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Lichtbogen-Schutzgasschweißverfahren für Längsnähte, insbesondere
an Rohren, und Elektrodenanordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
betrifft ein Lichtbogen-Schutzgasschweißverfahren für Längsnähte, insbesondere an
Rohren mit gerader oder spiraliger Schweißnaht oder an gewölbten Blechen, wobei
die Nahtkanten zum Schweißen spitzwinklig zusammengeführt werden.
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Es sind bereits Verfahren der erwähnten Art bekannt, nach denen die
zu verschweißenden Kanten hinter ihrem Berührungspunkt durch einen Lichtbogen erhitzt
werden, wobei das Werkstück als Elektrode dient. Bei diesem Verfahren entsteht auf
der dem Lichtbogen zugewendeten Seite des Werkstückes eine breite Aufschmelzung,
welche einen großen Leistungsaufwand erfordert. Die Schweißgeschwindigkeit ist hierbei
nicht mehr wesentlich steigerungsfähig. Das gilt auch für ein bekanntes Rohr-Schutzgasschweißverfahren,
bei dem der Lichtbogen zwar vor dem Berührungspunkt der Nahtkanten brennt und teilweise
in den Schweißspalt eindringt, ihn jedoch nicht durchsetzt, da das Werkstück selbst
Elektrode ist.
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Es wurde auch schon versucht, beide Kanten unter Ausnutzung des Skineffektes
mit einem Hochfrequenzstrom bei Frequenzen von 0,1 bis 1 MHz und Leistungen von
10 bis 100 KVA zu verschweißen. Bei diesem Verfahren entwickelt sich die Wärme vorwiegend
an der Oberfläche der Schweißkanten, so daß sich hierbei theoretisch ein geringerer
Leistungsbedarf und damit größere Schweißgeschwindigkeiten erreichen lassen. Diese
Anlage ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und bedarf wegen der zu erwartenden
Störstrahlung der Genehmigung durch die Behörden.
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Die üblichen Unterpulver- und Schutzgas-Verfahren, bei denen der Lichtbogen
zwischen Werkstück und Elektrode brennt, arbeiten mit normaler Lichtbogentemperatur
bei nicht eingeschnürtem Lichtbogen; somit ist bei diesen Verfahren das Werkstück
selbst der eine Pol des Lichtbogens. Wenn genügend tief durchgeschweißt werden soll,
muß jedoch, im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Verfahren, das Werkstück in breiter
Zone aufgeschmolzen werden, was einen höheren Energieaufwand erfordert und außerdem
keine hohen Schweißgeschwindigkeiten erlaubt. Bei dem bekannten Verfahren mit eingeschnürtem
Lichtbogen wird wohl eine hohe Lichtbogentemperatur verwendet, jedoch brennt auch
hier der Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück, und die Schweißnaht wird unnötig
breit aufgeschmolzen, woraus sich die gleichen Nachteile ergeben wie bei den obenerwähnten
üblichen Unterpulver- und Schutzgas-Schweißverfahren.
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Die Lichtbogentemperatur ist am höchsten im eingeschnürten Lichtbogenteil.
Bei den Verfahren mit durch eine Düse und einen Gasstrom eingeengter Lichtbogen-Plasmasäule
liegt diese heiße Zone an der Einschnürungsdüse und erwärmt diese unnötig; sie muß
deshalb stark gekühlt werden. Das gilt auch für die Verfahren, bei denen der Lichtbogen
zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und der Düse als Gegenelektrode brennt
und durch den Schutzgasstrom ausgelenkt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
liegt jedoch der heißeste Teil der Lichtbogensäule an den Rohrkanten, da diese selbst
zur Einschnürung des Lichtbogens herangezogen werden. Dadurch wird die hohe Temperatur
des vorbeiströmenden Lichtbogens an den Stirnflächen des Schlitzrohrs ausgenutzt,
so daß sich eine schmale Aufschmelzzone ergibt. Es können sehr hohe Energien angewandt
werden, da der Lichtbogendruck nicht, wie bei den üblichen Lichtbogen-Schweißverfahren
mit dem Lichtbogenfußpunkt im Schmelzbad, senkrecht auf eine breite, flüssige Zone
einwirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum fortlaufenden
Schweißen von Längsnähten, insbesondere an Rohren und gewölbten Blechen, welches
bei geringem Leistungsbedarf und großen Schweißgeschwindigkeiten mit billigen und
preiswert herstellbaren Vorrichtungen auskommt. Erreicht wird dies dadurch, daß
in bekannter Weise ein zwischen zwei nicht abschmelzenden oberhalb und unterhalb
der Schweißnaht angeordneten Elektroden brennender Lichtbogen den Schweißspalt durchsetzt
und
daß der Lichtbogen dicht vor dem Berührungspunkt der zusammengeführten Kanten unter
Einschnürung des Entladungskanals durch den Schweißspalt geführt wird.
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Zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens genügen normale Schweißstromquellen,
z. B. Schweißumformer, Schweißgleichrichter oder Schweißtransformatoren. Diese Stromquellen
sind im Gegensatz zu Hochfrequenzgeneratoren billig, einfach sowie betriebssicher
und weisen einen hohen Wirkungsgrad auf. Außerdem sind ähnlich wie bei der Höchfrequenz-Widerstandsschweißung
und im Gegensatz zu den bisher bekannten Lichtbogenschweißverfahren bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren ebenfalls sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich, da der durch den
spitzwinkligen Spalt geführte Lichtbogen Temperaturen bis zu 50 000° C erreichen
kann und die zu verschweißenden Kanten wegen der hohen Schweißgeschwindigkeit nur
in geringer Tiefe aufgeschmolzen werden. Durch Veränderung der Form des Lichtbogens,
des Stromes und der verwendeten Schutzgase kann die Schweißgeschwindigkeit in weiten
Grenzen gewählt werden.
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Eine zweckmäßige Elektrodenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß eine der beiden Elektroden, vorzugsweise die Anode,
stangenförmig ausgebildet und parallel zur Schweißnaht, vorzugsweise unter ihr,
fest angeordnet ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die feste Elektrode in an sich bekannter
Weise hohl und von einem Kühlmittel durchströmt ist.
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Eine zweckmäßige Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gegeben, daß die Elektroden in bekannter Weise auf derselben Seite, vorzugsweise
oberhalb der Schweißnaht, in Schweißrichtung hintereinander angeordnet sind und
daß der zwischen ihnen brennende Lichtbogen mittels eines Schutzgasstrahles durch
den Schweißspalt hindurch ausgelenkt wird.
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Es ist vorteilhaft, wenn in bekannter Weise zwischen einer der beiden
Elektroden und dem Werkstück eine Einengungsstelle für den Lichtbogen und den ihn
umhüllenden Schutzgasstrahl in Form einer Düse angeordnet ist.
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Eine günstige Elektrodenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und seiner Abwandlung besteht darin, daß in bekannter Weise wenigstens
eine der beiden Elektroden eine Meißelelektrode mit der Schneide parallel zur Schweißnaht
und .die zugehörige Schutzgasdüse eine entsprechende Schlitzdüse ist.
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Insbesondere bei Leichtmetallen kann es vorteilhaft sein, daß zum
Vorwärmender Werkstückkanten bzw. Aufreißen der Oxydhäute in an sich bekannter Weise
ein weiterer Lichtbogen, in Schweißrichtung gesehen vor dem Schweißlichtbogen, zwischen
einer Elektrode und den Nahtkanten als Kathode brennt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im Zusammenhang mit der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in Draufsicht, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung nach der Linie 11-II von Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch
ein abgeändertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung
nach der Linie IR-111 von Fig. 1 in schematischer Darstellung, Fig. 4 die zu verschweißenden
Kantenzweier Werkstücke im Schnitt nach der Linie II-II von Fig. 1 in vergrößerter
Darstellung.
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Fig. 1 zeigt in Draufsicht zwei zu verschweißende Bleche 1 und 2,
deren Kanten 3 und 4 in laufendem Vorschub, eventuell unter geeigneter Verwindung
der freien Enden, spitzwinklig zusammengepreßt werden und sich in einem Punkte 5
berühren. Vor dem Berührungspunkt 5 der Kanten 3 und 4 ist eine Lichtbogenschweißvorrichtung
6 angeordnet, welche die Oberfläche 3 a und 4 a der zu verschweißenden Kanten 3
und 4 über den Schmelzpunkt erhitzt (siehe Fig. 4).
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Die Lichtbogenschweißvorrichtung umfaßt gemäß dem Ausführungsbeispiel
von Fig. 2 eine senkrecht auf der Oberfläche der gewölbten Bleche 1 und 2 stehende
Elektrode 7 sowie eine rohr- oder stangenförmige Elektrode 8, welche beide aus nicht
abschmelzendem Material bestehen. Die bei rohrförmiger Ausbildung zweckmäßig von
einem Kühlmittel durchströmte Elektrode 8 ist gegenüber der Elektrode 7 angeordnet
und von dieser durch die Bleche 1 und 2 bzw. einen durch die Kanten 3 und 4 gebildeten
spitzwinkligen Spalt 9 getrennt. Die Elektrode 8 erstreckt sich parallel zur Vorschubrichtung
der Bleche 1 und 2 oder bei der Herstellung von Rohren parallel zu deren Längsachse
und ist durch eine isolierende Einbettung 10 in konstantem Abstand von dem Berührungspunkt
5 der zu verschweißenden Kanten 3 und 4 gehalten. Zwischen der Elektrode 7 und dem
Spalt 9 ist in dem Boden 11 eines die Elektrode 7 umschließenden, vorzugsweise aus
Kupfer bestehenden Topfes 12 eine düsenartige Einengung 13 mit kreisförmigem Querschnitt
angebracht, deren Durchmesser etwas größer als die Breite des Spaltes 9 ist. Der
Raum zwischen dem Boden des Topfes 12 und den zu verschweißenden Kanten 3 und 4
ist durch einen an den Werkstücken 1 und 2 möglichst gasdicht anliegenden Mantel
14 umschlossen. Ferner sind die Wandungen des Topfes 12 mit Kanälen 15 zum Durchströmen
eines Kühlmittels versehen.
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Beim Betrieb des Lichtbogens nach Fig. 2 wird in Richtung des Pfeiles
parallel zu der Elektrode 7 ein Schutzgas in den Topf 12 eingeblasen. Die heiße
Plasmasäule des Lichtbogens wird dann sowohl durch die Düse 13 als auch durch den
Spalt 9 eingeengt, wobei die Kanten 3 und 4 erhitzt werden. Die Elektrode 8 ist
vorzugsweise mit dem Pluspol, die Elektrode 7 mit dem Minuspol einer üblichen Schweißstromquelle
16 verbunden.
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Die beschriebene Vorrichtung ist besonders zum Sehweißen von Rohren
mit gerader oder spiralförmiger Schweißnaht geeignet. Statt der Bleche 1 und 2 ist
in diesem Fall nur ein einziges Werkstück vorhanden, dessen Kanten 3 und 4 in laufendem
Vorschub miteinander verschweißt werden.
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Für die Abwandlung des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens
sind nach Fig. 3 zwei Elektroden 17 und 18 auf der selben Seite des spitzwinkligen
Spaltes 9 angeordnet. In Richtung der kurzen Pfeile wird auf den Bogen ein Schutzgas
geblasen, so daß sich der Lichtbogen nach unten durchwölbt und den Spalt 9 an zwei
Punkten 19 und 20 durchläuft. Die Einengung der Plasmasäule erfolgt hierbei durch
den Spalt 9 allein, kann jedoch entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig.2 auch
durch zusätzliche
Düsen oder Spalte 13 erfolgen. Auch in diesem
Fall sind die Elektroden 17 und 18 von dem oder den Werkstücken isoliert.
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Es können auch mehrere Lichtbögen hintereinander angeordnet sein,
wobei die Erwärmung in Richtung des Vorschubs auf eine längere Strecke ausgedehnt
wird. Um insbesondere bei Leichtmetallen die Oxydhäute der zu verschweißenden Kanten
3 und 4 aufzureißen und gleichzeitig diese Kanten vorzuwärmen, kann in der Nähe
der Lichtbogenschweißvorrichtung 6 zwischen einer Elektrode 21 und den Nahtkanten
3 und 4 als Kathode ein weiterer Lichtbogen in üblicher Art brennen. Die Zündung
des oder der Lichtbögen zu Beginn des Schweißvorgangs kann in bekannter Weise entweder
durch Hochfrequenz oder durch Hochspannungsimpulse erfolgen.
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Die Einengungsstelle 13 kann entweder die Form einer Zylinderbohrung
besitzen oder in vorteilhafter Weise schlitzförmig ausgebildet sein, wobei in diesem
Fall die Länge der erwärmten Strecken größer ist; die der Einengungsstelle 13 benachbarten
Elektroden weisen dann zweckmäßig einen meißelförmigen Anschliff auf.
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Das den Lichtbogen in den Spalt 9 einblasende Schutzgas kann in bekannter
Weise aus Edelgas oder einem Gemisch aus Edelgas mit einem Zusatz von weiteren Gasen
bestehen.