DE1515228C - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Lichtbogen unter Schutzgas. Arlm: Union Carbide Corp., New York, N.Y. (V.StA.) - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine erfordert dieses nach Art einer Brause ausgebildete

Vorrichtung zum Bearbeiten, z. B. Schweißen oder System für den Ausschluß des Zutritts von Luft

Schneiden, von Werkstücken mittels Lichtbogen, bei große Schutzgasmengen oder aber eine so groß-

denen ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer flächige Abschirmung der Schweißstelle, daß

Elektrode und dem Werkstück gebildet und das 5 diese vom Schweißer nicht ohne weiteres einzu-

Werkstück mittels eines inneren und eines äußeren sehen ist.

Schutzgasstroms gegen die Atmosphäre abgeschirmt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

wird, wobei die Schutzgasströme unterschiedliche Verfahren der eingangs genannten Art so auszu-

Zusammensetzung haben sowie beide gegen das bilden, daß. der Schweißer die Schweißung während

Werkstück gerichtet und zusammen mit dem Licht- io ihrer Herstellung ständig ungehindert beobachten

bogen entlang einem bestimmten Weg über das kann.

Werkstück geführt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 2 856 510), löst, daß der äußere Schutzgasstrom in Form einer

beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen zusätzlich zu kohärenten Strömung erzeugt wird, in dem er in an

dem den Lichtbogen unmittelbar umhüllenden 15 sich bekannter Weise durch ein aus einer Mehrzahl

Schutzgasstrom einen gesonderten äußeren Schutz- von dünnwandigen Trennwänden bestehendes Gitter

gasstrom zu verwenden, der in eine langgestreckte hindurchgeleitet wird. Eine überraschende Folge

kastenförmige Abschirmung eingeleitet wird, um ins- dieser Maßnahme ist es, daß die zur Ausbildung des

besondere die in Vorschubrichtung hinter dem äußeren Schutzgasstromes dienende Einrichtung ab-

Brenner liegenden Schweißnahtteile vor schädlichem 20 weichend von der bekannten Lösung ohne Beein-

Luftzutritt zu schützen. trächtigung der Schutzwirkung in einem solchen

Als Abschirmung wird dabei ein unten offenes Abstand vom Werkstück gehalten werden kann, daß

Gehäuse benutzt, das mit seinen unteren Kanten auf sie die Beobachtung der Schweißstelle zuläßt. Ein

dem Werkstück gleitend aufsitzt. Dies macht die weiterer wichtiger Vorteil ist, daß eine gegenseitige

Handhabung des Brenners aber äußerst schwierig, 25 Vermischung der beiden Schutzgasströme weitgehend

da der Schweißer die Schweißstelle nicht ausreichend vermieden wird. ■ "

beobachten kann. Dadurch, daß die bekannte Ab- Die Verwendung von kohärenten oder laminaren

schirmung eine lichtdurchlässige vordere Stirnwand Schutzgasströmen ist beim Lichtbogenschweißen

aufweist, ist eine wirksame Abhilfe nicht zu schaffen. zwar bekannt, dabei handelt es sich jedoch um völlig

Die durchsichtige Stirnwand wird im Betrieb leicht 30 andere Problemstellungen.

verschmutzen oder beschlagen. Außerdem erlaubt sie So ist es z. B. bekannt (USA.-Patentschrift

allenfalls, von vorne auf die Arbeitsstelle zu blicken, 2 859 328), beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen mit

ermöglicht es dem Schweißer jedoch nicht, z. B. sofort Helium für einen hinreichend steifen Schutzgasstrom

die Güte einer gerade hergestellten Schweißnaht zu bei verhältnismäßig niedrigen Gasdurchflußmengen

beurteilen. Wollte man, um bessere Sichtverhältnisse 35 dadurch zu sorgen, daß der innere Schutzgasstrom

zu schaffen, die Abschirmung in ausreichendem Ab- aus leichtem Heliumgas mit einem konzentrischen,

stand von der Werkstückoberfläche halten, ginge die turbulenzfrei strömenden »Mantel aus schwererem

angestrebte Schutzwirkung verloren. Argongas umhüllt wird. Der aus den beiden Teil-

Bei einem weiteren bekannten Schutzgas-Licht- strömen zusammengesetzte, aus einem schlanken bogenschweißgerät (deutsche Patentschrift 881 561) 4° Brenner austretende Schutzgasstrom hat verhältniswerden zwei in Schweißrichtung hintereinander an- mäßig kleinen Durchmesser und dient ausschließlich geordnete Schutzgasströme vorgesehen, nämlich ein der Abschirmung der Schweißstelle selbst. Demgegenden Lichtbogen umhüllender, aus der Brennerdüse über geht es bei der vorliegenden Erfindung darum, austretender Schutzgasstrom sowie ein davon voll- in Fällen, in denen eine großflächige Schutzwirkung kommen getrennter, auf einen Werkstückbereich 45 erforderlich ist, die insbesondere auch den in Vorhinter dem Brenner gerichteter Hilfsschutzgasstrom, schub- oder Schweißrichtung hinter dem Brenner der über eine trichterförmige Hilfsdüse zugeführt . liegenden Werkstückbereich einbezieht und die eine wird. Eine derartige Gasführung liefert eine erheblich verhältnismäßig sperrige, sichthindernde mechanische schlechtere Schutzwirkung als sie erhalten wird, wenn Abschirmhaube erfordert, für eine gute Sichtbarkeit ein innerer Schutzgasstrom verwendet wird, der von 50 der Arbeitszone zu sorgen. Dabei spielt die Dichte einem äußeren Schutzgasstrom umgeben ist. Damit der in den beiden Gasströmen verwendeten Schutzbei der bekannten Anordnung der Hilfsschutzgas- gase keine Rolle. Im übrigen würden die in diesem strom wirksam werden kann, muß die Hilfsdüse so Zusammenhang bekannten Mittel zur Lösung der dicht wie möglich über dem Werkstück gehalten Aufgabe der Erfindung auch nicht geeignet sein. Zur werden; Dadurch verliert aber der Schweißer wieder- 55 Ausbildung des turbulenzfreien Schutzgasstromes ist um die Möglichkeit, die Schweißstelle ausreichend nämlich bei dem bekannten Brenner ein mit Löchern zu beobachten. versehener Verteilerring in das obere, vom Düsen-

Es ist ferner bekannt (USA.-Patentschrift auslaß abliegende Ende einer langen Gasleitdüse 2 053 417), am vorderen Ende eines Schweißbrenners eingesetzt. Ein großflächiger kohärenter Hilfsgaseine allseitig geschlossene Schutzgashaube vorzu- 60 strom, wie er erfindungsgemäß erstrebt und verwirksehen, die einen gewissen Zwischenraum zum Werk- licht wird, kann auf diese Weise nicht erhalten stück freiläßt und in die Schutzgas eingeleitet wird, werden.

das ,aus mehreren im Boden der Schutzgashaube Auch ist es bekannt (deutsche Auslegeschrift

verteilt angeordneten Löchern austritt und die 1000 939), einen laminaren äußeren Hilfsgasstrom

Schweißstelle durch ein Feld von einzelnen Schutz- 65 durch eine kegelförmige Schlitzdüse hindurch unter

gasstrahlcn schützt. Abgesehen davon, daß dabei einem Winkel gegen den die Elektrode des Schutzgas-

keine inneren und äußeren Sehutzgasströme von Lichtbogenschweißbrenners umhüllenden inneren

unterschiedlicher Zusammensetzung benutzt werden, Schutzgasstrom zu blasen. Dabei tritt aber eine starke

Verwirbelung spätestens dann ein, wenn der Hilfsgassfrom auf den inneren Schutzgasstrom auftrifft, was ungefähr auf halbem Wege zwischen dem unteren Ende der Gasleitdüse des Brenners und dem Werkstück der Fall ist. Es versteht sich, daß infolgedessen eine großflächige Schutzwirkung nicht herbeizuführen ist. Noch viel weniger wäre es möglich, eine solche Schutzwirkung auch dann zu erzielen, wenn die Schutzgasströme aus Gründen der leichteren Beobachtbarkeit der Arbeitszone eine relativ lange Strecke ohne zwangsweise Wandführung zurücklegen müssen.

Eine zur Durchführung des neuen Verfahrens geeignete Vorrichtung mit einem Schutzgas-Lichtbogenschweißbrenner, der eine Düse aufweist, um die herum eine Einrichtung zur Einführung eines zweiten Schutzgasstromes angeordnet ist, der den aus der Düse austretenden Schutzgasstrom umgibt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Endteil der Düse durch die Oberseite einer hohlen Abschirmung ragt, die ein in an sich bekannter Weise aus einer Mehrzahl dünnwandiger, zur Unterseite der Abschirmung reichender Trennwände bestehendes Gitter enthält und oberhalb des Gitters mit einem Einlaß zur Einführung; eines gesonderten Schutzgasstromes versehen ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 einen Aufriß einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der bevorzugten Ausführungsform des neuen Verfahrens,

Fig. 2 eine Ansicht eines Teils der Vojrichtung nach Fig. 1, von unten gesehen,

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 für eine abgewandelte Ausführungsform,

F i g. 4 einen lotrechten Axialschnitt einer weiteren abgewandelten Ausführungsform,

F i g. 5 eine Ansicht der Anordnung nach F i g. 4 von unten, und

F i g. 6 eine Ansicht ähnlich F i g. 5 einer weiteren abgewandelten Ausführungsform.

Die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung weist einen mit inertem Schutzgas betriebenen Lichtbogenbrenner T auf, bei dem zwischen einer Elektrode E und einem Werkstück W ein Lichtbogen aufrechterhalten wird, während die Vorrichtung auf einer Bahn entlang dem Werkstück vorbewegt wird. Es ist ferner eine DüseN vorgesehen (Fig. 2 und 3), die einen Schutzgasstrom entlang der Elektrode E strömen läßt, um den Lichtbogen abzuschirmen. Der Brenner T wird von einem Gestell F getragen, das außerdem die erfindungsgemäße Hilfsabschirmung abstützt.

An den Brenner T ist eine kastenförmige Abschirmung 10 mit rechtwinkligem Querschnitt angebracht, die innen mit einem Gitter 13 versehen ist, das parallele, lotrechte, in Längsrichtung verlaufende Trennwände 12 und parallele, lotrechte, in Querrichtung verlaufende Trennwände 14 aufweist. In die Ab- ~scT#rmunglO ist oberhalb des Gitters 13 ein der Gaszuführung dienendes Rohr 15 eingebaut, das zur Verteilung des Schutzgases mit in Längsrichtung des Rohres verteilt angeordneten Löchern versehen ist. Bei dieser Bauweise liegen die größeren Wanclllächen des Gitters parallel zur Strömungsriclitung des äußeren oder Hilfsschutzgasstromes; sie bilden Kanäle von im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche.

Die Trennwände beider Trennwandgruppen haben vorzugsweise gleichen Abstand voneinander, und die Seitenwände des Abschirmungsgehäuses 10 sind vorzugsweise durchsichtig, um die Sichtmöglichkeit innerhalb der Schweißzone zu verbessern. Wenn das Schutzgas keine Feststoffteilchen mitführt, sind vorteilhafterweise zwischen dem Rohr 15 und dem Gitter 13 eine oder mehrere Lagen 16 aus porösem Material, z. B. poröser Bronze, angeordnet, die als Diffusorplatten für das aus dem gelochten Rohr 15 austretende Gas dienen. ■ .

Bei der in F i g. 3 veranschaulichten Bienenwabenform sind die Gaskanäle hexagonal und werden von drei Gruppen 20, 21 und 22 von parallelen Wänden gebildet, die jeweils einen gegenseitigen Winkel von 120° einschließen. Bei beiden Ausführungsformen fluchten vorzugsweise die unteren Enden des Gitters mit der unteren Stirnfläche der Abschirmung.

Schutzgas-Lichtbogenschweißungen wurden unter * Verwendung einer nichtabschmelzenden Elektrode an einem 1,6 mm dicken Werkstück aus rostsicherem Stahl mit und ohne Gitter ausgeführt, wobei der Abstand zwischen Abschirmung und Werkstück 38 mm betrug. Die Schweißbedingungeri waren: Vorschub 635 mm/min, 125 Ampere Gleichstrom, Elektrode negativ, 10 Volt Lichtbogenspannung. Argon wurde in einer Durchflußmenge von 0,28 m³/h durch die Düse sowie mit einer Durchflußmenge von 3,36 nvVh durch die Abschirmung hindurchgeleitet. Wie bei diesem extremen Abstand zwischen Abschirmung und Werkstück zu erwarten war, wurde die Schweißung bei fehlendem Gitter kaum oder überhaupt nicht geschützt. Die Oberfläche der Schweißnaht war wegen der starken Oxydation rauh und entfärbt. Nach Einbau des rechteckig ausgebildeten Gitters wurde dagegen, die Schutzwirkung wesentlich verbessert. Eine einzige Lage des hexagonalen Gitters führte zu einer noch stärkeren Verbesserung; bei zwei Lagen des hexagonalen Gitters war der Schutz vollkommen; es ergab sich eine glatte, glänzende, silbrige Schweißraupenoberfiäche. Bei Einbau von zwei Lagen des hexagonalen Gitters wurden die sechseckigen Kanäle einer Gitterlage versetzt zur anderen Lage angeordnet. Bei einer größeren Gasdurchflußmenge von etwa 4,24 nvVh Argon würde auch mit einem rechtwinkligen Gitter ein vollkommener Schutz erzielt. Ohne ein Gitter ergaben indessen auch größere Durchflußmengen keine bemerkenswerten Verbesserungen. Vielmehr war es zur Erzielung brauchbarer Schweißergebriisse nötig, den Abstand der Abschirmung vom Werkstück auf ungefähr 9,5 mm zu vermindern.

Bei der in den F i g. 4 und 5 veranschaulichten Ausführungsform weist die Abschirmung ein Gehäuse 25 mit verhältnismäßig, dicken, wassergekühlten, metallischen Außenwänden auf. Das Gitter besteht aus mehreren dünnwandigen, konzentrischen Metallrohren 26, die zu einem Einsatz zusammengefaßt sind, der im Gehäuse 25 montiert ist. Die Rohre sind im Abstand zueinander und zum Gehäuse mit Hilfe von Drahtstiften 27 gehaltert, die an die Rohre angeschweißt sind. Die Stifte sind so angeordner, tlaß sie kein Eindringen von Luft in den äußeren Schutzgasstrom bewirken. Wie aus F i g. 4 hervorgeht,' enden die Stifte gut oberhalb der Unterkante der von den Rohren gebildeten Düsen: sie

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sind außerdem so gestaffelt, daß in dem äußeren Schutzgasstrom kein zusammenhängender offener Weg entsteht, über den Luft in den äußeren Schutzgasstrom gelangen kann. Ein Drahtgitter 30 stellt eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Schutzgases auf sämtliche Ringkanäle zwischen benachbarten Metallrohren 26 sicher. Fig. 6 zeigt eine von vielen möglichen abgewandelten Ausführungsformen, bei der die Drahtstifte durch gewellte Wände 32 ersetzt sind, die das Gitter zusammenhalten und versteifen.

Der Abstand zwischen den Metallrohren 26 wird vorzugsweise klein, und zwar in der Größenordnung von 4,7 mm oder weniger, gehalten. Der Außendurchmesscr der Abschirmung kann beliebig groß sein; er wird'in erster Linie durch den Oberflächenbereich bestimmt, der an der Schweißstelle abgeschirmt werden muß. Das Verhältnis zwischen der abzuschirmenden Schweißzone und dem Querschnitt der Abschirmung liegt annähernd bei 1:1. ao

♦ In einigen Fällen lassen sich an Stelle von Metall für das Gitter und/oder das Außengehäuse andere Werkstoffe, wie hochtemperaturbeständige keramische Werkstoffe, verwenden. Um zu einer unbehinderten Sicht auf die Schweißzone beizutragen, as sind die unteren Enden der Rohre gegenüber dem jeweils nächst innen liegenden Rohr etwas nach oben zurückgesetzt.

Kohärente Ströme wurden mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung auch dann erzielt, wenn dem Gas ein pulverförmiges Flußmittel zugesetzt wurde. Es konnte dabei genau die Zone bestimmt werden, auf die die Teilchen aufprallen. Gemäß den jeweiligen Anforderungen der Schweißzone oder der umliegenden Zonen können auch Teilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften benutzt werden. Beispielsweise wurden für die innere Zone Stoffe verwendet, die eine oder mehrere der folgenden Wirkungen zeigen: Änderung der Elektrodenabschmelzgeschwindigkeiten, Änderung der Lichtbogenspannung, Desoxydation des Schweißgutes im geschmolzenen Zustand, Legierung des Schweißgutes zur Erzielung besserer Schweißg'uteigenschaften und Beeinflussung der Fließfähigkeit des Schweißgutes zwecks Ausbildung einer gewünschten Oberfläche der Schweißung. Für die äußere Zone werden die Teilchen nach anderen Gesichtspunkten ausgewählt. Beispielsweise wurden Teilchen verwendet, die in erster Linie als Abdeckung für die wärmebeeinflußte Zone und das erstarrte Schweißgut wirken, um einen Schutz für eine gewisse Zeitspanne zu gewährleisten, nachdem der Brenner von der betreffenden Zone wegbewegt worden ist

Claims (11)

Patentansprüche: 55

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mittels Lichtbogen, bei dem ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und.dem Werkstück gebildet und das Werkstück mittels eines inneren und eines äußeren Schutzgasstroms gegen die Atmosphäre abgeschirmt wird, wobei die Schutzgasströme unterschiedliche Zusammensetzung haben sowie beide gegen das Werkstück gerichtet und zusammen mit dem Lichtbogen entlang einem bestimmten Weg über das Werkstück geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Schutzgasstrom in Form einer kohärenten Strömung erzeugt wird, indem er in an sich bekannter Weise durch ein aus einer Mehrzahl von dünnwandigen Trennwänden bestehendes Gitter hindurchgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil des kohärenten äußeren Schutzgasstroms gegen die mit Bezug auf die Vorschubrichtung hinten liegenden Teile des Werkstücks gerichtet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Schutzgas-Lichtbogenschweißbrenner, der eine Düse aufweist, um die herum eine Einrichtung zur Einführung eines zweiten Schutzgasstromes angeordnet ist, der den aus der Düse austretenden Schulzgasstrom umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Endteil der Düse (N) durch die Oberseite einer hohlen Abschirmung (10, 25) ragt; die ein in an sich bekannter Weise aus einer Mehrzahl dünnwandiger, zur Unterseite der Abschirmung reichender Trennwände bestehendes Gitter (13, 26) enthält und oberhalb des Gitters mit einem Einlaß zur Einführung eines gesonderten Schutzgasstromes versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung als langgestrecktes Gehäuse (10) ausgebildet ist, die Düse (N) am einen Ende des Gehäuses angeordnet ist und der Einlaß für den gesonderten Schutzgasstrom ein gelochtes Rohr (15) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohr (15) und dem Gitter (13, 26) eine oder mehrere Lagen (16, 30) aus porösem Material angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3. bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (13) von zwei im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufenden Gruppen ebener Trennwände (12, 14) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter als Sechseckwaben-Gitter ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus mehreren übereinander angeordneten Lagen besteht, deren Gasdurchtrittskanäle gegeneinander versetzt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter aus einer Folge von konzentrischen, dünnwandigen Rohren (26) besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre mittels gewellter Wände (32) miteinander verbunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (26) mit Bezug auf das jeweils nächste innen liegende Rohr etwas nach oben zurückgesetzt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen