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Die
vorliegende Erfindung betrifft neue und verbesserte Aluminium-Schweißdrähte und
insbesondere Aluminium-Schweißdrähte mit
einem Metallkern, welche eine hochwertige Schweißraupe ergeben, wenn sie beim
Schweißen
von Teilen von Aluminiumgegenständen
verwendet werden.
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Aluminium-Schweißdraht wird
herkömmlicherweise
als ein massiver Draht geliefert, der im allgemeinen durch fortlaufendes
Gießen
von Rundstäben
hergestellt wird, welche dann auf eine Temperatur in Abhängigkeit
von der Legierung erhitzt und zum Beispiel auf 3/8 Inch (9 mm) Durchmesser
gewalzt werden. Dieser Stab wird dann durch eine Reihe von Formwerkzeugen
gezogen, so dass sein Durchmesser auf die erforderliche Größe verringert
wird.
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Eines
der Probleme im Zusammenhang mit Schweißgut aus Aluminium-Schweißdraht ist
die Porosität.
Es ist wichtig, dass die Schweißraupen
frei von Porosität
sind. Die in Aluminiumschweißungen
beobachtete Porosität
wurde einer Zahl von Quellen zugeschrieben, aber eine der bedeutendsten
Quellen sind Hohlräume, die
durch das Freisetzen von Wasserstoffbläschen aus dem erstarrenden
Schweißmetall
verursacht werden. Diese Bläschen
werden durch das Einführen
von wasserstoffhaltigen Materialien in die Schweißraupe verursacht.
Während
des Schweißens
werden wasserstoffhaltige Materialien zersetzt und der so erzeugte
Wasserstoff löst
sich in dem geschmolzenen Metall. Bei der Verfestigung führt die
niedrigere Löslichkeit
des Wasserstoffs in dem festen Metall zum Ausstoßen von Wasserstoff aus der
Lösung
und zur Erzeugung von kleinen Hohlräumen in der Schweißnaht. Es
wurde berichtet, dass wasserstoffhaltige Materialien in die Schweißraupe aus
einer Anzahl von Quellen eintreten können, aber eine der Hauptquellen
sind die Schweißdrähte selbst.
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Die
US-A-3 676 309 offenbart einen Schweißdraht auf Basis einer Aluminiumlegierung,
welcher mit einer Aluminiumoxid-Phoshpat-Beschichtung überzogen
ist, welche eine geringe Hydrationsrate aufweist, so dass im wesentlichen
porositätsfreie
Schweißnähte erhalten
werden. Der Aluminium-Schweißdraht kann
hergestellt werden durch Eintauchen des Drahts in eine erste wässrige alkalische
Lösung,
die einen Anodenstreifen enthält,
fortdauerndes Eintauchen des Drahtes in eine zweite wässrige alkalische
Lösung,
die einen Kathodenstreifen enthält,
und Durchleiten eines elektrischen Stromes durch die Elektrolyten,
während
der Draht darin eingetaucht ist. Danach kann der Draht in kaltem
Wasser gespült
werden, in ein passivierendes und neutralisierendes Säurebad eingetaucht
und wieder gespült
werden. Der zweite Teil des Verfahrens ist eine elektrolytische
Säurebehandlung.
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Die
US-A-4 913 927 offenbart einen Aluminium-Schweißdraht mit einer ultrareinen
Aluminiumoberfläche,
welcher mit einer doppelten Beschichtung eines im wesentlichen wasserfreien
niedrigen Alkanols und eines kolloidalen festen Schmiermittels geschmiert
ist.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
(OPI) 6-304780-A offenbart einen Aluminium-Schweißdraht, der
rohrförmig
und mit einem Flussmittel gefüllt
ist. Gemäß der Veröffentlichung
enthält
das Flussmittel 5–10% Natrium,
40–45%
Kalium, 5% oder weniger Sauerstoff, 5% oder weniger Schwefel, 5–10% Fluor
und 35–40% Chlor.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminium-Metallkern-Schweißdraht zur
Erzeugung von Aluminium-Schweißgut,
wie in Anspruch 1 definiert.
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Metallkern-Schweißdrähte sind
im allgemeinen zusammengesetzte rohrförmige Metallelektroden mit einer
Metallhülle
und einem Kern, bei welchen der Kern eine Kernzusammensetzung aus
verschiedenen pulverisierten Materialien enthält. Der Begriff "Metallkern" wird hier verwendet
wie er in der Schweißdrahtindustrie verwendet
wird, um Kernpulver mit geringen Mengen (weniger als 5%) nichtmetallischer
Agenzien zu bezeichnen, die eine Schlacke auf dem Schweißgut bilden.
Siehe zum Beispiel ANSI/ANS A5.9 Specifications for Bare Stainless
Steel Welding Electrodes and Rods. In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung enthält
der Aluminium-Metallkern-Schweißdraht
eine Aluminiumhülle
und eine Kernzusammensetzung, die weniger als ungefähr 5% nichtmetallische
Komponenten basierend auf dem Gewicht des Drahtes enthält. Der
Begriff "nichtmetallisch" bezieht sich auf
Elemente, die keine Metalle oder Halbmetalle sind, zum Beispiel
bezieht er sich auf Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff,
Phosphor, Schwefel, Selen und die Halogene. Der Aluminium-Metallkern-Schweißdraht der
Erfindung ist brauchbar für
Verbindungs- und Oberflächenschweißen. Einige
der Vorteile von Metallkern-Schweißdraht sind eine bessere Eindringung
in das Basismetall und bessere Bogentransfereigenschaften (im Vergleich
zu massivem Schweißdraht).
Bessere Bogentransfereigenschaften schließen bessere Bogenstabilität, geringes
Spritzen und bessere Bogenzündung
ein. Während
Stahl-Metallkern-Schweißdraht allgemein
bekannt und in der Schweißindustrie
weit verbreitet ist, war Aluminium-Schweißdraht nicht als rohrförmiger Metallkerndraht
handelsüblich.
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Die
Kernzusammensetzung enthält
Mangannitrid und/oder Barium. Durch Aufnahme von Barium und/oder
Magannitrid in die Kernzusammensetzung können weniger poröse und in
einigen Fällen
im wesentlichen nicht poröse
Schweißnähte gebildet
werden. Es wird angenommen, dass Barium die Porosität durch
Lösen von
Wasserstoff verringert und so verhindert, dass Wasserstoff bei der
Verfestigung aus der Schweißnaht herausperlt.
Es wird angenommen, dass Mangannitrid die Porosität durch
Freisetzen von Stickstoff beim Schweißen verringert. Der Stickstoff
entfernt den Wasserstoff aus dem geschmolzenen Schweißmetall.
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Bei
der Herstellung von Metallkerndrähten,
wird die Kernzusammensetzung gemischt und auf einem Metallstreifen
abgelagert, der zu einem Rohr oder einer Umhüllung um die Kernzusammensetzung
in einem Verformungswalzwerk geformt wird. Die Umhüllung, die
die Kernzusammensetzung umgibt, wird durch Reduziergesenke auf einen
bestimmten Durchmesser gezogen. Um den Ziehvorgang durchzuführen, ist
es notwendig, die äußere Oberfläche der
Umhüllung
zu schmieren, wenn sie durch die Reduziergesenke gezogen wird. Die
Schmiermittel, die herkömmlicherweise
beim Formen von rohrförmigem
Stahldraht verwendet wurden, sind organisch und enthalten Wasserstoff.
Diese Schmiermittel sind beim Bilden von Aluminium-Metallkerndraht
nachteilig, da die Schmiermittel auf der Oberfläche des Drahtes bleiben und
beim Schweißen
aufbrechen und Wasserstoff freisetzen. Im Gegensatz zu Stahl hat
geschmolzenes Aluminium eine hohe Löslichkeit für Wasserstoff. Als Folge löst sich
der freigesetzte Wasserstoff leicht in dem geschmolzenen Aluminium-Schweißgut. Wenn
sich das Aluminium-Schweißgut
verfestigt, wird der Wasserstoff freigesetzt und erzeugt Poren und
Kanäle
in der Schweißnaht,
was die Schweißnaht
für die
meisten Anwendungen unbrauchbar macht. Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird diese Herstellungsschwierigkeit
durch Verwendung eines anorganischen Schmiermittels in den Reduziergesenken überwunden.
Ein Schmiermittel der Wahl ist Molybdändisulfid.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Metallkerndrahtes
wie in Anspruch 6 definiert.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung eines Aluminiumrohres, das
nützlich
ist bei der Bildung eines Aluminium-Metallkerndrahtes, wobei die gebildete
Umhüllung
in einem Tetrachlorethylen (TCE)-Bad gereinigt wird und bei einer
Temperatur zwischen ungefähr
280–500°F (138–260°C) typischerweise
ungefähr
1 bis 4 Stunden getrocknet wird, um wasserstoffhaltige Materialien,
wie z.B. Feuchtigkeit und TCE aus der Oberfläche des Drahtes zu entfernen.
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Der
Schweißdraht
kann bei einem Verfahren zur Bildung einer Aluminiumschweißnaht verwendet
werden, welches eine Spannung an einen Aluminium-Metallkerndraht
in der Nähe
einer Werkstücksoberfläche anlegt,
um einen Lichtbogen zu erzeugen, der die Elektrode und die Werkstücksoberfläche schmilzt
und die Schweißnaht
bildet.
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Der
Aluminium-Metallkerndraht der vorliegenden Erfindung ist aus einem
Aluminiumstreifen gebildet, der zu einem Rohr geformt ist. Der Aluminiumstreifen,
der bei der Erfindung verwendet wird, kann aus Aluminium oder irgendeiner
der im Handel erhältlichen
Aluminiumlegierungen gebildet sein. Die 4000er- und 5000er-Serien-Alumiumlegierungen
(wie durch The Aluminum Association klassifiziert) werden oft zur
Bildung des Streifens verwendet. Zwei Legierungen, die zur Bildung
des Streifens besonders wünschenswert
sind, sind 5056 und 5052. Die Letztere ist dadurch gekennzeichnet,
dass sie 2,2 bis 2,8% Mg enthält
und die Vorherige ist dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,05 bis
0,2% Mn, 4,5 bis 5,6% Mg und 0,02 bis 0,2% Cr. enthält. Der
Aluminiumstreifen ist in einer Anzahl von Stärken erhältlich. Ein 0,4 Inch (10 mm)
breiter und 0,028 (0,7 mm) Inch dicker Streifen hat sich zur Anwendung
bei einer Ausführungsform
der Erfindung als geeignet herausgestellt. Bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung kann es wünschenswert
sein, einen dickeren Streifen zu verwenden, um die Steifigkeit des
Drahtes zu erhöhen.
Bei diesen Ausführungsformen
kann es wünschenswert
sein, einen ungefähr
0,039 Inch (1 mm) dicken Streifen zu verwenden. Der Aluminiumstreifen,
der bei einer Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird, liegt im Bereich zwischen ungefähr 0,250
und 0,650 Inch (6,35 bis 16,5 mm) Breite und ungefähr 0,010
bis 0,040 Inch (0,25 bis 1 mm) Dicke.
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Die
Zusammensetzung des Schweißdrahtes
kann in einer Art und Weise, welche im Stand der Technik bekannt
ist, eingestellt werden, um die Schweißeigenschaften zu liefern und/oder
um mit dem Werkstück
kompatibel zu sein. Vielen dieser Zusammensetzungen wurden AWS-Nummern
zugewiesen. Zwei der am weitest verbreiteten Aluminium-Schweißdrähte sind
ER 5356 und ER 4043. Diese Schweißdrähte enthalten mindestens ungefähr 4% und
noch typischer ungefähr
4 bis 6% Magnesium oder Silicium. Bei zwei der Ausführungsformen
sind die Schweißdrähte der
Erfindung so zusammengesetzt, dass sie die Spezifikationen für diese Drähte erfüllen.
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Gemäß einer
allgemeineren Ausführungsform
der Erfindung können
die Aluminium-Metallkerndrähte der
vorliegenden Erfindung zusätzlich
zu Aluminium eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten (basierend
auf Gewichtsprozent des Drahtes): Tabelle
1
1Tabelle 2
- 1) Eine Zahl gefolgt
von dem Ausdruck "max" bezieht sich auf
das maximal erlaubte Niveau an Fremdstoff.
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Zusätzlich zu
den in Tabelle 1 und 2 gezeigten Metallen kann der Draht in Übereinstimmung
mit Industriestandards begrenzte Mengen von Zn, V, Be, Sn, Si, Fe,
Zr enthalten. Im allgemeinen übersteigen
diese Metalle nicht 0,005 bis 0,45%. Wenn sich die Industriestandards ändern und/oder
neue Standards festgesetzt werden, werden die Zusammensetzungen
der Schweißung,
des Drahtes, der Umhüllung
und der Kernzusammensetzung leicht eingestellt, um diesen Rechnung
zu tragen.
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Barium
und Mangannitrid werden allein oder in Kombination in einer Menge
verwendet, die ausreichend ist, um eine Schweißnaht zu liefern, die im wesentlichen
nicht porös
ist. Mangannitrid kann in einer Menge bis zu ungefähr 6% der
Kernzusammensetzung verwendet werden und wird gewöhnlich in
einer Menge von ungefähr
1 bis 6% verwendet. Barium kann in einer Menge bis zu ungefähr 15% des
Kerns verwendet werden und wird gewöhnlich in einer Menge von ungefähr 0,1 bis
15% verwendet. Barium wird dem Kern vorzugsweise als CalSiBar in
einer Menge bis zu 10 Gew.-% des Kerns zugegeben und gewöhnlich in
einer Menge von ungefähr
1 bis 10%.
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Die
Umhüllungszusammensetzung,
welche bei ausgewählten
Ausführungsformen
der Erfindung nützlich
ist, kann zusätzlich
zu Aluminium eines oder mehrere der folgenden Elemente in Gewichtsprozent
(basierend auf der Umhüllung)
enthalten, welche in Tabelle 3 dargestellt sind:
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Bei
den Ausführungsformen
der Erfindung, bei welchen eine Kernzusammensetzung im Draht verwendet
wird, kann die Kernzusammensetzung eingestellt werden, basierend
auf der Umhüllungslegierungszusammensetzung,
um einen Draht zu liefern, der die gewünschten Schweißeigenschaften
erfüllt
und insbesondere eine der Klassifikationen der American Welding
Society (AWS) für
Aluminiumelektroden und Drähte
erfüllt,
wie in AWS A5.10 veröffentlicht.
Die Kernzusammensetzung in Gewichtsprozent ist in Tabelle 4 dargestellt
(die "typischen" Zusammensetzungen
stellen die AWS-Standards dar):
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Tabelle
4 Pulverkernzusammensetzung
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Die
Kernzusammensetzung kann hergestellt werden unter Verwendung von
K3AlF6, Ca-Si-,
Mn-N-, Zr-Si- und/oder CalSiBar-Legierungen. Diese Legierungen haben
die in Tabelle 5 unten dargestellten Zusammensetzungen:
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Tabelle
5 Legierungszusammensetzungen
(%)
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Die
Kernzusammensetzung stellt im allgemeinen ungefähr 6 bis 25% des Gesamtgewichts
des Aluminiumkerndrahtes dar, und noch typischer ungefähr 7 bis
9%. Bei einigen der typischeren Ausführungsformen der Erfindung
haben die Pulver und Teilchen, die die Kernzusammensetzung ausmachen,
eine durchschnittliche Teilchengröße von ungefähr 45 Mikrometer
bis 250 Mikrometer. Eine gleichmäßige Verteilung
der Kernzusammensetzung in dem gezogenen Aluminiumdraht ermöglicht eine
Gleichmäßigkeit
des Schweißgutes.
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Aluminiumkerndraht
kann hergestellt werden unter Verwendung einer Drahtherstellausrüstung und Bedingungen,
die ähnlich
sind, wie die, die bei der Herstellung von herkömmlichen Metallkerndrähten verwendet
werden. Ein Aluminiumstreifen wird durch Formwalzen gezogen. Die
Walzen enthalten typischerweise 3 Paar von Walzen mit einer Formungsnut
darin, welche den Streifen zu einem U-förmigen Rohr walzen. Das Rohr
wird mit dem Metallpulver gefüllt
und geformt, um einen Draht zu erzeugen. Die Schließwalzen
haben typischerweise die folgende Durchmessersequenz: 0,16 Inch
0,15 Inch 0,14 Inch und 0,13 Inch (4,0 mm; 3,8 mm; 3,6 mm; und 3,3
mm). Der Streifen muss geschmiert werden, wenn er durch diesen Formungsgesenksatz bewegt
wird, da aber so wenig dieses Schmiermittels auf der Oberfläche des
Drahtes nach dem stromabwärtigen
Zugvorgang verbleibt, kann dieses Schmiermittel ein herkömmliches
Schmiermittel, wie z.B. ein Sillikonöl wie Dow Corning 200, sein.
Den Streifen lässt
man im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 bis
200 Fuß pro
Minute (13 bis 65 m/min) und noch typischer mit einer Geschwindigkeit
von 44 fpm (14 m/min) durch die Formungswalzen laufen.
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Stromabwärts des
Umformungsgesenks wird der Streifen durch eine Reihe von Reduziergesenken gezogen,
typischerweise ungefähr
7 bis 8 Gesenke, die allmählich
im Durchmesser von einem anfänglichen Durchmesser
von ungefähr
0,146 Inch (3,7 mm) bis zu einem Enddurchmesser von ungefähr 0,062
Inch (1,57 mm) kleiner werden. In einem Fall haben diese Gesenke
die Durchmesserfolge (Inch): 0,146; 0,120; 0,109; 0,097; 0,082;
0,069 und 0,062 und in mm die Folge 3,7; 3,0; 2,8; 2,5; 2,0; 1,75
und 1,6 mm. Wenn der Streifen durch die Reduziergesenke gezogen
wird, wird er mit einem wasserstofffreien Schmiermittel geschmiert.
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist das Schmiermittel Molybdändisulfid. Bei einer anderen
Ausführungsform
ist es Wolframdisulfid. Der gewalzte Streifen wird im allgemeinen
mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 bis 1000 Fuß pro Minute
(32 bis 320 m/min) durch die Reduziergesenke gezogen.
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Die
Erfindung wird detaillierter durch die folgenden nicht beschränkenden
Beispiele dargestellt:
Beispiele. Es wurden Aluminium-Metallkern-Schweißdrähte hergestellt
unter Verwendung einer 5056-Aluminiumlegierung, um die Umhüllung zu
bilden, und mit den folgenden Kernzusammensetzungen:
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Die
beste Schweißfähigkeit
mit minimaler Porosität
wurde bei den Beispielen 4 und 5 erhalten. Die Beispiele 1–2 zeigten
etwas Porosität.
Das Beispiel 3 zeigte keine Porosität.
