Unterpulverschweißen eignet sich hauptsächlich für Flachschweißen. Unter Verwendung bestimmter Hilfsmittel können auch Kehlnahtschweißen und horizontales Schweißen realisiert werden. Die Hauptfaktoren, die die Form und Leistung der Schweißnaht beim Unterpulverschweißen beeinflussen, sind Schweißprozessparameter und Prozessbedingungen. Im Folgenden diskutieren wir hauptsächlich die Situation der Flachschweißposition.
Einfluss der Schweißparameter
Zu den Schweißprozessparametern, die die Form und Größe der Unterpulverschweißnaht beeinflussen, zählen Schweißstrom, Lichtbogenspannung, Schweißgeschwindigkeit und Drahtdurchmesser.
(1) Schweißstrom
Wenn andere Bedingungen unverändert bleiben, wirkt sich die Erhöhung des Schweißstroms auf die Schweißdurchdringung aus (siehe Abbildung 1). Unabhängig davon, ob es sich um eine Y-förmige oder eine I-förmige Nut handelt, ist die Durchdringung unter normalen Schweißbedingungen proportional zur Änderung des Schweißstroms. Dies bedeutet, dass die Wirkung in Abbildung 2 dargestellt ist. Der Strom ist gering, die Durchdringungstiefe ist gering und die Überhöhe und -breite sind unzureichend. Der Strom ist zu groß, die Durchdringungstiefe ist groß und die Überhöhe ist zu groß, wodurch leicht Hochtemperaturrisse entstehen können.
a) I-Stoß b) Y-Stoß
(2) Lichtbogenspannung
Die Lichtbogenspannung ist proportional zur Lichtbogenlänge. Bei gleicher Lichtbogenspannung und gleichem Schweißstrom ist die Lichtbogenlänge unterschiedlich, wenn der gewählte Fluss unterschiedlich ist und die elektrische Feldstärke im Lichtbogenraum unterschiedlich ist. Wenn andere Bedingungen unverändert bleiben, ist die Auswirkung der Änderung der Lichtbogenspannung auf die Form der Schweißnaht in Abbildung 3 dargestellt.
Die Lichtbogenspannung ist niedrig, die Durchdringung groß, die Breite der Schweißnaht schmal und es treten leicht heiße Risse auf: Wenn die Lichtbogenspannung hoch ist, vergrößert sich die Breite der Schweißnaht und die Überhöhe reicht nicht aus. Beim Unterpulverschweißen wird die Lichtbogenspannung entsprechend dem Schweißstrom eingestellt, d. h. ein bestimmter Schweißstrom muss eine bestimmte Lichtbogenlänge aufrechterhalten, um die stabile Verbrennung des Schweißlichtbogens zu gewährleisten, sodass der Variationsbereich der Lichtbogenspannung begrenzt ist.
a) I-Stoß b) Y-Stoß
(3) Schweißgeschwindigkeit
Die Schweißgeschwindigkeit hat Auswirkungen auf die Eindringtiefe und -breite. Normalerweise ist die Schweißgeschwindigkeit gering, das Schweißbad groß und die Schweißnahtdurchdringung und -breite sind beide größer. Das heißt, die Eindringtiefe und die Eindringbreite sind umgekehrt proportional zur Schweißgeschwindigkeit, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die Auswirkung der Schweißgeschwindigkeit auf die Form des Schweißabschnitts ist in Abbildung 5 dargestellt.
Die Schweißgeschwindigkeit ist zu gering, die Menge des geschmolzenen Metalls ist groß und die Schweißnaht ist schlecht geformt: Bei hoher Schweißgeschwindigkeit ist die Menge des geschmolzenen Metalls unzureichend und es kommt leicht zu Unterschnitten. Um beim tatsächlichen Schweißen die Produktivität zu verbessern, muss die Lichtbogenleistung erhöht und gleichzeitig die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden, um die Qualität der Schweißnaht sicherzustellen.
H - Eindringtiefe B - Eindringbreite
Abb. 5 Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Form des Schweißabschnitts
a) I-Stoß b) Y-Stoß
(4) Schweißdrahtdurchmesser
Bei konstantem Schweißstrom, Lichtbogenspannung und Schweißgeschwindigkeit kommt es aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser des Schweißdrahtes zu einer Veränderung der Schweißnahtform.
Der Einfluss der Stromdichte auf die Form und Größe der in Tabelle 1 gezeigten Schweißnaht ist aus der Tabelle ersichtlich. Andere Bedingungen bleiben unverändert, die Eindringtiefe ist umgekehrt proportional zum Durchmesser des Schweißdrahtes, aber diese Beziehung schwächt sich mit zunehmender Stromdichte ab. Mit zunehmender Stromdichte nimmt die Menge an geschmolzenem Metall im Schmelzbad weiter zu, und es ist für das geschmolzene Metall schwierig, sich rückwärts zu bewegen, und die Eindringtiefe nimmt langsam zu. Die Lichtbogenspannung sollte gleichzeitig mit dem Schweißstrom erhöht werden, um die Qualität der Schweißnaht sicherzustellen.
Einfluss der Prozessbedingungen auf die Schweißnahtformung
(1) Einfluss der Form der Stoßnut und des Abstandes
Wenn andere Bedingungen gleich sind, erhöht sich mit zunehmender Nuttiefe und -breite die Schweißnahtdurchdringung, die Schmelzbreite verringert sich leicht und die Überhöhe verringert sich deutlich, wie in Abbildung 6 gezeigt. Bei der Stumpfschweißung kann durch Änderung der Spaltgröße auch die Form der Schweißnaht angepasst werden. Gleichzeitig haben auch die Dicke der Platte und die Wärmeableitungsbedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Schweißnahtbreite und die Überhöhe, wie in Tabelle 2 gezeigt.
(2) Einfluss der Drahtneigung und der Werkstückneigung
Die Neigungsrichtung des Schweißdrahtes wird in zwei Arten unterteilt: Vorwärtsneigung und Rückwärtsneigung, wie in Abbildung 7 gezeigt. Richtung und Größe der Neigung sind unterschiedlich, die Wirkung des Lichtbogens auf die Blaskraft und die Hitze des Schmelzbades ist unterschiedlich und der Einfluss auf die Schweißnahtbildung ist ebenfalls unterschiedlich. Abbildung 7a zeigt die Vorwärtsneigung des Schweißdrahtes und Abbildung 7b zeigt die Rückwärtsneigung des Schweißdrahtes. Wenn der Schweißdraht innerhalb eines bestimmten Neigungswinkels nach hinten geneigt wird, wird die Wirkung der Lichtbogenkraft auf das geschmolzene Metall abgeschwächt und das flüssige Metall am Boden des Schmelzbades wird dicker, sodass die Eindringtiefe abnimmt. Allerdings wird die Vorwärmwirkung des Lichtbogens auf das Grundmetall vor dem Schmelzbad verstärkt, sodass die Schmelzbreite zunimmt. Abbildung 7c zeigt die Wirkung der Rückwärtsneigung auf die Eindringtiefe und -breite. In der Praxis wird die Vorwärtsneigung des Schweißdrahtes nur in einigen Sonderfällen verwendet, beispielsweise beim Schweißen der kreisförmigen Naht von zylindrischen Werkstücken mit kleinem Durchmesser.
Beim Schweißen von Werkstücken mit Neigung gibt es zwei Fälle: Aufwärts- und Abwärtsschweißen. Ihre Einflüsse auf die Schweißnahtbildung sind offensichtlich unterschiedlich, wie in Abbildung 8 gezeigt. Beim Aufwärtsschweißen (Abbildung 8a, b) ist die Schweißnaht zu hoch, wenn der Neigungswinkel größer als 6 bis 12 Grad ist. Auf beiden Seiten treten Hinterschneidungen auf, und die Form wird erheblich beeinträchtigt. In der Praxis sollte das Aufwärtsschweißen vermieden werden. Die Wirkung des Abwärtsschweißens ist der des Aufwärtsschweißens entgegengesetzt, siehe Abbildung 8c, d.
a) Vorwärtsneigung b) Rückwärtsneigung c) Einfluss des Drahtrückneigungswinkels auf die Schweißnahtbildung
(3) Einfluss von Flussmittelansammlungen
Die Höhe des Pulvers für das Unterpulverschweißen beträgt im Allgemeinen 25-40 mm, und der Lichtbogen sollte um den Glühfaden herum eingebettet sein. Bei Verwendung von gebundenem oder gesintertem Pulver ist die Pulverstapelhöhe aufgrund der geringen Dichte 20 bis 50 % höher als bei geschmolzenem Pulver. Je höher die Pulveraufbauhöhe, desto höher die Schweißhöhe und desto geringer die Eindringtiefe.
Einfluss der Schweißprozessbedingungen auf die Schweißguteigenschaften
Wenn sich die Schweißbedingungen ändern, ändern sich auch die Verdünnungsrate des Grundmetalls und das Flussmittelschmelzverhältnis (Flussmittelschmelzmenge/Schweißdrahtschmelzmenge), was sich auf die Eigenschaften des Schweißmetalls auswirkt, wobei Schweißstrom und Lichtbogenspannung einen größeren Einfluss haben. Die Abbildungen 9 bis 11 zeigen die Auswirkungen von Schweißstrom, Lichtbogenspannung und Schweißgeschwindigkeit auf das Flussmittelschmelzverhältnis.
Durch die Änderung des Flussmittelschmelzverhältnisses ändern sich die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes, insbesondere die Zugabe von Legierungselementen zum gesinterten Flussmittel hat den größten Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes. Die Abbildungen 12 bis 14 zeigen die Auswirkungen verschiedener Schweißbedingungen auf den Mn- und Si-Gehalt des Schweißgutes.
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