DE1910412C3 - Schweißverfahren zur Verbindung großer Querschnitte - Google Patents

Description

)ie Erfindung betrifft ein Schweißverfahren /ur Vor- ι»· dung großer Werkstückquerschnitte. inshesiindci e Her Schmiedestücke, unter Verwendung des Elekschlackeuinschmel/ens und des Siumplschwei-

)ie meisten Schweißverfahren belassen sich mi; tier i-n !stellung von Schweißnähten. Bei ihnen steht immer ein sehr kleiner Teil der /u verschweißenden samt-Eläche (lücke X Länge der Schweißnaht) rni!

dem flüssigen Schweißgut in Berührung, lic: derartigen Verbindungsschweißungen werden die Verfahreuskosten in der Regel nicht auf das Schweißgui (Wert oder Menge) oder auf die zu verschweißende Querschnittsfläche (Dicke X Länge) bezogen, sondern am Wert des Erzeugnisses gemessen.

Mit wachsenden Dicken bzw. Querschnitten des Materials kommt den Schweißkosten mehr und mehr Bedeutung zu. Außerdem sind den Lichlbogenschweißverfahren mit Zusatzwerkstoffen hinsichtlich der Dimension des Schweißquerschnittes technische Grenzen gesetzt.

Einen Fortschritt in dieser Hinsicht stellt das Elektro-Schlacke-Schweißen dar. Mit diesem Verfahren lassen sich Schweißnähte mit sehr großen Materialdicken herstellen. Anstelle des Lichtbogens als Energiequelle ist eine widerstandserhitzte Schlacke getreten, in welcher der Schweißzusatzwerkstoff abschmilzt. Auch bei diesem Verfahren ist in der Regel immer nur ein kleiner Teil des gesaimten Schmelzvoiumens flüssig. Eine nicht unerhebliche Menge von Schweißgut muß ständig zugeführt werden, um den Zwischenraum zwischen den zu verbindenden Teilen aufzufüllen (z. B. DT-AS 1194 435).

Ein anderes Verfahren zur direkten Verbindung kompakter Teile ist das Abtrennstumpfschweißen. Aber auch dieses Verfahren ist hinsichtlich der Größe der Verbindungsfläche begrenzt, einmal wegen Werkstoffschwierigkeiten in der Schweißzone (Materialfehler) zum anderen wegen der sehr großen Stromstärken, die sich aus dem geringen elektrischen Widerstand der sich berührenden Metallteile ergeben (DT-AS 12 24 854).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, rohe oder vorgefertigte Teile für schwere Maschinen mit entsprechend großen Querschnitten bei tragbaren Kosten zuverlässig und homogen durch Schweißung zu verbinden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Diese erfindungsgemäße Kombination hat einige ganz wesentliche Vorzüge:

1. Der Schweißvorgang selber benötigt wenig Zeit.

2. Es wird kein SchweißzusatzwerkstolT benötigt.

3. Die elektrische Ausrüstung kann sich weitgehend an die für das Elektro-Schiacke-Umschmelzverfahren gebräuchliche anlehnen bzw. eine vorhandene Anlage kann für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichtet werden.

4. Der hohe wirtschaftliche Nutzen ist. nicht nur durch die Punkte 1 bis 3 gegeben, sondern auch durch die Tatsache, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fast beliebig große Maschinenteile, die von der Konstruktion her als einteilig gelten, aus mehreren Teilstücken hergestellt werden können, die ihrerseits wieder billiger und zuverlässiger erzeugt werden können als das vollständige Maschinenteil aus einem einzigen Rohblock.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nachfolgend an einigen Beispielen beschrieben.

B e i s ρ i e I !

Ausgangswerksiück isi das Mittelstück, der Ballen eines Rotorkörpers, an dem an beiden Seiten ein Zapfen angeschweißt werden -nil. Hie Stirnfläche ties Ballens wird mit einem kurzen Ansät/ verschen, welcher etwa dem Durchmesser des Zapfens entspricht Um diesen Ansät/ herum wird eine feuerfeste Fonr

zur Aufnahme der Schlacke angebracht, die den Querschnitt um seinen Durchmesser oder mehr nach oben überragt. Achsparallel zum Hallen und zentriseh über dem Ansatz, wird der Zapfen als Elektrode geführt. Der nächste Verfahiensschrill entsprich; weitgehend dem Elektro-Sehlacke-Umschmelzcn. Die in die IT.-Eorm eingegebene Schlacke wird mittels des Zapfens (der in die Sehlacke eintaucht), der eifindungsgemäi.i kurzzeitig wie eine Abschmelzelektrode benutzt wird, durch Widerstandserhitzung geschmolzen und überhitzt.

Dabei beginnt die EU-kimde und der kurze Ansatz auf der Stirnfläche des Ballens an ihren sich gegenüberstehenden !'lachen abzuschmelzen. Sobaiu sich ein ausreichender Stumpf flüssigen Stahles im unteren Teil der ff.-Form gesammelt hat, wird die Elektrode abwärts gefahren. Beim Hintritt des Kurzschlusses oder unmittelbar davor, wird der Tjtrom abgeschaltet, um eine Überlastung der Anlage zu vermeiden. Die Elektrode wird ohne Unterbrechung weiter abwärts gefahren, taucht in das flüssige Metall ein und verdrängt einen Teil desselben in den oberen Teil der ff.-Form. Während dieses Vorganges beginnt die Schmelze zu erstarren und setzt der Bewegung der Elektrode wachsenden Widerstand entgegen bis zur vollständigen Verschweißung. Um die Struktur und die Werkstoffeigenschaften der Schweißzone zu verbessern, empfiehlt es sich, den Zapfen (bisher Elektrode) unter Aufwendung einer Preßkraft weiter gegen die Ballcnstirnflüchc zu drücken, wobei die noch plastische Schweißzone verformt und die Erstarrungsstruktur zerstört wird. Auf die eben beschriebene Weise wird dann anschließend der gegenüberliegende Zapfen angeschweißt.

Da der geringe Zeitbedarf für die Schweißung einen günstigen Einfluß auf die Wirtschaftlichkeit hat, sind alle diejenigen Maßnahmen zu empfehlen, welche den Start des Vorganges beschleunigen. Diese Maßnahmen sind an sich bekannt und werden beim Elektroschlacke-Umschmelzen angewandt. Unter anderem sei auf folgende Möglichkeiten hingewiesen, die besonders für das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil sind:

1. Das Vorwärmen der ff.-Eorm, der Teilstücke, besonders der zu verschweißenden Flächen.

2. Das Verschmelzen der Schlacke in einem besonderen Ofen oder besser noch direkt in der ff.-Form mittels einer nicht abschmelzenden Elektrode.

3. Die Ausbildung der Elektrodenstirnflächen zu kegelförmigen Spitzen, wodurch die Stromdichte und damit die Energie zu Beginn auf die Kernzone des Schlackenbades konzentriert wird.

4. Um die Schlackenreinheit der Schwcißzone zu verbessern, wird empfohlen, eine Schlacke mit verminderter Benetzbarkeit zu benutzen, z. B. durch erhöhten Tonerdegehalt.

B e i s ρ i e ! ?

liier sollen I'edslücke hochwertigen Malen,ils nut gleichem Querschnitt verschweißt werden, cue entweder aus einem Norgeschmiedcicu B!;vk <>dci ,ms einer Umschmelzanlage stammen können Dci Schweißvorgang wird auch hiei ebenso durchgeführt, wie im 1. Beispiel beschrieben. Das ei rnnliiiu'.sgcm.'k Verfahren ermöglicht so die Herstellung huchwci im,. ■ vorgeschmiedeter Blöcke \o\\ einer Größe, wie sie sonst nicht hätten er/euiM werden können. Is ·,-,[ sogar möglich, den Sehweißprozeß aus der Schmiedehitze der Vorblöcke heraus durchzuführen. Der zusammengeschweißte Block kann jetzt ganz normal weitergeschmirdet und verarbeitet werden.

Bei weiter wachsendem Querschnitt wird entweder die Leistungsgrenze der vorhandenen Anlage erreicht oder aber die Grenze der technisch beherrschbaren Stromstärke. Der Grund für diese Begrenzung liegt in dem mit zunehmendem Querschnitt abnehmenden Widerstand der stromdurchllossenen Schlacke.

Selbstverständlich kann in einem gewissen Bereich die Stromstärke reguliert, d. h. in diesem Fall ihr Anwachsen verhindert werden, durch Erhöhung des spez. Widerstandes der Schlacke und durch Vergrößerung des Abstandes zwischen den Elektroden.

Speziell für das hier beschriebene Verfahren wird jedoch erllndungsgemäß eine andere Möglichkeit vorgeschlagen, die im folgenden Beispiel gezeigt wird.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wird dargelegt, wie Teilstücke mit sehr großen Querschnitten verschweißt werden können, wenn es darauf ankommt, die elektrische Leistung und die Stromstärke in erträglichen Grenzen zu halten. Die Stirnflächen der Elektroden (mindestens die der oberen Elektrode) werden mit Zapfen versehen. Die obere Elektrode taucht nur mit dem Zapfen in die Schlacke ein, nicht mit dem übrigen Teil der Stirnfläche. Damit wird erreicht, daß der Strom fast nur durch die zwischen den Zapfen befindliche Schlacke Hießt, hier also die Stromdichte sehr hoch wird. Daraus ergibt sich gegenüber der Ausführungs-Iorm des vorigen Beispiels (bei gleichem Blockquerschnitt) für etwa gleiche Leistung eine erhöhte Spannung und verminderte Stromstärke. Oder anders ausgedrückt, bei vorgegebener elektrischer Leistung der Anlage können nach der hier beschriebenen Ausl'ührungslbrni größere Querschnitte miteinander verschweißt werden als nach der Ausführungsform in Beispiel 2. Die Volumina der Zapfen sind so bemessen, daß sie durch Abschmelzen ein ausreichend großes Bad bilden, welches später gegen Ende des Prozesses die Schwcißzone ergibt. Im weiteren Verlauf wird der Abschmelzvorgang so lange fortgesetzt, bis die Zapfen abgeschmolzen sind. Während dieser Zeit hat die stark strahlende Schlacke die restliche Stirnfläche der Elektrode auf .Schweißhitze erwärmt, so daß beim Eintauchen derselben in das Schlackenbad keine Schlacke an ihr haften bleiben kann. Beim Eintauchen der gesamten Stirnfläche ties oberen Teilstückes wird der jetzt stark ansteigende Strom ausgeschaltet und das Teilstück weiter abwärts gefahren, bis es im metalli schen Schmelzbad mit dem unteren Teilstück verschweißt. Bevor dieser große Block wie im Beispiel 2 weiten erarbeitet wird, wird es meistens zweckmäßig sein, die überschüssige Schmelze, welche als Kranz die Sch¹"· 'il.l/niu· umgibt, /u einlernen

In den beigefügten Zeichnungen sind die in den Beispielen heschi !ebenen erfmdungsgeniäßcn \usiijh- ! i.HL'sfoniK η sehe mat ι si Ii .i.iriicstelh Is /cu'.t

l:i'. 1 einen RiH.μ km pc: mil zwei Zapfen.

l'ii! -¹ ei Werkstück gleichen Durchmessers,

E ι;.'. .< em W erksmek gleichen ! Ί in eh messe ι s mit ;:eäiuk-i Il ι Aust'.jngstoi m

In 1-'ιμ ! ist das Mittelsiuck 1 eines Rotorköipeis bcidseiiii: mit kui/en Absätzen I und T dargestellt.

die etwa dem Durchmesser der Zapfen 3 und 3' entsprechen. Um diesen Ansät/ herum wird eine IT-Form 4 zur Aufnahme der Schlacke 5 aufgesetzt. Der anzuschweißende Zapfen 3 wird als Klektmde eingeführt.
Fig. 2 zeigt Tcilstückc 5 und 6. die mit Hilfe einer i'f.-l'orm 7 verbunden werden.

Hie in I'ig. 3 dargestellte Abänderung zeigt zapfenlurmige Ansätze X und 9 an den Teilstücken 10 und 11 und eine entsprechende IT.-Form 12. Die bei allen Ausführungsformen notwendige Druckeinrichtung ist nicht dargestellt.

I licrzu 3 Blau

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schweißverfahren zur Verbindung größerer Werkstückquerschnitte, insbesondere großer Schmiedestücke, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des bekannten Elektroschlacken-Unschmelzverfahrens der gegebenenfalls größere der zu verschweißenden horizontalen Querschnitte mit einer feuerfesten Form umgeben wird, die den Querschnitt um seinen Durchmesser oder mehr nach oben überragt, in welche das zu verschweißende Gegenstück als Elektrode gebracht wird und in welcher dann nach dem Elektroschlacken-Umschmelzverfahren beide Querschnittsllächen aufgeschmolzen werden, worauf die beiden Teile bis zum Kurzschluß aufeinander und anschließend ohne Strom weiter bis zur vollständigen Verschweißung gefahren werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschweißenden Querschnitte nur teilweise als wärmeerzeugende Hlekiroden benutzt werden, wobei letztere als ein oder mehrere in die Schlacke eintauchende Zapfen ausgebildet sind, deren Volumen ausreichen, um das Schmelzbad der Schweißzone zu bilden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der vollständigen Verschweißung die miteinander verbundenen Teile unter Krafteinwirkung so weit gegeneinander gepreßt werden, daß eine das Erstarrungsgefüge zerstörende Verformung der Schweißzone eintritt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfeste Form zusammen, mit dem Grundmaterial beheizbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu veischweißende Elektrode vorgewärmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode alleine und/oder die Gegenelektrode eine kegelförmige Spitze hat.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schlacke geringer Benetzbarkeit benutzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlacke zuerst mit einer nicht abschmelzenden Elektrode geschmolzen und erhitzt wird, die dann gegen die zu verschweißende Elektrode gewechselt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung oder das ganze Stück nachgeschmiedet wird.