DE2043640A1

DE2043640A1 - Maschinelles Uberkopfschweißen mittels Hochstromhchtbogen

Info

Publication number: DE2043640A1
Application number: DE19702043640
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl Ing 6233 KeIk heim Lehmler Hansfriedrich 6380 Bad Homburg Krahl Alfred Dr Ing 6231 Niederhochstadt Wilkens
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1970-09-03
Filing date: 1970-09-03
Publication date: 1972-03-09
Also published as: DE2116961A1

Description

MESSER GRIESHEIM GMBH . MG

Kennwort: Hochstrompaneelschweißen II

Maschinelles überkopfschweißen mittels Hochstromlichtbogen

Das maschinelle Uberkopfschweißen wird bevorzugt in den Fällen angewandt, in denen das Wenden des Werkstückes zu aufwendig und in denen die andere Nahtseite nicht zugänglich ist bzw. beidseitig geschweißt werden soll, ohne das Werkstück wenden zu müssen.

Im Schiffbau tritt z.B. dieses Problem beim Herstellen großer Paneele auf, die aus Blechen von ca. 10-50 mm Dicke zusammengesetzt werden. Das Wenden solcher Paneele bereitet wegen deren Größe Schwierigkeiten, andererseits bietet das beidseitige Schweißen hochwertige Schweißverbindungen bei geringem Nahtvolumen. In diesen Fällen wird vorteilhaft eine X-Naht verwendet, deren erste Lage in Überkopfposition schweißt wird.

Es ist bekannt, diese Wurzelschweißung mit dem Kurzlichtbogenverfahren auszuführen, während von oben die restliche Nahtfuge durch Unterpulverschweißen aufgefüllt wird.

Beim Kurzlichtbogen-Schweißverfahren handelt es eich um ein elektrisches Lichtbogenschweißverfahren unter Schutzgas, bei dem der Werkstoffübergang von der Drahtelektrode auf das Werkstück durch Tauchübertragung, d.h., durch Kurzschluß zwischen dem sich am Drahtelektrodenende bildenden Schmelztropfen und dem Schweißbad, erfolgt.

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Um mittels diesem Verfahren eine einwandfreie und die erforderlichen GUtewerte aufweisende Schweißnaht in Uberkopfposition ausführen zu können, muß mit relativ kleinen Spannungs- und Stromwerten gearbeitet werden, die nur relativ kleine Abschtr.elzleistungen und Schweißgeschwindigkeiten (etwa bis 40 cm/min) erlauben.

Das Schweißbad ist beim Kurzlichtbogensohweißen relativ klein und erstarrt fjchnell, so daß die Schmelze nicht zum Abtropfen neigt.

Da der beim Kuczlichtbogenschweißen mit einer Lage erreichbare Nahtquerschnitt nur klein ist und die Sohweißgeschwindigkeit L· und Abschmelzleistung nicht befriedigen, ist vorgeschlagen worden, die Werte von Schweißstrom und -spannung zu erhöhen. Bei Verwendung von Kohlendioxid als Schutzgas gelangt man dabei Jedoch in einen Bereich unruhigen Lichtbogens mit starker Spritzerbildung. Wegen des Herabfallens der Spritzer ist dieser Einstellbereich für ein Uberkopfschweißen nicht besonders vorteilhaft. Bei der Verwendung eines Mischgases wird bei höheren Arbeitswerten der sogen. SprUhlichtbogen erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß viele Materialtröpfchen Sprühregenartig kurzschlußfrei von der Drahtelektrode auf das Werkstück übergehen. Das mit dem letztgenannten Verfahren gebildete Schweißbad ist dünnflüssiger und schwerer in Uberkopfposition zu beherrschen.

Um das Abtropfen der Schweißschmelze zu vermeiden, wurde die Schweißgeschwindigkeit erhöht. Dadurch kühlte sich das Schweißbad schneller ab. Dies bedingt widerum, daß bei gleichen elektrischen Schweißdaten sich der Nahtquerschnitt verkleinert und schließlich nicht mehr ausreichend sein kann, um für das UP-Schweißen von der Gegenseite eine ausreichende Badsicherung darzustellen. Das Problem liegt darin, für diese Badsicherung

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mit einer Schweißlage das Blech tief genug zu verschweißen und das dafür nötige Schweißbad am Abtropfen zu hindern.

Der Versuch das Schweißbad, durch nachgeführte Gleitschuhe aus Kupfer, die gekühlt werden, zu halten und die Naht gleichzeitig zu glätten, ähnlich wie beim Elektro-Schlacke-Schweißen, brachten nicht den gewünschten Erfolg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein maschinelles Uberkopfschweißverfahren zu schaffen, bei dem das Schweißbad beherrscht werden kann, obwohl die hohen Forderungen an Einbrandtiefe, Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit erfüllt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Zusammenschweißen von Blechen, insbesondere von Blechen aus unlegierten und/oder niedriglegierten Baustählen, mittels des elektrischen Lichtbogenschweißverfahrens mit abschmelzender Drahtelektrode unter Schutzgas in Überkopfposition vorgeschlagen, wobei die Schweißung mit einer Spannung von 25 - 4o V, vorzugsweise 3I - 32 V, einer Stromdichte von 300 - 400 mm² Elektrodenquerschnitt, einem Schweißdraht von etwa 0,8 - 1,2 mm Durchmesser ausgeführt und als Schutzgas CO₂ oder ein CO₂ enthaltendes Gasgemisch verwendet wird. Der Lichtbogen wird kurz gehalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine für die Wurzelnaht ausreichend große Nahtfuge in Uberkopfposition zu füllen bei ausreichend tiefem Einbrand und hoher Schweißgeschwindlgkeit. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, eine Drahtelektrode von 1 mm Durchmesser unter CO₂ mit 260 - 28Ο A bei 31 - 32 V zu verschweißen. Dabei stellt sich ein ruhiger, kurzschlußfreier, relativ feintropfiger, epritzerarmer Werkstoffübergang ein, der zu einer Abschmelzleistung von 6 - 6,5 kg pro Stunde führt und eine mittlere Schweißgeschwindigkeit von etwa 700 mm pro Minute ermöglicht.

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch als Schutzgas ein COg enthaltendes Gasgemisch verv/endet werden. Mit einem Gasgemisch aus 82 Jo Argon und 18 % Kohlendioxyd lassen sich gute Schweißnähte bei einer Stromdichte von 250 A pro mm Drahtelektrodenquerschnitt erzielen. Die Forderungen an die Genauigkeit der Naht fugen vorbereitung miissen dabei aber strenger sein als bei Verwendung von Kohlendioxid. Da außerdem beim Einsatz von Kohlendioxid eine größere Sicherheit gegen Porenbilciung vorliegt und die Einbrandtiefe etwas größer ist als unter einem Ar/COg-Gernisch, wird Kohlendioxid als Schutzgas bevoi*zugt.

Der Vorteil den erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß eine Schweißnaht in überkopfposition herstellbar ist, die frei von Poren, Rissen, Randkerben und tropfigem Raupendurchhang ist und bei der das eingebrachte Schweißgut trotz des relativ großen Schweißbades und der zugefühten Schweißgutmenge einwandfrei in der vorbereiteten Schweißfuge haftet.

Damit wurde entgegen allen Erwartungen nachgewiesen, daß dieses MAG-Hochleistungsschweißverfahren nicht nur in der .sogenannten Wannenlaße eingesetzt werden kann.

Mit derartig hohen spezifischen Werten Schweißungen in der Wannenlage durchzuführen ist zwar bekannt, beispielsweise durch die Veröffentlichung von Dr. Ing. W. Hummitzsch in der Fachzeitschrift "Schweißen und Schneiden", I962, Heft 12, Seite 544 - 565 mit dem Titel "Lichtbogenschweißen mit hohen Strömen unter Kohlendioxyd als Schutzgas" und der Fachzeltschrift "Stahl und Eisen" 85, 1965, Heft I9, Seite II86 II95, mit dem Titel "Die Lichtbogenschweißung von Baustählen unter reinem Kohlendioxyd-Schutzgas". Aus diesen Veröffentlichungen ist aber nicht zu entnehmen, auch beim Überkopfschweißen mit hohen spezifischen Werten zu arbeiten.

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FUr die mehr oder weniger große Abtropfneigung eines Schweißbades bestimmte Größe ist die Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze entscheidend. Beide Größen lassen sich durch die chemische Zusammensetzung der Drahtelektrode beeinflussen. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden daher Drahtelektroden bevorzugt, die die Schmelzeviskosität vergrößernde Legierungselemente wie Silizium, Mangan, Chrom in erhöhten, metallurgisch noch vertretbaren Mengen enthalten.

Auch die Dicke der Drahtelektrode, mit der das erfindungsgemUße Verfahren durchgeführt wird, ist von Bedeutung, da mit wachsenden Werten die Größe der im Lichtbogen übergehenden Schmelztropfen wächst und damit in C02-Atmospbäre die Spritzverluste zunehnen können.

Ein ruhiges Lichtbogen- und Schweißbadverhalten wird gemäß der Erfindung dadurch unterstützt, daß der Drahtwerkstoff stetig, drall- und schlupffrei zugeführt wird. Ferner muß der nahe an das Werkstück herangestellte Brenner genau in Nahtfugenmitte geführt werden und möglichst senkrecht zur Blechoberfläche stehen.

Um ein Durchstechen des Lichtbogens während des Arbeitsablaufes zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß während des Schweißens in Uberkopfposition der Schweißbrenner pendelnd über dem Schweißspalt bewegt wird, wobei die Pendelamtlitude 0,5 - 2 mm beträgt. Dadurch wird erreicht, daß der Lichtbogenfußpunkt die Nahtfugenflanken abfährt. Ferner wird dadurch der Einbrand an den Flanken besser und die Gefahr des Durchstechens des Lichtbogens durch den Schweißfugenspalt geringer. Die Pendelfrequenz ist der Schweißgenchwindigkeit so angepaßt, daß keine schlangenlinienförmige Schweißraupe entsteht.

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Beim Querpendeln wird der Lichtbogen auf seinem Wege von der Fugenmitte zur Blechflanke hin verkürzt. Diese Änderungen der Lichtbogenlänge können eventuell zu einer Beeinflussung des Lichtbogen- und Schweißbadverhaltens führen. Um diese Beeinflussung zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der quer zur Naht verlaufenden Pendelbewegung des Brenners eine Hub-Senk-Bewegung überlagert wird, wobei der Brenner etwa das Fugenprofil nachfährt. Die Amplituden der beiden Bewegungen sind relativ klein. Im Hinblick auf Schweißverhalten, Einbrandtiefe und Spritzverluste ist erfre Halbkreispendelbewegung mit 1 mm Radius besonders vorteilhaft.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich insbesondere Gleichstromquellen, deren Stromspannungskennllnlen flach genug für eine ausreichend empfindliche innere Regelung der El.ektroütuabschinelzung sind (etwa 5 τ 5 V pro 100 A geneigt) und deren Indusktivität durch Zusatzdrosseln so bemessen wird, daß bei noch gutem Zündverhalten plötzliche, kurzzeitige Lichtbogenverkürzungen, wie sie beispielsweise beim Querpendeln des Brenners auftreten, nicht zu hohen Stromspitzen führen. Bei der Verwendung derartiger Stromquellen wird ein Lichtbogen etwa konstanter Länge und Stromstärke erzeugt und ein ruhiges, spritzerarmes Schweißverhalten erreicht.

Als besonders vorteilhaft hat sich als Kantenvorbereitung eine X-Naht mit 4 mra hohem Steg erwiesen, wobei der öffnungswinkel der überlaufschweißfuge ;52° beträgt. Die Fugenöffnungsbreite sollte 4 - 5 mm sein.

Vorteilhafterweise wird der Schweißbrenner bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stetig in Nahtfugenmitte geführt und die Drahtelektrode über ein Kontaktrohr gleichmäßig ruck- und drallfrei der Schweißstelle zugeleitet.

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Gemäß· einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird der Abstand zwischen der Oberfläche des zu verschweißenden Bleches und dem Ende des die Drahtelektroue führenden Kontaktrohres möglichst klein gehalten, im Mittel etwa 11 - 18 mm bei gleichmäßiger Nahtfuge. Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Winkel zwischen Drahtelektrode und Blechoberfläche zwischen 8o° und 100°, vorzugsweise 90° beträgt. Durch diese Maßnahmen wird ein kurzer, ruhiger Lichtbogen erreicht.

Zur Mechanisierung des erfindungegemüßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß die Schweißfuge, die geschweißte Raupe oder beides abgetastet wird und daß entsprechend der Abweichung der Hahv.fugenabmessungen vorn Sollwert die Schweiß-Ecschwindigke.it geändert wird, derart daß bei konstanten restlichen Schweißparametern die Füllung des Nahtfugenquersehnittes optimal ist»

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Claims

MESSER GRIESHEIM GMBH MG

Ansprüche

Verfahren zum Zusammenschweißen von Blechen, insbesondere von Blechen aus unlegierten und/oder niedriglegierten Baustählen, mittels eines elektrischen Lichtbogenschweißverfahrens mit abschmelzender Drahtclektrode unter Schutzgas in Uberkopfposition, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung mit ein-ir Spannung von 25 bis ^O V bei einer Stromdichte? von J'JO - 400 A/rnm Drahtelektrodenquerschnitt, einer Drahtelektrode von etwa 0,8 -1,2 mm Durchmesser ausgeführt und als Schutzgas COp oder ein COp enthaltendes Gasgemisch verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelüung mit einer Spannung von 31 - 32 V, einem Strom zwischen 200 und 280 A, einer Drahtelektrode von 1 mm Durchmesser ausgeführt und als Schutzgas COp verwendet wird,

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Drahtelektrode die Schmelzevii.kosität vergrößernde w Legierungselemente vie Siliaiuir., Mangan, Chrom oder dergl. enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner pendelnd Über den Schweißspalt bewegt wird, wobei die- Pendel.'i^plitude 1,5 - 2 ram beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pendelbewegung des Brenners eine Hub-Senlc-Bewegung überlagert wird, so daß der Brenner etwa das liahtfugenprofil nachfährt.

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6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner in einer Halbkreispendelbewegung über den Schweißspalt bewegt wird, wobei der Radius etwa 1 mm beträgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Oberfläche des zu verschweißenden Bleches und dem Ende des die Drahtelektrode führenden Kontaktrohres möglichst klein ist, im Mittel etwa 12 - 18 mm, bei gleichmäßiger Nahtfuge.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7» { dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Drahtelektrode und BIeshoberfläche zwischen 8O° und 100°, vorzugsweise 90°, beträgt.

9. Verfahren nach ein-irn oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehweißfuge, die geschweißte Raupe oder beides abgetastet wird und daß entsprechend der Abv/eichungen der Nahtfuganabmessungen vom Sollviert die Schweißgesehv/indigkeit geändert wird, derart daß bei konstanten restlichen ßchweißparametern die Füllung des Nahtfugenquerschnittes optimal ist.

25.8.1970
Be/ST

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