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Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Lichtbogenschweissen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Lichtbogenschweissen. Ihre besondere Anwendung liegt in einer automatischen Herstellung von Umfangsschweissnähten, insbesondere an Rohrleitungen u. ähnl. Bauteilen.
Bisher sind verschiedene Vorschläge zur automatischen Schweissung von Stossverbindungen an Rohren oder andem Bauteilen gemacht worden. Allgemein gesagt, arbeiten jedoch die bisherigen Vorschläge zu langsam und ergaben keine zufriedenstellenden Ergebnisse, oder sie erforderten grosse, viel Platz beanspruchende Hilfsausrüstungen. Üblicherweise werden Rohrleitungen verschweisst, indem die Rohrenden aneinanderstossend angeordnet werden, die vorher zu einer Abschrägung bearbeitet worden sind, die eine Nut bildet, welche mit dem Schweissmaterial gefällt werden muss ; hiezu wird die Verbindung innen und aussen eingespannt, um die Rohrabschnitte für den Schweissvorgang in der richtigen aneinanderstossenden Lage zu halten, und das Schweissmaterial mittels eines von Hand gesteuerten elektrischen Lichtbogens aufgebracht.
Das Schweissmetall wird in kleinen Anteilen aufgebracht, um die Nut zu füllen. Bei dieser Art der Schweissung wird oft im voraus eine Heftung mit kleinen Schmelzen oder Kügelchen geschmolzenen Schweissmetalles durchgeführt, um die Werkstücke zusammenzuhalten. Sie erfordert beträchtliches manuelles Fachkönnen sowie viel Zeit und Material, um eine annehmbare Arbeit auszuführen, und viele der
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gen, Risse u. a. Fehlstellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur automatischen Herstellung von Schweissnähten, insbesondere Schweissnähten an grossen Rohren, die nicht gedreht werden können, in einem einzigen Arbeitsgang, um eine besonders gleichmässige Schweissqualität und Festigkeit zu erreichen.
Besonders wird es durch Anwendung der Erfindung möglich, Einschritt-Verschweissungen, insbesondere an einer Platte und einem Rohr von 6,3 bis 9,5 mm Stärke in allen Stellungen, d. h. bei der Rohrverschweissung eine gleichförmige Schweissung in einem einzigen Schritt oben, an den Seiten und unten an einem sich nicht drehenden Rohre, zufriedenstellend auszuführen sowie eine unüblich schmale Spaltbreite zu schweissen, wobei das Verhältnis der tatsächlichen Verbindungs- oder Spalttiefe zur Breite im Bereich etwa 3 - 7 zu 1 (vorzugsweise 4,5 bis 6,5 zu 1) liegt, und wo das Verhältnis der Schmelzzonentiefe zur Breite im allgemeinen Bereich von 2 : 1 oder höher liegt.
Die nach der Erfindung hergestellten Schweissungen sind von unüblicher, aber in hohem Masse erwünschter Schmelzliniengeometrie, insbesondere für Einschritt-Schweissungen. Gemäss der Erfindung verengt sich die Schmelzzone unter Anwendung eines fortlaufend zugeführten Schweissdrahtes oder-Stabes unter der Abbrennstellung des Drahtes, weitet sich aber infolge des überhitzten Metalls unter dem Bogen an der Wurzel aus, so dass die Wurzelränder zurückgeschmolzen werden. Dies stellt eine gute Wurzelfusion sicher.
Die Erfindung gestattet ferner Schweissungen, die ein unübliches Gefüge und hohe Festigkeit haben, durch im wesentlichen einen Einschritt-Vorgang in einem tiefen, schmalen, vertikalen und mit Wänden versehenen Spalt herzustellen.
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Das Verfahren und die Vorrichtung können für gerade oder flache Schweissungen von aneinandersto- ssenden Teilen, beispielsweise Verbindungen oder Nähten an flachen und gekrümmten Platten, sowie zur
Zusammenschweissung der Enden von aneinandergrenzenden Rohrabschnitten verwendet werden. Flache oder gekrümmte Platten und Bleche können in verschiedenen Stellungen und aus verschiedenen Richtun- gen, vertikal, horizontal, oben oder in anderer Weise verschweisst werden.
Bei Umfangsschweissnähten um in einer festen oder verhältnismässig festen Stellung befindliche hori- zontale Rohre, wie sie üblicherweise an Rohrleitungen angebrächt werden, wo das Rohr nicht gedreht werden kann, aber die Schweissung um das Rohr herum ausgeführt werden muss, treten besondere Probleme bei der Steuerung des Flusses des geschmolzenen Metalls auf. Insbesondere an der Oberseite ist das Metall bei üblichen Schweissungen bestrebt, zur Wurzel der Schweissnaht an der Innenseite des Rohres zu fliessen, und es hinterlässt Schweissraupe, Durchbrennungen u. a. Eindringungen nach innen ; auch neigt das ge- schmolzene Schweissmetall dazu, um das Rohr an Stelle in die Verbindung zu fliessen.
An der Unterseite eines derartigen Rohres neigt das geschmolzene Metall nach unten und aus der Verbindung heraus, anstatt in sie hineinzufliessen. Übliche Umfangsschweissungen an einem Stahlrohr werden von Hand in verschie- denen Schritten durchgeführt, mit ein, zwei oder drei Schweissvorrichtungen, die einen "ersten Schritt" durchführen, bei dem die Rohre in aneinanderstossender Lage punktgeschweisst werden, indem eine dünne
Verbindung um die Verbindungsstelle gelegt wird, um anschliessend andere Schweissvorrichtungen einen zweiten Schritt durchführen, bei dem die Verbindung im wesentlichen gefüllt wird. Schliesslich stellen andere "Fertig"-Schweissvorrichtungen die Schweissung fertig, indem genug Füllmetall zur Füllung der
Verbindung zugeführt wird.
Dieses Verfahren wird üblicherweise angewendet, damit der Aufbau der Rohr- leitung in Übereinstimmung mit den Möglichkeiten der Rohrverleger, der Grabenausheber und Biegevor- richtungen schnell über Land fortschreiten kann, um das Rohr auszulegen. Die Forderung nach Strecken- kosten-Produktion bei Rohrleitungen hat den Erfolg der bisherigen automatischen Schweissverfahren infol- ge ihres Mangels an Beweglichkeit und des Mangels ihrer Anwendbarkeit für eine schnelle Aufstellung und
Verschiebung beeinträchtigt.
Das erfindungsgemässe automatische Schweissverfahren hat den wesentlichen Vorteil einer weiten Anpassungsfähigkeit, um mit Geschwindigkeiten zu schweissen, welche es mit den hohen Geschwindigkeiten der Rohrauslegungsverfahren im Gelände bei im wesentlichen verminderten Kosten aufnehmen können, wobei veränderliche menschliche Einflüsse ausgeschieden werden, was zu einer höheren Schweissnahtqualität und Gleichförmigkeit führt. Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht zur Darstellung des Verfahrens, wie es bei einer Rohrleitungs-Verschweissung angewendet wird ; Fig. 2 eine ins einzelne gehende Ansicht des Schweisskopfes, der für eine genaue Steuerung der Stellung ausgerüstet ist ; Fig. 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäss Fig. 2, wobei bestimmte Teile im Schnitt gezeigt und andere Teile zwecks grösserer Klarheit ausgelassen sind ; Fig. 4 eine vertikale Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Schweissvorrichtung quer zur Rohrleitung ; Fig. 5 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäss Fig. 4 ; Fig. 6 einen Teilschnitt im wesentlichen längs der Linie 6-6 in Fig. 4 zur Darstellung bestimmter Steuerelemente ; Fig. 7 eine Stirnansicht einer andern Ausführungsform, auch quer zur Rohrleitung ;
Fig. 8 einen Querschnitt, stellenweise im Schnitt, im wesentlichen längs der Linie 8-8 in Fig. 7 ; Fig. 9,10 und 11 kleine, im Schnitt dargestellte, ins einzelne gehende Skizzen zur Erläuterung wichtiger Einzelheiten oder kritischer abmessungsmässiger Verhältnisse bei Schweissungen der betrachteten Art ; Fig. 12 eine fortlaufende Schweissnaht-Auslegung, bei der eine Stossverbindung zwischen aneinandersto- ssenden rechteckigen Elementen zu einem gleichförmigen Abstand genutet und unmittelbar darauf verschweisst wird, wobei eine Verformung durch eine Abstandsvorrichtung zwischen der nutenden Einheit und der Schweissvorrichtung verhindert wird ; Fig. 13,14, 15 und 16 schaubildlich besondere Gesichtspunkte und Abwandlungen des zugrundeliegenden Schweissverfahrens, das für Umfangs- oder Gurtschweissungen angewendet wird ;
Fig. 17 eine ins einzelne gehende, im Schnitt dargestellte Teilansicht einer fertigestellten Schweissung, die für die Erfindung typisch ist.
Gemäss Fig. 1 ist die Rohrleitung P von einer automatischen Vorrichtung umgeben, zu welcher ein Schweisskopf H, ein Generator E für den elektrischen Lichtbogen und ein bewegliches Gestell F, das eine Vorrichtung C zur Erzeugung eines Spaltes g trägt, gehören. Der Schweissstab oder-draht W wird mittels Rollen D von einem Motor MR aus zugeführt.
Wichtige Steuer-oder Kontrollgrössen sind die Quergeschwindigkeit R des Schweisskopfes H bezogen auf das Rohr P, die Zuführungsgeschwindigkeit WR des Schweissdrahtes W und das Verhältnis von R zu WR. Der Abstand des Kontaktrohres CT zum Werkstück, im folgenden mit CTWD bezeichnet, ist gleichfalls bedeutsam. Die Breite des Spaltes g ist kritisch ; der Spalt soll schmal und mit einer definierten Kontur ausgebildet sein.
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Das Verfahren ist an einer Stahlplatten- (oder Rohrwand-) Stärke von 3, 17 bis 12,7 mm anwendbar, wird aber am besten an einem Material angewandt, das eine Stärke zwischen 6,34 und 9,52 mm hat. Die Rohrverbindung ist vorzugsweise eine senkrechte Stossverbindung mit einem verhältnismässig tiefen und schmalen Spalt g. Die Breite des Spaltes g liegt zwischen etwa 0,5 und 2,5 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 1, 77 mm ; und das Verhältnis Tiefe zur Breite ist immer grösser als 2. Daher liegt das zweckmässige Verhältnis Tiefe zu Breite für Material mit einer Stärke von 7, 11 mm zwischen etwa 4 und 7, vorzugsweise zwischen 4,5 und 6,5. Eine Spaltbreite von etwa 1, 52 mm ist für dieses Material sehr befriedigend.
Sie sollte für beste Ergebnisse gleichmässig in engen Grenzen gehalten werden, d. h. innerhalb plus oder minus 0,07 mm und vorzugsweise zwischen () 0, 035mm. Die letzteren Toleranzgrenzen sind sehr oft genau anwendbar.
Der CTWD kann äusserste Grenzen zwischen 2,5 und 38 mm haben, wird aber üblicherweise zwischen 7,6 und 12,7 mm gehalten. Für übliches Stahlrohr von etwa 6,34 mm Stärke beträgt ein wünschenswerte CTWD 12,06 mm i 0, 25 mm.
Die von einer Quelle, wie einem Generator E, Fig. 1, angelegte Spannung kann unter günstigsten Bedingungen zwischen 20 und 35 V liegen. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen etwa 25 und 30 V, vorvorteilhaft mit einer engen Regelung, d. h. innerhalb etwa 1 V.
Der Schweissdraht W ist schmaler als der Spalt und wird mit solcher Genauigkeit zugeführt, dass er keine Seite des Spaltes berührt, wenigstens bevor er gut in den Spalt eingedrungen ist.
Für eine Verbindungs-Spaltbreite von etwa 1, 52 mm ist ein Draht von etwa 1, 01 mm Durchmesser sehr vorteilhaft.
Der Draht kann hinsichtlich des Arbeitsstückes senkrecht zugeführt werden (d. h. im Fall einer Rohrschweissung radial), wird aber vorzugsweise etwas aus diesem Winkel durch Schrägstellen des Kontaktroh- res CT gegenüber dem Radius oder der Vertikalen verstellt. Dieser Winkel ist durch einen Zeiger und eine Skala S, Fig. 1, angegeben. Dieser Winkel kann so viel wie + 30 (der Draht ist von der Schweissung nach vorn geneigt) und wie - 450 (Draht eilt hinter der Schweissung, wie in Fig. 1 gezeigt, nach) betragen.
Jedoch der gegenwärtig bevorzugte Winkel für die meisten Arten von Rohren liegt zwischen +150 und-300.
Insbesondere sind gute Ergebnisse mit Rohren von 7, 11 mm Wandstärke bei dem Winkel von etwa-120 erreicht worden, aber der optimale Winkel ändert sich, wenn die Rohrstärke oder andere Veränderliche abweichen.
Das Ausmass, zu welchem der Bogen in einen schmalen Spalt eindringt, hat sich als sehr veränderlich erwiesen. Es hängt teilweise von der Art der Umgebung oder dem Gas ab, das den Bogen umgibt.
Für eine gute Eindringung wird eine Atmosphäre aus Kohlendioxyd bevorzugt, und dieses wird von einer geeigneten Quelle durch ein Rohr G zu dem Schild T zugeführt, das das elektrische Kontaktrohr CT umgibt. Die Gasströmungs-Geschwindigkeit ist nicht kritisch. Für eine Schweisskopf-Quergeschwindigkeit
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Argon, oder Mischungen aus einem dieser Gase mit Kohlendioxyd, können verwendet werden.
Der elektrische Strom ändert sich mit der angegebenen angelegten Spannung, dem Drahtdurchmesser, dem CTWD und dem abschirmenden Gas, aber üblicherweise wird er zwischen 200 und 400 Ampere liegen. Weitere Grenzen von 100 bis 600 Ampere können zugelassen werden. Bei eng gesteuerten besonderen Arbeiten der oben erwähnten Art beträgt der Strom üblicherweise während des gleichbleibenden Schwei- ssungsvorlaufes zwischen 300 und 310 Ampere.
Die Steuerung der Spaltbreite zwischen den Rohrenden, die sorgfältig bearbeitet worden sind, kann durch sehr genaue Ausrichtung und Abstandshaltung der Rohrabschnitte bewirkt werden, vorausgesetzt, dass diese sehr fest an ihrer Stelle eingespannt sind. Bei der Ausführung der Arbeit wird bevorzugt, die Rohrabschnitte in aneinanderstossende Lage einzustellen und dann den Spalt auf die genaue gewünschte Breite zu schneiden. Eine Schneidscheibe C wird für diesen Zweck an dem wandernden Gestell angeordnet. Es ist eine Schleifscheibe von der Stärke der gewünschten Spaltbreite anzuwenden, oder es können andere Schneidvorrichtungen eingesetzt werden. Sie ist mit einem eigenen Motor M ausgestattet und kann mehr oder weniger radial in die und aus der Schneidstellung bewegt werden, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 angezeigt ist.
Wenn die Rohrabschnitte in geeigneter Weise in aneinanderstossender Lage festgeklammert sind, wird das bewegliche Gestell F im Uhrzeigersinne in Querrichtung bewegt und die den Spalt bildende Vorrichtung C schneidet einen Spalt von genauer Breite, wie gewünscht ist. Der Schweisskopf H folgt und der Schweissbogen wird gezündet.
Der Draht W wird durch Antriebsrollen D zugeführt, welche mit einer Geschwindigkeit angetrieben
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sind, die von dem Motor MR auf die Drahtzuführungs-Geschwindigkeit WR geregelt wird. Für eine
Schweisskopf-Quergeschwindigkeit von 88,8 bis 139,6 cm/min soll bei einem 7, 11 mm-Rohr mit einem
Spalt von 1, 52 mm Breite und unter Verwendung eines 1, 01 mm-Drahtes die Drahtzuführungs-Geschwin. - digkeit zwischen 10, 15 und 17,7 m/min liegen. Allgemein liegt die Drahtzuftihrungs-Geschwindigkeit für Verschweissungen an dieser Rohrart bei etwa dem fünf-bis zwanzigfachen der Schweissungs-Querbewe- gungs-Geschwindigkeit, aber diese ändert sich mit dem Drahtdurchmesser u. ähnl. Faktoren.
Wenn der Schweissvorgang unverzüglich hinter der Schneidscheibe C folgt, bewirkt die Schrumpfung des Metalls, wenn dieses abkühlt, ein Aneinanderziehen der Rohrabschnitte, was die Spaltbreite vermin- dert ; das den Spalt auseinanderhaltende Rad GS ist mit einem Randteil der richtigen Stärke versehen, um den Spalt in der vorbestimmten'Breite offenzuhalten und somit die Schneidvorrichtung C zu schützen.
Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, ist der Schweisskopf vorzugsweise an einem Schwenkzapfen 1 an einer
Supportplatte 2 angeordnet, welche bei 2S geschlitzt und auf Zapfen 3 gelagert ist, die an dem beweg- lichen Hauptgestell F befestigt sind und eine radiale Bewegung der Platte 2 gegenüber der Arbeitsstelle am Rohr P gestatten. Eine Feder S2 ist bestrebt, den Kopf H an das Werkstück P zu ziehen, aber eine
Rolle 4 an der Platte 2 läuft auf der Arbeitsfläche und hält den Kopf (und infolgedessen den CTWD) auf dem gewünschten Abstand. Die Rolle 4 kann eingestellt werden, um den Abstand nach Wunsch zu verän- dem.
Um den Draht genau zu der Mitte des Spaltes g (Fig. 3) zuzuführen, sind ein Führungsblatt 5 an der linken Seite und ein gleiches Blatt 5a an der rechten Seite mittels Schwenkzapfen 6 bzw. 6a angelenkt, die in der Platte 2 gelagert sind. Die Blätter sind jeweils mit einer Feder 7 oder 7a ausgerüstet, welche bestrebt ist, das Blatt in dem Spalt g zu halten, es sei denn, dass das Blatt in seiner unwirksamen Stellung (s. 5a) durch eine Klinke 8 oder 8a verriegelt ist. Die Platte 2 kann sich seitwärts bewegen (s. Pfeil b, Fig. 3), weil auf den Zapfen 3 Raum für eine derartige Bewegung gelassen ist. Durch diese Einrichtung sichert das Blatt 5 vor dem Draht W, in Abhängigkeit von der Richtung der Kopf-Querbewegung, dass der Draht genau zentriert in den Spalt zugeführt wird.
In den Fig. 4,5 und 6 ist die besondere Ausführungsform der Vorrichtung gezeigt, die ein Hauptgestell 12 besitzt, das konzentrisch auf demRohr 11 durch mehrere Fluchtungsschienen 13 gelagert ist. Diese sind als gegeneinander verschiebbare Keilpaare bekannter Type ausgeführt. Eine Relativbewegung zwischen den Teilen, bei gleichzeitiger Betätigung aller Keilpaare um das gleiche Mass, zentriert wirksam die Vorrichtung um das Rohr und verspannt es an seiner Stelle. Die Betätigung ist nicht gezeigt, da sie üblich ist.
Das Gestell 12 ist mit einem nach oben gerichteten Arm 12a versehen, der eine Hebelachse 12b zwecks Eingriff durch einen geeigneten Kran besitzt.
Das Gestell 12 ist an der Rohrleitung in einer festen Stellung verriegelt. Es ist auch mit geeigneten ringförmigen Lagern und Getriebemitteln versehen, um einen drehbaren ringförmigen Rahmen 14 abzustützen und anzutreiben. Der Rahmen 14 ist mit einem Umkehr-Motor 15 versehen, der in geeigneter Weise an einer Konsole 16 angeordnet ist. Durch geeignete Zahnräder treibt der Motor 15 eine Schneckenwelle 17, die eine Schnecke 18 trägt. Diese steht mit dem Zahnkranz 19 in Eingriff, der an dem stationären Gestell 12 (Fig. 6) befestigt ist. Eine Betätigung des Motors 15 treibt den Rahmen 14 und die gesamte auf ihm angeordnete Vorrichtung einschliesslich des Motors 15 selbst um das Gestell 12 nach Wunsch in jeder Richtung. Lager 19a stützen den Rahmen 14 an dem Gestell 12 frei verdrehbar ab.
Die Leistung wird dem Motor 15 üblicherweise von einer Quelle eines elektrischen Energieanschlusses zugeführt.
Auf einer an dem Rahmen 14 befestigten Konsole 20 ist ein Drahtantriebsmotor 21 angeordnet, dessen Drehzahl im Hinblick auf den den Querantrieb bewirkenden Motor 15 regelbar ist. Dieser Motor ist mit einer elektrisch gesteuerten Kupplung 22 üblicher Type ausgerüstet, durch welche, wenn die Kupplung 22 in Eingriff steht, die Drahtzuführungsmittel 23 betätigt werden können. Eine Magnetspule 24 betätigt die Kupplung 22, wenn sie erregt ist. Eine Schweissdraht-Vorratsspule oder-Rolle 25 ist auf dem Rahmen 1t gelagert und hat eine Auslassführung 26 (Fig. 5), durch welche der Schweissdraht den Drahtzufuhrungsmit- teln 23 zugeführt wird.
Ein weiteres Führungsrohr 27 leitet den Draht zu einem Lichtbogen-Schweisskopf 28,. der im wesentlichen der gleiche wie der Kopf H in den Fig. 2 und 3 ist.
Der Schweisskopf 28 besitzt einen Kühlkreis und eine Gaszuführung zur Unterstützung bei der Steuerung des Bogens und übliche elektrische Anschlüsse. Er ist auf einem schwimmenden Support hinsichtlich des Werkstückes so angeordnet, dass er sich radial von der Rohroberfläche fort und zu dieser hin und auch in Längsrichtung des Rohres bewegen kann. Mittels einer einstellbaren Rolle 30 bleibt der schwimmende Kopf 28 auf einem gesteuerten Abstand an der Aussenfläche des Rohres 11 trotz Unregelmässigkeiten auf einer solchen Oberfläche.
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Mittels beliebig auswählbarer Fühler-Führungen 32, welche in den verhältnismässig schmalen Spalt oder die Nut zwischen den Rohrenden fallen, wird der Schweisskopf auch gleichbleibend so geführt, dass der Draht W, der aus dem Kontaktrohr 29 herauskommt, in die Mitte des Spaltes einläuft, wenn die
Schweissung stattfindet. Eine Feder 33 gibt der Führung 32 eine Vorspannung in den Spalt, wenn sie in der
Führungsstellung entriegelt ist. Zu andem Zeiten werden die Führungen 32 in ausgerückter Stellung ver- riegelt, z. B. wenn der Rahmen längs der Rohrleitung zu der nächsten zu verschweissenden Verbindung verschoben wird.
Zusätzlich zu dem Schweisskopf und den Drahtzuführungsmitteln ist auf dem drehbaren Rahmen 14 eine Spalt-Schneideinheit 40 gelagert. Letztere ist radial zu dem Rohr 11 hin und von diesem fort beweg- bar angeordnet. Wenn sie nicht verwendet wird, wird sie in einer äusseren Stellung, wie in Fig. 1, gehal- ten. Die Schneideinheit hat ein Schneidrad 41, wie eine dünne Schleifscheibe. Es wird durch einen Mo- tor 42 angetrieben, der infolge des für eine hohe Schnittgeschwindigkeit erforderlichen hohen Energie- einganges insbesondere ein Luftmotor ist.
Eine genaue zeitliche Abstimmung der verschiedenen Arbeitsphasen des Schweissvorganges wird bei der Erfindung angewendet. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist eine Reihe von Nocken 50 bis 59 an dem Ge- stell 12 angeordnet, die die verschiedenen Funktionen steuern.
Im Bereich 60 sind an dem Rahmen 14 Schalter so angeordnet, dass sie in einer vorgewählten Rei- henfolge von den Nocken 50 bis 59 betätigt werden. Die durch Nocken gesteuerten Schalter und ihre Ar- beitsweise sind an sich bekannt.
Wenn die Vorrichtung durch Anlassen des Motors 15 in Betrieb gesetzt wird, treibt dieser die Schnek- ke 18, so dass sich der Rahmen 14 gegenüber dem Gestell 12 bewegt. Ein erster Schalter kommt mit dem
Nocken 50 in Eingriff, um den Drahtzuführungsmotor 21 anzulassen, der nicht sofort die volle Drehzahl erreicht, weil die Kupplung 22 nicht betätigt wird, bevor der Kopf die Anfangsstellung für das Schwei- ssen erreicht hat. Dadurch wird die Drahtzuführung mit einer grösstmöglichen Beschleunigung beginnen, die im wesentlichen die gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit ist. Inzwischen ist der Lichtbogenstrom zu dem Schweisskopf eingeschaltet worden, die Gas- und Wasserzuflüsse sind eingeleitet worden und die Drahtzuführungskupplung wird erregt.
Alles geschieht in der gewünschten Reihenfolge durch Verwendung der Schalter, die durch die Nocken 51 - 59 betätigt werden.
Bei Umsteuerung zur Schweissung in der Gegenrichtung werden andere Schalter durch Nocken in gleicher Weise betätigt, um die richtige Reihenfolge herbeizuführen.
Nun wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Das Schneidrad 41 kann in die Stellung bewegt werden, in welcher es seinen Schnitt vor der tatsächlichen Schweissung durchführt. Beides geschieht zur gleichen Zeit. Es wird bevorzugt, eine Hälfte des Umfanges zu schneiden und unverzüglich danach zu schweissen und dann die Vorrichtung zurückzufahren, die andere Hälfte des Umfanges zu schneiden und zu schwei- ssen, um die Arbeit fertigzustellen.
In Fig. 7 ist eine Abwandlung dargestellt. Ein Stück Stahlrohr 11 ist gegen ein anderes Stück 201 (Fig. 8) passend gesetzt. Die Stücke sind mit einer sich innen ausdehnenden Domklemmen-Spannvorrich- tung 113 ausgerüstet, die die beiden aneinanderstossenden Rohrenden in richtiger Ausrichtung zur Schwei- ssung hält. Die Vorrichtung besitzt eine Auflagerschlitten-Einheit 115, die als Hauptsupport infolge Abstützung auf dem Rohr als Träger dient. Die Auflagerschlitten-Einheit 115 ist mit einem Paar sich gegenüberliegender Klemmarme 117 und 119 versehen, die bei 121 bzw. 123 verschwenkbar gelagert sind.
Bei 125 sind Mittel zur Betätigung der Klemmarme zwecks Festlegung des Auflagerschlittens 115 an dem Rohr 201 gezeigt, aber diese Mittel können nach Wunsch durch andere bekannte Spannvorrichtungen ersetzt werden. Die Einheit wird so fest auf dem Rohr abgestützt, dass sie sich gegenüber dem Rohr nicht drehen oder verschieben kann. Diese Teile müssen sorgfältig ausgeführt und zusammengebaut sein, so dass die Schweissvorrichtung richtig unter rechtem Winkel zu der Rohrachse aufgesetzt ist.
Eine geeignete schwere Vertikalspindel 127 ragt von dem Auflagerschlitten 115 nach oben und trägt fest, jedoch in vertikaler Richtung einstellbar, einen gekrümmten Rahmenteil 131. Dieser Teil 131 hat kreisförmige Gestalt, mit Ausnahme eines ausgeschnittenen Abschnittes genügender Weite, um von dem Rohr freizukommen. Er trägt und bildet eine Führungsspur für ein Ringlager 133 von einer gleichen offenen Kreisausführung, die auf geeigneten, die Reibung herabsetzenden Lagern 135 abgestützt ist, wie in Fig. 8 gezeigt. Der Teil 131 ist, obgleich er die Form eines offenen Ringes hat, mit einem Zahnrad oder einem Zahnkranz 136 versehen, in welchen ein Paar Ritzel 137,137a eingreifen, die wieder durch Motore mit guten Regeleigenschaften angetrieben werden, wie bei 138,138a gezeigt ist.
Die Motore sind an dem drehbaren Teil 133 an mehr oder weniger einander diametral gegenüberliegenden Stellen angeordnet, so dass der Ring 133 konzentrisch um das Rohr 111 herumbewegt werden kann, um die verschie-
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denen Arbeitswerkzeuge um das Rohr an irgend eine gewünschte Stelle zu führen. Der Teil 133 kann als
Werkzeuge tragender Drehkopf angesehen werden und trägt folgende Werkzeuge : Eine mit hoher Ge- schwindigkeit durch Hilfskraft angetriebene Schleifscheibe 141, die mit einem geeigneten Schutzschild
143 versehen ist. Diese ist mit einem geeigneten Antriebsmotor 145 ausgerüstet. Die gesamte Baugruppe ist mittels eines Schwenkarmes 147 verschwenkbar an einem Lagerzapfen 149 an dem Drehkopf 133 gela- gert.
Sie kann nach Wunsch in eine Schneidstellung, die in gestrichelten Linien gezeigt ist, nach innen oder in die in vollen Linien ausgezogene unwirksame Stellung nach aussen verschwenkt werden. Der Dreh- kopf trägt mehr oder weniger diametral gegenüber der Schneidscheibe einen Schweisskopf 151, der bei
153 verschwenkbar an einer verschiebbaren Platte 155 angeordnet ist, welche an dem Drehkopf 133 ra- dial und längs der Rohrachse bewegbar in gleicher Weise, wie gemäss den Fig. 2 und 3, gelagert ist. Die- se Anordnung für eine schwenkbare Lagerung ist derart, dass der Winkel des Schweisskopfes gegenüber der
Arbeitsfläche für bereits beschriebene Zwecke geändert werden kann, wie durch einen Zeiger und eine
Skala 157 angegeben ist.
Die verschiebbare Platte kann gegen die Kraft der Feder 219 in eine verriegelte unwirksame Stellung von dem Werkstück zurückgezogen werden, wenn es erwünscht ist einen Schneidvor- gang ohne Schweissung durchzuführen.
Der Drehkopf 133 trägt auch eine Schweissdrahtrolle 161, die an einem fest angeordneten Arm 163 gelagert ist. Draht 209 von der Rolle 161 wird über eine rohrförmige Führung 167 dem Drahtzuführungs- mechanismus 171 zugeführt, der aus einem Paar, mittels eines Motors 172 mit in engen Grenzen steuer- barer Drehzahl angetriebener Rollen besteht. Der Draht geht hinter den Rollen durch ein weiteres Füh- rungsrohr 175 zu dem Schweisskopf 151, wo er zu der Stelle geführt wird, in welcher er bei der Schwei- ssung verbraucht wird.
Die gesamte Baugruppe ist mit einem Hebering oder Haken 181 versehen, der an dem stationären Rahmen 131 befestigt ist, so dass die Vorrichtung durch geeignete mechanische Mittel auf die Rohrleitung gehoben oder von dieser abgehoben werden kann.
Nun wird auf Fig. 8 Bezug genommen. Der neue Abschnitt des Rohres 11 ist in einer Stellung gezeigt, in welcher er eng an dem früheren Rohrabschnitt 201 anliegt. Diese beiden Abschnitte sind durch die sich ausdehnende Dornklammer 113, die vorher beschrieben worden ist, innen und in richtiger Ausrichtung miteinander verspannt. Für den vorliegenden Zweck wird bevorzugt, dass die Enden des Rohres rechtwinkelig verlaufen, obwohl eine sehr leichte Abschrägung um die Aussenseite zulässig ist und bei der Ausrichtung nützlich sein kann. Übliche Kegel-Verbindungen, gewöhnlich mit Winkeln von 300 bis 37, 50, sind weniger befriedigend. Der erforderliche Spalt oder die Nut wird zwischen den Rohrenden durch die mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Schleifscheibe 141 geschnitten.
Der Schweisskopf 151 ist mit dem Gasrohr 205 und dem inneren Kontaktrohr 207 gezeigt, die im wesentlichen denen der Vorrichtung gemäss den Fig. 2 und 3 entsprechen. Ein Rohr 212 bringt eine Gaseinspeisung in den Kopf. Das elektrische Kabel 213 führt Energie zu dem Schweissbogen. Der Schweisskopf ist vorzugsweise mit Wasser gekühlt und daher mit einem Einlass 214 und einem Auslass 215 für Kühlwasser versehen, das um das Kontaktrohr und die Gasdüse läuft und deren Temperatur unter Steuerung hält. Der Auslass 215 umschliesst das elektrische Kabel 213. Der Wassermantel um den Schweisskopf oder das Rohr 151 ist auch in Fig. 12 bei 217 gezeigt.
Der CTWD Abstand ist bei d-1 in Fig. 7 gezeigt. Eine schwimmende Lagerung ist für den Schweisskopf vorgesehen. Der Schweisskopf 151 und die Platte 155, welche ihn trägt, sind frei auf Führungszapfen 218 in einer im wesentlichen radialen Richtung zu dem Rohr hin und von diesem weg verschiebbar gelagert. Die Platte 155 wird normalerweise durch eine geeignete Feder 219 zu dem Rohr hin gezogen. Die Feder ist durch einen Zapfen 220 an dem beweglichen Ring oder Drehkopf 133 befestigt. Der Schweisskopf wird mittels einer Messrolle 221 in der richtigen Abstandslage gegenüber der Arbeitsfläche gehalten. Diese Rolle ist auf einem Arm 222 gelagert, der in geeigneter Weise bei 223 an der Platte oder dem Arm 155 angelenkt ist, der den Schweisskopf trägt.
Diese Platte oder der Arm 155 ist mit einem bogenförmigen Schlitz 227 versehen, in dem ein Gleitstück mittels eines geeigneten Bolzens und einer Flügelmutter 229 festgeklemmt werden kann.
Die mit der vorliegenden Erfindung erhaltenen Schweissungen sind in den Fig. 9,10 und 11 dargestellt. In Fig. 9 ist der Raum zwischen den Rohrenden sauber durchgeschnitten, und die Schweissung muss einen von der Sohle bis zur Oberseite gleichförmigen Spalt füllen. Wenn dieser Spalt sorgfältig in der Breite und Gleichförmigkeit kontrolliert ist, können im wesentlichen glatte Unterseiten- und Oberseitenflächen erzeugt werden. Wenn der Spalt gefällt wird, verschmelzen sich der geschmolzene Schweissdraht und das Metall, das durch Wärme des Lichtbogens von den Rohrenden abgeschmolzen wird, fortschreitend mit dem Rohr, wie bei W1 angezeigt. Die Hitze des Bogens hat die grösste Stärke im Bereich des Draht-
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endes etwa in der Mitte der Rohrwandstärke.
Benachbartes Rohrwandmetall wird hier geschmolzen und fliesst nach innen und aussen, um die Wurzelränder des Rohres zu schmelzen. Dies ergibt-den charakteri- stischen Schweissquerschnitt dieses Verfahrens, der einen beachtlichen Fortschritt darstellt.
In Fig. 10 sind die aneinanderstossenden Rohrenden beinahe, aber nicht völlig durchgenutet. Es muss
Sorgfalt darauf verwendet werden, nahezu die gesamte Strecke durch das Rohr zu schneiden, um die er- wünschte Schweissqualität zu erreichen. Die Anordnung gemäss Fig. 10 unterstützt die Steuerung des Flus- ses des geschweissten Metalls in einigen Fällen.
Nunmehr wird auf Fig. 11 Bezug genommen. Der Fluss des Metalls ist in einer dem Uhrzeigersinne entgegengerichteten Schweiss-Querbewegung gezeigt. Der Draht W wird innerhalb seiner Gasabschirmung geschmolzen und bildet zusammen mit dem von dem Rohr geschmolzenen Metall die Schmelze P1, die bestrebt ist, in einer sichelförmigen Gestalt durchzusacken, die bei S3 gezeigt ist. Das Metall neben der
Schweissstelle entzieht jedoch der Schmelze sehr schnell Wärme, wenn sich der Lichtbogen weiterbewegt, was zu einer Schrumpfung führt. Der mittlere Teil der Rohrwand führt mehr Hitze als die Teile an den
Innen-und Aussenflächen ab, aber die gesamte geschmolzene Masse schrumpft, wenn sie abkühlt und sich verfestigt.
Diese Schrumpfung und zuzüglich die Oberflächenspannung des durchhängenden flüssigen
Metall-Halbmondes S3 sind bestrebt, die innere Fläche gerade zu richten, wie bei S4 gezeigt ist. Somit wird an der Innenseite des Rohres eine im wesentlichen fluchtende Oberfläche geschaffen. Der durchge- he. nde Lauf des Schweisskopfes ergibt zusammen mit der synchronisierten Drahtzuführung zur Erhaltung eines durchgehenden Lichtbogens und der kleinen Spaltbreite eine ungewöhnlich gut verschmolzene
Schweissungsstruktur über die Rohrwandstärke. Die Eckenverschmelzung an der Wurzel oder der Innenflä- che der Schweissung ist ein besonders wichtiges Merkmal, wie in Fig. 17 dargestellt ist.
In der praktischen Anwendung kann der Schweissvorgang in mehreren verschiedenen Weisen ausge- führt werden. Unter gewissen Bedingungen wird bevorzugt, zuerst die aneinanderstossenden Rohrenden zu- sammenzuheften, wie in Fig. 13 bei 320 gezeigt ist, indem eine Schweissung zwischen aneinanderstossen- den Enden durchgeführt wird, oder überbrückende Laschen 322 befestigt werden, wie in Fig. 14 gezeigt ist. Diese halten die Spaltbreite trotz der durch die Schrumpfung entstehenden Kräfte konstant.
Die durch die Kontraktion der Schweissung entstehende Schwierigkeit ist auch in Fig. 12 dargestellt, die nun im einzelnen beschrieben wird. Die Anordnung nach Fig. 12 ist in der Anwendung an flachen Platten gezeigt, aber auch an Rohren oder andern gekrümmten Flächen anwendbar. Hier sind drei einheitliche Teile der Vorrichtung, nämlich die Schneideinrichtung 141a, das Abstandsrad 330 und der Schweisskopf 205a auf einem geeigneten Traggestell angeordnet, das allgemein mit 329 bezeichnet ist, so dass sich diese drei Teile gegenüber dem Werkstück längs einer Verbindung zwischen benachbarten Kanten der
Platten, die mit 331 bezeichnet sind, gleichzeitig bewegen. Wenn sich die Werkzeuge nach rechts bewegen, oder umgekehrt das Werkstück sich nach links bewegt, erzeugt das Schneidrad 141a den richtigen Abstandsschnitt zwischen den aneinanderstossenden Rändern.
Diesem Schneidrand folgt das Abstandsrad 330, das eine scharf geriffelte oder Ziehfläche 335 hat, die an einem konzentrischen Zylinder ausgebildet ist. Sowohl der Abstandshalter 330 als auch die die Zugkraft aufbringende Fläche der Zylinderelemente sind starr auf einer Antriebsachse 337 befestigt. Letztere wird durch ein geeignetes Antriebsmittel verdreht, um die Baugruppe gegenüber dem Werkstück nach rechts zu führen, wie in Fig. 12 gezeigt ist.
Der Schweisskopf 205a führt den Draht 209 zu und legt den elektrischen Lichtbogen an, so dass die nachfolgende Schweissung bewirkt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Drahtzuführung, die elektrische Einspeisung, die Gaszuführung und alle andern notwendigen Einrichtungen wie in den vorher beschriebenen abgewandelten Ausführungen vorgesehen sind.
Das Werkstück wird natürlich in hohem Masse durch den Schweissvorgang erhitzt, und die Kühlung, welche schnell stattfindet, verursachte eine Schrumpfung, welche, mit Ausnahme des Abstandsrades 330, starke Beanspruchungen an dem Schneidrad hervorrufen würde. Das Abstandsrad 330 läuft in der frischgeschnittenen Verbindung, die durch das Rad 141a geschaffen worden ist, und hält die Platten um eine Strecke voneinander entfernt, welche durch seine Stärke, vorzugsweise die volle Breite der Schneidvorrichtung 141a, bestimmt ist. Infolge der Tatsache, dass die Schrumpfung nahe an dem Schweisskopf beispielsweise an der Stelle x grösser als weiter entfernt an einer Stelle y ist, ist die Reibungskraft an der linken oder ansteigenden Seite des Rades 330 grösser als an der vorderen Seite.
Die relative Grösse dieser Kräfte ist wenigstens qualitativ durch die Pfeile fl bzw. f2 angegeben. Das Endergebnis liegt schliesslich darin, dass das angetriebene Abstandsrad die geriffelten Zylinderelemente 335 in sicherer und antreibender Berührung an die Werkstückoberfläche zieht, so dass eine sichere Zugkraft zur Bewegung der Schweissbaugruppe nachrechts (oder des Werkstückes nachlinks) geschaffen wird, wenn die Schneid-und Schweiss- vorgänge fortschreiten.
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In den Fig. 15 und 16 ist eine typische Arbeitsweise veranschaulicht. Das Schneidrad 141 wird in Be- rührung mit der Verbindung an der Oberseite des Rohres geschwenkt und an einer Seite um annähernd
1800 um das Rohr nach unten gedreht. Beispielsweise wird angenommen, dass die Verbindung um die lin- ke Hälfte der Fig. 15 geschnitten worden ist und danach verschweisst worden ist. Dies ist durchgeführt wor- den, indem erstens die Schneidvorrichtung 141 in die Arbeitsstellung und dann entgegen dem Uhrzeiger- sinne von oben nach unten verschwenkt wird, und zweitens die Schweisseinrichtung in die Arbeitsstellung gebracht und von der Oberseite entgegen dem Uhrzeigersinne nach unten gedreht worden ist, um den schraffierten halben Weg der Schweissverbindung um das Rohr herzustellen, wie links in Fig. 15 gezeigt ist.
Nun wird auf Fig. 16 Bezug genommen. Die Schweissung ist fertiggestellt worden, indem zuerst die
Schneidvorrichtung nach unten in die angenäherte Stellung der Fig. 15 gebracht wird und danach im Uhr- zeigersinne aus der Stelle m zu der Stelle n verschwenkt wird. Dieser Vorgang rundet, wie ersichtlich ist, in einen gekrümmten Schnitt oder eine Auflauffläche aus, die mit p bezeichnet ist und durch Belassung einer glatten bogenförmigen Auflauffläche q unten endet. Diese Auflaufflächen p und q würden ideal für die zweite Hälfte der Schweissung geeignet sein, da das Schweissmetall an der Oberseite glatt hinein- fliesst, und wenn die Schweisseinrichtung nach rechts oder im Uhrzeigersinne verschwenkt wird, wird die Verbindung in einer derartigen Weise gefüllt, dass die Schwerkraft zur Erhaltung eines glatten gleichmä- ssigen Flusses beiträgt.
An dem Boden bewirkt die Schwerkraft, wenn die Schweissung fertiggestellt ist, dass das geschmolzene Metall längs der Fläche q fliesst, so dass eine rissfreie, fehlerfreie Schweissung in zwei Arbeitsvorgängen hergestellt wird.
Ein anderes bevorzugtes Beispiel eines zufriedenstellenden Schweissvorganges ist an einem Rohr von
7, 11 mm Stärke erhalten worden. Es wurde eine Nutbreite von 1, 26 mm bis 1, 77 mm angewendet, und Mischungen aus CO und Argon waren das bevorzugte Gas. Für diese Art der Schweissung betrug der Gasdurchsatz zwischen 566 und 1415 dms/h. Ein Drahtdurchmesser von 0,76 mm bis 1, 58 mm hat sich als zweckmässig erwiesen. Der bevorzugte Bereich liegt innerhalb l, 01-1, 26 mm. Der CTWD hat sich mit 8, 8 - 12, 6 mm ergeben. Für den verwendeten l, 01 mm-Draht waren Draht-Zuführungsgeschwindigkeiten von 12, 7 bis 16,5 m/min angemessen.
Fig. 17 zeigt ein Beispiel des gewünschten Querschnittes einer sehr guten, nach dem vorstehenden Beispiel hergestellten Schweissnaht. Auch bei der Verschmelzung des benachbarten Rohrmetalles hat die gesamte Schweissnaht noch ein Verhältnis Tiefe zu Breite von etwa 2 : 1. Eine derartige Gestalt vermindert nicht nur den Verbrauch von Schweissdraht, sondern gibt auch feste und glatte Verbindungen ausgezeichneter Qualität.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum automatischen Lichtbogenschweissen von Stossverbindungen zwischen benachbarten Teilen von Metallformstücken, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile in eine aneinanderstossende Lage gebracht werden, ein schmaler Spalt von gleichmässiger Breite zwischen den Teilen durch Materialabnahme hergestellt wird, ein Schweisskopf mit einer Stabelektrode automatisch mit im wesentlichen gleich- förmiger Geschwindigkeit relativ zu dem Spalt in Spaltrichtung bewegt und gleichzeitig die Elektrode innerhalb des Spaltes mit einer der Geschwindigkeit des Schweisskopfes angepassten, im wesentlichen gleichförmigen Geschwindigkeit zugeführt wird,
um den Lichtbogen innerhalb des Spaltes aufrechtzuerhalten und den Spalt gleichmässig mit einer ununterbrochenen Schweissnaht von gleichförmiger Qualität in einem einzigen Arbeitsgang zu füllen.