DE1565691A1

DE1565691A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Unterpulverschweissen dicker Stahlbleche

Info

Publication number: DE1565691A1
Application number: DE19661565691
Authority: DE
Inventors: Anton Buchmeier; Dipl-Ing Dr Wilhelm Mantel; Dipl-Ing Dr Lothar Wolff
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1966-12-16
Filing date: 1966-12-16
Publication date: 1970-02-26
Also published as: GB1167609A; NO126066B; CH471627A; DK127545B; NL6716806A; FR1549699A; BE707552A; DE1565691B2; SE358323B; US3517155A

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

H-GG /OGf)
Sra/roe
(H 341) 1565691 15. Dez. 1966

Verfahren und Vorrichtung

zum
Unterpulverschweißen dicker Stahlbleche.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Jnterpulverschweißen, insbesondere zum Durchschweißen, von Nähten dicker Stahlbleche von einer Seite her.

Das Unterpulverschweißen von Stahlblechen mit Wandicken von mehr als 8 mm wird im allgemeinen so ausgeführt, daß ie Naht bei horizontaler Lage der Bleche in zwei oder mehr Areitsgängen von der einen Seite der Bleche aus bis auf einen Rest urangeschweißt und anschließend, nachdem die teilverschweißten leche gewendet worden sind, der Restquerschnitt von der anderen eite aus fertiggeschweißt wird. Vor allem im Schiffsbau spielt

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das Verschweißen von dicken Blechen eine große Rolle. Besonders auf diesem speziellen Anwendungsgebiet hat jedoch das beidseitige Schweißverfahren erhebliche Nachteile, da die Werkstücke im allgemeinen sehr groß sind und aufwendige Drehvorrichtungen zum Umwenden der von der einen Seite geschweißten Bleche zur Erfassung der Gegenseite erforderlich werden.

Es besteht demnach schon seit langem der Wunsch

nach einem Schweißverfahren, mit dem auch Stahlbleche mit mehr als 8 mm Dicke von einer Seite her voll durchgeschweißt werden können. Bekannt ist beispielsweise der Versuch, hierzu beim Schweißen eine Kupferunterlage als Rüpkdämmung zu verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auf diese V/eise nur selten eine brauchbare Oberfläche der SchweiSwurseln erzielt werden kann. Außerdem besteht die Gefahr, daß der Lichtbogen die Kupferschiene anschmilzt, wenn der Spalt zwischen den Sto&kanten zu groß wird. In jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, zur Abmilderung der Bo^enwirkung auf den Wurzelspalt die Stoßfuge teilweise mit lose eingelegten oder eingehefteten Zusatzdt-ahten zu füllen. Bei der laboratoriumsmäßigen Durchführung dieses Vorschlages konnten zwar gewisse Erfolge er-

daß zielt werden, docn hat es sich in der Praxis gezeigt, bei alleiniger Anwendung dieses Verfahrens, vor allem bei dicken Blechen und Nähten großer Länge, die im Schiffsbau beispielsweise 12 Meter und mehr betragen kann, keine zufriedenstellende Qualität der Nähte über ihre ganze Länge erreicht werden konnte.

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Hierbei haben sich als besonders störend Maßurlgenauigkeiten der Stoßvorbereitung und ein Verzug der Bleche bemerkbar gemacht. Schließlich wurden noch Versuche bekannt, mit denen eine Durchschweißung der Bleche gegen eine verschlackende Kies- oder Pulverunterlage durchgeführt werden sollte. Es zeigte sich jedoch, daß auch dieses Verfahren unbefriedigend ist, da brauchbare Nahtausbildungen lediglich unter Laboratoriumsbedingungen und bei relativ dünnen Blechen erzielt werden konnten. Bei dickeren Blechen treten bei diesem Verfahren stets stark durchhängende Wurzelnähte und tiefe Hohlstellen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten beim Unterpulverschweißen dicker Bleche zu überwinden und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem auch Stahlbleche von mehr als ö mm Dicke von einer Seite her sicher durchgeschweißt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß vor der Zugabe des Schweißpulvers die Stoßfuge, die in, Wurzelbereich einen offenen Wurzelspalt und ein V- oder Y- cder U-förmiges Profil aufweist und aeren Stoßenden durch zur Stoßfuge parallele Magnetbänder in einer Ebene festgehalten werden, von unten her durch eine mit einem hydraulischen oder pneumatiscnen Druck-Hsystem angepreßte}* temperaturunempfindliche^f Schicht abgeschlossen jjund mit Stahlgranulat teilweise gefüllt wird und nach Zugabe des jBchweiJipulvers entlang der Mittellinie der Stoßfuge mit einer

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solchen Stromstärke geschweißt wird, daß das 1,0 bis 1,4 fache der Gewichtsmenge des eingebrachten Stahlgranulats vom Elöktrodendraht pro Zeiteinheit abschmilzt.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren erlaubt eine sichere technische Durchführung der Durchschweißung dicker Bleche von einer Seite her. Auch beim Vorliegen von Maßungenauigkeiten der Stoßfuge, d. h. bei schwankenden Stoßbreiten, kann bei gleichzeitiger Beachtung aller Merkmale des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens stets eine einwandfreie Schweißnaht erzielt werden.

Durch das Anpressen der temperaturunempfindlichen Schicht an die Unterseite der Stoßfuge wird ein Durchlaufen der Schweißschmelze oder das Entstehen von stark durchhängenden Unterraupen verhindert. Die Stoßfuge selbst erhält erfindungsgemäß im Wurzelbereich ein V- oder Y- oder U-förmiges Profil. Zur Abmilderung der Wirkung des Lichtbogens auf den Wurzelspalt wird die Stoßfuge teilweise mit Stahlgranulat gefüllt. Dieses Stahlgranulat, dessen Zusammensetzung unter metallurgischen Gesichtspunkten ausgewählt wird, läßt sich kontinuierlich vor der Schweißpulverzugabe in die Stoßfuge einbringen, was bei dem bekannten Verfahren der Einlegedrähte nur mit komplizierten Vorrichtungen möglich ist.

Erfindungsgemäß soll zwischen der Menge des einzubringenden Stahlgranulats und der Menge des abschmelzenden Elektrodendrahtes eine bestimmte Beziehung bestehen. Pur die Aus-

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bildung einwandfreier Schweißnähte hat es sich als erforderlich erwiesen, daß die Gewichtsmenge des abschmelzenden Elektrodendrahtes das 1,0 bis 1,4 fache der Gewichtsmenge des eingebrachten Stahlgranulats beträgt. Dieses Mengenverhältnis kann durch die richtige Einstellung der Schweißstromstärke erreicht werden. Bei besonders dicken Blechen wird zweckmäßigerweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst nur der Wurzelbereich der Naht geschweißt und hierauf die Schweißnaht mit einem oder mehreren weiteren Arbeitsgängen aufgefüllt. Diese Püllagen | können ohne Schwierigkeiten geschweißt werden, nachdem die Durchschweißung und damit die Wurzel sicherung bereits er'folgt ist.

Die Stoßenden der dicken Bleche werden mit Hilfe von zur Stoßfuge parallelen Magnetbändern in einer horizontalen Ebene gehalten. Hierdurch und durch die Möglichkeit des Schwe-issens bei offenen Stoßfugen ist die Stoßvorbereitung hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der entstehenden Schweißnaht weniger kritisch als bei bekannten Verfahren.

Eine besonders gute Form der Wurzelnaht ergibt sich, wenn die temperaturunempfindliche Schicht elastisch ist, d. h. aus einem Gewebe oder einem Pulver besteht, und mit einem Druck von 0,1 bis 0,j5 atü, am besten mit ungefähr 0,2 atü, an die Unterseite der Stoßfuge angedrückt wird. Bei größeren Anpreßdrücker, besteht die Gefahr, daß Schweißfehler in der Unterraupe auftreten. .

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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anpreßvorrichtung für die temperaturunempfimdliche Schicht besteht aus einem sich über die ganze Länge der Stoßfuge erstreckenden Gehäuse, welches an seiner oberen, der Stoßfuge zugewandten Seite offen ist. In diesem Gehäuse sind von oben nach unten nacheinander die temperaturunempfindliche Schicht, eine Schüttung aus trockenem Schweißsand oder Schweißpulver, ein, beispielsweise aus Holz gefertigter Stempel sowie ein Druckschlauch angeordnet. Der Druckschlauch, der zum Beispiel ein Feuerwehrschlauch sein kann, ermöglicht eine genaue Einstellung des Anpreßduckes, der über den Stempel und die Schüttung aus Schweißsand oder Schweißpulver gleichmäßig auf die temperaturunempfindliche Schicht übertragen wird. Diese selbst kann beispielsweise aus einer Kupferunterlagschiene, aus einer Schweißpulverschicht oder auch aus einer Gewebeschicht aus Glas oder einem anderen Mineralfaserstoff bestehen.

An den beiden Längsseiten des Gehäuses der Anpreßvorrichtung sind die Magnetbänder angebracht, die zur Ausrichtung von Unebenheiten der Bleche^ vorgesehen sind und die Unterseite der Bleche in einer horizontalen Ebene halten.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der Anpreßvorrichtung, bei der gegebenenfalls die Kupferschiene, der Holzklotz und die Magnetbänder segmentartig aufgeteilt sind und sich die einzelnen Segmente dieser Teile parallel zur Stoß-

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fuge aneinanderreihen. Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Anpreßvorrichtung ist besonders dann günstig, wenn beide Bleche gemeinsame Unebenheiten in der Richtung der Stoßfuge aufweisen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der Abbildung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch zwei zum Schweißen nach dem erfindungsgemäßen Unterpulverschweißverfahren vorbereitete Bleche.

Die beiden, im dargestellten Beispiel mehr als 8 mm { dicken Stahlbleche 1 sollen mit einem Unterpulverschweißkopf 2 von einer Seite her miteinander verschweißt werden. Die Stoßfuge ist als unten offener V-Stoß ausgebildet. Der verbleibende offene Spalt kann 3 - 6 mm breit sein. Auch eine Ausbildung der Stoßfuge 3 als Y- oder U-Stoß ist brauchbar. Andere Formen der Stoßfuge. 3 sind jedoch ungünstig und beeinträchtigen die Qualität der Schweißnaht. Würde beispielsweise ein I-Stoß mit Spalt benutzt werden, so würde« vor allem bei dicken Blechen, der Lichtbogen den Wurzelbereich der Stoßfuge nicht genügend erfassen, oder es könnte, wenn,um diesen) Nachteil zu begegnen, die Stromstärke erhöht würde, die Unterlage gefährdet werden.

Erfindungsgemäß wird die Stoßfuge 3 mit Stahlgranulat 4 bis zu einer bestimmten Höhe gefüllt. Die Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit einzubringenden Stahlgranulats 4 soll ungefähr das 1,0 bis 1,4 fache der Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit

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abschmelzenden Elektrodendrahtes sein. Die zur Einhaltung dieses Mengenverhältnisses notwendige Schweißstromstärke kann berechnet werden. Die Einhaltung der angegebenen Relation zwischen Schweißstromstärke und Stahlgranulatfüllung ist von ausschlaggebender Bedeutung für den Erfolg des Verfahrens in der Praxis.

Die Füllung der Stoßfuge ,5 mit Stahlgranulat 4 dient der Kühlung des Schweißlichtbogens und dem Ausgleich von-Unregelmäßigkeiten in der Vorbereitung der Stoßfuge 3* die auch bei guter Fugenvorbereitung nicht vollständig zu vermeiden sind.

Ohne die Stahlgranulatfüllung könnten für die Durchschweißung

an gegen eine Unterlage nur geringe Lichtbogenenergien gesetzt werden. Die entstehenden Nahtwurzeln würden dadurch so schwach ausgebildet werden, daß sie die nachfolgenden Lagen nicht wirkungsvoll abstützen könnten. Außerdem stellen vor allem wechselnde Stoßfugenbreiten ohne die kühlende Wirkung der Stahlgranulatfüllung eine Behinderung der gleichmäßigen Durchschweißung'dar. Da die Einbrennkraft des Lichtbogens nur bis zu einem gewissen Grade gemildert werden darf, ist auch eine zu starke Füllung der Stoßfuge 3 mit Stahlgranuüat 4 ungünstig. Eine Füllung, die über das oben angegebene Maß hinausgeht, würde die Sicherheit des gleichmäßigen Ablaufes der Wurzelschweißung gefährden, ohne für das Fertigschweißen der Naht· Nutzen zu bringen.

Die Zugabe des Stahlgranulats 4 kann beispielsweise kon tinuierlich mit Hilfe eines Vorratsbehälters mit Zugaberohr er-

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folgen. Der Vorratsbehälter wird in einem solchen Falle an der automatischen Schweißeinrichtung, in Schweißrichtung gesehen, vor der Vorrichtung für die zugabe von Schweißpulver angebracht. Die entstehende Schweißverbindung kann metallurgisch durch die Wahl der chemischen Zusammensetzung des Stahlgranulats beeinflußt werden.

Das Gehäuse 5 der Anpreßvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist oben, d. h. an der der Stoßfuge 3 zugekehrten Seite, offen und erstreckt sich über die ganze Länge der Stoßfuge j5. Im Innern des Gehäuses sind von oben nach unten zunächst als temperaturunempfindliche Schicht eine Kupferschiene 6, die an den Stoßenden der Bleche 1 unten anliegt, anschließend eine Schüttung 7* die der Wärmeisolierung und Druckverteilung dient, ein aus Holz gefertigter Stempel 8 und ein Feuerwehrschlauch 9 untergebracht. Der Feuerwehrschlauch 9 kann mit Druckluft oder Wasser unter einen bestimmten Druck gesetzt werden, der über den Stempel 8, die Schüttung 7 und die Kupferschiene 6 gleichmäßig auf die Nahtwurzel übertragen wird.

Die Kupferschiene 6 besitzt eine Längsnut 11, deren Verhältnis von Breite zu Tiefe 5 % 1 bis 12:1 beträgt. Die im ' dargestellten Beispiel als Kupferschiene ausgebildete temperaturunempfindliche Schicht kann auch aus einem anderen Material be-

hat

itehen. Als besonders vorteilhaft sich eine elastische Gewebeschicht aus ohne Gasbildung schmelzenden Glasfasern öder einem anderen Mineralfaserstoff erwiesen. Auch Schichten aus Schweiß-

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pulver, Sohamottepulver oder Porzellansand sind brauchbar.

Die temperaturunempfindliche Schicht, im Falle des abgebildeten Ausführungsbeispieles, also die Kupferschiene 6, schließt die Stoßfuge unten dicht ab. Dieser für das erfindungsgemäße Verfahren wichtige Abschluß wird dadurch gesichert, daß der durch den Feuerwehrschlauch 9 erzeugte Druck gleichmäßig auf die temperaturunempfindliche Schicht übertragen wird. Es ist hierbei äußerst wichtig, daß der Abschluß der Stoßfuge J über deren ganze Länge und an ihren beiden Seiten gleichmäßig erfolgt.

Für diese Gleichmäßigkeit des Anpreßdurckes sorgt die Schüttung 7, die sich in der erfindungsgemäßen Anpreßvorrichtung unterhalb der temperaturunempfindlichen Schicht befindet. Die Schüttung 7 besteht aus trockenem Schweißsand oder Schweißpulver. Die Übertragung des Druckes vom Feuerwehrschlauch9 auf die Schüttung 7 erfolgt über einen Stempel 8. Dieser Stempel 8 besteht aus einer sich in Richtung der Stoßfuge erstreckenden Reihe von Holzklötzchen, die, neben ihrer Aufgabe der Druckübertragung, zusammen mit der Schüttung 7 dem Wärmeschutz für den Feuerwehrschlauch 9 dienen.

Der Vorteil einer Anpreßvorrichtung mit elastischer temperaturunempfindlicher Schicht liegt in der besonders guten Anschmiegsamkeit einer solchen Unterlage an die Unterseite der Stoßfuge 3. Es hat sich gezeigt, daß besonders gute und fehlerfreie Unterraupen erzeilt werden können, wenn der Druck auf die

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temperaturunerapfindliche Schicht, sofern diese elastisch ist., geraessen als Druck im Feuerwehrschlauch 9* zwischen 0,1 und 0,3 atü beträgt. Ein Druck von ungefähr 0,2 atü hat sich als am günstigsten erwiesen.

An den beiden Längsseiten des Gehäuses 5 der Anpreßvorrichtung sind Magnetbänder 10 angebracht, welche die Aufgabe haben, die Unterseiten der Stoßenden der Bleche 1 in einer gemeinsamen horizontalen Ebene zu halten und kleinere Unebenheiten der Bleche 1 auszugleichen. Die einzelnen, parallel zur Stoßfuge 3 aneinandergereihten Magnete dieser Magnetbänder 10, die vorzugsweise Elektromagnete sind, sind so angeordnet, daß ihre Kraftlinien in sich geschlossen sind und keine Magnetfelder quer zur Stoßfuge auftreten. Sie müssen so weit von der Schweißstelle entfernt sein, daß der Lichtbogen nicht magnetisch beeinflußt wird. Es hat sich gezeigt, daß ein Abstand der Magnetbänder 10 von der Stoßfuge 3 von 50 - 100 mm ausreicht, um dieser Forderung zu genügen.

Bei einem erfolgreich durchgeführten Beispiel einer Schweißung an Schiffsblechen wurde in eine V-förmige Stoßfuge mit einem öffnungswinkel von 50° Stahlgranulat in einer Höhe von 0,8 cm eingebracht. Die mittlere Spaltbreite betrug 0,5 cm, die eingestellte Schweißgesohwinidgkeit des Schweißkopfes 30cm/Min. Das Stahlgranulat hatte ein Schüttgewicht von 4,8 Gramm/cm. Die Abschmelzleitung der Elektrode betrug 0,2 g/Min, χ Α. Aus

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diesen Angaben kann die notwendige Schweißstromstärke in Ampere durch folgende empirische Gleichung ermittelt werden:

τ = Cbxf+ f χ tg (<* Ix.) xvxs _{χ 1} ge

Hierbei haben die einzelnen Buchstaben folgende Bedeutung:

b mittlere Spaltbreite in cm

f Schütthöhe des Stahlgranulats in cm

öi öffnungswinkel des V-stoßes

ν Schweißgeschwindigkeit in cm/Min.

s schüttgewlcht des Stahlgranulats in g/cm-⁵

L Abschmelzleitung in g/Min χ Α

Der Paktor 1,25 ist derjenige Paktor mit dem die Gewichtemenge des pro Zeiteinheit eingebrachten Stahlgrahulats erfindungsgemäß mulipliziert werden muß, um die pro Zeiteinheit abschmelzende Gewichtsmenge des Elektrodendrahtes zu erhalten. Dieser Paktor kann bei der Verwendung einer temperaturunempfindliohen Schicht aus einem mineralischen Gewebe kleiner, d. h. bei ungefähr 1,1 gewählt werden. Bei dem durchgeführten Beispiel, bei den eine Kupferschiene verwendet wurde, ergibt sich aus der obigen Gleichung und den genannten Zahlenwerten eine Schwelßstr.omstärke von ungefähr 650 Ampere. Die Durchführung der Schweißung mit dieser Stromstärke ergab eine Schweißnaht mit überdurchschnittlicher Qualität über ihre ganze Länge.

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Bei besonders dicken Blechen hat es sich als günstig erwiesen, die Schweißung in .zwei oder mehr Arbeitsgängen durchzuführen, da bei einem einzigen Arbeitsgang extrem große Stromstärken notwendig wären und diese die Gefahr einer ungleichmäßigen Ausbildung der Sehweißwurzei mit sich bringen. Eine oder mehrere Füllagen können jedoch ohne Schwierigkeiten eingebracht werden, wenn die Wurzelnaht bereits nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zuverlässig geschweißt ist.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren eignet sich besonders für Schweißarbeiten an extrem großen Werkstücken, wie sie beispielsweise im Schiffsbau vorkommen.Auch sehr lange Schweißnähte können mit diesem Verfahren kontinuierlich von einer Seite her zuverlässig geschweißt werden.

Patentansprüche
1 Zeichnung

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Unterpulverschweißen, insbesondere zum Durchschweißen, von Nähten dicker Stahlbleche von einer Seite her, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zugabe des Schweißpulvers die Stoßfuge (3), die im Wurzelbereich einen offenen Wurzelspalt und ein V- oder Y- oder U-förmiges Profil aufweist und deren Stoßenden durch zur Stoßfuge (3) parallele Magnetbänder (1o) in einer Ebene festgehalten werden, von unten her durch eine mit einem hydraulischen oder pneumatischen Drucksystem angepreßte temperaturunempfindliche Schicht (6) abgeschlossen und mit Stahlgranulat (4) teilweise gefüllt wird und nach Zugabe des Schweißpulvers entlang der Mittellinie der Stoßfuge (3) mit einer solchen Stromstärke geschweißt wird, daß das 1,0 bis 1,4 fache der Gewichtsmenge des eingebrachten Stahlgranulats (4) vom Elektrodendraht pro Zeiteinheit abschmilzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturunempfindliche Schicht eine Kupferschiene (6) mit einer konkaven Längsnut (11) verwendet wird, deren Verhältnis von Breite zu Tiefe 5 : 1 bis 12 : 1 beträgt.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

als temperaturunerapfindliche Schicht eine Gewebeschicht aus Glasfasern oder einem anderen Mineralfaserstoff oder eine Schicht aus Schweißpulver oder Schamottepulver oder Porzellansand verwendet wird und diese Schicht mit einem Druck zwischen o,1 und o,3 atü, vorzugsweise o,2 atü, an die Unterseite der Stoßfuge (>) angepreßt wird..

4. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpressen der temperaturunempfindlichen Schicht (6) mit Hilfe eines elastischen Druck-Schlauches (9) erfolgt und der Druck über Stempel (8), vorzugsweise aus Holz, und eine darüberliegende Schüttung (7) aus Schweißpulver oder Schweißsand auf die temperaturunempfindliche Schicht (6) übertragen wird.

5· Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetbänder (io) jeweils aus einer Reihe von Dauer- oder Elektromagneten bestehen, deren Magnetfelder in sich geschlossen sind und die so . weit von der Stoßfuge > entfernt sind, daß eine magnetische Beeinflußung des" Schweißlichtbogens ausgeschlossen bleibt.

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6. Anpreßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder oder mehreren der Ansprüche 1-5* dadurch gekennzeichnet, daß in einem oben offenen, sich über die Länge der Stoßfuge (5) erstreckenden Gehäuse (5)> welches zum Schweißen mit der offenen Seite von unten an die Stoßfuge angelegt wird, von obennach unten nacheinander eine temperaturunempfindliche Schicht (6) eine Schüttung (7) aus trockenem Schweißsand oder Schweißpulver, Stempel (8), vorzugsweise aus Holz, und ein Druckschlauch (9), vorzugsweise ein Feuerwehrsehlauch, angeordnet sind.

7. Anpreßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Längsseiten des Gehäuses (5) oben je ein aus einer Reihe von Dauer - oder Elektromagneten bestehendes Magnetband (10) angeordnet ist.

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