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.Anordnung zum Verschweißen von mit den Enden aneinanderstoßenden
hohlen Metallstücken, insbesondere von Rohren Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zum Verschweißen von mit den Enden aneinanderstoßenden hohlen Metallstücken,
insbesondere von Rohren aus nichtrostendem Stahl, die nur von einer Seite, d. h.
von außen her zugänglich sind und verschweißt werden können.
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Es ist bekannt, für das Verschweißen von Rohren nach dem Lichtbogenschweißverfahren
mittels einer sich nicht verzehrenden Elektrode und unter Anwendung einer Schutzgasatmosphäre
einen T-förmigen schmelzbaren Einlegering zu verwenden. Ein solcher Einlegering
weist einen Steg mit einer Höhe auf, die ungefähr gleich der Dicke der anliegenden
Werkstückkante ist. Ferner liegen die den Flansch des Einlegeringes bildenden Schenkel
an jener Seite an, die der Seite entgegengesetzt ist, von der die Hitzeeinwirkung
erfolgt. Hierbei kennt man die Verwendung einer Unterlage, und zwar eine solche
mit einer Nut zur Aufnahme des Einlegestückes. Zwischen dem Einlegestück und der
Unterlage sollen Hohlräume verbleiben, die die Schlacke und einen Teil des zwischen
den Werkstückkanten abfließenden Metalls aufnehmen. Diese Anordnung hat den Nachteil,
daß die Abnahme der Unterlage nicht immer möglich ist, auch wenn sie durch das geschmolzene
Metall nicht angeschweißt worden ist, beispielsweise bei Rohren, da die Schweißnaht
auf der Innenseite des Rohres ein Abnehmen der Unterlage durch das Vorstehen der
Schweißnaht verhindert.
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Es ist ferner bekannt, die Einlegeringe in der Schweißnaht trägerlos
zu halten. Wenn hierbei Einlegestücke bzw. Einlegeringe von T-förmiger Gestaltung
verwendet werden, deren Querschnittsform gerade Begrenzungslinien aufweist, so hat
sich gezeigt, däß eine einwandfreie Verschmelzung der Werkstückteile bei homogener
Verschmelzung des Materials des Einlegeringes mit den Werkstückteilen nicht erreichbar
ist. Ein kastenförmiger Querschnitt und auch ein T-förmiger Querschnitt des Einlegeprofils
läßt eine gleichmäßige Durchwärmung der zu verschweißenden Zone nicht zu. Hierzu
ist die Masse des zu verschweißenden Einlegeprofils gegenüber dem Vordringen der
Wärme beim Verschweißen zu ungleichmäßig, so daß, auch wenn die Schweißnaht auf
der Seite, auf der die Hitzeeinwirkung erfolgt, zufriedenstellend aussieht, die
Schweißung an der der Hitzeeinwirkung entgegengesetzten Seite des Einlegeringes
unvollständig ist. Dies gilt auch für das Schweißen mittels eines Zusatzwerkstoffes,
z. B. durch Auftrag mit einer Metallelektrode. Bei den hierfür verwendeten V- oder
Y-förmigen Einlegeprofilen ist eine Gestaltung zu wählen, die so ist, daß die Metallprofile
innerhalb der Schweißfuge liegen und ein Ausfließen des Schmelzbades verhindern.
Es dürfen die Metallprofile in der Höhe ihrer gegenseitigen Berührung nicht direkt
schmelzflüssig werden, weil sonst ein Abtropfen stattfinden würde. Eine Homogenität
des Schmelzbades und der Verbindung ist nicht gewährleistet.
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Es ist weiterhin bekannt, als trägerlose Einlegeringe kreisförmige
Segmente ohne Stege zu verwenden. Diese Einlegeringe sind so gestaltet, daß sie
im Querschnitt ein flaches Kreissegment sind. Bei einer solchen Ausbildung des Einlegeringes
besteht jedoch keine Möglichkeit, denselben gleichzeitig mit dem Metall der zu verschweißenden
Werkstücke auf einer Breite vollständig zu schmelzen, die etwas größer als der Flansch
ist, ohne vorher den Durchbruch des mittleren Teils des Einlegeringes zu erhalten.
Der flache Flansch vermag ferner nicht, das Ende des Schweißvorganges durch' Anheben
.des Schmelzbades infolge ungenügender Oberflächenspannung anzuzeigen: Durch die
Anwendung flacher Einlegeringe hat man geglaubt, möglichst glatte Innenflächen ohne
Schweißbärte und ohne Risse erzielen zu können. Man hät jedoch erkennen müssen,
däß dieses Ergebnis nicht erreichbar ist. Eine Verschweißung von Rohrteilen, bei
denen die Innenseiten der Schweißnaht für
ein weiteres Verschweißen
oder mechanisches Nacharbeiten nicht zugänglich sind, muß jedoch absolut sicher
sein.
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Es ist ferner noch bekannt, an Stelle von Einlegeringen einen Rand
oder- beide Ränder der zu verschweißenden Rohrenden durch eine besondere Biegebehandlung
mit schräg abstehenden und gegeneinander anliegenden Flanschen zu versehen, wobei
die Länge dieser Flansche die zweifache Dicke des Metalls der Werkstücke nicht überschreiten,
soll. Die Rohrenden mit den Flanschen werden hierbei völlig durchgeschweißt und
bilden an der Unterseite eine Wurzelbrücke aus, wobei das Schmelzbad durch die Oberflächenspannung
getragen wird und sich selbst in den Nahtspalt hochzieht und an der Unterfläche
schwach gerundet verläuft. Eine solche Schweißverbindung ist jedoch nur bei dünnwandigen
Rohren aus duktilem Material möglich.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verschweißen von mit den
Enden aneinanderstoßenden, hohlen Metallstücken, insbesondere von Rohren, unter
Verwendung eines T-förmigen, trägerlos gehaltenen und schmelzbaren Einlegeringes,
dessen Steg eine Höhe aufweist, die ungefähr gleich der Dicke der anliegenden Werkstückkanten
ist, nach dem Lichtbogenschweißverfahren in einer Schutzgasatmosphäre zu beiden
Seiten des Einlegeringes mittels einer sich nicht verzehrenden Elektrode und ohne
Zuführung eines Zusatzwerkstoffes, wobei die Erhitzung unterbrochen, d. h. die Elektrode
weiterbewegt wird, wenn sich das geschmolzene Bad der Schweißelektrode so weit genähert
hat, daß das geschmolzene Metallbad nahezu flach ist. Die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Einlegeringes vollständig im Innern eines
Kreisumfanges oder einer polygonalen Begrenzung mit einem Halbmesser von etwa 3;6
mm liegt und der Flansch eine Breite aufweist, die dem Durchmesser des Kreisumfanges
bzw. der polygonalen Begrenzung gleich oder nahezu gleich ist, und daß der Steg
eine Höhe aufweist, die zwischen dem 1,3- und 0,75fachen des Halbmessers dieses
Kreisumfanges liegt, sowie eine Ouerschnittsfläche, die dem 0,6- bis 0,2fachen,
vorzugsweise dem 0,3fachen der Ouerschnittsfläche des Flansches entspricht.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Profilierung des Einlegeringes hinsichtlich
Form und Querschnittsfläche wird erreicht, daß in allen Stadien des Schweißvorganges
die Metallmasse an der Nahtstelle gleichmäßig durchwärmt wird. Gegen Ende des Schweißvorganges
bei völliger Durchschweißung der Wurzelrippen zieht sich die unter der Wirkung der
Oberflächenspannung zusammengehaltene Schmelzmasse zwischen den Werkstückfugen hoch
und liefert so ein sichtbares Zeichen dafür, daß an dieser Stelle der Schweißvorgang
beendet ist. Die Ausbildung des Querschnittes des Einlegeringes mit dem Flansch
und dein Steg innerhalb eines Kreisumfanges mit einem bestimmten Halbmesser bzw.
einer entsprechenden polygonalen Begrenzung ermöglicht, daß durch die Hitzeeinwirkung
auf der dem Flansch des Einlegeringes entgegengesetzten Seite die Hitze in den Flanschteil
praktisch nach Isothermen eindringt, die kreisbogenförmig zu dem Mittelpunkt des
Querschnittes des Einlegeringes verlaufen und gleichmäßig in radialer Richtung den
noch kälteren Teil des Querschnittes des Einlegeringes erfassen. Dadurch ist die
Gewähr gegeben, daß die zu schmelzende Masse des Einlegeringes an den angrenzenden
Werkstückkanten ringsherum zu gleicher Zeit etwa dieselbe Temperatur erlangt und
schmelzflüssig wird. Es ergibt sich ein homogenes Schmelzbad, bei dem gewährleistet
ist, daß keine Tropfenbildung stattfinden kann. Die homogene Durchschmelzung des
Querschnittes des Einlegeringes zusammen mit den in dem Kreisumfang des Einlegeringes
befindlichen Werkstückkanten veranlaßt weiterhin, daß sich durch Oberflächenspannung
des Schmelzbades Kräfte ergeben, die das Schmelzbad bei genügender Durchschweißung
in die Höhe, d. h. in die Werkstückfuge hineinziehen, was für den Schweißer die
Anzeige für den beendeten Schweißvorgang an der betreffenden Stelle ist. Der Flanschteil
des Einlegeringes verliert seine anfängliche nach unten massierte Form und wird
verhältnismäßig flach. Man erzielt auf diese Weise eine saubere Schweißraupe an
der bei Rohren nachher vielfach nicht mehr zugänglichen Innenseite. Die Gewähr für
eine einwandfrei durchsehmolzene und dichte Schweißnaht ist gegeben. Das Verschweißen
erfolgt in an sich bekannter Weise mittels einer Schutzgasatmosphäre zu beiden Seiten
des Einlegeringes. Die Erfindung ist für alle Rohrdicken anwendbar. Bei Rohren,
deren Dicke die Steghöhe des Einlegeringes überschreitet, werden diese Rohre an
den zu verschweißenden Enden entsprechend ausgearbeitet. Nach Verschweißung mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Einlegeringes wird sodann die verbleibende Nut durch
Auftragsschweißung ausgefüllt.
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Der Flansch des Einlegeringes weist zweckmäßig eine etwa halbkreisförmige
Querschnittsfläche auf, deren Mittelpunkt etwas unterhalb der Verbindungslinien
der unteren Werkstückkanten liegt. Weiterhin kann der Flansch durch einen Kreisumfang
begrenzt sein, dessen Halbmesser ungefähr 2 mm ist. Der Steg des Einlegeringes kann
eine Höhe und eine Breite von ungefähr 1,6 mm aufweisen.
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Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen
erläutert.
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Fig. 1 zeigt im Schaubild mit weggebrochenen Teilen eine auseinandergezogene
Ansicht der beiden miteinander zu verschweißenden Rohrenden und des zwischen denselben
angeordneten Einlegeringes; Fig. 2 ist eine Ansicht der miteinander vereinigten
Teile gemäß Fig. 1 mit der durch den Wurzelschweißvorgang teilweise verschweißten
Verbindung; Fig. 3 ist eine schaubildliche Ansicht in größerem Maßstab und im Schnitt
nach der Linie III-III der Fig. 1; Fig. 4 ist eine schaubildliche Ansicht, teilweise
im Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2, welche die Stellung des eingelegten
Schweißringes und der Rohrenden veranschaulicht, nachdem die Teile für den Wurzelschweißvorgang
ausgerichtet sind.
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Fig. 4a bis 4d zeigen schematisch die aufeinanderfolgenden Stadien
des Schweißvorganges; Fig. 4a zeigt die Stellung und verschiedene Abmessungen der
Teile vor der Einwirkung der Schweißhitze; Fig. 4b zeigt den Zustand der Schweißperle,
nachdem die Schweißhitze auf einen begrenzten Bereich des Stegteils des Einsatzes
zur Einwirkung gekommen ist und vor der Einwirkung genügender Hitze, um den Flanschteil
vollständig zu schmelzen; Fig. 4c zeigt die typische Schweißperle, bevor genügend
Schweißhitze zur Einwirkung gekommen ist, um den Flanschteil des Einsatzes vollständig
zu schmelzen; Fig. 4 d zeigt schematisch die geschmolzene Schweißperle, nachdem
der Steg und der Flanschteil des Einsatzes vollständig geschmolzen sind, und zeigt
ferner
trolle 36 mit dem negativen Pol verbunden ist, wie Fig. 2
schematisch zeigt.
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Nachdem die Enden der beiden Rohre 10, 11 gründlich gereinigt und
in die für den Schweißvorgang erforderliche Lage gebracht worden sind, wird die
Innenseite der Rohre mit einem inerten Gas, wie z. B. Argon, gereinigt und die aneinanderstoßenden
Rührenden werden punktgeschweißt, vorzugsweise an den Stellen 37, die im Falle eines-
Rohres mit einem Innendurchmessen von 200 mm etwa 50 mm voneinander entfernt sind.
Die Enden der Rohre werden durch Deckel 40; 41 verschlossen, obwohl auch andere
Verschlußmittelverwendetwerden können, um-eine Schutzgasatmosphäre aufrechtzuerhalten,
welche die Innenseite der zu schweißenden Verbindung bedeckt. Argon oder ein anderes
Gas kann aüs einem Zylinder 42. über eine Leitung 43 mit einem Ventil 44 in das
Rohrinnere eingeführt und am anderen Ende über eine Leitung 45 mit einem Ventil
46 abgeleitet werden. Die Punktschweißungen 37 sollen vorzugsweise nicht in den
Flanschteil des Einlegeringes eindringen.
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Nach der Herstellung der Punktschweißungen wird rund um das Rohr der
Wurzelschweißvorgang am Boden des U-förmigen Schweißkanals 35 ausgeführt. Nachdem
die sauerstoffhaltige Atmosphäre des Rohrinneren durch Argon verdrängt und die Elektrode
in bekannter -Weise durch Argon abgeschirmt ist, wird die feinzugespitzte, thoriumhaltige
Wolframelektrode 36 so dicht wie möglich in die Ausgangsstellung auf der Verbindung
gebracht, die sich- vorzugsweise in der Mitte zwischen zwei Punktschweißungen befindet.
Der Lichtbogen soll genügend lang auf die Mitte der Verbindung auftreffen, um eine
geschmolzene flüssige Perle zu bilden. Wenn diese einen elliptischen Umriß zeigt,
ist der Flanschteil 26 des Einlegeringes auf der Innenseite des Schweißkanals vollständig
geschmolzen. Sobald die geschmolzene Perle gebildet ist, wird der Lichtbogen gleichmäßig
rund um den Schweißkanal 35 weiterbewegt, vorzugsweise mit einer mehr oder weniger
wellenförmigen Bewegung. Dabei ist besonders darauf zu achten, daß der Flächenumriß
der nacheinander gebildeten Perlen so eben als möglich gehalten wird, wenn die Perlenbildung
rund um die Verbindung mit denn Vorschub der Elektrode und ihres Lichtbogens fortschreitet.
Fig. 6 veranschaulicht im Grundriß die geschmolzene flüssige Perle 50, wobei der
Lichtbogen auf dem Steg 25 auftrifft und gleichzeitig in der Richtung des Pfeiles
51 vorgeschoben wird. Mit 52 ist die Oberfläche der Schweißraupe bezeichnet, nachdem
der Lichtbogen über dieselbe vorgeschoben und das geschmolzene Metall abgekühlt
und erstarrt ist. Fig. 5 zeigt die Oberfläche der nunmehr erstarrten, aber vorher
geschmolzenen Metallperlen, von der Außenseite des Rohres gesehen. Fig. 9 veranschaulicht.
die der Fläche 52 gegenüberliegende,- im wesentlichen ebene Schweißperle 53, von
der Innenseite des -Rohres gesehen. Die nach Beendigung des Wurzelschweißvorganges
sich ergebende Fläche 52 ist am besten in Fig. 5 dargestellt. Wenn bei der fortschreitenden
Erzeugung der geschmolzenen. Perlen 50 rund um den Umfang des Rohres der Umriß quer
zu ihrer Fläche eben gehalten wird, wird ein vollständiges Schmelzen sowohl des
Steges 25 als auch des Flansches 26 gewährleistet- und ein richtiges Eindringen
der Schweißung in das Grundmetall der Rohre 10, 11 erzielt, so däß nach Abkühlung
und Erstärrüng des geschmolzenen- Grund- und Schweißmetalls das Metall auf der Innenseite
der Schweißverbindung eine verhältnismäßig ebene und glätte Raupe 53 bildet (Fig.
5 und 9). Zwecks Erzielungbesserer Ergebnisse soll die Oberfläche der nacheinander
längs der Verbindung gebildeten geschmolzenen Perlen 50 so eben als möglich gehalten
werden. Jede Konvexität oder Konkavität der Oberfläche der Perle zeigt ungenügende
oder übermäßige Erhitzung an. Deshalb wird die Elektrode 36 und ihr Lichtbogen gleichmäßig
rund um den Umfang am Boden des Schweißkanals geführt und so bewegt, daß ein allmählich
fortschreitendes Schmelzbad aufrechterhalten wird, das eine möglichst ebene Oberfläche
aufweist. Die Elektrode wird fortschreitend rund um den Schweißkanal geführt, bis
der Wurzelschweißvorgangbeendet ist und den. Ausgangspunkt etwas übergreift. Die
Größe der Perle wird dann verjüngt und der Lichtbogen unterbrochen.
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Die Fig. 4 a bis 4 d zeigen aufeinanderfolgende Stadien der Perlenbildung
beim Schweißvorgang. Fig.4a zeigt schematisch den Schweißeinlegering in der Stellung
bei Beginn des Schweißvorganges und entspricht im allgemeinen der Fig. 4. Es soll
angenommen werden, daß eine Y-Achse durch die Mitte der Verbindung und in der Richtung
der Wandstärke- der miteinander zu verschweißenden Grundmetallteile 10, 11 hindurchgeht.
Ferner erstreckt sich eine X-Achse senkrecht zur Y-Achse in der Ebene 67 durch die
Fläche der Schultern 27, 28 des Einsatzes. Der Steg 25 in dem Abstand zwischen den
Kanten 18, 19 der zu verschweißenden Teile und oberhalb der Ebene 67 weist eine
Querschnittsfläche Aa auf und der Flansch 26 des Einsatzes unterhalb der Ebene 67
eine Querschnittsfläche Ab. Die Längenabmessungen (Abmessungen Dr-D, parallel
zur X-Achse bzw. Y-Achse) entsprechen der größten- Breite bzw. der größten Höhe
des Flanschteiles 26 (Fig. 4a).
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Bei der Perlenbildung während des Wurzelschweißvorganges--seheinen
die Kräfte der Oberflächenspannung, Kapillarwirkung und Adhäsion das Schmelzbad
wirksam zu bewegen und zu tragen, das durch den Lichtbogen gebildet wird, wenn sich
die Elektrode schrittweise längs des Steges des sich verbrauchenden Einsatzes bewegt.
Wenn man eine besondere Perle als typisch ansieht und dann die abgekühlten und erstarrten
Perlen betrachtet, die nacheinander gebildet werden, wenn sich der Lichtbogen längs
des Steges bewegt, scheint es, daß der Lichtbogen zuerst den Steg in einem begrenzten
Bereich schmilzt und daß das zuerst geschmolzene Metall etwas in die Spalten zwischen
dem Einsatz und dem Grundmetall der miteinander zu verschweißenden Teile eindringt.
Bei fortgesetzter Hitzeeinwirkung der Elektrode auf diesen Bereich wird der Steg
25 vollständig geschmolzen, und die Hitze beginnt den Flanschteil und auch das an
den Steg angrenzende Grundmetall zu schmelzen, wie bei 101 b in Fig. 4b schematisch
dargestellt ist, wobei das geschmolzene Metall in die Spalten 102 b und
103 b
eindringt. Bei fortgesetzter Hitzeeinwirkung wird immer mehr
Metall des Flanschteiles 26 b geschmolzen, und in der Zwischenzeit wird auch das
an das Schmelzbad angrenzende Grundmetall geschmolzen und mit dem Schmelzbad vereinigt,
wie bei 101c in Fig. 4c angedeutet ist. Das Schmelzbad: -101 c -des geschmolzenen
Metalls wird nun immer größer, aber es ist noch immer am Umfang des Flanschteiles
des Einsatzes eine Haut 104c festen, noch nicht geschmolzenen Metalls vorhanden.
In diesem Stadium dient die Haut 104 e festen, nöclnicht geschmolzenen Metalls als
eine bogenförmige Brücke festen Metalls, die das Schmelzbad 101 c durch Adhäsion
und Kohäsion in seiner Lage hält. Die Kräfte der Oberflächenspannung -wirken dieser
Einschränkung entgegen, haben aber keine ersichtliche Wirkung. Kapillarität und
verschiedene
Abmessungen relativ zu den ursprünglichen Abmessungen gemäß Fig. 4a; Fig. 5 zeigt
schaubildlich, teilweise im Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 2, die durch den.
Wurzelschweißvorgang erzeugte Schweißverbindung, nach dem das geschmolzene Metall
abgekühlt und erstarrt ist; Fig.6 zeigt im Grundriß die Verschweißung des Wurzelschweißvorganges
an der Stelle, wo gemäß Fig. 2 der Lichtbogen zur Einwirkung kommt; Fig. 7 ist eine
schaubildliche Ansicht der Schweißverbindung nach Beendigung des Wurzelschweißvorganges
und nach Ausführung mehrerer deckender Arbeitsgänge; Fig.8 veranschaulicht die fertige
Schweißverbindung nach Ausführung des abschließenden deckenden Arbeitsganges; Fig.9
zeigt die Innenseite der fertigen Schweißverbindung; Fig. 10 und 11 zeigen schaubildlich
abgeänderte Ausführungsformen des Schweißringes und der Rohrabschrägungen; Fig.
12 zeigt im größeren Maßstab eine schematische Ansicht des Querschnittes eines Schweißeinlegeringes
gemäß der Erfindung, um die Erklärung der Bemessung desselben zu erleichtern.
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Für den Wurzelschweißvorgang wird der Schweißvorgang mit einer durch
ein inertes Gas geschützten Wolframelektrode durchgeführt. Zwischen einer sich nicht
verbrauchenden Elektrode und dem Werkstück wird ein Schweißlichtbogen aufrechterhalten,
der durch ein einatomiges inertes Gas abgeschirmt ist. Das inerte Gas, gewöhnlich
Argon oder Helium, dient dazu, das Schmelzbad des Schweißmetalls und die Elektrode
vor der umgebenden Atmosphäre zu schützen, sowie die Ionisation des Lichtbogens
zu unterstützen. Die am häufigsten verwendete Elektrode besteht aus Wolfram oder
Wolfram mit Thoriumzusatz.
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In Fig. 2 sind zwei Rohre 10 und 11 aus nichtrostendem Stahl dargestellt,
die an den Enden 13 und 14 miteinander zu verschweißen sind. Die beiden Rohre 10
und 11 können jede gewünschte Länge aufweisen.
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Ein Einlegering 15 von entsprechender Zusammensetzung verbraucht sich
selbst, d. h., er ist so ausgebildet, daß er während des Wurzelschweißvorganges
vollständig geschmolzen wird. Vor dem Schweißen werden die zu verbindenden Rohrenden
13 und 14 abgeschrägt, vorzugsweise wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist. Das
dargestellte Rohr hat einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Wandstärke von
8 mm. Die Enden 13, 14 jedes Rohres sind nach der Innenseite abgeschrägt, so daß
ein ringförmiger Ansatz 16, 17 gebildet wird, der eine ringförmige Kante 18, 19
aufweist. Die Dicke oder Breite dieser Kante beträgt etwa 1,25 mm. Der Halbmesser
der Abschrägungskurve bei 20, 21 beträgt etwa 5 mm, und die gerade Seite 22, 23
der Abschrägung ist unter einem Winkel von etwa 30° gegen die Senkrechte geneigt.
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Der Einlegering 15, der ein geschlossener Ring ist, weist den besonderen
erfindungsgemäßen Querschnitt auf, vorzugsweise von der in den Fig. 1 und 3 gezeigten
Form, die in Fig. 12 in größerem Maßstab dargestellt ist. In Fig. 1 ist bei 24 ein
Stück weggebrochen, um den Querschnitt besser zu zeigen. Er besteht aus Metall von
bestimmter Zusammensetzung, so daß die fertige Schweißverbindung zufriedenstellende
vorherbestimmte metallurgische Eigenschaften aufweist. Beim Schweißen von Rohren
aus nichtrostendem Stahl, der vollkommen austenitisch ist, soll die Schweißablagerung
annähernd 4 bis 8°/a Ferrit enthalten, der nicht-austenitisch ist. Um die Menge
des abzulagernden Ferrits zu bestimmen, kann das Material für den Einlegering nach
dem bekannten Schaeffler-Diagramm ausgewählt werden, das die Ferritmenge anzeigt,
die bei einer bestimmten Zusammensetzung der Elektrode abgelagert wird. Bei niedriglegiertem,
warmbehandeltem Stahl kann für die Schweißablagerung ein Material gewählt werden,
das der Schweißverbindung eine Festigkeit gibt, die der Festigkeit des Grundmetalls
sowohl vor als auch nach der Wärmebehandlung mindestens gleichkommt.
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Der Einlegering 15 kann aus einer üblichen Schweißstange der gewünschten
Zusammensetzung und von 4 mm Durchmesser auf die gewünschte Querschnittsform gebracht
werden, indem der Länge nach zwei gegenüberliegende parallele Sektoren ausgefräst
werden, wodurch der nach oben gerichtete Steg 25 gebildet wird. Die Stange wird
auf die gewünschte Länge zugeschnitten und dann zu einem Ring 15 gemäß Fig. 1 geformt.
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Die bevorzugte Querschnittsform des Einlegeringes ist in Fig. 12 dargestellt,
gemäß welcher ein ringförmiger Flanschteil 26 eine gekrümmte Oberfläche 29 aufweist,
die im Querschnitt den Halbmesser r besitzt. Der Einlegering weist ferner am Umfang
ringförmige Flächenteile 27, 28 (in der Ebene 67) auf, je einen auf jeder Seite
des in der Mitte angeordneten, ununterbrochenen, radial und nach außen sich erstreckenden
Umfangssteges 25, der eine Breite w und eine Höhe la besitzt. Der Durchmesser
der ringförmigen Schultern 27, 28 des Einlegeringes 15 ist ebenso groß wie der innere
Durchmesser der zu verschweißenden Rohre 10, 11. Wenn daher der Einlegering 15 gemäß
den Fig. 2 und 4 für den Wurzelschweißvorgang in Stellung gebracht wird, kommt die
Fläche der ringfÖrmigen Schulter 27 mit der Innenfläche 30 des Rohres 10 unter dem
vorstehenden Ansatz 16 in Eingriff, wobei die Kante oder Wurzelfläche 18 des Ansatzes
gegen die Fläche 31 des Steges 25 stößt, und die Fläche der ringförmigen Schulter
28 kommt mit der Innenfläche 32 des Rohres 11 unter dem vorstehenden Ansatz 17 in
Eingriff, wobei die Kante oder Wurzelfläche 19 des Ansatzes gegen die Seite 33 des
Steges 25 stößt. Der Flanschteil26 untergreift daher die Berührungsstellen, wo die
Ansätze gegen den Steg 25 stoßen, so daß der Flanschteil 26 für den Wurzelschweißvorgang
tatsächlich als Haltering dient. Der Einlegering verbraucht sich selbst, und der
Steg 25 und der Flanschteil 26 sind so bemessen, daß beide während des Wurzelschweißvorganges
mit dem Grundmetall vollständig verschmolzen werden (Fig. 5 zeigt die Schweißverbindung
nach dem Wurzelschweißvorgang). Die Höhe des Steges 25 ist dieselbe wie jene der
Wurzelflächen 18 und 19 der vorstehenden ringförmigen Ansätze 16 und 17, wie sich
aus Fig. 4 ergibt, welche die Teile in der Schweißstellung zeigt. Die Abschrägungen
22, 23 bilden einen ringförmigen, U-förmigen Schweißkanal 35, der am Boden durch
den ringförmigen Steg 25 geschlossen ist. Der Steg dient ferner als Lehre, um die
Rohre im Abstand zu halten, und unterstützt zusammen mit den ringförmigen Schultern
27, 28 des Flanschteiles 26 das Ausrichten der Rohre vor dem Schweißen der Verbindung.
Bei dieser Anordnung der Teile ist der U-förmige Kanal 35 breit genug, um auf der
Außenseite des Rohres die Schweißelektrode 36 einführen zu können. Der Wurzelschweißvorgang
wird vorzugsweise mit Gleichstrom ausgeführt, wobei das Grundmetall mit dem positiven
Pol und die Elek-
Benetzung der Verbindungswände durch geschmolzenes
Metall bewirken die Bildung einer konkaven Oberfläche 105c, bevor die Umfangshaut
104c des festen Metalls geschmolzen wird. Bei fortgesetzter Hitzeeinwirkung schmilzt
die Umfangshaut 104c durch und wenn dies geschieht, ist eine vollständig geschmolzene
Perle gebildet. Nun bewirken die Kräfte der Oberflächenspannung eine Verringerung
der Umfangsfläche des Schmelzbades, das aus geschmolzenem Schweißeinsatzmetall und
aus geschmolzenem Grundmetall zusammengesetzt ist. Die Kräfte der Oberflächenspannung
bewirken zusammen mit Benetzung und Kapillarität eine Bewegung des geschmolzenen
Metalls. Weil die Kräfte der Oberflächenspannung das Schmelzbad in sphäre-idische
Form zu bringen suchen und die anderen Kräfte gleichzeitig wirken, ist die Oberfläche
der Perle unmittelbar vor dem Erstarren etwas konvex, eben oder konkav, aber jedenfalls
ist eine verhältnismäßig große Bewegung des geschmolzenen Metalls erfolgt. Nachdem
die Perle vollständig geschmolzen ist, wird das geschmolzene Metall durch die auf
dasselbe einwirkenden Kräfte in die in Fig. 4d schematisch dargestellte Form gebracht.
In der Zwischenzeit hat sich die Elektrode längs des Steges des Einsatzes einen
Schritt weiterbewegt, um eine ähnliche Perle zu bilden, und die in Fig. 4d dargestellte
geschmolzene Perle 101 d kühlt ab, und das geschmolzene Metall erstarrt.
Im Hinblick auf die Tatsache, daß die obenerwähnten, an sich geringen Kräfte im
Vergleich zu der auf das geschmolzene Metall ausgeübten Schwerkraft ziemlich groß
sind, kann die Wirkung der Schwerkraft auf das Schmelzbad als vernachlässigbar angesehen
werden.
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Beim Schweißen einer Verbindung werden diese Perlen nacheinander gebildet,
und das Metall erstarrt wieder, wenn sich die Elektrode in einer mehr oder weniger
wellenförmigen Bewegung schrittweise längs der Verbindung bewegt. Da die nacheinander
gebildeten Perlen aus geschmolzenem Metall nach dem Abkühlen erstarren, wird auf
der Innenfläche der Verbindung eine im wesentlichen ebene und glatte Schweißraupe
53 gebildet.
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Fig. 4 d zeigt schematisch die geschmolzene Schweißperle im Augenblick
der Erstarrung. Die Schweißraupe 53 d unterhalb der X-Achse weist eine Querschnittsfläche
Ac auf mit einer Breite C, und einer Höhe CY. Diese Fläche ist zusammengesetzt aus
einer Mischung von Schweißmetall aus den Flächen Aa, Ab
des Einsatzes (s.
Fig. 4a) und aus dem Verdünnungsmetall der Grändmetallteile 10 und
11. Die äußere Flächenumwandlung von Ab in Ac steht im Verhältnis
zur Änderung der Abmessungen, indem
weil C,; immer größer ist als .D, und CY immer kleiner ist als D..
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Nach Beendigung des Wurzelschweißvorganges ist das Metall des Steges
und des Flansches des Schweißringes vollständig mit dem Metall der an den Einsatz
angrenzenden Grundmetallteile verschmolzen, so daß sich eine durchgehend gesunde
Schweißverbindung ergibt mit keinen scharfen Kanten, »Eiszapfen« oder unebenen Vorsprüngen
auf der Innenseite der miteinander verbundenen Rohre. Die aneinanderstoßenden Kanten
des vollständig geschmolzenen, verbrauchten Einsatzes und der Rohre sind frei von
Spalten oder Rissen, auch solchen von nur mikroskopischer Größe.
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Nachdem die Rohre durch den Wurzelschweißvorgang gemäß Fig. 5 -miteinander
verbunden sind, wird der verbleibende ungefüllte Raum im Schweißkanal 35 durch eine
schmelzbare oder sich verbrauchende Schweißelektrode aufgefüllt, die in Fig. 7 mit
55 bezeichnet ist. Dies geschieht in üblicher Weise durch Verwendung einer Schweißelektrode,
die aus demselben Metall besteht, wie der Einlegering 15. Es werden genügend deckende
Arbeitsgänge ausgeführt, um den Schweißkanal entsprechend zu füllen und das Schweißmetall
mit den Seiten des Kanals 35 zu verschmelzen, d. h., das Schweißmetall wird mit
den frei liegenden Enden 22, 23 der Rohre 10, 11 verschmolzen. Gemäß Fig. 7 sind
drei Deckvorgänge ausgeführt worden, der erste ist mit 56, der zweite mit 57 und
der dritte mit 58 bezeichnet. Die abschließenden Deckvorgänge 59, 60 und 61 sind
in Fig. 8 dargestellt.
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Der Flänschteil 26 des Einsatzes 15 soll unterhalb der Schultern 27,
28 (Fig. 3) so bemessen sein, daß die auf die frei liegende Oberfläche des Steges
25 beim Wurzelschweißvorgang einwirkende Hitze des Lichtbogens gegen den Umfang
des Flanschteiles fließt und dort gleichmäßig verteilt wird. Die bevorzugte Form
ist daher bogenförmig, wie bei 29 angedeutet, so daß durch den Steg 25 einwirkende
Hitze in radialer Richtung und auf alle Punkte des Umfanges des Flanschteil-es 26
gleichmäßig verteilt wird. Es können jedoch auch andere Formen Verwendung finden,
die dem Sektor 26 mit kreisförmigem Umriß 29 gemäß den Fig. 3 und 4 nahe kommen.
Diese sind beispielsweise in den Fig. 10 und 11 dargestellt, wobei die Höhe und
Breite des Stegteils des Einsatzes verändert werden kann und nicht in allen Fällen
genau den in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Formen und Abmessungen entsprechen
muß, die nur beispielsweise angegeben sind. Ebenso kann die Formgebung der miteinander
zu verschweißenden Rohrenden abgeändert werden. Beispielsweise können die Enden
der Rohre 10a, 11 a eine gerade Abschrägung 22 ä., 23 a aufweisen, und der Steg
25 a kann mit entsprechenden Seiten 31 a, 33 a versehen sein, um die spitz zulaufenden
Ansätze 18a, 19a. an den Enden der abgeschrägten Rohre 10a, 11a aufzunehmen. Ebenso
kann der Umriß des Flanschteils gerade Seitenflächen aufweisen, die ein einem Bogen
sich näherndes Vieleck bilden, wie in Fig. 11 dargestellt ist, gemäß welcher der
Flanschteil 26 b einen vieleckigen Querschnitt besitzt. Der Steg- und der Flanschteil
des Schweißringes sind nur- so zu bemessen, daß das Verhältnis der Metallmenge im
Stegteil zu der Metallmenge im Flanschteil pro Längeneinheit in Grenzen gehalten
wird, daß beim Wurzelschweißen sowohl der Stegteil als auch der Flanschteil des
Einsatzes in dem Maße des Fortschreitens des Schweißvorganges vollständig zum Schmelzbad
zusammengeschmolzen werden und daß an allen Stellen zwischen dem Schweißmetall und
dem Grundmetall ein Eindringen des Schweißmetalls in das Grundmetall erzielt wird.
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Gemäß der Fig. 12, die eine bevorzugte Ausführungsform darstellt,
weist der Flanschteil26 des Einsatzes l.5 eine bogenförmige Umfangsfläche 29 auf,
wobei der Bogen ein Kreis ist mit einem Mittelpunkt 65 und einem Halbmesser r, sowie
ebene Schulterteile 27, 28 in derselben Ebene 67, aus der der Steg 25 zwischen den
Schulterteilen nach außen ragt. Der Steg besitzt von der Seitenwand 31 zur Seitenwand
33 eine Breite w und von der äußeren Oberfläche 66 bis zu der Ebene 67 der Schultern
27, 28 eine Höhe h.. Der Stegteil 25 oberhalb der Ebene 67 besitzt eine Querschnittsfläche
Aa und der F'lanschteil 26 unterhalb der Ebene 67 eine Querschnittsfläche
Ab. Bei der dargestellten Ausführungsform hat der Halbmesser r des Flanschteiles
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eine Länge von 2 mm, der Steg eine Breite von 1,6 mm und eine Höhe von 1,6 mm. In
diesem Falle beträgt die Querschnittsfläche Aa = 2,45 mm2 und die Querschnittsfläche
Ab = 7,74 mm2, was einem Verhältnis der Metallmenge im Stegteil zur Metallmenge
im Flanschteil pro Längeneinheit von 0,317 entspricht. Ein Einsatz mit einer derart
bernessenen Ouerschnittsfläche kann gemäß der Erfindung zum Verschweißen der aneinanderstoßenden
Enden von Rohren oder Zylindern mit einer großen Anzahl von Durchmessern zwischen
5 und 400 mm oder mehr verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Wandstärke des Rohres
oder Zylinders gleich ist der Höhe des Steges oder, wenn die Wandstärke beträchtlich
größer ist als die Höhe des Steges, die Wände so abgeschrägt sind, daß sie Wurzelflächen
bilden, die gegen den Steg stoßen, so daß die Breite der Wurzelflächen der Höhe
des Steges entspricht. Vorzugsweise soll die Wandstärke der Wurzelfläche die Höhe
des Steges des Einsatzes nicht übersteigen.
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Der Steg, der nicht über den Kreisumfang hinausgehen soll, weist eine
Höhe auf, die zwischen dem 1,3- bis 0,75fachen des Halbmessers dieses Kreisumfanges
liegt. Bei diesen Grenzwerten für die Höhe ist zugleich auch die Höhe des mittleren
Teils des Kreissegmentes, das den Flansch bildet, bestimmt, die zwischen den Werten
2 r - 1,3 r = 0,7 r und 2 r - 0,75 r
=1,25 r liegt.
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Die Querschnittsfläche des Steges soll dem 0,6- bis 0,2fachen der
Querschnittsfläche des Flansches entsprechen, je nachdem, ob die Höhe des Steges
zwischen dem 1,3- und 0,75fachen des Halbmessers liegt, d. h. ob die Querschnittsfläche
des Flansches dem unteren oder dem oberen Grenzwert gleich ist. Wenn daher die Querschnittsfläche
des Flansches am kleinsten und die Höhe des Steges am größten ist, muß das Verhältnis
von Ouerschnittsfläche des Steges zu Querschnittsfläche des Flansches am größten
sein, damit der Steg keine vernachlässigbare Breite hat. Wenn jedoch die Querschnittsfläche
des Flansches am größten und die Höhe des Steges am kleinsten ist, muß das Verhältnis
von Ouerschnittsfläche des Steges zu Querschnittsfläche des Flansches am kleinsten
sein, damit der Steg keine zu große Breite hat. Wenn das Verhältnis der Querschnittsflächen
zwischen den oben angegebenen Grenzwerten und auch die Höhe des Steges in der angegebenen
Weise gewählt ist, ergibt sich daraus die Breite des Steges.
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Obwohl die Erfindung insbesondere für das Verschweißen von Rohren
aus nichtrostendem Stahl beschrieben worden ist, kann diese nicht nur auf das Verschweißen
von Stahlrohren und Rohren aus anderen Metallen, sondern auch auf das Verschweißen
von Formteilen aus anderen Metallen und Legierungen angewendet werden, Sie ist insbesondere
in den Fällen nützlich, bei denen dem Schweißer nur die Vorderseite der zu schweißenden
Verbindung zugänglich ist, weil der auf der Innenseite der Verbindung zwischen den
aneinanderstoßenden, zu verschweißenden Teilen angeordnete Einlegering beim Wurzelschweißen
tatsächlich auch als eine sich verbrauchende und schmelzbare Haltevorrichtung dient,
aber infolge des vollständigen Schmelzens ein fester Bestandteil einer gesunden
Schweißverbindung wird. -