WO2012104009A1 - Verfahren und vorrichtung zum lichtbogenfügen durch verwendung einer schutzgasmischung; entsprechende schutzgasmischung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum lichtbogenfügen durch verwendung einer schutzgasmischung; entsprechende schutzgasmischung Download PDF

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WO2012104009A1
WO2012104009A1 PCT/EP2012/000083 EP2012000083W WO2012104009A1 WO 2012104009 A1 WO2012104009 A1 WO 2012104009A1 EP 2012000083 W EP2012000083 W EP 2012000083W WO 2012104009 A1 WO2012104009 A1 WO 2012104009A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for arc joining, in particular for
  • EP 612 580 B1 discloses a method for producing pipes by means of welding, in which a silicon-containing layer in the region of the welded joint is produced by increasing the corrosion resistance by adding silicon hydride (monosilane) to the forming gas and partly also to the protective gas.
  • silicon hydride monosilane
  • Shielding gas to increase the welding speed.
  • the inert gas flows through the liquid silicon tetrachloride and thereby accumulates to the protective gas mixture, which is then guided via the welding nozzle to the processing site.
  • WO2007 / 014648 in turn, involves a process in which gaseous compounds are brought to the joint with a gas stream, which decompose at elevated temperature and precipitate particles. Entered are preferably metals, metal ions or elements such as silicon and boron.
  • a doping of the protective gas with a doping gas is disclosed for ozone reduction. Possible doping gases are hydrogen,
  • the protective gas production is about a setting of the thermal conductivity of the protective gas.
  • the invention has for its object to make high-quality joints possible. It is also an object of the invention to improve the welding and soldering with electric arc.
  • the invention relates to a method for arc joining, in particular for arc welding under inert gas with melting or
  • non-consumable electrode characterized in that the protective gas contains a silane-containing protective gas additive, which consists of at least one sub
  • Normal pressure in the temperature range from 1 to 50 ° C, preferably from 5 to 35 ° C, particularly preferably from 10 to 30 ° C liquid linear, branched or cyclic, having at least three silicon atoms silane, optionally with one or more (C ⁇ CeJ-
  • the invention relates to a protective gas mixture which consists of a silane-containing inert gas additive and further of argon, helium , Carbon dioxide, oxygen, nitrogen and / or hydrogen, wherein the silane-containing
  • the substances or mixtures from which the silane-containing inert gas additive may consist therefore belong to the higher, under normal pressure in the temperature range from 1 to 50 ° C, preferably from 5 to 35 ° C, particularly preferably from 10 to 30 ° C liquid, linear or branched silanes having at least three silicon atoms with the general formula Si n H2n + 2 and the cyclic compounds and their isomers with at least five silicon atoms having the general formula Si m H2m-
  • the silane with one or more (d-CeJ-alkyl-, methyl groups may be preferably substituted.
  • the substances or mixtures from which the silane-containing inert gas additive can consist are those which are at least mono- or disilanes (d-CeJ-alkyl group substituted.) These are in particular methyl- and ethylsilane, dimethyl- and diethylsilane, trimethyl- and triethylsilane and Of the at least one (CC 6 ) -alkyl substituted mono- or disilanes, preference is given to those which are under normal pressure in the temperature range from 1 to 50 ° C., preferably from 5 to 35 ° C, particularly preferably liquid from 10 to 30 ° C. is particularly preferential
  • Silicon compounds are formed, which during cooling of the joint seam as
  • Inert gas additive the other components of the protective gas (if they are not inert), the base material, the filler material and the air of the environment are available.
  • the stable silicon compounds will stand, such as silicon oxide and silicon nitride, and also bonds with the base and filler material will arise. These compounds produced by the arc are now used as cooling agents
  • the silane-containing inert gas additive is comparatively easy to handle.
  • the compounds of the silane-containing inert gas additive are stable and are usually liquid or gaseous.
  • the silane-containing inert gas additive is not self-igniting and therefore also easy to handle in terms of safety.
  • the storage and provision of the silane-containing inert gas additive are unproblematic in terms of safety and availability. So it is in terms of
  • silane-containing inert gas additive under atmospheric pressure in the temperature range of 1 to 50 ° C, preferably from 5 to 35 ° C, particularly preferably from 10 to 30 ° C liquid, which means that the silane-containing inert gas additive under atmospheric pressure in the temperature range of 1 to 50 ° C, preferably from 5 to 35 ° C, particularly preferably from 10 to 30 ° C liquid, which means that the silane-containing inert gas additive under atmospheric pressure in the temperature range of 1 to 50 ° C, preferably from 5 to 35 ° C, particularly preferably from 10 to 30 ° C liquid, which means that the silane-containing
  • Adding inert gas under normal conditions is liquid or can be converted by slight heating or slight cooling in the liquid phase.
  • the carbon introduced by the silane-containing inert gas additive can in particular assist or (completely or partially) replace the carbon which arises in the arc from the further protective gas component carbon dioxide.
  • the protective gas comprises the silane-containing inert gas additive in a concentration of at least 0.0001 vol.% (1 vpm), preferably of at least 0.005 vol.% (50 vpm).
  • the components containing the shielding gas in addition to the silane-containing inert gas additive are argon, carbon dioxide, helium, nitrogen, oxygen, hydrogen or a mixture of two or more of these gases.
  • the exact composition of the protective gas depends on the specific
  • Gas mixtures for gas-shielded arc welding which consist of the Silane-containing inert gas additive and also from argon or further from argon and carbon dioxide or further consist of argon and helium.
  • the protective gas with the silane-containing inert gas additive is provided in an advantageous embodiment in that at least one component of the protective gas flows through a supply liquid which consists of the silane-containing inert gas additive or contains the silane-containing inert gas additive in liquid form. This provision is particularly recommended when silanes are added as protective gas additive, which at temperatures in the range of
  • silanes which are gaseous at ambient temperature to use by the silane-containing inert gas additive is cooled so that it is in liquid form. Even with volatile compounds, a slight cooling will be beneficial. If the silane-containing inert gas additive should be solid, it must be heated so that it enters the liquid phase. For the deployment becomes one
  • Used container containing the supply liquid It is also possible to dissolve the silane-containing inert gas additive in a solvent, for example in higher hydrocarbons, and to use this solution as a supply liquid.
  • liquid now at least one component of the protective gas is passed.
  • argon, carbon dioxide or helium is introduced, but also the other possible components or a mixture thereof may be passed into the delivery liquid.
  • the gas absorbs the silane-containing inert gas additive and there is a gas mixture which directly or after mixing with other components or after dilution contains the silane-containing inert gas additive in the desired concentration and now as a protective gas for the
  • the supply liquid is advantageously thermostated.
  • Concentration with which the silane is present in the gas after enrichment, depends on the temperature, it is possible to adjust the concentration of silanes in the gas by the thermostating.
  • thermostating can both a Temperature selection above and below the ambient temperature be beneficial.
  • a temperature below the ambient temperature is selected, while in higher boiling silanes, a temperature above the ambient temperature may be advantageous so that enough particles in the gas pass. Consequently, it is possible to adjust the concentration of the silanes in the gas by means of the thermostating via the choice of temperature.
  • arc welding comprises a welding torch with an electrode, at least one gas source and an enrichment device, wherein the gas source is connected via a line to the enrichment device and this via a further line to the welding torch.
  • a device for thermostating is provided at the enrichment device.
  • the silane-containing protective gas additive is mixed as gas with the one or more other components for the welding protective gas mixture.
  • the silane-containing inert gas additive is transferred by heating in the gas phase. If the silane-containing inert gas additive already exists in gaseous form, heating is eliminated.
  • the gaseous silane-containing inert gas additive is mixed with the one or more other components for the finished welding protective gas mixture. This method is particularly recommended for silane-containing inert gas additives which are already present in gaseous form at ambient temperature or which have a boiling point close to the ambient temperature.
  • the protective gas is produced on site.
  • the components of the shielding gas may be provided in gaseous or liquid form by the gas supplier. But it is also possible to fill the finished inert gas mixture in gas cylinders at the gas manufacturer with subsequent delivery.
  • a use of the gas mixture according to claim 10 for arc joining to arc joining, in particular for arc welding, but also for arc brazing and the use of the method according to the invention is for non-, low and high alloy steels, for nickel base materials, and for aluminum and aluminum alloys advantageous. But it can also be used for other materials such as magnesium and magnesium alloys and cast iron. Thus, the advantages according to the invention in all materials.
  • the sole FIGURE 1 shows, generally designated 100, a device for inert gas welding.
  • the device 100 has, in a highly simplified representation, a directed onto a workpiece 2 welding torch 1.
  • the welding torch 1 has, for example, a welding electrode 3 and corresponding guide means 4, by means of which a feed of the welding electrode 3 causes and this is acted upon by electricity.
  • a protective gas nozzle 5 surrounds, preferably concentrically, the welding electrode 3.
  • the protective gas nozzle 5 is supplied, for example via suitable compressed gas sources 6, with inert gas, with suitable pressure reducing and regulating means 7, 8 and leads 9, 10 are provided. Conventionally (that is, in inert gas welding without silane-containing inert gas additive), the protective gas line 8 is coupled directly to a protective gas nozzle 5.
  • a suitable enrichment device 11 is connected between a first section 9 and a second section 10 of the protective gas line.
  • the enrichment device 1 an enrichment of the protective gas with the silane-containing inert gas additive takes place.
  • the finished protective gas then passes through protective gas line 10 to the protective gas nozzle 4.
  • the enrichment device 1 1 as between a first portion 9 and a second portion 10 of the inert gas line is interposed, of course, a different arrangement can be provided.
  • the enrichment device 11 may also be connected via a corresponding branch or bypass, in particular also between two compressed gas sources.
  • At least a portion of one of the protective gas lines 9, 10 and / or the enrichment device 1 1 can also have corresponding Thermostatticiansstoff 12, 13, including, for example, a heater and / or a temperature sensor to thermostatic the protection gas and / or a thermostatting of the liquid silanes in to effect the enrichment device 1 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenlöten, insbesondere zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender oder nicht abschmelzender Elektrode (3) unter Schutzgas und eine Schutzgasmischung, wobei das Schutzgas beziehungsweise die Schutzgasmischung einen silanhaltigen Schutzgaszusatz enthält, welcher aus mindestens einem unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35 °C, besonders bevorzugt von 10 bis 30 °C flüssigen linearen, verzweigten oder zyklischen, mindestens drei Siliziumatome aufweisenden Silan, das gegebenenfalls mit einer oder mehreren (C1-C6)-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein kann, oder/und aus mindestens einem zumindest mit einer (C1-C6)-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilan ausgewählt ist. Es entstehen im Lichtbogen aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz Siliziumverbindungen, welche beim Abkühlen der Fügenaht als Kondensationskeime dienen.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND VORRICHTUNG UM LICHTBOGENFÜGEN DURCH VERWENDUNG EINER SCHUTZGASMISCHUNG ; ENTSPRECHENDE SCHUTZGASMISCHUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum
Lichtbogenschweißen mit abschmelzender oder nicht abschmelzender Elektrode unter Schutzgas.
Beim Lichtbogenschweißen wird mittels übertragenem oder nicht übertragenem Lichtbogen Energie in eine Bearbeitungsstelle eingebracht, so dass eine
Schweißverbindung entsteht. Beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode liefert die abschmelzende Elektrode Zusatzmaterial in die Verbindungsnaht. Neben dem Lichtbogenschweißen gibt es das Lichtbogenlöten, welches sich vom Lichtbogenschweißen durch einen im Vergleich zum Schweißen geringen
Energieeintrag auszeichnet, so dass der Zusatzwerkstoff nicht aber das
Bearbeitungsstück schmilzt. Diese beiden Prozesse werden unter dem Begriff des Lichtbogenfügens zusammengefasst.
Die EP 612 580 B1 ein Verfahren zum Herstellen von Rohren mittels Schweißen, bei welchem zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit eine siliziumhaltige Schicht im Bereich der Schweißverbindung erzeugt wird, indem dem Formiergas und teilweise auch dem Schutzgas Siliziumhydrid (Monosilan) zugegeben wird.
Die US 2768278 offenbart eine Zugabe von Siliziumtetrachlorid in ein inertes
Schutzgas, um eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit zu erreichen. Das Inertgas durchströmt dabei das flüssige Siliziumtetrachlorid und reichert sich dabei zu der Schutzgasmischung an, welche dann über die Schweißdüse an die Bearbeitungsstelle geführt wird.
Die WO2007/014648 wiederum beinhaltet ein Verfahren, bei welchem mit einem Gasstrom gasförmige Verbindungen zur Fügestelle gebracht werden, die bei erhöhter Temperatur zerfallen und Partikel abscheiden. Eingetragen werden dabei bevorzugt Metalle, Metallionen oder Elemente wie Silizium und Bor. In der EP 0 020 174 A1 wird zur Ozonreduzierung eine Dotierung des Schutzgases mit einem Dotiergas offenbart. Als mögliche Dotiergase werden Wasserstoff,
Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid, halogenierte Kohlenwasserstoffe und auch Silan genannt. Über eine Einstellung der thermischen Leitfähigkeit des Schutzgases erfolgt die Schutzgasherstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, qualitativ hochwertige Fügeverbindungen möglich zu machen. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, das Schweißen und Löten mit Lichtbogen zu verbessern.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass unter Verwendung eines
Schutzgases mit einem silanhaltigen Schutzgaszusatz qualitativ hochwertige
Schweißnähte und Lötnähte von feinkörniger Beschaffenheit erhalten werden. Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen unter Schutzgas mit abschmelzender oder
nichtabschmelzender Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas einen silanhaltigen Schutzgaszusatz enthält, welcher aus mindesten einem unter
Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35 °C, besonders bevorzugt von 10 bis 30 °C flüssigen linearen, verzweigten oder zyklischen, mindestens drei Siliziumatome aufweisenden Silan, das gegebenenfalls mit einer oder mehreren (C^CeJ-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein kann, oder/und aus mindestens einem zumindest mit einer (d-CeJ-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilan ausgewählt ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Schutzgasmischung, welche aus einem silanhaltigen Schutzgaszusatz und ferner aus Argon, Helium, Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserstoff besteht, wobei der silanhaltige
Schutzgaszusatz aus mindestens einem unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35 °C, besonders bevorzugt von 10 bis 30 °C flüssigen linearen, verzweigten oder zyklischen, mindestens drei Siliziumatome aufweisenden Silan, das gegebenenfalls mit einer oder mehreren (d-CeJ-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein kann, oder/und aus mindestens einem zumindest mit einer (C^CeJ-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilan.
Zu den Substanzen oder Mischungen, aus welchen der silanhaltige Schutzgaszusatz bestehen kann, gehören also die höheren, unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35°C, besonders bevorzugt von 10 bis 30°C flüssigen, linearen oder verzweigten Silane mit mindestens drei Siliziumatomen mit der allgemeinen Formel SinH2n+2 sowie die zyklischen Verbindungen und deren Isomere mit mindestens fünf Siliziumatomen mit der allgemeinen Formel SimH2m- Dabei kann das Silan mit einer oder mehreren (d-CeJ-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein. Vorteilhafterweise werden höhere lineare, verzweigte oder zyklische Silane mit 3 bis 12 Siliziumatomen eingesetzt, bevorzugt mit 4 bis 8 Siliziumatomen und besonders bevorzugt mit 5 bis 7 Siliziumatomen. Besonders bevorzugt sind also Penta-, Hexa- und Heptasilan sowie Cyclopenta- und Cyclohexasilan.
Weiterhin gehören zu den Substanzen oder Mischungen, aus welchen der silanhaltige Schutzgaszusatz bestehen kann, die zumindest mit einer (d-CeJ-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilane. Dies sind insbesondere Methyl- und Ethylsilan, Dimethyl- und Diethylsilan, Trimethyl- und Triethylsilan und/oder Tetramethyl- oder Tetraethylsilan sowie Methly- und Ethyldisilan. Bevorzugt werden von den zumindest mit einer (C C6)-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilanen diejenigen, die unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35 °C, besonders bevorzugt von 10 bis 30 °C flüssig sind. Besonders bevorzugt ist
Tetramethylsilan.
Von Vorteil ist, dass im Lichtbogen aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz
Siliziumverbindungen entstehen, welche beim Abkühlen der Fügenaht als
Kondensationskeime dienen. Aufgrund der hohen Energie, die im und in der nahen Umgebung des Lichtbogens vorliegt, finden in Lichtbogennähe zahlreiche chemische und physikalische Reaktionen statt. Als Reaktionspartner für den silanhaltigen
Schutzgaszusatz stehen die weiteren Komponenten des Schutzgases (sofern diese nicht inert sind) der Grundwerkstoff, der Zusatzwerkstoff und die Luft der Umgebung zur Verfügung. Am Ende der Reaktionskette werden insbesondere die stabilen Siliziumverbindungen stehen, wie Siliziumoxid und auch Siliziumnitrid, und auch Bindungen mit dem Grund- und Zusatzwerkstoff werden entstehen. Diese durch den Lichtbogen entstehenden Verbindungen dienen nun beim Abkühlen als
Kondensationskeime. Die Kondensationskeime wiederum bewirken, dass die
Schweißnaht bzw. die Lötnaht sehr feinkörnig erstarrt. Die Naht ist infolgedessen sehr elastisch, nahezu porenfrei und hochwertig. Es entsteht also eine Fügeverbindung von hoher Qualität. Der silanhaltige Schutzgaszusatz ist vergleichsweise einfach zu handhaben. So sind die Verbindungen des silanhaltigen Schutzgaszusatzes stabil und liegen in der Regel flüssig oder gasförmig vor. Der silanhaltige Schutzgaszusatz ist nicht selbstentzündlich und deshalb auch unter Sicherheitsaspekten gut zu handhaben. So sind die Lagerung und die Bereitstellung des silanhaltigen Schutzgaszusatzes unter dem Aspekt der Sicherheit und der Verfügbarkeit unproblematisch. So ist es hinsichtlich der
Bereitstellung von Vorteil, wenn der silanhaltige Schutzgaszusatz unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35 °C, besonders bevorzugt von 10 bis 30 °C flüssig ist, was bedeutet, dass der silanhaltige
Schutzgaszusatz unter Normalbedingungen flüssig ist beziehungsweise durch leichtes Erwärmen oder geringfügiges Kühlen in die flüssige Phase überführbar ist.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass auch qualitative Verbesserungen und eine
Stabilisierung des Schweißprozesses auftreten, welche wohl auf einen zusätzlichen Eintrag von Kohlenstoff zurückzuführen sind. Ein zusätzlicher Eintrag von Kohlenstoff mit dem silanhaltigen Schutzgaszusatz erfolgt, wenn dieser eine oder mehrere
Alkylgruppe(n) aufweist. So wird sich dieser Effekt insbesondere bei den substituierten Mono- und Disilanen zeigen. Der von dem silanhaltigen Schutzgaszusatz eingebrachte Kohlenstoff kann dabei insbesondere den Kohlenstoff, welcher im Lichtbogen aus der weiteren Schutzgaskomponente Kohlendioxid entsteht, unterstützen beziehungsweise (ganz oder teilweise) ersetzen.
Vorteilhafterweise weist das Schutzgas den silanhaltigen Schutzgaszusatz in einer Konzentration von mindestens 0,0001 Vol-% (1 vpm), bevorzugt von mindestens 0,005 Vol-% (50 vpm) auf. Eine Konzentration von höchstens 10 Vol-%, bevorzugt von höchstens 5 Vol-% ist weiterhin von Vorteil.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Komponenten, die das Schutzgas neben dem silanhaltigen Schutzgaszusatz enthält, um Argon, Kohlendioxid, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder ein Gemisch aus zwei oder mehr dieser Gase. Die genaue Zusammensetzung des Schutzgases richtet sich nach der speziellen
Fügeaufgabe, wobei die Festlegung der weiteren Komponenten sich an der
Zusammensetzung der üblicherweise verwendeten Schutzgase orientiert. Besonders bevorzugt sind deshalb Gasgemische zum Schutzgasschweißen, welche aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz und ferner aus Argon oder ferner aus Argon und Kohlendioxid oder ferner aus Argon und Helium bestehen.
Das Schutzgas mit dem silanhaltigen Schutzgaszusatz wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung bereitgestellt, indem zumindest eine Komponente des Schutzgases durch eine Bereitstellungsflüssigkeit, die aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz besteht oder den silanhaltigen Schutzgaszusatz in flüssiger Form enthält, strömt. Diese Bereitstellung empfiehlt sich insbesondere wenn Silane als Schutzgaszusatz zugegeben werden sollen, die bei Temperaturen, die im Bereich der
Umgebungstemperatur liegen, flüssig sind. Jedoch ist es auch möglich, diese
Bereitstellung für Silane, die bei Umgebungstemperatur gasförmig vorliegen, zu verwenden, indem der silanhaltige Schutzgaszusatz gekühlt wird, so dass er in flüssiger Form vorliegt. Auch bei leicht flüchtigen Verbindungen wird eine leichte Kühlung von Vorteil sein. Sollte der silanhaltige Schutzgaszusatz fest sein, ist dieser zu erwärmen, damit er in die flüssige Phase übergeht. Für die Bereitstellung wird ein
Behälter verwendet, der die Bereitstellungsflüssigkeit enthält. Es ist auch möglich, den silanhaltigen Schutzgaszusatz in einem Lösungsmittel, beispielsweise in höheren Kohlenwasserstoffen, zu lösen und diese Lösung als Bereitstellungsflüssigkeit zu verwenden. In diese Bereitstellungsflüssigkeit wird nun zumindest eine Komponente des Schutzgases geleitet. Vorteilhafterweise wird Argon, Kohlendioxid oder Helium eingeleitet, aber auch die anderen möglichen Komponenten oder eine Mischung daraus können in die Bereitstellungsflüssigkeit geleitet werden. Beim Strömen durch die Bereitstellungsflüssigkeit nimmt das Gas den silanhaltigen Schutzgaszusatz auf und es entsteht ein Gasgemisch, welches direkt oder nach einem Mischen mit weiteren Komponenten oder auch nach einem Verdünnen den silanhaltigen Schutzgaszusatz in der gewünschten Konzentration enthält und nun als Schutzgas für den
Lichtbogenfügeprozess verwendet wird.
Um eine bestimmte Konzentration reproduzierbar und zuverlässig einstellen zu können, wird vorteilhafterweise die Bereitstellungsflüssigkeit thermostatisiert. Dadurch, dass die Bereitstellungsflüssigkeit auf konstanter Temperatur gehalten wird, ist eine gleich bleibende Konzentration der Silane in dem Gas gewährleistet. Da die
Konzentration, mit der die Silane in dem Gas nach der Anreicherung vorliegt, von der Temperatur abhängt, ist es möglich, durch die Thermostatisierung die Konzentration der Silane in dem Gas einzustellen. Bei der Thermostatisierung kann sowohl eine Temperaturwahl oberhalb als auch unterhalb der Umgebungstemperatur von Vorteil sein. So ist es insbesondere bei sehr leicht flüchtigen Silanen oder bei Silanen mit Siedepunkten nahe der Umgebungstemperatur von Vorteil, wenn eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur gewählt wird, während bei höher siedenden Silanen eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur von Vorteil sein kann, damit genügend Teilchen in das Gas übergehen. Folglich ist es möglich, mittels der Thermostatisierung über die Wahl der Temperatur die Konzentration der Silane in dem Gas einzustellen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum
Lichtbogenschweißen, umfasst deshalb folglich für die Ausführung dieser vorteilhaften Ausgestaltung einen Schweißbrenner mit einer Elektrode, zumindest eine Gasquelle und eine Anreicherungseinrichtung, wobei die Gasquelle über eine Leitung mit der Anreicherungseinrichtung und diese über eine weitere Leitung mit dem Schweiß- brenner verbunden ist. Vorteilhafterweise ist dabei an der Anreicherungseinrichtung eine Einrichtung zur Thermostatisierung vorgesehen ist.
Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der silanhaltige Schutzgaszusatz als Gas mit der oder den weiteren Komponenten zur Schweißschutzgasmischung vermischt. Dazu wird, sofern notwendig, der silanhaltige Schutzgaszusatz durch Erwärmen in die Gasphase überführt. Liegt der silanhaltige Schutzgaszusatz bereits gasförmig vor, entfällt die Erwärmung. Der gasförmige silanhaltige Schutzgaszusatz wird mit der oder den weiteren Komponenten zur fertigen Schweißschutzgasmischung vermischt. Diese Methode empfiehlt sich insbesondere für silanhaltige Schutzgaszusätze, die bei Umgebungstemperatur bereits gasförmig vorliegen oder die einen Siedepunkt nahe der Umgebungstemperatur aufweisen.
In beiden Fällen ist es möglich, entweder den silanhaltigen Schutzgaszusatz der einzigen weitern Komponenten beziehungsweise der ansonsten fertigen Schutzgasmischung zu vermengen oder zuerst den silanhaltigen Schutzgaszusatz nur mit einer Komponente zu vermengen und anschließend zu verdünnen beziehungsweise die übrigen Komponenten zu zugeben. Neben diesen beiden bevorzugten Bereitstellungsmethoden ist es beispielsweise auch möglich, Dampf über einer Bereitstellungsflüssigkeit zu entnehmen oder den flüssigen silanhaltigen Schutzgaszusatz mit einer weitern, flüssig vorliegenden Komponente des Schutzgases, beispielsweise mit flüssigem Argon oder flüssigem Kohlendioxid, zu vermischen, um das Schutzgas zu erhalten. Hierbei ist jedoch die Einstellung der Konzentration des silanhaltigen Schutzgaszusatzes im Schutzgas meist schwieriger.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Schutzgas vor Ort hergestellt. Bei einer Herstellung vor Ort können die Komponenten des Schutzgases gasförmig oder flüssig vom Gaselieferanten bereitgestellt werden. Möglich ist aber auch eine Abfüllung der fertigen Schutzgasmischung in Gasflaschen beim Gashersteller mit anschließender Lieferung.
Eine Verwendung des Gasgemisches gemäß Anspruch 10 zum Lichtbogenfügen zu Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen, aber auch zum Lichtbogenlöten und der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für un-, nieder- und hochlegierte Stähle, für Nickelbasiswerkstoffe, und für Aluminium und Aluminiumlegierungen vorteilhaft. Aber auch für andere Werkstoffe wie beispielsweise Magnesium und Magnesiumlegierungen und Gusseisen kann es verwendet werden. So zeigen sich die erfindungsgemäßen Vorteile bei allen Werkstoffen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Figur 1 zeigt eine der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Die einzige Figur 1 zeigt, insgesamt mit 100 bezeichnet, eine Vorrichtung zum Schutzgasschweißen. Die Vorrichtung 100 weist, in stark vereinfachter Darstellung, einen auf ein Werkstück 2 gerichteten Schweißbrenner 1 auf. Der Schweißbrenner 1 verfügt beispielsweise über eine Schweißelektrode 3 und entsprechende Führungsmittel 4, mittels derer ein Vorschub der Schweißelektrode 3 bewirkt und diese mit Strom beaufschlagt wird. Eine Schutzgasdüse 5 umgibt, vorzugsweise konzentrisch, die Schweißelektrode 3. Dem Fachmann ist die Ausgestaltung entsprechender Schutzgasschweißeinrichtungen hinlänglich bekannt, so dass auf eine detaillierte Schilderung der Funktionsweise sowie weiterer Elemente entsprechender Schweißvorrichtungen verzichtet wird. Insbesondere sei jedoch zu verstehen gegeben, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht nur bei Schweißverfahren mit abbrennender Elektrode sondern auch mit nicht abschmelzender Elektrode zum Einsatz kommen können. Auch zum Lichtbogenlöten kann eine solche Vorrichtung verwendet werden.
Die Schutzgasdüse 5 wird, beispielsweise über geeignete Druckgasquellen 6, mit Schutzgas versorgt, wobei geeignete Druckminderungs- und Regelungsmittel 7, 8 und Zuleitungen 9, 10 vorgesehen sind. Herkömmlicherweise (das heißt in Schutzgasschweißverfahren ohne silanhaltigen Schutzgaszusatz) ist die Schutzgasleitung 8 direkt mit einer Schutzgasdüse 5 gekoppelt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, zwischen einen ersten Abschnitt 9 und einen zweiten Abschnitt 10 der Schutzgasleitung eine geeignete Anreicherungseinrichtung 1 1 zwischen zuschalten. In der Anreicherungseinrichtung 1 1 erfolgt eine Anreicherung des Schutzgases mit dem silanhaltigen Schutzgaszusatz. Das fertige Schutzgas gelangt dann über Schutzgasleitung 10 zu der Schutzgasdüse 4. Wenngleich in der Figur 1 die Anreicherungseinrichtung 1 1 als zwischen einen ersten Abschnitt 9 und einen zweiten Abschnitt 10 der Schutzgasleitung zwischengeschaltet ist, kann selbstverständlich auch eine abweichende Anordnung vorgesehen sein. So kann die Anreicherungseinrichtung 1 1 auch über einen entsprechenden Abzweig oder Bypass angeschlossen sein, insbesondere auch zwischen zwei Druckgasquellen.
Wenigstens ein Abschnitt einer der Schutzgasleitungen 9, 10 und/oder die Anreicherungseinrichtung 1 1 kann auch über entsprechende Thermostatisierungsmittel 12, 13 verfügen, beinhaltend beispielsweise einen Heizer und/oder einen Temperatursensor, um eine Thermostatisierung des Schutzgases und/oder eine Thermostatisierung der flüssigen Silane in der Anreicherungseinrichtung 1 1 zu bewirken.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender oder nicht abschmelzender Elektrode unter Schutzgas dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas einen silanhaltigen Schutzgaszusatz enthält, welcher aus mindestens einem unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35 °C, besonders bevorzugt von 10 bis 30 °C flüssigen linearen, verzweigten oder zyklischen, mindestens drei Siliziumatome
aufweisenden Silan, das gegebenenfalls mit einer oder mehreren (CrC6)-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein kann, oder/und aus mindestens einem zumindest mit einer (CVCeJ-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilan ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der silanhaltige Schutzgaszusatz aus zumindest einem der linearen, verzweigten oder zyklischen Silan mit 4 bis 12 Siliziumatomen, vorzugsweise mit 5 bis 8 Siliziumatomen und/oder aus Methyl- oder Ethylsilan, Dimethyl- oder Diethylsilan, Trimethyl- oder Triethylsilan und/oder Tetramethyl- oder Tetraethylsilan ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtbogen aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz Siliziumverbindungen entstehen, welche beim Abkühlen der Fügenaht als Kondensationskeime dienen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch
gekennzeichnet, dass das Schutzgas den silanhaltigen Schutzgaszusatz in einer Konzentration von mindestens 0,0001 Vol-% (1 vpm), bevorzugt von mindestens 0,005 Vol-% (50 vpm) und von höchstens 10 Vol-%, bevorzugt von höchstens 5 Vol-%, besonders bevorzugt von höchstens 2 Vol-% aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch
gekennzeichnet, dass das Schutzgas weiterhin aus Argon, Kohlendioxid, Helium, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder aus einem Gemisch aus zwei oder mehr dieser Gase besteht.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch
gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Schutzgases eine
Bereitstellungsflüssigkeit verwendet wird, durch welche zumindest eine
Komponente des Schutzgases strömt, wobei die Bereitstellungsflüssigkeit aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz besteht oder den silanhaltigen
Schutzgaszusatz enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die
Bereitstellungsflüssigkeit thermostatisiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der silanhaltige Schutzgaszusatz als Gas mit der oder den weiteren Komponenten zum Schutzgasmischung vermischt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass un-, nieder- und hochlegierten Stählen, Nickelbasiswerkstoffen, Aluminium und Aluminiumlegierungen gefügt, insbesondere geschweißt werden.
10. Schutzgasmischung, welche aus einem silanhaltigen Schutzgaszusatz und ferner aus Argon, Helium, Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserstoff besteht, wobei der silanhaltige Schutzgaszusatz aus mindestens einem unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50 °C, bevorzugt von 5 bis 35 °C, besonders bevorzugt von 10 bis 30 °C flüssigen linearen, verzweigten oder zyklischen, mindestens drei Siliziumatome aufweisenden Silan, das
gegebenenfalls mit einer oder mehreren (d-CeJ-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein kann, oder/und aus mindestens einem zumindest mit einer (Cr C6)-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilan ausgewählt ist.
11. Schutzgasmischung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der
silanhaltige Schutzgaszusatz aus zumindest einem der linearen, verzweigten oder zyklischen Silan mit 4 bis 12 Siliziumatomen, vorzugsweise mit 5 bis 8
Siliziumatomen und/oder aus Methyl- oder Ethylsilan, Dimethyl- oder Diethylsilan, Trimethyl- oder Triethylsilan und/oder Tetramethyl- oder Tetraethylsilan ausgewählt ist.
12. Schutzgasmischung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasmischung den silanhaltigen Schutzgaszusatz in einer Konzentration von mindestens 0,0001 Vol-% (1 vpm), bevorzugt von mindestens 0,005 Vol-% (50 vpm) und von höchstens 10 Vol-%, bevorzugt von höchstens 5 Vol-% enthält.
13. Verwendung einer Schutzgasmischung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen von un-, nieder- und hochlegierten Stählen, Nickelbasiswerkstoffen, Aluminium und
Aluminiumlegierungen.
14. Vorrichtung (100) zum Lichtbogenfügen, insbesondere zum Lichtbogenschweißen, welche einen Schweißbrenner (1) mit einer Elektrode (3), zumindest eine
Gasquelle (6) und eine Anreicherungseinrichtung (11) umfasst, wobei die
Gasquelle (6) über eine Leitung (9) mit der Anreicherungseinrichtung (11) und diese über eine weitere Leitung (10) mit dem Schweißbrenner (5) verbunden ist.
15. Vorrichtung (100) nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass an der
Anreicherungseinrichtung (11) eine Einrichtung zur Thermostatisierung (13) vorgesehen ist.
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