-
Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen von gasempfindlichen Metallen
unter Schutzgas Gewisse Metalle, wie Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Molybdän u. ä.,
sowie ihre Legierungen verlieren ihre Zähigkeit und andere vorteilhafte physikalische
Eigenschaften, wie Bearbeitbarkeit, und wichtige Eigenschaften in bezug auf Korrosionsbeständigkeit,
wenn die Schweißungen nicht unter Luftabschluß entstehen und die Schweißnähte nicht
unter Luftabschluß abkühlen. Das Schweißen dieser Metalle und ihrer Legierungen
wird deshalb bis heute meist in abgeschlossenen Kammern unter Vakuum oder unter
Edelgasschutz ausgeführt, gestaltet sich jedoch außerordentlich schwierig. In Kammern,
die von außen durch Eingriffslöcher zugänglich gemacht werden, läßt sich das Vakuum
bzw. die Reinheit des Schutzgases nicht aufrechterhalten. Wenn man die Führung der
Schweißgeräte in der Kammer mechanisiert, müssen teure Hilfsmittel angewendet werden.
-
Es fehlt daher nicht an Versuchen, das Schweißen dieser Werkstoffe
außerhalb -von Kammern auszuführen; insbesondere wurden solche an den weniger empfindlichen
Titanlegierungen durchgeführt.
-
Mit keiner der in der Literatur beschriebenen Vorrichtungen können
jedoch technisch brauchbare Schutzgasschweißungen erzielt werden, da die Wärme des
Lichtbogens eine so starke Wirbelbildung hervorruft, daß stets Luft an die entstehende
Naht herangeführt wird.
-
Eine andere Ursache für die Wirbelbildung und das dadurch bedingte
Einströmen von Luft ist in der Tatsache zu suchen, daß bei den bekannten Schweißgeräten
der Schutzgasstrom stets in derselben Richtung eingeblasen wird, in der ein Teil
des verwendeten Gases auch wieder abfließt, so daß zwei Ströme in entgegengesetzter
Richtung aufeinandertreffen. Die dadurch hervorgerufenen Wirbel machen ein laminares
Zuströmen bzw. Abziehen unmöglich. Ein weiterer Grund für * die üblicherweise auftretende
Turbulenz ist in der Blaswirkung selbst zu suchen; wenn nämlich das Schutzgas mit
einer gewissen Geschwindigkeit aus einer engen öffnung in einen weiteren Raum eintritt,
so bildet sich ein von der Öffnung ausgehender Strahl, der die angrenzenden Luftschichten
mitreißt und an die Schweißstelle heranführt. Dies ist auch dann der Fall, wenn
das Schutzgas außer mit einer Düse auch durch poröse Flächen zugeführt wird, die
die Umgebung der Schweißstelle abdecken. Die Injektorwirkung durch das mit der Düse
zugeführte Schutzgas ist so stark, daß trotz der Schutzgaswolke in der weiteren
Umgebung der Schweißstelle noch Luft an diese herangeführt wird.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in der Umgebung der Schweißstelle
eine zusammenhängende Schutzgasatmosphäre aufrechtzuerhalten, die insbesondere in
den äußeren Schichten völlig wirbelfrei ist, so daß ein Einströmen von Luft sicher
verhindert wird.
-
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Vorrichtung zum Schutzgaslichtbogenschweißen
von vorzugsweise gasempfindlichen Werkstoffen in einem sowohl die Schweißstelle
und mindestens einen Teil der noch zu schweißenden und der bereits geschweißten
Zonen als -auch deren seitliche Umgebung umfassenden Schutzgas-Puffervolumen mit
Begrenzungswänden, durch die Schutzgas flächenhaft zuführbar ist, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Zuführungsflächen' für das Schutzgas in an sich-bekannter Weise aus
Sinterstoff hergestellt und derart angeordnet sind, daß- alles Schutzgas nur durch
diese einsickert und die umgebende Luft verdrängend abströmt. Als Schutzgas kann
z. B. reines Edelgas oder ein aus verschiedenen Edelgasen bestehendes Gemisch verwendet
werden.
-
Die zu schützende Zone wird in ein Puffervolumen einbezogen, welches
die Form einer beliebigen Raumumgrenzung,- z. B. eines Quaders, eines Pyramidenstumpfes,
eines Zylinders oder eines Prismas, besitzen, welcher aber auch von unregelmäßig
gekrümmten Flächen eingeschlossen sein kann. Auch eine Raumumgrenzung, deren Querschnitt
aus zwei mit parallelen Seiten aneinanderstoßenden Trapezen besteht, kann angenommen
werden. Die Raumumgrenzung braucht zu einer durch die Schweißnaht und senkrecht
zur Schweißfläche gelegten Ebene nicht unbedingt symmetrisch zu sein.
-
Bei der Anordnung der Begrenzungsflächen zur Schaffung eines derartigen.
Puffervolumens ergibt es
sich, daß der Schweißtisch und das zu schweißende
Werkstück stets eine der Begrenzungsflächen darstellen. Außerdem ist es anzustreben,
daß die Schweißnaht zwischen zwei parallel zu ihr verlaufenden Begrenzungsflächen
zu liegen kommt. Die beiden Fächen können z. B. rechts und links von der Naht angeordnet
sein und gleichzeitig einen für die Beschickung der Nahtform günstigen Winkel mit
der Schweißfläche einschließen. Sind nur zwei Begrenzungsflächen vorgesehen, so
kann die zweite Fläche die erste, nämlich die Schweißfläche, von oben überdecken;
sie kann aber auch mit der die Naht enthaltenden Schweißfläche einen spitzen Winkel
bilden. Die zweite Fläche kann z. B. eben oder vorzugsweise zur Schweißstelle hin
konvex gekrümmt sein; sie kann aber auch im stumpfen Winkel V-förmig gekrümmt sein
und muß dann eine zur Schweißnaht parallele Winkelkante besitzen.
-
Mindestens eine dieser Begrenzungswände ist als Zuführungsfläche für
das Schutzgas ausgebildet, und zwar derart, daß das Schutzgas nicht in einzelnen
Strahlen eingeblasen wird, sondern stetig flächenhaft einsickert, so die gesamte
Fläche innerhalb des Schweißbereiches gleichmäßig bestreicht und sich nicht mit
der dort befindlichen Luft vermischt, sondern diese verdrängt. Dabei müssen die
Begrenzungswände des Puffervolumens derart angeordnet sein, daß dem Schutzgas genügend
Raum gelassen ist, um strömungsfrei abströmen zu können.
-
Das Puffervolumen muß erfindungsgemäß so groß gewählt werden, daß
die Wirbelbildung durch den Lichtbogen sich innerhalb der Schutzgasatmosphäre abspielt,
so daß die vom Lichtbogen bewirkte thermische Bewegung des Schutzgases möglichst
keine Luft an die entstehende Naht heranbringt.
-
Bläst man nämlich - wie bisher üblich - das Schutzgas in einzelnen
Strahlen gleicher Richtung ein, so läßt sich, wie bereits erwähnt, eine laminare
Strömung nicht erreichen. Von den Poren des erfindungsgemäß verwendeten Sinterstoffes
öffnet sich jedoch jede nach einer anderen Richtung hin gegen die Umgebung, so daß
auch das Gas aus jeder Pore in einer anderen Richtung aussickert. Diese einzelnen,
nicht mehr als Strahlen anzusprechenden Stromfäden verschiedener Richtungen überlagern
sich, und es bildet sich ein aus der Oberfläche der porösen Schicht austretender
Gasschwall, der die Atmosphäre, die vorher den Raum erfüllt hat, verdrängt und sich
mit ihr nur in sehr geringem Maß vermischt.
-
Als Sinterstoff kommen z. B. Keramik, Sintermetalle, Sintermetallegierungen
in Betracht.
-
Es ist zu erwähnen, daß die Gaszuführungsflächen auf den Begrenzungswänden,
wenn sie diese nicht ganz bedecken, verschiedenartig angeordnet sein können.
-
Um die Größe der Gaszuführungsflächen zu beschränken, ist es vorteilhaft,
in bekannter Weise die Abkühlung der Naht durch Abschreckmittel zu beschleunigen,
z. B. durch eine Flüssigkeitsbrause oder durch Abschreckkokillen.
-
Einige Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung sind in
den Zeichnungen beispielsweise dargestellt.
-
Gemäß Fig. 1 sind zwei parallel zur Schweißnaht verlaufende, senkrecht
zur Schweißfläche 1 angeordnete Wände 2a und 2b etwa zur Hälfte mit je einer Zuführungsfläche
3 a bzw. 3 b aus Sinterstoff versehen, die durch die Zuführungen 4a bzw. 4b mit
Schutzgas gespeist werden. In das durch die Begrenzungswände 2 a und 2 b mit den
zugehörigen Gaszuführungsflächen und die Schweißfläche # bzw< das Werkstück 5
begrenzte Puffervolumen sickert das Schutzgas langsam- und wirbelfrei ein, verdrängt
die Luft, steigt in der Mitte wie in einem Schornstein nach oben und strömt gleichmäßig
ab.
-
Die Ausführungsform nach Fig. 1 eignet sich vor allem zur Herstellung
stumpfgestoßener Nähte, wobei sich der Abstand der beiden parallel zur Naht stehenden
Filterplatten nach dem Platzbedarf des Schweißgerätes richtet. Das Schweißen der
Naht kann unter Umständen ohne zusätzliches Gas aus dein Schutzgasschweißgerät ausgeführt
werden.
-
Um einen ausreichenden Schutz sowohl für die entstehende als auch
für die abkühlende Naht zu erzielen, ist es wichtig, daß ein genügend großer Bereich
des Schweißstückes in das Puffervolumen mit einbezogen wird, daß also die Gaszuführungsflächen
längs der Schweißnaht in beiden Richtungen genügend weit ausgedehnt werden. Es ist
zwar bereits bekannt, die Abkühlung der Naht innerhalb eines sogenannten Schleppschutzes
vorzunehmen, wobei das Schutzgas aus porösen Flächen ausströmt und die Luft von
der noch nicht erkalteten Naht verdrängt; es kann jedoch auf die bisher übliche
Weise nicht verhindert werden, daß Luft in den Schleppschutz eindringt, da sowohl
der Lichtbogen wegen seiner örtlichen Wärmeentwicklung als auch der zusätzlich vorhandene
Schutzgasstrom aus einer Düse. eine starke Durchwirbelung des Schleppschutzanfangs
zur Folge haben. Außerdem bleibt zwischen dem Schweißbrenner und der Schleppschutzvorrichtung
notwendigerweise immer ein Spalt offen, durch den Luft eingesaugt und an die unmittelbare
Umgebung der Schweißstelle herangebracht wird. Eine ausreichende Schutzwirkung kommt
infolgedessen nur am Ende des bekannten Schleppschutzes zustande, während gerade
die entstehende Naht nicht genügend vor Luftzutritt geschützt ist.
-
Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht nun darin,
diesen an sich bekannten Schleppschutz mit der Vorrichtung nach der Erfindung zu
einer einheitlichen Vorrichtung zu kombinieren. Dementsprechend muß, wie in Fig.
2 schematisch in Draufsicht gezeigt ist, außer für den Schleppschutz, dessen Länge
in Fig. 2 durch die Strecke S angedeutet ist, erfindungsgemäß dafür Sorge getragen
werden, daß die durch die Lichtbogenwärme verursachte thermische Bewegung keine
Luft in die Schweißstelle einwirbelt, d. h., es muß auch die unmittelbar vor der
Schweißstelle befindliche Zone Z mit einer wirbelfreien Schutzgasatmosphäre bedeckt
sein. Diese überlegungen gelten sinngemäß auch für alle übrigen Ausführungsformen.
-
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig.3 dargestellt. Hier wird das
Puffervolumen lediglich durch die Schweißfläche 1 bzw. das Werkstück 5 und die Schutzgaszuführungsflächen
3 c und 3 d begrenzt, die im stumpfen Winkel V-förmig gegeneinander geneigt sind.
Das Schutzgas verdrängt hier, von oben einsickernd, die das Werkstück umgebende
Luft und strömt nach beiden Seiten ab. Die Anordnung wird auf der Achse senkrecht
zur Zeichenfläche in Schweißrichtung bewegt. Gleichzeitig ist diese Ausführungsform
ein Beispiel für eine freitragend am Schweißbrenner 7 befestigte Anordnung.
-
Fig. 4 zeigt eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung
nach der Erfindung. Außer den beiden geneigten Zuführungsflächen 3 a und 3 b ist
eine zusätzliche Schutzgaszuführungsfläche 9 mit Zuführung 10 in der Spannvorrichtung
8 vorgesehen, durch die dem Werkstück 5 auch von unten her Schutzgas zugeführt werden
kann, welches durch den noch nicht verschweißten Spalt nach oben abströmt. In diesem
Fall
besitzen alle drei das Puffervolumen begrenzenden Wände Zuführungsflächen für das
Schutzgas, so daß auf alle Fälle auch bei angefasten Schweißstößen ein ausreichendes
Verdrängen der Luft durch das Schutzgas erfolgt. Unter Umständen reicht bereits
das von unten zugeführte Schutzgas aus, um ein genügend großes Puffervolumen aufrechtzuerhalten.
-
Auch auf das Rohrschweißen läßt sich das Verfahren nach der Erfindung
anwenden. Fig. 5 zeigt eine ringförmig ausgebildete Schutzgaszuführungsfläche
11
mit der Zuführung 12, die innerhalb der zu verbinden Rohre als Gegenschutz
angeordnet ist.
-
Die außer der Schweißfläche zur Begrenzung des Puffervolumens nötigen
Wände und Filterflächen können, wie bereits erwähnt, freitragend am Brenner befestigt
sein. Sie können aber auch auf der Schweißfläche aufliegen und durch unmittelbare
Verbindung mit dem Schweißbrenner oder unabhängig von diesem von Hand oder durch
automatische Steuerung fortbewegt werden, so daß die Schweißstelle, ein Teil der
noch zu schweißenden Zone und die abkühlende Naht sich innerhalb eines Raumes befinden,
der mitgeführt wird. Dabei können auch Mittel vorgesehen sein, durch welche die
Begrenzungsflächen in verschiedener Höhe über der Schweißfläche angeordnet werden
können; besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Höhe selbsttätig der jeweiligen
.Länge des Lichtbogens angepaßt wird.
-
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens konnten an hochempfindlichen
Werkstoffen Schweißungen erzielt werden, wie sie für die Beständigkeit und für die
Erhaltung der natürlichen mechanischen Eigenschaften wünschenswert sind. An Tantal
und an Zirkon wurden mit diesen Hilfsmitteln vollkommen blanke Schweißnähte erzielt.
Die Anlauffarben auf dem Grrndmaterial des Übergangs waren gering und dürften durch
die an der Oberfläche der Bleche haftenden Gasbestandteile erzeugt worden sein.
Messungen der Vickershärte an einer Zirkonlegierung mit 1,5 °/o Zinn (Fig. 6 a)
und Tantal (Fig. 6 b) ergaben, wie die beiden Kurven B zeigen, keinerlei Härtungen
im Grundwerkstoff 13 und eine durch die Beseitigung der Walzverfestigung erklärbare
Härteverminderung in der Schweiße 14. Zum Vergleich sind die Kurven A, die bei normaler
Schweißung ohne die Schutzgasvorrichtung nach der Erfindung erhalten wurden, mit
aufgenommen; sie veranschaulichen das bei der bisher üblichen Schutzgasschweißung
überaus starke Ansteigen der Vickershärte in der Schweißnaht.