DE3328272C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gasschweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Gasgemisch.

Bei diesem Verfahren wird die Hitze zum Schweißen durch einen elektrischen Strom erzeugt, der zwischen einer Abschmelz-Elektrode und einem getrennten Werkstück fließt. Die Elektrode verzehrt sich selbst nach Maßgabe ihres kontinuierlichen Vorschubs zum Schweißbereich und wird dabei zum Zusatzmaterial, das sich mit dem Grundwerkstoff vermischt oder legiert, um die Schweißnaht zu bilden. Das Puddle- oder Schweißgut wird durch eine Gasumhüllung vor Verunreinigung geschützt. Diese Gasumhüllung oder -abschirmung besteht aus einem die Elektrode und das Schweißgut umgebenden Gasstrom.

Es sind drei verschiedene Arten von GMA-Schweißverfahren bekannt, die sich durch ihre Lichtbogeneigenschaften sowie durch die Art und Weise unterscheiden, nach der Metall von der Abschmelz-Elektrode auf das Werkstück übertragen wird.

Hierbei wird in einem ersten Verfahren des Sprüh­ lichtbogenschweißens Metall vom Ende der Elektrode auf das Werkstück oder Schweißgut in einem Fluß oder einer Reihe von kleinen Schmelztröpfchen übertragen. Die Übertragung beim Sprühlichtschweißen läuft ab bei bisher als relativ hoch angesehenen Stromdichten. Die Übertragung wird normalerweise in Argon oder in einer mit Argongas angereicherten Atmosphäre durchgeführt.

Beim nächsten zu erwähnenden Verfahren wird ein verhältnismäßig großes Kügelchen am Elektrodenende gebildet, das dann auf das Werkstück fällt, wenn die Schwerkraft die Oberflächenspannung des Schmelztropfens überwindet. Bei der Überführung des Kügelchens über den Lichtbogen wird es den Kräften im Lichtbogen ausgesetzt und nimmt dabei eine unregelmäßige Gestalt sowie eine rotierende Bewegung an. Dies führt manchmal dazu, daß sich das Kügelchen wieder mit der Elektrode und dem Grundwerkstoff verbindet und somit einen Kurzschluß bewirkt, wobei der Lichtbogen für diesen Augenblick gelöscht wird. Eine Übertragung dieser Art läuft bei gegenüber dem Sprühlichtschweißen niedrigeren Stromdichten sowie unter verschiedenartigen Schutz- oder Umhüllungsgasen ab.

Die Kurzschlußübertragung des dritten Verfahrens eignet sich aufgrund der relativ geringen Wärmeübertragung besonders gut zum Schweißen von dünnem Profilstahl. Bei einer derartigen Übertragung wird am Ende der Elektrode ein aus flüssigem Metall bestehendes Kügelchen gebildet, das zunehmend länger wird, bis es zum Kontakt und somit zum Kurzschluß kommt. Auch hier kommt die Metallübertragung durch Schwerkraft und Oberflächenspannung zustande. Wird die Brücke zwischen der Elektrode und dem Werkstück durch eine Pinch- oder Quetschkraft zerbrochen, kommt es zu einer Unterbrechung des Lichtbogens, wonach der Lichtbogen wiederhergestellt wird; und der Zyklus erneut einsetzt. Normalerweise wird eine solche Übertragung in einer Schutzgasatmosphäre aus Kohlendioxid, Argon/Kohlendioxid oder Helium durchgeführt. Werden hier hohe Stromdichten und normale Lichtbogenspannungen verwendet, läuft die Metallübertragung bei diesem Verfahren weit heftiger ab, so daß es zu einem Verspritzen des Schweiß- oder Zusatzmaterials kommt, und zwar derart, daß eine Schweißung zustande kommt, die sowohl nach ihrem Aussehen als auch ihrer räumlichen Beschaffenheit nicht zufriedenstellend ist.

Die Charakteristika der Metallübertragung in den drei Verfahren lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Verfahren
Metallübertragung
1. Sprühlichtbogen (langer Lichtbogen)
Besonders kleine Tröpfchen - kein Kurzschließen
2. Globular (langer Lichtbogen)	Große Tröpfchen - willkürlich auftretender Kurzschluß möglich
3. Kurzschluß (kurzer Lichtbogen)	Kurzschließen

Beim Gasmetallichtbogenschweißen von Nichteisenstoffen werden am häufigsten Argon (siehe DE 21 33 257 A1) und Helium als Schutzgase verwendet, die beide vollständig inert sind. Obgleich diese beiden Gase gleichermaßen inert sind, unterscheiden sie sich jedoch hinsichtlich ihrer Eigenschaften. Diese Unterschiede spiegeln sich in der Metallübertragung durch den Lichtbogen hindurch, in der Schmelznahtdurchdringung, der Gestalt der Schweiße und der Hinterschneidung sowie weiterer Schweißvariablen wider.

Hierbei weist Helium eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Argon auf. Für eine gegebene Lichtbogenlänge und einen gegebenen Strom liegt die Lichtbogenspannung beim Schutzgas Helium höher als beim Schutzgas Argon. Demzufolge wird auch mit einem gegebenen Strom beim Schutzgas Helium mehr Wärme erzeugt als bei Argon als Schutzgas. Hierdurch erweist sich Helium für das Schweißen von dicken Metallen, insbesondere denen von hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium- und Kupferlegierungen als vorteilhafter. Demgegenüber zieht man Argon vor, wenn man dünnere Teile aus Metall und Metalle mit einer niedrigen Wärme­ leitfähigkeit verschweißt. Dies trifft insbesondere beim Schweißen in von der Flachstellung abweichenden Stellungen zu.

Die Schweißraupen- und Durchdringungsmuster weichen für Argon und Helium sowie deren Gemischen voneinander ab. Die mit Helium geschaffenen Schweißungen haben gegenüber denen mit Argon breiteren Raupen. Auch sind die Schweißstellen, die beim Schweißen unter Argon entstehen, in der Mitte tiefer durchdrungen als an den Kanten. Helium wurde dem Argon beigegeben, um an die Durchdringung der Verbindungsstelle unter Wahrung der gewünschten Metallübertragungscharakteristik von Argon zu erhöhen. Die Form oder Gestalt der Schweißraupe und Durchdringung werden von diesen Charakteristiken der Metallübertragung weitgehend be­ einflußt. Die Übertragung beim Sprühlichtbogenschweißen führt aufgrund des Plasmaeffekts zu relativ tiefer Durchdringung längs der Mittellinie der Schweißungen und zu relativ flacher Durchdringung an den Rändern. Die Übertragungen beim Globular- und Kurzschlußverfahren führen zu breiterer und flacherer Durchdringung. In der Regel läßt sich die Übertragung beim Sprühlichtverfahren leichter unter Argon als Helium durchführen.

Obgleich die reinen Inertgase bei der Verwendung zum Schweißen von Nichteisenmetallen oftmals unerläßlich oder wünschenswerter ist, so liefern sie jedoch bei der Verwendung zum Schweißen von Eisenmetallen nicht immer die günstigsten Arbeitserfordernisse. Es besteht dabei unter reinem Argon als Schutzgas die Neigung, daß das Metall von der Verbindungslinie oder Schweißspitze bei Kohlenstoffstahl und den meisten niedriglegierten Stahlsorten wegströmt und nicht zu dieser Linie oder Spitze hinströmt. Darüber hinaus ist die Metallübertragung regellos und spritzerartig. Dieser Tatbestand ändert sich auch nicht zum Besseren, wenn Helium oder Argon- Heliumgemenge verwendet werden. Auch beim Schweißen der höherlegierten Eisenmetalle verläuft die Metall­ übertragung unter reinem Inertgas als Schutzgas ähnlich regellos und spritzerhaft.

Die Zugabe eines reaktionsfähigen Gases wie Sauerstoff oder Kohlendioxid zum Argon stabilisiert den Lichtbogen und fördert die Metallübertragung, wobei das Verspritzen auf ein Mindestmaß beschränkt wird. Gleichzeitig wird durch eine derartige Zugabe die Gestalt des Querschnitts der Schweiße verändert und die Netzung und der Fluß des Schweißmetalls längs der Kanten der Schweiße im gekohlten und niedriglegierten Stahl gefördert. Das reaktionsfähige Gas vermindert oder beseitigt dabei auch noch den Hinterschnitt. Durch diese Veränderung im Querschnitt, eine Verminderung im Mittelfinger der Durchdringung, wird die Porosität verringert.

Die beim Kurzschlußverfahren angewandten Schutzgase unterscheiden sich oft von denen, die im Tropfverfahren verwendet werden. Beispielhalber werden häufig zum Umhüllen von Stahl beim Kurz­ schlußverfahren der Übertragung Argon/Kohlendioxidgemische verwendet; sie kommen jedoch, wenn überhaupt, nur selten bei der Übertragung nach dem Tropfenverfahren zur Anwendung. Es werden Argon oder Argon/Heliumgemische zum Abschirmen der meisten Nichteisenmetalle verwendet. Reaktionsfähige Gase oder Gemische aus inerten und reaktionsfähigen Gasen werden beim Verbinden von Stahlteilen verwendet.

Mehratome oder "Hochspannungs"-Gase werden in Schutzgemischen beim Kurzschlußschweißen häufiger als beim Tropfübertragungsschweißen verwendet, um die Wärmezufuhr sowie die Netzung zu erhöhen. Der Prozentsatz des reaktionsfähigen Gases muß beschränkt werden auf die Kontrolle der Gasmetallreaktionen, die metallurgisch schädlich sind. Argon/Kohlendioxidgemische arbeiten zur Abschirmung von rostfreien Stählen zufriedenstellend, sie er­ höhen jedoch den Kohlenstoffgehalt des Schweißguts und senken die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei Schweißungen mit mehreren Durchgängen. Es wurde ein weniger reaktionsfähiges Schutzgemisch aus 90% Helium - 7,5% Argon - 2,5% Kohlendioxid zur Sicherung einer hinreichenden Korrosionsbeständigkeit und zur Verminderung der Oxidation der Schweiße verwendet. Bei diesem Gemisch wird die Wärmezufuhr für einen gegebenen Strom durch sowohl das Helium als auch das Kohlendioxid erhöht. Auch wird das Kohlendioxid die Lichtbogenstabilität verbessert. Demzufolge erhält man eine bessere Netzung und eine bessere Schweißform.

Ein weiteres Beispiel der Wirkung des Schutzgas­ gemisches ergibt beim Tropfenübertragungsverfahren unter Verwendung von Kohlendioxid als Schutzgas eine Übertragung, die gekennzeichnet ist durch gegenüber dem Elektrodendurchmesser größere Tropfen oder Kügelchen (gewöhnlich die zweifache Größe), wobei jedoch die Tröpfchenübertragung regellos und nicht axial ist. Wird Argon dem Schutzgas beigegeben, verändern die mit Argon angereicherten Kohlendioxidgase die Tröpfchen auf kleinere Größe, die unter dem Durchmesser des Schweißdrahtes liegt, und diese werden in Richtung der Elektrode übertragen. Die Schwerkraft führt in Zusammenwirkung mit den elektromagnetischen Kräften zu einem weiterführenden Werk­ stofftransfer. Mit weiteren Beimengungen von Argon geht die Tröpfchengröße noch weiter zurück, bis die Übertragung nach dem Sprühlichtbogenverfahren abläuft, ohne daß es zu Kurzschlüssen kommt.

In einem in der Februarausgabe 1975 erschienenen Artikel des "Metalworking Engagement" wurde von dem Anmelder dieser Erfindung, John Church, der Hintergrund des Plasmaschweißverfahrens (Plasma Welding Process) beschrieben, das er 1971 entwickelte. In diesem Artikel beschreibt John Church dieses Verfahren, in dem das Dreigasgemisch aus Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff verwendet wurde, wobei er noch nahelegte, daß weitere Gase wie Helium oder Wasserstoff hinzugemengt werden können, die jedoch nach seiner Kenntnis zum Zeitpunkt des Schreibens jenes Artikels noch nicht beigemengt worden sind. Vor dem Verfahren von Church wurden im Handel zum Schweißen von Stahl noch keine Dreigasgemische verwendet. Es verblieb also der Anmelderin, dieses einmalige proportionierte Viergasgemisch zu entwickeln und die unerwarteten, dadurch gewonnenen günstigeren Ergebnisse aufzuzeigen. Durch diese Fortbildung hat die Anmelderin die Schweißtechnik im Hinblick auf Schweißqualität und -geschwindigkeit bei gleichzeitiger Ersparnis an Schweißkosten um ein beträchtliches Stück vorangetrieben.

Die US-PS 31 39 506, Wolff et al., offenbart ein Lichtbogenschweißverfahren, in dem ein Schutzgasgemisch einer Zusammensetzung aus 20 bis 70 Vol.% CO₂, 1 bis 15% O₂ und dem Rest Argon beansprucht wird. Im letzten Satz dieser Patentschrift legen Wolff et al. nahe, daß Helium oder ein Gemisch aus Helium und Argon anstelle von Argon in ihrem Schutz­ gasgemisch verwendet werden können. Hierbei schweigt sich die Patentschrift jedoch über die Mischungsprozentsätze von Helium und Argon aus, so daß keine kritischen Bereiche aufgestellt wurden. Es ist auch anzumerken, daß Wolff et al Bereiche der Volumina für CO₂ und O₂ angeben, die über die von der Anmelderin verwendeten hinausgehen.

Zielsetzung der Erfindung ist, die Schweißauftra­ gungsrate wesentlich zu erhöhen und dabei auch die gewünschte Qualität und das Aussehen der Schweiße zu verbessern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Gasschweißverfahrens gemäß Patentanspruch 1, in dem wesentlich höhere Stromdichten, Spannungen, Elektrodendurchmesser zusammen mit einem Schweißgasgemisch besonderer Zusammensetzung angewandt werden, durch das ein einzigartiges Schweißplasma mit weitgehend verbesserter Stabilität geschaffen wird. Bei einer Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Verbindungs­ schweiße werden durch das neue Verfahren auch Schweißauftragungsraten erzielt, die gegenüber denen des Sprühlichtbogenverfahrens zweimal so hoch liegen.

Das Verfahren nach der Erfindung weist die gewünschten Charakteristiken sowohl des Sprühlichtbogen- (eine große Anzahl von Kügelchen pro Sekunde) als auch des Tropfenverfahrens (Kügelchen größerer Abmessung) auf, ohne daß es zu Kurzschließungen kommt. Durch das Verfahren werden, mit anderen Worten, vergrößerte Kügelchen geschaffen. Die hohe Auftragungsrate tritt unerwartet auf, da die Tropfenübertragung mit großen Tropfen des Elektrodenhandwerkstoffes bisher dem Schweißen mit niedriger Stromdichte zugeordnet wurde.

Ein Schweißverfahren, das regelmäßiges oder inter­ mittierendes Kurzschließen zwischen der Elektrode und dem Werkstück bedingt, läßt der Auftragungsrate aufgrund der Unterbrechung des Stromflussses die Auftragungsrate und somit die Menge der Werkstoffübertragung von der Elektrode an das Werkstück unausweichlich langsamer und geringer werden. Das Auftragen des Schweißgutes und die Güte der Schweißverbindung steht in unmittelbarem Verhältnis zur Menge des von der Elektrode übertragenen Materials, zum vorgewärmten Zustand der Werkstückverbindung und zur Fähigkeit, den übertragenen Schmelzstrom in der Schweißverbindung zu halten.

Bei dem Schweißverfahren nach der Erfindung gibt es einen kurzschlußlosen freien Flug des geschmolzenen Elektrodenmaterials wie beim Sprüh­ lichtbogenübertragungsverfahren in Verbindung mit Tropfgrößen, die normalerweise dem globularen Über­ tragungsverfahren zugeordnet werden, um so ein wesentlich größeres Übertragungsvolumen des Elektroden­ schweißgutes zu erzielen. Gleichzeitig ermöglicht das neue Schweißgasgemisch und das Verfahren das Festhalten des derart vergrößerten Metallstromflußvolumens in der Schweißverbindung, eine verbesserte Qualität der Schweißverbindung sowie eine bessere Durchdringung durch weitgehend weitergeführtes Vorwärmen des Grund­ werkstoffes.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Be­ schreibung einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gas­ metallichtbogenschweißsystems,

Fig. 2 eine Ansicht einer theoretischen Schweiß­ verbindung, die nach der Erfindung hergestellt wurde,

Fig. 3 schematische Einzeldarstellungen der drei grundsätzlichen Arten des Gasmetallicht­ bogenschweißverfahren,

Fig. 4 eine schematische Ansicht des in der Erfindung angewandten Gasschweißsystems,

Fig. 5 bis 13 Ansichten von Schweißverbindungen, die mit verschiedenen Schutzgasen im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Schweißgas geschaffen wurden,

Fig. 14 bis 16 Darstellungen von Bildern aus einem photographischen Hochgeschwindigkeitsfilm, der das entwickelte Plasma unter Verwendung einer gasförmigen Schutzhülle aus 85% Argon und 15% Kohlenstoffdioxid,

Fig. 17 bis 19 Darstellungen von Bildern eines Hochgeschwindigkeitsfilmes mit einer gasförmigen Schutzhülle und 100% Kohlenstoffioxid,

Fig. 20 bis 22 Darstellungen von Bildern aus einem photographischen Hochgeschwindigkeitsfilm, der das entwickelte Plasma unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißgasgemisches zeigt.

In dem schematisch dargestellten typischen Gas­ metallichtbogenschweißsystems der Fig. 1 führt die Spule 10 einer Schweißdrahtfördervorrichtung 14 Schweißdraht zu, die den Draht durch eine nachgiebige Leitung 16 schiebt, die in einen Elektroden­ halter oder eine Schweißpistole 18 oder dgl. ausläuft. Durch die Stromversorgungseinheit 20 wird Strom an den Schweißdraht geführt. Die Stromversorgungseinheit umfaßt dabei auch Steuerungen der Normalspannung und Stromstärke. Ein Schutzgastank 22 liefert Gas an eine Durchflußregelung 24, die ihrerseits das Gas an die Leitung 16 und an die Schweißpistole 18 weiterleitet.

Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Schweißverbindung von der Art, wie sie nach der Erfindung geschaffen werden kann.

In der Fig. 2 ist eine horizontale Platte 26, eine senkrechte Platte 28 und das Schweißgut oder eingeschweißte Material 30. Folgende Bezeichnungen betreffen Teile der Schweißverbindung der Fig. 2:

A. Theoretische Nahthöhe
B. Senkrechter Schenkel
C. Horizontaler Schenkel
D. Wurzel der Schweißung
E. Schweißspitze
F. Schweißoberfläche
G. Wurzel der Schweißverbindung

Die Schweißung nach der Erfindung ist so beschaffen, daß die Schenkel B und C mit vergleichbaren Längen sowie eine ebene bis geringfügig konvexe Oberfläche F gebildet werden können. Nach den bekannten Verfahren, in denen hohe Stromdichten und hohe Auf­ tragungsraten zur Anwendung kommen, werden oft Schenkel von weitgehend ungleichen Abmessungen erzielt, wobei der längere Schenkel auf der horizontalen Fläche und der kürzere auf der vertikalen Fläche liegt. Darüber hinaus sind die Schweißflächenprofile nicht beständig gewesen, so daß die Spitze der Schweißung oft nicht glatt an den Platten anliegt und es häufig zum Hinterschneiden der vertikalen Platte um die Spitze E herum kommt.

Die Fig. 3 zeigt schematische Darstellungen von typischen Sprühlichtbogen- (A), Globular- (B) und Kurzschlußverfahren (C) der Übertragung. In dem Sprühlichtbogenverfahren (A) ist eine Elektrode (32) in einer Entfernung vom Grundwerkstoff oder Werkstück 34 angeordnet und weist eine Reihe von diskreten kleinen Tröpfchen 36 auf, die im Lichtbogenstrom zum Schweißpuddel 38 hin strömen. Bei dem globularen Übertragungsverfahren (B) bildet sich ein großes Kügelchen 40 am Ende der Elektrode 42, das auf den Schweißpuddel 44 fällt, wenn der Zug der Schwerkraft auf das Kügelchen größer wird als die Oberflächenspannung zwischen Elektrode und dem Kügelchen. Beim Kurzschlußverfahren (C) schmilzt die Spitze der Elektrode 46 und bildet einen Tropfen 48, der sich unter der Schwerkraft längt, bis er mit dem Schweißpuddel 50 in Berührung kommt, wodurch es zu einem Kurzschluß kommt, worauf die Brücke zwischen dem Tropfen und der Elektrode abbricht und der Lichtbogen seinen Zyklus sowie Tropfenbildung erneut aufnimmt.

Insofern das Sprühlichtverfahren bei verhältnismäßig hohen Stromdichten abläuft, die jedoch normalerweise 20155 A/cm₂ nicht überschreiten, weist dieses Verfahren eine verhältnismäßig hohe Auftragungsgeschwindigkeit oder -rate auf, z. B. 54,432 Gramm bis 136,08 Gramm pro Minute. Die kurzschließende Übertragung findet bei niedrigen Stromdichten und mit geringeren Auftragungsraten statt.

Die Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils einer allgemein mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichneten Schweißpistole, wobei auch das erfindungsgemäße Metallübertragungsverfahren dargestellt ist. Die Spitze 64 wird von der Pistolendüse 62 koaxial umfaßt. Durch die Spitze 64 wird der Schweißdraht oder die Elektrode 66 zugeführt. Die Stromeinspeisung erfolgt an der Spitze 64 und über die Entfernung P zwischen dem Ende der Spitze und dem Ende der Düse wird vorgewärmt. Schutzgas 68 strömt durch die Düse 62 und umhüllt die Elektrode sowie den Schmelzpuddel 70 im Werkstück 72. Der Schweißlichtbogen ist bei 73 angezeigt.

Der Elektrodenstrom hebt die Energiehöhe des Schweißgases hinreichend an, um zumindest die innere Lage zu ionisieren, so daß ein Plasmastrahl 74 um die Elektrode herum zwischen der Düse und dem Werkstück entsteht und den Schweißpuddel 70 mit umfaßt.

Da ionisiertes Gas oder Plasma die bekannten Gesetze der Physik oder Thermodynamik nicht befolgt, wurde es auch als "vierter Zustand der Materie" bezeichnet, d. h. also fest, flüssig, gasförmig und plasmatisch. Das Plasma bietet zwei hauptsächliche Vorteile gegenüber herkömmlichem Gas zu Heizzwecken: höhere Temperatur und bessere Wärme­ übertragung auf andere Gegenstände. Es ist dabei offensichtlich, daß es beim Schweißen äußerst erwünscht ist, das Zusatzmaterial schnell zu erwärmen, was durch bestimmte Plasmen weitgehend unter­ stützt werden kann. Es hat sich auch bei der Erfindung herausgestellt, daß ein stabilisiertes Plasma die Vorerwärmung des Grundwerkstoffs weitgehend erleichtert oder fördert, wodurch die Durchdringung oder Eindringtiefe der Schweißung verbessert wird.

Bei der Schaffung eines Plasmas werden die Gas­ atome in Ionen und freie Elektronen dissoziiert, wobei die geladenen Gasteilchen auf sehr hohe Tem­ peraturen z. B. auf 6650° bis 22 200°C angehoben werden. Wenn nun solche derart hocherhitzten Gasteilchen über den Lichtbogen hinweg übertragen werden, geben die geladenen Plasmateilchen ihre Wärme ab, um die Elektrode zu schmelzen und den Grundwerkstoff vorzuwärmen, wonach sich die gekühlten Gasteilchen wiederverbinden, um das Molekulargefüge des oder der ursprünglichen Gase zu bilden.

Während man annimmt, daß etwas Plasma mit den meisten Schutzgasen geschaffen wird, die beim Licht­ bogenschweißen verwendet werden, so besitzt jedes derartige Gas oder deren Gemische ein einzigartiges Plasma mit eigenen physikalischen und elektrischen Eigenschaften. Allgemein verbindet sich die Wärme des Plasmas, z. B. 74 der Fig. 4, mit der Wärme, die von dem Elektrodenlichtbogen erzeugt wurde, um die Gesamtwärme zum Schmelzen der Elektrode zu ergeben. Jedoch wurde bisher anscheinend von der Bedeutung, der Form und Größe eines solchen Plasmas als Mittel der Verbesserung der Schweißgüte und der Auftragungsrate, keine Kenntnis genommen. Demgemäß muß hier näher auf das erfindungsgemäße Plasma eingegangen werden.

Zur Erfindung gehört die Feststellung, daß es notwendig ist, das elektrische Potential zwischen dem Schweißlichtbogen und dem Plasma zu beeinflussen, um eine kontrollierte und koaxiale Übertragung der geschmolzenen Elektrodenteilchen oder -tröpfchen ans Werkstück zu erzielen, ohne daß es dabei zu einem Ausblasen oder Verspritzen des Zusatz­ materials und einem Hinterschneiden des Werkstücks kommt, wobei gleichzeitig die Übertragung zunehmender Mengen des Elektrodenzusatzmaterials an die Schweißverbindung ermöglicht wird.

Es besteht sowohl im Schweißlichtbogen als auch in dem die Elektrode umgebenden Plasma ein Strom. Diese Ströme verbinden sich, um die gesamte verfügbare Wärme zum Schmelzen der Elektrode und zum Vorwärmen des Werkstücks zu erzeugen. Das Plasmapotential ist die Differenz zwischen der Lichtbogenspannung und der Plasmaspannung. Wenn die Potentialdifferenz verhältnismäßig groß ist, was bei dem Plasma der Fall ist, das im typischen Sprühlicht­ bogenverfahren mit einem aus Argon bestehenden oder mit Argon angereicherten Schutzgas geschaffen wird, möchte die Plasmakraft die Auftragung des Schweißmetalls bei hohen Stromdichten herausblasen oder -waschen, weshalb eine Stromverminderung erforderlich wird, wodurch die Auftragungs­ raten gesenkt werden, um eine zufriedenzustellende Schweißverbindung zu erhalten.

Beim Schweißverfahren nach der Erfindung wird ein einzigartiger Plasmastrahl oder eine Plasmahaube geschaffen, bei dem bzw. der das Plasmapotential (die Differenz von Lichtbogen- und Plasmabespannungen) niedriger als bei den bekannten Sprühlichtbogenverfahren ist, wodurch höhere Stromdichten ermöglicht werden, so daß es zu weitgehend gesteigerten Übertragungen des Elektromaterials an die Schweißverbindung kommen kann, ohne daß dies zu einem Herauswaschen oder Verspritzen der Schweißauftragung führt.

Es hat sich beim GMA-Schweißen bisher als im allgemeinen nicht praktisch erwiesen, Elektroden zu verwenden, die Durchmesser über 0,158 cm (1/16 Zoll) aufweisen, und zwar aufgrund der Begrenzung der an­ wendbaren Strommenge unter Beibehaltung der gewünschten Schweißverbindungsausbildung. Ein solcher Strom wurde bisher auf den 100-400-Amperebereich oder Stromdichten beschränkt, die nicht über 20 155 A/cm² hinausgehen.

Durch die Erfindung wird die Verwendung des neuartigen Schweißgases in Strombereichen bis zu 1100 Ampere, Stromdichten im Bereich bis zu 69 770 A/cm² und Elektroden bis zu 0,4 cm Durchmesser ermöglicht. Gleichzeitig erlaubt das Gemisch Schweißdrähte mit kleinerem Durchmesser zum Führen höherer Stromdichten, z. B. kann ein 0,076 cm Draht 55 800 A/cm² verglichen mit normalerweise 18 600 A/cm² führen. Der Schweißgasfluß liegt im Bereich von 0,99 m³ bis 1,98 m³ pro Stunde.

Zur Schaffung des erfindungsgemäßen Plasmas besteht das neuartige Schweißgas aus einem Gemisch aus Argon, Helium, Sauerstoff und Kohlendioxid, und zwar in den folgenden Mischungsbereichen:

Argon
40% bis 70%
Helium	25% bis 60%
Kohlendioxid	3% bis 10%
Sauerstoff	0,1% bis 1%

Wie nachstehend noch näher erläutert wird, werden die spezifischen Gasgemische sowie die Amperezahlen und Spannungspegel mit den zu schweißenden Metallen oder Metallegierungen und der Größe der gewünschten Schweißung variiert.

Flußstahl und niedriglegierter Stähle

Wie bereits vorstehend vermerkt, wurden die bisher schnellsten Schweißauftragungsraten mit dem Sprüh­ lichtbogenverfahren erzielt. Abhängig von der gewünschten Durchdringungstiefe bedingte ein derartiges Verfahren normalerweise eine gasförmige Schutzhülle aus Argon und Kohlendioxid oder Argon und nur Sauerstoff. Schweißverbindungen, die mit derartigen gasförmigen Schutzhüllen gegenüber dem erfindungsgemäßen Gasgemisch erzielt wurden, sind in den Fig. 5 bis 13 dargestellt. Um einen sinnvollen Vergleich anzustellen, wurden grundsätzlich identische Schweißbedingungen aufgestellt, wobei die Hauptvariante das verwendete Schutzgas oder Schutzgasgemisch darstellte. Bei den Vergleichstests wurden 2 cm dicke kohlenstoffarme Flußstahlplatten 82 und 84 verwendet, die horizontal und vertikal zueinander angeordnet sind und eine T-Verbindung bilden. Als Schweißelektroden wurden E 70 S6 und E 70 S7 Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,132 cm verwendet. Die verwendeten Schweißelektroden waren entweder mit Kupfer überzogen oder nicht überzogen und erbrachten bei den Schweißergebnissen keinen Unterschied. Ein erster Qualitätsstandard einer Schweißung besteht in der Eindringtiefe der Schweißung von der Wurzel der Schweißvertiefung G zur Wurzel der Schweißung D. Die Durchdringungs- und Eindringtiefen der Schweißstellen sind im Vergleich in den Fig. 5 bis 7 dargestellt.

Zunächst zeigt die Fig. 5 eine Sprühlichtbogen- Schweißverbindung, für die ein als bisher äußerst wirksam angesehenes Schutzgasgemisch aus 85% Argon und 15% Kohlendioxid verwendet wurde.

Die Durchdringung bei x mißt 2,5 mm (0,10 Zoll) in die vertikale Platte von der Wurzel der Schweißverbindung G aus bis zur Wurzel der Schweißung D.

Die Schweißparameter und -ergebnisse für die in Fig. 5 gezeigte Schweißverbindung sind folgende:

Schutzgas
- 85% Argon/15% Kohlendioxid
Drahtzufuhrgeschwindigkeit	- 1358,9 cm/min (535 Zoll/min.)
Abschmelzrate	- 8,6 kg/h (19 lbs./hr)
Strom	- 400 Ampere
Spannung	- 33 Volt
Schweißgeschwindigkeit	- 50 cm/min (19,7 Zoll/min).

Es ist bekannt, daß die Verwendung einer Umhüllung aus Kohlendioxid die Schweißeindringtiefe verbessert. Demgemäß zeigt die Fig. 6 eine Schweißverbindung unter Verwendung eines 100% aus Kohlendioxid bestehenden Schutzgases. In diesem Falle erhöht sich die Schweißeindringtiefe y auf 3,4 mm (0,13 Zoll). Die Schweißparameter und -ergebnisse für die Schweiß­ verbindung der Fig. 6 sind folgende:

Schutzgas
- 100% Kohlendioxid
Drahtzufuhrgeschwindigkeit	- 1230 cm/min (484 Zoll/min.)
Abschmelzrate	- 8,165 kg/h (18 lbs./hr)
Strom	- 350 Ampere
Spannung	- 33 Volt
Schweißgeschwindigkeit	- 50 cm/min (19,7 Zoll/min).

Die Fig. 7 zeigt die Schweißverbindung, bei der das am meisten bevorzugte Schweißgasgemisch nach der Erfindung für niedriglegierten Flußstahl verwendet wurde. In diesem Falle lag die Eindringtiefe z. B. bei 5,4 mm. Die Schweißparameter und -ergebnisse für die Schweißverbindung der Fig. 7 sind folgende:

Schutzgas
- 65,0% Argon
	- 26,5% Helium
	- 8,0% Kohlendioxid
	- 0,5% Sauerstoff
Drahtzufuhrgeschwindigkeit	- 1600 cm/min
Abschmelzrate	- 9,979 kg/h
Strom	- 400 Ampere
Spannung	- 37,5 Volt
Schweißgeschwindigkeit	- 80 cm/min

Es hat sich herausgestellt, daß durch Variieren jeder der vorstehend erwähnten einzelnen Gasgemische in einem Bereich von plus oder minus 5% der meistbevorzugten Werte im wesentlichen die gleichen weitgehend verbesserten Ergebnisse liefert.

Ein Vergleich der Ergebnisse der Schweißverfahren der Fig. 5 und 6 nach den herkömmlichen Sprüh­ lichtbogenverfahren mit dem Schweißverfahren nach der Erfindung der Fig. 7 zeigt an: die Schweißdurchdringung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist um 216% besser als die nach der Fig. 5 und um 159% besser als die der Fig. 6. Die Schweiß­ geschwindigkeit und somit die Auftragungsrate der Verfahren der Fig. 5 und 6 lag in beiden Fällen bei 50 cm/min gegenüber 80 cm pro Minute beim erfindungsgemäßen Verfahren. Die Auftragsgeschwindigkeit nach der Erfindung liegt um 160% höher als bei den vergleichbaren Sprühlichtbogenverfahren unter Verwendung vergleichbaren Stromstärken und Spannungen.

Somit werden mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren eine bessere Durchdringung und bessere Auftragungsraten erzielt, als dies mit den bisherigen besten Sprühlichtbogenverfahren möglich war.

Ein weiterer Standard zum Messen der Qualität einer Schweißverbindung besteht darin, die (Rockwell B) Härte des Zusatzmaterials mit dem des Grundwerkstoffes oder Werkstücks zu vergleichen. Idealerweise wäre eine Schweißverbindung am besten, wenn die Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials und des Grundwerkstoffs oder Werkstücks um die Schweißverbindung dieselbe wäre. Man hat jedoch bis jetzt akzeptiert, daß das aufgetragene Zusatzmaterial normalerweise härter als das Werkstück ist.

Beim Messen der Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials und der Werkstücke nach dem Sprühlicht­ bogenverfahren der Fig. 5 und 6 mit der des er­ findungsgemäßen Verfahrens hat sich gezeigt, daß die Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen dieselbe ist wie die des Werkstücks. Diese Ergebnisse zeigen die Fig. 8 bis 10.

In den Fig. 8 bis 10 stellen die eingezeichneten Ziffern die Rockwellhärtezahlen (bei einem Gewicht von 102,06 kg) dar, die an verschiedenen Punkten auf dem Werkstück um die Schweißverbindung herum sowie auf dem aufgetragenen Zusatzmaterial genommen wurden.

Die Fig. 8 entspricht der Schweißverbindung der Fig. 5 unter Verwendung des Schutzgases mit 85% Argon und 15% Kohlendioxid. In diesem Fall schwankt die Härte des Werkstücks um die Schweißverbindung von 66 bis 72, wobei die Härte des aufgetragenen Zusatzmaterials bei annähernd 96 liegt. Somit ist der Zusatzstoff um 146% bis 134% härter als das Werkstück.

Die Fig. 9 entspricht der Schweißverbindung der Fig. 6, wobei hier ein Schutzgas aus 100% Kohlendioxid verwendet wurde. Die Härte in diesem Werkstück um die Verbindung schwankt in diesem Falle von 65 bis etwa 67; die Härte des Zusatzstoffes liegt dabei bei etwa 88. Somit ist hier der Zusatzstoff um 135% bis 131% härter als das Werkstück.

Die Fig. 10 entspricht der Fig. 7 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißgases. In diesem Falle variiert die Härte des Werkstücks um die Schweißverbindung von 86 bis 87 und die Härte des Zusatzstoffes beträgt etwa 86. Somit ist die Härte des Zusatzstoffes im wesentlichen dieselbe wie die des Werkstücks.

Als weiterer Test für die Güte der Schweißverbindung ist es sehr erwünscht, daß die Zugfestigkeit des Werkstücks und die des aufgetragenen Zusatzstoffes so weit wie nur möglich annähernd gleich ist. Derartige vergleichbare Zugefestigkeiten sind in den Fig. 11 bis 13 wiedergegeben. Hierbei entsprechen die in diesen Fig. 11-13 dargestellten Zugfestigkeiten Werte, die in kg/mm² gemessen sind.

Die Fig. 11 entspricht der Schweißverbindung der Fig. 5. Hier wird ein Schutzgas aus 85% Argon und 15% Kohlendioxid verwendet. Die Zugfestigkeit des Werkstücks schwankt dabei von annähernd 43 bis 47, während die des Zusatzstoffes bei annähernd 75 liegt. Somit liegt die Zugfestigkeit des Zusatzstoffes um etwa 172% höher als die des Werkstücks.

Die Fig. 12 entspricht der Schweißverbindung der Fig. 6. Hier wird ein Schutzgas aus 100% Kohlendioxid verwendet. Die Zugfestigkeit des Werkstücks liegt dabei bei annähernd 43 und die des Zusatzstoffes bei 64. Somit liegt die Zugfestigkeit des Zusatzstoffes um etwa 149% höher als die des Werkstückes.

Die Fig. 13 entspricht der Schweißverbindung der Fig. 7. Hier wird ein Schweißgas nach der Erfindung verwendet. In diesem Falle beträgt die Zug­ festigkeit des Werkstücks und die des Zusatzstoffes für beide gleich etwa 61.

Ein weiterer Standardtest stellt der Kerbschlag­ test nach Charpy dar. Durch diesen Test wird die Fähigkeit einer Schweißung ermittelt, einem vorbestimmten Kerbschlag bei einer gegebenen Temperatur zu widerstehen. Zum Vergleich wird das Handbuch "Pocket Welding Guide" von Hobart Brothers Company von 1979 angezogen, in dem auf Seite 74 die Ergebnisse nach Charpy für ein AWS E7OS-6 Elek­ trodenmaterial unter Verwendung von CO₂ als Schutzgas eine Kerbschlagzahl von 30,4 Nm für einen Draht von 0,1143 cm bei einer Temperatur von -28,9°C angegeben wird. Nach einer Untersuchung seitens einer unabhängigen Prüfinstitution wurden in vergleichbaren Tests mit E7OS-6 Elektrodenmaterial und obigen Flußstahl- sowie niedriglegiertem Stahlschweißgasgemischen der Erfindung bei -28,9°C die folgenden Ergebnisse in den fünf Festproben ermittelt.

Verfahrensgemäß wurden die hohen (165,96 Nm) und die niedrigen (103,725 Nm) Ergebnisse außer Betracht gelassen, was zu einer durchschnittlichen Kerbschlagfestigkeit von annähernd 124,47 Nm oder zu einem drei- bis viermal größerem Wert des im Leitfaden von Hobart angegebenen führte.

Bei dem Bemühen, den Grund für diese unerwarteten besseren Kerbschlagwerte zu ermitteln, wurden von demselben Testinstitut verschiedene weitere Untersuchungen der Schweißung durchgeführt und auch eine photomikrographische Aufnahme eines Schwefeldrucks erstellt, aus dem hervorging, daß die Schweiße im Grunde genommen schwefelfrei war. Hieraus folgerte man, daß die weitgehend verbesserten Kerbschlagergebnisse auf die Reinheit oder Schwefelfreiheit der Schweiße zurückzuführen seien, die durch das Verfahren und das Gasgemisch nach der Erfindung erzielt wurden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Puddel oder die Heißlache (cauldron), wie nachstehend beschrieben, auf eine höhere Temperatur angehoben und mit den Großtropfen der Elektrode ungewöhnlich intensiv gepulst und/oder bombardiert, um zum Reinigen der Schweißverbindung beizutragen.

Hierbei geht man von der theoretischen Überlegung aus, daß die nahe Anpassung des Zusatzstoffes und die Schweißhärten, Zugfestigkeiten, die verbesserte Durchdringung sowie die weitgehend verbesserten Kerbschlagfestigkeiten der Schweiße, die nach der Erfindung erzielt werden, zurückzuführen sind auf das weitgehend verbesserte Mischen oder Legieren des Zusatz- und des Grundwerkstoffes, das durch wesentlich höhere Wärmemengen durch das erfindungsgemäße Verfahren verfügbar gemacht, einschließlich des Vorwärmens des Grundstoffes bedingt ist. Auch glaubt man, daß diese Ergebnisse zurückzuführen sind auf die schnelle Beschließung der Schweißverbindung mit großen Mengen geschmolzener Großtropfen sowie auf die Schwefelfreiheit der Schweißen.

Somit ist offensichtlich, daß durch das erfindungsgemäße Schweißsystem eine Schweißverbindung geschaffen wird, die im Hinblick auf Kerbschlagfestigkeit Eindringtiefe, Auftragungsrate sowie Abstimmung des aufgetragenen Zusatzstoffes mit dem Werkstück hinsichtlich Härte und Zugfestigkeit eine weitgehende Verbesserung erfahren hat.

Niedriglegierter Vergütungsstahl

Diese Stahlsorten stellen eine Kategorie dar, für die nach der Erfindung erhöhte Verbesserungen verzeichnet werden konnten. Das nach der Erfindung am meisten bevorzugte Schweißgasgemisch für diese Kategorie hat folgende Zusammensetzung:

Argon|44,00%
Helium	52,00%
Kohlendioxid	3,82%
Sauerstoff	0,18%

Unter Anwendung des obigen Gemischs zum Stumpf­ schweißen von zwei 0,37-0,23 m dicken Profilen niedriglegierten Vergütungsstahls wurden Kerbschlagtests nach Charpy bei einer Temperatur von -51°C aus fünf 10 mm Querschnitten genommen an der oberen (Seite A) und unteren (Seite B) Abschnitt der Schweißverbindung durchgeführt, was zu den folgenden Ergebnissen führte:

Seite A
Seite B
1. 94,044 Nm|1. 142,449 Nm
2. 112,023 Nm	2. 139,683 Nm
3. 141,066 Nm	3. 134,8425 Nm
4. 128,619 Nm	4. 85,746 Nm
5. 142,449 Nm	5. 87,8205 Nm

Werden wiederum die höchsten und die niedrigsten Ergebnisse herausgenommen, so erhält man durchschnittliche Kerbschlagwerte von 127,236 Nm für die Seite A und 118,938 Nm für die Seite B. Diese Resultate waren in etwa zweimal besser als die höchsten Standard- oder Normalwerte, die jemals für die Kerbschlagfestigkeit für das Schweißen derartiger Werkstoffe aufgestellt wurden.

Rostfreier Stahl

Das nach der Erfindung am meisten bevorzugte Gemisch hat folgende Zusammensetzung:

Argon|41,66%
Helium	55,00%
Kohlendioxid	3,20%
Sauerstoff	0,14%

Plasma

Zeitlich vor der Erfindung wurde wenig Aufmerksamkeit, wenn überhaupt, der Eigenschaft des beim GMA-Schweißverfahrens entstehenden Plasmas im Hinblick auf dessen Gestalt, Größe und Konsistenz entgegengebracht. Die Einzigartigkeit des Plasmas nach der Erfindung hat zu den verbesserten Schweißungen geführt, die durch die Erfindung möglich wurden. Bisher wurden die Gase hauptsächlich im Hinblick auf den Schutz der Schweißverbindung vor Verunreinigung (siehe US-PS 34 96 323, Lesnewitch et al), auf Änderung der Eindringtiefe (siehe US-PS 31 39 506, Wolff et al) und hinsichtlich der Lichtbogenstabilisierung (US-PS 29 16 601) gewählt. Sämtliche dieser Faktoren sind beim Schweißen von Bedeutung. Jedoch wurde das geschaffene Schutzgasplasma als für diese Faktoren nebensächlich angesehen. Wie nachstehend noch bei der Anwendung von bereits bekannten und bevorzugten Gasmischungen noch dargelegt wird, waren die erzeugten Plasmen hinsichtlich Gestalt und Form unregelmäßig und unkontrolliert; sie kamen manchmal sogar während des Schweißverfahrens zum Verschwinden.

Die Anmelderin hat den Einfluß und Stabilisierung des Plasmas ermittel, um sowohl die Güte der Schweiße als auch die Schweißauftragungs­ raten zu verbessern. Somit ist es Hauptzielsetzung der Erfindung, die Gestalt und Form, die Größe sowie Konsistenz des Plasmas zu kontrollieren, das die Elektrode und den Schweißpuddel oder die Schweißverbindung umgibt. Durch die Kontrolle der Gestalt und Größe des Plasmas sowie durch eine genaue Einschränkung des Plasmas an der Elektrode und in der Schweißzone wird die Plasmawärme konzentriert, um so das Elektrodenmaterial schnell zu schmelzen und die Schweißzone vorzuwärmen, so daß die Durchdringung, die Auftragsrate und die Schweißqualität verbessert werden.

Um die Einzigartigkeit aufzuzeigen, wurde eine Reihe von Hochgeschwindigkeitsfilmen (4000 Bilder pro Sekunde) angefertigt, die zum Vergleich des erfindungsgemäßen Plasmas mit denen von zwei anderen, als besonders günstig angesehenen Schutzgasen herangezogen wurden. Die beiden anderen Schutzgase waren im einzelnen das Gemisch (1) aus 85% Argon und 15% Kohlendioxid und das Gemisch (2) aus 100% Kohlendioxid. Die bei der Verwendung dieser Schutzgase ermittelten Auftragungsraten und Schweißqualitäten wurden in bezug auf die Fig. 5-13 verglichen und beschrieben. Da es schwer ist, Hochgeschwindigkeitsphotos in den Patentzeichnungen wiederzugeben, sind in den Zeichnungen Darstellung oder Abzeichnungen von den Vergleichsphotos in den Fig. 14-22 wiedergegeben. Somit stellt jedes der Fig. 14 bis 22 ein Photo dar, das mit einer Geschwindigkeit von 1/4000 Sekunden aufgenommen wurde.

Bei einem Plasma, das durch Beigabe von Argon während eines Schweißvorgangs erzeugt wurde, verändert sich, wie die Hochgeschwindigkeitsphotos zeigen, die Gestalt, die Abmessung sowie, was am wichtigsten ist, die Richtung des Schutzgasplasmas gewissermaßen kontinuierlich während des Schweißzyklus. Während also das bei 74 der Fig. 4 ange­ deutete Plasma eine Augenblicksdarstellung des erfindungsgemäßen Plasmas ist, so variieren die Proportionen des Plasmas zu einem anderen Moment. Bei einem Vergleich der Fig. 14 bis 22 ist ersichtlich, daß die Plasmen verschiedener Schutzgase insgesamt unterschiedliche physikalische und elektrische Eigenschaften haben, was zu großen Unterschieden der Schweißcharakteristiken führt.

In den abgezeichneten Photos der Fig. 14 bis 22 betrugen die Elektrodengrößen 0,13208 cm; die Spannungen lagen im Bereich von 33 bis 38 Volt und die Amperezahlen im Bereich von 350 bis 410 Ampere. Es sei noch angemerkt, daß die Elektrodengröße, die Spannungen und die Amperezahlen im allgemeinen die bei vergleichbaren Schutzgasen, wie Argon/Kohlendioxid/und nur Kohlendioxid, praktisch anwendbaren Größtwerte darstellen.

Im ersten Hochgeschwindigkeitsfilm der Fig. 14 bis 16 besteht das Schutzgas aus 85% Argon und 15% Kohlendioxid. Man beobachte in diesem Falle, daß das Plasma 90 die Elektrode 92 über der Spitze 94 nicht eng umgibt, sondern eher an der Spitze seinen Anfang zu nehmen und die feingeschmolzenen, von der Spitze fallenden Tröpfchen zu verschlingen scheint. Hierbei ist anzumerken, daß die feingeschmolzenen Tröpfchen jedes für sich beträchtlich kleiner sind als der Durchmesser der Elektrode.

Das Plasma 90 trifft auf die Grundwerkstoffplatten 96 und 98 und steigt (Fig. 14-16) nach einem unkontrollierten Zufallsmuster von der Basisbreite w von annähernd 0,508 cm bis 1,016 cm um den Schweißpuddel 100 nach oben und erstreckt sich bis auf eine Höhe h von etwa 1,016 cm. Wenn die Stromdichte nicht unter einen gegebenen Wert gehalten wird, der im allgemeinen 20155 A/cm² nicht übersteigt, möchte das Plasma 90 in seinem regellosen und unkontrollierten Verhalten das geschmolzene Metall vom Schweißpuddel 100 herauswaschen. Die Potentialdifferenz zwischen dem Elektrodenlichtbogen und dem Plasma erlaubt es offensichtlich den beiden nicht, ihre Wärmeenergien wirksam zu verbinden, um ein Größtmaß für die Elektrodenschmelze und für die Grundstoffvorwärmewirkung zu erreichen. Der Film zeigt auch, daß die Größe der Tröpfchen 102 vom Ende der Elektrode einen feinen Sprühstrahl ergeben, der an der Elektrode kein regelmäßiges Muster hinterläßt. Vielmehr trennen sich die Tropfen willkürlich von der einen Seite der Elektrodenspitze und dann von der anderen. Aufgrund des unkontrollierten Verhaltens des Plasmas 90 und des regellosen Abgehens der Tröpfchen von der Elektrode ist es notwendig, die Stromdichte zu begrenzen, um die Tendenz einzuschränken, daß das geschmolzene Metall vom Schweißpuddel herausgewaschen wird.

Zum Zwecke eines Vergleichs der Schweißauftragungs­ raten liegen die Parameter des ersten Films (85% Argon/15% Kohlendioxid) wie folgt:

Drahtgeschwindigkeit
- 1371,6 cm/min
Abschmelzrate	- 7,71 kg/h
Schweißgeschwindigkeit	- 48,26 cm/min

Im zweiten Hochgeschwindigkeitsfilm, deren abgezeichnete Einzelphotos in den Fig. 17 bis 19 wiedergegeben ist, besteht das Schutzgas aus 100% Kohlendioxid. Auch hier umgibt das Plasma 104 die Elektrode nicht sehr viel über der Spitze 108, sondern erstreckt sich allgemein zwischen der Spitze und dem Schweißpuddel 110, wobei es eine sehr geringe Breite von annähernd 0,2032 cm bis 0,3048 cm um den Schweißpuddel und eine Höhe von etwa 0,254 cm aufweist. Es wurde während des Schweißvorgangs beobachtet, daß das Plasma periodisch zu verschwinden oder zu erlöschen scheint. Es ist noch anzumerken, daß das Gesamtplasma ziemlich klein ist. Eine über den Film gelegte Oszillographspur bestätigt das regellose Lichtbogenverhalten, das durch die Kurzschließung bedingt ist. Der Kurzschluß kommt zustande, wenn sich der Tropfen 112 von der Elektrode verlängert und mit dem Werkstück 114-116 in Berührung kommt, um dann in den Schweißpuddel einzutreten.

Die Parameter der Auftragsrate beim zweiten Film (100% Kohlendioxid) sind wie folgt:

Drahtgeschwindigkeit
- 1270 cm/min
Abschmelzrate	- 7,25 kg/h
Schweißgeschwindigkeit	- 48,26 cm/min

Im dritten Hochgeschwindigkeitsfilm, deren abgezeichnete Einzelphotos in den Fig. 20 bis 22 wiedergegeben sind, besteht das Schutzgas aus dem erfindungsgemäßen Gemisch aus 65%-70% Argon, 25 bis 35% Helium, 5-10% Kohlendioxid und 0,1 bis 1% Sauerstoff. Hierbei weist das Plasma 120 eine allgemein auseinandergehende oder kegelförmige Gestalt auf und erstreckt sich von über der Spitze 122 der Elektrode 124 zur Basis, die den Schweißpuddel 126 umgibt, wobei es eine im wesentliche konstante Basisbreite von annähernd 1,016 cm (0,4 in) bei einer Höhe von 0,762 cm (0,3 in) bis 1,27 cm (0,5 in) aufweist. Während die Größe und Gestalt von Plasma 120, wie bereits vermerkt, beim Schweißvorgang fluktuiert, so behält es dennoch seine auseinandergehende oder kegelförmige Gestalt bei und bewahrt ein engumliegendes Verhältnis zur Elektrode und dem Schweißpuddel.

Die Parameter der Auftragsrate beim dritten Film unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schutzgasmischung für Flußstahl sind wie folgt:

Drahtgeschwindigkeit
- 1651 cm/min (650 in/min)
Abschmelzrate	- 10,432 kg/h (23 lbs/hr)
Schweißgeschwindigkeit	- 91,44 cm/min (36 in/min)

Im Verfahren nach der Erfindung lassen die Fig. 20 bis 22 eine Pulsierung erkennen, die beim Plasma in Zusammenhang mit der Ausbildung der Großtropfen 128 auftritt, die vor der Trennung von der Elektrode geringfügig bis wesentlich größer als der Durchmesser der Elektrode sind. Es wurde gemessen, daß diese Tropfen sich mit einer Geschwindigkeit von 800 Stück pro Sekunde bildeten.

Zu Vergleichszwecken ist festzustellen, daß bei einem typischen Kurzschluß- oder Kurzlichtbogen­ schweißen die geschmolzenen Elektrodentropfen mit einer Geschwindigkeit von 90 Stück pro Sekunde übertragen werden und in den Schweißpuddel eindringen. Auch treten die geschmolzenen Tropfen nach dem Verfahren der Erfindung in den Krater ein, ohne daß es dabei zum Verspritzen oder Auswaschen kommt. Man nimmt an, daß das Fortbestehen des eng­ einschließenden Plasmas 120 und die wesentliche Vorwärmung des Grundwerkstoffs 130-132 bedeutend zum Rückhalten der Tropfen im Krater oder der Mulde sowie zur Vermeldung der Verspritzung beiträgt.

Auch liegt die Größe der geschmolzenen Tropfen 128 zumindest bei der des Durchmessers der Elektrode (0,132 cm; 0,052 in) und fällt allgemein in den Bereich von 0,1422 cm (0,056 in) bis 0,32 cm (0,126 in). Die feinen Tröpfchen 102 der Sprühlichtbogenübertragung nach den Fig. 14 bis 16 waren für eine Messung in der Praxis zu klein. Andererseits war es, da die Tropfen 112 der Fig. 17 bis 19 normalerweise durch Kurzschließen übertragen wurden, nicht ausführbar, ihre Größe genau zu bestimmen, obgleich sie wahrscheinlich doch der Dauermessergröße der Elektrode sehr nahe kommen.

Es wird angenommen, daß die Pulsierung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Übertragung von Großtropfen mit hoher Übertragungsrate von 400 bis 1200 Großtropfen pro Sekunde in den Schmelzpuddel bedeutsam zur Verbesserung der Schweißgüte beiträgt, wie dies in bezug auf die Fig. 5 bis 13 bereits beschrieben wurden.

Durch die Verwendung von Elektrodengrößen und Stromdichten beim oder in der Nähe des praktischen Höchstwerts, der bei den bisherigen hohen Auftragungsraten in den GMA-Verfahren genutzt werden konnten, konnten durch die Erfindung der Anmelderin wesentlich verbesserte Schweißauftragungsraten und -eigenschaften erzielt werden. Die Anmelderin erzielt nach vorstehenden Ausführungen anhand der Fig. 5 bis 13 unter Verwendung ähnlicher Betriebsparameter, ausgenommen für Schutzgase, eine gegenüber den bekannten Schweißverfahren um 160% schnellere Auftragungsrate mit zusätzlich verbesserten Eigenschaften der Schweißverbindung.

Durch die Anwendung von Elektrodengrößen und Stromdichten, die wesentlich größer sind als diejenigen, die mit bisher bekannten Schutzgasen oder -gasgemischen praktikabel waren, hat die Anmelderin eine weitgehend verbesserte Qualität der Schweißverbindung sowie sehr viel bessere Auftragungsraten erzielt. Als weiteres Beispiel wurden von der Anmelderin Flußstahlplatten mit einer Elektrode von 0,132 cm (0,052 in) und den folgenden Parametern verschweißt:

Schutzgas
- 65% Argon
	- 26,5% Helium
	- 8,0% Kohlendioxid
	- 0,5% Sauerstoff
Drahtfördergeschwindigkeit	- 3302 cm/min
Abschmelzrate	- 21,23 kg/h
Stromdichte	- 69770 A/cm²
Spannung	- 38-42

In sämtlichen oben angeführten und sonstigen bevorzugten Schweißgasgemischen ist Argon in einer Menge von 0,5 bis 3,5 Teilen pro Volumen pro Volumenteil Helium vorhanden.

Ein weiteres einzigartiges Ergebnis, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt wird, besteht in der Fähigkeit, eine 100%ige Verschweißung von Stahlplatten bis zu einer Dicke von 1,27 cm durchzuführen. Hierbei werden die bei 1,27 cm dicken Stahlplatten aneinanderstoßend ausgerichtet, ohne daß dabei die Stoßkanten vorher aufbereitet werden. Bei Verwenden der erfindungsgemäßen Gasmischung für Flußstahl wird eine erste Schweißverbindung oder Raupe längs der Länge der Stoßkanten auf einer Seite der Platten und dann eine zweite Schweißraupe längs der Länge der Stoßkanten auf der anderen Seite der Platten erstellt. Ein Querschnitt durch die geschweißte Verbindung zeigt, daß die erste und die zweite Raupe sich miteinander verbunden haben oder zusammengeflossen sind, was eine 100%ige Schweißung ergibt. Nach der Kenntnis der Anmelderin wurden derartige 100%ige Schweißungen mit 1,27 cm dicken Stahlplatten mit den bisherigen Gasmetallichtbogenverfahren nicht erreicht.

Claims (8)

1. Elektrisches Gasschweißverfahren zur Verwendung mit einer Schweißpistole mit einer eine Ab­ schmelz-Elektrode aufnehmenden Spitze, einer mit der Spitze koaxial und radial getrennt davon liegenden Düse zum Bilden eines ringförmigen Gasdurchganges, wobei das Verfahren besteht aus den Schritten des Zuführens der Schweißelektrode zur zu verschweißenden Metallverbindung oder -fuge, des Durchleitens eines durch die Elektrode zur Bildung eines elektrischen Lichtbogens zwischen dem Ende der Elektrode und der Metallfuge hindurch­ gehenden elektrischen Stroms, der den Endteil der Elektrode abschmilzt, so daß das abgeschmolzene Elektrodenmaterial an der Schweißfuge aufgetragen wird und diese füllt, und das Hindurchleiten eines Gases durch die Düse an ein Lichtbogenplasma zwischen der Elektrode und der Schweißfuge, gekennzeichnet durch

• a) ein aus Argon, Helium, Kohlendioxid und Sauerstoff bestehendes Schweißgasgemisch,
• b) einen elektrischen Strom einer zur Bildung von geschmolzenen Kügelchen mit einer Rate von 400 bis 1200 Kügelchen pro Sekunde an der Elektrodenspitze geeigneten Größe.
• c) Kügelchen, die eine Durchmesserabmessung von zumindest der Größe des Durchmessers der Elektrode aufweisen.

2. Elektrisches Gasschweißverfahren zum Schweißen von Flußstahl und niedriglegiertem Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Schweißgasgemisch im wesentlichen besteht aus (1) Argon|- 65,0% (2) Helium - 26,5% (3) Kohlendioxid - 8,0% (4) Sauerstoff - 0,5%

3. Elektrisches Gasschweißverfahren zum Schweißen von niedriglegiertem Vergütungsstahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Schweißgasgemisch bestehend im wesentlichen aus: (1) Argon|- 44,00% (2) Helium - 52,00% (3) Kohlendioxid - 3,82% (4) Sauerstoff - 0,18%

4. Elektrisches Gasschweißverfahren zum Schweißen von rostfreiem Stahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Schweißgasgemisch bestehend im wesentlichen aus: (1) Argon|- 41,66% (2) Helium - 55,00% (3) Kohlendioxid - 3,20% (4) Sauerstoff - 0,14%

5. Gasgemisch zur Verwendung in einem elektrischen Lichtbogenschweißverfahren für Flußstahl und niedriglegiertem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch im wesentlichen besteht aus: (a) Argon|- 65,0% (b) Helium - 26,5% (c) Kohlendioxid - 8,0% (d) Sauerstoff - 0,5%

6. Gasgemisch zur Verwendung in einem Lichtbogen­ schweißverfahren für niedriglegierten Vergütungsstahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen besteht aus: (a) Argon|- 44,00% (b) Helium - 52,00% (c) Kohlendioxid - 3,82% (d) Sauerstoff - 0,18%

7. Gasgemisch zur Verwendung in einem Lichtbogen­ schweißverfahren für rostfreien Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen besteht aus: (a) Argon|- 41,66% (b) Helium - 55,00% (c) Kohlendioxid - 3,20% (d) Sauerstoff - 0,14%

8. Schweißgasgemisch gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus 3 Vol.-% bis 10 Vol.-% Kohlendioxid, 0,1 Vol.-% bis 1 Vol.-% Sauerstoff und dem Rest aus Helium und Argon in einem Verhältnis von 0,5 bis 3,5 Volumenteilen Argon für jedes Volumenteil Helium.