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Verfahren und Anpressvorrichtung zum Unterpulverschweissen dicker Stahlbleche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anpressvorrichtung zum Unterpulverschweissen, insbe- sondere zum Durchschweissen von Nähten dicker Stahlbleche von einer Seite her.
Das Unterpulverschweissen von Stahlblechen mit Wanddicken von mehr als 8 mm wird im allgemeinen so ausgeführt, dass die Naht bei horizontaler Lage der Bleche in zwei oder mehr Arbeitsgängen von der einen Seite der Bleche aus bis auf einen Rest durchgeschweisst und anschliessend, nachdem die teilverschweissten Bleche gewendet worden sind, der Restquerschnitt von der andern Seite aus fertigeschweisst wird. Vor allem im Schiffsbau spielt das Verschweissen von dicken Blechen eine grosse Rolle. Besonders auf diesem speziellen Anwendungsgebiet hat jedoch das beidseitige Schweissverfahren erhebliche Nachteile, da die Werkstücke im allgemeinen sehr gross sind und aufwendige Drehvorrichtungen zum Umwenden der von der einen Seite geschweissten Bleche zur Erfassung der Gegenseite erforder- lieh werden.
Es besteht demnach schon seit langem der Wunsch nach einem Schweissverfahren, mit dem auch Stahlbleche mit mehr als 8 mm Dicke von einer Seite her voll durchgeschweisst werden können. Bekannt ist beispielsweise der Versuch, hiezu beim Schweissen eine Kupferunterlage als Rückdämmung zu verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass auf diese Weise nur selten eine brauchbare Oberfläche der Schweisswurzeln erzielt werden kann. Ausserdem besteht die Gefahr, dass der Lichtbogen die Kupferschiene anschmilzt, wenn der Spalt zwischen den Stosskanten zu gross wird. In jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, zur Abmilderung der Bogenwirkung auf den Wurzelspalt die Stossfuge teilweise mit lose eingelegten oder eingehefteten Zusatzdrähten zu füllen.
Bei der laboratoriumsmässigen Durchführung dieses Vorschlages konnten zwar gewisse Erfolge erzielt werden, doch hat es sich in der Praxis gezeigt, dass bei alleiniger Anwendung dieses Verfahrens, vor allem bei dicken Blechen und Nähten grosser Länge, die im Schiffsbau beispielsweise 12 m und mehr betragen kann, keine zufriedenstellende Qualität der Nähte über ihre ganze Länge erreicht werden konnte. Hiebei haben sich als besonders störend Massungenauig- keiten der Stoss vorbereitung und ein Verzug der Bleche bemerkbar gemacht. Schliesslich wurden noch Versuche bekannt, mit denen eine Durchschweissung der Bleche gegen eine verschlackende Kies- oder Pulverunterlage durchgeführt werden sollte.
Es zeigte sich jedoch, dass auch dieses Verfahren unbefriedigend ist. da brauchbare Nahtausbildungen lediglich unter Laboratoriumsbedingungen und bei relativ dünnen Blechen erzielt werden konnten. Bei dickeren Blechen treten bei diesem Verfahren stets stark durchhängende Wurzelnähte und tiefe Hohlstellen auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten beim Unterpulverschwei- ssen dicker Bleche zu überwinden und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem auch Stahlbleche von mehr als 8 mm Dicke von einer Seite her sicher durchgeschweisst werden können.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass vor der Zugabe des Schweisspulvers die Stossfuge, die im Wurzelbereich einen offenen Wurzelspalt und ein V-oder Y-oder U-förmiges Profil aufweist und deren
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Stossenden durch zur Stossfuge parallele Magnetbänder in einer Ebene festgehalten werden, von unten her durch eine mit einem hydraulischen oder pneumatischen Drucksystem angepresste temperaturunempfindliche Schicht abgeschlossen und mit Stahlgranulat teilweise gefüllt wird und nach Zugabe des Schweisspulvers entlang der Mittellinie der Stossfuge mit einer solchen Stromstärke geschweisst wird, dass das 1, 0 bis 1, 4 fache der Gewichtsmenge des eingebrachten Stahlgranulats vom Elektrodendraht pro Zeiteinheit abschmilzt.
Das erfindungsgemässe Schweissverfahren erlaubt eine sichere technische Durchführung der Durchschweissung dicker Bleche von einer Seite her. Auch beim Vorliegen von Massungenauigkeiten der Stossfuge, d. h. bei schwankenden Stossbreiten, kann bei gleichzeitiger Beachtung aller Merkmale des erfindungsgemässen Schweissverfahrens stets eine einwandfreie Schweissnaht erzielt werden.
Durch das Anpressen der temperaturunempfindlichen Schicht an die Unterseite der Stossfuge wird ein Durchlaufen der Schweissschmelze oder das Entstehen von stark durchhängenden Unterraupen verhindert.
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granulat gefüllt. Dieses Stahlgranulat, dessen Zusammensetzung unter metallurgischen Gesichtspunkten ausgewählt wird, lässt sich kontinuierlich vor der Schweisspulverzugabe in die Stossfuge einbringen, was bei dem bekannten Verfahren der Einlegedrähte nur mit komplizierten Vorrichtungen möglich ist.
Erfindungsgemäss soll zwischen der Menge des einzubringenden Stahlgranulats und der Menge des abschmelzenden Elektrodendrahtes eine bestimmte Beziehung bestehen. Für die Ausbildung einwandfreier Schweissnähte hat es sich als erforderlich erwiesen, dass die Gewichtsmenge des abschmelzenden Elektrodendrahtes das 1, 0 bis 1, 4fache der Gewichtsmenge des eingebrachten Stahlgranulats beträgt.
Dieses Mengenverhältnis kann durch die richtige Einstellung der Schweissstromstärke erreicht werden.
Bei besonders dicken Blechen wird zweckmässigerweise mit dem erfindungsgemässen Verfahren zu- nächst nur der Wurzelbereich der Naht geschweisst und hierauf die Schweissnaht mit einem oder mehreren weiteren Arbeitsgängen aufgefüllt. Diese Füllagen können ohne Schwierigkeiten geschweisst werden, nachdem die Durchschweissung und damit die Wurzelsicherung bereits erfolgt ist.
Die Stossenden der dicken Bleche werden mit Hilfe von zur Stossfuge parallelen Magnetbändern in einer horizontalen Ebene gehalten. Hiedurch und durch die Möglichkeit des Schweissens bei offe- nen Stossfugen ist die Stossvorbereitung hinsichtlich der Gleichmässigkeit der entstehenden Schweiss- naht weniger kritisch, als bei bekannten Verfahren.
Eine besonders gute Form der Wurzelnaht ergibt sich, wenn die temperaturunempfindliche Schicht elastisch ist, d. h. aus einem Gewebe oder einem Pulver besteht, und mit einem Druck von 0, 1 bis 0, 3 atü, am besten mit ungefähr 0, 2 atü, an die Unterseite der Stossfuge angedrückt wird. Bei grösseren Anpressdrücken besteht die Gefahr, dass Schweissfehler in der Unterraupe auftreten.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Anpressvorrichtung für die temperaturunempfindliche Schicht besteht aus einem sich über die ganze Länge der Stossfuge erstreckenden Gehäuse, welches an seiner oberen, der Stossfuge zugewendeten Seite offen ist. In diesem Gehäuse sind von oben nach unten nacheinander die temperaturunempfindliche Schicht, eine Schüttung aus trockenem Schweisssand oder Schweissulver, ein, beispielsweise aus Holz gefertigter Stempel sowie ein Druckschlauch angeordnet. Der Druckschlauch, der z. B. ein Feuerwehrschlauch sein kann, ermöglicht eine genaue Einstellung des Anpressdruckes, der über den Stempel und die Schüttung aus Schweisssand oder Schweisspulver gleichmässig auf die temperaturunempfindliche Schicht übertragen wird.
Diese selbst kann beispielsweise aus einer Kupferunterlagschiene, aus einer Schweisspulverschicht oder auch aus einer Gewebeschicht aus Glas oder einem andern Mineralfaserstoff bestehen.
An den beiden Längsseiten des Gehäuses der Anpressvorrichtung sind die Magnetbänder angebracht, die zur Ausrichtung von Unebenheiten der Bleche vorgesehen sind und die Unterseite der Bleche in einer horizontalen Ebene halten.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der Anpressvorrichtung, bei der gegebenenfalls die Kupferschiene, der Holzklotz und die Magnetbänder segmentartig aufgeteilt sind und sich die einzelnen Segmente dieser Teile parallel zur Stossfuge aneinanderreihen. Diese Ausbildung der erfindungsgemässen Anpressvorrichtung ist besonders dann günstig, wenn beide Bleche gemeinsame Unebenheiten in der Richtung der Stossfuge aufweisen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch zwei zum Schweissen nach dem erfindungsgemässen Unterpulverschweissverfahren vorbereitete Bleche.
Die beiden, im dargestellten Beispiel mehr als 8 mm dicken Stahlbleche --1-- sollen mit einem
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Unterpulverschweisskopf --2-- von einer Seite her miteinander verschweisst werden. Die Stossfuge--3-- ist als unten offener V-Stoss ausgebildet. Der verbleibende offene Spalt kann 3 bis 6 mm breit sein.
Auch eine Ausbildung der Stossfuge-3-als Y-oder U-Stoss ist brauchbar. Andere Formen der Stossfuge --3-- sind jedoch ungünstig und beeinträchtigen die Qualität der Schweissnaht. Würde beispielsweise ein I-Stoss mit Spalt benutzt werden, so würde, vor allem bei dicken Blechen, der Lichtbogen den Wurzelbereich der Stossfuge nicht genügend erfassen, oder es könnte, wenn, um diesem Nachteil zu begegnen, die Stromstärke erhöht würde, die Unterlage gefährdet werden.
Erfindungsgemäss wird die Stossfuge --3-- mit Stahlgranulat --4-- bis zu einer bestimmten Höhe gefüllt. Die Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit abschmelzenden Elektrodendrahtes soll ungefähr das 1, 0 bis 1, 4fache der Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit einzubringenden Stahlgranulates --4 -- sein.
Die zur Einhaltung dieses Mengenverhältnisses notwendige Schweissstromstärke kann berechnet werden. Die Einhaltung der angegebenen Relation zwischen Schweissstromstärke und Stahlgranulatfüllung ist von ausschlaggebender Bedeutung für den Erfolg des Verfahrens in der Praxis.
Die Füllung der Stossfuge --3-- mit Stahlgranulat --4-- dient der Kühlung des Schweisslichtbogens und dem Ausgleich von Unregelmässigkeiten in der Vorbereitung der Stossfuge --3--, die auch bei guter Fugenvorbereitung nicht vollständig zu vermeiden sind. Ohne die Stahlgranulatfüllung kannten für die Durchschweissung gegen eine Unterlage nur geringe Lichtbogenenergien angesetzt werden. Die entstehenden Nahtwurzeln würden dadurch so schwach ausgebildet werden, dass sie die nachfolgenden Lagen nicht wirkungsvoll abstützen könnten. Ausserdem stellen vor allem wechselnde Stossfugenbreiten ohne die kühlende Wirkung der Stahlgranulatfüllung eine Behinderung der gleichmässigen Durchschweissung dar.
Da die Einbrennkraft des Lichtbogens nur bis zu einem gewissen Grade gemildert werden darf, ist auch eine zu starke Füllung der Stossfuge --3-- mit Stahlgranulat --4-- ungünstig. Eine Füllung. die über das oben angegebene Mass hinausgeht, würde die Sicherheit des gleichmässigen Ablaufes der Wur zelschweissung gefährden, ohne für das Fertigschweissen der Naht Nutzen zu bringen.
Die Zugabe des Stahlgranulats --4-- kann beispielsweise kontinuierlich mit Hilfe eines Vorratsbehälters mit Zugaberohr erfolgen. Der Vorratsbehälter wird in einem solchen Falle an der automatischen Schweisseinrichtung, in Schweissrichtung gesehen, vor der Vorrichtung für die Zugabe von Schweisspulver angebracht. Die entstehende Schweissverbindung kann metallurgisch durch die Wahl der chemischen Zusammensetzung des Stahlgranulats --4-- beeinflusst werden.
Das Gehäuse --5-- der Anpressvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist
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empfindliche Schicht eine Kupferschiene --6--, die an den Stossenden der Bleche-l-unten anliegt. anschliessend eine Schüttung-7-, die der Wärmeisolierung und Druckverteilung dient, ein aus Holz gefertigter Stempel --8-- und ein Feuerwehrschlauch --9-- untergebracht. Der Feuerwehrschlauch --9-kann mit Druckluft oder Wasser unter einen bestimmten Druck gesetzt werden, der über den Stempel --8--, die Schüttung --7-- und die Kupferschiene --6-- gleichmässig auf die Nahtwurzel übertragen wird.
Die Kupferschiene --6-- besitzt eine Längsnut deren Verhältnis von Breite zu Tiefe 5 : 1 bis 12 : 1 beträgt. Die im dargestellten Beispiel als Kupferschiene ausgebildete temperaturunempfindliche Schicht kann auch aus einem andern Material bestehen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine elastische Gewebeschicht aus ohne Gasbildung schmelzenden Glasfasern oder einem andern Mineralfaserstoff erwiesen. Auch Schichten aus Schweisspulver, Schamottepulver oder Porzellansand sind brauchbar.
Die temperaturunempfindliche Schicht, im Falle des abgebildeten Ausführungsbeispieles, also die Kupferschiene --6-- schliesst die Stossfuge unten dicht ab. Dieser für das erfindungsgemässe Verfahren wichtige Abschluss wird dadurch gesichert, dass der durch den Feuerwehrschlauch --9-- erzeugte Druck gleichmässig auf die temperaturunempfindliche Schicht übertragen wird. Es ist hiebei äusserst wichtig, dass der Abschluss der Stossfuge --3-- über deren ganze Länge und an ihren beiden Seiten gleichmässig erfolgt.
Für diese Gleichmässigkeit des Anpressdruckes sorgt die Schüttung --7--, die sich in der erfindungsgemässen Anpressvorrichtung unterhalb der temperaturunempfindlichen Schicht befindet. Die Schüttung - besteht aus trockenem Schweisssand oder Schweisspulver. Die Übertragung des Druckes vom Feuerwehrschlauch --9-- auf die Schüttung --7-- erfolgt über einen Stempel-8-. Dieser Stempel--8- besteht aus einer sich in Richtung der Stossfuge erstreckenden Reihe von Holzklötzchen, die. neben ihrer Aufgabe der Druckübertragung, zusammen mit der Schüttung --7-- dem Wärmeschutz für den Feuer-
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wehrschlauch --9-- dienen.
Der Vorteil einer Anpressvorrichtung mit elastischer temperaturunempfindlicher Schicht liegt in der besonders guten Anschmiegsamkeit einer solchen Unterlage an die Unterseite der Stossfuge --3 --. Es hat sich gezeigt, dass besonders gute und fehlerfreie Unterraupen erzielt werden können, wenn der Druck auf die temperaturunempfindliche Schicht, sofern diese elastisch ist, gemessen als Druck im Feuer -
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am günstigsten erwiesen.
An den beiden Längsseiten des Gehäuses --5-- der Anpressvorrichtung sind Magnetbänder --10-- an-
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vorzugsweise Elektromagnete sind, sind so angeordnet, dass ihre Kraftlinien in sich geschlossen sind und keine Magnetfelder quer zur Stossfuge auftreten. Sie müssen so weit von der Schweissstelle entfernt sein, dass der Lichtbogen nicht magnetisch beeinflusst wird. Es hat sich gezeigt, dass ein Abstand der Magnet- bänder --10-- von der Stossfuge --3-- von 50 bis 100 mm ausreicht, um dieser Forderung zugenü- gen.
Bei einem erfolgreich durchgeführten Beispiel einer Schweissung an Schiffsblechen von 2 cm Dikke wurde in eine V-förmige Stossfuge --3-- mit einem Öffnungswinkel von 500 Stahlgranulat in einer Höhe von 0,8 cm eingebracht. Die mittlere Spaltbreite betrug 0, 5 cm, die eingestellte Schweissgeschwindigkeit des Schweisskopfes 30 cm/min. Das Stahlgranulat hatte ein Schüttgewicht von 4, 8 g/cm3.
Die Abschmelzleistung der Elektrode betrug 0, 2 g/min und Ampère. Aus diesen Angaben kann die notwendige Schweissstromstärke in Ampère durch folgende empirische Gleichung ermittelt werden :
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Hiebei haben die einzelnen Buchstaben folgende Bedeutung : b mittlere Spaltbreite in cm f Schütthöhe des Stahlgranulats in cm a Öffnungswinkel des V-stosses v Schweissgeschwindigkeit in cm/min s Schüttgewicht des Stahlgranulats in g/cm3
L Abschmelzleistung in g/min x A
Der Faktor I, 25 ist derjenige Faktor, mit dem die Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit eingebrachten Stahlgranulats multipliziert werden muss, um die pro Zeiteinheit abschmelzende Gewichtsmenge des Elektrodendrahtes zu erhalten.
Dieser Faktor kann bei der Verwendung einer temperaturunempfindlichen Schicht aus einem mineralischen Gewebe kleiner, d. h. bei ungefähr l, l gewählt werden. Beim durchgeführten Beispiel, bei dem eine Kupferschiene verwendet wurde, ergibt sich aus der obigen Gleichung und den genannten Zahlenwerten eine Schweissstromstärke von ungefähr 650 A. Die Durchführung der Schweissung mit dieser Stromstärke ergab eine Schweissnaht mit überdurchschnittlicher Qualität über ihre ganze Länge.
Bei besonders dicken Blechen hat es sich als günstig erwiesen, die Schweissung in zwei oder mehr Arbeitsgängen durchzuführen, da bei einem einzigen Arbeitsgang extrem grosse Stromstärken notwen- dig wären und diese die Gefahr einer ungleichmässigen Ausbildung der Schweisswurzel mit sich bringen.
Eine oder mehrereFüllagen können jedoch ohne Schwierigkeiten eingebracht werden, wenn die Wurzelnaht bereits nach dem erfindungsgemässen Verfahren zuverlässig geschweisst ist.
Das erfindungsgemässe Schweissverfahren eignet sich besonders für Schweissarbeiten an extrem gro- ssen Werkstücken, wie sie beispielsweise im Schiffsbau vorkommen. Auch sehr lange Schweissnähte können mit diesem Verfahren kontinuierlich von einer Seite her zuverlässig geschweisst werden.
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