AT215264B

AT215264B - Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen von vorzugsweise gasempfindlichen Metallen unter Schutzgas

Info

Publication number: AT215264B
Application number: AT779259A
Authority: AT
Original assignee: Linde Eismasch Ag
Priority date: 1958-11-12
Filing date: 1959-10-28
Publication date: 1961-05-25

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen von vorzugsweise gasempfindlichen Metallen unter Schutzgas
Gewisse Metalle, wie Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Molybdän u. ähnl. sowie ihre Legierungen verlieren ihre Zähigkeit und andere vorteilhafte physikalische Eigenschaften, wie Bearbeitbarkeit, und wichtige Eigenschaften in bezug auf Korrosionsbeständigkeit, wenn die Schweissen nicht unter Luftabschluss entstehen und die Schweissnähte nicht unter Luftabschluss abkühlen. Das Schweissen dieser Metalle und ihrer Legierungen wird deshalb bis heute meist in abgeschlossenen Kammern unter Vakuum oder unter Edelgasschutz ausgeführt, gestaltet sich jedoch ausserordentlich schwierig. In Kammern, die von aussen durch Eingriffslöcher zugänglich gemacht werden, lässt sich das Vakuum bzw. die Reinheit des Schutzgases nicht aufrechterhalten.

Wenn man die Führung der Schweissgeräte in der Kammer mechanisiert, müssen teure Hilfsmittel angewendet werden.

Es fehlt daher nicht an Versuchen, das Schweissen dieser Werkstoffe ausserhalb von Rammern auszu- führen ; insbesondere wurden solche an den weniger empfindlichen T1tan1egienmgen durchgeführt.

Mit keiner der in der Literatur beschriebenen Vorrichtungen können Jedoch technisch brauchbare Schweissungen erzielt werden, da die Wärme des Lichtbogens eine so starke Wirbelbildung hervorruft, dass stets die Luft an die entstehende Naht herangeführt wird.

Eine andere Ursache für die Wirbelbildung und das dadurch bedingte Einströmen von Luft ist in der
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tung eingeblasen wird, in der ein Teil des verwendeten Gases auch wieder abfliesst, so dass zwei Ströme in entgegengesetzter Richtung aufeinander treffen. Die dadurch hervorgerufenen Wirbel machen ein la- minaresZuströmen bzw. Abziehen unmöglich. Ein weiterer Grund'für die üblicherweise auftretende Turbulenz ist in der Blaswirkung selbst zu suchen ; wenn nämlich das Schutzgas mit einer gewissen Geschwindigkeit aus einer engen Öffnung in einen weiteren Raum eintritt, so bildet sich ein von der Öffnung ausgehender Strahl, der die angrenzenden Luftschichten mitreisst und an die Schweissstelle heranführt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in der Umgebung der Schweissstelle eine zusammenhängen- de Schutzgasatmosphäre aufrechtzuerhalten, die insbesondere in den äusseren Schichten völlig wirbelfrei ist, so dass ein Einströmen von Luft sicher verhindert wird.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Schutzgas aus einer durchlässigen Fläche stetig und ohneRichtungsorientierung mit geringer Geschwindigkeit zum Austritt gebracht und ein Puffervolumen geschaffen wird, das sowohl die Schweissstelle und mindestens einen Teil der noch zu schweissenden Zone, als auch deren seitliche Umgebung umfasst. Als Schutzgas kann z. B. reines Edelgas oder ein aus verschiedenen Edelgasen bestehendes Gemisch verwendet werden.

Die zu schützende Zone wird in ein Puffervolumen einbezogen, welches die Form einer beliebigen Raumumgrenzung, z. B. eines Quaders, eines Pyramidenstumpfes, eines Zylinders oder eines Prismas, besitzt, welches aber auch von unregelmässig gekrümmten Flächen eingeschlossen sein kann. Auch eine Raumumgrenzung, deren Querschnitt aus zwei mitparallelenSeiten aneinanderstossenden Trapezen besteht, kann angenommen werden, Die Raunumgrenzung braucht zu einer durch die Schweissnaht und senkrecht

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Um einen ausreichenden Schutz sowohl für die entstehende als auchfür die abkühlende Nahtzuerzie- len, ist es wichtig, dass ein genügend grosser Bereich des Schweissstückes in das Puffervolumen mit einbezogen wird, dass also die Gaszuführungsflächen längs der Schweissnaht in beiden Richtungen genügend weit ausgedehnt werden.

Es ist zwar bereits bekannt, bei einer Schweissung, bei der Schutzgas aus einer Düse an die Schweissstelle geblasen wird, die Abkühlung der Naht innerhalb eines sogenannten Schleppschutzes vorzunehmen, wobei das Schutzgas aus porösen Flächen ausströmt und die Luft von der noch nicht erkalteten Naht verdrängt ; es kann jedoch auf die bisher übliche Weise nicht verhindert werden, dass Luft in den Schleppschutz eindringt, da sowohl der Lichtbogen wegen seiner örtlichen Wärmeentwicklung als auch der zusätzlich vorhandene Schutzgasstrom aus einer Düse eine starke Durchwirbelung des Schleppschutzanfangs zur Folge haben. Ausserdem bleibt zwischen dem Schweissbrenner und der Schleppschutzvorrichtung notwendigerweise immer ein Spalt offen, durch den Luft eingesaugt und an die unmittelbare Umgebung der Schweissstelle herangebracht wird.

Eine ausreichende Schutzwirkung kommt infolgedessen nur am Ende des bekannten Schleppschutzes zustande, während gerade die entstehende Naht nicht genügend vor Luftzutritt geschützt ist.

Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht nun darin, diesen an sich bekannten Schleppschutz mit der Vorrichtung nach der Erfindung zu einer einheitlichen Vorrichtung zu kombinieren.

Dementsprechend muss, wie in Fig. 2 schematisch in Draufsicht gezeigt ist, ausser für den Schleppschutz, dessen Länge in Fig. 2 durch die Strecke S angedeutet ist, erfindungsgemäss dafür Sorge getragen werden, dass die durch die Lichtbogenwärme verursachte thermische Bewegung keine Luft in die Schweissstelle einwirbel, d. h. es muss auch die unmittelbar vor der Schweissstelle befindliche Zone Z mit einer wirbelfreien Schutzgasatmosphäre bedeckt sein. Diese Überlegungen gelten sinngemäss auch für alle übrigen Ausführungsformen.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird das Puffervolumen lediglich durch die Schweissfläche 1 bzw. das Werkstück 5 und die Schutzgaszuführungsflächen 3c und 3d begrenzt, die im stumpfen Winkel V-förmig gegeneinander geneigt sind. Das Schutzgas verdrängt hier von oben ein- sickernd die das Werkstück umgebende Luft und strömt nach beiden Seiten ab. Die Anordnung wird auf
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ein Beispiel für eine freitragend am Schweissbrenner 7 befestigte Anordnung.

Fig. 4 zeigt eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung. Ausser den beiden geneigten Zuführungsflächen 3a und 3b ist eine zusätzliche Schutzgaszuführungsfläche 9 mit Zuführung 10 in der Spannvorrichtung 8 vorgesehen, durch die dem Werkstück 5 auch von unten her Schutzgas zugeführt werden kann, welches durch den noch nicht verschweissten Spalt nach oben abströmt. In diesem Fall besitzen alle drei das Puffervolumen begrenzenden Wände Zuführungsflächen für das Schutzgas, so dass auf alle Fälle auch bei angefasten Schweissstössen ein ausreichendes Verdrängen der Luft durch das Schutzgas erfolgt. Unter Umständen reicht bereits das von unten zugeführte Schutzgas aus, um ein genügend grosses Puffervolumen aufrechtzuerhalten.

Auch auf das Rohrschweissen lässt sich das Verfahren nach der Erfindung anwenden. Fig. 5 zeigt eine ringförmig ausgebildete Schutzgaszuführungsfläche 11 mit der Zuführung 12, die innerhalb der zu verbindenden Rohre als Gegenschutz angeordnet ist.

Die ausser der Schweissfläche zur Begrenzung des Puffervolumens nötigen Wände und Filterflächen können, wie bereits erwähnt, freitragend am Brenner befestigt sein. Sie können aber auch auf der Schweissfläche aufliegen und durch unmittelbare Verbindung mit dem Schweissbrenner oder unabhängig von diesem von Hand oder durch automatische Steuerung fortbewegt werden, so dass die Schweissstelle, ein Teil der noch zu schweissenden Zone und die abkühlende Naht sich innerhalb eines Raumes befinden, der mitgeführt wird. Dabei können auch Mittel vorgesehen sein, durch welche die Begrenzungsflächen in verschiedener Höhe über der Schweissfläche angeordnet werden können ; besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Höhe selbsttätig der jeweiligen Länge des Lichtbogens angepasst wird.

Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens konnten an hochempfindlichen Werkstoffen Schweissungen erzielt werden, wie sie für die Beständigkeit und für die Erhaltung der natürlichen mechanischen Eigenschaften wünschenswert sind. An Tantal und an Zirkon wurden mit diesen Hilfsmitteln vollkommen blanke Schweissnähte erzielt. Die Anlauffarben auf dem Grundmaterial des Übergangs waren gering und dürften durch die an der Oberfläche der Bleche haftenden Gasbestandteile erzeugt worden sein. Messungen der Vickershärte an einer Zirkonlegierung mit 1, 50/0 Zinn (Fig. 6a) und Tantal (Fig. 6b) ergaben, wie die beiden Kurven B zeigen, keinerlei Härtungen im Grundwerkstoff 13 und eine durch die Beseitigung der Walzverfestigung erklärbare Harteverminderung in der Schweisse 14.

Zum Vergleich sind die Kurven A, die bei normaler Schweissung ohne die Schutzgasvorrichtung nach der Erfindung erhalten wurden, mit

aufgenommen ; sie veranschaulichen das bei der bisher üblichen Schutzgasschweissung überaus starke Ansteigen der Vickershärte in der Schweissnaht.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Lichtbogenschweissen von vorzugsweise gasempfindlichen Metallen unter Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas aus einer durchlässigen Fläche stetig und ohne Richtungsorientierung mit geringer Geschwindigkeit zum Austritt gebracht und ein Puffervolumen geschaffen wird, das sowohl die Schweissstelle und mindestens einen Teil der noch zu schweissenden Zone, als auch deren seitliche Umgebung umfasst.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass ein grösserer Bereich der abzukühlenden Naht in das Puffervolumen mit einbezogen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen so gross gewählt wird, dass der durch die Wärme des Lichtbogens verursachte Wirbel allseitig von wirbelfreie Schutzgasschichten eingehüllt ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Begrenzungsflächen des Puffervolumens derart angeordnet sind, dass sie die Schweissnaht zwischen sich einschliessen und dass gleichzeitig das Schutzgas ungehindert abströmen kann, wobei eine der Begrenzungsflächen stets durch die Schweissfläche selbst dargestellt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Begrenzungsfläche des Puffervolumens mindestens teilweise als Zuführungsfläche für das Schutzgas ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufiihrungsflächen für das Schutzgas durch Filterwände aus Sinterstoff gebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinterstoffe Keramik, Sintermetalle oder Sintermetallegierungen vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsflächen für das Schutzgas durch engmaschige Netze gebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuführung für das Schutzgas eine möglichst unmittelbar über der Werkstückoberfläche angebrachte langgestreckte Zuführungsflä- che vorgesehen ist, hinter der der Schutzgasstrom durch gegebenenfalls mehrere feinmaschige Netze und/ oder räumliche Verteiler gleichmässig verteilt ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen ausser durch die Schweissfläche selbst, durch zwei in Schweissrichtung verlaufende, senkrecht oder im spitzen Winkel zur Schweifläche angeordnete Zuführungsflächen für das Schutzgas begrenzt ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen ausser durch die Schweissfläche selbst durch zwei diese überdeckende, im stumpfen Winkel V-förmig gegeneinander geneigte Zuführungsflächen für das Schutzgas begrenzt ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweisstisch eine Zuführungsfläche für das Schutzgas besitzt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgaszufiihrungs- fläche zum Schweissen von Rohren ringförmig ausgebildet und innerhalb der zu verbindenden Rohre als Gegenschutz angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie freitragend am Schweisskopf befestigt ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der Schweissflä- che aufliegt und entweder durch unmittelbare Verbindung mit dem Schweissbrenner oder unabhängig von diesem fortzubewegen ist.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Bereiches der heissen Schweissnaht hinter dem Schweisspunkt in an sich bekannter Weise durch Kühlung mit Flüssigkeiten und/oder Metallkokille verringert wird.