Untersuchung des Haftungsmechanismus von Schweißspritzern auf Gasdüsen

Abstract

Anhaftende Schweißspritzer auf Gasdüsen verursachen in automatisierten Schweißprozessen Prozessunterbrüche oder führen zu Verkürzungen der Standzeit der Gasdüsen. Das Verringern oder Unterbinden des Anhaftens würde zu einer Erhöhung der Produktivität der Schweißprozesse bzw. Verlängerung der Gasdüsenstandzeit führen. Durch den Einsatz einer adaptierten Lichtbogendrahtspritzanlage ist es möglich Schweißspritzer in Form von Metalltropfen zu reproduzieren. Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass der Benetzungswinkel der Metalltropfen mit steigender Substrattemperatur abnimmt. Bei der Versuchsreihe mit den transparenten Werkstoffen waren die Anti-Spatter-Eigenschaften bei Polycarbonat im Vergleich zu Glas trotz der geringeren Erweichungstemperatur signifikant besser. Dies hängt mit dem Verdampfen des Polycarbonates beim Aufprall des Schweißspritzers und der sich dabei bildendend Sperrschicht zusammen. Dadurch wird ein Anhaften des Schweißspritzers reduziert oder unterbunden. Derselbe Effekt war auch bei einer Anti-Spatter-Beschichtung zu beobachten. Die Untersuchungsergebnisse aus den Schweißversuchen haben gezeigt, dass es drei unterschiedliche Haftungsmechanismen von Schweißspritzern auf Kupfergasdüsen gibt. Beim ersten Haftungsmechanismus handelt es sich um eine mechanische Verankerung. Der Schweißspritzer passt sich beim Aufprall der Gasdüsenoberfläche an, erstarrt und verankert sich dadurch in den Riefen oder Poren der Gasdüse. Beim zweiten Haftungsmechanismus findet die Haftung über Oxide statt. Auf dem flüssigen Schweißspritzer bilden sich in einer Atmosphäre mit Sauerstoff Fe-Si-Mn-Oxide. Beim Aufprall auf der Gasdüsenoberfläche kommt es durch die Oxide zwischen dem Kupferoxid der Gasdüse und dem Schweißspritzer zu einer Bindung. Der dritte Haftungsmechanismus ist die Mikroverschweißung. Die Kupferoberfläche wird durch den Schweißspritzer partiell angeschmolzen. Es kommt zu einer Mikroverschweißung zwischen dem Schweißspritzer und der Kupfergasdüse. ¿ Untersuchungen mit vernickelten Kupfergasdüsen haben keinen nennenswerten Unterschied beim Anhaften von Schweißspritzern im Vergleich zu unbeschichteten Kupfergasdüsen aufgezeigt. Bei den versilberten Kupfergasdüsen ist es zwischen den Schweißspritzern und der Gasdüse zu einer partiellen Verlötung gekommen. Die Schweißversuche mit Magnesium als Gasdüsenwerkstoff haben gezeigt, dass es zwischen dem Schweißspritzer und dem Magnesium zu einem starken Anhaften kommt.

By using of a modified Arc Wire Spraying System it is possible to reproduce weld spatter like metal droplets. The results showed that the contact angle of the metal droplets decreases with increasing temperature of the substrate material. Tests with transparent materials indicated that anti spatter properties of polycarbonate perform much better than those of glass although polycarbonate has a lower thermal softening temperature. When the hot weld spatter hits the surface of the polymeric material, it triggers a decomposition of the upper surface layer beneath the weld spatter due to the intense heat transfer within a very short time. This leads to the formation of gaseous products acting as a barrier that hinders or reduces the adhesion of the weld spatter onto the substrate. A similar effect could be observed with anti-spatter coatings. The welding tests with gas nozzles from copper indicated that there are three different ways by which weld spatter adheres onto the gas nozzle. The first mechanism is the mechanical anchoring, i.e., after the impact, the weld spatter flows into the grooves and pores of the gas nozzle and anchors. The second mechanism is adhesion based on the formation of oxides. Due to the presence of oxygen in the welding atmosphere, Fe-Si-Mn oxides are developing on the surface of the molten droplet. After the impact of the weld spatter onto the gas nozzle, it comes to adhesion between the copper oxides of the gas nozzle and the Fe-Si-Mn oxides of the weld spatter. Finally, the third mechanism is micro welding between the weld spatter and the copper gas nozzle. In this case, the surface of the copper gas nozzle is partly fused to the droplet due to the energy input of the molten weld spatter. The investigations also delivered that gas nozzles coated with nickel did not clearly indicate a better resistance to weld spatter adhesion in comparison with copper gas nozzles without coating. However, tests with gas nozzles with a silver coating resulted in a partial brazing between the coating and the weld spatter. Moreover, further tests with magnesium as a gas nozzle material showed a very strong adhesion of weld spatter after the impact.