DE977411C - Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweissen von Aluminium - Google Patents

Description

• Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Aluminium Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, bei dem das Schutzgas dem Lichtbogen durch eine Ringdüse zugeführt wird und aus einem inerten Gas, wie Helium oder Argon, besteht.
• Unter der Bezeichnung »Aluminium« sollen im folgenden auch Aluminiumlegierungen verstanden werden, die einen überwiegenden Gehalt an reinem Aluminium aufweisen.
• Es sind Verfahren zum Schweißen von Aluminium bekannt, bei denen Schweißgas oder der elektrische Lichtbogen zusammen mit einem schweren Flußmittel zum Schutz der Schweißstelle verwendet werden. Meist besteht die Umhüllung der Elektrode aus einem Stoff, der beim Schweißen das Flußmittel bildet. Bei diesem Verfahren ist es erforderlich, die fertige Schweißnaht sorgfältig zu reinigen, weil jeder Rückstand des Flußmittels das Metall bald korrodiert. In manchen Fällen ist eine einwandfreie Säuberung der Schweißstelle nicht möglich, weil ein Teil des Flußmittels in der Schweißnaht selbst eingeschlossen ist oder an einer unzugänglichen Stellen haftet. Bei diesem Verfahren ist es bekannt, die mit einem Flußmittel umhüllten Elektroden mit einer Stromdichte von mindestens 22 A/mm2 Elektrodenfläche zu belasten.
• Bei einem anderen bekannten Lichtbogenschweißverfahren für Aluminium wird eine nicht abschmelzende Elektrode verwendet, nämlich eine Wolframelektrode, und das Schutzgas wird dem Lichtbogen durch eine Ringdüse so zugeführt, daß es den Lichtbogen im wesentlichen ohne Turbulenz umgibt (USA.-Patentschrift 2 314 628). Dieses Verfahren kann jedoch nur für dünne Aluminiumwerkstücke verwendet werden, wo also zum Schweißen kein Zusatzmetall erforderlich ist.
• Schließlich ist durch die USA.-Patentschrift 2 342 o86 ein Schweißverfahren für Magnesium und Magnesiumlegierungen bekanntgeworden, bei dem wiederum mit einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode gearbeitet wird, die mit dem positiven Pol des Schweißgenerators verbunden ist. Bei diesem Verfahren wird das erforderliche Zusatzmetall in Form eines Drahtes in den zwischen dem Werkstück und der nicht abschmelzenden Wolframelektrode erzeugten Lichtbogen eingeführt. Auch bei diesem bekannten Verfahren, das sich wegen der Verwendung von Zusatzmetall auch für dickere Werkstücke eignet, ist es bekannt, die Schweißstelle durch Zuführen von Schutzgas durch eine Ringdüse zu schützen, die die Elektrode umgibt. Bei diesem bekannten Schweißverfahren verläuft der Schweißvorgang verhältnismäßig langsam, weil das Zusatzmetall zunächst vom Lichtbogen erwärmt werden muß. Mit diesem bekannten Verfahren ist daher eine schnelle und wirtschaftliche Schweißung von Magnesiumwerkstücken nicht möglich und bei Übertragung dieses Verfahrens auf Aluminiumwerkstücke auch nicht zu erwarten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem Aluminium oder Aluminiumlegierungen schnell und einwandfrei geschweißt werden können, insbesondere verhältnismäßig dicke Werkstücke, wobei ein Zusatzmetall zum Schweißen gebraucht wird.
• Die Erfindung besteht in der Vereinigung folgender, teilweise an sich bekannter Merkmale: aa) Es wird eine abschmelzende, blanke oder leicht umhüllte Drahtelektrode aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet. bb) Das Schutzgas wird so zugeführt und dosiert, daß es den Lichtbogen im wesentlichen in laminarer Strömung umhüllt und daß in der den Lichtbogen umgebenden Schutzgashülle nicht mehr als 2 Volumprozent Verunreinigungen und hiervon nicht mehr als 1/z Volumprozent Sauerstoff und Stickstoff enthalten sind, indem bei einem Schmelzelektrodendurchmesser zwischen 1,2 und 5 mm etwa 30 1 Schutzgas pro Minute zugeführt werden.
• cc) Die Schweißelektrode ist mit dem positiven Pol des Generators verbunden.
• dd) Die Stromdichte beträgt mindestens 22 A/mm2 Elektrodenfläche. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, größere und dickere Aluminiumwerkstücke unter Verwendung von Zusatzmetall schnell, einwandfrei und wirtschaftlich zu verschweißen, ohne daß ein Flußmittel erforderlich ist, das störende Einschlüsse und andere Fehler der Schweißnaht verursachen kann. Als Schutzgas kann Helium, Argon oder ein anderes inertes Gas von höherem Atomgewicht als Argon verwendet werden.
• Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es von besonderer Bedeutung, daß das Schutzgas in solchen Mengen und einem solchen Zustand zugeführt wird, daß die den Lichtbogen umgebende Gashülle nicht mehr als 2 Volumprozent Beimengungen enthält. Durch Versuche wurde festgestellt, daß die bisher beim Schweißen von Aluminium mit einer Aluminiumschmelzelektrode auftretenden Schwierigkeiten darauf zurückzuführen sind, daß die Schutzgashülle wegen der Wirbelbildung bei der Zuführung des Schutzgases nicht frei von Beimengungen gehalten werden kann. Wirbelbildung, welche durch plötzliche Änderungen der Strömungsrichtung, durch Unregelmäßigkeiten in der Gaszuführung und aus anderen Gründen hervorgerufen wird, zieht atmosphärische Luft in die Schutzgashülle und hebt damit die mit der Zuführung des Schutzgases bezweckte Wirkung auf. Es wird daher die Gasströmung so dosiert und geführt, daß sie im wesentlichen laminar und nicht turbulent ist. Ferner wurde festgestellt, daß das Schutzgas mit den Metallpartikeln, die bei einer Schmelzelektrode einen ganz anderen Verlauf nehmen als bei einer nicht abschmelzenden Elektrode, z. B. aus Wolfram, zusammenwirkt. Bei einer nicht abschmelzenden Elektrode wird das für die Schweißung erforderliche Metall von außen her zugeführt und durch die Wärme des Lichtbogens zum Schmelzen gebracht. Bei Verwendung einer Schmelzelektrode wird das Metall dagegen in feinverteiltem Zustand vom Elektronenende durch den Lichtbogen übertragen. Das im Lichtbogen ionisierte Schutzgas spielt bei der Richtungsgebung und Übertragung des geschmolzenen Metalls eine wichtige Rolle. Das feinverteilte Metall bildet nämlich einen Teil der mit 2% angegebenen Beimengungen in der den Lichtbogen umgebenden Schutzgashülle; dagegen dürfen nicht mehr als 1/2% Sauerstoff und Stickstoff aus der Atmosphäre in der Schutzgashülle vorhanden sein. Als Ausführungsbeispiel des Schmelzvorganges sei angenommen, daß die Drahtelektrode einen Durchmesser von 5 mm haben und entweder aus reinem Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, z. B. mit einem Gehalt von 5'% Silizium, bestehen soll. Der Draht wird mit einerGeschwindigkeitbis zu 1,5 m/min vorgeschoben, während ein Schweißstrom von 44o bis 5oo A bei einer Spannung von 2z bis 24V im Lichtbogen bei umgekehrter Polarität (--Pol an Elektrode) zugeleitet wird. Die Ringdüse 14 für den Austritt des Schutzgases wird sehr nahe an das Werkstück herangebracht, damit die von der Aluminiumschweißstelle ausgehenden Spritzer sich nicht sofort an der Düse festsetzen. Der Lichtbogen ist besonders stabil, wenn die Elektrode der positive und das Werkstück der negative Pol ist. Bei Benutzung eines Werkstückes als Kathode besteht ferner ein besonderer Vorteil des Verfahrens darin, daß die sich auf dem Werkstück bildende Oxydhaut durch die reinigende Wirkung des Elektronenstrahles und der Bombardierung mit positiven Ionen an der Schweißstelle beseitigt wird und daß die um den Lichtbogen gebildete Schutzgashülle eine Oxydation des geschmolzenen Metalls verhindert, so daß eine metallisch glänzende Schweißnaht entsteht. Für den Schutz der Schweißstelle genügen etwa 0,03 m3/min eines inerten Gases, wie Argon, wenn die Düse in etwa iomm Abstand von der Oberfläche des Werkstückes gehalten wird. Unter den beschriebenen besonderen Bedingungen erhält man die besten Ergebnisse bei einer Lichtbogenlänge zwischen 3 und 5 mm. Die Bedingungen, unter denen die Schweißung erfolgt, können mannigfach verändert werden, je nach der erstrebten Schweißgeschwindigkeit und der Art der herzustellenden Schweißnaht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für das Verbindungsschweißen von Aluminiumteilen von 3 mm Stärke oder mehr geeignet. Bei einer derartigen Schweißung ist die Verwendung eines Zusatzmetalls erforderlich; dieses Zusatzmetall wird entsprechend dem Verbrauch der Drahtelektrode fortlaufend zugeführt. Die durch den Lichtbogen erzeugte Wärme schmilzt den Draht so schnell ab, wie er vorgeschoben wird, und das geschmolzene Metall wird auf die Schweißstelle unter vollständigem Abschluß durch das die Elektrode umhüllende Schutzgas übertragen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können bei hoher Vorschubgeschwindigkeit von 400 mm/min mit q.8o A Gleichstrom bei umgekehrter Polarität Aluminiumplatten über 4 mm Stärke in einem einzigen Durchgang verschweißt werden, wobei die durch Trennen mit der Säge entstandenen Kanten keiner anderen Vorbereitung bedürfen. Bei keinem der bisher bekannten Schweißverfahren für Aluminium ergibt sich eine genügende Metallverschmelzung, um eine Schweißnaht von der beschriebenen Güte zu erhalten. Das Eindringen der Schweißung in stärkere Aluminiumteile ist wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums schwer zu erreichen.
• Infolgedessen ist die konzentrierte Erhitzung durch den Metallichtbogen besonders vorteilhaft; eine vorherige Erwärmung schwererer Werkstücke kann auf Zoo bis 65° C oder noch niedriger begrenzt werden. Die Stromstärke kann zwischen 75 A bei einer 1,2-mm-Elektrode und io5o A für stärkere Elektroden bei 14 bis 30 V schwanken. Die Stromdichte in der Elektrode sollte mindestens 22 A/mm2 Elektrodenquerschnitt betragen. Mit einer solchen Stromdichte wird z. B. bei q.o A Stromstärke und einer Elektrode von 1,6 mm Durchmesser gearbeitet. Bei Verwendung einer Elektrode von 1,2 Durchmesser und 75 A liegt die Stromdichte in der Elektrode etwa bei 66 A/mm2. Argon wird als Schutzgas bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren bevorzugt; es können aber andere inerte Gase, wie Helium und Gase mit höherem Atomgewicht, verwendet werden oder auch solche Gasgemische. Die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode kann zur Aufrechterhaltung einer konstanten Lichtbogenlänge geregelt werden, umgekehrt kann aber auch der Schweißstrom bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode mit demselben Erfolg verändert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann für ganz selbsttätiges, halbselbsttätiges Schweißen oder auch für Handbetätigung angewendt werden. Die Anwendung von Schutzgasen in der beschriebenen Art gewährleistet nicht nur die Metallübertragung durch den Lichtbogen ohne die Entstehung von störenden Oxyden, Nitriden oder anderen Einschlüssen, sondern ergibt auch eine einwandfreie Reinhaltung der zu schweißenden Aluminiumoberfläche. Diese reinigende Wirkung tritt bei Verwendung von Argon als Schutzgas besonders stark auf und bewirkt eine Art Wegblasen der Aluminiumoxydhaut von der Metalloberfläche durch die Bombardierung mit Argon-Ionen. Der Reinigungsgrad hängt von dem Atomgewicht des Schutzgases ab, so daß aus diesem Grund Argon und andere Elemente mit hohem Atomgewicht mit besserem Erfolg angewendet werden als das verhältnismäßig leichte Helium.
• Der Schweißdraht ist vorzugsweise nicht umhüllt, kann aber auch eine dünne Umhüllung irgendeines geeigneten Stoffes haben. Eine solche dünne Umhüllung ist von einer Flußmittelumhüllung von größerer Stärke zu unterscheiden, die manchmal bei Schweißelektroden aus Aluminiumlegierungen verwendet werden. Außerdem ist zu beachten, daß bei der Beschreibung der Erfindung unter »Aluminiumdraht« sowohl blanker Aluminiumdraht als auch Aluminiumdraht mit dünner Umhüllung im Gegensatz zu den üblichen Elektroden mit dicker Umhüllung zu verstehen ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweissen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, bei dem das Schutzgas dem Lichtbogen durch eine Ringdüse zugeführt wird und aus einem inerten Gas, wie Helium oder Argon, besteht, gekennzeidinet durch die Vereinigung folgender, teilweise an sich bekannter Merkmale: aa) Es wird eine abschmelzende, blanke oder leicht umhüllte Drahtelektrode aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet. bb) Das Schutzgas wird so geführt und dosiert, daß es den Lichtbogen im wesentlichen in laminarer Strömung umhüllt und daß in der den Lichtbogen umgebenden Schutzgashülle nicht mehr als zwei Volumprozent Verunreinigung und hiervon nicht mehr als 1/2 Volumprozent Sauerstoff und Stickstoff enthalten sind, indem bei einem Schmelielektrodendurchmesser zwischen 1,2 und 5 mm etwa 301 Schutzgas pro Minute zugeführt werden. cc) Die Schweißelektrode ist mit dem positiven Pol des Generators verbunden. dd) Die Stromdichte beträgt mindestens 22 Amp pro mm2 Elektrodenfläche. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 496 337, 496 465, 573 513 832 463; deutsche Patentanmeldungen A 3571 VIII d/2i h (bekanntgemacht am 29. 5. 1952), A 3573 VIII d/ --ih (bekanntgemacht am 12.7. 19.51), A 12979 VIII d/2i h (bekanntgemacht am 3. 12. 1953), L 3737 VIIId/26h (bekanntgemacht am 21.5. 1952), L 3793 VIII d/ 2 i h (bekanntgemacht am 3I.1.1952), L3826VIIId/2ih (bekanntgemacht am 31. 1. 1952) ; belgische Patentschrift Nr. 481 124.; USA.-Patentschriften Nr. 1483 612, 1716 614, 1717 530, 1746 o81, 1746 i91, 1746 196, 1746:207, 1749 765, 2 053 417, 2 274631, 2 314 628, 2 34.2 o86, 2 468 8o8, 2 504 868, 2510205, 2544711; Du Rietz-Koch: »Praktisches Handbuch der Lichtbogenschweißung«, 2. Auflage, Braunschweig, 1947, S.238; Elektroschweißung, 8 (1937), S. ioi und 127; 11 (1940), S. 109 bis 114; Welding Journal (Research Suppl.), Oktober 1938, S. 6.1 bis 67; November 1948, S. 913 bis 915; Elektrodenliste der Firma Elektriska Svetsningsaktiebolaget (ESAB), Göteborg, vom Juli 1944., S. 6;' Zeichnung If/Smf/LA-i6546 vom 16,. g. 1931 der Firma Allgemeine Elektricitätsgesellschaft (AEG).