Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1702
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
vom Landesamt für Forschung, Düsseldorf
DK 621.791.753.9:546.212-13
Prof. Dr.-Ing. Aljred H. Henningf
Prof. Dr.-Ing. hahil. Karl Krekelerf
Dipl.-Ing. Hans Wilhelm Rotthaus
Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren
der Rhein.-WestJ. Techn. Hochschule Aachen
Lichtbogenschweißen mit Wasserdampfschutz
WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1966
ISBN 978-3-663-01061-6 ISBN 978-3-663-02974-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-02974-8
Verlags-Nr. 011702
© 1966 by \'Cestdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag·
Inhalt
Vorwort.......................................................... 7
TEIL I
Literaturauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1. Ausgangspunkte................................................ 9
2. Anwendung ................................................... 10
3. Wirtschaftlichkeit .............................................. 12
4. Schweißeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.1. Dampfanlage .............................................. 16
4.2. Schweißgeräte .............................................. 22
4.3. Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
5. Schweißdraht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
6. Grundwerkstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
7. Lichtbogen und Werkstoffübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31
8. Einfluß der Schweißbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
8.1. Polarität .................................................. 36
8.2. Stromstärke ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
8.3. Spannung................................................. 37
8.4. Dampf.................................................... 38
8.5. Düsenabstand und freie Drahtlänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
8.6. Schweißgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41
9. Mischschweißung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
10. Ausblick ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
TEIL II
Experimentelles Schweißen mit Dampfschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
11. Versuchseinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43
12. Versuchswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
13. Schweißbedingungen ........................................... 45
14. Schweißvorgang ............................................... 47
15. Schweißversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
Schlußwort ....................................................... 54
Literaturverzeichnis ................................................ 55
5
Vorwort
Angaben über das Lichtbogenschweißen unter Wasserdampfschutz liegen bisher,
von einigen Veröffentlichungen abgesehen, nur in ausländischer Sprache vor, von
denen die russischen Texte zum größten Teil ins Englische übersetzt sind. Die
einzelnen Autoren berichten voneinander unabhängig über Untersuchungen oder
die Anwendung des Verfahrens in ihrem eigenen Arbeitsbereich, so daß es
angebracht erscheint, diese Teilergebnisse zusammenfassend auszuwerten, um
einen Überblick über den derzeitigen Stand des Wasserdampfschweißens zu ver
mitteln. Daher bildet der erste Teil der vorliegenden Schrift eine Literatur
zusammenfassung während im zweiten Teil die Ergebnisse eigener Versuche
besprochen werden, soweit sie nicht bereits veröffentlicht und im Literaturteil
enthalten sind.
7
TEIL I
Literaturauswertung
1. Ausgangspunkte
Seit dem Jahre 1959 ist sowohl in Rußland als auch in Deutschland die Möglichkeit
bekannt, Wasserdampf als Schutzgas gegen die schädlichen Einflüsse der Atmo
sphäre beim elektrischen Lichtbogenschweißen verwenden zu können.
Das Wissen um diese Möglichkeit, deren Anwendungsbereich zur Zeit noch
erforscht und entwickelt wird, wurde für Rußland besonders durch den Ingenieur
L. S. SAPIRO im Stalinoer Maschinenbaubetrieb LKSN (Ukraine) sowie bei den
»15. Jahrestag der Legion der jungen Lenin-Kommunisten«-Werken und in
Westdeutschland am Institut für Schweißtechnik der Rheinisch-Westfälischen
Technischen Hochschule Aachen begründet und erforscht. Die VEB »Görlitzer
Maschinenbau und »Waggonbau Görlitz«, Halle, führten ebenfalls entsprechende
Untersuchungen durch.
Trotz des zeitlichen Zusammentreffens der Entdeckung dieses Schweiß verfahrens
entstand der Gedanke doch aus verschiedenen Ursachen:
In Rußland [1] führte feuchtes Schweißpulver zu der Entwicklung des Schweiß
verfahrens : Feuchtes Schweißpulver hatte eine poröse Schweißnaht erzeugt, deren
Porosität jedoch mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt eine obere Grenze fand,
Schema der Versllchsal1/age
~---------------------------- ~-~--~
0-"
~,;.oo
/ f-----r----'
:I
3
Abb. 1 Versuchsaufbau zum Schweißen an wasserüberspülten Werkstücken
1. Werkstück 4. Drahtvorschubgerät
2. Schweißkopf 5. Meßinstrumente
3. Wasserbehälter 6. Stromquelle
9
der eine Verringerung der Porenbildung folgte. Bei der Untersuchung des
Feuchtigkeitseinflusses im Schweißpulver gelangte man schließlich zu Versuchen,
die ausschließlich der Entwicklung eines Verfahrens gewidmet waren, Wasser
dampf allein als Schutzmedium für das Lichtbogenschweißen verwenden zu
können.
In Deutschland [2] stellte man fest, daß sich beim Schweißen an wasserüberspülten
Werkstücken (Abb. 1) um den Lichtbogen herum eine Dampfzone bildete, die
möglicherweise als Schutz gegen die Atmosphäre dienen konnte. Derartige Nähte
(Abb. 2) zeigten niedrige Porosität bei guter Durchschweißung, während trockene
Schweißung ohne Schutzmittel mit blankem Draht stets Nähte von großer
Porosität ergab.
Abb. 2 Wasserüberspülte Schweißung
Schweißstrorn I = 250 A Wasserhöhe = 1 rnrn
Schweiß spannung U = 39 V Schweißgeschwindigkeit Vw = 20 crnjrnin
2. Anwendung
Das wasserdampfgeschützte Schweißen zeigt als ein Charakteristikum [2], daß
sein Lichtbogen keinen echten Kern ausbildet. Deswegen schien es zunächst, als
ließe sich das Verfahren nur im Bereiche des Auftragsschweißens anwenden
[23,24]. Hierbei wiesen die Nähte wiederum einen hohen Grad an Oxydation auf,
was dazu führte, daß nur Eisen- und Stahlgußstücke von niedrigem Legierungs
gehalt geschweißt werden konnten [16]. Damit war das Verfahren zunächst auf
die Reparatur von solchen 25L- und 35L-Stählen beschränkt, die man anderer
seits auch von Hand mit TsM-7-Elektroden hätte schweißen können [16]. Hier
allerdings bewährte sich das Verfahren derart, daß es später sogar halb- und voll
automatisiert werden konnte.
Trotz der Nachteile wandte man diese Schweißmethode nicht nur bei Ein- und
Mehrlagenauftragungen an, sondern hat auch untersucht, wie sich Stumpf- und
Überlappungsschweißungen durchführen ließen [2]. Bei der schnell und umfang
reich durchgeführten Entwicklung begann man in Rußland schon bald, das neue
Schweiß verfahren in die Praxis einzuführen. Es wurden netzartige Gitter aus
1, 5-2mm dicken Blechen hergestellt, die nur geringen Belastungen unterlagen [15].
Auch zeigte es sich geeignet bei der Verschweißung von Pipelineröhren [21],
besonders wegen der billigen Herstellungsweise des Schutzgases. Neben Ver
suchen, mit Vibro-arc-Verfahren [18] Oberflächenhärtungen durchzuführen, ent
wickelte man das Schweiß verfahren schließlich auch zur halb- und vollauto
matischen Anwendung an konstruktiven, meist leicht, später auch schwer belast
baren Werkstücken und benutzte dabei meist unberuhigte und niedrig legierte
10
Stähle [12]. Es bewährte sich gut bei der Herstellung von landwirtschaftlichen
Geräten (z. B. von Rahmen für Pflüge), bei denen sich die Grundsätze verwirk
lichen ließen [5]:
1. Das Werkstück soll von geeigneten Ausmaßen und die Schweißstelle gut
zugänglich sein.
2. Die Schweißnähte sollen von entsprechender Länge sein, daß nach Möglichkeit
kein Neuansetzen nötig ist.
Abb. 3 zeigt Schnittbilder von Schweiß verbindungen, die sich mit dem neuen
Schweiß verfahren herstellen ließen:
a) Stoßverbindungen (Trommel von Grubenwinden)
b) zweiseitig präparierte Stoßnaht (Nabe einer LMG-Winde)
c) Überlappungsschweißung (Konstruktion am Krankopf)
d) einseitig präparierte Stoßnaht (Walze)
c) <I)
Abb. 3 Schweißverbindungen
In etwa vierzig verschiedenen Fällen [12] hat man das Lichtbogenschweißver
fahren mit Wasserdampf bisher untersucht und angewendet für die Herstellung
von Chassis für Bagger des Typs E-505, Treppen für TK 40, Treckeranhänger,
Zementmischerrahmen, Kästen, Kranbauteile usw. Ferner [5] eignen sich die
mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte für die Herstellung von Trommeln
für die Grubenaufzüge der Typen LS-2, LS-4, LMG und LPT, von Naben für
LMG-Aufzüge, Rollen für Transporter von Schaufelradbaggern, bei Konstruk
tionen von Hebemaschinen u. a. besonders im Untertagebau verwendeten Ma
schinen und Geräten.
Andere Anwendungsgebiete sind in der Erforschung.
Beim Wasserdampfschutzgasschweißen von Metallkonstruktionen werden sowohl
an die Ausrüstung als auch an die Geschicklichkeit des Arbeiters höhere Anforde
rungen gestellt als bei anderen Schweißverfahren. Prinzipiell ließ sich das Ver
fahren bislang nur erfolgreich in Horizontallageanwenden.
11
3. Wirtschaftlichkeit
Die Produktivität gibt Auskunft über die absolut erhaltenen Abschmelzbeträge,
die sich dann auf Stromverbrauch, Anschaffungskosten, Verluste usw. relativieren
lassen. Hierzu als Beispiel die folgende Tabelle, die auch gleich die durch Spritzen
und Verbrennen entstandenen Verluste [3] angibt.
Schweiß draht Abschmelzleistung Verluste Schweißdaten :
g/Ah %
Draht-0 = 2 mm
I = 250A
Sv-08 G2SA 20 25 U = 37V
Sv-08 17 25
Sv-l0 GS 20 26
Sv-30 KhGSA 25 17
Sv-08 GSA 20 20
[22] gibt einige Tabellen, die die Berechnung der Abschmelzbeträge an Hand von
Drahtvorschub und Drahtdurchmesser zulassen. Zudem stehen in bezug auf die
ausgeführten Angaben weitere Relativierungsmäglichkeiten frei:
Grundwerkstoff Draht-0 Stromstärke Spannung Draht- Düsen-
vorschub abstand
mm A V m/min mm
St-38 b-2 1,6 180 32 3,30 22
1,6 170 33 3,92 22
1,6 190 35 3,70 22
1,6 180 35 4,40 22
1,6 230 37 5,32 22
1,6 220 36 5,32 22
2,0 200 36 2,20 20
2,0 240 37 3,08 16
2,0 190 34 2,72 22
St-38 b-2 1,6 130 34 2,1 25
1,6 160 40 4,2 20
1,6 190 34 4,0 22
2,0 240 39 4,7 24
St-38 b-2 1,6 190 34 4,0 20
1,6 200 34 5,0 20
St-38 b-2 1,6 200 37 4,7 20
1,6 220 36 6,0 20
1,6 220 35 4,7 20
1,6 220 36 4,6 20
12
Nach [6] läßt sich ein Elektrodenabschmelzfaktor definieren: »Die Größe des
Elektrodenabschmelzfaktors CXm = J(I) wird über die Berechnung des Abschmelz
betrages Vm = J(I) ermittelt.« Abb. 4 zeigt dabei den linearen Zusammenhang
+
zwischen Vm und I: Vm = AI B.
V
m
rnrnls
120+-----~----~--~~~~~
40~----7r.r---~------~--~
100 180 260 340 I [Al
Abb. 4 Abschmelzbetrag
Als zweite Gleichung gilt:
40 Gm
Vm =--
nd2yt
mit:
Gm Gewicht des geschmolzenen Schweißdrahtes (g)
d Schweißdrahtdurchmesser (cm)
y spezifisches Gewicht
t Schweißzeit (sec)
Der Elektrodenabschmelzfaktor CXm = Gm 3600 wird damit geschrieben wie folgt:
I· t
+ (.1
CXm -_ nd2Y11m -_ K -t'm -_ Al B -_ K L" +B-)
401 I I . I
Die Beziehungen CXm = J(I), die in Abb. 5 gezeigt werden, zeigen an, daß der
Elektrodenabschmelzfaktor für Wasserdampf höher liegt als der für Kohlendioxyd
oder der für das Schweißen mit ummantelten Elektroden.
Der Auftragsfaktor für TsM-7-Schweißdrähte ergibt sich zu 11,5 g/Ah, bei
OMM-Drähten zu 8-8,5 g/Ah und bei Sv-08-G2 SA-Drähten zu 17-19 g/Ah.
Die Frage nach der Produktivität ist eng gekoppelt mit der Frage nach der
Rentabilität. Dieser Ausdruck gibt das Verhältnis der Produktivitäten der ver
schiedenen Schweiß verfahren zueinander an. Da Verfahren nur dann sinnvoll
weiteren Forschungen unterzogen werden können, wenn sie sich als für die Praxis
13
