Improvement of thewelder’s environmentthrough consumable

product development

TOPTIG: robotic TIGwelding with integrated wirefeeder assures weld speed

and weld quality

Investigation into weldingfume formation in FCAW

under CO2

Schweißzusätzezur Verbesserung der

Arbeitbedingungen derSchweißer

TOPTIG: WIGRoboterschweißen mitKaltdrahtzufuhr bringt

Schweißqualität undGeschwindigkeit

Untersuchungen zurSchweißrauchemission beiFülldrähten unter CO2

www.oerlikon-welding.com

N°1M

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The technical journal of Oerlikon welding and cutting expertise.

Das technische Magazin von Oerlikon.Kompetenz für Schweißen und Schneiden.

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May 2007 - Mai 2007

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Air Liquide Welding ist ein internationaler Konzern mit einemMarkenportfolio, abgestimmt auf die landesspezifischenAnforderungen unserer Kunden. Die international bekannte MarkeOerlikon ist ein wichtiger Bestandteil unseres Portfolios undverfügt über eine lange und erfolgreiche Geschichte bei derEntwicklung von Schweißprodukten, deren Eigenschaften undNamen weltweit in der Industrie Maßstäbe setzen und auch alsMeßlatte dienen. Diese kontinuierliche Produktinnovation sieht dieAir Liquide als Ergebnis einer anhaltenden Forschung undEntwicklung auf hohem technischen Niveau. Wir sind stolz darauf,diese Arbeit im Air Liquide Forschungszentrum CTAS (Centre desApplications de Soudage) sowie durch eine intensiveZusammenarbeit mit externen Forschungs- undEntwicklungseinrichtungen weiterzuführen.

In diesem Sinne wurde vor kurzem die Oerlikon Produktpaletteerweitert, um den gestiegenen Marktanforderungen gerecht zuwerden. Es umfasst jetzt zusätzlich Geräte und Anlagen auchfür den Automationsbereich, die das umfassende Angebotan Schweißzusätzen ergänzen. Oerlikon verfügt über einKomplettangebot an innovativen Schweißprodukten, die spezielldafür entwickelt wurden, den Anforderungen vielerMarktsegmente gerecht zu werden. So zum Beispiel imEnergiesektor, wo Oerlikon Schweißzusätze eine hohe Qualität beider Lösung schwierigster Anwendungsfälle garantieren.

Wir freuen uns, Ihnen “Oerlikon Competence” vorzustellen, einFachmagazin, das technische Artikel zu unseren neuestenEntwicklungen in der Schweißtechnik enthalten wird. OerlikonProdukte entstehen aus der Entwicklungsarbeit vonExperten-Teams in der Schweißtechnik, die sowohl auflokaler als auch auf internationaler Ebene arbeiten. DieseMitarbeiter stehen gerne zur Verfügung, die Einsatzmöglichkeitenin Ihrer Fertigung zu diskutieren und Vorteile aufzuzeigen.

Wir wünschen Ihnen viel Freude beim Lesen von “OerlikonCompetence”.

Air Liquide Welding is an International Group with a brandportfolio optimised locally to the needs of all types ofcustomers. The internationally recognized Oerlikon brand isan important part of this portfolio and has a long anddistinguished history of innovation in welding products, withperformance characteristics and trade names which haveboth served to set and become the “industry standard” -globally. Such continuous product innovation is recognizedby Air Liquide to be a direct function of a long-termcommitment to high quality Research and Development.This is a tradition, which we are proud to continue at the AirLiquide, “Centre des Applications de Soudage” or CTAS andby extensive ongoing investment with external R & Dcollaborations.

In addition, the Oerlikon product range has been recentlyexpanded to cover the wider requirements of the industrialfabrication markets, to include additional equipment andwelding automation capability, to complement thecomprehensive ranges of welding consumables. Oerlikon isa full range of high technology and innovative weldingproducts, designed to meet the particular needs of specificmarket segments, such as Energy, where Oerlikon weldingconsumables gained their reputation as being synonymouswith high quality welding solutions for challengingapplications.

We are pleased to introduce Oerlikon “Competence”, ajournal which will contain technical articles on our latestdevelopments in welding technology. Oerlikon products arebacked by teams of welding technologists, working bothlocally and internationally. They will be pleased to discussthe relevance of these developments to your fabricationactivities and how they may be utilised to improvecompetitive advantage.

We hope you will enjoy reading Oerlikon “Competence”.

Eugène PONT - CEO Air Liquide Welding

EXPERTISEForeword

KOMPETENZVorwort

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May 2007 - Mai 2007

CompetenceEinleitungHerzlich willkommen bei “Competence”, dem Oerlikon-Fachmagazinfür Schweißtechnik. In jeder Ausgabe stellt Ihnen Oerlikon neuetechnische Entwicklungen, ihren Hintergrund und die Anwendungs-möglichkeiten vor, die sich daraus in der Praxis ergeben. In der erstenAusgabe finden Sie drei Artikel. Zwei davon beschäftigen sich mitSchweißrauch und Zusatzwerkstoffentwicklungen zur Verbesserungder Arbeitsbedingungen beim Schweißen. Im dritten Artikel geht es umein leistungsstarkes, Qualitäts-WIG-Schweißverfahren.

“Schweißzusätze zur Verbesserung der Arbeitsbedingungender Schweißer” von Bruno Leduey et al., betrachtet dieEigenschaften des Schweißrauchs und seiner Entstehung. Hierwird die technische Entwicklung einer Produktreihe vonFülldrähten und Stabelektroden mit deutlich verringerterSchweißrauchentwicklung besprochen, wobei die wesentlichenVerarbeitungseigenschaften erhalten bleiben. Diese Technologiewurde bei der Entwicklung von Stabelektroden fürkorrosionsbeständige Stähle umgesetzt, die deutlich geringereAnteile an sechswertigem Chrom im Schweißrauch aufweisen,unter Beibehaltung der herausragendenAnwendungseigenschaften. Diese Entwicklungen zurVerbesserung der Arbeitsbedingungen werden als OerlikonCRISTAL Produkte angeboten und sind jetzt im Handel erhältlich.

Bei “Untersuchung zur Schweißrauchemission bei Fülldrähtenunter CO2” von Liberati et al., handelt es sich um einegrundlegende Untersuchung der Eigenschaften desSchweißrauchs, die durch verschiedene wissenschaftlicheTechniken erforscht und bestimmt wurden. Dazu gehörenRöntgenspektrographie, energiedispersive Spektrographie undverschiedene elektronenmikroskopische Verfahren. DieserAnsatz führte zur Entdeckung der hauptsächlich kristallinenStruktur der festen Schweißrauch-Bestandteile. DieBeobachtungen ergaben eine vollständige Beschreibung derMorphologie des Schweißrauchs sowie eine Definition derZusammenhänge zwischen dem Werkstoffübergang und derRauchmenge, die beim Schweißen entsteht.

In “TOPTIG: WIG-Roboterschweißen mit Kaltdrahtzufuhrbringt Schweißqualität und Geschwindigkeit”, von T.Opderbecke et al., geht es um ein neues WIG-Verfahren zumRoboterschweißen, das die Qualität des WIG-Schweißens mitder Produktivität des MIG-Schweißens verbindet. Es wird dieEntwicklung eines neuartigen Brenners beschrieben, bei demdie Drahtzufuhr in einem spitzen Winkel zur Wolframelektrode,durch die Gasdüse hindurch erfolgt. Außerdem werden weiteretechnische Funktionen vorgestellt, wie ein automatischerElektrodenwechsler, eine Doppel-Gasdüse und ein Push-Pull-Drahtfördersystem. Einsatzmöglichkeiten wurden zusammen mitder Automobilindustrie entwickelt und zwar zum Löten verzinkterStahlkomponenten mit CuSi3-Draht ganz ohne Spritzerbildung.Andere Einsatzmöglichkeiten sind das Hochgeschwindigkeits-Qualitäts-Schweißen von rostfreiem Stahl oder Aluminium zumBeispiel in der Lebensmittel- oder Transportindustrie.

Wir hoffen, “Oerlikon Competence” ist auch für Sie interessant undinformativ. Um die nächsten Ausgaben zu erhalten, füllen Sie bitte dieAntwortkarte aus und schicken Sie diese an uns zurück oderregistrieren Sie sich einfach auf www.oerlikon-welding.com.

Vielen Dank-David Taylor - Oerlikon Brand Manger - Air Liquide Welding

CompetenceIntroductionWelcome to “Competence”, the journal of Oerlikon weldingtechnology. Each issue will contain technical articles designed toillustrate recent technological developments from Oerlikon, theirbackground and the consequent fabrication opportunities.This first edition features three articles, two concerned with weldingfume and consumables development to improve the weldingenvironment and the third with a new highly productive, high qualityTIG welding process.

“Improvement of the Welder’s Environment throughConsumables Product Development” by Bruno Leduey et al,reviews the nature of welding fume and its origins. Thetechnological development of a range of cored wires andmanual metal arc electrodes with very substantially reducedwelding fume generation is described, while retaining leadingedge operating characteristics. In addition, this technologyhas been further applied to develop a range of stainless steelmanual metal electrodes producing significantly reduced levelsof hexavalent chromium in the welding fume, again whileretaining class-leading operability. Designed to improve thewelding environment, these new ranges of products aremarketed as Oerlikon CRISTAL and are now commerciallyavailable.

“Investigation into Welding Fume Formation in FCAW underCO2” by Liberati et al, is a fundamental investigation into thenature of welding fumes, which were studied andcharacterised by means of various scientific techniques,including X-ray diffraction, energy dispersive spectroscopyand a variety of electron microscopical techniques. Thisapproach resulted in the identification of the main crystallinestructure of the solids in welding fume and the observationsmade have allowed the complete description of themorphology of the welding fumes and for the definition of therelationship between the metal transfer mode and quantity offumes generated during welding.

“TOPTIG: Robotic TIG Welding with Integrated Wire Feederassures Weld Speed and Weld Quality”, by T. Opderbecke etal, concerns a new robotic TIG welding process whichcombines the quality of TIG welding with the productivity ofMIG welding. The development of a novel torch design isdescribed, where the wire feed is oriented in an angle close tothe tungsten electrode, traversing the gas nozzle. Severaltechnical features are associated with the new torch design,such as an automatic electrode change, a double flow gasnozzle and a push pull wire feeder. Applications have beendeveloped in partnership with the automotive industryfor the weld-brazing of galvanised steel components usingCuSi3 wire, without generating spatter: Other applicationsinclude the high speed, high quality welding of stainlesssteel or aluminium, for instance in the food and transportindustries.

We hope you will find “Oerlikon Competence” both informative anduseful. To register for an automatic copy of future editions, pleasecomplete and return the information card or alternatively send yourdetails to www.oerlikon-welding.com.

Thank you,David Taylor - Oerlikon Brand Manger - Air Liquide Welding

May 2007 - Mai 2007

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Schweißzusätzezur Verbesserungder Arbeitsbedingungender Schweißer

Zunächst werden die wesentlichen Prinzipien derEntstehung von Schweißrauch vorgestellt. BeimMIG/MAG-Schweißen ist die Auswahl desSchutzgases von entscheidender Bedeutung, wenndie Bildung von Schweißrauch und Spritzern beimSchweißen minimiert werden soll. In verschiedenenBeispielen wird gezeigt, wie durch eine Anpassung derFormeln eine erhebliche Reduzierung derSchweißrauchemission erzielt werden kann. Eswurden immer die „Standard“- Fülldraht- oderStabelektroden mit den entsprechenden Typen mitverringerter Schweißrauchemission verglichen.Speziell bei CRISTALTM Elektroden fürkorrosionsbeständige Stähle ermöglicht die neueHüllenzusammensetzung eine Reduzierung derEmission von sechswertigem Chrom auf 1/8 desWertes von marktüblichen Standardelektroden, ohnedie guten Schweißeigenschaften zu beeinträchtigen.Außerdem sind diese Produkte mindestens eineRauchgasklasse tiefer eingestuft als die zurzeit aufdem Markt verfügbaren Standardprodukte.

Einleitung

Das Lichtbogenschweißen hat eine Reihe gesundheitsschädlicherWirkungen (UV-Strahlung, Lärm, Schweißrauch, Spritzer, …), dieindividuelle und allgemeine Schutzmaßnahmen zwingenderforderlich machen, um die Gesundheit der Schweißer und desPersonals, das in der Umgebung der Schweißplätze arbeitet, zuschützen.

Trainingspläne für das Bedienpersonal helfen dabei, sich desRisikos bewusst zu bleiben und Fortbildungen für Schweißersensibilisieren sie für die richtige Einstellung der Parameter, fürdie Risiken am Arbeitsplatz, aber auch für den richtigen Einsatzvon Lüftungs- und Absaugungsanlagen.

Die Daten der Rauchgasemission, die nach den Methoden derISO EN 15011 leicht zu erfassen sind und die Berücksichtigung

Improvement of thewelder’s environmentthrough consumableproduct development

The guiding principles of the formation of weldingfumes are discussed.In MIG/MAG welding, the choice of shielding gas isof primary importance in order to minimize thequantity of fume and spatter emitted duringwelding. In addition, several examples will beused to illustrate how it is possible by the means

of the formulation tostrongly decrease the fumeemission rate between"standard" flux cored wiresor coated electrodes andtheir corresponding "lowfume" versions. A judiciouschoice of the raw materialsused during the manufactureof these products, and

particularly for CRISTAL™ stainless electrodes,resulted in the reduction of the quantity ofhexavalent chromium emitted by a factor 8 comparedto the corresponding standard electrodes, withoutsacrificing operating characteristics. Moreover,these products are classified at least a category offume below the standard products currentlyavailable on the market.

Introduction

Arc welding is at the origin of a certain number of harmfuleffects (UV radiation, noise, fume emission, spatter,…) whichrequire the use of individual and collective protectionequipment in order to preserve the health of the operatorsand working personnel in the vicinity of welding. Trainingschemes for the operators make it possible to raiseawareness of these risks. Ongoing training of weldersimproves the understanding of the importance of the correctadjustment of the welding parameters, the risks of exposure,but also the correct use of ventilation and the aspiration ofthe work place. The data for fume emission rate is readilyappraised using the methods defined by ISO EN 15011,which considered with the actual working conditions in theworkshop, can help to define the most suitable type ofventilation required. However, it is not always easy to

Key words• MIG/MAG• Flux cored wire• Coated electrode• Welding fume • Shielding gas• Metal transfer• Hexavalent chromium

Schlüsselbegriffe• MIG/MAG • Fülldrahtelektroden• Umhüllte Stabelektroden • Schweißrauch• Metallübergang • Sechswertiges Chrom (CrVI )

der realen Arbeitsbedingungen in der Werkstatt, helfen dabei,die richtige Art der Lüftung und Absaugung festzulegen.

Bedingt durch die zum Teil sehr unterschiedlichenGegebenheiten beim Schweißen – Position, Zugänglichkeit etc.– ist es oft nicht einfach den optimalen Wirkungsgrad dieserAnlagen zu garantieren. Deshalb hat jede Verringerung gesund-heitsschädlicher Stoffe schon an der Entstehungsstelle positiveAuswirkungen auf die Arbeitsbedingungen.

Aufgrund des vorliegenden Berichtes hat sich die Air LiquideGruppe vor einigen Jahren entschieden, einen wesentlichen Teilihrer Forschungsarbeit der Verbesserung der Arbeitsbedingungender Schweißer zu widmen und umweltfreundlichere Produkteherzustellen. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Eigen-schaften der Produkte gegenüber den Standardtypen sich nichtnachteilig verändern, um die Produktivität nicht zubeeinträchtigen.

Grundlagen der Bildung von Schweißrauch

Beim Schweißen entstehen Rauchpartikel und mehr oderminder toxische Gase. Die Rauchpartikel bestehen ausagglomerierten Metalloxiden verschiedener Größen (0.005-20 µm),die durch die Verdampfung von Teilen des Grundwerkstoffesund insbesondere auch des Schweißzusatzes entstehen.

Bei den Gasemissionen handelt es sich meist um Ozon,Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide, NOx. Ozon entsteht durchdie Wirkung der UV-Strahlung des Lichtbogens auf denSauerstoff in der Umgebung. Diese Sauerstoffverbindung istein starkes Oxidantium und sehr instabil und reagiert spontanim Kontakt mit Metalldämpfen. Die Ozonmenge hängt vomverwendeten Verfahren sowie von der Art des Schutzgasesund des Produktes ab. Beim TIG-Verfahren ist die Ozonmengeim allgemeinen gering. Beim MIG/MAG-Verfahren entstehen

die größten Ozonmengen beimSchweißen von Aluminiumlegierungen,die kein Magnesium enthalten.Magnesium führt zu starkerRauchentwicklung (niedrigerVerdampfungspunkt), das die Ozon-moleküle zerstört.

Kohlenmonoxid ist der bedeutendsteSchadstoff beim MAG-Schweißen,besonders beim Verarbeiten vonunlegiertem Stahl mit Schutzgasen, diehauptsächlich CO2 enthalten. Dieentstehende CO-Menge ist proportionalzum CO2- Gehalt des Schutzgases (Bild 1).Es ist jedoch aus Gründen derVerarbeitungseigenschaften schwierig,diesen Zusatz vollständig aus demSchutzgas herauszunehmen.

Die entstehenden Stickoxide, NOx, liegen meist in Form vonStickstoffdioxid NO2, vor. Die Stickoxide entstehen durch dieReaktion von N2 und O2 in heißen lichtbogennahen Bereichen,aufgrund der UV-Strahlung und der hohen Temperaturen.Stickstoffmonoxid, NO, reagiert mit Ozon, dabei entsteht NO2.

Es wurde klar nachgewiesen, dass die NOx Emissionen beimLichtbogenschweißen sehr niedrig sind im Vergleich zumBrennschneiden oder zu Plasmaverfahren [1].

guarantee the optimum effectiveness of this type ofequipment whatever the arrangements made when welding,so that any reduction in these harmful effects at source canhave only a positive impact on the working conditions. It ison the basis of this report that the Air Liquide Group decideda few years ago to devote a significant share of its researcheffort to the improvement of the welders’ environment bydeveloping less "polluting" products, while taking care thatoperating characteristics are not compromised compared tothose of standard products, so that there is no detrimentaleffect on productivity.

Principle of formationof welding fumes

During the welding operation fume particulates and toxicgases are formed. The fume particulates consist ofagglomerated metallic oxides, with a size variation of 0.005-20 µm, which are formed during the vaporization of thechemical elements from both the base metal and moreimportantly from the components of the consumable. Theseelements break up and vaporize under the effect of the heatreleased by the arc and then condense and oxidize oncontact with air when they leave the shielding atmosphereprovided by the shielding gas or the decomposition ofcertain components of the coating when welding withcoated electrodes. The gas emissions are mainly ozone,carbon monoxide and nitrogen oxides, NOx . Ozone isgenerated by the action of UV radiation emitted by the arc onsurrounding oxygen. This compound of oxygen is extremelyunstable and is a powerful oxidising agent, which reactsspontaneously on contact with metal vapour. The quantityemitted depends on the process used, arc power, nature ofthe shielding gas as well as the type of product. For the TIGprocess, in general, the quantity ofozone is low. During MIG/MAGwelding, the highest quantities areobtained when welding aluminiumalloys not containing magnesium, thepresence of magnesium resulting inincreased fume (low boiling point)which prevents the formation of ozone.The most significant gaseous pollutantin the GMAW process, during thewelding of non alloyed steels withshielding gases containing mainly CO2,is carbon monoxide. The quantity ofCO emitted is proportional to the CO2

content in the gas shielding (fig.1).However, it is difficult to completelyremove this addition in the shieldinggas because of the effects on operatingcharacteristics.

The nitrogen oxides generated, NOx, are mainly in the formof nitrogen oxide, NO2. The nitrogen oxides are formed bythe interaction of N2 and O2 in the vicinity of the arc, in thehot part of the welding atmosphere, due to UV radiation andthe high temperatures. Nitric oxide, NO, combines withozone to form NO2. It has been clearly demonstrated that theNOx emission rates in arc welding are very low whencompared with the processes of oxyacetylene cutting orplasma [1].

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CO content (ppm)

Wire ER 70S3 - Ø 1.2 mmWfs = 10 m/min

I = 280 / 300 AmpsU = 32 / 34 Volts

Ar + 18% CO2

Ar + 13% CO2 + 5% He Ar + 10% CO2 Ar + 6% CO2 + 2% O2

Ar + 5% CO2 + 4,5% O2

Ar + 3,5% O2

Ar +

3,5

% O

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Fig.1: Influence of CO2 content in the shielding gason CO emissions in MAG welding

Bild 1: Einfluss des CO2 - Gehalts im Schutzgas aufdie CO-Emission beim MAG-Schweißen

May 2007 - Mai 2007

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Einfluss der Schweißbedingungenbeim MAG Schweißens auf dieSchweißrauchemission

Neben der UV-Strahlung ist dieSchweißrauchemission der wesentlichegesundheitsschädliche Faktor beimMIG/MAG-Schweißen. In einem erstenAnsatz betrachten wir sie als steigendeFunktion des Oxidationspotentials desSchutzgases (Bild 2).

Diese relativ einfache Darstellung kannallerdings manchmal widerlegt werden,wenn Vergleichsmessungen derSchweißrauchemission bei konstantenelektrischen Parametern durchgeführtwerden. Wie hinlänglich bekannt ist,bestimmen beim MIG/MAG-Schweißen

die verwendeten Parameter die verschiedenen Arten desWerkstoffübergangs (U=f(I) Diagramm, Bild 3).

Bei niedrigem Schweißstrom erfolgt der Werkstoffübergangdurch Kurzschluss zwischen dem noch nicht abgelösten Tropfenund der Schmelze (Short-arc-Modus). In diesem Modus werdendie Lichtbogenphasen unterbrochen durch Phasen, in denen derTropfen das Schmelzbad berührt. In dieser Phase erlischt derLichtbogen und der Strom steigt stark an. Dies führt durch dieelektromagnetischen Kräfte zur einer Abschnürung desgeschmolzenen Werkstoffes am oberen Tropfenende und zurAblösung des Tropfens. Der Lichtbogen bildet sich wieder undder Prozess beginnt erneut. Bei hohem Schweißstrom erfolgt derWerkstoffübergang im Sprühlichtbogenbereich (Spray arc). Ander Spitze des konischen Drahtendes bilden sich in derDrahtachse feine Tröpfchen, die ins Schmelzbad fallen. Je höherdie Stromstärke, desto feintropfiger der Übergang und destohöher die Tropfengeschwindigkeit. Bei mittlerer Stromstärkeentsteht der sogenannte Mischlichtbogen („globular“). DieTropfen am Drahtende wachsen, bis ihr Durchmesser weit überdem Drahtdurchmesser liegt und lösen sich erratisch, bevor derKurzschluss entsteht. Dieser Modus ist relativ instabil undverursacht vermehrt Spritzer.

Die Schweißstromstärke ist also ein entscheidender Faktor beimWerkstoffübergang. Bei einer Stromstärke, bei der ein

Influence of MIG-MAG weldingconditions on the fumeemissionApart from UV radiation, fume emissionis the principal harmful effect associatedwith MIG/MAG welding. As a firstapproximation, that is an increasingfunction of the oxidizing potential of theshielding gas (fig. 2).

This very global solution can howeverbe sometimes at fault duringcomparative measurements of the fumeemission rate carried out at constantelectric parameters. Indeed, MIG/MAGwelding is characterized by the variousmodes of metal transfer which aredependent on the parameters used(U=f(I) diagram, fig. 3).

At low welding currents, the mode of metal transfer from thewire to the molten pool is by "short-circuit" (mode short arc).In this mode, the arc periods are punctuated with periodsduring which the drop formed at the end of the wire comesinto contact with the molten pool. During this phase, the arcextinguishes and the current strongly increases and theintermediary electromagnetic forces initially cause aconstriction of the molten metal to the higher part of thedroplet, then its detachment. The arc can then be restoredand the process begins again. With a high current, the metaltransfer takes place by "axial pulverization" (spray arc). Thetop of the wire takes the shape of a cone at the point of whichfine droplets are ejected, in the axis of the wire, which thustransfer towards the molten pool. The higher the current, thefiner are the droplets and the faster is their speed. Atintermediate currents, the transfer mode is known as"globular". The drops which are formed at the end of the wireincrease in size until reaching a diameter notably larger thanthe wire and are detached in an erratic way before the shortcircuit occurs. This mode, which is relatively unstable, is theorigin of most spatter. The welding current is thus adetermining factor of the transfer mode. Nevertheless, for acurrent compatible with the transfer by short-circuit or by axial

1 000

800

600

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Fumes (mg/min.)

Wire ER 70S3 diam.:1.2 mm 280-300 A

28-30 V

CO2

O2

Ar

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5 5

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0 8

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0 1,5

98,5

Fig.2: Fume emission level vs. shielding atmospherein MAG welding

Bild 2: Schweißrauchmenge im Vergleich zumverwendeten Schutzgas beim MAG-Schweißen

Current (Amps)

S

S'

C

C'

G l o b u l a r

Icc max Is min

Spray arc

Short-arc

Drop transfer modes

Volta

ge (V

olts

)

Fig.3: Metal transfer modes vs. Welding parameter set up in MIG /MAGwelding

Strom (A)

S

S'

C

C'

M i s c h l i c h t b o g e n

Icc max Is min

Sprühlichtbogen

Kurzlichtbogen

Werkstoffübergangsarten

Span

nung

(V)

Bild 3: Werkstoffübergangsarten in Abhängigkeit der Schweißparameterbeim MIG/MAG-Schweißen

Werkstoffübergang im Kurzlichtbogen oderSprühlichtbogen möglich ist, kann durcheine falsche Spannung jedoch auch einMischlichtbogen entstehen (zu hoheSpannung bei niedriger Stromstärke oder zuniedrige Spannung bei hoher Stromstärke).

Zu Bild 3 müssen folgende Punkte angeführtwerden: (a) Icc ist die maximale Stromstärke,bei der ein Werkstoffübergang imKurzlichtbogenbereich möglich ist; (b) dieCC'-Linie begrenzt die maximale Spannung,bei der diese Übergangsart möglich ist; inder Praxis stellen die Schweißer dieSpannung knapp unterhalb des Maximumsein (im Diagramm orangefarbig dargestellt);(c) Is min ist die Mindeststromstärke, beider ein Werkstoffübergang imSprühlichtbogenbereich möglich ist; (d) dasSegment SS' zeigt den Mindestwert derSpannung, bei der ein Werkstoffübergangim Sprühlichtbogenbereich entsteht, dieSchweißer arbeiten normalerweise miteinem etwas höheren Wert.

Die genauen Grenzen für dieseÜbergangsarten im U=f(I)-Diagramm sindcharakteristisch für eine bestimmteDraht/Gas-Kombination. Sie verändern sichmit der Art des Schutzgases, aber auch mitdem verwendeten Drahtdurchmesser. Imallgemeinen ist festzustellen, dass eineZugabe von CO2 und/oder Sauerstoff zumArgon den Mischlichtbogenbereich durchdie Verringerung von Icc und die Erhöhungvon Is vergrößert (Bild 4), während eingrößerer Drahtdurchmesser zu einerErhöhung von Is führt und Icc praktischunverändert bleibt.

In der Folge sollen diese Werkstoff-übergangskurven auf die schädlichenEffekte von Schweißrauchemissionen undSpritzern übertragen werden. Dieser

Zusammenhang ist in Bild 5 für das Dreikomponentengas Arcal14 (Ar+3%CO2+1%O2) dargestellt. Man erkennt, dass bei einemgegebenen Stromwert die Rauchgasemission abhängig von derSpannung ein Minimum erreicht, sobald die entsprechende

pulverization, a globular transfer can beobtained via voltage adjustment (voltagetoo high at low current or voltage toolow at high current).

In figure 3, the salient elements are : (a)Icc max current which corresponds tothe maximum current for which atransfer by short-circuit is possible ; (b)the CC' line which indicates themaximum voltage for this type oftransfer to occur; in practice thewelders regulate the voltage with avalue slightly lower than this maximum(dark orange zone of the diagram); (c)the current Is min which corresponds tothe minimum current for which thetransfer can take place by axialpulverization and (d) the segment SS'which indicates the minimum value ofvoltage for which the transfer mode isby axial pulverization, welders generallyworking with a value which is a littlehigher.

The precise limits of these transferdomains in the U=f(I) diagram arecharacteristic of a given wire/gascombination. They are a function of thenature of the shielding gas but also varywith the diameter of the wire used. Ingeneral, it appears that any addition ofCO2 and/or oxygen in argon increasesthe width of the globular field bydecreasing Icc and by increasing Is(fig.4), while an increase in the diameterof the wire causes an increase in the Isintensity, Icc remaining practicallyunchanged.

It is now interesting to relate thesetransfer characteristics and the harmfuleffects for the welder and the workingenvironment, the emission of fume andspatter. This is illustrated by figure 5 which corresponds tothe ternary mixture Arcal 14 (Ar+3%CO2 +1%O2). It is seenthat for a given current, the fume emission rate passesthrough a minimum, in relation to the voltage as soon as

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May 2007 - Mai 2007

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Voltage U(V) / Spannung U(V)

Current I (Amps)Strom (Amps)

Wire ø 1.0 mmDraht ø 1.0 mm

Ar + 7% O2Ar + 3,5% O2

Ar + 5% O2Ar + 1,5% O2

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300 400

Voltage U(V) / Spannung U(V)

Wire ø 1.0 mmDraht ø 1.0 mm

Ar + 18% C O2

Ar + 14% CO2

Ar + 10% CO2

Ar + 2% CO2

Current I (Amps)Strom (Amps)

Fig.4: Influence of oxygen and CO2 content in Argonmixture on the globular mode area in MAG welding(wire ER 70 S3)

Bild 4: Einfluss des Sauerstoff- und CO2-Gehalts inder Argonmischung auf den Mischlichtbogenbereich

beim MAG-Schweißen (Draht ER 70 S3)

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Voltage (Volts)

~ 300 Amps Wire feed speed (m/min) ~ 350 Amps

Fumes (mg/min)

Spatter level (%)

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Spray

G lobular

Fig.5: Relationship between Fumes, Spatter Level and Drop Transfer (wire ER70 S6 Ø1.2mm ; Gas Arcal 14).

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25 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11

Spannung (V)

~ 300 A DV-geschwindigkeit (m/min) ~ 350 A

Rauch (mg/min)

Spritzer (%)

314

147

543

775

0.1

0.6

3.1

5.6

325

185

274

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1

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0.5

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Sprühlichtbogen

Mischlichtbogen

Bild 5: Zusammenhang zwischen Rauchemission, Spritzerbildung undWerkstoffübergangsart (Draht ER 70 S6 Ø1.2mm ; Gas Arcal 14)

May 2007 - Mai 2007

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Kennlinie SS’ überschritten wird. Ebensoführt ein Überschreiten dieser Linie zu einerwesentlichen Verringerung der Spritzer-bildung. Mit anderen Worten, beimSchweißen mit einer Stromstärke, die füreine bestimmte Draht/Gas-Kombinationeinen Werkstoffübergang im Sprühlicht-bogenbereich erzeugt, sinken dieRauchgasemission und die Spritzerbildung,wenn die Spannung erhöht wird, bis einstabiler Sprühlichtbogenprozess erreicht ist.Bei einer weiteren Erhöhung der Spannungändert sich der Tropfenübergang nicht mehr,es stellt sich lediglich eine Verlängerung desLichtbogens ein, die zu stärkererFlüchtigkeit der Metallelemente und damitzur Erhöhung der Rauchgasemission beiträgt.

Der hier beschriebene Prozess istunabhängig vom verwendeten Schutzgastyp.Es ist deshalb immer vorteilhaft ein Gas zu

verwenden, das eine möglichst geringe Oxidationswirkung (Bild 6)hat und gleichzeitig den Verfahrensanforderungen gerecht wird.Unter diesem Gesichtspunkt ist das Gasgemisch Arcal 14(Ar+3%CO2+1%O2) eine ausgezeichnete Lösung, sowohl im

konventionellen (Bild 6) als auch imPulsmodus (Bild 7).

Durch einen richtig eingestellten Pulsmodusist es möglich, den Mischlichtbogenbereichzu umgehen. Dazu müssen Strom undSpannung des Spitzenstroms höher seinals die Werte, die zu einem Sprühlichtbogenführen (Punkt S in Bild 3) und die Dauer desSpitzenstrom muss gerade ausreichen, umeinen Metalltropfen zu lösen. Unter diesenVoraussetzungen ist eine wesentlicheReduzierung der Rauchemission zubeobachten (Bild 7 240 A), sowie eine fastebenso signifikante Verringerung derSpritzerbildung.

Fülldrähte mit geringerSchweißrauchemissionDie Verwendung von Fülldrahtelektrodennimmt insbesondere mit dem Rückgangder umhüllten Stabelektroden immermehr zu. Obwohl Fülldrähte – bezogenauf die Schweißgutmenge - keinewesentlich höhere Schweißrauchemissionverursachen als Stabelektroden, so führtihre höhere Abschmelzleistung zu einerhöheren Schweißrauchemission proZeiteinheit, was manchmal ihre Anwendungerschwert. Hinzu kommt, dass dieSchweißrauchemission bei Standard-fülldrahtelektroden wesentlich höher istals beim MAG-Schweißen mit Massivdrahtunter Standardbedingungen (Bild 8).

Die Verarbeitungseigenschaften einesFülldrahtes hängen einerseits vomverwendeten Schutzgas ab, andererseitsaber auch von den Bestandteilen desFüllpulvers. Im Vergleich zu einem

the latter is higher than thecorresponding characteristic line valueSS'. In the same way, as this line iscrossed, the result is a very significantreduction of the amount of spatter. Inother words, it appears that, whenwelding with a current which results inthe wire /Gas couple having a transfermode of axial pulverization, then thefume emission and spatter ratedecrease when the voltage is increaseduntil a truly stable transfer by axialpulverization is attained. Beyond thisvalue, an increase in voltage no longerresults in a modification of the metaltransfer but simply causes alengthening of the arc which causes anincrease in the volatilization of themetallic elements and consequently thefume emission rate.

This process is completely general whatever the gas mixtureused, therefore it may always be beneficial to use a shielding gaswith as low an oxidising potential as possible (fig. 6), which iscompatible with the operational requirements. From this point ofview, the Arcal 14 (Ar+3%CO2 +1%O2)mixture constitutes an excellent solutionwith either conventional (fig.6) or pulsedmodes (fig.7).

The pulsed mode makes it possible toavoid globular transfer when it is suitablyregulated i.e. when the amperage and thevoltage of the peak current are higherthan the values making it possible toobtain metal transfer by axial pulverization(S point on figure 3) and that the durationof this peak is just sufficient to transfer amolten metal drop. Under theseconditions there is a very significantreduction in the fume emission (figure 7 -240 Amps), as well as a reduction of theamount of spatter.

Flux cored wires with a lowfume emission levelThe use of flux cored wires tends todevelop to the particular detriment ofcoated electrodes. However, althoughthese products do not generate a fumeemission level significantly higher thancoated electrodes, the results are relatedto the quantity of deposited metal, theirgreater productivity leads to an emissionrate per unit time which sometimesconstitutes a barrier to their use. Inaddition, the fume emission rates forstandard cored wires are considerablyhigher than for the GMAW weldingprocess with solid wire in standardconditions (figure 8).

The operating characteristics of a coredwire are in some part related to the

1 000

800

600

400

200

0 15 20

170 A

100 A

300 A 350 A

25 30 35 40

Fumes (mg/min)

Voltage (volts)Ar + 3% CO2 + 1% O

2

Ar + 18% CO2

Ar + 10% CO2

Fig.6: Influence of the shielding gas and parameterset up on fume emission level in GMAW(wire ER 70 S3, Ø 1.2 mm)

Bild 6: Einfluss des Schutzgases und der Parameter-einstellung auf die Rauchemission beim MAG-Schweißen

(Draht ER 70 S3, Ø 1.2 mm)

600

400

200

0 100 170 240 300 350

Fume (mg/min)

Current (Amps)

ARCAL 14

ARCAL 14 pulsed

Fig.7: Influence of pulsed current on fume emissionlevel in MAG welding (wire ER 70 S3 ; Ø1.2mm ;Shielding gas: ARCAL 14)

Bild 7: Einfluss des Pulsstroms auf die Rauchemission beim MAG-Schweißen

(Draht ER 70 S3 ; Ø1.2mm ; Schutzgas: ARCAL 14) 3

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0Solid wire ATAL 5 Standard metal cored

wire ATAL 5

Fum

e em

issi

on ra

te (g

/min

)

0,29

0,93

I = 280 Amps

Fig.8: Influence of Consumable type on fumeemission level

Bild 8: Einfluss des Zusatzwerkstofftyps auf dieSchweißrauchemission

Massivdraht hat man also hier ein zusätzliches Betätigungsfeld.Dadurch konnten wir neue Draht-/Gas-Kombinationen entwickeln,die für das Arbeitsumfeld der Schweißer weniger kritisch sind.

An der ersten Entwicklungsachse wurde bereits vor einigen Jahrengearbeitet, als Arcal 22 (Ar + 3.5% O2), ein spezielles CO2-freiesGas,mit Fülldrähten kombiniert wurde, die mit diesem Schutzgas diegeforderten Verarbeitungseigenschaften erreichten. Da dieoxidierende Wirkung von Arcal 22 nicht sehr hoch ist, führteseine Verwendung zu einer deutlichen Verringerung derSchweißrauchemission. Außerdem entstand bei der Verwendungdieser Draht-/Schutzgas-Kombination kein CO, da die entstehendeCO-Menge direkt abhängig ist vom CO2-Gehalt im Schutzgas (Bild 1).

Die Verwendung dieser Draht-/Schutzgas-Kombinationen zwangjedoch den Anwender, gleichzeitig den Zusatzwerkstoff und dasSchutzgas zu wechseln. Außerdem ist der Einsatz diesesspezifischen Gases bei den Kunden problematisch, die in ihremBetrieb mit einer zentralen Gasversorgung arbeiten.

Diese Überlegungen führten zur Entwicklung der CRISTAL™Produktreihe, die Fülldrähte mit geringer Schweißrauchemissionunter Verwendung von Standardgasen ermöglicht.

Zurzeit gibt es zwei Metallpulverfülldrähtefür Mischgase Ar/CO2, die als Falzdraht undals geschlossener Fülldraht zur Verfügungstehen. Daneben gibt es zwei rutileFülldrähte für CO2 , die als nahtlose Fülldrähte(röhrchenförmig) und formgeschlosseneFülldrähte angeboten werden.

Es war notwendig, die Zusammensetzungdes Füllpulvers so anzupassen, dass dieSchweißrauchemission gesenkt wird, abergleichzeitig die ursprünglichen verfahrens-technischen und metallurgischenEigenschaften erhalten bleiben. Dazumussten für Band-, Rohr- und Eisenpulver-qualitäten spezielle Legierungen mitniedrigem Kohlenstoffgehalt ausgewähltwerden. Heute können wir feststellen, dassdie Verarbeitungseigenschaften derCRISTAL™-Reihe besser sind als die derStandardprodukte. Die Fülldrahtelektrodenentsprechen den amerikanischen StandardsAWS 5.20 (rutile Fülldrahtelektroden) undAWS 5.18 (Metallpulver-Fülldrahtelektroden)sowie der europäischen Norm EN 758.

Wie in Bild 9 und 10 zu erkennen ist, zeigen dieWerte der Schweißrauchemission bei Fülldraht-elektroden aus der CRISTAL™-Reihe imVergleich zu äquivalenten Standarddrähtenbei gleichem Schutzgas eine wesentlicheReduzierung (von 20 – 40%) gegenüber denhandelsüblichen Produkten. Diese Messungenwurden mit Fülldrähten im Durchmesser1.2mm bei 300 A mit 20mm Kontaktdüsen-abstand durchgeführt. Die Parameter wurdengemäß der Norm EN 15011-4: 2003ausgewählt [Ref. 8]: Die Stromstärkeentspricht 90% der Maximal-stromstärke, dievom Hersteller des Zusatzwerkstoffesempfohlen wird, der Kontaktdüsenabstandergibt sich aus dem Drahtdurchmesser. Dieoptimale Spannung wurde von einemerfahrenen Schweißer bestimmt.

shielding gas used, but also to the nature of the constituent"ingredients" in the core. Compared to solid wires, we thus havean additional field of activity, which enabled the consideration ofthe development of new wires /shielding gases combinationswhich would improve the welder’s environment. The first axis ofdevelopment was exploited a few years ago by combining aspecific gas, Arcal 22 (Ar + 3.5% O2), therefore in the absenceof CO2, with flux cored wires having the required operatingcharacteristics with this shielding gas. Arcal 22 is not veryoxidizing in character and its use produced a clear reduction inthe fume emission rate. Moreover, the use of these wires/shielding gas combinations did not generate CO formation, thequantity of CO formed being in direct relation to the CO2 contentinto the shielding gas (fig. 1).

The use of these wires /shielding gas combinations howeverforced the user to change simultaneously both theconsumable product and the shielding gas. Moreover, the useof specific gases could generate difficulties for thosecustomers using gas networks in their workshop.

This fact led to the creation of the CRISTAL™ range whichassociates low fume flux cored wireswith a standard shielding gas. The rangecurrently comprises two metal coredwires using an Ar/CO2 mixture in stripand tubular technologies, and of tworutile cored wires with CO2 shielding,both available in seamless and seamedtubular technologies. It was necessary toadapt the flux formulation of the wire toreduce the fume emission rate whilepreserving the original operatingcharacteristics and metallurgicalproperties. In particular, this consisted ofthe selection of specific ferro-alloys withlow carbon content, special ironpowders as well as particular strip andtube qualities. Currently, the operatingperformance of these wires comprisingthe CRISTAL™ range are significantlybetter when compared to those of thestandard products. These cored wiresconform to the AWS 5.20 (Rutile coredwires) and AWS 5.18 standards (Metalcored wires).

The fume emissions of cored wiresin the CRISTAL™ range are presentedin figures 9 and 10 in comparison withequivalent standard wires and theseexhibit significant reductions (from 20to 40%) compared to the conventionalproducts used with the same shieldinggas. These measurements were taken byusing cored wires with a 1.2 mmdiameter, at 300 amps with a 20 mmcontact tip distance. These parameterswere retained with respect to theEN 15011-4: 2003 standard [ Ref.8 ] : theamperage is selected to 90% ofthe maximum amperage recommendedby the consumable manufacturerand the contact tip distance is setaccording to the wire diameter. The

10

May 2007 - Mai 2007

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Fum

e em

issi

on ra

te (g

/min

)

0,96

0,57

I = 300 Amps

Metal cored wire type

Standard wireAr-18%CO2

CRISTALAr-18%CO2

Fig.9: Fume emission rate with Metal cored wiresfrom Cristal range vs. standard products (ATAL 5shielding gas ; Ø 1.2mm) - Data TWI

Bild 9: Schweißrauchemission bei Metallpulver-Fülldrähten der Cristal-Reihe im Vergleich zu Standard-produkten (Schutzgas ATAL 5 ; Ø1.2mm) - Daten TWI

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0Standard wire CO2 CRISTAL CO2

Fum

e em

issi

on ra

te (g

/min

)

0,96

0,79

I = 300 Amps

Rutile wire type

Fig.10: Fume emission rate with Rutile wires fromCRISTAL range vs. standard products (CO2 shieldinggas) -Data TWI

Bild 10: Schweißrauchemission bei rutilen Fülldrähtender CRISTAL-Reihe im Vergleich zu Standardprodukten

(Schutzgas CO2) -Daten TWI

May 2007 - Mai 2007

11

Wie bereits angesprochen muss die oxidierende Wirkung desSchutzgases so gering wie möglich sein, um dieSchweißrauchemission zu reduzieren. Die Kombination eines nurleicht oxidierenden Gasgemisches mit einem Metallpulver-Fülldrahtmit geringer Schweißrauchbildung ist dann die optimale Lösung.Bild 11 zeigt den Einfluss des Schutzgases auf die Schweißrauch-

emission bei einem Metallpulverdraht. DasSchutzgas Arcal 21 (Ar+8%CO2), das in derindustriellen Anwendung üblich ist,ermöglicht eine Schweißrauchreduzierungvon 70% im Vergleich zum Gastyp Atal 5.Mit dem Schutzgas Arcal 14 (Ar+3%CO2

+1%O2) lässt sich sogar eine noch geringereSchweißrauchemission erzielen, wie in Bild11 zu erkennen ist: eine um 85% geringereSchweißrauchemission im Vergleich zueinem Standarddraht unter ATAL 5 A.

Umhüllte Stabelektroden mitgeringer Schweißrauchemission

Die Schweißrauchmenge, die beimSchweißen mit umhüllten Stabelektrodenentsteht, hängt von der Art derUmmantelung und von der Stromstärkeund der Lichtbogenspannung ab. DiesenZusammenhang zeigt Bild 12 am Beispielvon 2 rutilen und 2 basischen Elektrodenmit unterschiedlichen Abschmelzleistungenanhand der Ergebnisse für verschiedeneDurchmesser. Diese Ergebnisse wurdenerzielt unter Verwendung der vom Herstellerfür jeden Elektrodentyp und Durchmesserempfohlenen Durchschnittsstromstärke. Esmuss aber erwähnt werden, dass dieSchweißrauchemission in einem Verhältnisvon 2 variieren kann, wenn dieSchweißstromstärke vom Minimalwert biszum Maximalwert des Anwendungs-bereiches eines bestimmtes Durchmessersverändert wird. Insgesamt kann in einemersten Ansatz davon ausgegangen werden,dass bei Rutilelektroden die Schweiß-rauchemission 0,8-1,0 % derAbschmelzleistung beträgt, während dieWerte für basische Elektroden zwischen1,5, und 2% liegen.

Durch intensive Forschung und Neuentwicklungen auf dem Gebietder Elektrodenumhüllungen ist es heute möglich, die Schweiß-rauchemission der verschiedenen Elektrodentypen wesentlich zuverringern. Allerdings verursachen diese Entwicklungen bei derindustriellen Herstellung zusätzliche Kosten, die nach Ansicht derAutoren nicht tragbar sind, außer bei hochlegierten Stabelektrodenfür korrosionsbeständige Stähle.

Diese Elektroden haben die Eigenschaft, Schweißrauch zuentwickeln, der einen wesentlichen Anteil sechswertigen Chromsenthält (ca. 4%), dessen Toxizitätsindex 100 mal höher ist als der von„Standardschweißrauch“ (LV CrVI: 0,05 mg/m3; LV Standardrauch: 5mg/m3). Ihre Verwendung erfordert intensivere Absaug- undLüftungsmaßnahmen als sie für herkömmliche Elektroden notwendigsind.

Durch die neuen Umhüllungsrezepturen ist es möglich, die Art derChromverbindungen im Schweißrauch zu verändern und die

optimal voltage is determined by an experienced welder. Inaddition, as has been previously indicated, to minimize the fumeemission rate, the shielding gas must be the least oxidizing aspossible. The use of a gas mixture with a low oxidising potential,combined with the characteristics of the low fume metal coredwire type becomes the optimal solution. Figure 11 illustrates theinfluence of the shielding gas on the fumeemission rate with the "Metal cored" wire.Arcal 21 (Ar+8%CO2) shielding gas,established in industry, makes it possibleto obtain a fume reduction of 70 %compared to Atal 5 . Arcal 14 shieldinggas (Ar+3%CO2 +1%O2) makes itpossible to obtain fume emissions whichare even lower, i.e., as shown in figure 11,a reduction of 85% in the fume emissionrate in comparison to a standard coredwire under Atal 5 A.

Coated electrodes with lowfume emission characteristics

The quantity of fume emitted duringwelding with coated electrodes dependson the nature of the coating and theelectrical output used. This is illustratedby figure 12, where results are reportedfor various diameters of two rutile coatedand two basic coated electrodes withdifferent efficiencies. These results wereobtained whilst using, for each electrode,the average current recommended by themanufacturer for that diameter. It isimportant to note that the fume emissioncan vary in a ratio of approximately 2when the welding current is varied fromthe minimum to the maximum of thecurrent range for the particular diameter.In summary, it can be taken as a firstapproximation that rutile electrodes havea fume emission rate ranging between0,8 and 1% of the deposited metal rate,while for the basic electrodes this ratioincreases to between 1,5 and 2%.

Significant developments have beenmade in the formulation of standard coatings and it is nowpossible to significantly reduce the fume emitted by the varioustypes of electrodes. However these developments generateadditional costs which in the asessment of the authors isprohibitory except in the case of high alloyed electrodes and inparticular for those grades used for the welding of stainlesssteels. These electrodes have the characteristic to emit a fumewhich contains a significant quantity of hexavalent chromium(approximately 4 %) which has an index of toxicity 100 timeshigher than that of " standard fumes " (LV CrVI : 0,05 mg/m3 ;LV Std Fume : 5 mg/m3, these values are for France and mayvary by country). So their use requires the use of moreadditional equipment than necessary for conventionalelectrodes. By means of adjustments of coating formulation ofa coventional electrode, it is possible to modify the nature ofthe chromium present in the emitted fume and to reduce thisemission. Thus, it is possible to improve considerably the air

1.1

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

Standard wireAr-18%CO2

CRISTALAr-18%CO2

CRISTALAr-8%CO2

CRISTALAr-3%CO2

1%O2

Fum

e em

issi

on ra

te (g

/min

)

0,96I = 300 Amps

Metal cored wire type

0,57

0,16 0,14

Fig.11: Fume emission level vs. shieldingatmosphere (influence of gas...) with a CRISTALMetal cored type ; Ø1.2mm

Bild 11: Schweißrauchemission eines CristalMetallpulverdrahtes unter verschiedenen Schutzgasen

(unterschiedliche Oxidationsgrade) ; Ø1.2mm

Fumes (mg/min)

Arc power (Uxl)

1000

6.35

5

45

4

3.2

2.5

2.53.2

4 5

43.2 6.3

6.3

3000 5000 7000

800

600

400

200

0

7018701670246013

Fig.12: Influence of the electrode diameter andcoating composition on fume emission rate(Rutile: DC- ; Basic: DC+ ; I = followingmanufacturer’s advice).

Bild 12: Einfluss des Elektrodendurchmessers undder Zusammensetzung der Ummantelung auf dieSchweißrauchemission (Rutil: DC- ; Basic: DC+ ;

I = gemäß Herstellerhinweisen).

Schweißrauchmenge insgesamt zuverringern. Dadurch kann die Luftqualität imSchweißbereich erheblich verbessertwerden und Mängel in der Rauchab-saugung in abgeschlossenen Räumen wiein Werkstätten oder auf Baustellen werdenweniger kritisch.

Das Prinzip der CrVI-Bildung imSchweißrauch ist bekannt und zurReduzierung der Menge dieses Elementesreichte es aus, alle Na/K-Verbindungen ausden Formeln der Elektroden-Ummantelungzu entfernen und durch Bestandteile mitLithium[2] zu ersetzen. Die Umsetzung dieserLösung ist jedoch sehr schwierig, da derEinsatz einer Lithiumverbindung alsBindemittel im allgemeinen zu spröden,bruchanfälligen Ummantelungen führt, [3-4]und wesentlich schlechtere Anwendungs-eigenschaften aufweist ("harter“ Lichtbogen,schlechte Schlackelöslichkeit). Aus diesemGrund wurde bisher kein solcherElektrodentyp vermarktet, obwohl dasPrinzip der Chrom VI – Reduzierung schonvor Jahren erkannt wurde. Es zeigt sichjedoch, dass durch ein sorgfältigesAusbalancieren der Bindemittel-Menge(Bild 13), der Korngrößenverteilung und der Artder Umhüllungsrohstoffe zufriedenstellendeErgebnisse zu erzielen sind und zwar sowohlhinsichtlich der Schweißrauchemission als auchin bezug auf die Sprödigkeit der Ummantelungund die Verarbeitungseigenschaften.

Bei den Elektroden der neuen CRISTAL™Reihe, die für das Schweißen von rostfreienStandardausteniten und Mischverbin-dungen bestimmt sind, handelt es sich umrutile Elektroden, die der Norm AWS A5.4entsprechen. Dank der besonderen Formelhaben die CRISTAL™ Elektrodeneinzigartige Eigenschaften: Sie bieten guteSchweißeigenschaften, die denen beiRutiltypen erwarteten Eigenschaftenmindestens gleichwertig sind, undgarantieren dabei eine gute Haltbarkeit derUmmantelung und gute Anwendungs-eigenschaften (Lichtbogen mit feintropfigemWerkstoffübergang, gutes Nahtaussehen,gute Schlackelöslichkeit sowie gute Zünd-und Wiederzündeigenschaften), wie in Bild14 zu sehen ist. Hier ist im Vergleich zu Bild15 auch zu erkennen, dass wenigerRauchablagerungen im Randbereich derNähte entstehen, was Vorteile für dieNahtreinigung bedeutet.

In Bild 16 kann man den Unterschied in derSchweißrauchemission zwischen CRISTAL™und Standardelektroden für rostfreien Stahlvisuell erkennen. Die Elektroden wurdenunter gleichen Bedingungen geschweißt.

Die Ergebnisse in den Tabellen 1 und 2zeigen, dass im Vergleich zuhandelsüblichen Standardelektroden die

quality in the breathing zone of theoperators and make the use of the fumeextractors in confined spaces inworkshops or building sites less critical.The principle of CrVI formation in thefume is well known and, in order toreduce the quantity of this element, it isenough to remove all the compoundscontaining the Na/K elements presentin the formulae of coated electrodesand to replace them by componentscontaining the element lithium [2]. Theimplementation of this solution ishowever extremely difficult because theuse of a lithium binder generally leads tobrittle coatings, even very friable [3-4]and with detrimental effects on theoperating characteristics ("soft" arc,poor slag removal,…). This is why noelectrode of this type has been marketeduntil now, although the principle wasidentified many years ago. It proves, infact, that by very precisely balancing thequantity of binder (fig.13) to the particlesize distribution and the nature of thepowders used in the formula of thecoating, it is possible to obtainsatisfactory electrodes both from thepoint of view of the fume emitted and ofthe coating brittleness and operatingcharacteristics. The electrodes of thisnew CRISTAL™ range, for the weldingof the stainless steels 308L, 316L and309L, are rutile electrode types, inconformance with the AWS A5.4specification. Due to their very specificformulation, the character of theCRISTAL™ electrodes is as follows:they offer operating characteristics atleast equal to those required forthis rutile type, while ensuring a goodcoating resistance , a good operationalbehaviour (an arc characteristic with asmooth transfer, excellent bead aspect,good slag removal, arc striking andre-striking), these features are illustratedin Figure 14 where lesser black residues,as well as a reduced quantity of thefume deposit on the steel baseplatecompared to Figure 15 are evident.Figure 16 enables a visual assessment ofthe difference in the fume emission levelbetween CRISTAL™ and standardstainless steel electrodes, welded underthe same conditions. Results in Tables 1and 2 show that, by comparison withstandard electrodes currently availableon the market, the fume emission rateof CRISTAL™ electrodes is on averagehalved and the proportion of CrVIreduced by a factor of 4 to 5.Consequently, the quantity of CrVI ,emitted per unit time, is reduced by afactor of 8 to 10.

12

May 2007 - Mai 2007

QUANTITY OF Li SILICATE / g/kg dry mixture

HEXA

VALE

NT C

r LEV

EL /

%

120 140 160 180 200 220 240

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

Std reference formula n°1 Std reference formula n°2 Std reference formula n°3

< 1% limit

Fig.13: Influence of the quantity of liquid lithiumsilicate on the quantity of hexavalent chromiumproduced in welding fumes

Bild 13: Einfluss der Menge flüssigen Lithiumsilikatsauf die CrVI-Menge im Schweißrauch I

Fig.14: Weld bead deposited using diameter 3.2 mm316L type CRISTAL electrode

Bild 14: Schweißnaht, hergestellt mit Durchmesser3,2 mm. 316L CRISTAL-Elektrode

Fig.15: Weld bead deposited using diameter 3.2 mm316L type standard electrode

Bild 15: Schweißnaht, hergestellt mit Durchmesser3,2 mm. 316L Standardelektrode

Fig.16: Visual assessment of fume emission leveldifference between CRISTAL and standard stainlesssteel electrodes

Bild 16: Visuelle Beurteilung derSchweißrauchemission zwischen CRISTAL und

Standardelektroden für rostfreien Stahl

May 2007 - Mai 2007

13

Schweißrauchemission halbiert wird und der Anteil an CrVI aufein 1/4 oder 1/5 sinkt. Entsprechend verringert sich die CrVI-Emission pro Zeiteinheit auf 1/8 bis 1/10.

Ø Strom Spannung Schweißrau-Zusatzwerkstoffe chemission

mm A V mg/sCRISTAL E316L Dry 2.5 81 27.0 1.8CRISTAL E316L Dry 3.2 106 25.7 2.0CRISTAL E316L Dry 4.0 125 24.3 2.2E316L Standard 3.2 101 26.1 3.9

Tabelle 1 - Schweißrauchemission Cristal-Elektroden gegenüberStandardelektroden (mg/s). Daten: TWI

ZusatzwerkstoffeØ Element %

mm Fe Mn Ni Cr Mo Cu CrVI

CRISTAL E316L Dry 2.5 8.4 5.0 0.73 5.6 0.16 0.06 0.57CRISTAL E316L Dry 3.2 9.4 5.6 0.86 6.3 0.11 0.06 0.66CRISTAL E316L Dry 4.0 10 5.8 0.77 5.7 0.06 0.06 0.62Standard E316L 3.2 3.2 2.4 0.29 3.8 0.16 0.05 3.2

Tabelle 2 - Schweißrauchanalyse Cristal-Elektroden gegenüber Standardelektroden (%).Daten: TWI

Die Graphiken in Bild 17 zeigen dieVeränderung der Schweißrauchemission(g/h) und der CrVI-Emission (g/h) zwischenCRISTAL™ Produkten und anderenhandelsüblichen Produkten.

Bild 18 zeigt die schematische Darstellung derEigenschaften der CRISTAL™ Elektrodenhinsichtlich Anwendungsverhalten,Schweißrauchemission und Rauch-Zusammensetzung im Vergleich zu anderenStabelektroden für korrosionsbeständigeStähle.

Schweißzusatzwerkstoffe können nachder Schweißrauchemission und derToxizität des entstehenden Rauchesklassifiziert werden (siehe Norm EN15011-4: 2006]). Die Norm beschreibtunabhängig voneinander sowohl dieSchweiß-rauchmenge als auch dieToxizität des Rauches. ZweiKlassifizierungsmethoden werdenangewendet. Die eine basiert auf demPrinzip der Addition der Risiken jeder imRauch enthaltenen Substanz. Dafür gibtes einen additiven Grenzwert (Tabelle 3).Die andere beruht auf der Leitkomponente

Diameter Current Voltage FumeConsumables emission rate

mm Amps Volts mg/s

CRISTAL E316L Dry 2.5 81 27.0 1.8

CRISTAL E316L Dry 3.2 106 25.7 2.0

CRISTAL E316L Dry 4.0 125 24.3 2.2

E316L Standard 3.2 101 26.1 3.9

Table 1 - Fume emission rate level of Cristal electrodes vs. Standardelectrodes (mg/s). Data TWI

ConsumablesDiam. Element %

mm Fe Mn Ni Cr Mo Cu CrVI

CRISTAL E316L Dry 2.5 8.4 5.0 0.73 5.6 0.16 0.06 0.57

CRISTAL E316L Dry 3.2 9.4 5.6 0.86 6.3 0.11 0.06 0.66

CRISTAL E316L Dry 4.0 10 5.8 0.77 5.7 0.06 0.06 0.62

Standard E316L 3.2 3.2 2.4 0.29 3.8 0.16 0.05 3.2

Table 2 - Fume analysis of Cristal electrodes vs. Standard electrodes (%).Data TWI

The graphs of figure 17 illustrate thevariation in terms of fume emission rate(g/h) and in CrVI emission (g/h) betweenthe CRISTAL™ products and othercommercially available products.

Figure 18 is a schematic illustration of theunique behaviour of the CRISTAL™electrodes compared to the otherstainless SMAW consumables availableon the market, both in terms ofoperational performance, of fumeemission level and composition data.

Welding consumables can be classified,according to their fume emission rate andthe toxicity of the fume which theyproduce, as described in the EN 15011-4:2006 standard [8]. This system ofclassification provides independentinformation on the fume emission rateand the toxicity of fume. Two methods ofclassification are recognized, one basedon the principle of the additivity of therisks related to each substance containedin the fume for which a limit value of thefume is reported (table 3), the other taking

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Standardmarket

Fum

e em

issi

on ra

te (g

/h)

17

10 10

5.9

StandardALW

CRISTAL

70

60

50

40

30

20

10

0

CrVI e

mis

sion

(g/h

)

58

25

3.5

Market includingstandard ALW

CRISTAL

316L Grade

316L Grade

Fig.17: Schematic illustration of fume emission rateand CrVI emission with CRISTAL electrodes vs.Standard electrodes (g/h).

Bild 17: Schematische Darstellung derSchweißrauchemission and CrVI-Emission von

CRISTAL-Elektroden und Standardelektroden (g/h).

Operational performance

% C

RVI

6.5 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

7.0

ALW CRISTAL E 316 L

Competitor A

ALW Standard E 316

Competitor C

Competitor D

Competitor B

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5

13 19

8

6

15

Fig.18: Schematic representation of operative performance, levelof hexavalent chromium in fumes and fume emission rate of CRISTALelectrodes vs. standard electrodes (size of circles gives information onthe amount of fume particles in g/h).

Anwendungseigenschaften

% C

RVI

6.5 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

7.0

ALW CRISTAL E 316 L

Wettbewerb A

ALW Standard E 316

Wettbewerb C

Wettbewerb D

Wettbewerb B

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5

13 19

8

6

15

Bild 18: Schematische Darstellung der Anwendungseigenschaften, des Anteilsan sechswertigem Chrom im Schweißrauch und der Schweißrauchemissionvon CRISTAL-Elektroden im Vergleich zu Standardelektroden (die Größe der

Kreise entspricht der Menge an Rauchpartikeln in g/h).

des entstehenden Rauchs in mg/m3, d.h. auf dem Element mit derhöchsten Toxizität (Tabelle 4).

Tabelle 3 - Schweißrauchklassifizierung der Cristal-Elektroden (grün)gegenüber Standardelektroden (rot) gemäß NHL-Wert Elektroden (EN ISO15011-4: 2006).

Tabelle 4 - Schweißrauchklassifizierung der Cristal-Elektroden (grün)gegenüber Standardelektroden (rot) gemäß EN 15011-4 : 2006.

Beim Vergleich der handelsüblichen Standardelektroden kann einUnterschied von wenigstens einer Schweißrauchklasse festgestelltwerden, die Sicherheit wird durch CRISTAL™ Produkte alsoerhöht. [9]

Schlussfolgerungen• Die Art und die Intensität der Gefährdung im Zusammenhang mit

Schweißarbeiten hängen stark von den eingesetzten Verfahren,aber auch von der chemischen Zusammensetzung derverwendeten Zusatzwerkstoffe ab.

• Die wesentlichen Nachteile beim MIG/MAG-Schweißen liegen inder Rauchentwicklung und der Spritzerbildung. Diese stehen indirektem Zusammenhang zur Art des Werkstoffübergangs, derwiederum von der Einstellung der elektrischen Parameter und derLichtbogenatmosphäre beeinflusst wird. Die dargestelltenErgebnisse zeigen, dass es vorteilhaft ist, ein Gasgemisch mitdem geringsten Oxidationspotential zu verwenden, das mit denVerfahrensbedingungen vereinbar ist. In dieser Hinsicht ist dasGas ARCAL 14 ein sehr guter Kompromiss für das Schweißenvon Baustahl.

• Bei den Fülldrähten ist es durch eine Modifikation des Füllpulversmöglich, Produkte zu entwickeln, die bei Verwendung unterherkömmlichen Schutzgasen, insbesondere bei nur leichtoxidierenden Gasgemischen, zu einer deutlichen Verringerungder Schweißrauchemission führen. Dabei werden die Anwendungs-

into account the key component in the fume produced, inmg/m3, i.e. of the element with the highest toxicity (table 4).

Table 3 - Fume classification of CRISTAL electrodes (in green) vs. standardelectrodes (in red) according to the NHL value electrodes (EN ISO 15011-4:2006).

Table 4 - Fume classification of CRISTAL electrodes (in green) vs. standardelectrodes (in red) according to EN 15011-4 : 2006.

There is a difference of at least one class of fume compared tothe standard electrodes currently available on the market,therefore there is an improvement in safety with CRISTAL™products. [9]

Conclusions • The nature and the intensity of the harmful effects associated with

welding operations are not only closely related to the processes,but also to the formulation of the welding consumable.

• The principal disadvantages of MIG/MAG welding are fumesand spatter. These are in direct relationship to the metaltransfer mode, which depends on the adjustment of theelectric parameter set up and the arc atmosphere. The resultspresented show that it may be very beneficial to use the gasmixture having the weakest oxidizing potential which iscompatible with the operational requirements. In this way,ARCAL 14 has been identified as a very good compromise forthe welding of structural steels.

• Concerning flux cored wires, adjustments to the formulation ofthe filling powders have made it possible to develop productswhich offer a significant reduction of the fume emission ratewhile preserving an operational performance significantly betterthan standard products, when used with traditional shieldinggases. These effects are enhanced as the oxidising potentialof the shielding gas mixture decreases. The CRISTAL™ range

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May 2007 - Mai 2007

Fumeclass NHL (m3/h) 308L / 316L / 309L

Least hazardous 1 0-3000 2600 / 2400 / 2900

2 3000-7000

3 7000-15000 9000 / 9500

4 15000-35000 18500

5 35000-60000

6 60000-100000

Most hazardous 7 > or = 100000

Least Mosthazardous hazardous

FumeWelding emission < 3 3-8 8-15

fume limit rate (mg/s)value Welding

(mg/m3) consumable a b cclassification

Least > 4.5 5 5a 5b 5chazardous 3.5-4.5 4 4a 4b 4c

2.3-3.5 3 3a 3b 3c

1.5-2.5 2 2a 2b 2c

Most 0.5-1.5 1 1a 1b 1c

hazardous < 0.5 0 0a 0b 0c

Schweiß-rauchklasse NHL (m3/h) 308L / 316L / 309L

Geringste Gefährdung 1 0-3000 2600 / 2400 / 2900

2 3000-7000

3 7000-15000 9000 / 9500

4 15000-35000 18500

5 35000-60000

6 60000-100000

höchste Gefährdung 7 > or = 100000

Geringste HöchsteGefährdung Gefährdung

Schweißrauch-Schweiß- emission < 3 3-8 8-15

rauch (mg/s)Grenzwert

Klassifizierung(mg/m3)zusatzwerkstoff a b c

Geringste > 4.5 5 5a 5b 5cGefährdung 3.5-4.5 4 4a 4b 4c

2.3-3.5 3 3a 3b 3c

1.5-2.5 2 2a 2b 2c

Höchste 0.5-1.5 1 1a 1b 1c

Gefährdung < 0.5 0 0a 0b 0c

May 2007 - Mai 2007

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ACKNOWLEDGMENTS: We thank Graham CARTER, TWI Ltd andAlan Howe, Health & Safety Laboratory for the characterizations carried out onthe products of the CRISTAL™ range

[1] E.B Hansen, FORCE Technology, Denmark - Oxides of Nitrogen in welding,cutting and oxy-acetylene heating processes. A review of emission rates,exposure levels and control measures - Health & safety in welding and alliedprocesses – May 2005, Copenhagen, Denmark

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[6] Griffiths T., Development of stainless steel welding electrodes having a lowlevel of toxic chromium in the fume, Strasbourg seminar on welding fume:effects, control and protection, Paper 6, Abington UK, The Welding Institute,1991

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[8] Health and safety in welding and allied processes – Laboratory method forsampling fume and gases generated by arc welding - Part 4: Fume datasheets.

[9] E. Bauné, C. Bonnet et B. Leduey; Stainless steel Welding Consumablesleading to low fume emission rate and increased safety, Proceedings ofGST2005, Schweißen & Schneiden international fair, September13, 2005

eigenschaften im Vergleich zu Standardprodukten nicht nachteiligverändert. In der CRISTAL™-Reihe stehen rutile und Metallpulver-Fülldrähte zur Verfügung.

• Bei den Stabelektroden kann die Schweißrauchemission durchdie neuen Umhüllungsrezepturen halbiert werden. Allerdingserscheinen uns die gestiegenen Produktionskosten,ausschließlich für den hochlegierten Bereich akzeptabel. Daherwurde die Industrialisierung nur für diesen Bereich durchgeführt.Die CRISTAL™-Stabelektrodenreihe mit den Typen 308L, 316Lund 309L ist verfügbar für das Schweißen von korrosions-beständigen Standardausteniten und Mischverbindungen. DieAnwendungseigenschaften entsprechen mindestens denen derhandelsüblichen Produkte, wobei aber die Emissionsrate vonsechswertigem Chrom ca. 8 mal niedriger liegt.

• Eine Senkung der Schweißrauchemission trägt zu einerwesentlichen Verbesserung der Atemluft der Schweißer bei undmacht gegebenenfalls vorhandene Unzulänglichkeiten derRauchabsaugung in Werkstätten oder auf Baustellen wenigerkritisch. Trotzdem entbindet die Verwendung von CRISTAL™-Produkten nicht von der Einhaltung der üblichenSicherheitsvorkehrungen beim Schweißen.

comprises of rutile and metal cored wires and these productsare available today.

• Concerning coated electrodes, it is possible to reduce fumeemissions by a factor of 2 from modifications to theformulations of the coatings. However, the additional costsgenerated by these modifications are only consideredacceptable for high alloyed electrodes. The process ofindustrialization was therefore only undertaken for this group ofproducts. The CRISTAL™ SMAW range is available on themarket today in the 308L, 316L and 309L stainless steelgrades. The operational performance is at least equivalent toconventional products, while the emission rate of hexavalentchromium is approximately 8 times lower.

• A decrease in fume emissions makes it possible toconsiderably improve the quality of the air which is breathedby the operators and makes the use of the fume extractorsless critical in confined spaces in workshops or fabricationsites. Nevertheless, the use of the CRISTAL™ products doesnot replace the need for the usual precautions to be takenduring welding.

DANK: Wir danken Graham CARTER, TWI Ltd und Alan Howe, Health &Safety Laboratory für die durchgeführten Bestimmungen der Produkte derCRISTAL™ Reihe.

BIBLIOGRAPHY: / LITERATURHINWEISE:

Bruno Leduey - Elodie Galand - Emmanuel Bauné - Christian Bonnet

AIR LIQUIDE / C.T.A.S. (Centre Technique des Applications du Soudage)

13-17, Rue d’Epluches - Saint-Ouen-L’Aumône - 95315 Cergy-Pontoise CedexTél. : 33(0)1 34 21 31 55 / Fax. : 33(0)1 34 21 30 34

E-mail. : bruno.leduey@airliquide.com

TOPTIG: WIGRoboterschweißenmit Kaltdrahtzufuhrbringt Schweißqualitätund GeschwindigkeitEin neuartiger robotergestützter WIG Schweißprozesswurde mit der Zielsetzung entwickelt, die Qualität des WIG-Schweißens mit der hohen Produktivität desMAG-Schweißens zu verbinden. Kernstück dieserTechnologie ist ein innovatives Konzept desSchweißbrenners: Der Draht führt durch dieSchutzgasdüse hindurch in einem Winkel von 20° zurWolframelektrode. Diese Konfiguration bietet den Vorteileiner äußerst kompakten Baugröße und sehr guterZugänglichkeit an Nähte mit komplexen Geometrien. DieDrahtzufuhr muß nicht an der Naht ausgerichtet werden, sodas die 6. Achse des Roboters nicht blockiert wird.Mehrere andere Funktionen sind in diesem Systemintegriert, wie ein automatischer Elektrodenwechsel, undein Push-Pull Drahtförderer. Anwendungen wurdenbeispielsweise mit der Automobilindustrie zumspritzerfreien Löten von verzinkten Blechen entwickelt.Andere Anwendungen finden sich beim Schweißen vonCrNi-Stahl für den Behälterbau, Apparatebau, sowie für dieMöbel- und Zweiradfertigung.

Roboterschweißen erfordert vermehrtVerfahren mit hervorragender NahtqualitätBeim Roboterschweißen wird heute vorwiegend widerstandspunkt-und MAG geschweißt. Diese Prozesse genügen vielfach demAnspruch nach Produktivität und Robustheit für Automatisie-rungslösungen.

Tatsächlich gibt es eine wachsende Nachfrage nachSchweißprozessen, die zudem eine exzellente Nahtqualitätgarantieren können, zum Beispiel im chemischen Apparatebau,der Nahrungsmittelindustrie, der Automobilindustrie oder bei derFertigung von Metallmobiliar. Bessere Qualität bedeutet in ersterLinie Spritzerfreiheit und verringerte Nahtoxidierung: Das MAG-Schweißen kennt verfahrensbedingt seine Grenzen, weil derStrom durch die Drahtelektrode geführt wird. Die Menge desZusatzwerkstoffes kann zudem nicht unabhängig vomSchweißstrom gesteuert werden.

Verschiedene WIG und Plasmaverfahren existieren, die imWesentlichen auf Automatenbrennern basieren, an die im Nachhineineine Kaltdrahtzufuhr adaptiert wurde.

TOPTIG:Robotic TIG weldingwith integrated wirefeeder assuresweld speedand weld quality

A new robotic TIG welding process has beendeveloped which combines the quality of TIG weldingwith the productivity of MIG welding. The key part ofthe technology is an original torch design: The wirefeed is oriented in an angle close to the tungstenelectrode traversing the gas nozzle. This configurationprovides the advantage of reduced overall dimensionsand enhanced accessibility of the torch for roboticwelding of complex geometries. There is no need todirect the torch and wire feed towards the joint helpingto liberate the 6th axis of the robot. Several technical features are associated to the newtorch design such as an automatic electrode change,and a push pull wire feeder. Applications have beendeveloped in partnership with the automotive industryfor the weld-brazing of galvanised steel with CuSi3wire without spatter: Other applications can be foundin welding stainless steel and carbon steel: food industry,manufacturing of furniture or cycle production.

Robotic welding with a growing needfor excellent weld quality

Robotic welding today is mainly used with MAG welding orresistance spot welding. It complies to the need forproductivity and facility and robustness for non-manualwelding.

There is a growing need for assembly processes offering a verygood quality for example in the automotive industry, metalfurniture, food and chemical industry.

Better quality means first of all no spatter: MAG welding islimited because the weld current passes through the filler wireand causes arc and transfer instabilities. The quantity of fillerwire cannot be influenced independently of the weldingcurrent.

Some robotic TIG and Plasma welding systems exist on themarket with torches which are mainly based on manual orautomatic torches. The wire feeding is added later on and notin an optimum way to this configuration.

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May 2007 - Mai 2007

May 2007 - Mai 2007

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Wie in Bild 1 gezeigt, ist die Drahtzufuhrdabei in einem Winkel nahe 90° alsobeinahe parallel zum Bauteil ausgerichtet:Diese Tatsache bringt einen erheblichenNachteil bezüglich der Baugröße und derPositioniergenauigkeit mit sich. Dasseitliche Auskragen der Drahtzufuhrbedeutet, dass der Brenner nur in eineRichtung schweißen kann. Die Ausrichtungmuss von der sechsten Roboterachseausgeführt werden und demgemäß isteine weitere Achse als Positioniertischerforderlich, um eine vollständigeZugänglichkeit im Raum zu erhalten.

Der Wechsel der Wolframelektrode ist einemanuelle Tätigkeit, die mit Maschinen-stillstandzeiten und Produktionsstörungenverbunden ist.

Plasmabrenner haben häufig den Nachteileiner voluminösen Baugröße und des starkgebündelten Plasmastrahles, der extremeAnforderungen an die Positionier-genauigkeit der Drahtzufuhr und desWerkstückes stellt.

Deswegen werden WIG und Plasmabrenneram Roboter bis heute vorwiegend ohneDrahtzufuhr betrieben.

Der TOPTIG SchweißprozessVier Hauptforderungen gingen derEntwicklung voraus:• hohe Schweißgeschwindigkeit• kompakte Baugröße für den Roboter• ungehinderte Beweglichkeit des Roboters• automatischer ElektrodenwechselKernstück des Verfahrens ist der in Bild2 gezeigte patentierte Brenner:

Erläuterungen zu Bild 3: Die Drahtzufuhr (2)wird durch die Gasdüse (5) hindurch-geführtund steht in einem Winkel von etwa 20° zurWolframelektrode (1), somit etwa parallelzum Anschärfwinkel der Elektro-denspitze.Auf diese Weise führt der Draht (4) durch denKernbereich des Lichtbogens mit höchstenTemperaturen, wodurch eine maximaleAbschmelzleistung erzielt werden kann.

Diese Konfiguration macht eine dem MAG-Brenner ähnliche Verwendung möglich: DieAusrichtung des Brenners sowie derElektrodenabstand sind weniger empfindlich,weil der Draht vertikal in das Schweißbadtransportiert wird. Die Drahtführung ist festmit der Gasdüse verbunden, so dass eineJustierung nicht möglich aber auch nichterforderlich ist.

Auf diese Weise kommt es zu einemspezifischen Werkstoffübergang (Bild 4)der sich erheblich vom herkömmlichenTropfenübergang unterscheidet.

Es besteht eine ununterbrocheneVerbindung aufgeschmolzenen Metalles

As shown in Figure 1 the wire isorientated close to 90° relative to theelectrode thus parallel to the weld: Thismeans an important disadvantage interms of volume and positioningreliability. The orientation of the wire feedmeans that the torch can weld in onlyone direction. The direction has to bedone by the 6th axis of the robot. Forcomplex parts a 7th axis or a turntablehas to be added.

The electrode change is difficult tohandle and normally results in amanual operation with machine downtime.

Existing plasma systems are even moredifficult in use because of the large watercooled gas nozzle and the small plasmajet dimension and less tolerance inpositioning.

In consequence TIG and plasma weldingon robots was up to now mainly donewithout filler wire.

The TOPTIG welding process

Three major aims for this newlydeveloped process:• High welding speed• Compact torch for robotic welding• Not to restrain the robot in its

capabilities• Automatic electrode change

The key component is a patentedwelding torch with integrated wirefeeding as illustrated in Figure 2:

As shown in Figure 3 the wire feed (2)passes through the gas nozzle (5) at anangle of about 20° to the electrode (1), infact parallel to the cone at the tip of theelectrode. In this way the wire (3) passesthrough the hottest regions of the arcand a high deposition rate can beobtained.

This configuration makes it possible touse a TIG torch more like a MAG torch:the orientation of the torch is lessimportant. The distance of electrode towork piece is less sensitive because thewire is stubbed into the weld bead. Thewire tip is fixed to the nozzle so there isneither need nor possibility to adjust itsposition.

This configuration leads to a veryparticular metal transfer similar to a liquidmetal stream (Figure 4) that is different tothe habitual droplet transfer.

There is a continuous contact of thefiller metal to the weld piece at theborder of the arc cone. This transfer

Fig.2: View of the cross section of TOPTIG torch

Bild 2: Schnittdarstellung des TOPTIG Brenners

Fig.1: Conventional TIG torch for robotic use

Bild 1: Konventioneller WIG Brenner mit seitlicherKaltdrahtzufuhr

1-Wolfram Nadel2-Drahtführung3-Doppel Strom Düse4-Schweifldraht

5-Gasdüse6-Schutzgas7-Lichtbogen8-Werkstück

1-electrode2-filler wire3-double flow (option)4-filler wire

5-nozzle6-shielding gas7-constricted arc8-welding piece

10 000 to 16 000 °K4 000 to 10 000 °K

ClassicSolution

1

2

3

4 8

7

6

5

Fig.3: Schematic setup of TOPTIG weld torch

Bild 3: Schematischer Aufbau des TOPTIG Brenners

des Drahtwerkstoffes mit demSchweißbad am Lichtbogen-fußpunkt. Diese Form des Werkstoff-überganges bringt erheblicheVorteile, wie eine erhöhteAbschmelzleistung, regelmäßigesNahtaussehen und ein starkverringertes Risiko eines Kontaktesdes Drahtes mit der Elektrode.Nach dem Erlöschen desLichtbogens bleibt das Drahtendeangespitzt und erleichtert den darauffolgenden Prozessstart. Diese Formdes Werkstoffüberganges kannmit verschiedenen Werkstoffen,wie Kupferbasisloten, CrNi-Stahl ,und Stahl erreicht werden.

Der tropfenförmige Übergangist gekennzeichnet durch einenwiederholten Kontakt desDrahtendes mit dem Schweißbad,Unterbrechung der Metallbrücke,Anwachsen des Tropfens undAblösen durch Schwerkraft odererneuten Kontakt mit dem Bad.Dieser schematische Vorgang istdem Kurzlichtbogen oderÜbergangslichtbogen beim MAGSchweißen ähnlich. Dies kannhilfreich sein, um das Schweißbadzu durchmischen und dadurchPorenbildung oder Bindefehler zuvermeiden. Die Naht ist in derRegel wesentlich breiter.

Beide zuvor beschriebenenÜbergangsformen können beientsprechender Wahl der Parametererzielt werden; der kontinuierlicheÜbergang kann sogar noch

einfacher eingestellt werden, in dem dieDrahtfördergeschwindigkeit in Schrittenerhöht wird und das Drahtende folglich indas Schweißbad gedrückt wird. Bei hoherFördergeschwindigkeit wird der Draht nichtin Folge von Wärmeleitung außerhalb desLichtbogens aufgeschmolzen, und eskommt nicht zu der in Bild 5 beschriebenenTropfenbildung. Der Wärmeübergang erfolgtkonzentriert an der Drahtspitze in Nähe desZentrums des Lichtbogens.

Bild 6 zeigt schematisch, dass dieTropfenfrequenz bei konstantem Schweiß-strom mit der Drahtgeschwindigkeitanwächst und schließlich bei Erreichen

eines Grenzwertes in den Bereich des kontinuierlichen Werkstoff-übergangs mündet. Dieses Phänomen konnte mit einemLaserstroboskop-Kamerasystem entsprechend Bild 4 dokumentiertwerden.

Eine weitere Funktion die bisher nur im Labor eingeselet wurde istein optionale Doppelstromdüse, die einen beschleunigtenGasstrom in Elektrodennähe bewirkt (Bauteil 3 in Bild 3). DerGasstrom führt zu einer Konzentrierung des Lichtbogens mit

mode with a liquid bridge ispreferable because it resultsin a high deposition rate, avery regular weld seam and alargely reduced risk of thefiller wire coming into contactwith the tungsten electrode.After extinguishing the arc thetip of the filler wire remainssharpened in order to makethe next weld start morereliably. This transfer modecan be obtained for allcommon welding wires forweld brazing, stainless steeland steel.

The droplet transfer mode ischaracterized by a repeatedcontact of the wire to thepool, rupture of the metalneck, grows of droplet anddetachment of the droplet bygravity or surface contact.This scheme is similar to ashort arc transfer in MAGwelding. It can help to stir upthe weld pool and can thusfor example help to preventporosity in the weld pool or toprevent lack of fusion. Theweld seam normally is muchlarger than the first transfermode.

The two transfer ranges canboth be obtained with adaptedsettings of parameters. Thetransfer mode in liquid bridgeis even simpler to obtain byincreasing the wire feed speed in stepsto a maximum.

Figure 6 shows schematically theinfluence of the wire speed atconstant weld current on thefrequency of droplet transfer. Thisphenomena has been observedusing a laser strobe vision systemgiving images as shown in Figures 4and 5.

Another design feature of the TOPTIGtorch is an optional gas nozzle calleddual flow providing a more dynamicgas flow in the centre near the electrode (part 3 inFigure 3).

A central gaz nozzle has been used in laboratoryconditions. It provides higher flow velocities in the centrein order to obtain a more constricted arc and to raise theenergy density for better bead penetration. Furthermoreit helps to more effectively protect the tungstenelectrode.

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May 2007 - Mai 2007

Fig.4: Metal transfer similar to liquid stream (images taken with laser strobe at30Hz filtering the arc radiation)

Fig.5: Droplet metal transfer (images taken with laser strobe at 30Hz filteringthe arc radiation)

1. continuous metal transfer 2. continuous metal transfer1. Kontinuierlicher Übergang 2. Kontinuierlicher Übergang

3. continuous metal transfer 4. Wire feed stopped3. Kontinuierlicher Übergang 4. Ende Drahtvorschub

1. Melting of wire tip 2. Formation of droplet1. Anschmelzen des Drahtes 2. Bildung des Tropfens

3. Growth of droplet 4. Deposition of droplet3. Anwachsen des Tropfens 4. Abloesen durch Kontakt

Drop

let F

requ

ency

Trop

fenf

requ

enz

Wire Feed SpeedDV-geschwindigkeit

DropletTransfer

Werkstoffübergang

ContinuousTransfer

Gleschmüßigerübergang

UnstableTransfer

Instabilerübergang

Fig.6: Transfer ranges (droplet frequency versus wirespeed)

Bild 6: Formen des Werkstoffüberganges (Tropfen-frequenz in Abhängigkeit der Drahtfördergeschwindigkeit)

Bild 4: Kontinuierlicher unterbrechungsfreier Werkstoffübergang (Aufnahmemit Laserstroboskop bei 30Hz unter Ausblendung des Lichtbogens)

Bild 5: Tropfenförmiger Werkstoffübergang (Aufnahme mitLaserstroboskop bei 30Hz unter Ausblendung des Lichtbogens)

May 2007 - Mai 2007

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erhöhter Energiedichte und verbessertemEinbrandverhalten. Zusätzlich bietet er eineSchutzfunktion der Wolframelektrode.

Bild 7 zeigt die gemessenen Werte derGasgeschwindigkeit am Auslass derGasdüse. Die Messung wurde mit einemHeizdrahtsensor durchgeführt, der ineinem Feld von 25mm x 25mm und einerSchrittweite von 0.5mm unter demBrenner geführt wurde. Bei einemGesamtdurchfluss von ca. 15l/minbeträgt die zentrale Gasgeschwindigkeitbis zu 18 m/sec. Die Doppelstrom-gasdüse verbessert beim Schweißen vonStumpfstößen die Einbrandtiefeerheblich. Ein weiterer positiver Einflussist die pneumatische Wirkung diesesGasstroms auf das geschmolzene Metall:Bild 8 zeigt ein Beispiel, bei dem dieFüllung des Zwischenraumspaltes einerBördelnaht mit Lotwerkstoff durch denkonzentrierten Gasstrom optimiert wird.Der Lichtbogen zeigt dabei keineTendenz, zwischen den Flanschseiten hinund her zu springen.

Schweißleistungenund Einsatzgebiete

Der TOPTIG Prozess kann erfolgreich fürviele Dünnblechanwendungen (0,5 bis3mm Stärke) eingesetzt werden, dieerhöhte Anforderungen an die Naht-qualität und die Schweißleistung beiüberschaubarer Investition stellen.

• Nahtaussehen (Bild 9)

Mit dem Prozess kann die für das WIG-Schweißen typische gute Nahtqualität erzieltwerden. Da keine oxidierenden Schutzgaseeingesetzt werden kommt es insbesonderebeim Löten und beim Schweißen von CrNi-Stählen nur zu einer geringen Oxidierungder Nahtoberfläche. Der kontinuierlicheWerkstoffübergang führt zu einer sehrgleichmäßig glatten Naht unterweitgehendem Fehlen von Erstarrungslinien.

• Schweißgeschwindigkeit undProduktivität (Bild 10)

In den meisten Anwendungsfällen sticht alserstes die erreichte Geschwindigkeit hervor:Im Gegensatz zu konventionellen WIG-Prozessen können Geschwindigkeiten erzieltwerden, die ähnlich dem MAG-Schweißensind. Beispielsweise kann im Falle desLötens von Überlappstößen verzinkterBleche eine Geschwindigkeit von 1m/minproblemlos erzielt werden. Im Versuchwurden Werte bis zu 3,5 m/min aufelektroverzinkten Blechen erreicht. DieObergrenze für MAG-Eindrahtlöten liegtnach eigenen Erfahrungen bei etwa1,5m/min.

Figure 7 illustrates the gas velocityunder the torch measured by meansof hot wire anemometry. At a globalgas flow of 15l/min the gas velocity inthe centre region is about 18 m/sec.The dual flow nozzle helps forexample butt welds on 3mm stainlesssteel and to obtain full penetrationwithout particular joint preparation.Another application is shown in Figure8 were the jet is used to push thecopper filler metal right into the gap ofan inner flange joint.

Performanceand applications

The TOPTIG process can be used onall the applications on thin sheets (upto 3 mm thick) needing high quality,productivity and reasonable costs.

• Weld appearance (Figure 9)

The main advantage of the TOPTIGprocess is the excellent weld beadappearance. Indeed, the possibility ofusing for this process a non oxidizinggas permits brilliant beads with verylow oxidation, to be obtained notablyin weld-brazing joints and in welding ofstainless steels. Furthermore, thetransfer mode by liquid stream leads toa smooth structure of beads withoutsolidification waves.

• Welding speed (Figure 10)

In all the applications tested, aninteresting result is the welding speed :contrary to classical TIG process, thewelding speed is similar to thoseobtained with the MIG process. Forexample, a welding speed of one metreper minute can be easily reached for lapweld-brazing of 1mm thick galvanizedsheets. In the laboratory speeds up to3.5 m/min were reached on electrogalvanized sheet. Speed for conventionalMAG brazing is normally 1,5m/min forsingle wire in the laboratory.

• Spatter free (Figure 11)

The absence of spatter is guaranteedby the fact that the welding currentdoes not go through the filler metal, sowe never meet situations where thereis a transfer of droplets in the arc or abreaking of liquid stream. In order toprevent spattering on thin sheet, theobvious way of optimization is toreduce the heat input at the start of theweld and to protect the electrode

Fig.9: Lap joint of 2 mm 304L at 200 A, 0.9 m/min

Bild 9: Überlappstoß von 2 mm 304Lbei 200A, 0,9 m/min

Fig.7: Dual gas velocity as measured

Bild 7: Gasgeschwindigkeit unter derDoppelstromdüse (Heizdrahtmessung)

Fig.8: Weld brazing of coated steel

Bild 8: Lötung an Boerdelnaht von verzinkten Blechen

Fig.11: Short braze seams on 0.8mm coated steel

Bild 11: Kurze gelötete Steppnähte auf 0,8mmverzinktem Blech

Fig.10: Weld brazing of coated steel at 3 m/min

Bild 10: Löten von verzinkten Blechen bei 3.5 m/min

• Spritzerfreiheit (Bild 11)

Die Spritzerfreiheit wird dadurchgewährleistet, dass der Schweißstrom nichtdurch den Zusatzdraht geleitet wird; sokommt es seltener zu einem Tropfen-übergang durch den Lichtbogen oder zumplötzlichen Abriss des Metallkontaktes. Aufsehr dünnen verzinkten Blechen kann esdurch die abrupte Verdampfung des Zinksbei der Lichtbogenzündung zu Spritzernkommen, denen mit einer Reduzierung desEnergieeintrages begegnet werden kann.Die geeignete Steuerung des Zyklus vonStrom, Drahtzufuhr und Bewegungs-beginn ermöglicht die sofortige Präsenz desDrahtes im Lichtbogen und hilft dieüberschüssige Energie zu absorbieren undeinen übermäßigen Einbrand oder Spritzerzu vermeiden.

• Geringer Wärmeverzug (Bild 12)

Der vom Schweißstrom unabhängigeMaterialeintrag erlaubt es wiederum, denEnergieeintrag in den Grundwerkstoffbesser zu steuern, um den Wärmeverzugzu verringern. Diese Tatsache erlaubt es,Schweißungen wie an dem in Bild 12gezeigten CrNi-Stahlbecken auszuführen.

• Steuerung und Flexibilität desProzesses (Bild 13)

Der TOPTIG-Prozess kann verhältnismäßigleicht implementiert werden: Die Positiondes Brenners wird bestimmt durch denSchnittpunkt von Lichtbogen undZusatzdraht. Die Idealpositionierung ist einElektrodenabstand von 3mm und einAbstand des Drahtes parallel zurElektrode in der Größenordnung des Draht-durchmessers.Bei der hier vorgestellten integriertenDrahtzuführung und dem Durchlaufen derheißesten Lichtbogenregionen ist diePositionierung des Drahtes zurSchweißrichtung weniger einflussreich, sodass die Bewegungsfreiheit eines 6 Achsen-Roboters beim Schweißen komplexerBauelemente weniger gestört wird.Darüber hinaus können erheblicheFügespalte toleriert werden, die in der Regelder Blechstärke entsprechen können. Dazuwird beispielsweise der Brenner leichtgependelt, Bild 14 :

• Löten in der Automobilindustrie

Vornehmlich wurde der TOPTIG Brenner fürdas Löten von verzinkten Blechen imAutomobilbau entwickelt. Die hiervorkommenden Fügesituationen sindÜberlappnähte bei Blechstärken von 0,8-1,5mm. Dabei sind Geschwindigkeiten vonetwa einem Meter pro Minute zu erreichen,wobei die in Bild 15 gezeigte Nahtqualitäterzielt wird.

against spatter. By adaptedsynchronization of the current rise, theinput of the filler wire and the movingof the robot the heat input can bedecreased : the prompt arrival of thefiller wire in the arc region helps toabsorb the energy and to preventexcessive heating and spattering.

• Low distortion

The independence of welding currentand the wire speed rate allowscontrol of the energy given to thejoint, and so the distortion. Thisadvantage helps weld assemblies ofthin stainless steel parts as shown inFigure 12.

• Control and flexibilityof the process

The TOPTIG process is easy toimplement : the welding position isdetermined by the wire impact and theelectrode position. The ideal position isa distance of 3mm between theelectrode tip and the sheet and adistance of one wire diameter betweenthe wire and the electrode.

With an integrated wire feeding andthe fact that the wire melts near thepoint of highest arc temperature, theposition of the wire compared to thewelding direction is less sensitivegiving more freedom when weldingcomplex structures on a 6 axis robot(Figure 13).

Moreover, this process is able toaccept defaults like positioning marginand gap between the two sheetsabout one times the wire diameter. Ifthere is a need for more tolerance, theuse of the weaving function of therobot allows absorbtion of moreimportant defaults (Figure 14).

• Automotive weld-brazingapplications

First of all, TOPTIG torch has beendeveloped for automotive applicationsthat is for weld-brazing on thin coatedsteel sheets. Most of the possibleautomotive applications are lap jointsof 0.8mm to 1.5mm thick galvanisedsheets. The use of TOPTIG processa l lows we ld ing speeds of aboutone metre per minute with very goodweld bead appearance (Figure 15).

20

May 2007 - Mai 2007

Fig.12: Welding a stainless steel sink

Bild 12: Schweißen eines Überlappstoßes an einemCrNi-Stahlbecken mit Blechstärken von unter 1mm.

Fig.13: Lap joint of 1mm thick 304L stainless steel,140 A, 1.1 m/min, ARCAL 10

Bild 13: Überlappnaht an 1 mm 304L CrNi-Stahl, 140 A,1,1 m/min, ARCAL 10. Die Orientierung des Brenners

wurde bei allen vier Nahtschenkeln beibehalten

Fig.15: Robotic weld-brazing of car body parts

Bild 15: Roboter WIG-Löten von komplex geformtenAutomobilkomponenten

Fig.14: Lap joint of galvanized 1.5 mm thick sheetswith a gap of 1 mm. Use of weaving function

Bild 14: Überlappstoß an 1,5 mm verzinkten Blechenmit 1mm Luftspalt mit Pendelbewegung

May 2007 - Mai 2007

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Some representative joints are given in the following table :

Different gas mixtures have beentested for that kind of applicationand the results are :

• ARCAL 1 (I1=pure argon) is good ifthe welding speed is not a priority

• ARCAL 32 (I3=Ar + He) isinteresting for the welding speed

• ARCAL 10 (R1=Ar + H2) is thebest for wetting and appearance.

The use of gas mixtures containingmore than 2.5% of H2 is notrecommended because they caninduce wormholes.

The flexibility of the process hasbeen tested, notably on lap joints of1mm thick electro galvanized steel(Figure 17).

• Stainless steels applications(Figure 18)

For stainless steels, TOPTIG process isvery interesting because of the weldingspeed and the deposition rate reached(about 3kg/h). The possible applicationsare, for example, food industry andmetallic furniture where TOPTIG could bea good solution due to the excellent beadappearance.

Einige typische Fügesituationen und die entsprechenden Parametersind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Verschiedene Schutzgase wurden fürdiese Anwendungsfälle getestet:• Reinargon (I1) sind einsetzbar, wennGeschwindigkeit und Benetzungs-verhalten nicht die oberste Prioritäthaben.• Argon + Helium (I3) sind interessantwegen der hohen erreichbaren Ge-schwindigkeiten. Der Wärmeeintragin den Grundwerkstoff ist allerdingssehr viel stärker.• Argon + Wasserstoff (R1) gleichzeitighohe Geschwindigkeit, Benetzungsver-halten und Nahtaussehen.

Das Verwenden von Wasserstoff-anteilen über 2.5% Wasserstoff ist nichtzu empfehlen, da es zu Porenbildungdurch Überschreitung der Löslichkeit imKupferlot kommen kann.

Die Akzeptanz von Positionierungs-toleranzen und Luftspalten wurdeanhand von Überlappnähten vonverzinkten 1mm Blechen erprobt. In Bild

17 bezeichnet X den lateralen Abstand inMillimetern des Brenners von der Mittellagedes Überlappstoßes. Z ist der vertikaleAbstand der Elektrode vom Werkstück inMillimetern. Die gekreuzten Felder bedeuten,dass die jeweilige Situation schwer oder nichtdurchzuführen ist. Grün (ok) sind dieFügesituationen die ohne Problemeausgeführt wurden.

• Schweißen von CrNi-Stählen(Bild 18)

Beim Schweißen von CrNi-Stählen ist derTOPTIG Prozess ebenfalls sehr interessant, dahohe Geschwindigkeiten und Abschmelzleis-tungen bis zu 3 kg/h erreicht werden können.

T joint of 2mm thick304L stainlesssteel, 200 A,0.7 m/min

Kehlnaht an2 mm dicken304L CrNi-Stahlblechen,200 A, 0,7m/min

Fig.18: T-joint on 304L stainless steel

Bild 18: Kehlnaht an 304L CrNi-Stahl

Joint Coated Filler Current Welding Gassteel wire speed

Electro CuAl8 ARCAL 1galvanized Ø 1 mm 180 A 1.75 m/min (15 l/min)

(1 mm)

Galvanized CuSi3 80 A 1.3 m/min ARCAL 10(0.8 mm) Ø 1 mm (15 l/min)

Electro CuSi3 ARCAL 10galvanized

Ø 1.2 mm155 A 1 m/min

(15 l/min)(2 mm)

Electro CuSi3 ARCAL 10

galvanizedØ 1.2 mm

140 A 1 m/min(15 l/min)

(1 mm)

Galvanized CuSi3 130 A 1 m/min ARCAL 10

(1.5 mm) Ø 1 mm (15 l/min)

Fig.16: Joint configuration for weld brazing

Füge- Grund- Zusatz- Schweiß-

position werkstoffewerk- Strom geschwin- Schutzgasstoffe digkeit

Elektrolytisch CuAl8 ARCAL 1verzinkt Ø 1 mm 180 A 1.75 m/min (15 l/min)(1 mm)

Schmelztaucle CuSi3 ARCAL 10verzinkt 80 A 1.3 m/min

(0.8 mm) Ø 1 mm (15 l/min)

Elektrolytisch CuSi3 ARCAL 10verzinkt Ø 1.2 mm 155 A 1 m/min(15 l/min)(2 mm)

ElektrolytischCuSi3 ARCAL 10verzinkt

Ø 1.2 mm140 A 1 m/min

(15 l/min)(1 mm)

SchmelztaucheCuSi3 130 A 1 m/min ARCAL 10verzinkt

Ø 1 mm (15 l/min)(1.5 mm)

Bild 16: Fügesituationen beim Löten verzinkter Automobilbleche

Fig.17: Position tolerance for weld brazing

Bild 17: Toleranzfähigkeit beim Löten verzinkter Bleche

Gap/Füegespalt = 1 mm

Gap

Z=3

X- X+

Lap joint of 1mm thick electrogalvanized steel, 120 A, 1 m/min,ARCAL 10.

Überlappstoß von verzinkten 1mmBlechen, 120 A, 1 m/min,Schutzgas R1.

X-1 X-0.5 X0 X+0.5 X+1

Z2

Z3

Z4

Z5

no ok

ok

ok

ok

ok

ok ok

Einige typische Fügesituationen und die entsprechendenParameter sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Verschiedene Schutzgase basierend auf Argon Wasserstoffgemischenwurden für diese Anwendungsfälle gestestet. Ein Einfluss istinsbesondere auf die maximal erreichbare Geschwindigkeit und dasNahtaussehen festzustellen. Am Beispiel des Überlappstoßes von2 mm dicken 304L Blechen wurde die maximale Geschwindigkeiten miteinem Argon/Helium/Wasserstoff Gemisch bei 1.7 m/min festgestellt.

Während dieser Versuche trat bei Erreichender Maximalgeschwindigkeit das in derLiteratur als „Humping“ oder „Puckering“bekannte Phänomen auf. Dieser Defekt istcharakteristisch für das WIG-Schweißen beihohen Geschwindigkeiten (siehe Bild 15):Ein frühzeitiges Erstarren des Schweiß-bades hinter dem Lichtbogen verhindert einNachfließen und Schließen des Schweiß-

bades. In Folge dessen entsteht einelöchrig hügelige Struktur. Eine Abhilfebzw. Verschiebung zu höherenGeschwindigkeiten kann dasVerwenden von höheren Wasser-stoffanteilen im Schutzgas oder einstärkeres Anstellen des Brenner-winkels sein (Bild 21).

Die Akzeptanz von Positionierungs-toleranzen und Luftspalten wurdeanhand von Überlappnähten von2mm Blechen erprobt. Der Erklärungder untenstehenden Grafik ist analogzu Bild 17 (Bild 22).

Ein interessanter Anwendungsfall istdas Schweißen von Komponenteneiner Automobillenksäule ausKohlenstoffstahl mit unbedingterSpritzerfreiheit und geringstemWärmeverzug (Bild 23).

22

May 2007 - Mai 2007

Some representative joints are given in the following table :

Different gases have been tested for these applications : Theyhave an influence on the weld bead appearance and thewelding speed as shown in Figure 20.

During the different tests made, a fault,known as “humping” or “puckering”, hassometimes appeared. This fault ischaracteristic of TIG welding with highwelding speed and current (cf. Figure 15).To solve this problem, it is possible to use agas with a high percent of H2 or simply achange of the torch tilt could be the solution.

The flexibility of the process has beentested, notably on lap a joint of2 mm thick stainless steel (Figure 22).

An interesting application is carbonsteel welding of parts of a steeringcolumn with an absolute absenceof spatter (Figure 23).

Joint Stainless Filler Current Welding Gassteel wire speed

304L E 308 L ARCAL 10(1mm) Ø0.8mm

150 A 1 m/min(15 l/min)

304L E 308 L210 A 1.5 m/min

ARCAL 15(2mm) Ø1.2mm (15 l/min)

304L E 308 L ARCAL 10(2mm) Ø1.2mm

200A 0,7 m/min(15 l/min)

304L E 308 L ARCAL 15(2mm) Ø1.2mm

200 A 1 m/min(15 l/min)

Fig.19: Joint configuration for weld brazing

Füge- Cr Ni Zusatz-Strom

Schweißge- Schutz-position Stähle werkstoffe schwindigkeit gas

304L E 308 L ARCAL 10(1 mm) Ø 0.8 mm 150 A 1 m/min (15 l/min)

304L E 308 L 210 A 1.5 m/min ARCAL 15(2 mm) Ø 1.2 mm (15 l/min)

304L E 308 L ARCAL 10(2 mm) Ø 1.2 mm 200 A 0,7 m/min (15 l/min)

304L E 308 L ARCAL 15(2 mm) Ø 1.2 mm 200 A 1 m/min (15 l/min)

Bild 19: Fügesituationen beim Schweißen von CrNi-Stählen

Gas Gas mixture Travel speed

R1 Ar + 2.5% H2 0.9 m/min

R1 Ar + 20% He + 5% H2 1.2 m/min

R1 Ar + 5% H2 1.7 m/min

Fig.20: Maximum speed on 304L 2mm lap joint which dependson shielding gas

Gas Mischung GeschwindigkeitR1 Ar + 2.5% H2 0.9 m/min

R1 Ar + 20% He + 5% H2 1.2 m/min

R1 Ar + 5% H2 1.7 m/min

Bild 20: maximale Geschwindigkeit am Überlappstoß von 304L 2mmBlechen in Abhängigkeit des Gases

Gap/Füegespalt = 1.5 mm

Gap

Z=3

X- X+Lap joint of 2mm thick stainless steel,210 A, 1.2 m/min, ARCAL 15.

Überlappstoß von 2mm dickenCrNi-Stahlblechen, 210 A, 1.2 m/min,Schutzgas R1.

X-1 X-0.5 X0 X+0.5 X+1

Z2

Z3

Z4

Z5

ok ok

ok

ok

ok

ok

ok

ok

Fig.22 Position tolerance on stainless steel

Bild 22: Toleranzfähigkeit beim Schweißen von CrNi-Stählen

Fig.23: Steel parts of steering column

Bild 23: Bauteil einer Lenksäule ausKohlenstoffstahl

Fig.21: Humping phenomena on stainless steel

Bild 21: “Humping” Phänomen auf CrNi-Stahl

Welding flashErstarrung

Bead openingNahtungänze

May 2007 - Mai 2007

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Beschreibung einer TOPTIG Komplettanlage

Der Brenner ist über einen standardisierten Schraubanschluss miteinem Push-Pull Drahtförderer verbunden, der wiederum unterVerwendung der üblichen Sicherheitsabschalter mit dem Roboter

verbunden ist. Alle kritischen Teile desBrenners sind wassergekühlt. Einezusätzliche wassergekühlte Gasdüse kannoptional verwendet werden, wenn hoheStrombelastungen zu erwarten sind oderwenn das Überschweißen heißer Bauteileden Brenner besonders belastet. DasDrahtführungsstück ist bei Verschleiß oderWechsel des Drahtdurchmessers (0.8 bis1.2 mm) austauschbar von der Gasdüseentfernbar. Die Gasdüse selbst kann vomBrennerkörper mittels eines Gewinderingesgelöst werden, ohne dass derKühlwasserkreislauf geöffnet werdenmuss. Die Wolframelektrode ist imElektrodenhalter entsprechend einer Lehregespannt. Der Elektrodenhalter wird miteinem Bajonettverschluss im Brennergehalten und kann automatisch getauschtwerden. Der Brenner hat eine maximaleStrombelastung von 200 A DC.

Zu einer kompletten Anlage gehört eineStromquelle mit 200 A bei 100% ED mitFernregler, einem Schlauchpaket und einemDrahtförderer mit maximalerDrahtgeschwindigkeit von 10m/min. DieAnlage ist hochspannungsfest und durch die

Verwendung von Optokopplern vollständig vom Roboter, demDrahtförderer und dem Interface isoliert. Der optionaleElektrodenwechsler ist ein pneumatisch angetriebener Automat mitintegrierter SPS Steuerung, um eine Anbindung an üblicheIndustrieroboter zu ermöglichen. Der Wechsler besitzt ein Magazin für7 Elektrodenhalter mit voreingestellter Elektrode. Die Überwachungdieses Wechselträgers geschieht automatisch. Die Taktzeit für einenWechselvorgang von Schweißende bis zum erneuten Schweißbeginnbeträgt etwa 15 Sekunden ohne jeglichen manuellen Eingriff.

Zusammenfassung

Verfahrensvorteile: TOPTIG ist eine neue Variante desherkömmlichen WIG-Verfahrens und wurde auf die Anforderungendes Roboterschweißens abgestimmt. Das Brenner-Konzept bietetden Vorteil eines einfachen und zuverlässigenAutomatisierungseinsatzes, da die Lage des Zusatzdrahtes zurElektrode fixiert ist und keiner Justierung oder Parametrierungbedarf. Dies ermöglicht die Zugänglichkeit an Nähte von komplexenBauteilgeometrien.

Weitere Funktionen sind ein automatisierter Elektrodenwechsel,eine schnelllösbare Verbindung des Brenners zum Schlauchpaketam Roboter und die Möglichkeit einer gepulsten Drahtförderung.

Leistungen: Die Schweiß- oder Lötgeschwindigkeit ist dem MAG-Schweißen zumeist gleichwertig, zum Teil aber auch höher, unddies bei erheblich verbesserter Nahtqualität. DiePositionierungstoleranzen an Überlappstößen entsprechen demDrahtdurchmesser. Die Elektrodenstandzeit kann bis zur Dauereiner Produktionsschicht erreichen.

Industrial offer

The torch is mounted to the robot hand via a quickconnector to a push pull wire drive. The torch is internallywater cooled and an additional water cooling of the gasnozzle can be chosen in case of useat high currents or in confinedassembly situations with extreme heatexposure. The wire guide tip isremovable from the gas nozzle (screwable) for end of lifetime or for achange of wire diameter. The gasnozzle can be removed easily fromthe torch by unfixing a thread withoutopening the water circuit. Theelectrode is clamped into the centralelectrode holder that can be removedautomatically. The current limit of thetorch is 200 A DC current, for wirediameters between 0.8 up to 1.2 mm(Figure 24).

The torch is connected to acomplete equipment with adedicated DC power source 200 A100% with remote control, theharness and a wire feeder unitallowing a wire feed speed of up to10 m/min. The equipment is HighFrequency protected by full isolationto the robot, the wire drive and thesignal interface via opto-couplers.The optional electrode changer is apneumatic driven automat with an onboard PLC controlto be connected to all common robots. It offers a stockof 7 electrode holders on the tool changing platform. Thecontrol of the stock is automatic. The cycle time of anelectrode change is about 15 sec from weld to weldwithout any manual intervention (Figure 25).

Conclusion

Advantages of the system: TOPTIG is a new variant of theconventional TIG process adapted to the needs of roboticfabrication. The torch design offers the advantage of asimple and reliable setup: the position of the wire feedversus electrode is fixed and the wire extension is limitedto a minimum. It offers very good accessibility on complexparts being typical for robotic welding.

Additional features of the torch are the automaticelectrode change, a quick connector of the torch to robothand and a pulsed wire drive.

Performance: The welding or brazing speed is similar orsometimes higher than those obtained in single wire MAGwelding with a largely improved weld quality. Positioningtolerance is typically on lap joints about 1 times the wirediameter. Electrode lifetime can reach times up to a fullwork shift.

Applications: The applications of the process are limited to

Fig.25: Automatic electrode changer and power source

Bild 25: Elektrodenwechsler und Stromquelle

Fig.24: TOPTIG torch with push pull wire drive

Bild 24: TOPTIG Brenner mit push pull Drahtförderer

Einsatzfälle: Die Anwendungen des Verfahrens sind begrenzt aufdünne Bleche bis zu 3 mm mit für diese Fälle beachtlichenAbschmelzleistungen. Die meisten Einsatzfälle ergeben sich, wennbesonderes Augenmerk auf erstklassiges Nahtaussehen gelegtwird, wie zum Beispiel beim Fügen halbsichtbarer Nähte in derAutomobilindustrie, bei Metallmöbeln und bei Anlagen derchemischen oder Nahrungsmittelindustrie.

thin sheet assembly up to 3 mm with relatively lowdeposition rates. Most applications can be found whendemanding an excellent weld quality such as assembly ofsemi-visible parts in the automotive industry, furniture,chemical and food equipment.

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May 2007 - Mai 2007

T. Opderbecke - S. Guiheux

AIR LIQUIDE / C.T.A.S13-17, Rue d’Epluches - Saint-Ouen-L’Aumône

95315 Cergy-Pontoise Cedex

LITERATURE: / SCHRIFTTUM:

• Plasma braze welding in autobody production at Jaguar Cars. R. Hughes, G.Dryburgh, S. Garbett • Welding & Metal Fabrication March 1995

• Plasmaloeten auf verzinkten Blechen. • Bouaffi, Ouaissa, Tuchtfeld, Ait-Mekideche Goslar und Radscheid, Wolsburg, DVS 1999

• Penetration and defect formation in high current arc welding. • P. Mendez, T.Eagar.Welding Journal 10.2003

• Influence of filler wire addition on weld pool oscillation during gas tungsten arcwelding. • Yudodibroto, Hermans, Hirata, de Ouden.2004. • Science andTechnology of Welding and Joining

• Patent double flow, Air Liquide

• Guide des gaz. Gase füer die Schweisstechnik• Technical brochure ARCALRange, Air Liquide

May 2007 - Mai 2007

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Untersuchungen zurSchweißrauchemissionbei Fülldrähtenunter CO2

Schweißrauchemissionen sind ein wesentlicher Punkt bei derVerbesserung der Arbeitsbedingungen für die Schweißer. Ineinem gemeinsamen Forschungsprojekt haben sich dieColorado School of Mines (CSM) und Air Liquide Welding(ALW) mit dem Phänomen der Schweißrauchbildungbeschäftigt.

Als Quellen für dieses Forschungsprojekt wurden - neben derAWS F1.2-92: “Laboratory method for measuring fume-generation rates and total fume emission of welding and alliedprocesses” als Bezugsnorm - verschiedene Untersuchungenzur Simulation und zu experimentellen Ansätzen herangezogen.

Sechs rutile Standardfülldrähte und fünf Fülldrähte mit einemeinzigen Bestandteil wurden analysiert, um Menge,Zusammensetzung und Typ der Schweißrauchemissionen zuvergleichen. Mit diesem Forschungsprojekt war es möglich zubeurteilen, welchen Einfluss die Metallhülle hat und welcheRolle die Bestandteile des Füllpulvers spielen. ZurUntersuchung und Bestimmung der Schweißrauchtypenwurden verschiedenen Methoden eingesetzt: Röntgen-Spektrographie, induktiv gekoppeltes Plasma, Raster- undTransmissionselektronenmikroskop sowie energiedispersiveSpektroskopie.

Durch die Röntgenspektrographie konnte die wesentlichekristalline Struktur festgestellt werden: der Spinell.

Die Beobachtungen während der Forschungsarbeitenermöglichten eine vollständige Beschreibung der Rauch-

morphologie und derBeziehungen zwischenWerkstoffübergang undRauchmenge.

Die vorliegende Arbeit ging aus einem gemeinsamenForschungsprojekt von Air Liquide Welding (ALW) – CentreTechnique des Applications Soudage (CTAS) in Paris, Frankreichund der Colorado School of Mines (CSM) in Golden, CO USAhervor. Dabei lag das Hauptaugenmerk auf der Beschreibung desAuftretens und des Prozesses der Rauchgasbildung.

Investigation intowelding fume formationin FCAW under CO2

Welding fumes are a major concern in improving theworking environment for welders. The ColoradoSchool of Mines (CSM) and Air Liquide Welding(ALW) collaborated in a research project to furtherinvestigate the formation of welding fume.

Various studies about modelling and about theexperimental approaches have been reviewed asreference to this research project, in addition to theAWS F1.2-92: “Laboratory method for measuringfume-generation rates and total fume emission ofwelding and allied processes” which was used asthe reference standard.

Six standard rutile flux-cored wires and five single-ingredient flux-cored wires were analyzed tocompare the quantity, the content and the nature ofthe fume emissions. In the context of this researchit was possible to assess the role played by themetal sheath and the flux ingredients. The nature ofthe fumes has been studied and characterized bymeans of various techniques: X-ray diffraction;Inductively coupled plasma; Scanning andtransmission electron microscopy; Energydispersive spectroscopy. The XRD approachallowed identification of the main crystallinestructure, which is spinel.

The observations made during the development ofthis work allowed the complete description of the

morphology of thefumes and for thedefinition of therelationship betweenthe metal transfermode and quantityof fumes.

The present paper is the outcome of a joint researchproject between Air Liquide Welding (ALW) – CentreTechnique des Applications Soudage (CTAS) in Paris,France and the Colorado School of Mines (CSM) inGolden, CO USA. The main focus of the research projectwas the understanding of the welding fume formationphenomenon and process.

Key words• Fume Formation Rate (FFR)• Arc Instability• Metal Transfer• Molten metal droplet size • Droplet detachment or event• Spinel Crystal

Schlüsselbegriffe• Fume Formation Rate (FFR)

Rauchbildungsrate• Instabilität des Lichtbogen• Werkstoffübergang• Tropfengröße des Werkstoffes• Tropfenablösung oder Ereignis• Spinell-Kristall

1. Einleitung

Die Bedeutung von Schweißrauchemissionen ist wichtiger geworden,seit Untersuchungen auf Schiffswerften in Schweden versuchten,einen Zusammenhang zwischen der Verbreitung von Krebs-erkrankungen und Schweißarbeiten herzustellen. [Ref. 1-5]. Allerdingszeigten diese Untersuchungen und andere Fallbeispiele keineeindeutigen, nachhaltigen Tendenzen zu den Auswirkungen vonSchweißrauchelementen auf Berufskrankheiten. Institutionen, die sichmit der Gesundheit am Arbeitsplatz beschäftigen, wie das NationalInstitute for Occupational Safety and Health (NIOSH), haben Unter-suchungen veröffentlicht, die Schweißrauchgrenzwerte festlegen [Ref6 und 7]. Diese Werte sind international anerkannt worden.

Das Phänomen der Schweißrauchbildung wurde sowohl theoretischals auch experimentell analysiert. Verschiedene Simulationen [Ref. 8,9, 11 e 24] dienten der Interpretation des Entstehungsprozessesvon Schweißrauch. Genauer untersucht wurden Schutzgase [Ref. 10,12 e 14]; Lichtbogendynamik [Ref. 12 e 17] und Werkstoffübergang[Ref. 8, 9, 12, 15, 16 e 21].

Gray et al. [Ref. 15] bestimmten die Abhängigkeitsfunktion vonSchweißrauchbildung und Spannung beim MIG-Schweißen.Gleichzeitig haben Untersuchungen, in denen der Schweißrauch alsFolge der Verdampfung vom geschmolzenen Werkstofftropfeninterpretiert wurde, keinen definitiven Zusammenhang ergeben. Einegrundlegende Rolle bei der Schweißrauchbildung spielen die Aus-wirkungen der typischen Lichtbogenkräfte (Schwerkraft, Oberflächen-spannung, hydrostatische Kraft, Lorentz-Kraft, Drag-Effekt desSchutzgases, Verdampfungskräfte und elektrodynamische Kräftedurch das Plasma [Ref 11 - 23]), die den im Lichtbogen hängenden,geschmolzenen Tropfen beeinflussen. Das Phänomen, das hieruntersucht wird, kann als Folge eines ungleichmäßigen undschwankenden Werkstoffübergangs betrachtet werden.

Metall-Lichtbogenschweißen mit Stabelektroden (SMAW) und dasMIG-Schweißen (GMAW) waren in der Vergangenheit die beidenHauptverfahren, die zum Schweißrauch untersucht wurden. Dietypische kristalline Struktur, die gefunden wurde, ist der Magnetit, indem Eisen und Mangan die Hauptelemente sind. [Ref. 25, 27, 28, 33,34]. Die mit Hochfrequenzkameras beim GMAW aufgezeichneteSchweißrauchbildung [Ref. 30, 31 e 33] zeigt, dass sich der aktivsteBereich an der Spitze des Zusatzwerkstoffs und am hängendenTropfen geschmolzenen Metalls befindet. GMAW-Rauch besteht

[Ref. 30, 31 e 33] aus Eisenoxiden ohneschlackebildende Elemente, da keine Lagegeschmolzener Schlacke vorhanden ist.

2. Testspezifikationund -ausrüstung

Als Bezugsnorm für diese Untersuchungwurde die AWS F1.2-92: “Laboratorymethod for measuring fume-generationrates and total fume emission of weldingand allied processes” [Ref. 35](Labormethode zur Messung derRauchbildung und der Gesamtrauch-emission beim Schweißen undverwandten Verfahren) herangezogen.Diese Norm verlangt den Einsatz einerStandardschweißrauchkammer, diespeziell für diese Forschungsarbeitenentwickelt und gebaut wurde (Bild 1).

Eine Präzisionswaage mit 0,1mg-Genauig-keit war für die gravimetrischen Analysendes Schweißrauchs notwendig.

1. Introduction

Welding fumes have become of relevant importancefollowing studies that attempted to find correlations betweenthe onset of cancer and welding operations in Scandinavianshipyards [Ref. 1 - 5]. However, these studies and othercase histories did not present clear and consistent trends onthe effects of the nature of welding fumes and workersdiseases. Institutions concerned with workers’ health, suchas the National Institute for Occupational Safety and Health(NIOSH) have published studies, which stipulate the limitsfor welding fumes [Ref 6. and 7]. These values have beenaccepted internationally.

The welding fume phenomenon has been analyzed boththeoretically and experimentally. Various modelling studies[Ref. 8, 9, 11 & 24] have been presented in order to interpretthe processes governing the generation of welding fume. Acloser focus has been set on: shielding gases [Ref. 10, 12 &14]; welding arc dynamics [Ref. 12 & 17]; metal transfermode [Ref. 8, 9, 12, 15, 16 & 21].

Gray et al. [Ref. 15] assessed a functional dependencebetween fume formation rate and voltage in GMAW. At thesame time, studies made to interpret welding fumes as aconsequence of evaporation from the molten droplet have notidentified a definitive correlation. A fundamental role in fumeformation is played by the effects of the typical welding arcforces (gravity; surface tension; hydrostatic force; Lorentz’force; shielding gas drag force; evaporation force and plasmarelated electrodynamic forces [Ref 11 - 23] acting on themolten droplet hanging in the arc. The phenomenon object ofthis study can be defined as a consequence of a non-continuous and wobbling metal transfer.

SMAW and GMAW have been the two main weldingprocesses analyzed in the past for welding fumes. Thetypical crystalline structure reported is that of magnetite,where iron and manganese are the most relevant elements.[Ref. 25, 27, 28, 33, 34]. GMAW welding fume formationrecorded by means of high frequency cameras [Ref. 30, 31& 33], showed that the most active area is the tip of theconsumable and the hanging molten metal droplet. GMAwelding fumes are reported [Ref. 30, 31& 33] as being composed of iron oxideswithout slag-forming elements, since alayer of molten slag is not present.

2. Test specificationsand equipment

This study was developed using themethods described by AWS F1.2-92:“Laboratory method for measuringfume-generation rates and total fumeemission of welding and alliedprocesses” [Ref. 35]. It requires theapplication of a standard welding fumechamber, that has been designed andconstructed especially for this research(figure 1).

A balance with an accuracy of 0,1mg wasrequired for the gravimetric analyses ofwelding fumes.

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May 2007 - Mai 2007

Fig.1: The welding fume chamber

Bild 1: Schweißrauchkammer

May 2007 - Mai 2007

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Die typischen Schweißparameter,nämlich Spannung und Stromstärkewurden durch einen parallel zurStromquelle geschalteten Kreislaufaufgezeichnet, der sich aus einemDoughnut für das magnetischeFeld und einem Tiefpassfilter für dieSpannung zusammensetzte. DieOutputsignale (Bild 2) wurden miteiner 1200 Hz Samplingrate erfasstund danach mit einer MATLABRoutine ausgearbeitet, um gemein-same Eigenschaften festzustellen.

ALW lieferte sechs rutile Fülldrähtefür die Typisierungstests. Gleichzeitigwurden fünf experimentelle Drähtemit einem einzigen Bestandteilbeim CSM Drahtwerk hergestellt(Tabelle 1). Der wesentlicheUnterschied zwischen den ALW

Drähten und den Drähten aus einem einzigen Bestandteil ist derKohlenstoffgehalt der Drahthülle. Folgende Komponenten wurdenals Hauptakteure bei der Schweißrauchbildung identifiziert: grobesEisenpulver, grobes Rutilpulver, Fe-Si-45%, Manganpulver,Zirkonpulver (66% ZrO2 und 33% SiO2)

Als Grundwerkstoff wurden geschliffene Bleche ASTM A36, 10 mmverwendet.

Draht Referenz Zugabe Reduktion %C Band-draht Material

CRISTAL 9 - N/A N/A 0.001(Claf9)

CRISTAL 10 CRISTAL 9 - LiF 0.001(Claf10)

CRISTAL 11 CRISTAL 10 NaF - 0.001(Claf11)

CRISTAL 12 CRISTAL 9 TiO2 Na2Ti3O7 0.001(Claf12)

CRISTAL 15 CRISTAL 9 - - 0.061(Claf15)

CRISTAL 48 CRISTAL 9 Feines Fe Grobes 0.061(Claf48) Pulver Fe Pulver

GL1 - Grobes Rutile - 0.080

GL2 - Grobes Fe Pulver - 0.080

GL3 - Fe-Si 45% - 0.080

GL4 - Mn - 0.080

GL5 - Zircon - 0.080

Tabelle 1 - ALW-Drähte und Labordrähte.

3. SchweißrauchanalyseDie ersten Ansatzpunkte für den Vergleich der verschiedenen Drähteergaben sich aus der Aufzeichnung der „Schweißrauchbildungsrate“(fume formation rate=FFR) [mg/min] gegenüber der Spannung [V].Diese Aufzeichnungen führten zur Feststellung einer Mindest-FFR alsFunktion der Spannung bei gleichen operativen Parametern. Dieoptimalen Schweißbedingungen für den CSM Draht wurden durchden Vergleich der Qualität einer Reihe von Schweißraupenfestgestellt. Jeder Punkt der entstandenen Darstellung entsprichtdem Durchschnittswert von mindestens drei Schweißungen (Bild 3).

Zunächst wurde beobachtet, dass die ALW Drähte eine geringereRauchentwicklung aufwiesen als die CSM Drähte. Der GL2-Drahtjedoch, der nur Eisenpulver als Bestandteil enthielt, hatte einkleineres FFR-Minimum als der CRISTAL 15, der einen geringeren

The typical welding parameters,that is voltage and current, wererecorded with a circuit parallel tothe power source and composedof doughnut morphology for themagnetic field flow and a low-pass filter for the voltage. Theoutput signals (figure 2) weresampled with a rate of 1200 Hzand subsequently elaboratedwith a MATLAB routine to identifycommon characteristics.

ALW supplied six rutile flux-coredwires for characterization tests.At the same time fiveexperimental single-ingredientwires were produced using theCSM wire drawing mill (Table1).The main difference between theALW and the single-ingredientCSM wires is the carbon content of the wire sheaths. Thefollowing flux components have been identified as the mostsignificant in welding fume formation: coarse iron powder;coarse rutile powder; Fe-Si-45%; Manganese powder; Zirconpowder (66% ZrO2 and 33% SiO2)

As base metal, ASTM A36 10 mm ground plates were selected.

Wire Reference Addition Subtraction % Cwire sheath

CRISTAL 9 - N/A N/A 0.001(Claf9)

CRISTAL 10 CRISTAL 9 - LiF 0.001(Claf10)

CRISTAL 11 CRISTAL 10 NaF - 0.001(Claf11)

CRISTAL 12 CRISTAL 9 TiO2 Na2Ti3O7 0.001(Claf12)

CRISTAL 15 CRISTAL 9 - - 0.061(Claf15)

CRISTAL 48 CRISTAL 9 Fine Fe powder Coarse 0.061(Claf48) Fe powder

GL1 - Coarse rutile - 0.080

GL2 - Coarse Fe powder - 0.080

GL3 - Fe-Si 45% - 0.080

GL4 - Mn - 0.080

GL5 - Zircon - 0.080

Table 1 - Air Liquide Welding and experimental wires used in this study.

3. Welding fumes analyses

The first comparative aspects between the various wires wereidentified using a fume formation rate (FFR) [mg/min] vs.voltage [V] map. Such mapping allows for the identification ofthe minimum FFR as a function of voltage with equivalentoperative parameters. The optimal welding conditions for theCSM wires have been assessed by the comparison of thequality of a set of welding beads. Each point in the map isobtained as the average of at least three welds (Figure 3).

The initial observation was that the ALW wires show less fumesthan the CSM wires. However, the GL2 wire with only ironpowder as an ingredient showed a lower FFR minimum than theCRISTAL 15, which has a lower carbon content in the sheath

Fig.2: Typical window of the signal output viewing program:voltage is above and current below

Bild 2: Typisches Bild der Ausgansgssignale Spannung oben,Stromstärke unten

Kohlenstoffgehalt in der Hülle hat undEigenschaften eines verkaufsfähigenDrahtes zeigte (Bild 3).

Eine genauere Untersuchung der Licht-bogendynamik war daher notwendig, um dieVerarbeitungseigenschaften des Drahtes zubeurteilen.

3.1. Lichtbogendynamik

Die Schweißraupen wurden mit gleich-mäßigem Drahtvorschub hergestellt, um imLichtbogen dieselbe Drahtmenge proZeiteinheit zu erreichen.

Strom und Spannung wurden während desSchweißvorganges aufgezeichnet undzusammen mit der Lichtbogenleistung, diesich wie folgt definiert: P = VxI , zu den FFR-Minima in Beziehung gesetzt. Es zeigte sich,dass die Drähte mit den niedrigsten FFR-Minima die höchsten Spannungs- undStromwerte, also die höchste Leistungaufwiesen. Geht man von einem konstantenEnergieniveau zum Aufschmelzen derDrähte aus, so ergibt sich aus derniedrigeren Lichtbogen-leistung eine längereSchmelzzeit. Dadurch hängt der Tropfenlänger im Lichtbogen und ist den typischenLichtbogenkräften, die zur Förderung derRauchbildung beitragen, länger ausgesetzt.

Zunächst schien die Lichtbogeninstabilitätbei allen Drähten der Test-Matrix eineHauptursache für die Rauchbildung zu sein.Die Aufzeichnung der Standard-abweichung von Strom und Spannung imBlasendiagramm in Bild 4 zeigt aber, dassdie instabilsten Drähte nicht die höchsteSchweißrauchbildung aufweisen. Esmusste also neben der Lichtbogenstabilitätandere Einflussgrößen geben, die an der

Schweißrauchbildung beteiligt sind.

Die berechnete Schweißleistung wurde danach mit einer MATLABRoutine analysiert, die sich wie folgt zusammensetzte: Schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform = FFT); Filter, um dieNetzfrequenzen zu eliminieren (Fn = 60xN [Hz]); Mittelwertfilter zumAusschalten der Hintergrundgeräusche. Jede Resonanz-frequenz wurdemit Spitzenwerten der Schweißleistung und einer definierten Stromstärkebestimmt und dann einer Tropfenablösung mit einem spezifischenDurchmesser zugeordnet: Dies wurde als Ereignis (event) definiert.

Das im Lichtbogen geschmolzene Drahtvolumen berechnet sichnach der Formel:

wobei: Vw = Drahtvolumen, Fr = Förderrate, rw =Drahtradius und f =spezifische Frequenz. Ausgehend von einem Werkstoffübergang ohneMaterialverlust, kann der Tropfenradius direkt berechnet werden:

Die Schwelle zwischen Sprühlichtbogen und Mischlichtbogen wirdbestimmt durch die Äquivalenz von Draht und Tropfendurch-messer. Einer solchen Schwelle kann eine spezifische Frequenzzugeordnet werden, die wie folgt definiert wird:

and exhibited a commercial level ofoperative characteristics (figure 3)

A further study of arc dynamics wasconsequently necessary to interpret thewires operative behaviours.

3.1 Arc dynamics

The weld beads were deposited with aconstant feed rate in order to maintain thesame wire quantity per unit of arc time.

The current and voltage signals werecollected while welding and have beencorrelated, together with the arc powerdefined as P = VxI , to the FFR minima.It was reported that the wires with thelowest FFR minima were characterizedby highest voltage, current andconsequently power. Assuming aconstant energy level required to meltthe wires, then a lower arc power can beassociated with a longer melting time.Consequently, the droplet hangs for alonger time in the arc. Therefore, thedroplet is subjected for a longer periodto the typical arc forces enhancing thefume emission phenomena.

At first, arc instability appeared to be oneof the main causes of fume emission forall the wires included in the test matrix.Plotting the standard deviation of voltageand current in the bubble graph of figure 4,it was reported that the most unstablewires did not exhibit the highest fumeemission rates. Consequently otherphenomena beyond arc instability wereassumed to participate in the formationof welding fumes.

The welding power calculated has been subsequentlyanalyzed through a MATLAB routine composed of: FastFourier Transform (FFT); a filter eliminating the line frequencies(Fn = 60xN [Hz]); an averaging filter that eliminated thebackground noise. Each resonant frequency was identified bypower peaks and by a defined intensity and, then, associatedto the detachment of a molten droplet with a specific diameter:that was defined as an event.

The wire volume molten in the arc is:

where Vw is the wire volume, Fr the feed rate, rw the wireradius and f the specific frequency. Assuming a metal transferwith no material loss, the droplet radius can be directlycalculated :

The threshold between a spray and globular transfer is definedby the equivalence of the wire and the droplet diameter. Aspecific frequency can be associated to such a threshold,which is defined as follows:

28

May 2007 - Mai 2007

Fume Formation Rate2,15

1,95

1,75

1,55

1,35

1,15

0,95

0,75

0,55

0,3529 30 31 32 33 34 35 36

FFR

(gr/

min

)

Voltage (V)Claf9 Claf 15 GL3 - FeSiClaf 10 SD 101 GL4 - MnClaf 11 GL1 - Rutile GL5 - ZirconClaf 12 new GL2 - Fe powder

Fig.3: FFR vs Voltage comparison between ALW and GL wires

Bild 3: FFR in Ashängigkeit von der Spannung

1000 x F x π x r60 x f

2wrVw = [mm3]

3 x V3

4 x πwrd =√ [mm]

w

25 x Fd

rfth = [Hz]

1000 x F x π x r60 x f

2wrVw = [mm3]

3 x V3

4 x πwrd =√ [mm]

w

25 x Fd

rfth = [Hz]

10,00%

8,00%

6,00%

4,00%

2,00%

0,00%

FFR vs. Instability

Volta

ge s

td D

evia

tion

Current std Deviation0,00% 5,00% 10,00% 15,00% 20,00% 25,00%

gl2 gl1 Claf 11gl3 Claf 10 Claf 12 gl4 Claf 15 Claf 9

Fig.4: Voltage and Current standard deviationassociated with FFR values

Bild 4: Einfluß der Standardabweichung von stromund spannung auf die FFR-werte

May 2007 - Mai 2007

29

Das Diagramm in Bild 5 zeigt denZusammenhang zwischen dem Volumen-anteil geschmolzenen Metalls im Sprüh-oder Mischlichtbogen und der Rauch-emission. Ein hybrider Werkstoffübergangscheint am effizientesten zu sein, um dieRauchbildung einzuschränken.

Gleichzeitig hängt die niedrigste Rauch-emission mit der geringsten Anzahl anEreignissen zusammen, entweder imSprüh- oder im Mischlichtbogen (Bild 6).Daraus ergibt sich, dass eine stabileÜbergangsart, die sich durch einebegrenzte Anzahl von Ereignisses aus-zeichnet, mit einer minimalen Rauch-emission zusammenhängen kann. JedesEreignis definiert Tropfen mit einemspezifischen Durchmesser. Damit konntefestgestellt werden, dass Metall, das inTropfen von definierter Größe d.h. inwenigen spezifischen Durchmessernübergeht, weniger Rauch verursacht.

3.2. Morphologie und chem.Zusammensetzung

Von jedem Draht wurde der Rauch bei derMinimal-FFR im Verhältnis zurSpannungskurve gesammelt und fürCharakterisierungstests vorbereitet.

Folgende Analysemethoden wurdeneingesetzt: Röntgenspektrographie (XRD);induktiv gekoppeltes Plasma (ICP); Raster-(REM) und Transmissions-(TEM)elektronenmikroskop, energiedispersiveSpektrographie (EDS). Tabelle 2.

Draht Wiegen TEM REM EDS XRD ICP

CRISTAL9 Ja No No No Ja No

CRISTAL10 Ja No No No Ja Yes

CRISTAL11 Ja Nein Ja Ja Ja Nein

CRISTAL12 Ja Ja Ja Ja Ja Nein

CRISTAL15 Ja Nein Nein Nein Ja Nein

CRISTAL48 Ja Nein Nein Nein Nein Nein

GL1 Ja Nein Ja Ja Ja Nein

GL2 Ja Nein Ja Ja Ja Ja

GL3 Ja Nein Nein Nein Ja Nein

GL4 Ja Nein Ja Ja Ja Ja

GL5 Ja Nein Nein Nein Ja Nein

Tabelle 2 - Draht und durchgeführte Tests

Die wesentlichen kristallinen Phasen, aus denen sich derSchweißrauch zusammensetzt, wurden durch dieRöntgenanalysen (XRD) bestimmt. Alle Muster zeigten hoheStromspitzen bei 34.5° (2.53 Å), 57° und 62.6°, dazu kamenkleinere Spitzen bei verschiedenen Winkeln. Die hohenStromspitzen entsprechen denen des Magnetit, dessen Kristall alsA3O4 definiert wird, wobei A ein metallisches Element wie Fe(Magnetit) oder Mn (Hausmannit) ist. Diese sogenannten “Spinell” -Kristalle sind die häufigste Oxidstruktur. DoppelteAtomsubstitutionen sind möglich in Form von A2BO4, wobei A einzweiwertiges Elemente (tetrahedrale Position) und B ein

The plot in Figure 5 shows thecorrelation between the spray andglobular volume fractions of moltenmetal and the fume emission rates. Ahybrid transfer mode seemed to be themost efficient to limit welding fumeformation.

At the same time, the lowest fumeemission rate was associated with thelowest number of events being eitherspray or globular transfer mode.(Figure 6). This indicated that a stabletransfer mode characterized by alimited number of events could beassociated with a minimum fumeemission. Each event characterizesdroplets with a specific diameter.Consequently metal transferred withdroplets of defined dimensions, i.e. fewspecific diameters, were reported asgenerating less fumes.

3.2 Morphology and chemistry

Fumes produced by each wire havebeen collected at the minimum of theFFR vs. voltage curve and prepared forcharacterization tests.

The following techniques were chosen:X ray diffraction (XRD); Inductivelycoupled plasma (ICP); Scanningelectron microscopy (SEM) andTransmission electron microscopy(TEM); Energy dispersive microscopy.(EDS). Table 2.

Wire Weight TEM SEM EDS XRD ICP

CRISTAL9 Yes No No No Yes No

CRISTAL10 Yes No No No Yes Yes

CRISTAL11 Yes No Yes Yes Yes No

CRISTAL12 Yes Yes Yes Yes Yes No

CRISTAL15 Yes No No No Yes No

CRISTAL48 Yes No No No No No

GL1 Yes No Yes Yes Yes No

GL2 Yes No Yes Yes Yes Yes

GL3 Yes No No No Yes No

GL4 Yes No Yes Yes Yes Yes

GL5 Yes No No No Yes No

Table 2 - Wires and tests performed

The main crystalline phases composing the welding fumeswere identified through means of XRD analyses. All samplesshowed high intensity peaks at 34.5° (2.53 Å), 57° e 62.6°, inaddition to minor intensity peaks at different angles. The highintensity peaks correspond to those of magnetite whosecrystal is defined as A3O4 where A is a metallic element suchas Fe (magnetite) or Mn (hausmannite). Such a crystallinestructure, called spinel, is the most frequent oxide structure.Double atomic substitution is possible as A2BO4 where A is abivalent element (tetrahedral position) and B trivalent(octahedral position) or AB2O4 with the two elements in

FFR & Volume ratio1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

FFR

(gr/

min

)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Volume ratio (%)

y = 1,0567 x + 0,3204 y = 1,0567 x + 1,317

Globular volume/ratio Spray volume/ratio Globular volume/ratioSpray volume/ratio

Fig.5: Volume ratio and FFR obtainedfrom the power signal

Bild 5: Volumenanteil und FFR

Fumes vs number of events

Fum

es (m

g/m

in)

y = 0,085 x + 0,288

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0 2 4 6 8 10 12 14

Events (number)

y = 0,0614 x + 0,5382

Globular events Spray events

Fig.6: FFR and number of events extractedfrom the power signal

Bild 6: FFR und Anzahl Ereignisse

dreiwertiges Element ist (octahedralePosition) oder AB2O4 mit zweiElementen in gegenüberliegendenPositionen, die einen inversen Spinellbilden. Dieser Kristall ermöglichtgrößere Zwischenräume im Gitter alsder direkte Spinell. Das lässt auchmehr Elemente in den Kristallbildenden Strukturen zu, wie z. B.den Titanomagnetit (Bild 7), der sichaus Fe, Ti, Mn, V und Sauerstoffzusammensetzt [Ref. 39 and 40]. Diefünf Hauptspitzen dieses Kristallsstimmen mit denen von CRISTAL 12überein. Bei der Analyse der GL4Schweißrauchtypen wurde festgestellt,dass die Hauptspitzen, denen vonZn[FeMnCr]O4 entsprachen. Zinkwurde als Verunreinigung im Pulverfestgestellt. Dies zeigte, dass

Elemente mit niedrigem Schmelzpunkt, die als Verunreinigungenbetrachtet würden, in der Tat die Schweißrauchentwicklungbeeinflussen können.

Die ICP Analyse ergab, dass Eisen ein Hauptelement imSchweißrauch ist. Dies war erwartet worden, da es auch daswesentlichste Element in den Drähten ist. Außerdem folgt Mn eineranderen Dynamik als die anderen Elemente, während sogenannteVerunreinigungen in sehr geringen Mengen vorhanden waren, wasihre Bedeutung bestätigt.

Eine genauere Untersuchung der Rauchmorphologie war notwendig,um zu verstehen, wie sich verschiedene Elemente bei der Bildung derSpinell-Struktur verhalten. Schweißrauchproben in Pulverformwurden auf Glasträgern für die Analyse mit dem Rasterelektronen-mikroskop vorbereitet. Die wichtigsten Aspekte dabei stehen inVerbindung mit dem Vorhandensein von Strukturen wie dem TiAl imSchweißrauch des CRISTAL 11 [Ref. 41, 42, 44 e 45]. Die Bildungdieser Struktur wurde von Trykov et al. [Ref. 43] als Folge desExplosionsschweißens beschrieben.

Eine Kombination aus REM, EDS und XRD ist die sogenannte PTS-Spektrometrie (position tagged spectrometry). Sie ermöglicht dieAnalyse eines genau definierten Gebietes und liefert Informationenzum energetischen Zustand der vorhandenen Elemente. Sie ergab,

dass verschiedene Strukturen imZusammenhang mit dem Spinellvorliegen: Eisen, Silikon undAluminium wurden in einem150fach vergrößerten Gebietgefunden (Bild 8).

Die TEM-Untersuchung wurdedurchgeführt, um die Morphologieder Schweißrauche genauer zubestimmten als dies mit den anderenTechniken möglich war.

Proben extrahierter Schweißrauchewurden in Aceton gelöst; ein Tropfenwurde auf ein Kupfergitteraufgebracht, in Epoxidharz eingebettetund mittels Ionendünnung gedünnt.Zwei Phasen waren sofort erkennbar;die erste setzte sich aus clusterförmigangeordneten Sphären zusammen

opposite positions, consti-tuting the inverse spinel. Thiscrystal allows for largerinterstitial locations than thedirect spinel. Consequentlymore elements are allowedwithin the crystal formingstructures such as titano-magnetite (Figure 7) that iscomposed of Fe,Ti, Mn, V andoxygen.[Ref. 39 and 40]. Thefive main peaks of such acrystal match those ofCRISTAL12. In the analysis ofthe GL4 fumes it has beenfound that the main peakscorresponded to those ofZn[FeMnCr]O4. Zinc was identi-fied as an impurity in the flux.Consequently, low meltingtemperature elements, which would be referred to asimpurities, were reported to actually influence theformation of the welding fume.

The ICP analysis showed that iron is the main element inthe welding fumes, as expected being the main element inthe wires. In addition, Mn follows a different dynamic thanthe other elements while the so-called impurities werepresent with very low values, confirming the importance oftheir role.

A more in depth study of the fume morphology wasnecessary to understand how the various elementsbehaved to form the spinel structure. Welding fumes, inpowder form, were prepared on petrographic glasses to beanalyzed using scanning electron microscopy. The mostrelevant aspects reported are those linked to the presenceof structures such as TiAl in the CRISTAL11 fumes. [Ref.41, 42, 44 & 45]. The formation of such structures wasreported by Trykov et al. [Ref. 43] as a consequence ofexplosive welding.

A combination of SEM, EDS ed XRD is the so-called “positiontagged spectrometry” (PTS). Its application allows for thescanning of a well-defined area obtaining information on theenergy states of the elementspresent. The presence of variousstructures associated withspinel, iron, silicon and aluminumwas reported for an areamagnified 150 times. (Figure 8).

The TEM analysis wasperformed to assess the natureand the morphology of weldingfumes in more detail than thefindings obtained with theprevious techniques. Samples ofthe welding fumes extractedwere suspended in acetone; adroplet was collected and laid ona copper grid, coated in epoxyand subsequently ion-thinned.Two phases were immediatelyevident; the first one composed

30

May 2007 - Mai 2007

Fig.7: Titanomagnetite peaks match more precisely the CLAF12 fumesspectrum than simple magnetite

Bild 7: Titanmagnetite decken sich genauer mit CLAF12 Rauchspektren Hals einfache Magnetite

Fig.8: CLAF12 SEM image (150X),structural map and associated spectra

Bild 8: CLAF12 REM Bild (150X),Struktur und Spektren

May 2007 - Mai 2007

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und die zweite bildete einen Schleier (Bild9). Mit einer stärkeren Vergrößerungkonnte festgestellt werden, dass dieSphären sich überlagerten, aber nichtmiteinander verbunden waren. Die Größeder Partikel bewegte sich zwischen 100nmund 50nm [Ref. 46 e 47]. Außerdem hattensie einen dunkleren Kern und einenhelleren äußeren Ring. Mittels einerRückstreuungsanalyse wurde festgestellt,dass der Kern kristallin war, während dieverteilte zweite Phase und der Partikelringamorph waren. Diese Beobachtungenwurden durch HM (430 KX) TEM Bilderbestätigt, wo die kristallinen Muster imVergleich zu der mehrlagigen amorphen

Phase herausgehoben wurden (Bild 10).

Die amorphe und die kristalline Phase hatten gemäß den EDS-Ergebnissen unterschiedliche chemische Zusammen-setzungen. Es wurde auch festgestellt, dass die kristalline Phasesich in unterschiedlichen Verhältnissen in Abhängigkeit von denanalysierten Elementen, aus Fe, Mn, Si und O zusammensetztund die amorphe Phase im Wesentlichen aus Silikon besteht,das eine glasartige Phase bilden kann (Bild 11). DieseHypothese wurde gestützt durch das Anwachsen der amorphenPhase unter dem Einfluss des EDS Elektronenstrahls (Bild 12).

of cluster-grouped spherical bodies anda second one forming a covering veil(Figure 9). At higher magnification it waspossible to resolve that the sphericalparticles were overlapping but not linkedto each other. The particles dimensionsranged between 100 nm and 50 nm [Ref.46 & 47]. In addition, they showed anexternal lighter halo and a central darkerbody. Using a backscattering analysis itwas reported that the central bodywas crystalline, while the distributedsecond phase and the particles halowere amorphous. These observationswere confirmed by HM (430 KX) TEMimages where the crystalline patternswere highlighted relative to the multi-layer amorphous phase(Figure 10).

The amorphous and crystalline phases showed differentchemical compositions according to the EDS results. It wasalso determined that the crystalline phase is composed of FeMn Si and O with different ratios depending on the particleanalyzed; while the amorphous phase is characterized mainlyby the presence of silicon, that could form a glassy phase(Figure 11). Such a hypothesis was confirmed by the growth ofthe amorphous phase caused by the effect of the EDS electronbeam (Figure 12).

Fig.9: CLAF12 Amorphous and crystalline areasintimately together

Bild 9: Dicht nebeneinander liegende amorpheund kristalline Phasen

Fig.10: CLAF12 Particles cluster composed of veryfine particles enveloped by a thinner phase

Fig.11: EDS analyses

Bild 10: Feinpartikel-Clusters umhülltvon dünnen Phasen Bild 11: EDS Analyse

4. Rauchbildungsmodell

Die Entwicklung und die Erkenntnisse dervorliegenden Untersuchung ermöglichtenden Entwurf eines Rauchbildungsmodells.

Es wurde gezeigt, dass die aktivsteRauchbildungszone der im Lichtbogenhängende Tropfen ist. Dieser Tropfen istvergleichbar mit einem Hochofen, in dem diegeschmolzene Schicht mit denPulverbestandteilen gemischt wird. Es wurdeangenommen, dass dieses Verhalten auf dieTendenz der Pulverkomponenten

zurückzuführen ist, auf dem geschmolzenen Stahl zu fließen. DiesesVerhalten ist vom UP-Schweißen her bekannt.

Während der Tropfen sich bildet, ist er den Schweißkräften ausgesetzt.In diesem energetischen Zustand bewegt sich der Tropfen und rotiert,wodurch das Verspritzen geschmolzenen Materials begünstigt wird.Das verspritze Material ist vergleichbar mit Mirkospritzern mitDurchmessern unter 100 micron. Durch die geringe Masse kann alsodie Schwerkraft nicht die Hauptkraft sein, die wirkt. Die Sphäre istbekannt als geometrische Figur mit der geringsten Oberflächenenergieund kann bei einem direkten, explosiven Übergang erwartet werden,wie das Vorhandensein von TiAl beweist, das bei der REM Analysegefunden wurde und auch in anderen Untersuchungen genannt wird.[Ref. 24 e 29]. Das geschmolzene Metall wird also vom Tropfen alsFolge eines direkten Transfers verspritzt, so dass die chemischeZusammensetzung sehr ähnlich ist, aber die Struktur eines stabilenKristalls hat. Das stabilste komplexe Oxid, das eine große Vielfalt anMetallelementen beinhalten kann ist der inverse Spinell, der bei denXRD Analysen gefunden wurde.

Das Vorliegen von Elementen, die als Verunreinigungen im Rauchbetrachtet werden, wurde mit der Aufmischungen im Kern desTropfens in Verbindung gebracht. Außerdem wurde festgestellt, dassElemente mit niedrigem Schmelzpunkt nicht direkt an derRauchbildung beteiligt sind, sondern zur Instabilität des Tropfensbeitragen. Es wurde angenommen, dass die Verdampfung solcherElemente im Kern des Tropfens zur Bildung von Wellengeschmolzenen Metalls führen, die die Tropfenoberflächedestabilisieren und das Verspritzen von Metall fördern.

Der Rauchanteil, der aus dem Verdampfungstransfer hervorgeht,scheint dazu zu neigen, die sphärenförmigen Elemente zu umhüllen,die aus dem Lichtbogen fliegen. Die Mikrotröpfchen zeigten einehöhere Temperatur als die, die in den verschiedenen Lichtbogenzonenherrschte, die sie beim Herausfliegen durchquerten; dadurch konntensie den verdampften Elemente ein gutes Medium bieten.

Hinzu kommt, dass ein gut kontrollierter Metallübergangsmodus zurVerringerung der Rauchentwicklung beitragen kann. Wie in Abschnitt3.1 gezeigt, unterstützten ein Metallübergang bei hoher Lichtbogen-leistung und Tröpfchen mit begrenzter Größenvariabilität die Stabilitätwährend der Tropfenbildung und –ablösung.

4. Fume formation model

The development and the findings of thepresent work allowed for the outline of afume formation model.

It was observed that the most activefume-forming zone is the droplethanging in the arc. The droplet can becompared to a furnace where the moltensheath is mixed with the flux ingredients.Such behaviour was assumed to be theconsequence of the tendency that theflux components have to float on themolten steel; this behaviour is well known in MMA welding.

During its forming period, the droplet is subject to the action ofthe arc welding forces. Such an energetic state makes thedroplet move and rotate, favoring the ejection of moltenmaterial. The ejected material is comparable to micro-spatterwith diameters below 100 microns. Consequently the limitedmass does not make gravity the dominant force. The sphere isknown to be the geometrical figure with the least surfaceenergy and can be expected from a direct and explosivetransfer, as confirmed by the presence of TiAl identified withSEM analysis and reported in other studies [Ref. 24 & 29]. Themolten metal is ejected from the droplet as a consequence ofa direct transfer; so the chemical composition is very similarbut structured in a stable crystal. One on the most stablecomplex oxides, which may include a high variety of metallicelements, is the inverse spinel, which was identified with XRDanalysis.

The presence of elements considered as impurities in thefumes was associated to the mixing action in the centre of thedroplet. In addition, low melting point elements were notreported to participate directly in the fume formation but favourdroplet instability. Evaporation of such elements in the centreof the droplet was supposed to give rise to waves of moltenmetal destabilizing the droplet surface and consequentlyenhancing metal ejection.

The fume fraction formed as a consequence of an evaporativetransfer was assumed to coat the spherical elements flying outof the arc. The micro-droplets exhibited a higher temperaturethan that of the various arc zones crossed while flying out;consequently they could offer a good substratum to theevaporated elements.

In addition, a well-controlled metal transfer mode cancontribute to the reduction of welding fume. As demonstratedin section 3.1, a high arc power metal transfer together withdroplets of limited dimensional variability enhanced a higherstability during the droplet forming and detachment phases.

32

May 2007 - Mai 2007

Fig.12: Fume particles before and after having beensubjected to 15-sec EDS Analysis

Bild 12: Rauchpartikel vor und nach der 15-secEDS-Analyse

Giuseppe Liberati1, Philippe Rouault 2, Stephen Liu3

1. Product Manager AirLiquide Welding Export Saint Ouen L’Aumone, Francia, (Laurea in Ingegneria Meccanica ad indirizzo Materialipresso Università di Pisa (1999); Low Pressure Fuel Rails Product Engineer presso Siemens Automotive Pisa; Masters of Sciencein Metallurgy and Materials Engineering presso la Colorado School of Mines, Golden Colorado USA (2002); Corporate ProjectLeader for New Consumables (2003-2004); Consumables Product Manager presso la AirLiquide Welding Italy (2002-2005);2. Director CTAS AirLiquide Welding, Saint Ouen L’Aumone, France (PhD in Physics 1989; Research Engineer in weldingconsumables (1990-1996); Head of Consumables R&D at CTAS (1996-2002), Project Manager in Knowledge Management,e_Business project group (1999-2002); Head of Corporate Welding & Cutting Research Center since 2002)3. Professor Welding Metallurgy, Colorado School of Mines, Golden CO, USA.

May 2007 - Mai 2007

33

ACKNOWLEDGMENTS: The authors wish to thank the teams fromthe Air Liquide Welding research centre (CTAS) and the faculty and the staff ofresearch centers for welding, joining and foundry (CWJCR) of the ColoradoSchool of Mines.

DANK: Die Verfasser danken besonders dem Personal des ALWForschungszentrum (CTAS) sowie der Fakultät und den Mitarbeiter desForschungszentrums für Schweißen, Fügen & Ummanteln (CWJCR) derColorado School of Mines.

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May 2007 - Mai 2007

In the next edition of “Competence” the journal ofOerlikon expertise in welding technology, the topics willbe as follows:

Production of Grade 23 tubes, pipes and welded joints:Materials, Consumables and Process Development.

Characterisation of 21/4 CrMoV weld metal at different stagesduring the manufacturing process for Pressure Vessels.

Porosity reduced MIG-welding of aluminium alloys with apulsed Spray Arc.

Ensure that you register now in order to be sure to receive yourpersonal copy of future editions of OERLIKON Competence.

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In der nächsten Ausgabe von “Competence”, dem OerlikonFachmagazin für Schweißtechnik, werden wir folgendeThemen behandeln:

Herstellung von Rohren und Schweißverbindungen aus demStahl P 23.

Eigenschaften von 21/4 CrMoV Schweißgut in verschiedenenHerstellungsphasen eines Druckbehälters.

Porenreduziertes MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffendurch einen gepulsten Sprühlichtbogen.

Registrieren Sie sich jetzt, damit Sie Ihr persönliches Exemplarder nächsten Ausgaben der OERLIKON Competenceerhalten.

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Founded in 1902, Air Liquide is the world leader in industrial and medical gases and related services. The company has offices in 70 countries and employs a work forceof 35,900. Drawing on constantly renewed technologies, Air Liquide develops groundbreaking solutions used in making countless everyday products and in helping topreserve life.

Air Liquide Welding France13, rue d’ÉpluchesBP 70024 Saint-Ouen l'Aumône95315 Cergy Pontoise CedexTel. : +33 1 34 21 33 33 - Fax : +33 1 34 21 31 30Internet: www.oerlikon-welding.com

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