DE1765955A1

DE1765955A1 - Verfahren zum Metall-Schutzgasschweissen von einer Seite aus

Info

Publication number: DE1765955A1
Application number: DE19681765955
Authority: DE
Inventors: Saenger Jun John Frederick
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1967-08-24
Filing date: 1968-08-16
Publication date: 1971-12-30
Also published as: NL6811383A; FR1576223A; ES357210A1; US3549856A

Description

PATENTANWALT DIPL.-INg. QERHARD SCHWAN 1755955 S MÜNCHEN 8 · QOERZER STRASSE 15

L-7009-C

UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N₈Y₀ 10017, U.S.A.

Verfahren zum Metall-Schutzgasschweißen von einer Seite aus

Di@ Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von dicken Platten und insbesondere ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen dicker Platten von einer Seite aus.

Die Verbindung von Platten aus vorbestimmtem material durch Schweißen erfordert je nach der Plattendicke unterschiedliche Fugenvorbereitungstechniken. Die Dicke der Platte bestimmt den Umfang und die Art der Fugenvorbereitung, die für den betreffenden Schweißprozeß notwendig ist. Wenn beispielsweise mit dem letell-Schutzgasschwsißverfahren (HIIG-Schweißung) geschweißt wird und die Dicke des Plattenmaterials ungefähr 4,8 mm oder weniger beträgt, bedarf es nur einer Steilflankennaht (I-Naht), ·.

die von einer Seite aus geschweißt wird. Bei dickerem Platten-

i material bis in die Gegend von 9,5 mm Dicke wird eine Abschrä-

gung der zusammenzufügenden Kanten erforderlich. Eine voll

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ORIGINAL

durchgeschweißte, einwandfreie Naht kann jedoch noch immer erhalten werden, wenn der Schweißvorgang von einer Seite aus durchgeführt wird» Wenn die zu verschweißenden Platten eine Dicke von mindestens 9,5 mm besitzen, worunter in folgenden eine dicke Platte verstanden werden soll, war das Schweißen nach dem ffletall-Schutzgas-Verfahren (fflIG-Verf ahren) allgemein auf einen Zweiseiten-Prozeß beschränkt. Bei einem derartigen Prozeß werden die Kanten der zusammenzuschweißenden Platten an beiden Seiten abgeschrägt und derart zusammengefügt, daß eine X-Naht oder eine Doppel-U-Naht entsteht. Diejenige Seite der Grundwerkstoff-Platte, an der der Hauptteil der Schweißoperation ausgeführt werden soll, wird als die Oberseite bezeichnet, während die andere Seite die Unterseite ist. Die Unterseite der Platte wird zuerst geschweißt, dann wird die Platte umgedreht, um den Schweißvorgang abzuschließen., Dieses Vorgehen hat zahlreiche Nachteile, zu denen insbesondere gehören:

a) Die Vorbereitung von Zweiseiten-Stößen ist komplizierter und teurer als diejenige von einseitig abgeschrägten Stößen.,

b) Das Umdrehen der Platten zum Schweißen von der Unterseite aus ist umständlich, zeitraubend und kostspielig, insbesondere wenn es sich um große lerkstUcke handelt, beispielsweise wenn Schiffskörper geschweißt «erden.

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c) Normalerweise ist ein erheblicher Ifietallabtrag durch Schleifen oder spanbildende Bearbeitung erforderlich, bevor die Rückseite geschweißt werden kann«

Bislang war kein zufriedenstellendes Verfahren zum IfllG-Schuieißen dicker Platten von nur einer Seite aus verfügbar« ItIit der Erfindung wird ein Verfahren zum Lichtbogenschnieißen dicker '!'»rkstücke von einer Seite aus geschaffen, bei dem zwischen den Werkstücken eine Fuge gebildet wird, bei dem zwischen einer Elektrode und der zwischen den Werkstücken befindlichen Fuge ein Lichtbogen ausgebildet wird, bei dem die Elektrode und die Werkstücke gegeneinander bewegt werden, bei dem der Lichtbogen auf die Wurzel der Fuge gerichtet wird und das dadurch gekennzeichnet ist, daß nahe dem Lichtbogen in der Fuge ein fester, stromführender Leiter angeordnet wird, der feste stromführende Leiter in unmittelbarem Kontakt mit den Werkstücken gehalten wird und die Polarität und Stärke des in dem stromführenden Leiter fließenden Stromes eingestellt oder geregelt werden, um den Lichtbogen richtungsmMßig derart zu beeinflussen, daß der Lichtbogen in einer vorbestimmten Ausrichtung mit Bezug auf die Werkstücke gehalten und dadurch ein einwandfreier, in wesentlichen konstanter Einbrand erzielt wird.

Oie beiliegende Zeichnung zeigt perspektivisch eine zur Durchführung des Verfahrene nach der Erfindung geeignete Schweißanlage.

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Die Erfindung nutzt ein elektrisches Grundphänomen aus, nämlich, daß ZU)Gi nahe beieinanderliegende stromführende Leiter einander abstoßen oder anziehen, was nur von der Richtung der Ströme abhängt_o Dies ist auf eine Wechselwirkung der um jeden Leiter herum ausgebildeten fflagnetfelder zurückzuführen« Eine ausführlichere Diskussion des charakteristischen Einflusses eines ITIagnetfelds auf einen Schweißlichtbogen findet sich in dem Aufsatz "The effects of Applied magnetic Fields on Ulelding Arcs" von G₀ H₀ Hicken und C₀ E₀ Jackson in Welding Journal 1966, Seiten 515 bis 524_O Der elektrische Lichtbogen einer Schuieißanlage, der einen stromführenden Leiter darstellt, kann richtungsmäßig durch einen weiteren stromführenden Leiter beeinflußt oder geregelt werden„ Der andere stromführende Leiter kann ein außerhalb des Systems liegender Leiter sein, das heißt ein von dem Schweißvorgang unabhängiger Leiter, oder aber an dem Schweißvorgang teilnehmen, wie beispielsweise ein weiterer Schweißlichtbogeno Unter einem stromführenden Leiter wird dabei jedes beliebige stromführende ITIedium verstanden, durch das ein Strom hindurchfließen kann»

Bei der in der Zeichnung veranschaulichten Schweißanlage, die zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung vorzugsweise benutzt wird, um dickes Plattenmaterial von einer Seite aus zu schweißen, wird eine abschmelzende Drahtelektrode 20 von einer Vorratsspule S mittels Vorschubrollen R abgezogen, die von einem ITIotor ID unter dem Einfluß eines Reglers G angetrieben werden. Die Vorschubrollen R leiten die Elektrode 20 durch

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ein Kontaktführungerohr T hindurch nach unten in den ausgefugten Stoß 10 im Werkstück W₀ Das Werkstück UJ hat eine mindestdicke von ungefähr 9,5 mm_o Der ausgefugte Stoß 10 ist nur beispielshalber als V-Stoß veranschaulichte Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Ausbildung des ausgefugten Stoßes beschränkte Die Spitze oder U/urzel 12 des ausgefugten Stoßes 10 stellt den Boden der Fuge oder die Berührungslinie zwischen den abgeschrägten Flanken der Platten dar, wenn diese in der in der Zeichnung dargestellten Weise aneinandergefügt us^rden., Eine Stromquelle B ist über eine Leitung 17 an das i .ntaktführungsrohr T und über eine Leitung 19 an das Werkstück W angeschlossen« Die Elektrode 20 wird abgesenkt, bis sie mit der Wurzel 12 des ausgefugten Stoßes 10 des Werkstückes W in Kontakt kommto Strom fließt dann sofort von der Stromquelle über die Elektrode und das Werkstück, wodurch die Spitze der Elektrode abgeschmolzen und sin Lichtbogen gezündet wirdo Ein zweckentsprechendes Schutzgas wird durch eine Düse N hindurchgeleitet, um den Lichtbogen gegen die Außenluft abzuschirmen,, Als Schutzgas kann reines Argon, Argon in Verbindung mit Kohlendioxyd oder ein Gemisch von Argon, Kohlendioxyd und Sauerstoff verwendet werden,, Bei der veranschaulichten und beschriebenen Aueführungeform wird als Schutzgas vorzugsweise das zuletzt genannte Gemisch in der Zusammensetzung 92 % Argon, 6 % CO2 und 2 56 O₂ verwendete Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf ein bestimmtes Schutzgas beschränkt ist; anstelle des Schutzgases kann sogar auch ein Schutz-Schweißmittel benutzt werden., Ein zusätzlicher, nicht veranschaulichter Hilfeschutz,

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Z₀ Bo ein Hilfsschutzgasstrom, kann benutzt «erden, um die Luft aus der engen Fuge herauszutreiben» Die Elektrode wird mittels einer nicht veranschaulichten Vorrichtung gegenüber dem Werkstück in einer Richtung bewegt, die durch den Pfeil angedeutet isto Die Vorschubgeschwindigkeit liegt zwischen ungefähr 25 und 76 cm/min_o

In der Nachbarschaft des Lichtbogens A befindet sich ein zweiter stromführender Leiter E₀ Der Leiter E kann ein beliebiges stromführendes medium darstellen; vorzugsweise handelt es sich um einen festen Leiter in Form einer abschmelzenden oder nichtabschmelzenden Elektrode» Erfindungsgemäß uiird der im Leiter E fließende Strom geändert, um den Lichtbogen A richtungsmäßig derart zu steuern, daß eine vorbestimmte Orientierung zwischen dem Lichtbogen A und dem Werkstück W aufrechterhalten uiird, wenn sich die Elektrode 20 relativ zum Werkstück UJ verschiebt., Der Leiter E liegt innerhalb des ausgefugten Stoßes 10 in der Nähe der Elektrode 20. Die Lage des Leiters E, die Richtung des im Leiter fließenden Stromes und die Größe des Stromes bestimmen den Einfluß des Leiters E auf den Lichtbogen A₀ Der Leiter E befindet sich vorzugsweise hinter dem Lichtbogen in einer lotrechten Ebene, die durch die Längsachse der Schuieißung hindurchverläuft; er ist vorzugsweise in einem Winkel von bis zu ungefähr 30° mit Bezug auf die Elektrode 20, gemessen in der lotrechten Ebene, geneigt und wird zusammen mit der Elektrode 20 in der gleichen Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt. Strom wird durch den

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Leiter E in einer Richtung hindurchgeleitet, die der Richtung dee Stromflueses in der Elektrode 20 entgegengesetzt ist, um den Lichtbogen A von dem Leiter E uiegzulenken„ Eine Stromquelle C ist an ein Kontaktführungsrohr H über eine Leitung 50 und an das Werkstück über eine Leitung 52 angeschlossen,, Der über den Leiter E fließende Strom wird mittels der Stromquelle C variabel geregelt oder gesteuerte

für die Zwecke der Erfindung ist es erwünscht, daß zwischen dem Leiter E und dem Werkstück kein Lichtbogen ausgebildet wirdo Falls eich zwischen dem Leiter E und dem Werkstück ein Lichtbogen entwickelt, uiird eine wirksame Beeinflussung des Hauptbogens A erheblich schwieriger, da der Lichtbogen A auf den zweiten Lichtbogen eine Kraft ausübt, die die Kräfte ändert, die auf den Hauptlichtbogen selbst einwirken» Außerdem können durch einen zweiten Lichtbogen die Eigenschaften der Schweißung geändert «erden. Um zu verhindern, daß zwischen dem festen Leiter E und dem Werkstück ein Lichtbogen entsteht, kann eine Niederspannungs-Stromquelle benutzt werden_o

Der Leiter E wird von einer Vorratsspule S1 durch das Kontaktführungsrohr H mittels Vorschubrollen R1, die von einem Motor JM unter dem Einfluß eines Reglers G1 angetrieben werden, in den ausgefugten Stoß 10 abgesenkte Obwohl vorzugsweise kein Lichtbogen zwischen dem Leiter E und dem Werkstück ausgebildet wird, wird der Leiter E nicht daran gehindert, eine gewisse Menge an Rietall in das Schweißbad durch Stromwärmeauf heizung

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(I R-Erwärmung) einzubringen,, Bei einem vorgegebenen Steuerstrom bestimmt der Durchmesser des verwendeten Drahtes die Hletallmenge, die durch Stromwärmeauf heizung abgeschmolzen werden kann_o Ein Verfahren zum Auftragen von Metall ohne Lichtbogen durch Stromwärmeaufheizung ist aus der US-Patentschrift 3 122 629 bekannte Das Hauptziel besteht dort darin, eine hohe Auftragsleistung als Funktion der Stromwärmeaufheizung zu erhalten« Dies erfolgt dadurch, daß zunächst eine Drahtvorschubgeschwindigkeit und ein Drahtdurchmesser ausgewählt werden und dann ein Strom bestimmt wird, der geeignet ist, um eine gewünschte Abschmelzgeschwindigkeit zu erzielen«. Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist eine hohe Abschmelzleistung durch Stromwärmeaufheizung unerwünscht; die Hauptaufgabe ist vielmehr die Steuerung der Lichtbogenrichtung oder -stellung, um einen einwandfreien Einbrand zu erhaltene In Abhängigkeit von der Fugenausbildung kann ein gewisser Betrag an Stromwärmeaufheizung erforderlich sein; eine übermäßige Stromwärmeaufheizung hat jedoch zur Folge, daß das Schweißbad unter und vor dem Lichtbogen wegfließt. Dies kann einen vollen Einbrand verhindern., Wenn das Schweißbad infolge übermäßiger Stromwärmeaufheizung zu tief wird, kann es außerdem zu Rissen der Schweißung kommen« Infolgedessen wird vorzugsweise der Durchmesser des Drahtes so groß gewählt, daß der Betrag des Ulerkstof f es, der durch Stromwärmeauf heizung aufgetragen wird, verhältnismäßig kloin ist. Falle der Drahtdurchmesser so gewählt wird, daß kein zusätzlicher Werkstoff aufgetragen werden kann, ist eine Drahtvorschubvorrichtung selbst-

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verständlich unnötige In einem solchen Falle wird der Draht von Hand abgesenkt und durch eine zweckentsprechende einfache Haltevorrichtung in Kontakt mit dem lilerkstück gehalten» Dabei kann ein nichtabschmelzender Draht aus einem wärmebeständigen Werkstoff benutzt uierden_o

Das lilerkstück Ui ist auf einer rückseitig angelegten Unterlage angeordnet, die an dem !Werkstück festgeklemmt ist_o Die Unterlage 5 besteht aus einem leitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer,, In die Oberseite der Unterlage ist eine halbkreisförmige Nut eingeschnitten; die tl/urzel 12 des Werkstücke W wird in die Mitte dieser Nut gebrachte Die derart ausgestaltete Unterlage hat den Zweck, die Unterseite des Werkstückes W während des Schweißvorganges gegen Verunreinigungen aus der Atmosphäre zu schützen; sie dient außerdem als Form für die Unternaht, um für ein gleichförmiges Aussehen zu sorgen,,

Die unten stehenden Werte gelten für ein typisches Beispiel der Schweißbedingungen bei der veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsforms

Werkstoffs Kohlenstoffetahlplatten von 19 mm Dicke Vorbereitung s Flammabschrägen mit einem eingeschlossenen

Winkel von 50°

Platten über einer rückseitig angelegten Unterlage aus Kupfer aneinandergestoßen

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Schweißstrom 540 Ampere

Schiueißepannung 27 Volt

Schuieißgeschwindigkeit 40 cm/min

Strom im Leiter E 270 Ampere Spannung am Leiter E 4 Volt

Leiter E - Kohlenetoffstahlelektrode Linde 85 mit 1,6 mm

Durchmesser

Elektrode 20 - Kohlenstoffetahlelektrode Linde 85 mit 2,4 mm Durchmesser

Schutzgas - 92 % Argon, 6 % CO₂, 2 % O₂

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Claims

Ansprüche

1, Verfahren zum Lichtbogenschweißen dicker Werkstücke von einer Seite aus, bei dem zwischen den UJerkstücken eine Fuge gebildet wird, bei dem zwischen einer Elektrode und der zwischen den Werkstücken befindlichen Fuge ein Lichtbogen ausgebildet wird, bei dem die Elektrode und die Werkstücke gegeneinander bewegt werden und bei dem der Lichtbogen auf die Wurzel der Fuge gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß nahe dem Lichtbogen in der Fuge ein fester stromführender Leiter angeordnet wird, der feste stromführende Leiter in unmittelbarem Kontakt mit den Werkstücken gehalten wird und die Polarität und Stärke des in dem stromführenden Leiter fließenden Stromes eingestellt werden, um den Lichtbogen richtungsmäßig derart zu beeinflussen, daß der Lichtbogen in einer vorbestimmten Ausrichtung mit Bezug auf die Werkstücke gehalten und dadurch ein einwandfreier, im wesentlichen konstanter Einbrand erzielt wirdo
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als stromführender Leiter ein metalldraht verwendet wird, über den ein wahlweise änderbarer Strom fließt«

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht hinter dem Lichtbogen in einer durch die Längsachse der Schtueißung verlaufenden, lotrechten Ebene in einem Winkel von bis zu ungefähr 30° mit Bezug auf die Elektrode, gemessen in der lotrechten Ebene, angeordnet ttiirdo
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daQ als stromführender Leiter eine kontinuierlich vorgeschobene abschmelzende Elektrode verwendet und zwischen dem Drahtende und dem Werkstück ständig ein lichtbogenloser Kurzschluß aufrechterhalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Elektrode relativ zum Werkstück bewegt wird.
δ» Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einer Vorschubgsschuiindigkeit im Bereich von ungefähr 25 bis 76 cm/min mit Bezug auf das Werkstück bewegt wird»
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück auf einer rückseitig angelegten Unterlage angeordnet wird»

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B₀ Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterlage aus Kupfer verwendet wird, die eine profilierte Oberfläche aufweist, auf die die Fuge des Werkstückes aufgesetzt tuirdo

9, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine abschmelzende Elektrode verwendet und der Lichtbogen mittels eines Gases abgeschirmt wird, das im wesentlichen aus 92 % Argon, 6 % CO« und 2 % 0« besteht«.

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