DE1615161C3

DE1615161C3 - Elektrode und Verfahren zum Schweißen mit elektromagnetisch gerichtetem Lichtbogen

Info

Publication number: DE1615161C3
Application number: DE1615161A
Authority: DE
Inventors: Takashi Osaka Nakamura (Japan)
Original assignee: Bankoh Denkyokubo Kk Osaka (japan)
Current assignee: Bankoh Denkyokubo Kk Osaka (japan)
Priority date: 1967-03-22
Filing date: 1967-10-07
Publication date: 1978-03-23
Also published as: DE1974718U; GB1215852A; SE332337B; DE1615161A1; DE1615161B2; US3515846A; NL6712407A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißelektrode nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1, mit deren Hilfe Lichtbogenschweißungen und Oberflächenaufschweißungen sauberer und gleichmäßiger als bisher durchgeführt werden können. Ferner bezieht sich die Erfindung· auf ein halbautomatisches Schweißverfahren unter Verwendung dieser Elektrode.

Bei Verwendung der bekannten Schweißelektroden ist es schwierig, den Lichtbogen auf diejenigen Stellen zu konzentrieren, an denen der Schweißvorgang stattfinden soll. Deshalb ist es auch einem geschickten Schweißer nahezu unmöglich, eine vollkommen gleichmäßige Verbindungs- oder Auftragsschweißung herzustellen.

Man hat schon bisher versucht, den Lichtbogen so zu richten, daß eine einwandfreie Schweißverbindung zustandekommt. Zu diesem Zweck hat man gemäß der DE-PS 3 75 177 und der US-PS 27 53 428 der in die Nahtfuge einzulegenden Schweißelektrode eine dreiekkige Form gegeben. Gemäß der GB-PS 4 86 724 ist an der dem Werkstück zugekehrten Seite der Elektrode der das Flußmittel bildende Überzug dünner als auf der gegenüberliegenden Seite, so daß an der dünneren Stelle der Überzug schneller schmilzt. Diese einfachen Maßnahmen sind offensichtlich wenig zuverlässig und von begrenzter Wirksamkeit.

In der US-PS 23 45 758 ist eine Schweißelektrode mit einem Metallmantel beschrieben; dieser besteht z. B. aus einem zylindrisch gebogenen Stück Blech. Die beiden Kanten des Bleches berühren einander, so daß zwischen ihnen kein Raum frei bleibt. Eine solche Elektrode verhält sich in magnetischer Hinsicht genauso wie eine Elektrode mit völlig geschlossenem Mantel, d. h. der Magnetfluß ist in allen Radialrichtungen gleichmäßig um die Elektrode verteilt.

Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Schweißelektrode mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs den Vorteil, daß der Magnetfluß sich wegen des Schlitzes im Mantel ungleichmäßig auf dem Umfang der Schweißelektrode verteilt, da dieser Schlitz bzw. Luftspalt ein wesentliches Hindernis für den Magnetfluß darstellt. Infolgedessen tritt beim Anlegen der Schweißspannung eine Konzentration des von dem Magnetfeld beeinflußten Lichtbogens auf der dem Luftspalt abgewandten Seite der Schweißelektrode auf.

Zwar ist in der DT-AS 12 10 102 bereits ganz allgemein auf die Möglichkeit der Lenkung des Lichtbogens durch magnetische Felder hingewiesen, die bekanntgewordenen Maßnahmen bestehen jedoch vorwiegend in der Anwendung äußerer magnetischer Felder, etwa nach der US-PS 27 73 969; nur selten wird ein durch die Elektrode erzeugtes Magnetfeld verwendet, etwa nach der US-PS 17 88 310, mit unsymmetrischem Kernquerschnitt der Elektrode, jedoch mit einer besonderen Schaltung der elektrischen Stromversorgung und Stromführung. Dagegen kommt die Erfindung allein mit einem verhältnismäßig einfachen Aufbau der Elektrode aus.

Die erfindungsgemäße Elektrode ist für alle Schweißverfahren geeignet, bei denen es auf die Konzentration des Lichtbogens an einer bestimmten Stelle ankommt. Besonders vorteilhaft ist ihre Verwendung in den halbautomatischen Schweißverfahren nach den Ansprüchen 5 und 6; so kann man eine ganze Schweißnaht oder Oberflächenaufschweißung problemlos völlig gleichmäßig herstellen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

F i g. 1 ein Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißelektrode;

Fig. 2 ein Querschnitt längs der Linie H-II in Fig. 1;

F i g. 3A, 3B und 4 erläuternde Darstellungen des mit der Elektrode nach F i g. 1 durchführbaren Schweißverfahrens;

F i g. 5 und 6 Querschnitte weiterer Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schweißelektrode;

F i g. 7 und 8 erläuternde Darstellungen des mit der Ausführungsform nach F i g. 6 durchführbaren Schweißverfahrens;

Fig.9 ein Querschnitt einer weiteren Ausführungs-

form der Erfindung;

Fig. 10 und 11 erläuternde Darstellungen des mit der Elektrode nach Fig.9 durchführbaren Schweißverfahrens;

Fig. 12 ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißelektrode;

Fig. 13 und 14 erläuternde Darstellungen eines mit der Schweißelektrode nach Fig. 12 durchführbaren Schweißverfahrens;

F i g. 15 eine graphische Darstellung des Verlaufs der magnetischen Flußdichte in Abhängigkeit von der Spaltbreite für verschiedene Stromstärken und

Fig. 16 eine graphische Darstellung des Verlaufs der magnetischen Flußdichte in Abhängigkeit vom Elektrodenmittelpunkt an verschiedenen Stellen des Elektrodenumfangs.

Fig. 1 und 2 zeigen die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißelektrode. Sie besteht aus einem Kerndraht 1 aus Eisen, Kupfer oder einem anderen Metalj, der mit einem Überzugsmaterial 2 aus Feldspat, Kalk oder dgl. überzogen ist, und einem Mantel 3 aus Eisen, einer Ferrolegierung oder einem anderen magnetisch leitenden Metall. Der Mantel 3 ist mit einem schmalen, langen, axialen Schlitz G versehen. Ferner ist der Mantel 3 seinerseits mit einem äußeren Überzug 4 versehen, der den Schlitz G freiläßt. Der Überzug 4 besteht z. B. aus Feldspat, Kalk, Graphit oder Rutil.

Zur Herstellung einer Schweißnaht unter Verwendung der in F i g. 1 und 2 dargestellten Elektrode a\ wird die Elektrode z. B. gemäß F i g. 3A entlang der Kehle L an der Stoßkante der zu verschweißenden Metallplatten Mund Nderart verlegt, daß der axiale Schlitz G in der Schweißelektrode ai der Kehle L abgewandt ist. Dann werden der Kerndraht 1 und der Mantel 3 der Schweißelektrode a\ mit den gleichnamigen Polen entsprechender Sekundärwicklungen S\ und S2 von Transformatoren Ti und Ti verbunden, während die anderen Pole der beiden Sekundärwicklungen gemeinsam an die zu verschweißenden Metallplatten Mund N angeschlossen werden. Wenn nun die Primärwicklungen Pi und P2 der beiden Schweißtransformatoren mit einer Wechselstromquelle verbunden werden, so schmilzt die Schweißelektrode a\ in Richtung des Pfeiles Pvon ihrer Spitze her ab und die Metallplatten M und N werden allmählich längs der Linie L verschweißt. Wie die Pfeile Q in F i g. 4 andeuten, konzentrieren sich die von der Schweißelektrode a\ erzeugten Lichtbogen auf die Außenfläche der Elektrode an der dem Schlitz G abgewandten Seite derselben, weil nach der Linkehand-Regel das vom Elektrodenstrom im Mantel 3 erzeugte Magnetfeld den Lichtbogen von dem Schlitz G abdrängt. So entsteht eine gut eingeschmolzene Kehlnaht mit gleichmäßigem Schweißbild längs der Stoßlinie L der zu verschweißenden Metallplatten M und N. Gegebenenfalls kann gemäß Fig.3B ein elektrischer Strom auch nur durch den inneren Kerndraht 1 der Schweißelektrode geschickt werden.

Welches der beiden in Fig.3A und 3B dargestellten Verfahren vorteilhafter ist, hängt von den Umständen ab. Hat der Stahlmantel 3 eine solche Dicke, daß er durch die Lichtbogenhitze des Kerndrahtes 1 vollständig abgeschmolzen wird, so ist das Verfahren nach Fig.3B einfacher und vorteilhafter. Hat der Mantel 3 dagegen eine so große Dicke, daß ein vollständiges Abschmelzen durch die vom Lichtbogen zum Kerndraht 1 erzeugte Wärme nicht gewährleistet ist, so wird man das Verfahren nach F i g. 3A anwenden. Auch im Falle der F i g. 3A wird die durch den Schlitz G hervorgerufene ungleichmäßige Verteilung des Magnetfeldes um die Schweißelektrode und die dadurch bedingte gewünschte Zusammendrängung des Lichtbogens auf der dem Schlitz abgewandten Seite der Elektrode erreicht, obwohl der Mantel 3 selbst von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Fließt dagegen ein Strom nur durch den Mantel 3, so läßt sich die gewünschte Zusammendrängung des Lichtbogens nicht erreichen.

Der Verlauf der magnetischen Flußdichte bei einer erfindungsgemäßen Schweißelektrode ist in F i g. 15 und 16 dargestellt.

Fig. 15 zeigt, wie die magnetische Flußdichte, gemessen an zwei verschiedenen Stellen, nämlich am Spalt und an der dem Spalt gegenüberliegenden Seite der Elektrode, von der Spaltbreite abhängt. Die Kurven A zeigen die Meßergebnisse am Ort des Spaltes und die Kurven B die Meßergebnisse an der dem Spalt gegenüberliegenden Stelle. Die Kurven /4'und ß'sind mit einer Stromstärke von 200 A und die Kurven A "und ß"mit einer Stromstärke von 150 A aufgenommen. Wie man sieht, ist die magnetische Flußdichte an der Spaltseite höher als an der gegenüberliegenden Seite und der betreffende Unterschied nimmt zu, wenn die Spaltbreite abnimmt.

Fig. 16 zeigt die radiale Verteilung der magnetischen Flußdichte an verschiedenen Umfangsstellen der Schweißelektrode. Kurve Czeigt die Meßergebnisse für eine radial von der Mitte des Spaltes ausgehende Linie, Kurve F zeigt entsprechende Meßergebnisse für eine radial von der dem Spalt gegenüberliegenden Mantelstelle ausgehende Linie, Kurve Ezeigt die Meßergebnisse für einen zu den Linien C und F senkrecht verlaufenden Radius und Kurve D zeigt die Meßergebnisse für einen Radius, der in der Mitte zwischen den Linien C und E liegt. Wie man sieht, ist in allen Richtungen bei Abständen von mehr als etwa 10 mm von der Elektrodenmitte die Flußdichte verhältnismäßig gering und nahezu gleich groß; dagegen ist die auf dem Radius des Spaltes gemessene Flußdichte weit höher als alle anderen in entsprechenden Entfernungen gemessenen Werte, die anderen Umfangsstellen entsprechen. Dies zeigt deutlich, daß der über den Umfang verteilte Magnetfluß sich oberhalb des Spaltes stark zusammendrängt und daß deshalb der Lichtbogen auf der dem Spalt gegenüberliegenden Seite konzentriert wird.

Die der Fig. 16 zugrunde liegenden Messungen wurden mit einer erfindungsgemäßen Schweißelektrode durchgeführt, bei welcher der Kerndraht einen Durchmesser von 5 mm und der Spalt eine Breite von 2 mm hatte; die Stromstärke betrug 150 A.

Eine zweite Ausführungsform a2 der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ist in F i g. 5 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform a\ dadurch, daß die gesamte Außenfläche des Mantels 3 mit dem Überzugsmaterial 4 bedeckt ist. Wirkungsweise und Schweißergebnis sind aber die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Da bei der Schweißelektrode ai die gesamte Umfangsfläche gleichmäßig mit dem äußeren Überzugsmaterial 4 bedeckt ist, ist das Aussehen besser und die Herstellung leichter. Da aber hier der Schlitz G nicht von außen sichtbar ist, empfiehlt es sich, einen Farbstreifen auf der äußeren Oberfläche des Materials 4 entlang dem Schlitz G anzubringen.

Die dritte Ausführungsform az der erfindungsgemäßen Schweißelektrode nach Fig.6 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß sie einen dreieckigen Querschnitt hat. Im übrigen sind aber

Aufbau und Wirkungsweise die gleichen wie vorher. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist die dritte Ausführungsform insbesondere zum Stumpfschweißen zweier Metallplatten M' und N' geeignet, nachdem die stumpfen Kanten derselben in bekannter Weise so gebrochen wurden, daß sich eine dreieckige Stoßfuge K ergibt. In diese Stoßfuge wird die Elektrode ai eingelegt. So erreicht der Lichtbogen beim Schweißen auch die unteren Teile der Stoßfuge K, so daß eine einwandfreie Wurzelschweißung erzielt wird. In Fig.7 werden leitende Rollen R\ und R₂ zur Zuleitung des elektrischen Stroms zum Kerndraht 1 und dem Mantel 3 verwendet, wobei die Rollen R\ und R₂ in Richtung des Pfeiles P' bewegt werden können, während sie in den Schlitzen G und G\ in Berührung mit dem Kerndraht 1 bzw. dem Mantel 3 stehen. Diese Art der Stromzuführung kann selbstverständlich auch bei den anderen Ausführungsformen verwendet werden. Die nach dem Verfahren der F i g. 7 erzielte Schweißnaht W\ ist in F i g. 8 dargestellt. F i g. 9 zeigt eine Schweißelektrode at,, welche die vierte Ausführungsform der Erfindung darstellt. Sie hat einen elliptischen Querschnitt und ist deshalb für die Stumpfschweißung von Metallplatten M" und N" geeignet, bei denen der Querschnitt der Stoßfuge K' halbelliptisch ist, wie Fig. 10 zeigt. Fig. 11 zeigt die mit dem Verfahren nach Fig. 10 unter Verwendung der Schweißelektrode a₄ erzielte Schweißnaht.

Fig. 12 zeigt schließlich eine fünfte Ausführungsform as der erfindungsgemäßen Schweißelektrode, die zur Oberflächenaufschweißung auf eine Metallplatte geeignet ist. Um eine Schicht auf die Oberfläche einer Metallplatte M'" in Fig. 13 aufzuschweißen, wird die Schweißelektrode as auf die Metallplatte M'"aufgelegt, wobei der Schlitz G. der Metallplatte abgewandt ist. Dann wird ein elektrischer Strom durch den Kerndraht 1 und den Mantel 3 geleitet. Die entstehenden Lichtbogen konzentrieren sich auf die Gegend zwischen der dem Schlitz G abgewandten Außenfläche der Schweißelektrode a₅ und der Oberfläche der Metallplatte M'", so daß sich eine Erhöhung W₃ gemäß Fig. 14 ergibt. Die Breite der Erhöhung W₃ läßt sich leicht durch Wahl der Schlitzbreite in der Schweißelektrode as verändern. Ferner kann das äußere Überzugsmaterial 4 gegebenenfalls weggelassen werden.

Da die Schweißelektrode gemäß der Erfindung während des Schweißvorganges nicht bewegt wird, läßt sich der gesamte Schweißvorgang in sehr einfacher Weise automatisieren.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schweißelektrode, bestehend aus einem Kerndraht, einem den Kerndraht umgebenden, elektrisch isolierenden Überzugsmaterial und einem das Überzugsmaterial bedeckenden Mantel aus magnetisch leitendem Werkstoff, der einen axialen Schlitz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (G) des Mantels (3) so breit ist, daß beim Anlegen der Schweißspannung zwischen den zu verschweißenden Teilen und dem Kerndraht der sich ausbildende Lichtbogen unter dem Einfluß des um die Schweißelektrode verlaufenden Magnetfeldes auf der dem Schlitz abgewandten Seite der Elektrode zusammengedrängt wird.

2. Schweißelektrode nach Anspruch 1, deren Mantel einen äußeren Überzug aufweist, gekennzeichnet durch einen in Axialrichtung verlaufenden Schlitz (G]) des äußeren Überzugs (4), durch den der Schlitz (G)des Mantels (3) zugänglich ist.

3. Schweißelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenquerschnitt dreieckig ist und daß der axiale Schlitz (G) sich an einer Dreieckseite befindet.

4. Schweißelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenquerschnitt elliptisch ist und daß der Schlitz (G) parallel zur Elektrodenachse verläuft.

5. Halbautomatisches Verfahren zum Verschweißen zweier Teile, bei dem eine abschmelzende Elektrode in die Nahtfuge derselben eingelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schweißelektrode (a\) nach einem der vorhergehenden Ansprüche so eingelegt wird, daß ihr Schlitz (G) der Berührungslinie (L) der beiden Teile abgewandt ist und daß eine elektrische Spannung zwischen den Teilen und dem Kerndraht (1) der Elektrode angelegt wird.

6. Halbautomatisches Verfahren zur Oberflächenaufschweißung mittels einer abschmelzenden Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektrode (a$) derart auf die zu erhöhende Oberfläche (M") aufgelegt wird, daß der axiale Schlitz (G) der Oberfläche abgewandt ist und daß eine elektrische Spannung zwischen der aufzuschweißenden Oberfläche und dem Kerndraht (1) der Elektrode angelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den magnetisch leitenden Elektrodenmantel (3) eine Spannung der gleichen Phase wie an den Kerndraht (1) angelegt wird.