DE2146406B2

DE2146406B2 - Verfahren zum Unterpulver-Verbindungsschweißen großer Querschnitte an Werkstücken aus Stahl

Info

Publication number: DE2146406B2
Application number: DE19712146406
Authority: DE
Inventors: Marjan Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Mursic
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1971-09-16
Filing date: 1971-09-16
Publication date: 1978-10-12
Also published as: JPS4838254A; GB1400051A; NL7211937A; IT965339B; DE2146406A1; FR2153019B1; ES406188A1; FR2153019A1

Description

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¹SO

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterpul- wi ver-Verbindungsschweißen großer Querschnitte an Werkstücken aus Stahl mit drei hintereinander angeordneten, kontinuierlich vorgeschobenen und in Lichtbögen abschmelzenden Elektroden, von denen die erste zusammen mit dem Werkstück an einer Gleichstrom- μ quelle liegt und die zweite und dritte an Wechselstromquellen liegen.

Die bekannten Schweißverfahren dieser Art, d.h.

Verfahren, die mit Hilfe von Vorrichtungen durchgeführt werden, bei denen drei abschmelzende Elektroden durch ausgewählte und miteinander in bestimmten Beziehungen stehende Stromquellen versorgt werden (DE-AS 1615 466), dienen in erster Linie dazu, die Schweißgeschwindigkeit gegenüber anderen Unterpulverschweißverfahren, insbesondere gegenüber dem Tandemschweißen, zu erhöhen. Hierbei wird durch die richtige Wahl der Stromquellenarten und deren Beziehungen untereinander erreicht, daß sich die Lichtbögen miteinander nicht oder nur in günstigem Sinne beeinflussen.

Es hat sich gezeigt, daß diese bekannten Verfahren nicht in jedem Falle die erwarteten Erfolge bringen. Insbesondere beim Schweißen von gegen Wärmeeinwirkungen empfindlichen hochfesten und vergüteten Stählen, insbesondere Feinkornstählen, wie sie im Schiffsbau, Behälterbau oder bei der Rohrherstellung verwendet werden, treten durch die große Wärmeeinbringung bei hohen Schweißgeschwindigkeiten leicht Qualitätseinbußen der Schweißnaht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Schweißverfahren so zu verbessern, daß die Schweißgeschwindigkeit ohne wesentliche Zunahme der Wärmeeinbringung gesteigert werden kann und insbesondere auch wärmeempfindliche Stähle mit hoher Geschwindigkeit geschweißt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in das Schmelzbad im Bereich des Lichtbogens der mittleren Elektrode zwei weitere, ohne Bildung von Lichtbögen abschmelzende Elektroden kontinuierlich eingeführt werden, welche zusammen mit dem Werkstück und einer Gleichstromquelle in Reihe geschaltet sind und mit dem Schmelzbad in dauernder Kurzschlußberührung stehen.

Die beiden ohne Lichtbögen im Schmelzbad abschmelzenden Elektroden werden beim erfindungsgemäßen Verfahren einerseits durch Widerstandserwärmung mit Hilfe einer zusätzlichen Stromquelle und andererseits durch die Wärme des mittleren Lichtbogens abgeschmolzen. Um diese Verfahrensführung zu erreichen, müssen die Schweißbedingungen für die beiden zusätzlichen Elektroden so gewählt werden, daß diese stets in Kurzschlußberührung mit dem Schmelzbad stehen, oder — anders ausgedrückt — bei diesen beiden Elektroden muß die Ausbildung von Lichtbögen verhindert werden. Es ist bekannt, daß dies durch eine entsprechend niedere Leerlaufspannung der Stromquelle und durch ein verhältnismäßig langes freies Elektrodenende erreicht werden kann. Um jedoch auch für die Stromerzeugung der beiden ohne Lichtbögen abschmelzenden Elektroden eine konventionelle Stromquelle benutzen zu können, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren diese beiden Elektroden zusammen mit der ihnen zugeordneten Stromquelle und dem Werkstück in Reihe geschaltet, wodurch an jeder Elektrode jeweils nur etwa die Hälfte der Ausgangsspannung der Stromquelle liegt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch mit zwei getrennten Spezial-GIeichstromquellen mit entsprechend niedriger Leerlaufspannung für die beiden ohne Lichtbögen abschmelzenden Elektroden, wobei diese entgegengesetzt gepolt sind, durchgeführt werden kann.

Der wesentlichste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß bei einer nur geringfügigen Steigerung der Wärmeeinbringung gegenüber den bekannten Dreielektroden-Verfahren

bereits eine Steigerung der Materialablagerung von über 60% erreicht werden kann. Dies bedeutet umgekehrt, daß bei gleicher Maierialablagerung eine erheblich geringere Wärmeeinbringung gegenüber den bekannten Verfahren erforderlich ist. Als Folge dieses Vorteils wird es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch hochwärmeempfindliche Stähle mit großer Schweißgeschwindigkeit zu schweißen.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren die zweite und dritte der in Lichtbogen abschmelzenden Elektroden an den Ausgängen von zwei in Scott-Schaitung an einem Dreiphasennetz liegenden Transformatoren angeschlossen sind. Es ist weiterhin günstig, wenn sämtliche Elektroden in einer Reihe hintereinander geführt werden, wobei die beiden ohne Lichtbogen abschmelzenden Elektroden entweder auf beiden Seiten der mittleren der in Lichtbogen abschmelzenden Elektroden oder beide vor dieser geführt werden.

Ganz allgemein ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren die Aufgabe der ersten Elektrode (mit Lichtbogen), die Herstellung eines Schmelzbades unter Ausbildung der gewünschten Einbrandform herzustellen. Die Gruppe der in der Mitte folgenden drei Elektroden (eine mit Lichtbogen, zwei ohne Lichtbogen) dient hauptsächlich der Materialablagerung bei geringer Wärmeeinbringung, d.h. ohne wesentliche Beeinflussung des von der ersten Elektrode bestimmten Einbrandes. Die letzte Elektrode (mit Lichtbogen) hat die Nahtformung und Nahtbreitung zur Aufgabe.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Abstände der ersten und dritten in Lichtbogen abschmelzenden Elektroden von der mittleren in einem Lichtbogen abschmelzenden Elektrode — und damit auch von den beiden ohne Lichtbogen abschmelzenden Elektroden — so groß gehalten werden, daß keine nennenswerten gegenseitigen magnetischen Störungen auftreten. Der durch die beiden ohne Lichtbogen abschmelzenden Elektroden fließende Strom erzeugt kein wesentliches resultierendes Magnetfeld, da diese beiden Elektroden durch die Reihenschaltung einander entgegengesetzt gepolt sind.

Wie bereits erwähnt, ist es erforderlich, daß die beiden ohne Lichtbogen abschmelzenden Elektroden eine relativ große freie Elektrodenlänge aufweisen, da nur dann eine genügend große Widerstandserwärmung auftreten kann. Die große freie Elektrodenlänge hat jedoch das Problem der exakten Führung dieser Elektroden zur Folge, da diese in einem genau definierten Bereich des Schmelzbades eintauchen sollen. Dieses Problem wird bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gelöst, daß die Kontaktrohre, durch die diese Elektroden geführt werden, eine Verlängerung aus hitzebeständigem elektrisch nicht leitendem Werkstoff aufweisen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Figur beschrieben, in der schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist.

In der Figur sind mit den Ziffern 1, 2, 3 drei abschmelzende Elektroden bezeichnet, die in Schweißrichtung 4 hintereinander angeordnet sind und unter Bildung von Lichtbogen über dem Werkstück 5 abgeschmolzen werden. Hierbei bildet sich ein Schmelzbad 6 aus, das nach Erstarrung eine Schweißraupe 7 ergibt (siehe Querschnittsskizze). Die abschmelzenden Elektroden werden von Drahtspulen 8,9,10 abgezogen und durch Kontaktrohre 11, 12, 13 geführt. Die beiden ersten Elektroden 1, 2 werden im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 5 geführt, während die dritte Elektrode 3 gegenüber der Werkstückoberfläche einen Winkel von etwa 70° einschließt

Die in Schweißrichtung 4 gesehene erste Elektrode 1 liegt am positiven Pol einer Gleichstromquelle 14, während die zweite Elektrode 2 una die dritte Elektrode 3 an den Ausgängen von zwei in Scott-Schaltung an einem Dreiphasennetz 15 liegenden Transformatoren 16,17 angeschlossen sind.

Erfindungsgemäß werden im Bereich des Lichtbogens der zweiten Elektrode 2 zwei weitere abschmelzende Elektroden 18, 19 in das Schmelzbad eingeführt, wobei jedoch die Schweißbedingungen der Elektroden 18, 19 so gewählt werden, daß sich keine Lichtbogen ausbilden können. Die Elektroden 18, 19 stehen demnach in dauernder Kurzschlußberührung mit dem Schmelzbad 6 und werden teils durch Widerstandswärme, teils durch die vom Lichtbogen der Elektrode 2 erzeugte Wärme abgeschmolzen.

Die ohne Lichtbogen abschmelzenden Elektroden 18, 19 werden von Drahtspulen 20,21 abgezogen und durch Kontaktrohre 22, 23 geführt. Beide Elektroden 18, 19 liegen an der Gleichstromquelle 24, und zwar derart, daß die Gleichstromquelle 24, die Elektrode 18, das Schmelzbad 6 und die Elektrode 19 zusammen einen geschlossenen Stromkreis bilden. Hierdurch wird erreicht, daß einerseits an jeder der beiden Elektroden 18, 19 nur die Hälfte der Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 24 liegt, wodurch auch mit einer konventionellen Gleichstromquelle 24 die zur Vermeidung von Lichtbogen niedrige Spannung an den Elektroden 18, 19 eingehalten werden kann, und andererseits sich die magnetischen Felder der Elektroden 18,19 durch umgekehrte Polarität im wesentlichen aufheben, wodurch eine Störung des Lichtbogens der Elektrode 2 vermieden wird. Um die erforderlichen großen freien Elektrodenlängen zu erreichen und gleichzeitig eine ausreichende Elektrodenführung zu gewährleisten, besitzen die Kontaktrohre 22, 23 an ihren dem Schmelzbad 6 zugekehrten Seiten Führungselemente 25,26 aus Keramik.

Beim Einsatz der in der Figur dargestellten Anordnung werden die einzelnen Elektroden mit Vorteil so über das Werkstück 5 geführt, daß der Abstand zwischen der Elektrode 1 und der Elektrode 2 zwischen 25 und 30 mm und derjenige zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 3 zwischen 12 und 16 mm liegt. Die beiden ohne Lichtbogen abschmelzenden Elektroden 18 und 19 sind an der Oberfläche des Schmelzbades 6 von der Elektrode 2 etwa 5 mm entfernt. Die Elektrode 1 hat die Aufgabe, das Material aufzuschmelzen und die gewünschte Einbrandform herzustellen. Die Gruppe der mittleren Elektroden 2,18, 19 dient hauptsächlich der Materialablagerung, wobei durch die geschilderten günstigen magnetischen Verhältnisse der Einbrand (im Gegensatz etwa zu einer Kaltdrahtzugabe) gesichert bleibt. Die letzte Elektrode 3 hat die Aufgabe der Nahtformung und, durch ihre Neigung, der Nahtbreitung.

Die in der Figur dargestellte Anordnung hat sich hervorragend beim Schweißen von großen Querschnitten an Werkstücken aus hochfesten und vergüteten Stählen bewährt. In einem speziellen Anwendungsfall, bei dem zwei Platten von ca. 30 mm Dicke aus einem

Feinkornstahl für den Schiffsbau miteinander verschweißt wurden (V-Naht, 15 mm tief, 60° öffnungswinkel, 10% Nahtüberhöhung) besaßen die Elektroden 1,2, 3 einen Durchmesser von 5 mm und die Elektroden 18,

19 einen Durchmesser von 2,4 mm. Die Elektrode 1 lag , an 32 V Gleichstrom und führte 900 A. Die Elektrode 2 führte 750 A bei 30 V und die Elektrode 3 führte 650 A bei 32 V. Durch die beiden ohne Lichtbogen abschmelzenden Elektroden 18, 19, deren freie Elektrodenlänge 100 mm betrug, floß ein Gleichstrom von 340 A, wobei ι die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 24 etwa

20 V betrug. Mit dieser Anordnung wurden durch die Elektroden 1, 2, 3 zusammen 31,5 kg/h und durch die Elektroden 18, 19 zusammen 20 kg/h, insgesamt also 51,5 kg/h Material bei einer Schweißgeschwindigkeit :

von 74 cm/min abgeschmolzen. (Zum Vergleich se bemerkt, daß zur Herstellung der gleichen Schweißnaht nach einem konventionellen Dreielektroden-Verfahrer eine Schweißgeschwindigkeit von maximal 46 cm/mir erreicht werden kann). Unter Zugrundelegung dei genannten Daten ergab sich eine Wärmeeinbringung durch die Elektroden 1, 2, 3 von 62 000 Joule/cm unc durch die Elektroden 18, 19 eine solche von 610C Joule/cm. Dies bedeutet, daß bei einer Zunahme dei Abschmelzleistung von etwa 63% lediglich eine etwi um 10% höhere Wärmeeinbringung notwendig war. Ir diesem letzteren Umstand ist der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Schweißen ar wärmeempfindlichen Stählen zu sehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zum Unterpul ver-Verbindungsschweißen großer Querschnitte von Werkstücken aus Stahl mit drei hintereinander angeordneten, kontinuierlich vorgeschobenen und in Lichtbögen abschmelzenden Elektroden, von denen die erste zusammen mit dem Werkstück an einer Gleichstromquelle liegt und die zweite und dritte an Wechselstromquellen liegen, dadurch gekennzeichne t, daß in das Schmelzbad (6) im Bereich des Lichtbogens der mittleren Elektrode (2) zwei weitere, ohne Bildung von Lichtbögen abschmelzende Elektroden (18, 19) kontinuierlich eingeführt werden, welche zusammen mit dem Werkstück (5) und einer Gleichstromquelle (24) in Reihe geschaltet sind und mit dem Schmelzbad (6) in dauernder Kurzschlußberührung stehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte der in Lichtbögen abschmelzenden Elektroden (2,3) an die Sekundärleiter von zwei in Scott-Schaltung an einem Dreiphasennetz (15) liegenden Transformatoren (16, 17) angeschlossen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Elektroden in einer Reihe hintereinander geführt werden, wobei die beiden ohne Lichtbögen abschmelzenden Elektroden (18, 19) vor und hinter der mittleren in einem Lichtbogen abschmelzenden Elektrode (2), dicht außerhalb von diesem Lichtbogen, in das Schmelzbad (6) eingeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Elektroden in einer Reihe hintereinandergefühi t werden, wobei die beiden ohne Lichtbögen abschmelzenden Elektroden (18,19) in Schweißrichtung (4) vor der mittleren in einem Lichtbogen abschmelzenden Elektrode (2), dicht außerhalb von diesem Lichtbogen, in das Schmelzbad (6) eingeführt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der ersten (1) und dritten (3) der in Lichtbögen abschmelzenden Elektroden von der mittleren (2) in einem Lichtbogen abschmelzenden Elektrode so groß gehalten werden, daß keine wesentlichen gegenseitigen magnetischen Störungen der Lichtbögen auftreten.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ohne Lichtbögen abschmelzenden Elektroden (18, 19) durch Kontaktrohre (22, 23) geführt werden, die an ihrem, dem Schweißbad (6) zugekehrten Ende, Führungselemente (25,26) aus einem hitzebeständigen, elektrisch nichtleitenden Werkstoff aufweisen.

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