DE3707436A1

DE3707436A1 - Verfahren und vorrichtung zum auftragsschweissen sowie zur instandhaltung metallischer oberflaechen

Info

Publication number: DE3707436A1
Application number: DE19873707436
Authority: DE
Inventors: Rene Prof Dr Wasserman
Original assignee: Castolin SA
Current assignee: ECG Immobilier SA
Priority date: 1986-03-07
Filing date: 1987-03-09
Publication date: 1987-10-01
Also published as: EP0237488A2; CH670591A5; US4751367A; EP0237488A3; BR8701051A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftrags schweißen und zur Instandhaltung metallischer Ober flächen mittels eines abschmelzenden hohlen Schweißdrahtes unter Verwendung eines Schweißgerätes zur Erzeugung eines Lichtbogens. Außerdem umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens zum Erzeugen eines Schweißstromes mit ausgangsseitigen, einem gleichgerichteten Grundgleichstrom überlagerten Impulsen.

Für das Gebiet des Auftragsschweißens und Reparatur schweißens hat sich als Wärmequelle der elektrische Lichtbogen für das Schmelzschweißen durchgesetzt. Die Schweißstelle wird dabei örtlich erhitzt, bis der Werk stoff zusammenfließt. Der Lichtbogen brennt zwischen dem Werkstück und einer abschmelzenden Schweißelektrode - oder einer nicht abschmelzenden Kohle- oder Edelmetall elektrode - bzw. zwischen mehreren nicht abschmelzenden Elektroden. Beim Auftragsschweißen wird überlicherweise gleicher Zusatzwerkstoff zum Ausbessern von Werkstücken eingeschmolzen oder hochwertigerer Werkstoff als Schutz auftrag gegen Korrosion, Verschleiß od.dgl. aufgebracht.

Es finden Lichtbogenschweißgeräte Verwendung, bei denen einem konventionellen und mit Drehstrom arbeitenden Schweißgenerator ein Hochfrequenz-Impulsstrom aufgedrückt wird, der von einer Schaltung aus Transis toren und Steuerkreisen erbracht wird. Dieses vorbe kannte Lichtbogenschweißgerät verwendet einen mit hoher Frequenz pulsierenden Strom, der insbesondere höher als 1 kHz liegt, mit einem Schaltelement, welches zu einer Schweißlast parallel geschaltet ist und zwar zwischen die Schweißelektrode sowie das zu schweißende Werkstück.

Ein zweites Schaltelement ist in Reihe zur Schweißlast geschaltet. Dadurch werden beide Schaltelemente in Ver bindung miteinander so betätigt, daß ein schnelles Steigen und Abfallen des hochfrequenten Impulsstromes gegeben ist, wobei die Differenz zwischen dem maximalen Gipfelwert und dem minimalen Gipfelwert zur Verbesserung des Schweißeffektes angehoben wird. Dieses vorbekannte Gerät ist für allgemeine Schweißvorgänge gedacht, nicht aber für das abgegrenzte Gebiet des Auftrags- und Re paraturschweißens.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Optimierung von Schweißvorgängen auf dem Gebiete des Auftrags- und Reparaturschweißens zu schaffen und insbesondere zu ermöglichen, daß ein problemloses Schweißen unabhängig von den Zugriffsmög lichkeiten zum Werkstück und der Arbeitslage des Schweißpersonales erfolgen kann. Die durch diese Ziel setzung entstehenden Vorteile sind weiter unten näher erörtert.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt der Grundgedanke, den mit Pulver gefüllten sog. Röhrchenschweißdraht eines Außendurchmessers zwischen 0,8 und 2,5 mm, insbesondere 1,2 und 1,6 mm, mittels eines Gleichstroms zu schmelzen, der sich aus einem Grundstrom und einem diesen überla gernden und im Maximum fünffach höheren Zusatzstrom zusammensetzt, welch letzterer oberhalb des Grundstromes eine periodisch auftretende Charakteristik erzeugt und dessen Frequenz zwischen 1 und 25 Hz liegt. Dazu hat es sich als günstig erwiesen, daß der Grundstrom unter 100 Ampere liegt.

Sogenannte Röhrchenschweißdrähte sind mit verhältnis mäßig starkem Durchmesser an sich bekannt. Der Einsatz sehr dünner Schweißdrähte mit engem kanalartigem Innen raum und diesen füllenden chemischen Bestandteilen aber erlaubt erst die umfassende Lösung der vorgegebenen Auf gabe. Die chemische Zusammensetzung des Pulvers führt zu einer Beschleunigung des Schweißvorganges, einer optima len Deoxidation und Entgasung sowie zu einer festen metallischen Bindung.

Als günstig hat sich ein solcher dünner Hohlschweißdraht insbesondere dann erwiesen, wenn er aus einer Legierung mit etwa 19 Gewichts-% Chrom und etwa 10 Gewichts-% Nickel auf Eisenbasis hergestellt ist.

Dieser Schweißdraht wird aus einem rinnenartig vorgeformten, dann mit dem Pulver befüllten und anschließend geschlossenen Metallband hergestellt, wobei die Pulverfüllung im Durchschnitt etwa 25 Gewichts-% beträgt und erfindungsgemäß aus folgenden Bestandteilen besteht:

7% Mo
3% Fe
5% ZrO2
2% Mn
3% Or
3% Si
1% K
1% Al

Diese Angaben zeigen - wie auch die nachfolgenden - die Größenordnungen, von denen in üblichen Toleranzgrenzen abgewichen werden kann. Ein anderes Ausführungsbeispiel enthält einen hohlen Schweißdraht, aus einem unlegierten Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,1%. Die bevorzugte Füllung setzt sich hier zusammen aus

3% Ti
10% Fe
1% Al
5% CaCO3
3% CaF2
3% Mn

Während des Schweißvorganges werden vom Schweißdraht durch oszillierende Schweißströme in kontrollierten Intervallen mit vorgegebenem Rhythmus kleinste Tropfen bei niedrigem Kurzschlußstrom abgelöst.

Die Oszillation des Schweißstromes, welche die kontrol lierte Steuerung der Tropfenablösung in feinsten Tropfen und deren Transport ermöglicht, ist von wesentlicher Be deutung. Das Aufbringen der Tropfen in Intervallen er laubt den zwischenzeitlichen Abzug von Wärme und unter bindet damit eine örtliche Ueberhitzung.

Hierzu hat es sich als günstig erwiesen, die oberhalb des Grundstromes periodisch auftretende Charakteristik des Zusatzstromes sägezahnförmig auszubilden, wobei be vorzugt die Breite der periodisch auftretenden Zähne am Grundstrom im Verhältnis zum Abstand des Folgezahnes zwischen eins und zehn liegt.

Die vom Erfinder gesehene Aufgabe einer freien Wahl der Schweißposition bzw. Schweißrichtung -- also deren Unab hängigkeit von der Lage des Werkstückes -- wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet; der ge steuerte Tropfentransport erlaubt in der Praxis ein Schweißen gegen die Schwerkraft ohne ungewolltes Zer sprühen in Richtung auf das Schweißgerät.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit verhältnis mäßig geringem Wärmeaufkommen und vermindert gegenüber dem Stande der Technik die thermische Ueberbeanspruchung des zu behandelnden Gegenstandes beispielsweise durch ungewollte Formveränderung.

Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß eine geringe Diffusion in den Basiswerkstoffen entsteht und eine Ver festigung brüchiger Zonen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Schweißgeschwindigkeit selbst zu erhöhen und dies bei der Erzeugung besonders günstsiger Oberflächen.

Im Rahmen der Erfindung liegt die Maßgabe, daß die Schweißlichtbogen-Spannung von etwa 25 V und weniger mit leicht ionisierbaren Zusätzen des Pulvers stabilisiert wird. Letzteres enthält Kohlenstoffanteile in einer Menge von mehr als 1 Gew.-%.

Bei dieser Erfindung handelt es sich im wesentlichen um eine Kombination aus dem Schweißverfahren und dem damit zu verarbeitenden Hilfsmitteln. Von Bedeutung ist auch die Steuerung der Schweißströme durch eine bevorzugte Vorrichtung. Diese ist auf 380 V Eingangsspannung ausge legt, wobei ein Baukastensystem bevorzugt wird mit einer primärgetakteten Grundeinheit und einer Leistung von 200 A bei umschaltbarer Charakteristik von "normal" über "hoch OAV" bis "konstant V". Zur Schweißstromoszillation ist erfindungsgemäß ein Modulator eingebaut.

Um eine höhere Leistungsreserve zu erhalten, werden er findungsgemäß zwei dieser Geräte baulich sowie elektro nisch kombiniert, wodurch eine bessere Nutzung der Primärenergie erfolgt; beide Teile arbeiten im gesteuer ten Taktverfahren ohne Leerlaufzeiten bei voller Leistung.

Die Steuerung erfolgt erfindungsgemäß durch einen in das Gerät integrierten Rechner, so daß die Gerätehandhabung sehr vereinfacht ist.

Im Rahmen der Erfindung zeichnet sich die dafür vorge sehene Vorrichtung durch einen Schweißstromgenerator zur Erzeugung des genannten Gleichstromanteils sowie eine zusätzliche Impulsstromquelle aus, deren Leerlaufaus gangsspannung pulsförmig ist mit einer Pulshöhe, die größer ist als die Leerlaufausgangsspannung des genann ten Schweißstromgenerators. Die Vorrichtung weist zudem eine mit der Impulsstromquelle gekoppelte Steuereinrich tung auf derart, daß in der Impulsstromquelle zur Erzeugung jedes Schweißstromimpulses jeweils eine Reihe von Ausgangsspannungspulen auftritt, daß die Ausgangskreise des Schweißstromgenerators sowie der Impulsstromquelle je eine Gleichrichterschaltung aufweisen und daß diese Ausgangskreise parallel zueinander geschaltet sind.

Außerdem hat es sich als günstig erwiesen, daß die Leer laufausgangsspannung des Schweißstromgenerators eine netzfrequente Ein- oder Mehrphasenspannung ist und/oder die Impulsstromquelle eine Leerlaufausgangsspannung mit einer Pulsfolgefrequenz unterhalb 50 kHz besitzt. Die Pulsfolgefrequenz liegt bevorzugt im Ultraschallbereich.

Die erfindungsgemäße Impulsstromquelle ist als selbstän dig verwendbarer, zur Lieferung eines Gleichstroms bzw. eines Gleichstromanteils mit überlagerten Strompulsen geeigneter Schweißstromgenerator ausgebildet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung be vorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeich nung; diese zeigt in

Fig. 1, 2 zwei Stromzeitdiagramme in schematischer Wiedergabe;

Fig. 3: ein Blockschaltbild;

Fig. 4: eine Schrägsicht auf einen teilweise ge schnittenen Schweißdraht in vergrößerter Dar stellung.

Mit einer insgesamt nicht weiter wiedergegebenen Schweißanordnung für das Auftragsschweißen wird gemäß Fig. 1 über einem - über der Zeit aufgetragenen - Grundstrom S einer Höhe e ein sägezahnförmiger Zusatz strom einer Höhe h mit Oszillationsspitzen H (Kollektor strom in Ampere A) erzeugt. Die am Grundstrom S gemes sene Breite b einer dieser periodisch auftretenden Zähne Z als Charakteristikum des Zusatzstromes liegt im Ver hältnis zum Abstand a des Folgezahnes zwischen eins und zehn.

Diese Schweißanordnung enthält einen Gleichstromschweiß generator 10. Im Sekundärkreis eines Transformators 12 ist in Fig. 2 ein Gleichrichter 14 zu erkennen. Letzerer ist über eine - einen Regelwiderstand 16 enthaltende - Leitung 18 mit einer Anschlußklemme 20 sowie über eine Leitung 19 mit einer anderen Anschlußklemme 21 (Minus pol) verbunden, an welchen Gleichstrom angelegt ist.

An die Leitungen 18, 19 ist durch Leitungen 23, 24 ein zweiter Gleichrichter 26 angeschlossen, zwischen dem und einer Transistorschaltung 30 ein Transformator 28 ange ordnet ist. Letztere ist Teil einer Impulsstromquelle, die beispielsweise aus einem 220 V Einphasennetz ge speist wird. Ein Netzgleichrichter 32 lädt einen Konden sator 34 auf und speist jene Transistorschaltung 30. Diese ist so ausgebildet, daß sie in ihrem Ausgangskreis Spannungsimpulse von einer vorzugsweise im Ultraschall bereich liegenden Frequenz beispielsweise 25 kHz er zeugt, wobei das Tastverhältnis bei etwa 45% liegen kann. Die Spannungsimpulse am Ausgang der Transistor schaltung 30 werden dem Transformator 28 zugeführt, in dessen Sekundärkreis jeder Gleichrichter 26 liegt.

Da die Ausgangsklemmen des Gleichrichters 26 an die An schlußklemmen 20, 21 des Schweißstromgenerators 10 ange schlossen sind, sind also beide Ausgangskreise zueinan der parallel geschaltet. Eine Steuereinrichtung 38 für jene Impulsstromquelle wird ihrerseits von einer Regel einrichtung 40 gesteuert, mit welcher insbesondere die Amplitude bzw. der Amplitudenverlauf der Spannungs impulse am Ausgang der Transistorschaltung 30, sowie deren Frequenz, das Tastverhältnis und die Wieder holungsfrequenz der resultierenden Stromimpulse bzw. deren Auftreten, bestimmt werden können.

Diese Anordnung liefert über die Anschlußklemmen 20, 21 einerseits eine vom Schweißgenerator 10 erzeugte Gleich stromkomponente gewünschter Höhe und anderseits eine Impulsstromkomponente, die von jener Impulsstromquelle ausgeht und durch Spannungsimpulse relativ großer Höhe sowie einer im Ultraschallbereich liegenden Pulsfolge frequenz erzeugt wird. Die überlagerten Schweißstromim pulse können durch die hohen Spannungsspitzen die ge wünschte steile Anstiegsflanke anbieten.

Fig. 3 zeigt einen für das Auftragsschweißen zu verwen denden Schweißdraht 50 eines Durchmessers d von etwa 1,2 mm bis 1,6 mm mit einem kanalartigen Innenraum 51, der aus einer Legierung auf Eisenbasis mit etwa 19 Gew.-% Chrom und etwa 10 Gew.-% Nickel hergestellt sowie mit einem chemischen Gemisch 52 folgender Zusammensetzung gefüllt ist:

7% Mo
3% Fe
5% ZrO2
2% Mn
3% Or
3% Si
1% K
1% Al

Claims

1. Verfahren zum Auftragsschweißen sowie zur Instand haltung metallischer Oberflächen mittels eines ab schmelzenden hohlen Schweißdrahtes unter Verwendung eines Schweißgerätes zur Erzeugung eines Lichtbo gens, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Pulver gefüllte hohle Schweißdraht eines Außendurchmessers zwischen 0,8 und 2,5 mm, insbesondere 1,2 und 1,6 mm, mit einem Gleichstrom geschmolzen wird, der sich aus einem Grundstrom so wie einem diesen überlagernden und im Maximum fünf fach höheren Zusatzstrom zusammensetzt, welch letzterer oberhalb des Grundstromes eine periodisch auftretende Charakteristik erzeugt und dessen Fre quenz zwischen 1 und 25 Hz liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundstrom unter 200 Ampere liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die oberhalb des Grundstromes perio disch auftretende Charakteristik des Zusatzstromes sägezahnförmig ausgebildet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der periodisch auf tretenden Charakteristik am Grundstrom im Verhältnis zum Abstand des Folgezahnes zwischen eins und zehn liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Drehstrom von 380 V in den Gleichstrom umgewandelt und dieser durch Transis toren in einen Wechselstrom hoher Frequenz zerhackt wird, wonach in die wählbare Arbeitsspannung über setzt und diese gleichgerichtet wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißlicht bogen-Spannung von etwa 25 V und weniger mit leicht ionisierbaren Zusätzen des Pulvers stabilisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Kohlenstoffanteile des Pulvers.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kohlenstoffanteile des Pulvers oberhalb 1 Gew.-% liegen.

9. Hilfsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 in Form eines hohlen Schweißdrahtes, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Schweißdraht (50) eines Außendurchmessers (d) zwischen 0,8 und 2,5 mm, bevorzugt zwischen 1,2 und 1,6 mm, aus einer Legierung mit etwa 19% Chrom und etwa 10% Nickel auf Eisenbasis hergestellt ist.

10. Hilfsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 in Form eines hohlen Schweißdrahtes, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Schweißdraht (50) eines Außendurchmessers (d) zwischen 0,8 und 2,5 mm, bevorzugt zwischen 1,2 und 1,6 mm, aus einem unlegierten Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,1% besteht.

11. Hilfsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 in Form eines hohlen Schweißdrahtes, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Schweißdraht (50) eines Außendurchmessers (d) zwischen 0,8 und 2,5 mm, bevorzugt zwischen 1,2 und 1,6 mm mit einer ionisierte Zusätze enthaltenden Pulverfüllung, insbesondere mit Kohlenstoffanteilen über 1 Gew.-%.

12. Hilfsmittel nach einem der Ansprüche 9 bis 11, ge kennzeichnet durch die folgende Füllung etwa 7% Mo
3% Fe
5% ZrO2
2% Mn
3% Or
3% Si
1% K
1% Alwobei die Prozente auf das Gesamtgewicht des Schweißdrahtes (50) bezogen sind bei einem Füllgrad von etwa 25%.

13. Hilfsmittel nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die folgende Füllung etwa 3% Ti
10% Fe
1% Al
5% CaCO3
3% CaF2
3% Mnwobei die Prozente auf das Gesamtgewicht des Schweißdrahtes (50) bezogen sind bei einem Füllgrad von etwa 25%.

14. Vorrichtung zum Erzeugen eines Schweißstromes mit ausgangsseitigen, einem gleichgerichteten Grund gleichstrom überlagerten Impulsen zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des gleichgerichteten Grundstroms ein Gleichstrom- Schweißgenerator (10) und zum Erzeugen des überla gernden Zusatzstromes eine zusätzliche eigene Strom quelle dient, die als zur Lieferung eines Gleich stroms bzw. eines Gleichstromanteils mit überlagern den Stromimpulsen geeigneter Schweißstromgenerator ausgebildet ist, wobei die Ausgangskreise des Gleichstrom-Schweißgenerators und der Zusatzstrom quelle je eine Gleichrichterschaltung (14 bzw. 26) aufweisen und parallel zueinander geschaltet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß die Zusatzstromquelle einen Netzgleichrich ter (32) aufweist, zu dem ausgangsseitig ein Konden sator (34) parallel geschaltet ist und der eine Transistorschaltung (30) speist, die von einer Steuereinrichtung (38) gesteuert wird, wobei die Transistorschaltung in ihrem Ausgangskreis die Spannungsimpulse erzeugt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißgenerator der Zusatzstromquelle aus dem 220 V-Einphasennetz gespeist ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse am Ausgang der Transistorschaltung (30) einem Transformator (28) zugeführt werden, in dessen Sekundärkreis die Gleichrichterschaltung (26) liegt, und daß die Steuereinrichtung (38) ihrerseits von einer Regel einrichtung (40) gesteuert wird, insbesondere zum Bestimmen der Amplitude der Frequenz und der gleichen der Spannungsimpulse am Ausgang der Tran sistorschaltung.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß die Leerlaufausgangs spannung des Schweißstromgenerator (10) eine netz frequente Ein- oder Mehrphasenspannung ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsstromquelle eine Leerlaufsausgangsspannung mit einer Pulsfolgefrequenz unterhalb 50 kHz besitzt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfolgefrequenz im Ultraschallbereich liegt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einer gleichartigen zweiten Anordnung elektronisch zusammengeschaltet ist und beide Vorrichtungen in gesteuertem Taktverfahren arbeiten.