DE602004012468T2

DE602004012468T2 - Wig-schweissverfahren

Info

Publication number: DE602004012468T2
Application number: DE602004012468T
Authority: DE
Inventors: Toyoyuki Satou; Hidetoshi Fujii; Koji Nakamura; Shanping Lu; Yutaka Kimura; Kiyoshi Nogi
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: DE602004012468T3; DE602004012468D1; EP1459830B1; CA2461317A1; TW200510105A; EP1459830A1; EP1459830B2; US20040188390A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wolfram-Inertgas-(TIG bzw. WIG)-Schweißverfahren und einer Aufgabe gemäß der Einleitung der entsprechenden Ansprüche 1, 2 und 9 (siehe z. B.: US-A-4 161 645 ).
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Normalerweise wird eine Struktur, die ein Material auf Stahlbasis als Basismaterial verwendet, wie z. B. Karbonstahl oder rostfreier Stahl, mit TIG bzw. WIG-Schweissen geschweißt. WIG-Schweissen wird oft als Verfahren verwendet, um Strukturen zu schweißen, die eine hohe Verlässlichkeit für leichte Ausführung und Bildung eines qualitativ-hochwertigen Metallabschnitts, wie z. B. in der japanischen Patentanmeldung-Offenlegungschrift der Nummer: 2003-019561 beschrieben ist.
Aber da Materialien auf Stahlbasis inklusive rostfreiem Stahl, die in den letzten Jahren verwendet wurden, geringere Schwefelverunreinigung besitzen, hat der geschweißte Metallabschnitt eine breite und flache Schweißeindringtiefenform im WIG-Schweißverfahren, so dass der Schweißeffekt ungenügend ist. Um einen geschweißten Metallabschnitt in der Tiefe zu formen, wird eine Erhöhung der Anzahl von Durchlaufen benötigt. Aber wenn die Anzahl der Durchlaufe erhöht wird, wird dabei die Schweißeffizienz wesentlich verringert.
Andere Schweißverfahren beinhalten MAG(Metall-Aktivgas)-Schweißen, MIG(Metall-Inertgas)-Schweißen und Plasmaschweissen, etc., die in Fallen angewandt werden, in denen tiefgeschweisste Metallabschnitte und hocheffiziente Schweißleistung benötigt werden. Aber das MAG- oder MIG-Schweißverfahren hat einige Probleme inklusive Verringerung der Schweißqualität und das Auftreten von Schweißdefekten. Außerdem hat Plasmaschweissen den Nachteil, dass die Toleranzbreite der Tiefengenauigkeit oder anderer Leistungsbedingungen derart gering ist, dass das Verfahren auf Großbaustellen oder ähnlichem schwierig zu verwenden ist.
Ein Verfahren zur Verbesserung des Nachteils eines flach-geschweissten Metallabschnitts, wie es beim WIG-Schweissen signifikant ist, wurde vorgeschlagen, indem ein Schutzgas verwendet wird, das aus Mischgas zusammengesetzt ist, welches man durch Mischen eines Inertgas wie z. B. Argon mit Wasserstoff oder Helium etc. erhält. Außerdem wurde kürzlich ein anderes WIG-Schweißverfahren vorgeschlagen, das einen Aktivfluß verwendet, d. h. ein A-WIG-Schweißverfahren.
Aber es ist schwierig, das Schweißverfahren, das ein Schutzgas verwendet, welches Wasserstoff enthält, auf ein anderes Material als rostfreiem Edelstahl aufgrund einiger Probleme inklusive der Erzeugung von Gaseinschlüssen und Versprödung des geschweißten Metallabschnitts. Zusätzlich dazu ist die Verwendung von Helium aufgrund von Kostenkalkulation nicht bevorzugt. Außerdem ist die Ausführbarkeit des Verfahrens bei Verwendung eines Aktivflusses schlecht, da ein Beschichtungsvorgang vor dem Schweißprozess nötig ist. Außerdem wird Schlackenentfernung beim Mehrschichtschweißen benötigt, um eine Verschlechterung der Perlenentstehung zu vermeiden, da Schlacke im Wesentlichen auf der Schweißperle erzeugt wird. Des Weiteren wird beim obigen Schweißverfahren viel Qualm erzeugt, so dass die Arbeitsumgebung schlechter wird.
Außerdem wird bei anodenartigen (positive DC-Elektrode) Lichtbogenschweißverfahren mit AMG-Schweißen ein Schutzgas aus Argon, gemischt mit einer oxidativen Komponente, wie z. B. Kohlendioxid in einer Konzentration von 20% verwendet, um die Stabilität des Lichtbogens zu verbessern. Aber wenn ein oxidatives Gas als Schutzgas beim WIG-Schweissen verwendet wird, kann sich die Elektrode leicht verschlechtern und kann nicht mehr beim Langzeitschweißen oder wiederholt verwendet werden. Wenn eine verschlechterte Elektrode verwendet wird, ist die Schweißqualität nicht beständig und es treten möglicherweise Schweißdefekte auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Hinsichtlich des vorher genannten, stellt diese Erfindung ein Wolfram-Intertgas-(WIG)-Schweißverfahren und eine Vorrichtung bereit, welches einen tiefgeschweissten Metallabschnitt ohne Verringerung der Schweißqualität bilden kann und welches die Schweißdurchführung einfacher machen kann ebenso wie es die Schweißeffizienz verbessert.
Nach intensivem Studium des Sachverhalts hat der Erfinder entdeckt, dass die Form des geschweißten Metallabschnitts größtenteils durch die Konvektion im Schmelzpool bestimmt wird, während der Hauptfaktor zur Bestimmung der Konvektion die Verteilung der Oberflächenspannung ist, die durch die Temperaturverteilung im Schmelzpool verursacht wird. Diese Erfindung basiert auf der zuvor genannten Entdeckung.
Wolfram-Intertgas-(WIG)-Schweißverfahren gemäß dieser Erfindung werden in den Ansprüchen 1 und 2 definiert, wobei ein Lichtbogen zwischen einer Elektrode und einem Objekt verwendet wird, um das Objekt zu schweißen. Ein erstes Schutzgas, das ein Inertgas umfasst wird so zum Objekt geleitet, dass es die Elektrode umgibt, und ein zweites Schutzgas, das ein oxidatives Gas beinhaltet, wird auf das Objekt entlang der Umgebung des ersten Schutzgases geleitet. In einer anderen Ausführungsform des WIG-Schweißverfahrens wird ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und einem Objekt zum Schweißen des Objekts erzeugt. Ein erstes Schutzgas, das ein Inertgas umfasst wird so zum Objekt geleitet, dass es die Elektrode umgibt, und ein zweites Schutzgas, das ein oxidatives Gas beinhaltet, wird auf das Objekt von mindestens zwei Seiten der Elektrode von der Schweißrichtung aus gesehen geleitet. Die Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas ist so festgelegt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem geschweißten Metallabschnitt von 70 Ggw.-ppm bis 220 Ggw.-ppm reicht. In den WIG-Schweißverfahren dieser Erfindung hat die Oxidschicht, die auf der Oberfläche des geschweißten Metallabschnitts gebildet wird, eine Dicke von 20 μm oder weniger. In weiteren Ausführungsformen dieser beiden Verfahren erstreckt sich die Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas vorzugsweise von 2000 Vol.-ppm bis 6000 Vol.-ppm und besonders bevorzugt von 3000 Vol.-ppm bis 5000 Vol.-ppm. Ein Objekt gemäß dieser Erfindung ist in Anspruch 7 definiert.
Es muss beachtet werden, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung, als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft sind, und dazu vorgesehen sind, eine weitergehende Erklärung dieser Erfindung wie beansprucht bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weitergehendes Verständnis der Erfindung bereitzustellen, und sind eingegliedert und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
1 veranschaulicht schematisch die Struktur des wichtigen Teils einer Schweißausrüstung, die im Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird.
2(a) zeigt die Beziehung zwischen der Oberflächenspannung und der Temperatur im Schmelzpool, und 2(b) ist eine Zeichnung die den Zustand des Schmelzpools zeigt.
3 veranschaulicht schematisch die Struktur eines wichtigen Teils einer Schweißausrüstung, die im Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird, wobei 3(a) eine Vorderansicht der Ausrüstung mit einem Teil davon veranschaulicht, der in einem Schnittzustand gezeigt ist, und 3(b) veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Ausrüstung.
4 veranschaulicht eine Ebenenansicht eines geschweißten Objekts, das durch Verwenden der Schweißausrüstung, die in 3 gezeigt ist, erhalten wurde.
5 veranschaulicht schematisch die Struktur des wichtigen Teils einer Schweißausrüstung, die im Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird, wobei 5(a) eine Vorderansicht der Ausrüstung mit einem Teil davon veranschaulicht, der im Schnittzustand gezeigt ist, und 5(b) veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Ausrüstung.
6 veranschaulicht schematisch die Struktur des wichtigen Teils einer Schweißausrüstung, die im Verfahren gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird, wobei 6(a) eine Vorderansicht der Ausrüstung mit einem Teil davon veranschaulicht, der im Schnittzustand gezeigt ist, und 6(b) veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Ausrüstung.
7 veranschaulicht eine Ebenenansicht eines geschweißten Objekts, das durch Verwenden der Schweißausrüstung, die in 6 gezeigt ist, erhalten wurde.
8 veranschaulicht schematisch die Struktur des wichtigen Teils einer Schweißausrüstung, die im Verfahren gemäß einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird, wobei 8(a) eine Vorderansicht der Ausrüstung mit einem Teil davon veranschaulicht, der im Schnittzustand gezeigt ist, und 8(b) veranschaulicht eine Querschnittsansicht der Ausrüstung.
9 zeigt die Zustände des geschweißten Metallabschnitts als Ergebnisse der Schweißtests in Querschnittsansicht.
Die 10–13 sind graphische Darstellungen, die die Ergebnisse der Schweißteste zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Schweißausrüstungen, die in dem Verfahren gemäß der Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet werden, sind nachstehend in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die Schweißausrüstung beinhaltet sicherlich eine Schweißvorrichtung, eine Steuervorrichtung, eine Gasversorgung und einen Schweißstrom, auch wenn sie in den Zeichnungen nicht gezeigt sind.
<Erste Ausführungsform>
1 veranschaulicht eine Schweißausrüstung. Bezugnehmend auf 1 ist die WIG-Schweißausrüstung A mit einem Brenner 1 ausgestattet, der eine mehr-rohrförmige Struktur aufweist, die aus einer Wolframelektrode 2 zum Erzeugen eines Lichtbogens 7 zwischen ihr selbst und einem Basismaterial (geschweißtes Objekt) 10 besteht, eine rohrförmige innere Düse 3, die angebracht ist, um die Wolframelektrode 2 zu umgeben, und eine rohrförmige äußere Düse 4, die angebracht ist, um die innere Düse 3 zu umgeben. Das Basismaterial 10 ist z. B. ein Material auf Stahlbasis. Kurz, der Brenner 1 ist eine mehrrohrförmige Struktur mit einer inneren Düse 3, die in der Umgebung der Wolframelektrode 2 angebracht ist und mit einer äußeren Düse 4 in der Umgebung der inneren Düse 3.
Die Spitze (unteres Ende) der Wolframelektrode 2 ist in Richtung der Spitze (Richtung nach unten) weiter vorspringend gebildet, als die innere Düse 3. Die innere Düse 3 ist ungefähr konzentrisch mit der Wolframelektrode 2 in einem Abstand von letzterer angebracht. Die innere Düse 3 kann ein erstens Schutzgas 8 zuführen, das aus hochreinem Inertgas zusammengesetzt ist. Das erste Schutzgas 8 kann z. B. Argon (Ar) oder Helium (He) sein.
Die äußere Düse 4 ist ungefähr konzentrisch mit der inneren Düse 3 in einem Abstand von letzterer angebracht, wobei ein zweites Schutzgas 9, das ein oxidatives Gas beinhaltet, durch die Lücke zwischen der äußeren Düse 4 und der inneren Düse 3 zugeführt werden kann. Das zweite Schutzgas 9 kann gemischtes Gas sein, das man durch Hinzufügen eines oxidativen Gases in ein Inertgas erhält. Das oxidative Gas kann z. B. Sauerstoff (O₂) oder Kohlendioxid (CO₂) sein, und das Inertgas kann Argon oder Helium sein.
Das Schweißverfahren des Basismaterials 10 ist unter Verwendung der zuvor erwähnten Schweißausrüstung A nachstehend beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, dient die Wolframelektrode 2 als negative Elektrode und das Basismaterial 10 als positive Elektrode, und eine Spannung wird zwischen dem Brenner 1 und dem Basismaterial 10 angelegt, um die Entladung zu herbeizuführen und um einen Lichtbogen 7 zu erzeugen. Der Brenner 1 wird zur linken Seite der Zeichnung bewegt, um das Basismaterial 10 durch die Hitze des Lichtbogens 7 zu schmelzen, um einen Schmelzpool 5 zu erzeugen, um somit das Basismaterial 10 zu schmelzen. Außerdem ist die Schweißperle mit einem Bezugszeichen „6" in der Zeichnung gekennzeichnet.
Während des Schweißvorgangs wird das erste Schutzgas 8 von der inneren Düse 3 zugeführt. Das erste Schutzgas 8 wird zur Spitze der inneren Düse 3 geleitet, welche die Wolframelektrode 2 umgibt und wird von der Spitze auf das Basismaterial 10 gesprüht. Das erste Schutzgas 8 wird auf den Mittelbereich des Schmelzpools 6 gesprüht.
Zur selben Zeit wird das Schutzgas 9, das ein oxidatives Gas beinhaltet, durch die Lücke zwischen der inneren Düse 3 und der äußeren Düse 4 zugeführt. Das zweite Schutzgas 9 wird zur Spitze der äußeren Düse 4 geleitet und von der Spitze zum Basismaterial 10 gesprüht. In diesem Moment wird das zweite Schutzgas 9 entlang der Umgebung des ersten Schutzgases 8 zugeführt, wobei es das erste Schutzgas 8 umgibt, und wird auf den umgebenden Bereich (der Bereich, der sich in der Umgebung des Mittelbereichs befindet) des Schmelzpools 5 gesprüht. Die Konzentration des oxidativen Gases wie z. B. O₂ im zweiten Schutzgas 9 ist vorzugsweise 2000–6000 Vol.-ppm und besonders bevorzugt 3000–5000 Vol.-ppm. Die Verwendung des zweiten Schutzgases 9, das ein oxidatives Gas beinhaltet, ermöglicht es, dass Sauerstoff im geschweißten Metallabschnitt 5a gelöst wird, während die Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas 9 derart festgelegt ist, dass die Sauerstoffkonzentration im geschweißten Metallabschnitt 5a 70–220 Gew.-ppm beträgt. Mit dem zuvor beschriebenen Vorgang erhält man eine geschweißte Struktur mit einem geschweißten Metallabschnitt 5a. Eine Oxidschicht wird ebenso auf der Oberfläche des geschweißten Metallabschnitts 5a gebildet, wobei die Dicke der Oxidschicht 20 μm oder weniger beträgt.
Andererseits variiert die Oberflächenspannung von geschmolzenem Metall mit der Temperatur oder der Konzentration der gelösten Spuren von Verunreinigungen wie Schwefel oder Sauerstoff. 2(a) zeigt ein Beispiel einer Korrelation zwischen der Oberflächenspannung und der Temperatur eines geschmolzenen Metalls, worin Schwefel oder Sauerstoff in dem geschweißten Metall in einer bestimmten Konzentration gelöst ist. Gemäß 2(a) wächst die Oberflächenspannung mit steigender Temperatur. In diesem Fall ist die Temperatur im Umgebungsbereich R2 des Schmelzpools 5 geringer als die im Mittelbereich R1, so dass die Oberflächenspannung im Umgebungsbereich R2 geringer ist als die im Mittelbereich R1, was zu einer nach Innen gerichteten Konvektion im Schmelzpool 5 führt, wie in 2(b) gezeigt ist. Außerdem nimmt die Oberflächenspannung mit der Erhöhung der Sauerstoffkonzentration, die im geschmolzenen Eisen gelöst ist, ab, auch wenn die Temperatur konstant ist.
Da die Schweißausrüstung A mit einem Brenner 1 ausgerüstet ist, der eine rohrförmige innere Düse 3 aufweist, die die Wolframelektrode 2 umgibt, und mit einer rohrförmigen äußeren Düse 4 ausgerüstet ist, die die innere Düse 3 umgibt, werden folgende Effekte erzielt.

(1) Da das erste Schutzgas 8 geleitet wird so dass es die Wolframelektrode 2 umgibt, wird die Wolframelektrode 2 durch das erste Schutzgas 8 geschützt und kann davor bewahrt werden sich durch Oxidation zu verschlechtern. Demnach kann man die geschweißte Struktur mit einer guten Schweißqualität erhalten.
(2) Da das zweite Schutzgas 9 von der Lücke zwischen der inneren Düse 3 und der äußeren Düse 4 zugeführt wird, ist es möglich das erste Schutzgas 8 in den Mittelbereich R1 des Schmelzpools 5 zuzuführen und gleichzeitig das zweite Schutzgas 9, das ein oxidatives Gas enthält, zum Umgebungsbereich des Schmelzpools 5 zuzuführen. Dabei kann der Schmelzpool 5 mit Sauerstoff in der nötigen Konzentration versorgt werden, und die Sauerstoffkonzentration im Umgebungsbereich R2 kann höher sein, als die im Mittelbereich R1. Demzufolge ist im Schmelzpool 5 die Oberflächenspannung im Umgebungsbereich R2 mit geringerer Temperatur und höherer Sauerstoffkonzentration geringer, und diejenige im Mittelbereich R1 mit höherer Temperatur und geringerer Sauerstoffkonzentration ist größer. Folglich wird eine nach Innen gerichtete Konvektion im Schmelzpool 5 induziert, so dass der Schmelzpool 5 tief gebildet werden kann. Demnach kann der geschweißte Metallabschnitt 5a tief im Basismaterial 10 gebildet werden.
(3) Im Vergleich mit dem herkömmlichen Schweißverfahren, das Aktivfluss verwendet, wird in dieser Erfindung kaum Schlacke bzw. Absonderungen erzeugt, so dass ein Schlackenentfernungsvorgang nicht nötig ist. Währenddessen wird ebenso kaum Qualm während des Schweißprozesses erzeugt. Demnach kann der Schweißvorgang auf einfache Weise ausgeführt werden.
(4) Da der geschweißte Metallabschnitt tief gebildet werden kann, kann das Auftreten einer geringen Schweißdurchdringung oder eine Verringerung der Schweißeffizienz vermieden werden.

<Zweite Ausführungsform>
3 veranschaulicht eine andere Schweißausrüstung. In der Zeichnung und der folgenden Beschreibung sind die Teile, die ähnlich zu denen der Schweißausrüstung A von 1 sind, auch mit denselben Bezugszeichen versehen und die Beschreibung davon wird nicht wiederholt. Vielmehr wird hierin die „Schweißrichtung" als Bewegungsrichtung des Brenners definiert, die „Vorderseite" ist die Seite entlang der Schweißrichtung, und die „Rückseite" ist die Seite entgegen der Schweißrichtung.
Die Schweißausrüstung B ist ausgestattet mit einem Brenner 11, der eine Wolframelektrode 2 beinhaltet, eine Mitteldüse 13, die platziert ist, um die Wolframelektrode 2 zu umgeben, und Seitendüsen 14, die zwischen der Wolframelektrode 2 und der Mitteldüse 13 platziert sind. Das heißt, der Brenner 11 hat eine Struktur, die eine Mitteldüse 13, die an der Umgebung der Wolframelektrode 2 platziert ist und Seitendüsen 14, die zwischen der Wolframelektrode 2 und der Mitteldüse 13 platziert sind beinhaltet.
Die Mitteldüse 13 ist ungefähr konzentrisch mit der Wolframelektrode 2 mit einem Abstand von letzterer platziert und in der Lage, das erste Schutzgas 8 zuzuführen.
Bezugnehmend auf 3(b) ist eine Seitendüse 14 auf jeder der beiden Seiten der Wolframelektrode 2 entlang der Schweißrichtung platziert. Die Seitendüsen 14 können das zweite Schutzgas 9 zuführen und sind vorzugsweise mit Spitzen gebildet, die weiter hervorragen, als die der Mitteldüse 13 in Richtung der Spitze. Außerdem können die Seitendüsen 14 alternativ mindestens mit ihren Spitzen an der Seite der Wolframelektrode 2 platziert sein ohne das zweite Schutzgas 9 auf die Schweißperle zu sprühen.
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, wird der Brenner 11 bewegt, um das Basismaterial 10 zu schmelzen wenn die Schweißausrüstung B verwendet wird, um das Basismaterial 10 durch den Lichtbogen 7 zu schmelzen, um einen Schmelzpool 15 zu bilden, um somit das Basismaterial 10 zu schmelzen. Die Schweißperle wird mit der Bezugsnummer „16" bezeichnet. Während des Schweißvorgangs wird das erste Schutzgas 8 von der Mitteldüse 13 zugeführt. Das erste Schutzgas 8 wird zur Spitze der Mitteldüse 13 geleitet, welche die Wolframelektrode 2 umgibt und wird von der Spitze auf das Basismaterial 10 gesprüht. Gleichzeitig wird das zweite Schutzgas 9 von den Seitendüsen 14 zugeführt. Das zweite Schutzgas 9 wird zu den Spitzen der Seitendüsen 14 geleitet und von den Spitzen auf das Basismaterial 10 gesprüht. Da das zweite Schutzgas 9 entlang der Umgebung des ersten Schutzgases 8 geführt wird und auf die Seitenteile des Umgebungsbereichs des Schmelzpools 15 gesprüht wird, wird das zweite Schutzgas 9 nicht in dem Mittelbereich zugeführt, auch wenn der Brenner mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Dabei wird eine geschweißte Struktur mit einem geschweißten Metallabschnitt 15a erzielt.
Da die Schweißausrüstung B mit einem Brenner 11 inklusive einer rohrförmigen Mitteldüse 13, die platziert ist, um die Wolframelektrode 2 zu umgeben, und Seitendüsen 14, die zwischen der Wolframelektrode 2 und der Mitteldüse 13 platziert sind, kann die Wolframelektrode 2 vor Verschlechterung durch Oxidation geschützt werden, wie im Falle der Verwendung der Schweißausrüstung A, die in 1 veranschaulicht ist. Demnach kann man die geschweißte Struktur mit guter Schweißqualität erhalten. Da außerdem das zweite Schutzgas 9, das ein oxidatives Gas beinhaltet, dem Mittelbereich des Schmelzpools 25 zugeführt werden kann, wird die nach Innen gerichtete Konvektion in dem Schmelzpool 15 verbessert, so dass der Schmelzpool 15 tief gebildet werden kann. Demnach kann der geschweißte Metallabschnitt 15a tief im Basismaterial 10 gebildet werden. Weiterhin vereinfacht die Verwendung der Ausrüstung B die Schweißausführung und verbessert die Schweißeffizienz.
In dieser Erfindung können weiter ein oder mehrere Seitendüsen an der Vorderseite und/oder der Rückseite der Elektrode angebracht werden. Bezüglich 5, die eine andere Schweißausrüstung veranschaulicht, unterscheidet sich die Schweißausrüstung B' von der Schweißausrüstung B, die in 3 gezeigt ist, darin, dass zusätzlich zwei weitere Seitendüsen 14a und 14b eingeschlossen sind. Die beiden Seitendüsen 14a und 14b sind an der Vorderseite bzw. der Rückseite der Wolframelektrode 2 zwischen der Wolframelektrode 2 und der Mitteldüse 13 angebracht und in der Lage das zweite Schutzgas 9 zuzuführen.
6 veranschaulicht eine weitere Schweißausrüstung. Die Schweißausrüstung C unterscheidet sich von der Schweißausrüstung B, die in 3 gezeigt ist dadurch, dass die Seitendüsen 24 außerhalb der Mitteldüse 23 angebracht sind. Das heißt, die Schweißausrüstung ist mit einem Brenner 21 ausgestattet, die eine Wolframelektrode 2, einer rohrförmigen Mitteldüse 23, die um die Wolframelektrode 2 herum angebracht ist und Seitendüsen 24, die außerhalb der Mitteldüse 23 angebracht sind beinhaltet.
Die Seitendüsen 24 sind so eingerichtet, dass jede der beiden Seiten der Wolframelektrode 2 von der Schweißrichtung aus gesehen mit einer Seitendüse 24 versehen ist und vorzugsweise mit Spitzen gebildet sind, die in Spitzenrichtung weiter hervorstehen als die der Mitteldüse 23. Die Seitendüsen 24 können das zweite Schutzgas 9 zuführen. Außerdem können die Seitendüsen 24 mindestens mit ihren Spitzen abwechselnd an den Seiten der Wolframelektrode 2 angeordnet sein, ohne das zweite Schutzgas 9 direkt auf die Schweißperle zu sprühen. Weiterhin wird die Schweißrichtung mit der Einrichtung des geschweißten Teils variiert, aber die Seitendüsen 24 werden auf beiden Seiten der Wolframelektrode 2 von der Schweißrichtung aus gesehen konstant gehalten auch wenn sich die Schweißrichtung z. B. um 90 Grad ändert.
Wie in 7 gezeigt ist, schmilzt der Lichtbogen 7 das Basismaterial 10, um einen Schmelzpool 25 zu bilden, wenn die Schweißausrüstung C verwendet wird, um das Basismaterial 10 zu schweißen, so dass das Basismaterial 10 geschweißt werden kann. Die Schweißperle ist mit dem Bezugszeichen „26" in 7 versehen. Während des Schweißvorgangs wird das erste Schutzgas 8 von der Mitteldüse 23 zugeführt. Das erste Schutzgas 8 wird zur Spitze der Mitteldüse 23 geführt, die die Wolframelektrode 2 umgibt, und von der Spitze auf das Basismaterial 10 gesprüht. Zur gleichen Zeit wird das zweite Schutzgas 9 von den Seitendüsen 24 zugeführt. Das zweite Schutzgas 9 wird zu den Spitzen der Seitendüsen 24 geführt und von den Spitzen auf das Basismaterial 10 gesprüht. Insbesondere wird das zweite Schutzgas 9 auf zwei Seitenteilen des Umgebungsbereichs des Schmelzpools 25 gesprüht. Dabei wird eine geschweißte Struktur erzielt, die den geschweißten Metallabschnitt 25a aufweist.
Da die Schweißausrüstung C mit einem Brenner 21 ausgestattet ist, der eine rohrförmigen Mitteldüse 23 enthält, die platziert ist, um die Wolframelektrode 2 zu umgeben, und Seitendüsen 24, die außerhalb der Mitteldüse 23 platziert sind, kann die Wolframelektrode 2 davor geschützt werden, sich durch Oxidation zu verschlechtern, wie im Falle der Verwendung der Schweißausrüstung A, die in 1 gezeigt ist. Demnach kann man eine geschweißte Struktur mit guter Schweißqualität erhalten. Da außerdem das zweite Schutzgas 9, das ein oxidatives Gas beinhaltet, dem Umgebungsbereich des Schmelzpools 25 zugeführt wird, wird die nach Innen gerichtete Konvektion in dem Schmelzpool 25 verbessert, so dass der Schmelzpool 25 tief gebildet werden kann. Demnach kann der geschweißte Metallabschnitt 25a tief im Basismaterial 10 gebildet werden. Weiterhin vereinfacht die Verwendung der Ausrüstung C die Schweißausführung und verbessert die Schweißeffizienz. Zusätzlich kann das zweite Schutzgas 9 sicher entlang der Umgebung des ersten Schutzgases 8 zugeführt werden, da die Seitendüsen 24 angeordnet außerhalb der Mitteldüse 23 sind.
In dieser Erfindung können weiter ein oder mehrere Seitendüsen an der Vorderseite und/oder der Rückseite der Elektrode angebracht werden. Bezüglich 8, die eine derartige Schweißausrüstung veranschaulicht, unterscheidet sich die Schweißausrüstung C' von der Schweißausrüstung C, die in 6 gezeigt ist, darin, dass zusätzlich zwei weitere Seitendüsen 24a und 24b eingeschlossen sind. Die beiden Seitendüsen 24a und 24b sind an der Vorderseite bzw. der Rückseite der Wolframelektrode 2 außerhalb der Mitteldüse 23 angeordnet und in der Lage das zweite Schutzgas 9 zuzuführen.
Außerdem sind in dem zuvor genannten Schweißausrüstungen B, B', C, oder C' die Seitendüsen 14 oder 24 nicht zwingend exakt auf zwei Seiten der Wolframelektrode 2 angeordnet und ihre Position kann nach vorne oder hinten abweichen.
Einige Beispiele dieser Erfindung sind wie folgt beschrieben. In den Beispielen wird Edelstahl der Klassifizierung SUS304 mit niedriger Schwefelkonzentration als Basismaterial 10 verwendet. Die Bestandteilkomponenten des Edelstahls sind in Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1

Komponente C Si Mn Ni Cr P S O Fe

Menge(Gew.%) 0,06 0,44 0,96 8,19 18,22 0,027 0,001 0,0038 -

In den Beispielen wird die Schweißausrüstung A verwendet, die in 1 veranschaulicht ist, das erste Schutzgas 8 ist Argon, und das zweite Schutzgas 9 ist ein Gasgemisch, das man durch den Zusatz von Sauerstoff (O₂) als oxidatives Gas in Argon als Inertgas erhält. Einige Schweißtests des Basismaterials 10 werden unter zuvor genannten Bedingungen durchgeführt und dann werden die Querschnitte der geschweißten Metallabschnitte 5a betrachtet. In den Schweißtests erstreckt sich die Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 von 1000–9000 Vol.-ppm, und die Flussrate des zweiten Schutzgases 9 ist 10 L/min oder 20 L/min. Der Querschnitt des geschweißten Metallabschnitts 5a, der in jedem Test erzielt wird, ist in 9 gezeigt, während das Testergebnis, das durch die Verwendung von reinem Argon anstelle des zweiten Schutzgases 9 erzielt wird, zum Vergleich ebenso eingeschlossen ist. Die anderen Bedingungen sind in Tabelle 2 aufgelistet. Tabelle 2

Element	Zustand
Elektrodentyp	DCEN, W-2% ThO₂ (Wolframelektrode mit 2% Thorium)
Durchmesser der Elektrode	1,6 mm
Spitzenwinkel der Elektrode	60°
Schutzgas	Ar Gas, O₂/Ar Gasgemisch
Gasflussrate	10 L/min oder 20 L/min
Bogenlänge	3 mm
Perlenlänge	50 mm
Schweißzeit	3 Sekunden
Schweißstrom	160 A
Schweißgeschwindigkeit	2 mm/Sek

Wie in 9 gezeigt ist, kann der geschweißte Metallabschnitt 5a in den Tests tiefer gebildet werden, indem man das zweite Schutzgas 9 verwendet, das Sauerstoff enthält, im Vergleich zu den Tests in denen reines Argon (O₂-Konzentration = 0 Vol.-ppm) anstelle des zweiten Schutzgases 9 verwendet wurde. Außerdem wird der geschweißte Metallabschnitt 5a besonders tief gebildet wenn die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Schutzgas 9 im Bereich von 2000–6000 Vol.-ppm liegt, insbesondere im Bereich von 3000–5000 Vol.-ppm.
10 zeigt die Beziehung bzw. Korrelation zwischen der Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 und den Abmessungen des geschweißten Metallabschnitts 5a, wobei 10(a)/(b) die Ergebnisse zeigt, wenn die Flussrate des zweiten Schutzgases 9 10/20 L·min^–1 beträgt. Wie in 10 gezeigt ist, ist die Breite der Schweißperle 6 gering und der geschweißte Metallabschnitt 5a ist tief gebildet, insbesondere wenn die Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 2000–6000 Vol.-ppm beträgt, vorzugsweise 3000–6000 Vol.-ppm und besonders bevorzugt 3000–5000 Vol.-ppm. Der Vergleich wird mit den Fällen durchgeführt, in denen die Sauerstoffkonzentration unter 1000 vol. ppm oder über 7000 vol. ppm liegt.
11 zeigt die Korrelation zwischen der Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 und dem Verhältnis und der Sauerstoffkonzentration (Gew.-ppm) des geschweißten Metallabschnitts 5a, wobei 11(a)/(b) die Ergebnisse zeigt, in denen die Flussrate des zweiten Schutzgases 9 10/20 L·min^–1 beträgt. Das Verhältnis des geschweißten Metallabschnitts 5a ist definiert als das Verhältnis von Tiefe (D) zur Breite (W) des geschweißten Metallabschnitts 5a. Wie in 11 gezeigt ist, ist das Verhältnis des geschweißten Metallabschnitts 5a größer, wenn das zweite Schutzgas 9, das Sauerstoff enthält, verwendet wird, als im Vergleich mit den Fällen, in denen reines Argongas verwendet wird. Es muss außerdem beachtet werden, dass das Verhältnis des geschweißten Metallabschnitts 5a relativ groß ist, wenn die Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 im Bereich von 2000–6000 Vol.-ppm liegt, insbesondere im Bereich von 3000–5000 Vol.-ppm.
Außerdem steigt die Sauerstoffkonzentration im geschweißten Metallabschnitt 5a mit dem Ansteigen der Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9. Die Sauerstoffkonzentration im geschweißten Metallabschnitt 5a ist ca. 200 Gew.-ppm, wenn die Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 ca. 5000 Vol.-ppm erreicht, und ist ungefähr konstant (220 Gew.-ppm), wenn letztere ca. 6000 Vol.-ppm überschreitet. Das Verhältnis des geschweißten Metallabschnitts 5a ist relativ groß, wenn die Sauerstoffkonzentration im geschweißten Metallabschnitt 5a 70–220 Gew.-ppm, beträgt, insbesondere 70–200 Gew.-ppm, und der geschweißte Metallabschnitt 5a wird flach, wenn die Sauerstoffkonzentration außerhalb des Bereichs liegt. Das ist so, weil die Dicke der Oxidschicht, die auf der Oberfläche der Schweißperle gebildet wird, übermäßig groß wird.
12 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 und der Dicke der Oxidschicht, die auf der Oberfläche des geschweißten Metallabschnitts 5a gebildet wurde, zeigt. 13 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen der CO₂-Konzentration im zweiten Schutzgas 9 und der Dicke der Oxidschicht, die auf der Oberfläche des geschweißten Metallabschnitts 5a gebildet wurde zeigt, wenn CO₂ als. oxidatives Gas im zweiten Schutzgas 9 verwendet wird. Wie in den beiden Graphen gezeigt ist, wird die Oxidschicht dick, wenn die Konzentration des oxidativen Gases 6000 Vol.-ppm übersteigt, während eine dicke Oxidschicht die Konvektion im Schmelzpool 5 verlangsamt, so dass der geschweißte Metallabschnitt 5a nicht tiefgebildet werden kann. Unterdessen werden die Korrosionsbeständigkeit und das Erscheinungsbild der geschweißten Struktur ebenso verschlechtert. Demzufolge ist die Konzentration des oxidativen Gases vorzugsweise 6000 Vol.-ppm oder weniger, und besonders bevorzugt 5000 Vol.-ppm oder weniger.
Dementsprechend kann, wenn die Zusammensetzung des zweiten Schutzgases 9 so festgelegt ist, dass die Sauerstoffkonzentration im geschweißten Metallabschnitt 5a 70–220 Gew.-ppm beträgt, der geschweißte Metallabschnitt 5a mit guter Ausprägung gebildet werden. Zusätzlich kann in den Fällen, in denen ein zweites Schutzgas verwendet wird, das man durch Beimengung von Sauerstoff zu Argongas erhält, die Ausprägung des geschweißten Metallabschnitts 5a und die Schweißeffizienz verbessert werden, wenn der Schweißstrom 160A beträgt, die Schweißgeschwindigkeit 2 mm/Sek beträgt und die Sauerstoffkonzentration im zweiten Schutzgas 9 2000–6000 Vol.-ppm beträgt.
Außerdem ist im Falle anderer Schweißbedingungen, z. B. wenn CO₂ oder ähnliches als oxidatives Gas verwendet wird, die Durchführungsbedingung ebenso derart festgelegt, dass die Sauerstoffkonzentration im geschweißten Metallabschnitt 5a 70–220 Gew.-ppm beträgt.
Vorteile der Erfindung
Die WIG-Schweißverfahren dieser Erfindung stellen mindestens die folgenden Vorteile bereit. Zunächst kann die Elektrode davor geschützt werden, sich durch Oxidation zu verschlechtern, da das erste Schutzgas, das aus einem Inertgas zusammengesetzt ist geleitet wird, um die Elektrode zu umgeben. Demnach kann man eine geschweißte Struktur mit guter Schweißqualität erzielen.
Außerdem wird das erste Schutzgas, das aus einem Inertgas zusammengesetzt ist, zum Mittelbereich des Schmelzpools geleitet und das zweite Schutzgas, das ein oxidatives Gas beinhaltet, kann zum Umgebungsbereich des Schmelzpools zugeführt werden. Dabei kann der Schmelzpool mit Sauerstoff in einer benötigten Konzentration versorgt werden, und die Sauerstoffkonzentration im Umgebungsbereich des Schmelzpools kann höher sein als die im Mittelbereich. Demnach ist im Schmelzpool die Oberflächenspannung im Umgebungsbereich mit niedrigerer Temperatur und höherer Sauerstoffkonzentration geringer, und die im Mittelbereich mit höherer Temperatur und geringerer Sauerstoffkonzentration ist größer. Folglich wird eine nach Innen gerichtete Konvektion im Schmelzpool induziert, und der Schmelzpool kann tiefgebildet werden. Demnach kann der geschweißte Metallabschnitt in dem geschweißten Objekt tief gebildet werden.
Des Weiteren wird, verglichen mit dem herkömmlichen Schweißverfahren unter Verwendung eines Aktivflusses, bei der Durchführung in dieser Erfindung kaum Schlacke erzeugt, so dass ein Schlackenentfernungsvorgang nicht benötigt wird. Außerdem wird während des Schweißvorgangs kaum Qualm erzeugt. Demnach kann der Schweißvorgang leicht ausgeführt werden.
Zusätzlich kann, das Auftreten von schwacher Schweißdurchdringung oder Verringerung der Schweißeffizienz verhindert werden, da der geschweißte Metallabschnitt tiefgebildet werden kann.
Es wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der Struktur der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang oder dem Wesen der Erfindung abzuweichen. Hinsichtlich des zuvor genannten ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Variationen dieser Erfindung abdeckt, sofern sie in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

WIG Schweißverfahren, umfassend Erzeugen eines Lichtbogens (7) zwischen einer Elektrode (2) und einem Objekt (10), um das Objekt zu schweißen, wobei das Objekt (10) aus einem stahlbasierendem Material gefertigt ist, worin ein erstes Schutzgas (8), das ein Inertgas umfasst, auf das geschweißte Objekt (10) geleitet wird und die Elektrode umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Schutzgas (9), das ein oxidatives Gas beinhaltet, auf das geschweißte Objekt (10) entlang der Umgebung des ersten Schutzgases (8) geleitet wird, und wobei die Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas (9) derart festgelegt ist, dass in einem geschweißten Metallabschnitt (5a) des geschweißten Objekts (10), die Sauerstoffkonzentration bei 70 Gew.-ppm bis 220 Gew.-ppm festgelegt ist und eine Oxidschicht auf der Oberfläche des geschweißten Metallabschnitts (6) gebildet wird, die eine Dicke von 20 μm oder weniger hat.
WIG Schweißverfahren, umfassend Erzeugen eines Lichtbogens (7) zwischen einer Elektrode (2) und einem Objekt (10), um das Objekt zu schweißen, wobei das Objekt (10) aus einem stahlbasierendem Material gefertigt ist, worin ein erstes Schutzgas (8), das ein Inertgas umfasst, auf das geschweißte Objekt (10) geleitet wird und die Elektrode umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Schutzgas (9), das ein oxidatives Gas beinhaltet, auf das geschweißte Objekt (10) von mindestens zwei Seiten (14) der Elektrode (2) aus Sicht einer Schweißrichtung geleitet wird, und wobei die Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas (9) derart festgelegt ist, dass in einem geschweißten Metallabschnitt (5a) des geschweißten Objekts (10), die Sauerstoffkonzentration bei 70 Gew.-ppm bis 220 Gew.-ppm festgelegt ist und eine Oxidschicht auf der Oberfläche des geschweißten Metallabschnitts (6) gebildet wird, die eine Dicke von 20 μm oder weniger hat.
WIG Schweißverfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas (9) von 2000 Vol.-ppm bis 6000 Vol.-ppm reicht.
WIG Schweißverfahren gemäß Anspruch 2, wobei eine Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas (9) von 2000 Vol.-ppm bis 6000 Vol.-ppm reicht.
WIG Schweißverfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas (9) von 3000 Vol.-ppm bis 5000 Vol.-ppm reicht.
WIG Schweißverfahren gemäß Anspruch 2, wobei eine Konzentration des oxidativen Gases im zweiten Schutzgas (9) von 3000 Vol.-ppm bis 5000 Vol.-ppm reicht.
Geschweißtes Objekt (10), das aus einem stahlbasierendem Material gefertigt ist, das einen geschweißten Metallabschnitt (5a) aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der geschweißte Metallabschnitt (5a) eine Sauerstoffkonzentration hat, die von 70 Gew.-ppm bis 220 Gew.-ppm reicht, dadurch gekennzeichnet, dass das geschweißte Objekt eine Oxidschicht hat, die eine Dicke von 20 μm oder weniger aufweist.