Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen von Gegenständen aus Metall Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweissen von Gegenständen aus Metall. Insbesondere bezieht sie sich auf ein automati sches Verfahren zum Schweissen dicker Platten, die durch eine sehr schamle oder enge Fuge voneinander getrennt sind. In seiner Gesamtheit ist das Verfahren auf alle dicken Platten anwendbar, sowohl für Normal- schweissung, als auch out-of-position -Schweissung. Das Verfahren kann beispielsweise Anwendung bei Stumpfstossverbindungen oder T-Stücken, an flachen oder gebogenen Platten in allen Schweisstellungen fin den.
Im Hinblick auf die Vorrichtung bezieht sich die Erfindung auf ein Gerät, das tief in enge Spalt- oder Fugenöffnungen von dicken Platten eingesetzt werden und eine vergleichsweise kontinuierliche, voll- oder halbautomatische Schweissung durchführen kann.
Bisher wurden dicke Platten mit einer abgeschrägten oder U-förmigen Fugenausbildung von einer oder von beiden Seiten geschweisst. Diese Fugenausbildungen weisen einen Winkel von 30 bis 60 einschliessende Abschrängungen auf. Bei diesen Fugenausbildungen oder Abänderungen davon ist die Querschnittsfläche der unverschweissten Fuge vergleichsweise gross und folglich auch der Betrag des Erforderlichen Schweissmetalls, das zum Ausfüllen der Fuge oder des Spaltes und zum Erzeugen einer befriedigenden Schweissung erforderlich ist. So ist beispielsweise die Öffnung an der Oberkante der Fuge bei einer etwa 50 mm dicken Platte etwa 25 mm breit. Bei dickeren Platten würde diese Öffnung noch grösser.
Die Schweisskosten sind bei diesen Fugen wegen der grossen Menge des erforderlichen Schweiss- metalls zum Ausfüllen der Fuge und wegen des sehr grossen Zeitaufwandes zum Ausführen der Arbeit sehr hoch.
Zusätzlich zu diesen Kosten tritt bei herkömmlichen Schweissungen eine erhebliche Verformung auf, da die Verformung von Schweissfugen von der Menge des angelagerten Schweissmetalls abhängt. Die bei einer Schweissung auftretende Schrumpfung bestimmt die durch die Schweissung erzeugte Verformung; ebenfalls wächst die durch verbliebene Spannungen eingeführte totale elastische Belastungsenergie mit der Menge des Schweissmetalls. Deshalb lässt bei herkömmmlichen Fu genausbildungen und Schweissverfahren die grosse Men ge von Schweissmetall, von Verformung und elastischer Belastungsenergie die Tendenz des Schweissmetalls zu reissen und die Neigung der Schweissung zu Sprödbruch anwachsen.
Derzeit werden automatische Lichtbogenschweiss- verfahren angewendet, um an dicken Platten Schweis- sungen hoher Qualität in normalen und vertikalen Stellungen durchzuführen. Diese Verfahren können je doch nicht herangezogen werden, um Schweissungen hoher Qualität in Überkopf-Stellungen zu erzeugen. Gebilde aus dicken Platten werden bisher in Normalstel lung unter Verwendung automatischer Lichtbogen- schweissung und Fugenausbildungen mit breiten Spalten hergestellt. Automatische Schweissverfahren für Normal stellungen machen Gebrauch von Unterpulver- und inertgasgeschützten Lichtbogenverfahren.
Die meisten Verbindungen in anormaler Lage an dicken Platten werden manuell oder halbautomatisch geschweisst.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass die Gegenstände unter Bildung eines engen Spaltes aneinandergelegt werden, dass mindestens eine Elektrode im engen Spalt angeordnet wird, dass die Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens und Anlage rung von geschmolzenem Metall im Spalt mit einer Stromquelle verbunden wird und dass die Stellung der Elektrode während ihrer Bewegung im Spalt zur Anlage rung von geschmolzenem Metall bezüglich der Seitenflä chen des Spaltes automatisch gesteuert wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wagen und dem Schweisskopf in Paralle- logrammgestell zur vertikalen und horizontalen Bewe- gung des Schweisskopfes bezüglich des Wagens vorgese hen ist, dass zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Elektroden-Arbeitsabstandes Führungsmittel im engen Spalt angeordnet sind und weiterhin Fühleinrichtungen zur Abtastung von Veränderungen der Seitenflächen des engen Spaltes, so dass die Elektroden in einem bestimm ten seitlichen Abstand zu den Seitenflächen angeordnet sind.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschrei bung mehrere, bevorzugte Ausführungsbeispiele sowie anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 den Vergleich zwischen einer Schweissfuge gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren (in ausgezo genen Linien) und einer herkömmlichen, abgeschrägten Füge. (gestrichelt); Fig. 2, 3, 4 und 5 Beispiele von Fugen-Ausbildungen für das Schweissen enger Spalte, wobei die einzelnen Figuren folgendes zeigen:
Fig. 2 eine Stumpfstossverbindung mit einer engen Wurzelöffnung und einer Stützstrebe, die auch eine Verzehr-Stützstrebe sein kann, Fig. 3 eine gleichartige Fuge wie Fig. 2, mit der Ausnahme, dass die Fugenkanten- leicht abgeschrägt sind; Fig. 4 eine Doppel-U-Fuge; Fig. 5 eine Fugenausbildung mit engem Spalt zum Schweissen von T-Teilen oder Aussteifungen; Fig. 6 das Schweissen einer Stumpfstossverbindung nach einem Verfahren mit einer Verzehr-Elektrode unter Inertschutzgas; Fig. 7 einen späteren Zeitpunkt des in Fig. 6 dargestellten Verfahrens sowie die Stellung des Füll- Drahtes (Elektrode), des Kontaktrohres und der Schutz haube, nachdem die letzte Schweisslage aufgetragen wurde;
Fig. 8 das Schweissen einer Stumpfstossverbindung von einer Seite nach dem Wolfram-Lichtbogenverfahren unter Verwendung eines kalten Fülldrahtes (bei dieser Anordnung ist eine Wolframelektrode mit einem ge trennten Fülldraht vorgesehen); Fig. 9 einen Schnitt nach Linie 9-9 der Fig. 8; Fig. 10 Schutzhauben oder -rohre, die längs der Kontaktrohre in die Fuge eingesetzt sind; Fig. 11: einen Schnitt nach Linie 11-11 der Fig.
10; Fig. 12 eine Draufsicht auf Schutzhauben oder -rohre, die längs der Kontaktrohre in die Fuge eingesetzt sind (diese Schutzvorrichtung ist so ausgebildet, dass eine Abdeckung die Schweissfläche abschirmt und ein positiver Druck aufrechterhalten wird); Fig. 13 eine Seitenansicht des Gegenstandes der Fig. 12; Fig. 14 einen Schnitt nach Linie 14-14 der Fig.
13; Fig. 15 eine Draufsicht auf eine Mehrdrahtschweiss- vorrichtung zur Darstellung der Lage von Fülldraht (Elektrode), Kontaktrohr usw. in Bezug auf die Fuge; Fig. 16 einen Schnitt nach Linie 16-16 der Fig. 15 zur Darstellung der Wirkungsweise und der Folge der Schweisslagen; Fig. 17 einen Schnitt nach Linie 17=17 der Fig. 15 zur Darstellung der Lage eines Kontaktrohres, welches sich im Bereich einer Fugenkante befindet; Fig. 18 einen Schnitt nach Linie 18-18 der Fig. 15 zur Darstellung eines weiteren Kontaktrohres, das sich an der gegenüberliegenden Kante der Fuge befindet;
Fig. 19 eine Draufsicht auf einen einzelnen Schweiss- draht, zur Darstellung des Weges der in der Fuge hin und herbewegten Elektrode; Fig. 20 eine schaubildliche Darstellung einer Vor richtung zur Aufrechterhaltung eines Abstandes zwi schen der Elektrode und den Seitenflächen der Fuge; Fig. 21 einen Schnitt durch eine Fuge zur Darstel lung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Anordnung der Elektrode mit Abstand zu den Seitenflächen der Fugen und Fig. 22 eine grafische Darstellung zum Vergleich des Verbrauchs von Schweissmaterial bei verschiedenen her kömmlichen Fugen und bei dem erfindungsgemässen Verfahren.
In der Zeichnung sind bei allen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen, und diese gleich bezeichneten Teile sind im wesentlichen nach Aufbau, Funktion und Wirkungsweise gleich. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Teile, ihre Beziehungen untereinander und ihre Funktion nur in Verbindung mit einem einzigen Ausführungsbeispiel beschrieben; diese Beschreibung trifft auf alle Ausfüh rungsbeispiele zu, in denen diese Teile vorgesehen sind. -.
Gemäss Fig. 1 ergibt ein Vergleich, der mit durchge zogenen gegenüber der mit gestrichelten Linien darge stellten Fuge, dass bei vergleichbaren Fugen viel mehr Schweissmaterial zum Ausfüllen des Raums einer Fuge (gestrichelte Linien) als zum Ausfüllen des Raums einer Fuge gemäss der Erfindung (durchgezogene Linien) erforderlich ist. Ein anderer wichtiger Unterschied in der Vorbereitung der Fugen besteht darin, dass die verein fachte Fuge mit engem Spalt viel leichter zu präparie ren ist, da die Seiten des Spaltes oder der Fuge nicht zwangsläufig unter einem bestimmten Winkel bezüglich der Oberfläche der zu schweissenden Platten gehalten werden müssen.
Mit anderen Worten; es sind grössere Toleranzen möglich, so dass vereinfachte Trennverfah ren angewendet werden können, wobei aufwendige Schleifbehandlungen od. dgl. vermieden werden.
Fig. 2 zeigt die zum Schweissen angeordnete Stumpf stossverbindung gemäss Fig. 1. Zwei Platten 21 sind fluchtend angeordnet, um einen engen Spalt 22 mit Seitenflächen 23 zu bilden. Ein Kontaktrohr 25 ist im Spalt 22 derart vorgesehen, dass die Elektrode 29 eine Stützstrebe 41 erreicht.
In Fig. 3 ist eine abgeänderte Stumpfstossverbindung dargestellt, wobei die beiden Platten 21 fluchtend ange ordnet sind, um den engen Spalt 22 mit den Seitenflä chen 23 zu bilden. Sofern es erwünscht ist, kann die offene Seite der Fuge Seitenflächen aufweisen, die unter einem leicht abgeschrägten Winkel angeschnitten sind, wie dies Fig. 3 zeigt. Die Seite 23 der Fuge müssen nicht gerade sein. Die Stützstrebe 41 ist an den Platten 21 angeordnet, um eine Seite oder Öffnung des engen Spaltes zu schliessen.
Fig. 4 zeigt eine Fuge in Form einer Doppel-U. Die Platten 21 sind fluchtend angeordnet, um die Seitenflä chen 23. eines 1-Stosses zu bilden; jedoch ist in der Mitte des engen Spaltes 22 ein Steg 24 verblieben. Die Seitenflächen 23 des engen Spaltes können im Bedarfs fall abgeschrägt sein. Der Steg 24 nimmt in etwa die gleichen Aufgaben wahr, wie die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Stützstrebe 41.
Fig. 5 zeigt eine einen engen Spalt bildende Fuge, wobei die Platten 21 als T-Verbindung angeordnet sind. Ein verzehrbarer Abstandhalter 41' ist zwischen den Platten 21 angeordnet, um die Seitenflächen 23 des engen Spaltes 22 getrennt zu halten.
Es werden Engspaltschweissungen an Fugenformen gemäss den Fig. 1, 2, 3, 4 und 5 und Abwandlungen davon vorgenommen. Die Schweissungen können ausge führt werden mit dem Verfahren unter Verwendung von inertgasgeschützten Verzehrelektroden (Fig 6) oder nach dem Wolfram-Lichtbogenverfahren (Fig. 8). In beiden Fällen sind die Arbeitsweisen gleich. Fig. 2 und 3 sind Beispiele von Fugenformen, die benutzt werden, wenn von einer Seite der Fuge geschweist werden muss, Fig. 4 und 5 sind Fugenformen, die dann benutzt werden, wenn die Schweissung von beiden Seiten der Fuge ausgeführt werden kann. In Fig. 4 sind die Seitenflächen gerade, d. h. rechtwinklig zur Oberfläche der Platten 21, können jedoch abgeschrägt sein. Bei dieser Fuge oder Verbin dungsstelle ist ein Steg angearbeitet.
In Fig. 5 ist der die beiden zu verschweissenden Teile trennende Absatz ein Verzehrsteg. Die am einfachsten vorzubereitende Fuge ist eine Fuge mit geraden, etwa parallelen Seitenflächen, gemäss den Beispielen nach Fig. 2 und 5. Nach herkömmlichen Verfahren sind diese Fugen oder Ver bindungsstellen, wenn überhaupt, sehr schwierig zu schweissen; nach dem erfindungsgemässen Verfahren können sie jedoch mit Leichtigkeit geschweisst werden. Gemäss Fig. 6 fluchten die beiden Platten 21 und bilden einen engen Spalt mit den Seitenflächen 23. Zum Aufbringen der ersten Schweisslage wird das Kontakt rohr 25 tief im engen Spalt angeordnet.
Das Kontaktrohr 25 weist geringeren Durchmesser als herkömmliche Kontaktrohre auf. Der Durchmesser des Kontaktrohres 25 ändert sich mit der Spaltöffnung und der Stärke des verwendeten Schweissdrahtes. Bei spielsweise wird für einen Spalt mit etwa 6,3 mm Breite ein Kontaktrohr mit etwa 3,2 mm Durchmesser und einem Füll-Draht-Durchmesser von etwa 0,9 mm bis 1,6 mm verwendet. Bei einem 3,2 mm breiten Spalt wird ein Draht mit 0,25 mm Durchmesser und ein Kontakt rohr mit etwa 1,5 mm Durchmesser vorgesehen werden. Das Kontaktrohr 25 wird so verwendet, wie es ursprüng lich hergestellt wurde, oder wird mit Porzellanemail oder Keramik 27 beschichtet. Die Schicht 27 verhindert einen Kurzschluss zwischen dem Kontaktrohr 25 und den Seitenflächen 23-23 in den Öffnungen sehr enger Spalte.
Der Fülldraht oder die Elektrode 29 ist zentrisch in dem Kontaktrohr 25 angeordnet.
Das Schutzgas wird durch das konzentrische, tele skopische Schutzgasrohr 31 zugeführt, welches oberhalb der Verbindungsstelle für jede Schweisslage angeordnet ist. Das Schutzgas, das mittels der Pfeile 35 angedeutet ist, fliesst nach unten in die Fuge und schützt den Lichtbogen und das geschmolzene Schweissmetall wäh rend des Schweissens.
Nachdem das Kontaktrohr 25 und die Elektrode 29 in die Fuge eingesetzt sind, fliesst das Schutzgas (Pfeile 35) durch die Haube 33, und eine elektrische Schweiss- stromquelle 37 wird angeschlossen. Die erste Schweissla- ge 39a wird hergestellt. Das geschmolzene Schweissme- tall schmilzt an der Stützstrebe 41 und an den Seitenflä chen 23 auf. Eine Handhabung der Elektrode 29 ist nicht erforderlich (sie kann jedoch gemäss Fig. 19 in einer etwas breiteren Fuge oszillierend bewegt werden, sofern dies angezeigt erscheint), und der Schweissprozess wird nun ein eine Angelegenheit des Führens des Kontaktrohres 25 und der Elektrode 29 längs der engen Wurzelöffnung.
Die Elektrode 29 ist auf eine Spule 43 aufgewickelt und wird kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit über das Antriebsystem 45 zugeführt. Ist die Elektrode 29 sachgemäss angeordnet, so wird sie automatisch längs des engen Spaltes mit einer gesteuer ten Geschwindigkeit geführt. Wenn die erste Lage aufgebracht ist, wird der Rest der Lagen nacheinander und auf einander aufgetragen, bis die Fuge gefüllt ist und die Lage 39 m gemäss Fig. 7 angeordnet ist.
In den Fig. 8 und 9 ist ein Ausführungsbeispiel für die Schweissung eines engen Spaltes unter Verwendung einer Wolframelektrode dargestellt. Die beiden Platten 21 sind fluchtend angeordnet, um einen engen Spalt 22 mit den Seitenflächen 23 zu bilden. Eine Stützstrebe 41 ist längs der einen Seite des Spaltes 22 angeordnet. Eine langgestreckte Wolframelektrode 51 mit einem Isolierbe- lag 53 ist vorgesehen, um einen Lichtbogen auf der Seite des Spaltes 22 zu bilden, der mittels der Stützstrebe 41 verschlossen ist. Das Schutzgas wird jeder Schweisslage durch teleskopisches, konzentrisches Schutzgasrohr 31 zugeführt, welches oberhalb der Fuge angeordnet ist.
Das durch die Pfeile 35 bezeichnete Schutzgas fliesst nach unten in die Fuge und schützt den Lichtbogen und das geschmolzene Schweissmetall während des Schweis- sens.
Der Fülldraht 55 läuft durch ein Fülldraht-Füh- rungsrohr 57, welches in dem Spalt 22 angeordnet ist und den Fülldraht 55 direkt in einen Lichtbogen 61 führt. Das Fülldraht-Fhrungsrohr kann eine Schutz schicht 29 aufweisen. Der Fülldraht 55 ist auf einer Spule 63 aufgewickelt und wird kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit über ein Antriebsystem 65 zugeführt. Die Wolframelektrode ist mit einer elektri schen Stromquelle 67 verbunden. Die erste Schweisslage 39a wird erzeugt und verschmilzt mit der Stützstrebe 41 und den Seitenflächen 23.
Nachdem die erste Schweiss- lage fertiggestellt ist, wird nach einander und auf einander der Rest der Schweisslagen erzeugt, bis die Fuge gefüllt ist.
In den Fig. 10 und 11 sind zwei Platten 21 gezeigt, die fluchten, um den engen Spalt 22 mit den Seitenwän den 23 zu bilden. Der Hauptsächliche Unterschied gegenüber den oben erläuterten Beispielen besteht in der Konstruktion zur Aufbringung des Schutzgases. Die durch die Pfeile 35 angezeigte Strömung des Schutzgases wird dem Schweissbereich mit Schutzrohren 69 zuge führt, die in den Spalt 22 eingesetzt sind. Diese Kon struktion gibt das Schutzgas sehr nahe am Schweissbe- reich ab.
Eine andere Vorrichtung zur Abgabe von Schutzgas in sehr geringer Entfernung vom Schweissbereich ist in den Fig. 12, 13 und 14 gezeigt. Das Schutzgas wird durch Rohre 71 einer Platte 73 zugeführt, die parallel zur Richtung der Schweissbewegung angeordnet sind. Die Platte 73 bewegt sich mit dem Kontaktohr 25 und dient als Schild, um das Schutzgas im Schweissbereich zu halten. Zwei andere Schilde 75 und 77 sind so angeord net, dass sie dem Schweissbogen vorangehen bzw. folgen. Die drei Schilde 73, 75 und 77 bilden somit ein Gehäuse um das Schutzgas im Schweissbereich zu halten.
Die Fia. 15, 16, 17 und 18 zeigen mehrere in einer Engspalt-Fuge angeordneten Elektroden oder Schweiss- drähte. Jedes Kontaktrohr 81, 82, 83 und 84 mit den Elektroden 85, 86, 87 und 88 ist mit einer keramischen, isolierenden Schicht 27 beschichtet, um einen Kurz- schluss in Richtung auf die Seitenflächen 23 zu verhin dern. Die Kontaktrohre 81 bis 84 können auf einem ein zigen Träger oder auf voneinander getrennten Trägern vorgesehen sein. Die Kontaktrohre 81 bis 84 sind derart in dem engen Spalt 22 angeordnet, dass eine Elektrode der anderen vorangeht.
Die Anordnung der Elektroden 29 ist abhängig von der Spaltöffnung, der Schweisslage, dem Material od. dgl. Zum Schweissen von Stahl mit einer Wurzelöffnung zwischen etwa 6,3 mm und etwa 12,7 mm in allen Schweisstellungen werden die Kontakt rohre etwa 1,6 mm von jeder Seitenfläche und etwa 25,4 mm von einander entfernt angeordnet sein, oder es werden eine oder mehrere der Elektroden automatisch ganz oder teilweise über die Fuge bewegt, wie dies in Fig. 19 gezeigt ist. Selbstverständlich sind auch andere Entfernungen anwendbar. Abänderungen der Abstände sind abhängig von der Wurzelöffnung, der Drahtgrösse, dem Material usw.
Fig. 15 erläutert die lagemässige Beziehung der Kontaktrohre 81 bis 84 in Bezug auf die Seitenflächen 23 und untereinander. Aus Fig. 16 ist zu entnehmen, dass die Elektroden 85 bis 88 aufeinander folgen, wobei die Elektrode 85 eine erste Schweissraupe 39a, die Elektrode 86 eine zweite Schweissraupe 39b usw. er zeugt, so dass durch einen Arbeitsgang der Vorrichtung unter Verwendung mehrerer Elektroden mehrere Schweisslagen erhalten werden.
Fig. 17 und 18 sind Schnitte durch die Fig. 15 zur Darstellung der lagemässigen Beziehungen der Kontakt rohre innerhalb- des engen Spaltes 22, bei Verwendung einer Vorrichtung mit mehreren Elektroden.
Bei Verwendung von zwei Elektroden können diese mit einer einzigen Stromquelle verbunden werden, oder es kann jede Elektrode an eine separate Stromquelle angeschlossen werden. Im folgenden sind einige typische Schweissbedingungen angegeben, die beim Schweissen gemäss der Erfindung mit einer einzigen Stromquelle vorliegen: 1. Schweissdrahtdurchmesser etwa 0,9 mm, 2. das Schutzgasgemisch hängt ab von dem zu schweissenden Material, 3. freie Länge des Schweissdrahtes etwa 12,7 mm 4. Lichtbogenspannung 25 V 5. Ampèrezahl 380 und 6. Arbeitsgeschwindigkeit 1016 mm/min.
Diese Bedingungen sind in weiten Bereichen ge bräuchlich und hängen ab von der Schweisstellung und von der Art des Materials. Wenn beide Elektroden von einer einzigen Stromquelle versorgt werden und der Lichtbogen alternativ an den Elektroden hervorgerufen wird, liegt an dem einen Elektroden-Lichtbogen die maximale Spannung, während die andere Spannung 0 beträgt. Der An-Aus-Zeit einer jeden Elektrode folgt ein Verlauf, der von der verwendeten Schutzgasmi schung abhängig ist. Wenn beispielsweise eine Schutz gasmischung mit 80 0/o Argon und 20 0/o Kohlendioxyd verwendet wird, beträgt die Lichtbogenzeit etwa 0,04 sec für jede Elektrode. Wenn das Schutzgas aus 60 0/0 Helium und 40 0/o Argon besteht, beträgt die Lichtbo genzeit für jede Elektrode etwa 0,01 Sec.
Eine der Schwierigkeit bei der out-of-position -Schweissung be steht in der Überwindung der Graviationskräfte des geschmolzenen Metalls oder der Schweisse. Bei intermit tierendem Lichtbogen hat die Schweisse während der Aus-Zeit Gelegenheit, sich zu verfestigen. Auf diese Weise kann sie leichter gesteuert werden.
Es kann auch jede Elektrode mit einer Stroquelle verbunden werden. Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass die Spannung und Stromstärke jedes Schweissdrahtes gesteuert werden kann. Die folgenden typischen Bedingungen gelten für Stahl unter Anwen dung dieses Verfahrens: 1. Schutzgasmischung 80 0/o Argon und 20 0/o Koh lendioxyd, 2. Arbeitsgeschwindigkeit 890 mm/min, 3. freie Länge des Schweissdrahtes etwa 12,7 mm, 4. Lichtbogenspannung (Führungsdraht) 26 V, 5. Lichtbogenspannung (Folgedraht) 25 V, 6. Ampèrezahl (Führungsdraht) 230 und 7. Ampèrezahl (Folgedraht) 190.
In Abhängigkeit von der Schweisstellung und dem zu schweissenden Material können diese Bedingungen in einem weiten Toleranzbereich angewendet werden.
In Fig. 19 ist ein Verfahren zum Schweissen eines engen Spaltes mit einer einzigen Elektrode dargestellt, wobei es üblich ist, zwei Elektroden zu verwenden oder längs jeder Seite der Fuge eine Schweisslage anzubrin gen. Zwei Platten 21 sind fluchtend angeordnet, um einen engen Spalt 22 mit den Seitenflächen 23 zu bilden. Das Kontaktrohr 15 ist mit der Elektrode 29 im Bereich einer Seitenfläche der Fuge oder Verbindungsstelle angeordnet. Wenn der Lichtbogen gebildet ist und das Schweissen beginnt, wird das Kontaktrohr, wenn es sich längs des Spaltes 22 bewegt derart hin- und herbewegt, dass die Elektrode dem durch den Pfeil 91 bezeichneten Weg folgt.
Selbstverständlich ist dieses Verfahren langsa mer als ein solches unter Verwendung von zwei Elektro den, jedoch in einigen Fällen wünschenswert.
Fig. 20 zeigt einen schwimmend gelagerten Schweiss- kopf, der zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besonders zweckmässig ist. Der Schweisskopf 101 weist eine Platte 103 auf, die an der Platte 104 eines Parallelogrammgestells 105 angeordnet ist, dass einer seits eine zweite Platte 107 mit einer an einem nicht dargestellten Wagen anschliessbaren Stege 109 aufweist. Auf dem Wagen sind die Schweissspulen angeordnet; er bewegt den Schweisskopf längs der Fuge, respektive des Spaltes.
Das Parallelogrammgestell 105 weist vier Streben 111 auf, die zwischen den Platten 104 und 107 angeordnet sind; sie weisen an jedem Ende Gelenke 113 auf, um den Platten 104 und 107 eine Horizontalbewe gung gegeneinander zu ermöglichen, sowie Gelenke 115, um den Platten 104 und 107 eine Vertikalbewegung gegeneinander zu gestatten. Infolge dessen kann sich der Schweisskopf 101 in einer zur Platte 107 parallelen Ebene horizontal oder vertikal bewegen.
Der Schweisskopf 101 ist weiterhin mit einem an der Platte 103 angeordneten Rahmen 117 versehen. Die Schweissdrähte 121 und das Schutzgasrohr 123 erstrek- ken sich durch einen Behälter 125, der an den Rahmen 117 angefügt ist. Der Behälter 125 trägt weiterhin im Spalt 22 angeordnete Kontaktrohre 127. Weiterhin sind am Rahmen eine vordere Führung 129 und eine hintere Führung 131 vorgesehen, die in dem Spalt 122 angeord net sind, um am Boden der Frage entlangzustreichen und den Arbeitsabstand des Kontaktrohres aufrechtzuer halten.
Die Führungen 129 und 131 sind jeweils in einem Behälter 133 vorgesehen und jeweils mittels einer Stellschraube 135 verstellbar.
Ein Schutzgasbehälter 137 ist mit dem Schweisskopf 101 bewegbar, so dass der Behälter immer auf der Oberfläche der Platten 21 entlanggleitet. der Schutzgas behälter 137 ist auf einer am Rhmen 117 befestigten Stange 139 verschiebbar über flexible Rohre 141 mit den Behältern 125, 133 in Verbindung. Auch ist eine flexible Abdeckung 143 rings um das offene Ende des Behälters 137 vorgesehen. Die vorstehend beschriebene Anordnung von Schutzgasbehälter 137, Führungen 129 und 131 und Kontaktrohr 127 sieht drei Schutzgaskam mern in der Fuge vor.
Eine erste Kammer befindet sich zwischen der Führung 129 und dem nächstliegenden Kontaktrohr 127; eine zweite Kammer zwischen den Kontaktrohren 127; und eine dritte Kammer zwischen der Führung 131 und dem nächstliegenden Kontaktrohr 127. Auf diese Weise ist der gesamte Schweissbereich von einer sich bewegenden, geschlossenen Gaskammer abgedeckt.
Der Schweisskopf 101 ist mittels einer Stange 145 neben der Fuge angeordnet, wobei die Stange als Führung für eine Rolle 147 dient. Die Stange 145 ist parallel zur Fuge oder Verbindungsstelle angeordnet und auf einer der Platten aufgespannt. Die Rolle 147 ist drehbar an einer Stange 149 angeordnet.
Die Stange 149 ist an einem Träger 151 befestigt, der seinerseits verschiebbar an der Platte 103 angeordnet ist und gegenüber dieser Platte mittels einer Stellschrau be 119 verstellbar ist. Das Parallelogrammgestell 105 ist mittels einer Feder 153 vorgespannt, um die Rolle 147 gegen die Führungsstange 145 zu drücken.
Der Schweisskopf 101 wird mittels eines ficht darge stellten, an der Platte 107 angeordneten Wagens bewegt und mittels der Rolle 147 und der Führungsstange 145 sowie den Führungen 129 und 131 durch den Spalt 22 geführt. Wenn die Vorrichtung für Überkopf-Schweis- sungen verwendet wird, wird der Schweisskopf 101 mittels nicht dargestellter Gegengewichte gegen den Boden der Fuge vorgespannt, die so bemessen sind, dass die Führungen 129 und 131 mit einem angemesse nen Druck auf dem Boden der Fuge aufliegen.
Aus serdem ist es möglich, den Schweisskopf 101 so auszubilden, dass jedes Kontaktrohr 127 geson dert befestigt und mit einer gesonderten Rolle 147 und Führungsstange 145 versehen ist, so dass jedes Kontaktrohr von einer gesonderten Spur oder Stange 145 geführt wird, die entsprechend einer Seiten fläche 23 der Fuge angeordnet ist. In Fig. 21 ist eine weitere Möglichkeit gezeigt, wie die Kontaktrohre bezüg lich der Seitenflächen 23 der Fuge geführt werden können. Die Kontaktrohre 127, 127' sind hängend an gesonderten Trägern 155 und 157 angeordnet. Der Träger 155 ist mit einer Feder 159 oder dergleichen versehen, die das Kontaktrohr 127 gegen die Seitenflä che 23 vorspannt.
Das Kontaktrohr<B>127</B> weist einen Federclip 161 auf, welcher an der Seitenfläche 23 anliegt und einen konstanten Abstand zwischen Kontaktrohr 127 und Seitenfläche 23 unabhängig von den Unregel- mässigkeiten der Seitenfläche 23 aufrechterhält. Der Träger 157 ist ähnlich mit einer Feder 163 vorgespannt und das Kontaktrohr 127' ist mit einem Federclip 165 zu versehen, um einen konstanten Abstand zwischen Seitenfläche 23' und Kontaktrohr<B>127'</B> aufrechtzuerhal ten.
In Fig. 22 ist ein eine Anzahl von Kurven dargestellt zum Vergleich herkömmlicher Schweissverfahren mit dem Engspalt-Schweissverfahren gemäss der Erfindung als Funktion von angelagertem Schweissmetall zu Plat tendicke. Es sind die Kurven von drei herkömmlichen Fugenformen gezeigt (V-Naht, U-Naht, und J-Naht); es ist zu erkennen, dass der Unterschied des angelagerten oder verbrauchten Schweissmaterials gegenüber dem Engspalt-Schweissverfahren beträchtlich ist. Somit ergibt das Engspalt-Schweissverfahren gemäss der Erfindung eine beträchtliche Ersparnis sowohl an Material als auch an Zeit.
Die Erfindung ist ebenfalls wegen der Zeitersparnis und aus wirtschaftlichen Gründen auf die Flach- oder Normalschweissung von dicken Platten anwendbar. Ein wichtiger Gesichtspunkt besteht darin, dass man bei Verwendung sehr geringer Wärmezufuhr (so niedrig wie 295 Joules pro mm bis etwa 1180 Joules pro mm bei grossen Anlagerungsbeträgen) optimale Schweissverbin- dungseigenschaften von verschiedenen hochfesten, nied riglegierten Stählen (z. B. HY-80 und HY-140 ) erhält, was ein natürliches Charakteristikum des Eng- spalt-Schweissverfahrens ist.
Bei herkömmlichen Verfah ren bewirkt niedrige Wärmezufuhr in Verbindung mit breiten Fugen eine erhebliche Unwirtschaftlichkeit, und die Anforderungen an die Qualität der Schweissverbin- dung werden in der Regel der Zweckmässigkeit und Wirtschaftlichkeit geopfert. Mit einer Verzehr-Elektrode arbeitet das Verfahren gemäss der Erfindung im Bereich der Sprüh-Übertragung, im Gegensatz zu anderen auto matischen oder halbautomatischen gasgeschützten Licht- bogenschweissverfahren, die mit Tropfenübertragung, Badübertragung oder im Kurzschlussbogenbereich arbei ten, um geringere Wärmeübertragung zu erzielen.
Im Spray-Übertragungsbereich wird Metall in kleinen Parti keln durch den Lichtbogen übertragen. Im Bereich der Tropfenübertragung, bei einer Spannung unter 23 Volt, wird das Metall in verhältnismässig grossen Kügelchen übertragen, und bei der Badübertragung oder im Kurz- schlussbogenbereich wird die Elektrode im Schweissme- tallbad periodisch ausgeschaltet, wobei die Spannung augenblicklich auf null zurückgeht.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Bildung eines sehr engen Spaltes und Einsetzen des Schweisskontaktrohres in den sehr engen Spalt und Ausfüllen der Öffnung ein Verfahren zur voll- oder halbautomatischen Schweissung angegeben wird. Ein anderer Vorteil besteht in der Verringerung des erforder lichen Schweissmetalls und der Schweisszeit.
Andere Vorteile sind die enge Schweisszone mit einem engen wärmebehandelten Bereich, die Erzielung guter mecha nischer Eigenschaften durch die geringe Zufuhr von Wärme während der Schweissung und die Anwendbar keit des Verfahrens in allen Stellungen; flach, horizontal (beispielsweise eine horizontale Verbindung in einer vertikalstehenden Platte), vertikal und über Kopf sowie Kombinationen dieser Stellungen.
Ein weiterer Vorteil ist in der Schaffung einer Vorrichtung zu sehen, mit der vergleichsweise dicke Materialien mit einem engen Spalt in sämtlichen Schweisstellungen geschweisst werden können. Ein ande rer Vorteil besteht darin, dass schmale Schweissraupen bei niedriger Temperatur erzeugt werden. Auch weist das Schweissgerät ein Kontaktrohr auf, das innerhalb eines engen Spaltes in unmittelbarer Nähe (etwa 1,6 mm) an den Seitenflächen des Spaltes angeordnet werden kann, ohne einen Kurzschluss oder eine Schweis- sung mit den Seitenwänden zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, das Mittel zur automatischen Anordnung des Kontaktrohres oder der Kontaktrohre mit Abstand zu den Seitenflächen des Spaltes unabhän gig von Unregelmässigkeiten längs des Spaltes vorgese hen sind.
Weitere Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung sind wie folgt; Die Erzeugung von Schweissungen an dicken Platten von etwa 12,7 mm und mehr in allen Stellungen, die Schweissung eines ungewöhnlich engen Spaltes mit einer derart kleinen Fugenöffnung wie etwa 4,5 mm unabhän gig von der Dicke der Platte, die Bildung von Schweis- sungen mit ungewöhnlicher, jedoch sehr wünschenswer ter Schmelzliniengeometrie,
insbesondere bei Mehrlagen- schweissungen dicker Platten (bei dem Verfahren gemäss der Erfindung ist die Schmelzzone vom Boden bis an die Oberfläche der Verbindungsstelle im wesentlichen gera de);
die Erzielung einer wirksamen und wirtschaftlichen Schweissung durch entsprechende Kombinationen verän derlicher Schweissbedingungen (Arbeitsgeschwindigkeit, Schweissdrahtzuführung, Spaltöffnung, Schutzgasmi schung, Spannung und Strom od. dgl.) in einem gut steuerbaren und im wesentlichen automatischen Verfah ren, die Anwendbarkeit eines kontinuierlichen Lichtbo- genschweissens mit einer vergleichsweise geringen Ände rung der Amperezahl während der Herstellung vollstän diger Schweissungen in allen Stellungen, wie dies ge wünscht wird; und die Bildung von Schweissungen mit enorm vorteilhaften mechanischen Eigenschaften.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann bei geraden Flachschweissungen von Stumpfstössen und T- Stücken angewendet werden, d. h. Verbindungstellen oder -nähten an flachen und gebogenen Platten oder Blechen. Flache oder gebogene Platten können in ver schiedenen Stellungen und aus verschiedenen Richtun gen, vertikal, horizontal, über Kopf od. dgl. geschweisst werden. Mit entsprechenden Änderungen, z. B. dem Fachmann geläufigen Schutzgasen, kann das Verfahren auch für Nichteisen-Metalle angewendet werden.
Bei spielsweise werden Argon-Kohledioxyd-Schutzgasmi schungen vorzugsweise bei Stahl und Argon-Helium- Mischungen vorzugsweise für Aluminium und Titan verwendet.
Beim herkömmlichen Schweissen in anormaler Lage, d. h. in anderer Stellung als in Übereinstimmung mit der Fallrichtung, hat das Metall das Bestreben infolge der Schwerkraft aus der Fuge herauszufliessen. Bei dem Verfahren zum Schweissen enger Spalte werden die Parameter der Fuge oder Verbindungsstelle, so gewählt, dass die Schwerkraft teilweise durch die Oberflächen spannungskräfte überwunden wird, die durch die Fugen kanten des engen Spaltes bewirkt werden; zusätzlich wird die Ausdehnung des Schmelzbades klein gehalten, so dass dieses in dem engen Spalt unabhängig von der Lage verbleibt.
Im Vergleich zu dem umgebenden Fugenmetall gestattet die Grösse des Schmelzbartes dem Fugenmetall als grosser Wärmeableiter zu wirken und so schnell die Temperatur des Schweissmetalls zu reduzie ren und eine sehr schnelle Verfestigung des Schmelz bandes zu bewirken.
Das Schweissverfahren gemäss der Erfindung kann in einem weiten Bereich angewendet werden. So können ein oder mehrere Schweissdrähte verwendet werden. Der Gebrauch von mehr als einem Schweissdraht lässt die Anpassungsfähigkeit des Verfahrens anwachsen. Z. B. kann bei Gebrauch von zwei Schweissdrähten die Breite des Spaltes stark variieren, und eine gute Verschmelzung mit den Seitenwänden kann aufrechterhalten werden.
Die Schweissdrähte sind vorzugsweise an gegenüberlie genden Seiten der Längsmittellinie des engen Spaltes angeordnet, wobei ein Schweissdraht mit festem Abstand längs einer Seitenwand und der andere mit festem Abstand längs der gegenüberliegenden Seitenwand ge führt wird. Aufgrund dieser Massnahme kann die Spalt öffnung sich ändern, und die Verschmelzung mit den Seitenwänden wird aufrechterhalten.
Sofern zwei Schweissdrähte verwendet werden, kön nen sie mit einer einzigen Gleichstromquelle verbunden sein, oder jede Elektrode mit einer besonderen Gleich stromquelle in Verbindung stehen. Wenn eine einzige Gleichstromquelle für mehr als einen Schweiss- oder Fülldraht verwendet wird, entsteht abwechselnd an jeder Elektrode ein Lichtbogen. Andere Variationen können zur Anwendung gelangen. Beispielsweise kann ein Schweissdraht mit einer Gleichstromquelle und der andere mit einer Wechselstromquelle verbunden sein. Andererseits können drei oder mehr Füll- oder Schweiss drähte vorgesehen und diese in vielen Kombinationen verbunden sein, z.
B. eine Gleichstromquelle Gleich stromquelle mit zwei Schweissdrähten und eine Gleich stromquelle mit dem anderen Schweissdraht oder eine Wechselstromquelle mit einem Draht und eine Gleich stromquelle mit jedem der anderen Drähte. Die Benut zung von mehreren Schweissdrähten und vielen verschie denen Stromquellen hängt ab von der Anwendungsart, der Schweisstellung, dem Material usw.
Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht in der integrierten Steuerung der variablen Arbeitsgrössen. Die Grenzen und bevorzugten Werte dieser variablen Grössen für die Art und Weise, in der das Verfahren zur Anwendung gelangen kann, ergeben sich aus der folgen den Tabelle.
EMI0006.0038
Variable <SEP> Grössen <SEP> beim <SEP> Schweissen <SEP> enger <SEP> Spalte
<tb> Wurzelöffnung <SEP> Kontaktrohrarbeitsabstand
<tb> mm <SEP> mm
<tb> Max. <SEP> Min. <SEP> vorzugsw. <SEP> Max. <SEP> Min. <SEP> vorzugsw.
<tb> Normal- <SEP> oder <SEP> Fall nahtschweissung, <SEP> 19 <SEP> 3,2 <SEP> 6,4 <SEP> 38 <SEP> 3,2 <SEP> 12,7
<tb> ein <SEP> Schweissdraht
<tb> Normal- <SEP> oder <SEP> Fall nahtschweissung, <SEP> 19 <SEP> 1,6 <SEP> 9,5 <SEP> 38 <SEP> 3,2 <SEP> 12,7
<tb> mehrere <SEP> Schweissdrähte
<tb> Schweissung, <SEP> in <SEP> anormaler <SEP> Lage
<tb> cin <SEP> Schweissdraht <SEP> 19 <SEP> 3,2 <SEP> 6,4 <SEP> 38 <SEP> 3,2 <SEP> 12,7
<tb> Schweissung <SEP> in <SEP> anormaler <SEP> Lage
<tb> mehrere <SEP> Schweissdrähte <SEP> 19 <SEP> 4,8 <SEP> 9,5 <SEP> 38 <SEP> 3,2 <SEP> 12,
7
EMI0007.0000
Variable <SEP> Grössen <SEP> beim <SEP> Schweissen <SEP> enger <SEP> Spalte
<tb> (Fortsetzung)
<tb> Lichtbogenspannung <SEP> Schweissgeschwindigkeit
<tb> mm/min
<tb> Max. <SEP> Min. <SEP> vorzugsw. <SEP> Max. <SEP> Min. <SEP> vorzugsw.
<tb> Normal- <SEP> oder <SEP> Fall nahtschweissung, <SEP> 32 <SEP> 10 <SEP> 26 <SEP> 2540 <SEP> 127 <SEP> 508
<tb> ein <SEP> Schweissdraht
<tb> Normal- <SEP> oder <SEP> Fall nahtschweissung,
<SEP> 32 <SEP> 10 <SEP> 26 <SEP> 2540 <SEP> 127 <SEP> 508
<tb> mehrere <SEP> Schweissdrähte
<tb> Schweissung <SEP> in <SEP> anormaler <SEP> Lage
<tb> ein <SEP> Schweissdraht <SEP> 32 <SEP> 10 <SEP> 26 <SEP> 2540 <SEP> 508 <SEP> 762
<tb> Schweissung <SEP> in <SEP> anormaler <SEP> Lage
<tb> mehrere <SEP> Schweissdrähte <SEP> 32 <SEP> 10 <SEP> 26 <SEP> 2540 <SEP> 636 <SEP> 890 Eine andere wichtige variable Grösse ist die Grösse des Schweissdrahtes. In der Regel wird ein etwas feinerer Drahtdurchmesser für die out-of-position - Schweissung bevorzugt - etwa von 0,9 mm Durchmes ser. Grössere Durchmesser werden für die Normal- schweissung bevorzugt - etwa von 1,6 mm Durchmes ser.
Die Grösse des Drahts hängt jedoch ab von dem zu schweissenden Material und den gewünschten metallur gischen Eigenschaften. (Für maximale Anlagerung wird ein dicker Draht verwendet; jedoch wird sogar bei Normalschweissung für Metalle, die niedrige Schweiss- temperaturen erfordern, ein dünnerer Draht verwendet). Beispielsweise wird bei der out-of-position -Schweis- sung bei Aluminium ein Drahtdurchmesser von 1,1 mm und bei Stahl ein solcher von 0,9 mm bevorzugt. Die Schutzgasmischungen variieren mit dem Material; sie werden in Übereinstimmung ihrer Verträglichkeit mit dem zu schweissenden Metall gewählt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die im vorstehenden beschriebenen und in der Zeichnung wie dergegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind demgegenüber zahlreiche Abänderungen mög lich, ohne dass diese vom Grundgedanken der Erfindung abweichen.