DE1765314A1 - Elektronisches Schweissen an dicken Blechen - Google Patents

Description

dr. MÜLLER-BORE dipl.-ing. GRALFS 1765314

DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL PATENTANWÄLTE

29. April 1968

CIOVEE vK/Sv - C 907 1 Place de la Division du General Leclerc

Ville.iuif (VaI de Marne) Frankreich

Elektronisches Schweißen an dicken Blechen

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Schweißen an dicken Blechen und im besonderen auf seine Anwendung auf eine Verbindung von dicken Blechen ohne irgendwelche Beschränkung der Stärke, wobei die Pormveränderungen und Schrumpfungen beim Schweißen ebenso wie die daraus herrührenden internen Spannungen, die die eigentliche Qualität der Schweißungen im Hinblik auf Porösität, Einschlüsse und Rissebildung verbessern, auf einen sehr geringen Wert reduziert sind.

Bei allen herkömmlichen Schweißverfahren von relativ dicken Blechen wird bekanntlich das Zusatzmaterial gänzlich verschmolzen} es wird fortlaufend zugeführt, einerseits manuell im Pail der Sohweißung mit Schweißstab, andererseits automatisch im Pail der Elektrodenschweißung, die unter einem festen oder gasförmigen Schutzfluß oder auch unter Schlackensohutz (Elektro- ■lag-Verfahren) verbraucht werden.

In diesen. Verfahren führt jeder Mangel bei der Verschmelzung dee Zueatzaetalls zu einem unzulässigen Schweißfehler.

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Die Erfindung hat daher hauptsächlich eine besondere Anordnung der zu verschweißenden Stücke zum Ziel, die die Schweißung mittels Strahlenbündel von Ionen-, Elektronen- oder phonischen Ladungsträgern erlaubt und die durch eine partielle Verschmelzung des Einsatzmetalls charakterisiert ist, das im festen Zustand die Abschrägungen der zu verbindenden Stücke auefüllt.

Sie bezweckt weiterhin noch gewisse andere Anordnungen: Das Einsatzmetall wird auf diskontinuierliche Art eingeführt; es ist in der Schweißfuge in Form von Profileisen mit rechteckigem, dreieckigem oder rautenförmigem Querschnitt oder mit einer anderen durch das Schweißverfahren bedingten geometrischen Form untergebracht, wobei die Zahl der Profileisen zum Auffüllen der Abschrägung auf ein Minimum beschränkt ist und jede Schweißfuge eine Tiefe besitzt, die auf der Länge der Eindringung der Schweißung durch den Ladungsstrahl begrenzt ist. Um es deutlicher zu sagen, wird daher von Elektronenstrahlen und von Elektronenkanone gesprochen.

Die Erfindung erlaubt so das elektronische Schweißen an dicken Blechen, beispielsweise das Verschließen von Hingen entlang einer Mantellinie, die Verbindung von Ringen untereinander, die Pestsetzung der Durchdringungen an einem Gehäuse durch umlaufende Schweißungen. Weiterhin bezieht sie sich bei neuen Industrie-Produkten auf mechanisch verschweißte Stücke und besonders auf metallische Einheiten wie Druckbehälter für die chemische Industrie, Reaktorgehäuee, Warmverformungspreeeen, die nach dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren erstellt sind.

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Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen an einem praktischen, aber keineswegs einschränkenden Beispiel mehrere Ausführungsformen der Erfindung darstellt.

Ea zeigen

Pig. 1 eine Ansicht einer Verbindung von zwei dicken Blechen

nach dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren im Schnitt, Pig. 2, 3 und 4- Ansichten von Schweißungen im Schnitt analog der Schweißung der Fig. 1,

Pig. 5 eine Ansicht einer weiteren Variante, Fig. 6 eine perspektifische Ansicht der Verbindung der Fig. 5

während der Schweißung,
Pig. 7 eine Ansicht einer Variante der Erfindung im Schnitt mit

streng vereinheitlichten Elementen, Fig. 8 eine Ansicht eines verschweißten Rohranschlusses im Schnitt

und
Fig. 9 eine Ansicht eines verschweißten abgeschlossenen Behälters.

In Fig. 1 sind zwei dicke Bleche 1 und 2 zu sehen, deren Stärke ^Ma" zweimal größer ist als die praktische Eindringtiefe "p" einer Elektronenkanone. Beispielsweise beträgt a = 200 mm und ρ = 60 mm. Die Bleche können nicht Kante an Kante verschweißt werden, und es werden daher zwei Abschrägungen 3 und 4 angebracht, wodurch der Schweißstrahl der Elektronenkanone 5 beiderseits der Verbindung auf die Linien G B und A B der zu verschweißenden Flächen gelenkt wird.

In den Abschrägungen ADE und GGH werden dann dreieckige Profile untergebracht, die mit Präzision aus demselben Metall

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wie die Bleche 1 und 2 gearbeitet sind. Da der öffnungswinkel DAE kleiner als 60° ist, erreicht die Seitenlänge A D nioht 60 mm, wenn ρ = 50 mm ist; wenn die Länge, die durch die Eindringtiefe der Elektronenkanone begrenzt ist, beispielsweise 60 mm beträgt, dann ist das Verschmelzen der Schweißfugen A D, A E, G C und H C, die die Verbindung begrenzen, sichergestellt.

Die verschmolzenen Zonen 36 besitzen eine Stärke in der Größenordnung 1,5 bis 3 mm; mit nicht oxidierendem Stahl kann so die Schweißung mittels einer Elektronenkanone mit einer Leistung von ungefähr 30 bis 4o kW mit einer Schweißgeschwindigkeit in der Größenordnung 80 cm/min bewerkstelligt werden, und unter diesen Bedingungen werden vollkommen einwandfreie Schweißungen erhalten, ohne Deformationen, Spannungen oder eine Verschlechterung des Metalls in der Schweißzone zu erzeugen.

Zu bemerken ist, daß die zwei Schweißlagen C B und A B sich geringfügig in B überdecken. Nach diesen zwei ersten Schweißlagen wird vorteilhafterweise die Spitze des Winkels in A und in C durch '.eine abschließende Bearbeitung wieder hergestellt.

In Pig. 2 ist eine Verbindung von Blechen einer Stärke "b" = 300 mm dargestellt. In diesem Pail hat die Schweißung entlang der Kante A G dieselben Dimensionen wie im Falle der Pig. 1, aber es sind zwei Einsatzmetallstücke zum Ausfüllen der Abschrägungen erforderlich, beispielsweise ein Rhombus 6 und zwei Dreiecke 7.

Zu bemerken ist noch, daß sich die Punkte A, K und L nicht in einer Linie befinden, so daß beim Ausführen der Schweißlage K A der Ladungsträgerstrahl die Fläche K L nicht verdirbt.

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Schließlich wird im Falle der Pig. 2 das Verschweißen von zwei Blechen von beispielsweise 300 mm Stärke mit Hilfe von 14 Schweißlagen durchgeführt.

In Fig. 3 ist eine Variante der lösung der Pig. 2 gezeigt, wobei das rautenförmige Profil 6 durch ein fünfeckiges Profil 8 und die Dreiecke 7 durch Dreiecke 9 ersetzt sind.

In Pig. 4 ist eine Ansicht einer Montage im Schnitt entsprechend einer Verbindung von noch dickeren Blechen, deren Stärke beispielsweise "c" = 400 mm beträgt, dargestellt. In diesem Palle sind M zum Ausfüllen die Einsatzstücke 10, 11 und 12 verwendet. Zu erkennen ist noch, daß die gebogene Linie AKlM konvex gegen den Teil verläuft, der die Abschrägung ausmacht, so daß man nacheinander die Schweißlagen AB, KA, KL und N L vornehmen kann, ohne die Fläche zu beschädigen, auf der sich das folgende Füllelement abstützt. Im ganzen sind in diesem Pail 22 Schweißlagen zu erstellen.

Fig. 5 zeigt eine Ansicht einer Verbindung, in der die Abschrägungen mit rautenförmigen Profilen 13 und 14 oder dreieckigen Profilen m 15 ausgefüllt sind. Zu erkennen ist, daß die rautenförmigen Profile 13 und 14 nicht streng denselben Querschnitt besitzen, da sie in den Punkten AKL und N der gebrochenen Linie angeordnet sind .

In fig. 6 ist dargestellt, wie die Elektronenkanone 16, die durch Kabel 17 gespeist und an einem Schlitten 18 befestigt ist, unter dem gewünschten Winkel auf einer Gleitschiene 19 geführt wird, dl· an dem Blech 1 durch Verschrauben oder auf eine andere Art

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befestigt wird, um nacheinander in der gewünschten Reihenfolge die in der Fig. 5 aufgezeigten Schweißlagen durchzuführen.

Nicht dargestellt sind der luftleere Raum und die Pumpmittel. Die Stücke sind vollkommen in einem luftleeren Raum untergebracht, oder besser noch, ein luftleerer Raum ist auf die unmittelbare Nähe der Schweißfuge beschränkt.

Fig. 7 zeigt eine Ansicht einer weiteren Variante, in der aus Gründen der Normierung und Bequemlichkeit die Rauten 20 alle streng identisch sind. In diesem Fall sind dann die Winkel "©< ^M gleich, an jeder neuen Lage der RhombeniSinkerbungen 21 vorgesehen und das Auffüllen durch eine letzte Lage von Dreiecken 22 abgeschlossen.

Eine solche lineare Schweißung gemäß der Erfindung ist zum Verschließen von Ringen entlang einer Mantellinie anwendbar, ebenso wie zur Verbindung von zwei Ringen untereinander.

Wenn es sich darum handelt, eine Öffnung zum Einsetzen einer Röhre mit einem dicken Blech eines Druckbehälter (Pig. 8) zu verbinden, so wird in einem Arbeitsgang das umlaufende Stück 23 an das dicke Blech 24 geschweißt, wobei die Schweißung der zylindrischen Teile an der Berührungsstelle A C ohne Zusatz von Metall erfolgtj dann werden in einem zweiten Arbeitegang die kreisförmigen Füllprofileisen 25 und 26 eingeschweißt.

In einem dritten Arbeitsgang wird das Rohr 27 an das Stück 23 durch ein herkömmliches Verfahren oder im Bedarfsfall durch eine elektronische Schweißung in zwei lagen verschweißt» nämlich eine innere und eine äußere Lage ohne zusätzliches Profileieen.

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Im Falle der Verschweißung von zwei Ringen untereinander werden kreisförmige Profileisen im Innern des Ringes angebracht und durch elastische Deformation wird ihr Durchmesser vergrößert, um sie im Innern der Abschrägung beispielsweise mit Hilfe von Schraubwindungen anzubringen.

Mittels der Erfindung kann so insbesondere ein faßartiger Behälter ausgeführt werden, der zur Aufnahme einer unter hohem Druck befindlichen Flüssigkeit bestimmt ist und der sich leicht dazu eignet, in einzelnen Stücken, die gewöhnlich warm behandelt sind, vom Zentrum der Herstellung bis zu einem entfernten Platz transportiert zu werden, wo der Behälter verwendet werden soll. Diese Stücke werden dort zur Erstellung des Behälters zusammengefügt.

In Pig. 9 ist ein solcher Behälter dargestellt, dessen massive Elemente ohne Deformation gemäß der Erfindung verschweißt werden.

Die Schweißfugen sind ähnlich denen, die in Fig. 8 dargestellt sind, und die Verschweißung der Kugelkalotten 30 und 31 werden gemäß dem vorgeschlagenen Schweißverfahren vorgenommen. Der Behälter enthält in seinem oberen Teil eine gewisse Anzahl Eintrittsöffnungen 32.

Die Elemente 33, die Öffnungen 34 besitzen, sind mittels kugelförmigen Selektoren 35 verschweißt.

Die Erfindung erlaubt es also, durch Verschweißung dicke Bleche oder Stücke jeder Stärke zu verbinden, wobei jegliche Schwierigkeiten in Bezug auf die Deformation der StÜffke, ein Zusammenziehen und ein Entspannen nach der Schweißung vermieden sind.

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Es sind auch weder Vorsichtsmaßnahmen beim Vorwärmen noch beim Strecken an der verschweißten Verbindung zu treffen.

Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung hier nur an einem rein explikativen_;aber keineswegs einschränkenden Beispiel beschrieben ist und daß alle möglichen Detailabänderungen angewendet werden können, die ihrem Wesen nach der Erfindung entsprechen, ohne über ihren Rahmen hinauszugehen.

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Claims (11)

Patentansprüche

1. Elektronisches Schweißverfahren andicken Blechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke "a" der zu verbindenden Bleche größer ist als die zweifache Eindringtiefe "p" der Elektronenkanone, daß eine Fläche (36) präpariert wird, die durch Schweißen am freien Rand in der Mitte der zwei zu verbindenden Flächen verschweißt wird, wobei die Stärke C A der Schweißstelle geringer ist als die zweifache Eindringtiefe ^Mp", daß eine Abschrägung an jedem Ende der Schweißstelle präpariert wird, daß eine Schweißlage quer zu jedem freien Zwischenraum (3, 4) ausgeführt wird, der durch jede der zwei Abschrägungen gebildet ist, um die zwei Flächen durch elektronische Schweißung zu verbinden, daß der Winkel am Grund der Abschrägung, der durch

die ausgeführte Schweißlage beschädigt sein kann, wieder herder untere Teil der

gestellt wird, daß d4«-/Abschrägung durch mindestens ein Profileisen (6) ausgefüllt wird, dessen durch elektronische Schweißung zu verbindende Flächen zusammen mit einem Teil (36¹) der Fläche der Abschrägung oder mit einer Fläche eines anderen Profileisens eine Tiefe A K haben, die nicht größer ist als die Eindringtiefe ^f1p", daß die Profileisen (6) mit den Wandungen der Abschrägungen der Bleche (1 und 2) oder mit der Fläche eines anderen Profileisens verschweißt werden, und daß auf diese Art durch lagenweises Auffüllen fortgefahren wird, bie die Abschrägung ganz ausgefüllt und die Verbindung beendigt ist.

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2. Elektronisches Schweißverfahren an dicken Blechen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Auefüllen der Abschrägung, vorgesehene Einsatzmetall partiell in einer schmalen Zone (A K),(K L) verschmolzen wird, die den Berührungsflächen zwischen den zwei benachbarten Metallstücken entspricht.

3. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfüllen der Abschrägung mittels eingesetzter

fc Stücke (6), (7), (20), (22) vorgenommen wird, die derart nebeneinander gesetzt sind, daß die Schw.eißfugö durch einen Elektronen- oder phonischen Strahl immer in einer Tiefe zugänglich ist, die höchstens gleich der maximalen Eindringtiefe des Strahls ist.

4. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profileisen (6) eine gerade Stange von annähernd rautenförmigem Querschnitt ist, der im Vergleich zu der streng parallelepipedischen Form der geometrischen Raute leicht deformiert wird, wenn die Zwischenschweißlagen durohgeführt werden.

5. Schweißverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Profileisen (7) zur Durchführung der letzten Schweißlagen eine gerade Stange von dreieckigem Querschnitt ist,

6. Schweißverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißkante längs einer gebrochenen Neigungefläche A K I« vorgesehen iet, wobei der öffnungswinkel der Abschrägung im Verhältnis zu der Anzahl der Lagen, die schon durch die zur Ausfüllung der Abachrägung eingesetzten Stücke aufgeführt sind, progressiv wächst.

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7. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Zwischenschweißlagen das Profileisen eine gerade Stange mit einem Querschnitt in Form eines Parallelogramms ist, wobei dann aber die Abschrägung eine Einkerbung (21) in jeder lage aufweist.

8. Schweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profileisen ein kreisförmiger Hing (25) ist.

9. Einsatzmetall in Form von Profileisen zur Schweißung v.on dicken Blechen gemäß des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der Profileisen zum Ausfüllen der Abschrägung vorgesehen ist, wobei schmale Kontaktzonen zwischen den Profileisen und der Abschrägung und/oder untereinander an der Grenze der Eindringtiefe "p" der Elektronenkanone zustande kommen.

10. Einsatzmetall nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

es die Form von geschlossenen kreisförmigen Ringen darstellt.

11. Mechanisch verschweißtes Stück mit Elementen großer Stärke, das mittels des Schweißverfahrens nach Anspruch 1 ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei polare Kalotten (30, 31), am Umfang befindliche Stücke (33), kugelförmige Füllringe (25, 26) zwischen den polaren Kalotten und den am Umfang befindlichen Stücken, und kugelförmige Füllsektoren (35) zwischen den am Umfang befindlichen Stücken enthält.

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