DE2104599A1

DE2104599A1 - Elektroschlacke Schweißverfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE2104599A1
Application number: DE19712104599
Authority: DE
Inventors: Ernest Spencer Arthur Sheffield Calton (Großbritannien)
Original assignee: British Steel Corp
Current assignee: British Steel Corp
Priority date: 1970-02-03
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1971-08-12
Also published as: FR2078021A5; GB1303794A; AT304230B; US3710068A

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. GONTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, *■■ f £·,, lS?i

UNSERZEICHEN: 13 059

BRITISH STEEL CORPORATION London■S.W.1, England

Elektroschlacke-Schweißverfahren und -Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf das Elektroschlacke-Schweißen und betrifft insbesondere das Einleiten eines Elektroschlacke-Schweißvorgangs zum Verbinden benachbarter Enden von durch einen Abstand getrennten Metallkörpern.

Bauteile aus Metall v/erden häufig z. B. durch Gießen oder Schmieden hergestellt, doch können solche Bauteile in manchen Fällen so große Abmessungen haben oder eine solche Form aufweisen, daß es schwierig ist, das vollständige Bauteil aus einem einzigen Block oder Klotz des Ausgangsmaterials zu fertigen. In solchen Fällen führt man bei der Herstellung gewöhnlich einen Zwischenschritt durch, der dazu dient, zwei oder mehr Ausgangsblöcke miteinander zu verbinden.

\ienn die gebräuchlichen B chwe iß verfahr en angewendet werden, bei denen zum Schweißen ein Füllmaterial durch die Verbrennung von Gas ader durch einen elektrischen Lichtbogen zum bchmelzeri gebracht wird, erweisen sich dieüe Verfahren im allgemeinen als ungeeignet, da sie es nicht ermöglichen, eine homogene Schweißverbindung innerhalb der gesamten relativ großen Flächen, die in solchen Fällen in Frage kommen,

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herzustellen.

Im Hinblick hierauf ist es in solchen j.· all en bereits vorgeschlagen worden, eine homogene Verbindung innerhalb großer !'lachen miö Hilfe eines anderen Verfahrens, nämlich Elektroschlacke-Schweißverfahrens, herzustellen. tei aieseiü Verfahren wird der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden Flachen benachbarter l^orper teilweise mit einer Schlacke gefüllt, die dann zum ochüioizen gebracht wird. Im geschmolzenen zustand ist aie bcnlacke elektrisch leitfähig,. Dann wird ein elektrischer Strom durch die geschmolzene Schlacke geleitet, und zwar zwischen einer teilweise eingetauchten, sich verbrauchenenaen schweißelektrode und den Körpern, auf denen das werkstück gebildet werden soll. Hierbei bringt die durch den Strom erzeugte uärme hetall an der Spitze der Schweißelektrode zum Schmelzen, wobei die Schweißelektroae kontinuierlich zugefühj.· c und bis zu einer konstante liefe in die ochlacke eingetaucht wird, so daß geschmolzenes hetall in eine Pfütze gelangt, die sich an der Basis de:j erwähnten Spaltes bildet. Bevor die Pfütze von der Basis aus nach oben fortschreitend, erstarrt, erzeugt sie eine homogene Verbindung innerhalb eier gesamten bedeckten Fläche der einander zugewandten Seiten der zu verbindenten Körper, während die Standhöhe des geschmolzenen Retalls zusammen mit derjenigen der darüber liegenden Schlackeschicht ansteigt.

Ein Hauptnachteil eines solchen Verfahrens besteht darin, daß es schwierig ist, die schlacke in dem Spalt anfänglich zu schmelzen und sie auf einer Temperatur zu halten, die nicht nur ausreicht, um den ocnweißvoxgang an der Basis des Spaltes einzuleiten, sondern die auch längs des Spaltes gleichmäßig istj es sind bereits mehrere Verfahren vorgeschlagen worden, die bezwecken, diesen Nachteil zu vermeiden. Gemäß einem dieser Verfahren wird die bereits geschmolzene Schlacke in den Spalt eingegossen, doch er-

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geben sich hierbei schwerwiegende '.hc-.chttile, die nicht nur auf aas schnelle Abkühlen der Schlacke zurückzuführen sind, sondern auf die wichtigere Tatsache, daß sich eine in hohem L;Jie selektive Abkühlungsgeschwindigkeit ergibt, wenn die bchlacke in thermische Berührung mit den benachbarten !'lachen aer .blöcke kommt. !Dieser selektiven Abkühlung Kommteine sehr erheblicne Bedeutung zu, wenn die zu versehe, eilenden körper einen bpalt bilden, der eine relativ große Länge hat, welche z. B. in der Größenordnung von bis I5OO min liegt.

.hine ähnliche Schwierigkeit ergibt sich bei anderen

Verfahren zum bchmelzen der bchlacke, z. r>. wenn man einen f zum erzeugen eines Lichtbogens dienenden otrom in dem zu verschweißenden bpalt selbst erzeugt, denn hierbei wird werkstoff verspritzt.

In allen diesen Fällen ist es schwierig, den bchweißvorgang einzuleiten, und da es schwierig ist, dafür zu sorgen, daß der fatrom über die ganze Länge des Spaltes fließt, ergeben sich erheblicne Temperaturunterschiede, so daß an α ei* .tasis ae^ opal .es eine nicht einwandfreie Schweißverbindung entsteht. Der Lrfincoint liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten möglichst weitgehend, auszuschalten.

Gemäß einem ihrer Merkmale sieht die Erfindung ein f

VerfLliren zum Erzeugen einer unter Verwendung von Jilektroschlacke hergestellten Schweißverbindung zwischen durch einen Abstand getrennten hetallkörpern vor, bei dem unter den hetallkörpern ein i'rog so angeordnet ist, daß er den Spalt zwischen den Körpern über seine ganze Länge überbrückt, und bei dem in diesem 'i'rog bchlacne angeordnet und mit Hilfe einer Energiequelle vorgewärmt wird, die einen gleichmäßigen Wärmeübergang über die ganze Länge des Spaltes bewirkt, um so das Einleiten des Schweißvorgangs, zu erleichtern.

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BAD ORK3WAI

Gemäß einem weiteren Merkmal sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum ίErzeugen einer Elektroschlacke-Schweißverbindung zwischen durch einen Abstand getrennten Metallkörpern vor, die einen Trog umfaßt, der so bemessen ist, daß er den Spalt zwischen den Metallkörpern über seine ganze Länge überbrückt, sowie eine dem Trog zugeordnete Wärmequelle zum Erhitzen der Schlacke in dan Trog) die so ausgebildet ist, daß sie einen gleichmäßigen Wärmeübergang über die ganze Länge des Spaltes herbeiführt, um so das Einleiten des Schweißvorgangs zu erleichtern.

Bei dieser Wärmequelle handelt es sich vorzugsweise um eine mit Elektrischen Strom gespeiste Wicklung, die den Trog umschließt. Alternativ kann die Wärmequelle ein Widersiaidsheizelement umfassen, das sich durch den Trog erstreckt, z. B. eine Stange aus Kohlenstoff oder Siliziumkarbid. Die Schlacke kann in den Trog entweder im geschmolzenen Zustand oder in Form eines trockenen Pulvers eingeführt werden.

Die Metallkörper werden vorzugsweise mit Hilfe einer Hilfswärmequelle vorgewärmt, um die Geschwindigkeit herabzusetzen, mit der wärme von den miteinander verschweißten Flächen abgeführt wird. Auch in diesem Fall kann man das Induktionsheizverfahren anwenden.

Dadurch, daß gemäß der Erfindung die Schlacke gleichmäßig erhitzt wird, wird die Gefahr verringert, daß die längs des Spaltes in Abständen verteilten Schweißelektroden den Strom auf unterschiedliche weit;e zuführen, und infolgedessen wird eine höhere Qualität der Schweißverbindung erzielt. Außerdem gewährleistet die gleichmäßige Erhitzung, daß die gesamte Schlacke an der Basis der bclakkefüllung geschmolzen wird, und hierduiOh wird vermieden, daß irgendwelche nicht einwandfrei verschweißte Zonen entstehen, insbesondere, Zonen, in denen feste Schlackeeinschlüsse vorhanden sind.

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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Elektroschlacke-Schweiß verfahrens zum Verbinden zweier durch einen Abstand getrenn ter Metallkörper.

E'ig. 2 ist eine perspektivische Darstellung des iOroges und der Wicklung oder Spule nach E¹Ig. .1.

. 3 zeigt in einer teilweise weggebrochen gezeich- f neten auseinandergezogenen perspektivischen Darstellung eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung nach E'ig.l.

Gemäß E¹Ig. 1 und 2 werden zwei Stahlprofile 1 und 2 von großem Querschnitt, die verschweißt werden sollen, einzeln von unten her in einem Abstand voneinander unterstützt, so daß sie einen Spalt J. abgrenzen. Unter den btahlprofilen und in Berührung mit ihnen ist ein l'rog 4- aus Metall angeordnet, der den Spalt 5 überbrückt und auf einer Grundplatte 5 ruht. Um diesen l'rog herum erstreckt sich eine v/icklung in I'Orm eines wassergekühlten Leiters 7, der hintereinandergeschaltete, übereinander liegende Windungen bildet und Anschlüsse 8 und 9 zum Verbinden des Leiters mit einer Wechselstromquelle aufweist. Der Leiter 7 hat die E'orm eines üohrs von rechteckigem Querschnitt, und seine Enden sind mit ochläuchen 10 und 11 verbunden, damit er mit V/asser gekühlt werden kann. Die Wicklung ruht auf der Grundplatte 5 und ist z. B. mit Isolierband isoliert, das um die Windungen herumgewickelt isϋ; dieses Isolierband ist der Deutlichkeit halber nicht dargestellt.

Auf den Enden des Troges 4 sind zwei an den Seitenflächen der Stahlprofile 1 und 2 befestigte wassergekühlte Platten oder "Schuhe" 12 angeordnet, von denen auf beiden

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■ Seiten je einer vorgesehen ist, und die dazu dienen, das geschmolzene Metall und die darüber liegende dchlacke zusammenzuhalten, wenn sich die Standhöhe dieser otoffe während des noch zu beschreibenden ocnweißvorgangs vergrößert.

Sich verbrauchende Schweißelektroden, z. B. die Drähte 14 aus einer Nickel-Chrom-Legierung, sind über die Länge des Spaltes in Abständen verteilt und werden von einer nicht dargestellten Quelle aus über in einem Bock gelagerte Seilrollen geführt. Mit dem Bock 15 sind von ihm aus nach unten ragende sich verbrauchende Führungsrohre 16 verspannt, durch die hindurch die ihnen zugeordneten DChweißdrähte der Schweißpfütze zugeführt werden. Auf die Führungsrohre sind in Längsabständen verteilte Buchsen 17 aus Isoliermaterial aufgeschoben, um zu gewährleisten, daß die Führungsrohre nicht mit den Werkstücken 1 und 2 verschweißt werden, wenn sie sich dem einen oder anderen Werkstück nähern.

Ferner sind nicht dargestellte Hilfsinduktionserhitzungsvorrichtungen vorgesehen, welche aie Werkstücke 1 und 2 umschließen und dazu dienen, die Werkstücke vorzuwärmen.

Während des Betrieos wird die Induktionsheizvorrichtung d, h., die Wicklung 7» eingeschaltet, und geschmolzene Schlacke wird in den Trog 4 geleitet. Die Schlacke ist zweckmäßig reich an den Oxiden von Silizium, Kalzium, Aluminium, Mangan und Magnesium, wobei die Zusammensetzung dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt ist. Dann wird die Wechselstromquelle für die bchweißdrähte zwischen diesen und den beiden Metallteilen 1 und 2 angeschlossen, und die Drähte werden mit Hilfe einer durch einen Motor angetriebenen Vorrichtung durch die Führungsrohre 16 hindurch nach unten vorgeschoben, denn die i^nuen der Drähte in die geschmolzene Schlacke eintauchen, bewirkt die durch

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den Strom erzeugte Wärme, daß die Enden der Drähte schmelzen und das Material der Drähte durch die Schlacke hindurch herabsinkt, so daß sich unter der Schlacke eine flüssige 'Schweißpfütze" bildet, deren Überfläche dann allmählich hochsteigt, so daß die Pfütze den Spalt zwischen den Werkstücken 1 und 2 überbrückt, während die drähte kontinuierlich vorgeschoben und zum schmelzen gebracht werden. Hierbei erzeugt diese Pfütze eine homogene Verbindung zwischen den einander benachbarten i'lächen der Werkstücke, wobei der Spalt allmählicn geschlossen wird, wenn das Iiateiaal der Pfütze von unten nach oben fortschreitend erstarrt. j

während die Standhöhe der geschmolzenen Pfütze und der darüberliegenden Schlackeschicht zunimmt, werden weitere wassergekühlte Schuhe 12 auf den schon vorhandenen Schuhen angeordnet, um die Schmelze zusammenzuhalten.

Wie erwähnt, verbrauchen sich auch die Führungsrohre, und sie schmelzen fortschreitend ab, wenn die Standhöhe der Pfütze zunimmt; das gleiche gilt für die auf den Führungsrohren angeordneten isolierenden Buchsen. Insbesondere können diese "Abstandhalter" die gleiche Zusammensetzung haben wie die Schlacke, wie es z. B. in der britischen Patentanmeldung Nr. 988 der Anmelderin vom 8. Januar 1971 g beschrieben ist.

Nach der Beendigung des Schweißvorgangs werden die miteinander verbundenen Werkstücke entfernt, woraufhin der mit ihren unteren Flächen verbundene l'rog zusammen mit anderen Oberflächenunregelmäßigkeiten durch eine maschinelle Bearbeitung beseitigt wird. Bei Werkstücken, die keine rechteckige Querschnittsform haben, z. B. bei Wellen mit rundem Querschnitt, kann es zweckmäßig sein, mit den Enden der Werkstücke Wangen von rechteckigem Querschnitt zu verschweißen, die eine zentrale kreisrunde Öffnung zum

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Aufnehmen der Wellenabschnitte abgrenzen, so daß die Enden der Wellenabschnitte in Fluchtung mit den zugehörigen Wangen stehen. Dann wird der Trog unter diesen Wangen und in Berührung mit ihnen angeordnet, und die Schuhe werden in die richtige Lage über den Enden des 'i'rogs gebracht. Nach dem Schweißvorgang werden diese Wangen darm zusammen mit dem l'rog entfernt.

Fig. $ zeigt eine andere Anordnung nach der Erfindung, bei der die Schlacke mit Hilfe eines Widers^andsheizelements erhitzt wird, um das Einleiten des Schweißvorgangs zu erleichtern. Gemäß £'ig. 3 ist ein Block 16 von kanalförmigem Querschnitt vorgesehen, der so angeoixlnet ist, daß er den Spalt zwischen den Werkstücken 1 und 2 aus Metall überbrückt. An den Enden des Klotzes 18 sind zwei durch isolierende Dichtungen geschützte wassergekühlte elektrisch leitende Schuhe 19 befestigt, zwischen denen sich ein damit verbundener Heizstab 20 aus Kohlenstoff oaer dergleichen erstreckt, der längs des durch den Klotz abgegrenzten Kanal angeordnet ist. Isolierende Abstandhalter 21, die z. B. aus einer Asbestmatte bestehen, sind in Abständen über die Länge des Heizstabes verteilt, um ihn abzustützen, was insbesondere bei erhöhten 'xemperavureri erforderlich ist, wobei dafür gesorgt ist, daß diebe Abstandhalter den übergang von wärme von dem Heizstab zu der ochlacke nur in einem minimalen Ausmaß behindern. Auf der Oberseite Jedes der Schuhe 19 ist ein Streifen 22 aus einem Isoliermaterial angeordnet, um die Schuhe 19 ge;;en die weiteren bchuhe 23 zu isolieren, die hinzugefügt werden, wenn die Standhöhe der Schweißpfütze und der darüber liegenden Schlackesciiicht zunimmt.

Bei der Anordnung nach !'ig. 3 wird der Schweißvorgang wie zuvor beschrieben durchgeführt, wobei vor dem Beginn des bchweißvoi'gangs der 'xrog mit geschmolzener oder pulverförmiger bchlacke beschickt wird.

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Gemäß der Erfindung wird die Schlacke an der Basis des Spaltes über seine ganze Länge auf einer gleichmäßi_oen Temperatur gehalten, so daß eine unterschiedliche Abkühlung 'vermieden wird, und daß sich daher stabilere Ausgangsbedingungen ergeben, wenn die Schweißdrähte' nach unten zugeführt und in Berührung mit der tfütze gebracht werden. Außerdem gewährleistet die. gleichmäßige Temperatur der Schlacke, daß die in Abständen verteilten Schweißdrähte keiner unterschiedlichen elektrischen Belastung ausgesetzt werden, was zum Entstehen einer ungleichmäßigen Schweißverbindung führen könnte. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Erfindung ergibt, be- ä steht darin, daß es bei einer Schweißaufgabe der dargestellten Art durchaus möglich ist, die Einleitungszeii-, die gewöhnlich $0 bis 45 min. beträgt, z. B. auf 10 bis I^ min. zu verkürzen, da der Schweißvorgang in dem Augenblick beginnt, in welchem die Schweißdrähte in die geschmolzene Schlacke eingetaucht werden.

Ansprüche;

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Claims

ANSPRÜCHE

l^/ Verfahren zum Herstellen einer unter Verwendung von Elektroschlacke erzeugten Schweißverbindung zwischen durch einen Abstand getrennten Metallkörper, dadurch gekennzeichnet, daß ein irog unter den Metallkörpern so angeordnet wird, daß er den Spalt zwischen den Metallkörpern über seine ganze Länge überbrückt, und daß Schlacke in den ±rog eingebracht und mit Hilfe einer Wärmequelle vorgewärmt wiru, die einen gleichmäßigen Wärmeübergang längs des ganzen Spaltes bewirkt, um das iLinleiten des Schweißvorgangs zu erleichtern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine mit einem elektrischen Strom gespeiste Wicklung umfaßt, die um den Trog herumgelegt ist und geeignet ist, die Schlacke durch eine Induktionswirkung zu erhitzen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung mit Wasser gekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wäremquelle ein Widerstandsheizelement in Form eines Stabes ist, der sich über die ganze Länge des Iroges erstreckt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeicnnet, daß die Schlacke im geschmolzenen Zustand in den Trog eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeic hnet , daß die Schlacke in Form eines trockenen Pulvers in den 'frog eingebracht wird.

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?. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennze ichnet , daß die Metallkörper gesondert mit HiHfe einer Hilfsenergie quelle erhitzt werden. >

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkörper dadurch miteinander verschweißt werden, daß sich verbrauchende Schweißelektroden in die geschmolzene Schlacke eingetaucht werden, daß ein elektrischer Strom durch die Schweißelektroaen geleitet wird, und daß die Schweißelektroden durch sich verbrauchende Führungsröhre geführt werden, die in dem Spalt aufgehängt sind und isolierende Abstandhalter tragen, um eine Berührung zwischen den " Schweißelektroden und den benachbarten Seitenflächen der Metallkörper zu verhindern.

9. Vorrichtung zum Herstellen einer unter Verwendung von Elektroschlacke erzeugten Schweißverbindung zwischen durch einen Abstand getrennten Metallkörpern, gekennzeichnet durch einen Trog (4, 5; 18), der so bemessen ist, daß er den Spalt zwischen den Metallkörpern über seine ganze Länge überbrückt, sowie durch eine dem Trog zugeordnete Heizeinrichtung (7; 20) zum Erhitzen von Schlacke in dem Trog, wobei die heizvorrichtung einen gleichmäßigen Wärmeübergang längs des ganzen Spaltes be- j wirkt, um das Einleiten des Schweißvorgangs zu erleichtern.

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