DE69022946T2

DE69022946T2 - Verfahren zum Schweissen von Werkstücken auf der Grundlage von Aluminium.

Info

Publication number: DE69022946T2
Application number: DE69022946T
Authority: DE
Inventors: Paul David Dejager; Alvin Kenneth Oros
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1989-09-11
Filing date: 1990-08-10
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2010-08-11
Also published as: CA2019743A1; CA2019743C; EP0422763A1; JP2912693B2; AU6208590A; JPH0399780A; DE69022946D1; US4912299A; AU624301B2; EP0422763B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken auf Aluminiumbasis.
Beim Lichtbogenschweißen mit Abschmelz-Elektroden wird eine Elektrode unbestimmter Länge auf kontinuierliche Weise einem Schweißlichtbogen zugeführt, der zwischen der Elektrode und einem Werkstück aufgebaut ist, wo sie durch die starke Wärmeentwicklung des Bogens geschmolzen wird und mit dem Werkstück verschmilzt. Das von der Abschmelzelektrode abgeschiedene Metall wird im allgemeinen von einem Schutzgas abgeschirmt, woraus die Bezeichnung Metall-Gaslichtbogenschweißen für das Verfahren resultiert. Das Schweißen mit Abschmelz-Elektroden ist nicht nur wesentlich rascher als das Schweißen mit nichtschmelzenden Elektroden, sondern es ist auch besonders für das automatische Schweißen von Kohlenstoffstahl und rostfreiem Stahl geeignet, wo es vorwiegend genutzt wurde. Das Schutzgas stellt einen Pfad bereit, der leichter ionisierbar als jener ist, der an der Luft erhalten werden kann, dabei eine gleichmäßige Stromübertragung begünstigend und die Wirkung des Umgebens des Bogens und der Schweißstelle mit einer Atmosphäre bereitstellend, die gegenüber dem geschmolzenen Metall unreaktiv ist. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sind Argon und Helium die einzigen allgemein verwendeten Gase, wenn Aluminium verschweißt wird. Von diesen zwei Gasen ist Argon das vorwiegend verwendete, und es begünstigt im Vergleich zum Helium eine höhere Stabilität des Lichtbogens. Oft wird eine hohe Stromdichte zum Verteilen des geschmolzenen Metalls der Elektrode in sehr feine Tropfen durch einen Anstieg seines Dampfdruckes verwendet, woraus sich ein tieferes Eindringen der Schweißung bei einer Geschwindigkeit von zirka 200 Tropfen pro Sekunde ergibt. Jedoch können möglicherweise Schäden bei manchen dünnen oder nicht eisenhaltigen Werkstücken aus der Verwendung solch starker Ströme entstehen.
Das gepulste Zuführen des Stromes zum Lichtbogen wurde zusammen mit verbesserten Schutzgasen zum Senken der mittleren Stromdichte entwickelt, um das Schweißen von Gegenständen auf Eisenbasis zu verbessern (siehe die U.S. Patente Nr. 4,273,988; 4,507,543; 4,628,181; und 4,749,841). Der Strom im Lichtbogen wird zyklisch zwischen einem Minimal wert gepulst, der zum Aufrechterhalten des Bogens dient, und einem Maximalwert, der um mehrere hundert Prozent höher liegen kann. Die Pulsfrequenz kann von mehreren Zyklen pro Sekunde bis zu mehreren Hunderten von Zyklen pro Sekunde variieren, je nach den Bedingungen bei dem besonderen Schweißvorgang. Ein solcher Schweißvorgang wird unter Verwendung eines Stromes mit einer Wellenform durchgeführt, die durch vier Faktoren bestimmt ist: eine Pulsstromstärke Ip, eine Grundstromstärke Ib, eine Pulsdauer Tp und eine Grunddauer Tb. Ein starker Strom wird während einer kurzen Zeitspanne zwischen der Elektrode und dem zu schweißenden Werkstück fließen, während die mittlere Stromstärke Im auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Durch das Fließen bei hoher Intensität während einer kurzen Zeit wird der Bogen stabiler und stark lokalisiert, und das Eindringen ist bedeutend tiefer und die Schweißraupe entsprechend breiter.
In den vorstehend erwähnten Offenbarungen von Patenten umfaßten die Schutzgase kleinere Anteile einer oxidierenden Gaskomponente (O&sub2; oder CO&sub2;) um die Gasionisierung zu steigern und somit das Schweißen von Werkstücken aus Eisen an jedem Standort zu erleichtern. Wenn Metall-Gaslichtbogenschweißen für Werkstücke aus Aluminium verwendet wird, wird nach dem Stand der Technik fest behauptet, daß oxidierende Gase wegen der Interferenz der gebildeten Oxide mit dem Aluminium ausgeschlossen werden müssen. In der Literatur wurde oft behauptet: "solche sauerstoffhaltigen Schutzgase können beim Schweißen von Aluminium nicht verwendet werden, weil die Erzeugung von feuerfesten Oxiden die korrekte Übertragung und Abscheidung des Metalls verhindert.", ein Zitat aus einem Artikel, veröffentlicht in The Welding Journal, American Welding Society, S. 21-27, 1985, mit der Überschrift: "GMA Welding of Aluminium With Argon/Freon Shielding Gas Mixtures". Weitere Schriften, die diesen Stand der Technik darlegen, umfassen: (a) Auszüge aus dem von Kaiser Aluminum Company 1967 veröffentlichten Handbuch, S. 7-9 bis 7-11; (b) das Handbuch des Schweißens der American Welding Society, Bd. 4, 7. Ausgabe, 1978, Kap. 8, mit dem Titel "Aluminium Alloys", S. 347-348; (c) ein technisches Blatt, vorgestellt beim Meeting der Aluminium Association im März 1988, mit der Überschrift "MIG Welding of Aluminium", S. 6.15 und 6.28.
Die Verwendung von Aluminium und Aluminiumlegierungen bei Automobilen erfreut sich zunehmender Beliebtheit. Eine solche Beliebtheit entspringt hauptsächlich der Tatsache, daß Teile aus Aluminium mit einem sehr viel geringeren Gewicht als vergleichbare Stahlteile hergestellt werden können, die sie ohne Einbußen hinsichtlich der Festigkeit oder der Haltbarkeit ersetzen. Es ist jedoch sehr schwierig, solche Aluminiumteile einer Antriebswelle mit dem existierenden Wissen in der Schweißtechnik von Aluminium sicher zu befestigen, um die beim Schweißen von Stahl erreichten Merkmale der Qualität und der Produktivität zu erreichen. Der Stand der Technik ist auf das Schweißen in mehreren Stufen bei niedrigen Stromstärken mit extrem viel Schweißgut ausgewichen, um Schweißungen auf Antriebswellen aus Aluminium vorzunehmen (siehe U.S. Patent Nr. 4,542,280). Der Nachteil einer solchen Technik besteht darin, daß die erreichbaren Geschwindigkeiten beim Schweißen nicht mit den Bedürfnissen der Massenproduktion der Schweißvorgänge in der Automobiltechnik im Einklang stehen. Diese Niederstrompegel vergrößern die Veränderlichkeit des Verfahrens durch den kumulativen Effekt des Hinzufügens der Veränderlichkeit der Breite der Naht zu anderen Variablen des Verfahrens, und sie setzen die Bedingung, daß Drähte mit geringem Durchmesser verwendet werden müssen, mit den damit verbundenen Problemen bei der Materialzufuhr. Das Eliminieren der Bedingungen bezüglich der Nahtbreite ist in Situationen des Massenschweißens extrem wichtig.
Demzufolge ist es ein Gegenstand dieser Erfindung, ein Verfahren zum Schweißen von Werkstücken auf Aluminiumbasis mit Geschwindigkeiten bereitzustellen, die doppelt so hoch wie jene sind, die durch den Stand der Technik beim Metall- Inertgasschweißen von Aluminium erreicht werden können, und mit einer Qualität der Schweißung, die hinsichtlich der Eindringtiefe der Schweißnaht, der Breite der Schweißnaht und dem Ausbleiben von Porosität signifikant verbessert ist.
Gemäß der Erfindung wird ein gepulstes Metall-Gaslichtbogenschweißverfahren bereitgestellt, um Werkstücke auf Aluminiumbasis durch den Aufbau und das Aufrechthalten eines Lichtbogens zwischen einer positiven Abschmelz-Elektrode und einem an seiner Verbindungsstelle zusammengeführten Werkstück zu verschweißen, gekennzeichnet durch:
(a) das Bestimmen der Naht, die einen gestuften quadratischen Stumpfstoß bilden soll;
(b) das Abschirmen des Lichtbogens in einer Atmosphäre, die aus 2-5 Volumenprozent Sauerstoff und aus einem Rest aus Inertgas besteht; und
(c) das Bewegen dieses Lichtbogens entlang dieser Naht in nur einem einzigen Schritt, bei einer relativen Geschwindigkeit von mindestens 1.52 m (60 Zoll) pro Minute.
Es wurde entdeckt daß ein geringer Anteil Sauerstoff in das Schutzgas geleitet werden kann, ohne die Schweißnaht dabei zu beeinträchtigen, wenn die Naht als gestufter quadratischer Stumpfstoß in ihrer Konfiguration neu entworfen wird, und wenn der Lichtbogen auf einen einzigen Schritt entlang der Naht begrenzt wird, bei Geschwindigkeiten oberhalb von 1.52 m pro Minute (60 Zoll pro Minute). Jedwedes aus dem Sauerstoffanteil resultierende Oxid wird weder Porosität noch eine schlechte Schweißung verursachen, weil die Schweißung auf einen einzigen Schritt limitiert ist.
Es wird angestrebt, den Lichtbogen mit gewissen bevorzugten Parametern zu stabilisieren, umfassend: einen Strom mit einer quadratischen Wellenform, eine Grund- oder Schwellenspannung von zirka 14-18 Volt, einen Pulsspitzenstrom Ip von zirka 280-310 A, eine Pulsspitzenbreite Tp von zirka 1.4 ms und eine Basisstromdauer Tb von zirka 2.8 Sekunden. Das wird einen Basis- oder Schwellenstrom Ib ergeben, der den Bedürfnissen der Maschine gerecht wird und ungefähr 90-120 A betragen kann; die mittlere Stromstärke Im kann ungefähr 180-250 A betragen.
Das Schutzgas besteht vorzugsweise, in Volumeneinheiten, zu 98% aus Schweißargon und zu 2% aus Schweißsauerstoff. Reinheitsgrad zum Schweißen bedeutet, daß die Feuchtigkeit zum Bereitstellen eines Taupunktes von -40ºC bei einer Reinheit von > 99% entfernt wurde.
Die Abschmelz-Elektrode ist vorzugsweise mit einem Durchmesser von 0.114- 0.165cm (0.045-0.065 Zoll) gebildet und kann aus Aluminumlegierung 4043 gebildet sein. Die Drehrohre oder Werkstücke aus Aluminium bestehen vorzugsweise aus Aluminiumlegierung 6062 und können eine Stärke des Rohrelementes von zirka 0.22 cm (0.086 Zoll), eine Wandstärke des Ansatzes des Kragens von 0.3 cm (0.12 Zoll) und eine Wandstärke der Vertiefung des Randes von 0.22 cm (0.086 Zoll) besitzen.
Der Lichtbogen wird vorzugsweise bezüglich der Schweißnaht mit einem Anstellwinkel von zirka 5-12º ausgerichtet, mit einem Einstellwinkel von zirka 45- 50º und einem transversalen Winkel (bezüglich einer zu einer Tangenten der Schweißnaht senkrechten Ebene) von zirka 10-14º.
Die Erfindung wird nun auf dem Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiterhin beschrieben werden, in denen:
Abbildung 1 ein schematisches Fließdiagramm der Verfahrensschritte dieser Erfindung ist;
Abbildung 2 ein Gesamtaufriß des zu schweißenden Werkstückes ist, wobei sich der Schweißkolben in seiner Stellung befindet;
Abbildung 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der zu schweißenden Naht ist, die die benötigte Konfiguration der Naht und den Umriß des Elektrodenmetalls zeigt;
Abbildung 4 ein Diagramm des Schweißsystems ist, daß zur Durchführung des Schweißvorganges verwendet wird;
Abbildung 5 eine Darstellung der Wellenform des durch die Stromquelle bereitgestellten Schweißstromes ist, der zur Durchführung des Schweißverfahrens hierin verwendet wird;
Abbildung 6 die Eindringtiefe der Schweißung als Funktion der Stromstärke für verschiedene Stellungen des Schweißkolbens zeigt;
Abbildung 7 eine Zusammenstellung verschiedener Übertragungsarten des Schweißmetalls und Umrisse von Schweißungen nach dem Stand der Technik sind, die mit der Beförderungsweise und dem Umriß der Schweißung dieser Erfindung verglichen werden;
Abbildung 8 ein Aufriß von Bestandteilen, die verschweißt werden sollen, eines Getriebezuges eines Automobils ist, der den Schweißkolben mit einem transversalen Winkel bezüglich der Rotationsebene der Werkstücke zeigt;
Abbildung 9 eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie 9-9 aus Abbildung 8 ist;
Abbildung 10 eine schematische Darstellung des Anstell- und des Einstellwinkels des Schweißkolbens ist, die bei der Durchführung des erfinderischen Verfahrens von Nutzen sind; und
Abbildung 11 eine Fotografie einer fertiggestellten Schweißraupe zur Veranschaulichung von Abbildung 1 ist.
Das Verfahren dieser Erfindung verwendet Metall-Gaslichtbogenschweißen, in dem ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Abschmelz-Elektrode aus Metall und metallischen Werkstücken, die verbunden werden sollen, aufgebaut wird. Um die Qualität und die Geschwindigkeit zu steigern, bei denen ein solches Schweißverfahren mit Werkstücken aus Aluminium stattfinden kann, wurde gefunden, daß der Entwurf der Schweißnaht, die Anwesenheit eines kontrollierten Anteils Sauerstoff im Schutzgas, die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogens bezüglich der Naht und das Ausbleiben wiederholten zyklischen Erwärmens der Naht durch Schweißen alle zusammen beim Erreichen der Vorteile dieser Erfindung eine wichtige Rolle spielen.
Wie in Abbildung 1 gezeigt ist, umfassen die wesentlichen Schritte des Verfahrens hierin: (a) das Bestimmen eines zu verschweißenden quadratischen gestuften Stumpfstoßes durch das Vorformen der Enden der Drehrohre auf Aluminiumbasis und das Montieren solcher Rohre mit einem Preßverband; (b) den Aufbau eines Gleichstromlichtbogens zwischen einer positiven Abschmelz-Elektrode auf Aluminiumbasis und der Naht als Kathode, wobei der Lichtbogen von einem Schutzgas abgeschirmt ist, das aus 2-5 Volumenprozent Sauerstoff und einem Rest Inertgas besteht, wobei die Stromzufuhr zum Lichtbogen mit einer Frequenz von 40-60 Zyklen pro Sekunde unter Beibehaltung einer mittleren Stromstärke von mindestens 180 A gepulst wird; und (c) das Bewegen des Lichtbogens entlang der Naht in einem einzigen Schritt, bei einer relativen Geschwindigkeit von mindestens 1.52 m (60 Zoll) pro Minute, während der gepulste Lichtbogen bezüglich der Naht in einer versetzten Orientierung gehalten wird.

Bestimmung der Naht

Wie in Abbildung 2 gezeigt ist, werden zwei Werkstücke 11 und 17 entlang ihrer Achsen zusammengefügt, um eine Montage 10 zu bilden, die längs einer Nahtlinie verschweißt wird. Eine Schweißpistole oder ein Schweißkolben 30 wird in die Nähe der zusammengefügten Bereiche der zwei Werkstücke gebracht und eine Schweißraupe daran angebracht.
Die Naht muß eine spezielle Konfiguration besitzen. Ein Bestandteil oder Werkstück 11 ist ein innen hohles Drehrohr aus Aluminum von zylindrischer Gestalt, und dieses besitzt eine Wandstärke 14, die durch einen inneren Durchmesser 12 und einen äußeren Durchmesser 13 bestimmt ist. Die zylindrische Extremität von Rohr 11 ist mit einer flachen Oberfläche der Fläche 15 gebildet, die sich längs einer radialen Richtung bezüglich der Achse 21 des Rohres erstreckt. Die innere ringförmige Kante der Fläche ist mit einer Abschrägung 16 ausgestattet.
Das andere Teil ist ein Ansatz 17 auf Aluminiumbasis mit einem zylindrischen Endteil 17a, das eine wesentlich größere Stärke 18 als das Rohr 11 besitzt. Der Teil 17a besitzt eine ringförmige Aussparung 19, die einen sich in eine axiale Richtung erstreckenden Kragen 20 definiert; der Kragen ist mit Abschrägungen 25 an seiner radialen inneren und äußeren Kante bereitgestellt. Die Aussparung 19 definiert eine radial verlaufende Schulterfläche 22, um auf angepaßte Weise die Fläche des Drehrohres 11 aufzunehmen.
Die zylindrischen Endteile des Rohres 11 und der Ansatz 17 sind entlang einer axialen Richtung ineinander eingefügt, wobei sich die Oberfläche 23 des Kragens 20 in die innere Oberfläche 24 des Drehrohres 11 einpaßt; eine solche Verbindung ist vorzugsweise ein Preßverband. Durch das Stecken des Kragens 20 im Drehrohr 11 wird die Stirnfläche von Rohr 11 in eine quadratisch zusammenstoßende Beziehung mit der Schulterfläche 22 des Ansatzteils gebracht, und die äußeren Oberflächen 26 und 27 enden bündig, um ein glattes Äußeres bereitzustellen. Der entstehende Preßverband zwischen den beiden Werkstücken stellt das bereit, was hierin als gestufter quadratischer Stumpfstoß 28 bezeichnet wird. Er ist in dem Sinn gestuft, als die Aussparung 19 eine Stufe im Endteil 17a bildet, und insofern ein quadratischer Stoß, als die Oberflächen und 22 sich mit einem glatten Oberflächenkontakt berühren und quadratisch sind (senkrecht zur Achse der Drehrohre). Auf keinen Fall sollte ein Stegabstand zwischen den Oberflächen 15 und 22 vorhanden sein, wenn die Vorteile dieser Erfindung erhalten werden sollen. Beispielsweise beträgt die Stärke 13 möglichst 0.22cm (0.086 Zoll), die Stärke 29 0.3 cm (0.12 Zoll) und die Stärke 18 0.53cm (0.21 Zoll).

Aufbau des Lichtbogens

Wie in Abbildung 4 gezeigt ist, verlangt das Verfahren als nächstes den Aufbau eines Lichtbogens 29 zwischen einer Abschmelz-Metallelektrode 31, die von einem Kolben 30 gehalten und vorwärtsbewegt wird, und einer Naht oder einem Werkstück 28 als Kathode. Die Gleichstromquelle 34 besitzt eine positiv gepolte Elektrode 31. Die Gleichstromversorgung befindet sich im Bereich von ungefähr 15 bis 80 A mit einer Frequenz von ungefähr 5000-25000 Hz.
Die Elektrode 31 besteht vorzugsweise aus einer Legierung 4043 auf Aluminiumbasis für den Draht, und die Werkstücke auf Aluminiumbasis bestehen vorzugsweise aus Aluminiumlegierung 6062. Diese Legierungen wurden ausgewählt, um beim Vermeiden von Schäden wegen Warmbrüchigkeit aufeinander abgestimmt zu sein. Die Elektrode 31 wird während des Schweißvorganges entlang der Achse des Schweißkolbens 30 geführt, um eine gewünschte Entfernung der Elektrodenspitze vom Umriß der Schweißung beizubehalten, wenn die Spitze verbraucht wird.
Eine Schutzgasmischung wird auf den Bereich der Schweißung gerichtet. Inertgase, die bis heute für diesen Zweck verwendet wurden, umfaßten im Handel vor allem entweder Argon oder Helium, die für das Schweißen von Aluminium sauerstofffrei sind. Argon wird wegen seiner Verfügbarkeit vorwiegend verwendet. Helium besitzt eine niedrige Dichte, wodurch Bedarf an einem größeren Volumens entsteht, um den nötigen Schutz herzustellen. Jedoch ist wegen dem höheren Ionisierungspotential von Helium ein tieferes Eindringen der Schweißung möglich als mit Argon, obschon der Lichtbogen etwas unstabiler ist.
Es wurde gefunden, daß Helium oder Argon als einzige Komponente des Schutzgases nicht ausreichen. Ein kleiner Volumenanteil Sauerstoff muß anwesend sein, um eine Schweißung mit hoher Festigkeit zu erreichen. Der Sauerstoff stabilisiert auch den Lichtbogen, indem er den Elektronenfluß unter Verringerung der Austrittsenergie begünstigt und somit die Empfänglichkeit der Wand für Verunreinigungen verringert. Zu diesem Zweck werden Druckquellen von Sauerstoff 36 und Argon 37 jeweils durch Zähler 38 und 39 einem Mischventil 40 über die Zufuhren 42 und 41 genau dosiert zugeführt. Das vermischte Schutzgas wird dann über eine Zufuhr 43 durch den Raum 33 transportiert, der die Elektrode innerhalb der äußeren Wand des Schweißkolbens 32 umgibt, um nicht nur den Lichtbogen 29 abzuschirmen und zu umhüllen, sondern auch die Naht 28, die verschweißt wird.
Wenn weniger als 2% Sauerstoff mit dem Argongas vermischt wird, wurde gefunden, daß die Schweißung unerwünscht verunreinigt ist. Wenn mehr als ungefähr 5% Sauerstoff anwesend sind, werden zuviel Oxide produziert, wobei die Festigkeit der Schweißung beeinträchtigt wird.
Das Schweißen wird bei einer relativ niedrigen mittleren Stromabgabe durchgeführt. Wenn ein Metalltransport stattfinden soll, pulst die Stromquelle den Strom leicht über einen Schwellenwert für die Übertragung durch Zerstäubung, und große Metalltropfen (etwas kleiner als der Elektrodendurchmesser) werden zum Überqueren des Lichtbogens gezwungen. Die Frequenz dieser Impulse wird bezüglich der Brenngeschwindigkeit des Drahtes geregelt, um einen stabilen Fluß aus großen Tropfen ohne die Bildung eines explosiven Nebels zu gewährleisten. Das Schweißen kann bei solchen relativ niedrigen Strompegeln unter Verwendung eines Drahtes mit großem Durchmesser, 0.114-0.165 cm (0.045-0.065 Zoll), durchgeführt werden, und das Spritzen wird praktisch eliminiert. Es ist wünschenswert, eine Stromquelle vom Typ mit konstanter Spannung und variabler Stromstärke zum Bereitstellen hoher Leistungsausschüttung für ein optimales Starten des Lichtbogens zu verwenden. Die Spannung kann zwischen 23 und 26 Volt variieren.
Nur ein trockenes Inertgas hoher Reinheit, im Handel "für Schweißzwecke" bezeichnet, sollte in dieser Prozedur verwendet werden. Unreines oder feuchtes Gas wird die Qualität der Schweißung verschlechtern. Verunreinigungen im Gas spalten sich im Schweißlichtbogen zu Wasserstoff und Sauerstoff und reagieren mit dem geschmolzenen Aluminium unter Bildung von Porosität und Schlacke.
Wie in Abbildung 6 gezeigt ist, wird ein Strom mit einer Wellenform eines rechteckigen lmpulses verwendet. Die Wellenform dieses impulsförmigen Stromes wird von vier Faktoren bestimmt: einer Pulsstromstärke Ip, einer Grundstromstärke Ib, einer Pulsdauer Tp (z.B. 1.4 Millisekunden) und einer Grunddauer Tb (z.B. 2.8 Millisekunden). Ein starker Strom kann während einer kurzen Zeitspanne zwischen der Elektrode und dem zu schweißenden Werkstück fließen, während die mittlere Stromstärke Im auf einem niedrigen Wert (z.B. 200-245 A) gehalten wird. Bei Gleichstrom mit positiver Polung der Elektrode wird das Elektrodenmetall im Lichtbogen als Strom feiner überhitzter Tröpfchen (d.h. 100 Tropfen pro Sekunde) übertragen werden, wenn der Schweißstrom für einige Zeitspannen unter dem Spraypegel und für damit abwechselnde Zeitspannen leicht oberhalb des Spraypegels gepulst wird. Diese Werte werden von der Legierung der Elektrode, deren Größe und der Zufuhrgeschwindigkeit abhängen. Der Transport von Metall findet nicht nur während der Perioden hohen Schweißstromes Ip statt, sondern er wird in den dazwischen liegenden Zeitspannen geringer Stromstärke Ib vorangebracht oder vorbereitet. Dieser Vorgang reduziert die Gesamtwärmezufuhr zum Grundmetall für eine gute Kontrolle des geschmolzenen Schweißbades und der Eindringtiefe. Die geringere Wärmezufuhr erleichtert das Schweißen dünner Bereiche aus Aluminium. Die Zusammensetzung der Elektrode muß überwacht werden, weil Bestandteile mit niedrigem Dampfdruck die Gefahr des Spritzens erhöhen werden. Der Dampfdruck von Magnesium neigt dazu, die Zerstörung der Tropfen zu bewirken, wenn sich diese von der Elektrodenspitze trennen; das erzeugt kleine kugelförmige Spritzer, die oft aus dem Lichtbogen herausgeworfen werden, und sollte daher vermieden werden.
Der gepulste Strom mit konstanter Spannung umgeht das Problem des Standes der Technik (siehe Abbildung 7). Je nach dem im Verfahren verwendeten Strompegel kann ein Problem des unvollständigen Schmelzens bei niedrigeren Stromdichten und unter Argonschutz auftreten. Die Übertragung von geschmolzenem Elektrodenmetall wird bei solch niedrigen Stromdichten in der Form von Kügelchen stattfinden; die Kügelchen sind oft größer als der Durchmesser der Elektrode und werden mit sehr niedrigen Geschwindigkeiten übertragen, z.B. mit einer Geschwindigkeit von zirka fünf Tropfen pro Sekunde. Dieses Verfahren bei niedriger Stromstärke wird manchmal mit Kurzschlußschweißen bezeichnet. Bei mittleren Stromdichten neigen die Kügelchen auch zu einer Größe, die sogar das Doppelte des Elektrodendurchmessers (5-10 Tropfen pro Sekunde) sein kann, und sie brechen eventuell ab und werden auf das Werkstück übertragen. Jedenfalls weist die Schweißung mit niedrigen oder mittleren Stromdichten manchmal eine schlechte Verschmelzung auf. Wenn sich die Spannung des Lichtbogens im Bereich der Sprayübertragung bei konstant hohen Stromstärken befindet, wird der Transport der Tropfen (d.h. > 720 Tropfen pro Sekunde) verteilt sein und eine mangelnde Dichte aufweisen. Wenn die Spannung des Lichtbogens bei geeignet hoher Stromstärke signifikant verringert wird, tritt Kurzschließen auf. Diese Art des Transportes ist für Aluminium wegen unkompletten Schmelzens nicht empfehlenswert.
In dieser Erfindung stellt ein gepulster Starkstrom mit einem Argon-O&sub2;-Schutz einen Metalltransport mittels Mikrokügelchen oder Tröpfchen (d.h. 100 Tropfen/Sekunde) bereit, die eine Größe zwischen der von feinen Spraytröpfchen und der von Kugeln besitzen. Eine Stromquelle mit einer konstanten Spannung wird zusammen mit einer Elektrodenführung mit konstanter Geschwindigkeit verwendet. Die Grundspannung für den Schweißvorgang wird so eingestellt, daß die Grundstromstärke Ib auf sie ansprechen kann. Die Grundspannung des Lichtbogens ist auf einen Wert eingestellt, der leicht über dem für die Sprayübertragung liegt gewöhnlich im Bereich von 14-18 Volt. Die Einheit zum Führen der Elektrode wird die Zufuhrgeschwindigkeit so einstellen, daß die voreingestellte Spannung im Lichtbogen erhalten bleibt. Die Einstellung der Spannung ist in Bezug auf ein gutes Verschmelzen mit den Seiten der Rille kritisch. Wenn die Spannung zu hoch ist, kann das Schmelzen ausbleiben. Wenn die Spannung zu niedrig ist, wird das Kurzschließen zwischen der Elektrode und dem Schweißbad stattfinden. Der Strom Ib wird zu einem Strom Ip mit 40-60 Zyklen pro Sekunde gepulst. Der Strom Im wird zirka 230-250 A betragen und muß mindestens 200 A stark sein.
Wie in Abbildung 6 gezeigt ist, wird die Beziehung zwischen dem Schweißstrom und der Eindringtiefe unter Verwendung der mittleren Eindringtiefe aufgetragen, die erhalten wird, wenn der Schweißstrom auf seinen niedrigen und seinen hohen Wert eingestellt wird. Die Abbildung zeigt daß der zum Bleiben zwischen der minimal und maximal zulässigen Eindringtiefe benötigte mittlere Schweißstrom zwischen 230 und 270 A liegen würde. Man beachte in der Abbildung, daß die Stellung des Schweißkolbens die Eindringtiefe verändern wird und den Graphen des Schweißstromes verschiebt.

Relative Bewegung des Lichtbogens zur Schweißnaht

Es ist wünschenswert, den Schweißvorgang mit dem Drehrohr oder der Getriebewelle in horizontaler Stellung durchzuführen. Dieser Umstand verleiht den Parametern der Kolbenstellung und des Kolbenwinkels zusätzliche Wichtigkeit. Die Kolbenstellung, wie in den Abbildungen 8 und 9 gezeigt ist, ist der Winkel zwischen der Achse 41 oder 42 der Elektrode des Kolbens und einer horizontalen Ebene 40. Der Anstellwinkel des Kolbens ist der Winkel zwischen einer Verlängerung der Achsen 41 oder 42 für den Stellungswinkel des Kolbens, die durch die Schweißraupe verlaufen, und der neuen Achse, 43 oder 44, der Kolbenelektrode, die ebenso durch die Schweißung verlaufen soll. Der Anstellwinkel des Kolbens ist insofern wichtig, als er das Steuern der Bildung und der Form der Schweißraupe unterstützt. Der Kolben wird im Punkt der Schweißnaht von einer Senkrechten bis zu einer Tangenten geneigt sein. Der Kolben wird längs der Rotationsrichtung geneigt sein, um einen Anstellwinkel des Kolbens bereitzustellen; d.h. der Lichtbogen wird auf das ungeschmolzene Grundmetall bei fortschreitender Schweißung gerichtet sein. In dem Maße, wie sich die Stellung des Kolbens von vertikal zu horizontal verändert, nimmt der Effekt des Schweißstromes auf die Eindringtiefe signifikant ab. Wenn die Kolbenstellung auf 60º eingestellt ist, kann die maximal zulässige Eindringtiefe selbst bei den höchsten Einstellungen für die Stromstärke nicht mehr erreicht werden. In Abbildung 6 ist die projizierte Kolbenstellung von 540 die Kolbenstellung, in der der Graph der Stromstärke die gezeigte mittlere Beziehung Stromstärke/Eindringtiefe genau simulieren soll.
Studien zur Optimierung haben gezeigt, daß mit einem Schweißsystem vom gepulsten Typ, einem 4043 Elektrodendraht mit einem Durchmesser von 0.159 cm (0.0625 Zoll), der Verwendung eines Schutzgases aus 98% Argon und 2% Sauerstoff mit einem Durchsatz von 30-40 Kubikfuß pro Stunde und einer Entfernung der Spitze zum Werkstück von 1.588-1.91 cm (5/8-3/4 Zoll), der mittlere Schweißstrom im Bereich von zirka 200 Ampère bei einer Grundspannung von 16 Volt und die Bewegungsgeschwindigkeit der Elektrode bezüglich der Schweißnaht im Bereich von 1.52-1.6m pro Minute (60-65 Zoll pro Minute) liegen kann. Die Effekte der Verunreinigungen und die Ausmaße der Schweißnähte können verringert werden, wenn der Kolben einen transversalen Winkel besitzt, in dem der Kolben um 12º bezüglich der Längsachse der Antriebswelle geneigt ist und auf den Ansatz gerichtet ist.
Die Kolbenstellung und die Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißvorganges sind wichtige und einflußreiche Faktoren beim Steuern der Eindringtiefe und der Schmelze (wobei die Kolbenstellung einen leicht größeren Einfluß auf die Eindringtiefe ausübt als die Bewegungsgeschwindigkeit). Das Vergrößern eines beliebigen dieser Faktoren verursacht eine Verringerung der Eindringtiefe. Die angestrebten Anstellwinkel des Kolbens für die bestmögliche Ausführung wurden als ungefähr 10º für den Anstellwinkel, 51º für den Stellungswinkel und ungefähr 12º für den transversalen Winkel ermittelt.
Die Geschwindigkeit des Kolbens bezüglich des Werkstückes hat für diese Erfindung eine kritische Bedeutung. Durch die Vetwendung in einem Schritt einer linearen Kolbengeschwindigkeit von mindestens 60 Zoll pro Minute (oft bis zu 80 Zoll pro Minute) kann die Qualität der Schweißung mit einer einhergehenden Verbesserung der Produktivität der Schweißung gesteigert werden. Die höchsten Geschwindigkeiten beim Schweißen, die nach dem Stand der Technik bis heute zum Schweißen von Aluminium ungeachtet der Stärke des Werkstückes verwendet wurden, betrugen ein Maximum von 30 Zoll pro Minute im Produktionsablauf. Wie in Abbildung 11 gezeigt ist, hat die Form der Schweißung einer fertiggestellten Antriebswelle eine geschweißte Kuppe, die symmetrisch gekrümmt ist, und eine an der Basis der Schweißnaht große Breite der schweißung.

Claims

1. Ein gepulstes Metall-Gaslichtbogenschweißverfahren, um Werkstücke auf Aluminiumbasis durch den Aufbau und das Aufrechthalten eines elektrischen Lichtbogens zwischen einer positiven Abschmelz-Elektrode und einem an seiner Verbindungsstelle zusammengeführten Werkstück zu verschweißen, gekennzeichnet durch:

(a) das Bestimmen der Naht, die einen gestuften quadratischen Stumpfstoß bilden soll;

(b) das Abschirmen des Lichtbogens in einer Atmosphäre, die aus 2-5 Volumenprozent Sauerstoff und einem Rest Inertgas besteht; und

(c) das Bewegen dieses Lichtbogens entlang dieser Naht in nur einem einzigen Schritt bei einer relativen Geschwindigkeit von mindestens 1.52 m (60 Zoll) pro Minute.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin die Werkstücke Bestandteile eines Drehrohres sind, der gestufte quadratische Stumpfstoß (28) durch Vorformen der Enden dieser Drehrohre und das Verbinden dieser Enden im verschachtelten Zustand gebildet wird, diese positive Abschmelz-Elektrode eine Elektrode (31) auf Aluminiumbasis ist und der Strom zum Lichtbogen mit einer Frequenz von 40-60 Zyklen pro Sekunde gepulst wird, während eine mittlere Stromstärke von mindestens 200 A beibehalten wird.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin dieser Lichtbogen eine Stellung bezüglich dieser Naht einnimmt, die durch einen Stellungswinkel von 45-60º und einem Anstellwinkel von 5-15º definiert ist.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, worin die Übertragung von Metall über Tropfen stattfindet, wobei der Durchmesser eines jeden Tropfens nicht größer als der Durchmesser der Elektrode ist, wobei die Tropfen mit einer Frequenz von zirka 100 Tropfen pro Sekunde übertragen werden.

5. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, worin dieser gestufte quadratische Stumpfstoß dadurch definiert ist, daß er einen Teil mit einer zylindrischen Wand und einer flachen, radial verlaufenden Endfläche besitzt, wobei der zweite Teil eine zylindrische Wandstärke besitzt die größer als die Wandstärke dieses ersten Teiles ist, wobei das Ende dieser Wand des zweiten Teils vertieft ist, um einen sich von einer flachen, radial verlaufenden Schulterfläche radial erstreckenden zylindrischen Teil zu bilden, wobei der zylindrische Kragen des zweiten Bestandteils einen gleichmäßigen äußeren Durchmesser besitzt, der im wesentlichen gleich dem inneren Durchmesser der zylindrischen Wand dieses ersten Bestandteils ist, wobei die Endfläche dieses ersten Bestandteils, wenn dieses erste Bestandteil an dieses zweite Bestandteil angepaßt wird, gegen diese Schulterfläche mit einer rechteckigen, bündigen Beziehung stoßen wird und die berührende Schnittstelle der Naht mit einem L-förmigen Querschnitt mit geringem oder gar keinem Spiel dazwischen hergestellt wird.

6. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, worin die Grundstromstärke für diesen gepulsten Strom im Bereich von 200-250 Ampère liegt.

7. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, worin der Drahtdurchmesser dieser Elektrode im Bereich von 0,114-0,159 cm (0,045- 0,0625 Zoll) liegt und die Zusammensetzung dieser Drahtelektrode eine Aluminiumlegierung der 4000er Reihe ist.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, worin diese Drahtelektrode automatisch mit einer Geschwindigkeit von 200-235 Zoll pro Minute zugeführt wird.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin der Strom, der diesem Lichtbogen zugeführt wird, eine quadratische Wellenform besitzt und die Spannungsquelle für diesen Strom im allgemeinen im Bereich von 23-26 Volt konstant gehalten wird, wobei die Grundspannung 14-18 Volt beträgt.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin die Abschirmung dieses Lichtbogens durch diese Inertgasmischung durch Zuführen eines kontinuierlichen Stromes dieser Gasmischung mit einem Durchsatz im Bereich von 30-40 Kubikfuß pro Stunde durchgeführt wird.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 2, worin die Geschwindigkeit der relativen Bewegung Lichtbogen/Nahtstelle in den letzten 130º der Umdrehung von 1,52- 1,6m (60-63 Zoll) pro Minute auf einen Bereich von 1,70-1,75m (67-69 Zoll) pro Minute, begleitet von einer Verringerung der Energiezufuhr, angehoben wird.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin der gepulste Lichtbogen durch einen Strom bereitgestellt wird, der einen Basisstrompegel besitzt, der periodisch von einem Stromimpuls überlagert wird, der durch eine Pulsbreite und eine Amplitude definiert ist, die größer als jene des Basisstrompegels sind, und mit variierender Impulsfrequenz, um die mittlere Stromstärke zum Konstanthalten der Wellenform des Impulses zu verändern, wobei die Frequenz erhöht wird, wenn die Ausdehnung des Lichtbogens verringert wird, um die Größe der geschmolzenen Kügelchen auf einen Wert zu begrenzen, der unter jenem des Durchmessers der Elektrode liegt.

13. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin diese Abschirmung des Lichtbogens durch das Zusammenführen und Vermischen dosierter Ströme von Sauerstoff und Argon unmittelbar oberhalb des Schweißlichtbogens durchgeführt wird.