DE1934535A1

DE1934535A1 - Verfahren zur Herstellung von Stumpfschweissverbindungen

Info

Publication number: DE1934535A1
Application number: DE19691934535
Authority: DE
Inventors: Almqvist Goeran Folke
Original assignee: KJELLBERG ESAB GmbH
Current assignee: KJELLBERG ESAB GmbH
Priority date: 1968-07-11
Filing date: 1969-07-08
Publication date: 1970-01-15
Also published as: NL6910755A; US3575574A; FR2014567A1; GB1238263A; SE350208B

Description

P A T E N T A in W A" >. T F Pall A 115

Dr. V. BUSSE . Dipl.-lng- D. BUSSE ^

45 Osnabrück- Mäserstraße 20-24 1934535

Osnabrück, den 7. Juli 1969

Verfahren zur Herstellung von S tump'fschweiss verbindung en» .

Die Erfindung bezieht sich, auf die Herstellung von Stumpf-Bchweissverbindungen zwischen aus Stahlblech bestehenden Werkstücken, u.zw. insbesondere auf das Schweissen von dicken Stahlblechen. Unter dicken Stahlblechen seien hier Stahlbleche mit einer Dicke von '5 mm oder mehr, vorzugsweise mindestens 8 mm, zu verstehen.

Es sind bereits viele Versuche gemacht worden, ein für die Praxis geeignetes Verfahren zum Lichfhogenschweissen dicker Bleche von nur der einen Seite her zu entwickeln. Bei diesem Verfahren ist eine Schweissunterlage ^rfcrderlich, welches das flüssige Schweissmetall der Fahtwurze^ zurückhält. Es sind viele verschiedene Ausbildungen der Sehv/eiisiLi-lerlage entwickelt worden. So kann die Schweissunterlage z.B. aus einerKupferschiene bestehen, wobei gegebenenfalls zwischen der Kupferschiene und dem Werkstück eine Schicht aus kernförmigem !Flussmittel liegt« Eine andere bekannte Schweissunterlage besteht aus einem dünnen Stahlstrexfen_s welche mit einer aufgespritzten Schicht aus schwer schmelzbaron Oxyden versehen ist» Bei einer dritten bekannten Ausführung besteht die Unterlage aus einer Metallschiene oder einem Metallstreifen

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welche bzw. welcher eine aus Glasfasern "bestehende streifenförmige Zwischenlage trägt» Diese und andere bekannte Schweissunterlagen erfordern eine sehr genaue Einstellung der beim Niederlegen der ersten Raupe verwendeten Schweissstromstärke, um einen Einbrand in die Schweissunterlage zu verhindern. Es treten häufig Wurzelfehler auf. Bei der praktischen Anwendung dieser bekannten Schweissunterlagen treten meistens auch andere Schwierigkeiten und Uebelstände verschiedener Art hervor.

Andererseits ist auch bekannt, als Schweissunterlage einen dem Werkstück direkt anliegenden Stahlstreifen beträchtlicher Dicke (Flacheisen) zu benützen, welche durch den Schweissyorgang mit dem Werkstück verschweisst, aber nicht durchgeschmolzen wird. ¹JiOSuS Verfahren besitzt wichtige Vorzüge gegenüber anderen bekannten oder vorgeschlagenen Verfahren zum einseitigen. Schweissen. Daa Verfahren ist einfach und bedingt keine teueren Hilfsmittel. Die Schweissbedingungen sind nicht kritisch· Wurzelfebler sind bei saehgemässei«. Arbeit praktisch ausgsscMossen. Entgegen diesen Vorzügen stehen aber schwerwiegend ο NaChUe^-4Te. Der unvermittelte Uebergang vom Werkstücksquerschnitt zu der durch den angeschweissten Streifen verstärkten Nahtquerschnitt ergibt eine ungünstige Belastungsverteilung. Die zwischen dem Stahlstreifen und dem Werkstück zn beiden Seiten der Kahtwurzel vorhandenen engen Spalten bringen die C efaiii der Spaltkorrosion* Das Vorhanden- * sein des Stahlstreifens auf der Oberfläche des fertigen Erzeugnisses ist oft aus ästetischei? und/odei· funktioneilen Gründen unerwünscht. Diese Nachteile haben die Verwendung dieser Art

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von Schweissunterläge von vielen wichtigen Anwendungsgebieten, z.B. vom Schiffbau, praktisch ausgeschlossen.

Die Erfindung bezweckt ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Stumpfschweissverbindung-zwischen zwei aus Stahlblech bestehenden Werkstücken, bei.welchem unter die zu schweissende Naht eine Schweissunterläge gelegt wird und die Naht durch Lichtbogenschweissen mit abschmelzender Elektrode von der Oberseite her geschweisst wird. Das erfindungsgemässe Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass als Unterlage in an sich bekannter Weise eine den Werkstücken unmittelbar anliegende Stahlschiene verwendet wird, welche durch den SchweissVorgang mit den Werkstücken ohne Durchschmelzen verschweisst wird, und dass die Stahlschiene nachträglich durch Sauerstoffhobeln entfernt wird. Di?e rcjue Verfahren beseitigt die Nachteile und Beschränkungen, welche mit den bisherigen Verfahren zum Schweissen von ler Oberseite her verknüpft sind, und ergibt · eine in jeder Hinsicu.t befriedigende Schweissnaht.

Das Sauerstoffhobeln (engl. "flame desurfacing", "flame machining oder "flame scarfing¹¹) ist ein bekanntes Verfahren, bei welchem als Arbeitsmittel ein aas mindestens einer Düse heraustretender Sauerstoffstroin dient, wobei die Düse in einem spitzen Winkel zu der Werkstückoberfläche gehalten und längs einer Zone des Werkstücks mit gleichförmige?- Geschwindigkeit fortbewegt v/ird, sodass der Sauerstoffstrom eine Oberflächenschicht aus Stahl von der genannten Zone nacn und nach entfernt. Zum Einleiten der chemischen und thermischen Einwirkung des Sauerstoffstroms auf den Stahl nuss die Stelle, wo der Schnitt anfangen soll, mittels einer oder mehrerer Vorwärmeflammen vorgewärmt werden.

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Bei deia erfindungsgemässen VerJahren wi?.d das Entfernen des als Schwel HPuirfc erläge dienenden Stahlstreifens vorzugsweise in einer einzigen Ueberfahrt der Sauerstoffdüse vorgenommen. Die Onerschnittsform der Schweissnahtoberfläche * kann durch entsprechende Einstellung der Bedingungen des Sauerstoffhobeins eingestellt werden. Es ist möglich, eine Schweissnahtoberf la oi-.e zu !,ekommen, welche mit derjenigen des Werktt'icxs praktisch, in einer Ebene liegt. Meistens ist es aber vorzuziehen, die Bedingungen so einzustellen, dess zwar die mib dem Werkstück nicht verschweissten Ra:idkiOnen des Jnterlegestreifens restlos entfernt werden, aber die dazwischenliegende, mit dem Werkstück verschweisste Mittelzone nicht ganz vollständig entfernt wird, sodass r'ar am WelkstLLoIc verbleibende Rest eine Wurzelüberhöhung der Schweissnaht darstellt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Mg. 1 eine Seitenansicht eines "Wagens zur Zufuhr eines ' Unterlegestreifens zur Schweissfuge und zum Andrücken des Unterlegestreifens an die Werkstücke, Pig. 2 eine Draufsicht des Wagens und der Vorrichtung zum Unterstützen und Festhalten der Werkstücke, Pig. 3 eine Teilansicht in grösserem Massstabe einer der in Abb. 1-2 gezeigten Druckrollen,

Fig. 4 Querschnitte von Schweissfugen, welche-sich für das ■ erfindungsgemässe Verfahren eignen,

Pig. 5 eine Seitenansicht eines geschweissten Werkstücks und eines Brennergerätes während des Sauerstoffhobeins, 909883/1356

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Pig. 6 eine Teilansicht der Endfläche des Düsenkörpers des Brennergerätes in grösserem Massstabe, Fig. 7 einen Querschnitt eines geschweissten Werkstücks vor der Entfernung des Unterlegestreifens, und Pig. 8 einen Querschnitt eines geschweissten Y/erkstücks nach der Entfernung des Unterlegestreifens.

Die in Pig. 1-2 gezeigte Vorrichtung "besteht aus einem mit zwei angetriebenen Vorderrädern 2 und zwei nicht angetriebenen Hinterrädern 3 versehenen, längs eines Schienenpaares 4 beweglichen Wagen. Die Schienen bilden eine unter der Auflageebene der zu verschweissenden Bleche 5 versenkte Bahn in einem mit Aufspannmagneten 6 für die Bleche versehenen Schweissbett 7. Der Wagen ist vorne mit zwei Tragarmen 8 versehen, in welch.η eine Trommel 9, welche ein aufgewickeltes Flacheisen 10 trägt, drehbar gelagert ist. Der Wagen ist mit zwei hyd-' raulischen (oder pneumatischen) Zylindern 11, 12 versehen, deren Kolbenstangen 13» H mit einem Rahmen 17 mittels Gelenkzapfen 15, 16 drehbar verbunden sind. In dem Rahmen sind zwei Druckrollen 18, 19 und ein Paar von Tragarmen 20 drehbar gelagert. In dem Tragarmenpaar ist eine dritte Druckrolle 21 drehbar gelagert. Ein Querstück 22 verbindet die freien Endei* der Arme 20. Eine zwischen diesem Querstück und dem Boden des Rahmens eingespannte Feder 23 übt eine nach oben gerichtete Kraxt· auf die Arme 20 und somit auf die Rolle 21 aus. Die Druckrollen sind mit Flanschen 24 (Fig". 3) zum Steuern des Fläüheisens 10 versehen. Die Höhe diener Plansche ist geringer al3 die Dicke des Flacheisens, sodass das Flacheisen dirch die Druckrollen an die Werkstücke 5 angepresst wird. .Der eine

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hydraulische Zylinder 12 ist mit dem Wagenkörper durch einen Gelenkzapfen 25 drehbar verbunden, damit sich der Rahmen 7 örtlichen Abweisungen der Schweissfuge von der horizontalen Richtung frei anpassen kann. Durch die vertikale Beweglichkeit der Druckrolle 21 in Bezug auf die beiden anderen Druckrollen ergibt sich ein dichtes Anpressen des Flacheisens an die Bleche auch in dem Falle, dass die Anlagestelle der drei Rollen nicht ganz in Linie miteinander liegen.

Der Wagen 1 wird während des Schv/eissens mit derselben Geschwindigkeit wie die an der Oberseite der Schweissfuge wirksame Schweisselektrode 26 fortbewegt, damit die Schweisselektrode ständig oberhalb der mittleren Druckrolle 21 liegt. Gegebenenfalls können anstatt der Elektrode 26 in an sich bekannter Weise zwei oder mehrere gleichzeitig arbeitende Elektroden verwendet werden.

Das zv/ischen den hydraulischer Zylindern 11, 12 angeordnete Gehäuse 27 umschliLejst den Axiürieb der Räder 2 wie auch die erforderlichen Vorrichtungen zur Steuerung des Antriebmotors. Ein oben am Gehärae 27 angebrachter Ständer 28 trägt ein Rohr 29, welches ein warmest^.a*Oungs empfindliches elektrisches Glied (Selenzelle) enthält. Das strahlungsempfindliche Glied empfängt die wärmestrahlung eines Teiles des Flacheisens 10, welcher etwas vor dem zwischen den Flanschen der Rolle 21 liegenden Teil des Flacheisena liegt. Das strahlungs empfindliche Glied ist mit ilneri Steuerstrbmkreis des Wagenmotors verbunden, sodass der Motor den Wagen stetig oder stufenweise derart weiteroewegt, dass das strahluiigsempfindliche Glied auf eine Zone des Flacheisens, dej'en Temperatur in gegebenen Grenzen liegt, eingeo?icJ3i;eiu bl^ilit^ Es ist auch möglich, den

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Wagen rait einer konstanten Geschwindigkeit fortzubewegen und .das warmestrahlungsempfindliche Glied die Höhe des Sehweissstromes durch geeignete Vorrichtungen steuern zu lassen.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung "besteht der Wunsch, Flacheisen einer einzigen Grosse beim Schweissen verschiedener' Blechdicken verwenden zu. können, sodass auch dieselben Druckrollen 18j 19» 21 in sämtlichen Fällen verwendet werden können. Fig. 4a-g stellen die Querschnitte von Schweissfugen verschiedener Dicke dar, welche sämtlich für die Verwendung eines Unterlegestreifens von der Grosse 5 x 20 mm angepasst sind. Die verschiedenen Masse der Schweissfuge und die empfohlenen Schweissbedingungen beim Unterpulverschweissen der verschiedenen Fugen gehen aus der unterstehenden Zusammenstellung hervor. ^l

.p. T s Ij υ El ektru- Anzahl Schw. eiss- ^* · mm mm 2. Grad den 0 von strom spann, geschwir.

mm Raupen A V m/h.

4a	10	3	-	-	50°	7	1	1)	1050	36	45
4b	12	3		7	1	2)	1140	36	40
4c	15	3	5 50°	6	2	D	1050	35	40
						2)	1050	36	40
4d	20	3	3 50°	6	2	1)	1000	35	25
						2)	1100	36	22
4e	25	—		6	3	3)	1050	32	25
			6 50°			D	1000	36	25
						2)	1000	36	25
4f	30	—		6	4	3)	1050	32	25
						4)	1050	34	25
			50°			D	1050	36	25
						2)	1050	36	20
4g	35	—		6	Ul	3)	1050	32	25
			90 988 3/			4)	1050	34 .	25
						5)	1050	34	20
			135 6		1050	36	20 ·
					1050	36	20

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung der oben dargeßtellten Fugenaus führungen und Schweissbedingungen beschränkt, sondern erlaubt· z.B. auch die Anwendung derjenigen Fugenausführungen und Schweissbedingungen, welche V.. aus Welding Handbook 4. Auflage, American Welding Society 1958, Abschnitt 2, Zahlentafel 28,14 und 28.33, ersichtlich sind,,

Zum Anpressen des Unterlegestreifens an das Werkstück kännen gegebenenfalls ein oder mehrere Gleitkörper anstatt der oben beschriebenen Druckrollen verwendet werden. Die Gleitkörper, welche zweekmässig mit Wasserkühlung ausgerüstet werden, können gegebenenfalls auch zum- Anschluss des Rückleiters verwendet werden, welcher das Werkstück mit der Schweissstromquelle verbindet.

Das in Fig. 5 i^ii 6 dargestellte Brennergerät hat eine Spitze oder einen Düsenkörper 37, welche mit einer schlitzförmigen Austrittsöffnung 35 für den Schneidsauerstoff und sechs , runden Austrittsöjfnunöen ?ö für das Vorwärmgas (ein Gemisch aus Sauerstoff und Azetylen) versehen ist. Brennergeräte dieser Art und Jftre Arbeitsweise sind wohlbekannt und bedürfes hier keiner weit?ren EeEcLreibung. Zur Entfernung des Unterlegestreifens 34 vom Werkstück v/erden die Arbeitsbedingungen so abgepasst, dass die mit den Blechen 38 (Fig. 7) nicht verschweisstei Randteile des Wurzelstreifens 34 restlos entfernt werden, während ein kleiner Teil der Mittelzone des Streifens 34 belassen v.ird, welcher Teil eine Ueberhöhung 39 (Fig. 8) der Wurzeloborilache der Schweissnaht bildet.

Es können z.B. die untenstellenden Bediigmgen bei der Entfernung eines Unterlegestrelfens der Grosse 5 x 20 mm von

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einer Schweissnaht gemäss Pig.· 7 verwendet werden, wobei die Vorbereitung der Schweissfuge gemäss Pig. 4c erfolgte und die Schweissbedingungen entsprechend gewählt wurden:

Querschnitt der Sauerstoff-Austritts öffnung: · 0,7 x 7 mm

Sauerstoffdruck: 5 kgm/cm

Anfallswinkel'<fc τ 18°

Hobelgeschwindigkeit: 1 m/Min.

Höhe der Wurzelüberhöhung
(annähernd): 1,5 mm

Die Striche des Schweissnahtquerschnitts der Pig. 7 geben die Kristallisationsrichtungen während des Erstarrens des Schweissmetalls wieder. Es ist zu bemerken, dass die Kristallite in der Wurzelzone der Schweissnaht in der Hauptsache vertikal liegen. Beim Schweissen ohne einen metallischen Wurzelstreifen werden die Kristallite in der Wurzelzone im wesentlichen horizontal liegen und gegeneinander von den beiden Kanten der SchweisF.iaht wachsen. Es ergibt sich dadurch eine gewisse Segregation in der Symmetrieebene der Schweissnaht in der Wurzelzolle, was die Pestigkeitseigenschaften der Schweissnaht herabsetzte Bei der im wesentlichen vertikalen Zuwachs richtung Ü3T Kristallite, welche beim erfindungsgemässen Verfahren erhalten wird, sind die Pestigkeitseigenschaften gleichförmig gut im ganzen Sehweissnahtquerschnitt.

Die 7>findung ist nicht auf irgenein besonderes Verfahren zum auToiaatischen Lichtbogenschweissen mit sich verbrauch-, enaer Elektrode beschränkt. Ausser dem als Beispiel genannten Unterpulverschweissen kann 2.B, das Schutzgas-Iiiciitbogenschweissverfahren oder das Schweissen mit Netz-

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mantelelektroden oder auch Kombinationen dieser Schweissverfahren verwendet werden» Es kann z.B. die Wurzelraupe durch das Schutzgas-Lichtbogenschweissverfahren niedergelegt werden, während der Rest der Schweissnaht durch das UP-Schweissverfahren geschweisst wird.

Claims

Ansprüche

©Verfahren zur Herstellung einer Sturapfschweiss-. verbindung zwischen zwei aus Stahlblech bestehenden Werkstücken, bei welchem unter die zu schweissende Naht eine Schweissunterlage gelegt wird und die Naht durch Lichtbog;enschweissen mit abschmelzender Elektrode von der Oberseite her geschweisst wird, dadurch gekennzeichnet. uass als Unterlage in an sich bekannter Weise eine den Werkstücken unmittelbar anliegende Stahlschiene verwendet vird, welche durch den Schweissvorgang mit den Werkstücken ohne Durchschmelzen verschweisst wird, und dass die Stahlschiene nachträglich durch Sauerstoffhobeln entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sauerstoffhobeln so durchgeführt wird, dass die mit dem Werkstück nicht versehweissten Randzonen der Stahlschiene restlos entfernt werden und die mit dem Werkstück verschweisste Mittelzone des Stahlstreifens bis auf eine massige Ueberhöhung der Stumpfnaht entfernt wird.

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