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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterpulver-Schweißen von Nahtfugen an metallenen Werkstücken unter Verwendung einer Mehrelektrodenanordnung mit wenigstens zwei Schweißelektroden als Draht- oder Band- oder Fülldraht-Elektroden, die in einer Schweißrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Schweißelektroden der Mehrelektrodenanordnung gleichzeitig ein gemeinsames Schmelzebad erzeugen, wobei eine Nahtfuge mehrlagig zugesetzt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Unterpulver-Schweißen von Nahtfugen an metallenen Werkstücken, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine Anordnung von Schweißköpfen zur Bereitstellung jeweils einer Draht- oder Band- oder Fülldraht-Elektrode als Mehrelektrodenanordnung zwecks Erzeugung mehrerer Schweißlichtbögen in einem einzigen Schmelzebad in einer einzigen Nahtfuge, wobei die Schweißköpfe jeweils mit einer Schweißstromquelle in elektrischer Wirkverbindung stehen.
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Das Unterpulver-Schweißen ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der Schweißlichtbogen zwischen dem Drahtelektrodenwerkstoff und dem zu schweißenden Werkstück brennt. Die Besonderheit des Verfahrens ist, dass der Schweißlichtbogen durch ein körniges Pulver abgedeckt wird. Als Schweißzusätze dienen üblicherweise Draht- oder Bandelektroden sowie ein Schweißpulver. Die Draht- oder Bandelektroden werden durch ein Vorschubsystem zur Schweißstelle gefördert. Das Schweißpulver gelangt aus einem Vorratsbehälter über einen Schlauch durch Schwerkraft oder durch ein Druckluftfördersystem ebenfalls zur Schweißstelle und deckt dadurch das von dem Schweißlichtbogen erzeugte Schmelzebad gegen schädliche Einflüsse der Atmosphäre ab.
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Das Unterpulver-Schweißverfahren wird üblicherweise sowohl als sogenanntes Eindrahtschweißverfahren als auch als Paralleldrahtschweißverfahren oder Tandemdrahtschweißverfahren durchgeführt. Beim Paralleldrahtschweißen werden zwei oder drei Drahtelektroden mit geringerem Durchmesser anstelle eines Drahtes in einem gemeinsamen Lichtbogen abgeschmolzen. Der Vorteil dieser Verfahrensvariante besteht in einer Erhöhung der Abschmelzleistung, die einhergeht mit einer höheren Schweißgeschwindigkeit. Grundsätzlich sind der Steigerung der Schweißgeschwindigkeit Grenzen gesetzt. Um gleiche Querschnitte durchzuschweißen, müssen dabei die Schweißstromstärken erhöht werden. Je höher die Anzahl der verwendeten Schweißköpfe und damit der erzeugten Lichtbögen in ein einziges Schmelzebad ist, desto stärker beeinflussen sich die Magnetfelder der einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung. Die sogenannte Einbrandtiefe ist nur für den in Schweißrichtung führenden ersten Lichtbogen gegeben, die Wirkungsweise der nacheilenden Lichtbögen wird stark gedämpft. Die Folge ist, dass mit Erhöhung der Anzahl der hintereinander herlaufenden Lichtbögen und der einhergehenden Erhöhung der Gesamtstromstärke sich zwar die Schweißgeschwindigkeit steigern lässt, der aber mit der Stromerhöhung infolge der Geschwindigkeitssteigerung eintretende Einbrandverlust immer weniger ausgeglichen wird. Die Schweißgeschwindigkeit lässt sich daher grundsätzlich nicht linear mit der Anzahl der verwendeten Schweißköpfe steigern. Insbesondere beeinflussen sich die Lichtbögen der einzelnen Schweißköpfe so, dass ab einer bestimmten Anzahl der verwendeten Schweißköpfe auch kein stabiles Schmelzebad mehr erzielbar ist.
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Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung
EP 0 220 561 A1 bekannt. Diese Patentanmeldung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Unterpulver-Schweißen von Nahtfugen an metallischen Werkstücken mittels Mehrelektrodenschweißung, bei welchem zwei oder mehr Elektroden hintereinander angeordnet werden, in deren einzelnen elektrischen Lichtbögen gleichzeitig eine gemeinsame von geschmolzenem Schweißpulver überdecke Schmelzzone gebildet wird. Ziel dieses Verfahrens ist es, eine größere Abschmelzleistung zu erreichen, ohne dadurch die Anzahl der Schweißköpfe erhöhen zu müssen. Dies wird bei dem Verfahren gemäß
EP 0 220 561 A1 dadurch erreicht, dass in der jeweils gewählten Elektrodenanordnung mindestens eine als Bandelektrode ausgebildete Elektrode angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, die ebenfalls hinsichtlich der zu erreichenden Schweißgeschwindigkeit verbessert sind, wobei eine Verbesserung der Schweißgeschwindigkeit im Wesentlichen nicht durch die Erhöhung der Anzahl der Drahtelektroden erreicht werden soll. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
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Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird weiterhin mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterpulver-Schweißen von Nahtfugen an metallenen Werkstücken unter Verwendung einer Mehrelektrodenanordnung mit wenigstens zwei Schweißelektroden als Draht- oder Bandelektroden, die in einer Schweißrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Schweißelektroden der Mehrelektrodenanordnung gleichzeitig ein gemeinsames Schmelzebad erzeugen und das Schmelzebad durch ein Schweißpulver abgedeckt wird, wobei eine Nahtfuge mehrlagig zugesetzt wird, wobei eine erste Lage in einem ersten Schweißvorgang in einer ersten Schweißrichtung und wenigstens eine zweite Lage mit einem zweiten Schweißvorgang in einer zweiten Schweißrichtung erzeugt wird, wobei die erste und die zweite Lage mit derselben Mehrelektrodenanordnung erzeugt werden und wobei die erste und die zweite Schweißrichtung verschieden voneinander sind.
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Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, die Mehrelektrodenanordnung in einer ersten und einer zweiten Schweißrichtung hin und her zu fahren, d.h. die Mehrelektrodenanordnung nach Zusetzen einer ersten Lage relativ zum Werkstück in entgegengesetzte Richtung zu bewegen oder das oder die Werkstücke bezüglich einer feststehenden Mehrelektrodenanordnung hin und her zu bewegen.
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Die betreffende Nahtfuge kann in einem einzigen Werkstück, beispielsweise an einem Rohr, einer Pipeline oder dergleichen vorgesehen sein, die betreffende Nahtfuge kann allerdings auch an zwei stoßweise aneinander gefügten Werkstücken vorgesehen sein.
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Das Verfahren wird zweckmäßigerweise unter Verwendung einer Mehrelektrodenanordnung bzw. einer Vorrichtung zum Schweißen durchgeführt, die keine ausgezeichnete Schweißrichtung aufweist. Das Verfahren umfasst entweder das Führen einer Mehrelektrodenanordnung relativ zu dem oder den Werkstücken oder das Führen der Werkstücke relativ zu der Mehrelektrodenanordnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der sogenannten Mehrlagentechnik ausgeführt. Dadurch ist es möglich, verhältnismäßig wirtschaftlich Nahtfugen von Blechen mit einem höheren Blechdickenbereich wirtschaftlich zuzustellen.
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Die bisher bekannten Vorrichtungen, insbesondere die Schweißköpfe für Mehrelektrodenanordnungen sind für eine ausgezeichnete Schweißrichtung ausgebildet, so dass eine Nahtfuge von einer Position A zu einer Position B mit einer ersten Lage zugesetzt werden muss, danach entweder das Werkstück oder die Elektrodenanordnung wieder umgesetzt werden müssen und die zweite Lage ebenfalls von einer Position A zu einer Position B zugesetzt wird. Das hat einerseits den Nachteil, dass dadurch verhältnismäßig viel Zykluszeit benötigt wird, also insgesamt der Schweißvorgang verlangsamt wird, andererseits hat dies den Nachteil, dass sich hierdurch unerwünschte mehrachsige Spannungszustände aufgrund des unvermeidlichen Schweißverzuges ergeben.
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Dadurch dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, jeweils eine Schweißlage in einer ersten Richtung und eine zweite Schweißlage in einer zweiten Richtung zuzusetzen, wird einerseits die Schweißgeschwindigkeit erhöht, da ein Umsetzen der Elektrodenanordnung des und/oder der Werkstücke nicht erforderlich ist, andererseits hat das Verfahren gemäß der Erfindung den Vorzug, dass dreiachsige Spannungszustände oder dreidimensionale Spannungsverläufe minimiert werden. Dadurch ist automatisch weniger Nacharbeit wie beispielsweise Kalibrieren, Nachwalzen oder Richten der Werkstücke erforderlich.
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Die Mehrelektrodenanordnung gemäß der Erfindung umfasst zweckmäßigerweise einen ersten und einen zweiten Schweißkopf, wobei einer der ersten und zweiten Schweißköpfe als in Schweißrichtung führender oder nacheilender Schweißkopf vorgesehen ist, wobei der jeweils führende Schweißkopf mit Gleichstrom bestromt wird und der jeweils nacheilende Schweißkopf mit Wechselstrom bestromt wird und wobei bei einer Umkehrung der Schweißrichtung jeweils eine Umschaltung der Bestromung des ersten und des zweiten Schweißkopfs von Wechselstrom auf Gleichstrom oder umgekehrt erfolgt.
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Grundsätzlich hat es sich als günstig erwiesen, den jeweils führenden Schweißkopf mit Gleichstrom zu bestromen und den oder die nacheilenden Schweißköpfe mit Wechselstrom zu bestromen, wodurch sich eine bessere Kontrollierbarkeit des Schmelzebades bei Verwendung einer Vielzahl von Schweißköpfen ergibt. Der Begriff Schweißkopf im Sinne der Erfindung bezeichnet jeweils ein Kontaktrohr oder Führungsrohr für die abzuschmelzenden Draht- oder Bandelektroden sowie eine zugehörige Düse, aus welcher die Draht- oder Band- oder Fülldraht-Elektrode austritt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst das Aufbringen des Schweißpulvers in Schweißrichtung vor dem jeweils führenden Schweißkopf und das Absaugen des Restpulvers hinter dem jeweils nacheilenden Schweißkopf.
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Eine hierfür geeignete Vorrichtung umfasst zweckmäßigerweise Mittel zum Aufbringen und zum Absaugen des Schweißpulvers doppelt, d.h. an jedem Ende der Vorrichtung.
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Bei einer zweckmäßigen Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Mehrelektrodenanordnung drei oder mehr Schweißköpfe umfasst, von welchen jeweils der in Schweißrichtung führende Schweißkopf mit Gleichstrom bestromt wird, wohingegen alle nacheilenden Schweißköpfe mit Wechselstrom bestromt werden.
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Zweckmäßigerweise werden alle Schweißelektroden bzw. alle Schweißköpfe symmetrisch zueinander so ausgerichtet, dass die Ausrichtung der Schweißelektroden von der gewählten Schweißrichtung unabhängig ist, so dass die Mehrelektrodenanordnung keine geometrisch bedingte ausgezeichnete Schweißrichtung aufweist.
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Zweckmäßigerweise werden wenigstens eine in Schweißrichtung führende Schweißelektrode und wenigstens eine in Schweißrichtung nacheilende Schweißelektrode schräg zu der jeweils gewählten Schweißrichtung angestellt, wobei die Längsachse der jeweils führenden Schweißelektrode vorzugsweise in einem Winkel zwischen 45° und 90° vorzugsweise in einem Winkel zwischen 60° und 88° zu der jeweiligen Schweißrichtung angestellt wird.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterpulverschweißen von Nahtfugen an metallenen Werkstücken, insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, umfassend eine Anordnung von Schweißköpfen zur Bereitstellung jeweils einer Draht- oder Bandelektrode als Mehrelektrodenanordnung zwecks Erzeugung mehrerer Schweißlichtbögen in einem einzigen Schmelzebad in einer einzigen Nahtfuge, wobei die Schweißköpfe jeweils mit einer Schweißstromquelle in elektrischer Wirkverbindung stehen, wobei die Schweißköpfe symmetrisch zueinander angeordnet sind und wobei die Schweißstromquellen in Abhängigkeit einer vorgegebenen Schweißrichtung so schaltbar sind, dass wenigstens zwei Schweißköpfe wahlweise mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom bestrombar sind.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch Mittel zum Auftragen von Schweißpulver vor einem in Schweißrichtung führenden Schweißkopf und Mittel zum Absaugen von restlichem Schweißpulver hinter einem in Schweißrichtung nacheilenden Schweißkopf. Eine Zufuhr für Schweißpulver und eine Absaugung für Schweißpulver können entweder doppelt und wechselweise betreibbar vorgesehen sein, alternativ können diese jeweils umschaltbar ausgebildet sein.
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Zweckmäßigerweise weisen mindestens zwei Schweißköpfe der Mehrelektrodenanordnung einen Anstellwinkel bezogen auf die Schweißrichtung auf.
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Vorteilhaft und zweckmäßig ist es, wenn die Schweißköpfe bezogen auf die Schweißrichtung symmetrisch zueinander angestellt sind, so dass die Längsachse eines in Schweißrichtung führenden Schweißkopfs gegen die Schweißrichtung einen Anstellwinkel von 88° bis 60° aufweist.
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Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend vereinfacht unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert.
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Die Figur zeigt eine Mehrelektrodenanordnung 1 gemäß der Erfindung, die Teil einer Vorrichtung zum Unterpulver-Schweißen ist. Mittel zum Auftragen von Schweißpulver und zum Absaugen von Restpulver sowie Mittel zur Führung der Mehrelektrodenanordnung 1 relativ zu einem oder mehreren Werkstücken sind in der Zeichnung aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt.
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Die in der Figur dargestellte Mehrelektrodenanordnung 1 umfasst drei Führungsrohre 2 mit jeweils einer Düse 3 und jeweils einer aus der Düse 3 austretenden Drahtelektrode 4. Die Drahtelektroden 4 werden jeweils über einen nicht dargestelltes Vorschubsystem der betreffenden Düse 3 zugeführt.
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Ein Führungsrohr 2 und eine Düse 3 bilden einen Schweißkopf 5a, 5b, 5c im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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In der Zeichnung ist eine Schweißspur 6 als Verlauf einer Schweißnaht oder einer Nahtfuge nur schematisch dargestellt, diese erstreckt sich zwischen den Punkten A und B.
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Die Mehrelektrodenanordnung 1 gemäß der Erfindung umfasst insgesamt drei Schweißköpfe, von denen ein erster Schweißkopf 5a und ein dritter Schweißkopf 5c bezüglich eines zweiten Schweißkopfs 5b symmetrisch angeordnet ist. Die Schweißköpfe 5a, 5b, 5c sind jeweils bezüglich des Werkstücks und relativ zueinander höhenverstellbar.
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Eine Längsachse des zweiten Schweißkopfs 5b erstreckt sich bezüglich einer Schweißrichtung in einem rechten Winkel, der erste Schweißkopf 5a und der dritte Schweißkopf 5c sind bezüglich des zweiten Schweißkopfs 5b symmetrisch und schräg angestellt. Die Längsachsen der ersten und dritten Schweißköpfe 5a, 5c erstrecken sich jeweils in einem Winkel zwischen 2° und 30° bezüglich der Längsachse des zweiten Schweißkopfs 5b. Somit sind die ersten und dritten Schweißköpfe 5a, 5c jeweils in einem Winkel zwischen 88° und 60° bezüglich der Schweißrichtung angestellt. Alle Längsachsen der Schweißköpfe 5a, 5b, 5c sind zueinander konvergent, so dass die Schweißköpfe 5a, 5b, 5c symmetrisch und fächerförmig zueinander angeordnet sind. Vor dem Schweißvorgang werden die Schweißdüsen 3 bzw. Schweißköpfe 5a, 5b, 5c in einer spitz zulaufenden Dreiecksform zueinander eingestellt, und zwar symmetrisch. Alle Schweißköpfe 5a, 5b, 5c sind höhenverstellbar angeordnet. Diese sind jeweils an eine Schweißstromquelle angeschlossen, die wahlweise beispielsweise den ersten Schweißkopf 5a mit Wechselstrom oder Gleichstrom versorgt und zwar je nach Schweißrichtung. Die vorgesehenen Schweißrichtungen sind ebenfalls andeutungsweise in der Figur dargestellt. Bei einer Schweißrichtung von Punkt A nach Punkt B wird der dritte Schweißkopf 5c mit Gleichstrom bestromt, wohingegen der zweite Schweißkopf 5b und der erste Schweißkopf 5a, die in diesem Falle die nacheilenden Schweißköpfe bilden, mit Wechselstrom beaufschlagt werden. Erreicht die Mehrelektrodenanordnung 1 Punkt B, so wird die Schweißrichtung umgekehrt, der erste Schweißkopf 5a wird mit Gleichstrom bestromt, wohingegen der zweite Schweißkopf 5b und der dritte Schweißkopf 5c mit Wechselstrom bestromt werden.
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Als Wechselstrom kann Zweiphasenwechselstrom oder aus Dreiphasenwechselstrom bereitgestellt werden.
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Eine Zufuhr von Schweißpulver erfolgt von einer Verschweißung von Punkt A zu Punkt B vor dem dritten Schweißkopf 5c, bei einer Verschweißung von Punkt B zu Punkt A vor dem ersten Schweißkopf 5a. Eine Restpulverabsaugung erfolgt bei einer Verschweißung von Punkt A zu Punkt B hinter dem ersten Schweißkopf 5a, bei einer Verschweißung von Punkt B zu Punkt A hinter dem dritten Schweißkopf 5c.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrelektrodenanordnung
- 2
- Führungsrohr
- 3
- Düse
- 4
- Drahtelektrode
- 5
- Schweißköpfe
- 5a
- erster Schweißkopf
- 5b
- zweiter Schweißkopf
- 5c
- dritter Schweißkopf
- 6
- Schweißspur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0220561 A1 [0005, 0005]
