enthalten.
Weitere Prüfungen haben aufgezeigt, dass man die besten Ergebnisse für einen durchschnittlichen Sauerstoffgehalt von 1,20% bis 1,70%, bevorzugt von ungefähr 1,50%, erhält.

Claims

Verfahren zum pulsförmigen MIG-Schweißen von Aluminium und Aluminium-Legierungen, unter Einsatz eines gasförmigen Schutzes mindestens eines Teils der Schweißzone, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Schutz ein gasförmiges Gemisch ist, das zu 1,20% bis 1,70% aus Sauerstoff und für den Rest aus Argon besteht, wobei die Schweißgeschwindigkeit 0,25 m/min bis 1,20 m/min und die Drahtgeschwindigkeit 2,5 m/min bis 20 m/min beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Schutzgemisch 1,2 bis 1,65 Sauerstoff enthält, wobei der Rest Argon ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Schutzgemisch etwa 1,5% Sauerstoff enthält, wobei der Rest Argon ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein massiver oder ein gefüllter Schmelzdraht eingesetzt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißgeschwindigkeit 0,60 bis 1 m/min beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtgeschwindigkeit 4 m/min bis 13 m/min beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Schweißstärke 40 A bis 450 A beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Schweißspannung 15 V bis 40 V beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißstärke 120 bis 350 A beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Schweißspannung 20 V bis 28 V beträgt.