DE19808530C1 - Schweißbadsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißbadsicherung zur Abstützung des flüssigen Schweißbades und zum Formen der Nahtaußenflächen, welche vorzugsweise beim Lichtbogenschweißen zur Anwendung kommt.

Es ist bekannt, beim Schweißen mit offenem oder verdecktem Lichtbogen zur Abstützung des flüssigen Schweißgutes und zur Formung von Nahtwurzel und/oder Nahtoberfläche Schweiß­ badsicherungen einzusetzen. Das trifft sowohl auf das einseitige Schweißen insbesondere in Zwangspositionen zu, wo solche Badsicherungen auf der Nahtrückseite das Abstützen des Schweißbades sicherstellen und gleichzeitig die Ausformung der Wurzellage bewirken als auch auf das mechanisierte Ein- und Zweiseitenschweißen mit großen Schmelzbädern, wobei durch die teilweise als Formschuhe ausgebildeten Badsicherungen auch die Ausbildung der Decklagen erfolgt.

Für das Einseitenschweißen kommen sehr häufig keramische Badsicherungen in unterschied­ lichsten geometrischen Ausführungen zum Einsatz, die bei Kontakt mit dem flüssigen Schweißgut metallurgisch neutral reagieren und somit keine Gefahr für die Gefügeausbildung in der Schweißnaht darstellen. Hier wird verwiesen auf Tessin, F: "Verwendung von keramischen Badsicherungen beim Lichtbogenschweißen", Der Praktiker, Düsseldorf, 47 Jahrg. (1995), Heft 7, S. 330-332. Die Vielzahl der möglichen Arten und Formen keramischer Badsicherungen reicht von Schienen mit flacher oder konkaver Aussparung bis zu trapezförmigen und runden Formen, wobei es dementsprechend verschiedenartige Möglichkeiten gibt, die Keramikkörper an der Fuge zu befestigen.

Eine keramische Badsicherung besitzt mehrere Vorteile gegenüber Badsicherungen aus metal­ lischem Werkstoff. Ein Vorteil sei hier besonders hervorzuheben: Die Wurzelnähte können mit höherem Schweißstrom und entsprechend höherer Abschmelzleistung geschweißt werden als bei frei durchgeschweißten Wurzeln. Es darf jedoch nicht übersehen werden, daß gerade im Zusammenhang mit diesem Vorteil auch Probleme verbunden sind. Von entscheidendem Nachteil ist, daß die Keramikkörper durch die hohe thermische Belastung während des Kontaktes mit der Schmelze bzw. während des anschließenden Abkühlvorganges teilweise zerspringen und infolge dieser mechanischen Schäden nur einmal verwendbar sind.

Badsicherungen aus metallischem Werkstoff, vorzugsweise Kupfer, besitzen gegenüber den keramischen Badsicherungen den Vorteil der mehrfachen Verwendbarkeit. Von Nachteil hierbei ist jedoch die permanente Gefahr des Auslösens von Kupferpartikeln durch direkte Lichtbogenein­ wirkung oder bei längerer thermischer Einwirkung durch sehr große Schmelzbäder, lang andauernde Schweißvorgänge oder geringe Geschwindigkeiten, die ein stationäres Temperaturfeld hoher Intensität erzeugen können. Da durch diese Kupfereinschlüsse in der Schweißnaht die Heißrißanfälligkeit steigt, ist vielfach die Verwendung von Kupferbadsicherungen gänzlich untersagt. Daher gehört es zum Stande der Technik, den Kontakt zwischen der metallenen Badsicherung und dem Schmelzbad durch geeignete Pufferlagen, beispielsweise Glasfaserstreifen zu verhindern, siehe hierzu Franz, U. u. a.: "Einlagiges MAG-Engspaltschweißen in senkrechter Position bis 20 mm Blechdicke-Teil 1: Schweißen mit Bandelektroden" Veröffentlichung in Oerlikon-Schweißmitteilungen 1995.

Wesentlich geringer bzw. völlig ausgeschlossen ist die Gefahr des Anschmelzens des Badsicherungswerkstoffes bei solchen Formschuhen mit Fremdkühlung. Üblicherweise wird dazu ein flüssiges Kühlmedium (Wasser oder Wasser-Kühlmittel-Gemische) durch einen oder mehrere Kanäle im Inneren des Formelementes geleitet. In diesem Zusammenhang soll verwiesen werden auf Schick, W-R.: "Vertical strip Cladding: Process Control", Welding Journal, Miami, Fa, USA, 1988, Heft 3, S. 17-22. Bedingt durch den großen Aufwand sind solche Lösungen nur Schweißanwendungen vorbehalten, die ohnehin einen hohen gerätetechnischen Aufwand erfordern, also nicht für Fälle mit manuell bewegtem Schweißwerkzeug.

Eine Lösungsmöglichkeit für die mehrfache Verwendung von Schweißbadsicherungen bei metallurgisch neutraler Kontaktfläche zum flüssigen Schweißgut und möglichst geringem Aufwand wird in der deutschen Patentanmeldung "Badsicherung beim Lichtbogenschweißen", Akz. 197 25 437.3 beschrieben. Hierbei handelt es sich um Badsicherungen aus metallischem Werkstoffe die durch ein geeignetes Verfahren mit einer keramischen Oberflächenbeschichtung versehen werden. Diese Beschichtung soll so beschaffen sein, daß sie bei Berührung mit der flüssigen Schmelze keine gefügeschädigende Wirkung auf diese ausübt und auch bei hoher thermischer Belastung den Kontakt zwischen Schweißgut und Badsicherungsmetall verhindert. Damit können Beschichtungen erzeugt werden, die sowohl mechanisch als auch thermisch hinreichend widerstandsfähig gegenüber dem Schweißbadeinfluß sind, jedoch führen die völlig unterschied­ lichen Ausdehnungskoeffizienten von Grund- und Beschichtungswerkstoff dieser Badsicherungen gerade bei langerer Einwirkung der Schweißwarme zum flachigen Versagen, d. h. zum teilweisen Ausbruch der Beschichtungen.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß bei der Verwendung von keramischen Badsicherungen oder von Badsicherungen aus metallischem Werkstoff mit keramischer Oberflächenbeschichtung, bedingt durch die Einwirkung der Schweißwärme, ein Beschädigen bzw. Zerstören der Bad­ sicherungsanlagen in mehr oder weniger häufig auftretenden Fällen erfolgt. Die Fremdkühlung des Badsicherungswerkstoffes mit einem flüssigen Kühlmedium ist, wie bereits gesagt, mit einem hohen gerätetechnischen Aufwand verbunden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Schmelzbadsicherung vorzuschlagen, bei der das Problem der Verhinderung des Wärmestaues durch eine Fremdkühlung im weitesten Sinne ohne den hohen gerätetechnischen Aufwand erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich des grundlegend erfinde­ rischen Gedankens auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.

Zur Erfindung sind weitere Ausführungen erforderlich.

Die Verhinderung des Wärmestaues wird also durch das Einbetten eines zweiten Werkstoffes in das Badsicherungselement erreicht, wobei der eingebettete Werkstoff eine Überhitzung der Badsicherung verhindert und eine schnelle Wärmeabfuhr aus dem schweißbadnahen Bereich der Badsicherung bewirkt. Hierbei wird die hohe Wärmeleitfähigkeit des Badsicherungswerkstoffes, beispielsweise Kupfer, ausgenutzt, um die schweißnahtseitig in die Kontaktzone der Badsicherung eintretende Wärme in das Innere der Badsicherung abzuführen. Im Gegensatz zu aus Massivmetall (Kupfer) bestehenden Badsicherungen, bei denen die ungehinderte Wärmeausbreitung innerhalb der Badsicherung sehr schnell zu einem stationären hohen Temperaturniveau im gesamten Querschnitt führt, wird erfindungsgemäß durch die Eigenschaften des in die Badsicherung eingebetteten zweiten Werkstoffes über einen längeren Zeitraum ein Temperaturgefalle zwischen der schweißnahtseitigen Randzone und dem Kernbereich der Badsicherung aufrechterhalten. Dadurch wird über einen entsprechend längeren Zeitraum auch die Wärmeabfuhr aus der Randzone in den Kernbereich aufrechterhalten, wodurch der Prozeß der Gesamtaufheizung verhindert bzw. stark verzögert wird.

Hierzu wird ein Kernwerkstoff in das Innere der Badsicherung eingebettet, dessen Schmelztemperatur deutlich unterhalb der des die äußere Kontur der Badsicherung bildenden Werkstoffes liegt. Dadurch und durch die hohe Schmelzenthalpie des Kernwerkstoffes wird erreicht, daß die im Kern herrschende Temperatur über einen längeren Zeitraum auch bei anhaltender Wärmezufuhr aus der Randzone auf dem Niveau der Schmelztemperatur des Kernwerkstoffes verbleibt bis zur vollständigen Aufschmelzung des Kernwerkstoffvolumens.

Erfindungsgemäß wird ein vergleichbarer Effekt durch die Einbettung eines Kernwerkstoffes erzielt, dessen spezifische Wärmekapazität im Vergleich zu der des Außenwerkstoffes wesentlich größer ist. Dadurch bewirkt das Einleiten einer bestimmten Wärmemenge einen geringeren Temperaturanstieg im Kernbereich, als es bei einem homogenen Badsicherungsquerschnitt aus dem metallischen Außenwerkstoff der Fall wäre. Dadurch ist naturgemäß eine wesentlich größere Wärmemenge oder eine längere Einwirkdauer einer konstanten Wärme notwendig, um den gesamten Badsicherungsquerschnitt gleichmäßig aufzuheizen. Dies bedeutet die angestrebte Aufrechterhaltung eines Temperaturgefälles zwischen Rand- und Kernbereich über einen längeren Zeitraum und begünstigt die beschleunigte Wärmeabfuhr aus der schweißnahtseitigen Randzone der Badsicherung in deren Kernbereich. Die Schweißbadsicherung kann in diesem Zusammenhang auch derart erfolgen, daß eine z. B. durch chemische Reaktionen verursachte, scheinbare Wärmekapazität des Kernwerkstoffes im Inneren größer ist als die des den Kern umgebenden Grundkörperwerkstoffes.

Der in das Innere der Badsicherung einzubettende Kernwerkstoff kann beispielsweise ein Salzge­ misch feiner Körnung mit geringem Schmelzpunkt und großer Schmelzenthalpie sein oder es erfolgt die Verwendung beispielsweise von pulverförmigem bzw. körnigem Aluminium oder Alu­ miniumlegierungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung nähert erläutert.

Fig. 1 zeigt die mögliche Ausbildung eines mit permanenter innerer Kühlung ausgestatteten Badsicherungselementes, welche zum besseren Verständnis im teilweisen Schnitt dargestellt ist. Dieses wird aus einem äußeren Gehäuse 1 aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise Kupfer, gebildet und ist im Inneren mit einem Hohlraum 2 versehen, der nach Einbringen des Kernwerkstoffes 3 durch Schließen des Einfüllkanales 4 mit der Außenkontur bündig geschlossen wird. Als Kernwerkstoff 3 wird beispielsweise, wie schon gesagt, ein Salzgemisch mit geringem Schmelzpunkt und großer Schmelzenthalpie verwendet. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz von Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Kernwerkstoff.

Claims (5)

1. Schweißbadsicherung zur Abstützung des flüssigen Schweißbades und zum Formen der Nahtaußenflächen vorzugsweise beim Lichtbogenschweißen, bestehend aus einem geschlos­ senen Hohlkörper aus metallischem Werkstoff und einem im Inneren des Hohlkörpers eingebetteten zweiten Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff im Inneren eine im Vergleich zum Werkstoff des Grundkörpers deutlich geringere Schmelztemperatur besitzt und eine große Schmelzenthalpie aufweist.

2. Schweißbadsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Wärmekapazität des Kernwerkstoffes im Inneren größer ist als die des den Kern umge­ benden Grundkörperwerkstoffes.

3. Schweißbadsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des eingebetteten Kernes sowohl metallischen oder nichtmetallischen Ursprungs ist.

4. Schweißbadsicherung nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper teilweise oder völlig durch einen Beschichtungswerkstoff bedeckt ist.

5. Schweißbadsicherung nach Anspruch 1 oder 2 und 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernwerkstoff in massiver oder pulverförmiger bzw. körniger Form verwendet wird.