Untersuchung der Technologie des Verbindungsschweißens mit Bandelektroden unter Schutzgas

79 Pages·1979·3.049 MB·German

by  o. Prof. Dr.-Ing. Friedrich Eichhorn, Dipl.-Ing. Godehard Foyer (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 2891/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik
Herausgegeben yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
o. Prof. Dr. -lng. Friedrich Eichhorn
Dipl. -lng. Godehard Foyer
Institut fur Schwei13technische F ertigungsverfahren
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Untersuchung der Technologie
des VerbindungsschweWens
mit Bandelektroden unter Schutzgas
vVestdeutscher Verlag 1979
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Eichhorn, Friedrich:
Untersuchung der Technologie des Verbindungs
schweissens mit Bandelektroden unter Schutz
gas / Friedrich Eichhorn ; Godehard Foyer. -
Opladen : Westdeutscher Verlag, 1979.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2891 : Fachgruppe Maschinen
bau, Verfahrenstechnik)
ISBN-'3: 978-3-53'-o2!\g'-o .-ISBN-'3: 978-3-)22-87659-'
DOl: 'O.1OO7/978-3-3n-87659-'
NE: Foyer, Godehard:
© 1979 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
- III -
Inhalt
1. Problemstellung und Ziel der Untersuchungen
2. Stand der Technik beim SchutzgasschweiBen mit
niedriglegierten Bandelektroden 2
2.1 Entwicklung des SG-BandschweiBens 2
2.2 Analyse des Lichtbogenverhaltens und des
WerkstoffUbergangs 3
2.3 VerbindungsschweiBen mit verschiedenen
Schutzgaszusammensetzungen und Bandabmes
sungen 6
3. Versuchseinrichtungen, MeBeinrichtungen und
Versuchswerkstoffe 7
3.1 Schwei6maschine 7
3.2 Energiequelle 7
3.3 Hochgeschwindigkeitsfilmeinrichtung 8
3.4 MeBeinrichtungen und -methoden 8
3.4.1 Messung und Aufzeichnung der
SchweiBparameter 8
3.4.2 Messung und Aufzeichnung des
Temperaturverlaufs beim SchweiBen 8
3.5 Mechanisch-technologische PrUfungen der
Schwei Bverbi ndungen 9
3.6 Lichtmikroskopische Untersuchungen 9
3.7 Versuchswerkstoffe
4. SG-VerbindungsschweiBen mit niedriglegierten
Bandelektroden verschiedener Abmessungen 10
4.1 DurchfUhrung der SchweiBversuche 10
4.2 Untersuchungsergebnisse zum Lichtbogenverhalten
und WerkstoffUbergang mittels Hochgeschwindig
keitsfotografie 11
4.2.1 Physikalische Zusammenhange der Strom
leitung im Lichtbogenbereich 11
4.2.2 Untersuchungen beim Verbindungs
schweiBen mit unterschiedlichen
12
Stellungen der Bandelektrode
- IV -
4.3 ProzeBstabilitat bei Verwendung von Band-
elektroden verschiedener Abmessungen 14
4.4 EinfluB der Bandstellung auf Einbrandver-
halten, GefUgeausbildung und erzielbare
mechanisch-technologische GUtewerte 14
4.5 Vergleichende Untersuchungen bei der Ver-
wendung von Band- und Drahtelektroden
gleicher chemischer Zusammensetzung zum
Verbinden 15 mm und 20 mm dicker Bleche
der Qualitaten St 37-2, St 52-3 und
N-A-XTRA 60 15
4.5.1 Untersuchungsergebnisse bei der Ver-
wendung des Schutzgases Argon S2 in
Bezug auf Einbrandgeometrie, Ab-
schmelzleistung, GefUgeausbildung
und erzielbare mechanisch-technologi-
sche GUtewerte 16
4.5.1.1 Erstellen der Wurzellage ohne und
mit 2 mm Stegabstand 16
4.5.1.2 Erstellen der Zwischen- und
Decklage 17
4.5.1.3 VerschweiBen der Wurzellage
mit Badsicherung 18
4.5.2 Untersuchungsergebnisse bei Verwendung
des Schutzgases C02 in Bezug auf Ein-
brandgeometrie, Abschmelzleistung,
GefUgeausbildung und erzielbare mecha-
nisch-technologische Eigenschaften 18
4.5.2.1 Erstellen der Wurzellage ohne
und mit 2 mm Stegabstand 19
4.5.2.2 Erstellen der Zwischen- und
Decklage 21
4.5.2.3 Einsatz der quergestellten
Bandelektrode 6 mm x 0,5 mm
bei erhtihten SchweiBgeschwin-
digkeiten 21
4.5.3 Folgerungen aus den Versuchsergebnissen
zur Beurteilung der Eignung von C02 als
Schutzgas 21
- v -
4.6 Analyse der unterschiedlichen WarmefUhrung
beim Draht- und BandschweiBen 22
4.6.1 WarmefUhrung beim C02-SchweiBen un
terschiedlicher Lagen 23
4.6.2 Auswirkungen der WarmefUhrung auf
die GefUgestruktur und die mechanisch
technologischen Eigenschaften 24
4.7 Erprobung des SG-VerbindungsschweiBens mit
Bandelektroden in Zwangslagen 24
4.8 Folgerungen fUr die Einsatzmoglichkeiten
des SchutzgasverbindungsschweiBens mit nie
driglegierten Bandelektroden und Abgrenzung
zu anderen Lichtbogen-VerbindungsschweiB
verfahren 25
5. Zusammenfassung 26
6. Schrifttum 28
7. Verzeichnis der Tafeln und Bilder 31
8. Anhang 36
8.1 Tafeln 36
8.2 Bilder 38
- 1 -
1. Problemstellung und liel der Untersuchungen
Der Einsatz einer endlosen Bandelektrode als lusatzwerkstoff verspricht im
Vergleich zur Drahtelektrode entsprechenden Querschnitts eine Steigerung der
Produktivitat durch erhHhte Abschmelzleistungen und wegen der gUnstigeren
Warmeverteilung eine Verbesserung der mechanisch-technologischen GUt~werte_
der SchweiBverbindung. Aus vorhergehenden Untersuchungsergebnissen L 1-10_/
sind bei entsprechender SchweiBparameterwahl folgende Vorteile zu erwarten:
- gute SpaltUberbrUckbarkeit bei quer zur SchweiBrichtung stehender Band-
elektrode aufgrund der natUrlichen Lichtbogenpendelbewegung an der Band
kante
- hohere Abschmelzleistung als bei der Verwendung von Drahtelektroden bei
gleicher Einstellung der SchweiBparameter, selbst bei unterschiedlichen
Querschnitten
- geringere SchweiBbadUberhitzung durch breitere Warmeverteilung und groBere
Abschmelzleistung
hohere, mogliche Grenzen der kritischen SchweiBstromstarke, wenn man ein
Durchfallen des SchweiBbades bei der WurzelschweiBung und Einbrandkerben
sicher vermeiden will.
1m Rahmen der vorliegenden Arbeit sol len durch Grundlagenuntersuchungen die
entsprechenden Voraussetzungen geschaffen werden, urn in einem zweiten
Schritt durch die erforderliche geratetechnische Entwicklung und eine ver
gleichende GegenUberstellung der SchweiBergebnisse zwischen Draht- und
BandschweiBung die wesentlichen Vor- und Nachteile der Verwendung von Band
elektroden zum SG-VerbindungsschweiBen zu erarbeiten und daraus Anwendungs
moglichkeiten und Grenzen dieser neuen Verfahrensvariante des SG-SchweiBens
aufzuzeigen.
Da aufgrund der Lichtbogenpendelbewegungen der durch Schutzgas abzudeckende
Bereich groBer ist als bei der DrahtschweiBung, vor allem im Hinblick da
rauf, daB durch diese schnelle Lichtbogenbewegungen Turbulenzen im Schutz
gas entstehen, durch die Luft in den Lichtbogenbereich gesogen wird, muB vor
Beginn der eigentlichen Untersuchungen zunachst ein geeigneter SchweiBkopf
konstruiert werden, des sen SchutzgasdUse so ausgebildet ist, daB auch bei
hohen SchweiBgeschwindigkeiten ein ausreichender Gasschutz gewahrleistet
wird.
Die Grundlagenuntersuchungen sol len auch hier mittels Hochgeschwindigkeits
fotografie erfolgen, die sich schon in anderen Arbeiten bewahrt hat, wobei
in der vorliegenden Arbeit das Lichtbogenverhalten und der WerkstoffUber
gang beim VerbindungsschweiBen mit den Bandelektrodenstellungen "Langs",
"Quer" und "Schrag" erfaBt wird mit einer Bildfrequenz, die auf jeden Fall
Uber 6000 Bilder/sec liegen soll. Die Auswertung dieser Filmaufnahmen wird
Informationen liefern, die sowohl die Festlegung gUnstiger Parameterkombi
nationen erleichtern als auch Losungsansatze liefern fUr eines der Haupt
probleme bei der SG-BandschweiBung, die wegen der unregelmaBigen Lichtbo
genbewegungen verstarkte ProzeBunruhe und damit mangelnde SchweiBsicherheit
gegenUber der DrahtschweiBung. Dabei erscheinen aus der Sicht der bisheri
gen Erkenntnisse die Schutzgaszusammensetzung und die Bandabmessungen als
die wesentlichen EinfluBfaktoren.
- 2 -
Den Hauptteil der Arbeit bildet eine vergleichende GegenUberstellung der
Schwei6ergebnisse zwischen Draht- und Bandschwei6ung im Hinblick auf die
Abschmelzleistung, die erzielten mechanisch-technologischen GUtewerte, die
unterschiedlichen Einbrandgeometrien und GefUgeausbildungen sowie die maxi
mal erreichbare Schwei6geschwindigkeit.
In Erganzung zu den Ergebnissen der Hochgeschwindigkeitsfilmaufnahmen sol
len durch die Ermittlung der unterschiedlichen WarmefUhrungen beim Draht
und BandschweiBen die Unterschiede im Schwei6ergebnis in ihrer Entstehung
erklart werden.
Ein Vorteil des SG-Schwei6ens z.B. gegenUber dem UP-SchweiBen ist die gute
Eignung fUr die Zwangslagentechnik. Eine Erprobung des SG-BandschweiBens in
verschiedenen Zwangslagen wird zeigen, inwieweit sich die Vorteile des Ein
satzes von Bandelektroden auch in diesem speziellen Anwendungsbereich der
SG-Verfahren nutzen lassen.
Insgesamt ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, die erforderlichen
Grundlagen und Erkenntnisse zu erarbeiten sowie eine ausreichende gerate
technische Entwicklung zu betreiben, urn die Vorteile dieser neuen Verfah
rensvariante des SG-Verbindungsschwei6ens in der Praxis zu einer Produktivi
tatssteigerung erfolgreich nutzen zu konnen.
2. Stand der Technik beim SG-VerbindungsschweiBen mit niedriglegierten
Banaelektroden
2.1 Entwicklung des SG-BandschweiBens
Das UnterpulverschweiBen mit Bandelektroden gehort zu den Hochleistungsver
fahren und wird seit geraumer Zeit aufgrund seiner groBen Wirtschaftlichkeit
vor allem zum Auftragen von verschleiBfesten sowie korrosionsbestandigen
auf meist niedriglegierten Grundwerkstoff mit Erfolg einge
Schicht~n ~inen
setzt L 11-18_1.
Urn RUckschlUsse auf die beim UP-Bandplattieren nicht sichtbaren Lichtbogen
und TropfenUbergange ziehen zu konnen, wurden von Lohrmann 1964
b~wegung~n
L 1 ,2 _I Untersuchungen dieser Vorgange beim SG-Bandschwei6en mit Hilfe der
Hochgeschwindigkeitsfotografie durchgefUhrt. Die Schwei6ungen erfolgten un
ter einem handelsUblichen Mischgas (89 % Argon, 6 % C02. 5 % 02) mit nie
driglegiertenBandelektroden der Abmessungen 35 mm x 0,5 mm und
14 mm x 0,5 mm. Es wurde das Verhalten des Lichtbogens, d.h. seine Bewegung
entlang der unteren Bandkante und seine Ausdehnung sowie die Einflu6groBen
Schwei6stromstarke. Lichtbogenspannung und in ih
Bandelektrodenquers~hniEt
ren Auswirkungen auf Tropfenentstehung und -Ubergang erfa6t L 2 _I.
Die dabei erzielten Schwei6ergebnisse wiesen eine Qualitat auf, die Lohrmann
dazu veranlaBte, auf der Basis der Grundlagenuntersuchungen eine eingehende
Erprobung des SG-Auftragschwei6ens mit Bandelektrode anluschlie6en. Bei die
sem umfangreichen Versuchsprogramm zur Ermittlung geeigneter Schwei6parame
ter mit quer zur Schwei6richtung stehendem Band werden die Vorteile dieser
neuen Verfahrensvariante hinsichtlich Abschmelzleistung und Aufmischung im
Vergleich zum AuftragschweiBen mit Runddraht deutlich.
- 3 -
Allerdings ergeben sich auch Nachteile, da aufgrund der schnellen Lichtbo
genpendelbewegungen (bis zu 100 sec-1) an der Bandkante ein Pendeln des
werkstUckseitigen LichtbogenfuBpunktes Uber die seitliche Bandbegrenzung
hinaus erfolgt, was zu einer wesentlich verst~rkten Spritzerbild~ng, unre
gelmaBigen Raupenr~ndern und einer groBeren ProzeBunruhe fUhrt l3 - 5_/.
1m Rahmen dieser Arbeiten werden bereits Anregungen gegeben, die gute
SpaltUberbrUckbarkeit und hohe Abschmelzleistung auch beim Verbindungs
schweiBen auszunutzen. Allerdings konnten die Probleme, die sich aufgrund
der wesentlich groBeren ProzeBunruhe gegenUber der DrahtschweiBung und der
damit verbundenen mangelnden Schwei6sicherheit ergeben, noch nicht gelost
werden.
Auf der Basis dieser Ergebnisse wurden von Dilthey l- 6,7 _7 weitergehende
empirische Untersuchungen durchgefUhrt unter Verwendung verschiedener
Schutzgasgemische und Bandabmessungen (14 mm x 0,5 mm; 7 mm X 0,5 mm). Da
bei wiesen die VerbindungsschweiBungen an 4 mm bis 10 mm dicken Blechen
von einer Seite in einer Lage unter Corgon I eine gegenUber der Draht
schweiBung vergleichbare Qualit~t auf. Bei der BandschweiBung ergaben sich
Vorteile im Hinblick auf die Abschmelzleistung und die erzielbaren mecha
nisch-technologischen GUtewerte, wobei allerdings die gleiche SchweiBsi
cherheit nicht werden konnte, der Hauptgrund, weswegen C02
gew~hrleistet
als Schutzgas fUr das BandschweiBen nach den Ergebnissen dieser Arbeit als
ungeeignet bezeichnet wird L- 6_7.
Aufbauend auf die Untersuchungsergebnisse von Lohrmann erfolgte in der DDR
l-8-10 7 eine technologische Weiterentwicklung dieser neuen Verfahrensva
riante aes SG-VerbindungsschweiBens, die zu befriedigenden Ergebnissen
fUhrte bei WurzelschweiBungen und FUllagen unter C02 mit Bandelektroden
der Abmessungen 6 mm x 0,5 mm und 1 mm bis 3 mm SpaTt und bei einseitigem
C02-SchweiBen auf Keramikunterlage L- 8_7 fUr Wurzel- und Zwischenlagen.
Wahrend aufgrund dieser Arbeitsergebnisse das SG-VerbindungsschweiBen un
ter C02 mit schmalen Bandelektroden in der DDR bereits seit 1974 industri
ell eingesetzt wird, erfolgte in der Bundesrepublik noch kein Einsatz in
der Praxis, da es an Kenntnissen mangelt Uber die Eignung dieses Verfahrens
fUr die C02-SchweiBung, dem erforderlichen geratetechnischen Aufwand und
eine dem DrahtschweiBen entsprechende Proze6stabilitat noch nicht gewahr
leistet werden konnte.
2.2 Analyse des Lichtbogenverhaltens und des WerkstoffUberganges
Zur Beschreibung des Lichtbogenverhaltens und des WerkstoffUberganges beim
SG-BandschweiBen werden bei den bisher veroffentlichten Arbeiten durchweg
fotografische Methoden herangezogen l-2-4,9,20,21,23_7. Diese Arbeiten be
schranken sich auf das AuftragschweiBen mit niedriglegierten Bandelektroden
verschiedener Abmessungen unter Argon, C02 und einem handelsUblichen Schutz
gasgemisch bestehend aus Argon, Kohlendioxyd und Sauerstoff, wobei die
Bandelektrode quer oder parallel zur SchweiBrichtung positioniert ist.
Eichhorn, Lohrmann und Dilthey benutzen zur Erfassung der Vorgange im Licht
bogenbereich eine Hochgeschwindigkeits-Drehprismenkamera mit einer moglichen
Aufnahmefrequenz bis zu 8000 B/sec bei kontinuierlich durchlaufendem Film
(2 - 4).
- 4 -
Mit Hilfe einer Gegenlichtquelle mit 7.5 kW Leistung werden die Tropfen
Uberg~nge sichtbar gemacht. Damit besteht die Moglichkeit. das Verhalten
des Lichtbogens. d.h. seine Bewegung entlang der unteren Bandkante und
seine Ausdehnung sowie seine Auswirkungen auf den WerkstoffUbergang
- Tropfenentstehung und -Ubergang - zu erfassen. Durch Variation der
EinfluBgroBen SchweiBstromst~rke. Lichtbogenspannung und Bandelektroden
querschnitt werden deren Auswirkungen auf den SchweiBvorgang und die
Spritzerbildung bestimmt.
Anhand der Hochgeschwindigkeitsfilmaufnahmen l~Bt sich die Pendelbewegung
des Lichtbogenansatzpunktes an der Bandkante bzw. die des LichtbogenfuB
punktes auf der WerkstUckoberfl~che genau beobachten. Diese Bewegungen
werden durch Verweilzeiten unterbrochen. Mit zunehmender Lichtbogenspan
nung werden diese Verweilzeiten l~nger und verlagern sich immer mehr zu
den Bandecken hin. Die Anzahl der Lichtbogenwechsel von einer Bandecke
zur anderen pro Sekunde f~llt zun~chst mit zunehmend~r S~annung ab und
nimmt erst bei hohen Spannungen wieder zu (Bild 1) L 4_1.
Mit steigender die Frequenz der Lichtbogenwechsel.
SchweiBstromst~rke w~chst
und die Verweilzeiten werden dementsprechend kUrzer. AuBerdem nimmt die
linear mit steigender Lichtbogenspannung zu und mit der
Lichtbogenl~nge
dieses Verhalten fUr die Breite des Lichtbogens bzw.
Stromst~rke. w~hrend
fUr seinen Durchmesser umgekehrt ist. Bei dieser Versuchsserie mit Bandelek
troden der Abmessungen 14 mm x 0.5 mm unter Mischgas (89 % Ar; 6 % C02;
5 % 02) wurde h~ufig das Auftreten zweier gleichzeitig existierender Licht
bogen beobachtet.
Bei den Versuchen mit Bandelektroden der Abmessungen 35 mm x 0,5 mm unter
liegt der Lichtbogen den gleichen es entstehen lediglich
Gesetzm~Bigkeiten,
quantitative Unterschiede.
Die abgeschmolzenen Werkstofftropfen gehen meist im Lichtbogen zum SchweiB
bad Uber. 1m Gegensatz zur DrahtschweiBung kann sich darUber hinaus auch
eine Tropfenablosung von der Bandecke auBerhalb des Lichtbogens vollziehen.
Mit zunehmender steigt die Tropfenfrequenz bis zu einem
SchweiBstromst~rke
Maximalwert an und wird bei weiterer Erhohung der wieder
SchweiBstromst~rke
geringer. was dadurch wird, daB das mittlere Tropfengewicht
erkl~rt zun~chst
leicht abnimmt und bei hohen wieder ansteigt. Aufgrund
SchweiBstromst~rken
der mit zunehmender Lichtbogenspannung Verweilzeiten an den Band
l~ngeren
ecken die Tropfenfrequenz und das mittlere Tropfengewicht nimmt
w~chst
gleichzeitig ab ( 4).
AuBerdem stellt Lohrmann fest, daB die im Vergleich zur DrahtschweiBung
vermehrt auftretenden Spritzer durch Tropfenexplosion, KurzschluBunterbre
chung und WiederzUnden des Lichtbogens sowie durch schrag
haupts~chlich
nach auBen gehende Tropfen entstehen, die nicht mehr vom SchweiBbad aufge
nOilll1en werden (2). Zus~tzl ich werden von Lohrmann und Di lthey ( 4 )
die Einbrandform und die in von Lichtbo
Oberfl~chenfiederung Abh~ngigkeit
genspannung und SchweiBstromstarke untersucht.
Bei niedriger bzw. hoher Lichtbogenspannung sind die Stel
SchweiBstromst~rke
len groBter Einbrandtiefe, bedingt durch das bevorzugte Brennen des Licht
bogens von den Bandecken aus. zu den Raupenseiten hin verschoben; bei mitt
leren bzw. Lichtbogenspannungen ist der Einbrand nahezu
SchweiBstromst~rken
gleichm~Big, w~hrend bei hohen SchweiBstromst~rken bzw. niedrigen Lichtbogen
spannungen die Einbrandtiefe in der Raupenmitte am groBten ist.