DE2212316A1

DE2212316A1 - Unterpulverschweissverfahren

Info

Publication number: DE2212316A1
Application number: DE19722212316
Authority: DE
Inventors: Kazuo Agusa; Kozo Akahide
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1971-03-15
Filing date: 1972-03-14
Publication date: 1972-09-21
Also published as: JPS5119419B1; CA948282A; FR2130224B1; GB1351076A; DE2212316B2; NL147660B; BE780707A; FR2130224A1; NL7202966A; US3748429A

Description

Unterpul verschv/eißverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Unterpulverschweißen von Stahlplatten mit Dicken von wenigstens 16 mm unter Verwendung von Mehrfach-Elektrpden in einem Durchgang. Ein solches Schweißverfahren ist gemäß der Erfindung insbesondere für das doppelseitige Schweißen dicker Platten in jeweils einem Durchgang mit hoher Geschwindigkeit durch Anwendung starker Schweißströme geeignet.

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Zum Stoßschweißen von Stahlplatten, insbesondere von relativ dicken Platten, wird gewöhnlich ein doppelseitiges Schweißverfahren angewendet, bei welchem an beiden Oberflächen der Platten jeweils eine Schweißraupe in einem Durchsang auf die Stoßfuge .aufgebracht wird. Dieses herkömmliche doppelseitige Schweißverfahren bietet die Schwierigkeit, daß die zu schweißenden Platten zwischendurch gewendet v/erden müssen. Dadurch ist das Schweißen insbesondere bei der Anwendung in niedrig überdachten Werksgebäuden in verschiedener V/eise behindert und damit insgesamt relativ unwirtschaftlich. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, werden insbesondere beim Schweißen von sperrigen 'Teilen in zunehmendem Maße jSinseiten-Schweißverfahren angewendet. Solche Verfahren erfordern jedoch zusätzliche Hilfseinrichtungen wie eine Rückseitenabdeckung, sowie aufwendige und zeitraubende Vorbereitungsarbeiten vor dem eigentlichen Schweißen. Aus diesen Gründen werden vergleichsweise kleine Werkstücke vorzugsweise immer noch doppelseitig geschweißt, um damit die wohlbekannten Vorteilep.es doppelseitigen Schweißverfahrens hinsichtlich Güte und Wirtschaftlichkeit bei kleineren Werkstücken auszunutzen. Trotz umfangreicher Bemühungen um Verbesserung der verschiedenen Schweißverfahren in verschiedener Hinsicht wurden bisher nennenswerte Weiterentwicklungen von doppelseitigen Schweißverfahren für dickere Platten noch nicht erzielt.

Angesichts der vorstehend erläuterten Schwierigkeiten herkömmlicher Schweißverfahren besteht die Forderung nach der Entwicklung einer neuartigen Schweißstoßgepmetrie, welche das doppelseitige Unterpulverschweißen von dicken Platten gestattet, wobei zur Erzielung einer schnellen und■wirtschaftlichen Schweißung ein starker Schweißstrom zur Anwendung kommen soll.

Beim herkömmlichen doppelseitigen Unterpulverschweißen v/erden je nach der Dicke der zu verschweißenden Platten verschiedene Formen von Schweißfugen angewendet..' 3oi Plat-

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ten mit einer Dicke "bis zu 12 mm ist die Schweißfuge gewöhnlich nicht abgeschrägt, bei Dicken zwischen 12 und 16 mm

verwendet man gewöhnlich eine einseitige V-3?uge mit breiter Stoßfläche, und bei Dicken von mehr als 16 mm eine doppelseitige V-Fuge oder X-Fuge. -Einsichtlich des Aufwandes bei der Vorbearbeitung der Kanten und beim Zusammenfügen des stumpfen Stoßes ist unabhängig von der Dicke der zu schweißenden Platten die nicht angeschrägte Schweißfüge am günstigsten. Andererseits bewirkt jedoch eine nicht abgeschrägte Schweißfuge bei Platten von mehr als 12 mm Dicke das Auftreten übermäßiger Spannungen und von Wärmerissen aufgrund ungeeigneter Profilform der Schweißnaht.

Sind nämlich die zn verschweißenden Platten dicker als 12 mm, so muß beim Schweißen eine ausreichend große Eindringtiefe erzielt werden. Die Eindringtiefe läßt sich durch Verstärkung des Schweißstroms I und/oder durch Verringerung der Schweißgeschv/indigkeit S vergrößern. Eine Verstärkung des Schweißstroms I wirkt sich in einer Zunahme der Menge des von der Elektrode abschmelzenden ?Ieto.lls aus, während die Verringerung der Schweißgeschwindigkeit S eine Vermehrung des pro Längeneinheit der Schweißnaht deponierten Metalls bewirkt. So läßt sich bei nicht abgeschrägter Schweißfuge eine ausreichende Eindringtiefe durch Verstärkung des Schweißstroms I und/oder Verringerung der Schweißgeschwindigkeit 3 erzielen, wobei jedoch aufgrund der Schmalheit und Tiefe der Schweißnaht unweigerlich übermäßig erhöhte Spannungen auftreten, wodurch sich bekanntlich die Gefahr der Bildung von V/ärmerissen erhöht. Aus den vorstehend angeführten Gründen ist also eine" nicht abgeschrägte.Schweißfuge zum Schweißen von mehr als 12 mm dicken Stahlplatten nicht geeignet.

Nicht abgeschrägte Schweißfugen lassen sich somit nur beim Schweißen von relativ dünnen, eine geringe Eindringtiefe erfordernden Platten anwenden, nicht jedoch bei mehr als 12 mm dicken, eine größere Eindringtiefe erfordernden Platten,

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da die zur Erzielung der notwendigen Eindringt ie fe not v/endige Stromstärke und Schweißgeschwindiigkeit die Güte und das Aussehen der Schweißnaht beeinträchtigen, Daher werden für das Schweißen von Platten mit mehr als 12 mm Dicke gewöhnlieh einseitige V-Fugen mit breiter Stoßf"lache, also Y«-Fugen, oder doppelseitige V-Fugen, d.h. also X-Fugen angewendet,. Bei den Y- und X-Fugen können im Vergleich-zum Schweißen, mit nicht abgeschrägter Fuge höhere Schweißströrae angewendet werden, wobei gut geformte Schweißnähte von ausreichender Tiefe ohne die Gefahr des Entstehens von Wärmerissen eraielbar sind.

Herkömmliche Schweißverfahren mit Y- oder X-Fuge v/eisen jedoch den Nachteil auf, daß die einseitige oder doppelseitige V-Fuge einen sehr großen Querschnitt hat und daher eine geringe Scbweißgeschwindigkeit zuläßt, wodurch die Leistung beim Schweißen einigermaßen unbefriedigend ist«. Wird die große Querschnittsfläche der V-Fugen in zwei oder mehr Durchgängen aufgefüllt, bo ergibt sich aus der Kombination der verschiedenen Sctweißdurchgänge eine weitere Verlang-samung des Schweißvorgangs. Außerdem erfordert die V-Fuge mit ihrer großen Querschnittsfläche zwangsläufig eine große Menge an Schweißmetall zum Auffüllen, weshalb herkömmliche Y- oder X-Schweißnähte einen großen Elektrodenverbrauch mit sich bringen. Dementsprechend ist das herkömmliche Schweißverfahren mit Y- oder X-Fuge recht teuer.

Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, ein Unterpulverschweißverfahren zu schaffen, bei dem die vorstehonden Mängel bekannter Schwei.ßverfahren mit Y- oder X-Schweißfuge beseitigt sind.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß man zwei miteinander zu verschweißende Platten in einem stumpfen Stoß zusammenbringt, wobei am Stoß wenigstens eine V-Fuge mit einer Tiefe h und eine Stoßfläche mit einer Breite H von 15 bis 25 mm„

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gemessen in Richtung der Plattendicke, gebildet ist und die !Fuge nt is fe h gleich 0,07 bis 0,48 H ist, daß man in die ?~.T?uge der einen Stoßseite Schweißpulver einbringt j daß man die beiden Platten miteinander verschweißt, indem man dem Stoß über wenigstens zwei gegenüber dem Stoß bewegte Elektroden elektrische Ströme zuführt, und daß man das Aufbringen des Schweißpulvers und das Verschweißen in gleicher V/eise an der anderen Seite des Stoßes wiederholt.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere mit der angeführten Geometrie der Schweißfuge, kann jede der V-Fugen der Verbindung in einem einsigen Durchgang fertiggeschweißt werden, so daß sich die Güte der Schweißung sowie die Schweißgeschwindigkeit erhöht. Die erfindungsgemäße Geometrie des Schweißstoßes erbringt ferner eine Verringerung des Elektrodenverbrauches gegenüber der herkömmlichen Geometrie bis auf etwa ein Viertel oder noch weniger. Die erfindungsgemäße Geometrie des Schweißstoßes erlaubt die Ausbildung einer V-Fuge an einer Seite oder an beiden Seiten der ■ zu verschweißenden· Platten.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Schnittansicht einer X-Sehweißfuge mit herkömmlicher Geometrie,

Pig. 2 eine schematisierte Schnittansicht einer X-Schweißftige mit der erfindungsgemäßen Geometrie,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen der Querschnittsfläche A einer X-Schweißfuge zum ' Stoßschweißen von zwei Stahlplatten und der Dicke t . der Platten,

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Fig. 4 Ms 6 grafische Darstellungen der gegenseitigen

Beziehungen zwischen verschiedenen Abmessungen von Schweißstößen mit der erfindimgsgemäßen Geometrie,

Fig. 7 und 8 schematisierte Schnittrmsichten mit Angabe

der· Abmessungen von erfiiidungsgemäßen Schweißstößen mit Y- und X-Fuge und

Pig. 9 eine schematisierte Darstellung der elektrischen Anordnung zum Unterpulversehweißen- mit Mehrfachelektroden.

Der in Fig. 1 gezeigte X-SchweißstoJß mit herkömmlicher Geometrie setzt sich aus einer schmalen Stoßfläche mit der Breite H_-1 und zwei V-Fugen mit großer Tiefe h\ und h-, zusammen«. Bei Platten von beispielsweise 35 nim Dicke t beträgt die Breite der Stoßfläche 10 mm, während die Tiefen h] und h^ der V-Fugen 12 bzw. 13 mm betragen. Die Innenwinkel θ und Θ¹ der V-Fugai in Fig. 1 betragen 60 bzw. 70°. Bei den angegebenen Maßen betragen die Querschnittsflächen der beiden V-Fugen 85 bzw.. 115 mm . Zum Auffüllen von Fugen mit derartig großer Querschnittsfläche sind hohe Schweißströme in der Größenordnung von 1 400 bis 1 500 A erforderlich. Selbst bei Anwendung derartig starker Schweißströme muß die Schweißgeschwindigkeit jedoch sehr gering gehalten sein, mit einem Höchstwert von beispielsweise etwa 30 cm/min. Die Erfordernis einer so geringen Schweißge schv/indigke it ergibt sich aus den folgenden Gründen«

Zur Erzielung einer befriedigenden Verbindung sollte die in den beiden V-Fugen niedergelegte Schweißnaht jeweils um mehr als die Hälfte der Tiefe H in die Stoßfläche eindringen. Bei herkömmlichen Schweißverfahren mit vergleichsweise schv/achen Schweißströmen beträgt die größte Eindringtiefe der Schweißnaht bestenfalls 7 ram. Dementsprechend ist die Breite H der Stoßfläche bei der herkömmlichen Stoßgeometrie auf verhältnismäßig geringe Vierte beschränkt, so daß also

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die V-Fugen beim Schweißen von dickeren Platten zwangsläufig eine große Querschnittsfläche haben. Die einer großen V-Fuge zugeführte Wärme neigt dazu, sich stärker entlang der Verschmelzungsfläche der Fuge zu verteilen als in der Richtung der Plattendicke, woraus sich eine relativ geringe Eindringtiefe ergibt. Dementsprechend muß zur Erzielung einer großen Eindringtiefe eine sehr große Wärmezufuhr durch Verlangsamung der Schweißgeschwindigkeit herbeigeführt werden.

Es erscheint zunächst möglich, die Eindringtiefe durch Verwendung eines starken Schweißstroms bei relativ hoher Schweißgeschwindigkeit zu vergrößern. In der Praxis kann die Anwendung übermäßig hoher Ströme jedoch zu Schlackeneinschlüssen oder anderen Fehlern führen, welche das Aussehen der Schweißnaht beeinträchtigen. Es gibt somit eine obere Grenze für die Stärke des .Schweißstroms, über welche hinaus der Strom nicht mehr zu Schweißzwecken verwendbar ist. Außerdem ist bei einer gegebenen Spannung des Lichtbogens die Größe der zugeführten Wärmemenge proportional dem Verhältnis zwischen Strom I und Schweißgeschwindigkeit S. Bei einer gegebenen Wärmezufuhr ergibt sich bei einer hohen Geschwindigkeit S und einem starken Strom I eine größere Eindringtiefe als bei geringer Geschwindigkeit S und schwächerem Strom I. Somit hat das herkömmliche Stoßschweißen mit Y- oder X-Fuge 'den Nachteil, daß zum Schweißen von dicken Platten hohe Schweißströme nicht anwendbar sind. Da jedoch ein schnelles Schweißen mit stärkerem Strom aus wirtschaftlichen Gründen äußerst vorteilhaft wäre, besteht ein großer Bedarf an einer diesbezüglichen Verbesserung des Stoßschweißverfahrens .

Bei dem langsamen Schweißen herkömmlicher T- oder X-Fugenstöße mit relativ schwachem Strom tritt als weiterer Nachteil hinzu, daß die starke Wärmezufuhr aufgrund einer Vergröberung des Korns die Kerbschlagzähigkeit der Verbindung beeinträchtigt. Insbesondere beim Schweißen von Stäh-

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len mit hoher Zugfestigkeit von etwa 60 fcp/mm" muß die auge führte Wärmemenge kleiner sein all s beim Schweißen von P3.atten. aus Plußeisen, um die Verschlechterung der Kfcrbschlagzahigks.it aufgrund, der Kornvergröberung zu vermeiden. Damit läßt sich jedoch keine große Eindringtiefe der Schweißnaht erzielen, so daß die Dicke der mit solchen Vorfahren schweißbaren Platten, bisher auf höchstens 25 mm beschränkt war.

Der große Querschnitt von V-JTugen bei Y- oder X~Stoßfugen mit dor herkömmlichen Geometrie erfordert eine große Schweißgutmenge zum Auffüllen, Dadurch sind herkömmliche Schweißverfahren relativ _#teuer„

Zusammengefaßt haben herkömmliche Unterpulverschweißverfahren von dickeren Stahlplatten mit Y- oder X-Stoßfuge also die folgenden Nachteile:

1) Die Schweißgeschwindigkeit ist relativ gering.

2) Die Stärke des Schweißstroms ist nach oben begrenzt.

3) In der Erwärmungszone tritt eine die Kerbschlagzähigkeit verschlechternde Kornvergröberung ein.

4·) Der Verbrauch an Schweißelektroden ist sehr hoch.

Die Erfindung beseitigt die vorstehenden Nachteile und schafft ein Unterpulverschweißverfahren mit Mehrfach-Elektroden für Stoßverbindungen mit einseitiger oder doppelseitiger V-IJuge von relativ kleiner Querschnittsfläche, und ermöglicht so ein schnelles Schweißen mit starkem Strom.

Bei dem erfindungsgemäßen Unterpulverschweißen werden jeweils wenigstens zwei Elektroden verwendet. Mit nur einer Elektrode ist es nämlich nahezu unmöglich, dicke Platten in einem einzigen schnellen Durchgang zu schweißen, da die Menge des von der einen Elektrode abschmelzenden Schweißguts relativ klein ist und eine mit nur einer Elektrode in dieser

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Weise geschweißte Naht unbefriedigende Eigenschaften und unbefriedigendes Aussehen auf v/eist.- Erfolgt andererseits das Schweißen in zwei oder mehr Durchgängen, so wird es aufwendig und teuer. Demgegenüber steht beim Schweißen mit zwei oder mehr Elektroden eine große Menge an abschmelzen-· dem Schweißgut zur Verfügung, so daß sich dicke Stahlplatten in einem Durchgang fertigschweißen lassen. Bei der Verwendung von zv/ei Elektroden bildet die in Bewegungsrichtung vordere Elektrode eine tief eindringende Sehweißsone aus, während die hintere Elektrode der Schweißnaht vor dea?en Abkühlung zusätzliche Wärme zuführt, so daß Wärmerisse vermieden sind und eine gleichmäßige Schweißnaht entsteht.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verwendung von starken Schweißströmen. Bei herkömmlichen V-Fugen kann die Verwendung von starken Schweißströmen zu Schlackeneinschlüssen oder anderen Fehlern führen. Bei der Erfindung sind diese bei starkem Strom auftretenden Mängel dadurch vermieden, daß der Schweißstoß eine neuartige Geometrie mit einer relativ großen Breite H der Stoßfläche hat.

Diese Geometrie des Stoßes für das Schweißen von dicken Platten stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung dar. Sie zeigt eine relativ große Breite H der Stoßfläche und eine oder zwei V-Fugen von relativ geringer Tiefe h. Fig* 2 zeigt die erfindungsgemäße Stoßgeometrie am Stoß zweier Platten mit der Dicke t. Beim Vergleich der in Fig. 2 gezeigten Stoßgeometrie für Platten mit der Dicke t mit der herkömmlichen Stoßgeometrie für Platten der gleichen Dicke ist zn erkennen, daß die Breite H der Stoßfläche gemäß der Erfindung größer ist als die entsprechende Breite H₁ des herkömmlichen Stoßes, wogegen die Fugen gemäß der Erfindung eine geringere Tiefe Ii haben als die[herkömmlichen Fugen mit der Tiefe h₁ oder Ixj * Dadurch ist die Querschnittsfläche dei* V-Fuge in der erfindungsgemäßen Ausbildung viel kleiner als in der herkömmlichen«. Beispielsweise zum Schweißen, von

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Stahlplatten mit einer Dicke von 35 am hat die Stoßfläche in der erfindungsgemäßen Ausbildung eine Breite von 2$ n-m und eine Tiefe Ii der beiden V-Fugen von ,jeweils 6 mm,. Gegenüber dem vorstehenden Beispiel des herkömmlichen Stoßes wit Fugsntiefen von 12 und 13 mm ist die Querschnittsfläche A der V-Fugen in der erfindungsgemäßeii Ausbildung auf ein Viertel oder noch weniger verringert.

Die Verringerung der Quersehnittsflächen der V-I¹UgOn ermöglicht ein schnelles Schweißen, während die große Breite H der Stoßfläche die Gefahr eines Durchbrennens der Platten beim Schweißen verringert. Der pro Elektrode augeführte Schweißstrom ist gemäß der Erfindung mit Rücksicht auf die Wirtschaftlichkeit der Stromquellen ebenfalls auf höchstens 2 000 A begrenzt.

In verschiedenen Versuchen mit der erfindungsgemäßen Stoßgeometrie wurde ermittelt, daß mit einer Breite H der Stoßfläche von 15 bis 25 mm und einer Tiefe h der Fugen von 0,07 bis 0,48 H bei einer oder zwei Fugen die besten Ergebnisse ersielbar sind. Finden bei einer solchen Geometrie zwei oder mehr Elektroden Verwendung, wobei der vorderen Elektrode ein Schweißstrom von bis zu 2 000 A zugeführt wird und der Gesamt-Schweißstrom für alle Elektroden 2 000 A übersteigt, so lassen sich hervorragende Schweißnähte mit befriedigender Eindringtiefe bei sehr geringen Kosten schnell fertigschweißen.

Zur Untersuchung der Eignung von Stoßausbildungen mit verschiedener Geometrie, jeweils mit doppelseitiger V-Fuge wurden verschiedene Versuche angestellt, deren Ergebnisse in Tabelle 1 zusammengefaßt sind.

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«α to

CO

O 0» co RO

Tabelle

Stoß-

Plat-, ten Versuch j Dicke

geometrie

Vergleich

Erfin-

dung

t (mm)

18

20

35

Vergleich

I7

40

Fugentiefe h (mm)

Stoß- Verh.

breite

H (mm)h : H

16

0,06

0,13

22 ! 0.18

Fugenwinkel (Grad)

23

22

13

22

0,26

0,29

0,41

0,59 Vordere Elektrode Strom Spannung

Hintere Elektrode Strom Spannung

I, (A) V, (V) I I,. (A) V₁₁ (V)

30

600

800

! 1000

!000

1200

1600

Schweiß-j Bernerge schwin! klingen digkeit ! S (cnymirj) _ __

i Übermaß:

ι 70 iVerdiki fcung

jUngenügen+ tsj jde Ein- J ro jdringtiefe —*

Es ist bekannt, daß man mit der herkömmlichen Stoßgeometrie entsprechend Fig» 1 zwei jeweils 35 mm dicke Stahlplatte!! unter .Anwendung eines Schweißstroms von 1400 bis 15OO A mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/min verschweißen kann* Wie die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse erkennen lassen., kann man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 35 wm dicke Platten unter Anwendung eines Gesamt&troms 'von 2 200 A mit einer Geschwindigkeit von 70.cm/min schweißen. Die Erfindung ermöglicht somit durch die Verwendung der besonderen Stoßgeometrie und eines gegenüber dem herkömmlichen etwa anderthalbfachen Gesamtstroms eine Verdoppelung der Sclweißgeschwindigkeit. Die unter Anwendung des erfindungsgemäßen \^rer~ fahrens hergestellte Schweißnaht hatte eine befriedigende Eindringtiefe und ein gutes Aussehen. Wie vorstehend bereits angedeutet, verringert sich beim erfindungsgemäßen Verfahren der Elektrodenverbrauch auf etwa ein Viertel gegenüber dem herkömmlichen Verfahren.

Im Versuch Nr. >\ von Tabelle 1 ist eine Stoßgeometrie gemäß der Erfindung angeführt, bei der die Stoßflächenbreite H bei einer Plattendicke von 35 mm gleich 23 mm ist. Diese Stoßflächenbreite H ist nahezu doppelt so groß wie die bei der herkömmlichen Stoßgeometrie für eine Platte gleicher Dicke vorgesehene. Demgemäß ist die Querschnittsflache der V-Fugen beim erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem herkömmlichen stark verringert, wodurch sich die der V-I¹UgO zugeführte Wärme vorwiegend in Richtung der Plattendicke ausbreitet, und nicht in Längsrichtung der Fuge- In dieser Weise gewährleistet die Erfindung durch die Anwendung starker Schweißströme bei hoher Schweißgeschwindigkeit eine ausreichende Eindringtiefe auch bei geringerer Wärmezufuhr.

Aus der großen Breite H der Stoßfläche ergeben sich die folgenden Vorteile. Die große Eindringtiefe im Bereich der breiten Stoßfläche verhindert die Entstehung einer grobkörnigen Struktur in dem von der Wärme beinflußten Bereich um

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die Schweißnaht herum. Ferner verursachen bei der breiten Stoßfläche gegebenenfalls vorhandene Spalte nicht gleich ein Durchbrennen bzw. einen Durchtritt von geschmolzenem Metall, so daß die Stoßflächen bei dieser Geometrie keiner Präzisionsbearbeitung bedürfen. Die große Breite H der Stoßfläche wirkt sich somit arbeitssparend aus* Weiterhin wurde in Versuchen festgestellt, daß bei einer Plattendicke von 35 nun und einer Breite H der Stoßfläche von wenigstens 23 mm Schlackeneinschlüsse für jede Kombination der Schweißströme X₁ und I„ der vorderen und hinteren Elektrode, welche eine ausreichende Eindringtiefe ergaben, vermieden waren.

Die vorstehend angeführten Vorteile einer breiten Stoßfläche sind kaum erzielbar, wenn deren Breite H weniger als 15 mm oder mehr als 25 mm beträgt. Demgemäß ist die im erfindungsgemäßen Verfahren anwendbare Breite H der Stoßfläche im wesentlichen auf einen Bereich zwischen 15 und 25 mm beschränkt.

Bei den vorstehend angegebenen Beziehungen zwischen der Fugentiefe h und der Stoßflächenbreite H in der erfindungsgemäßen' Stoßgeometrie ist ein ausgezeichnetes Aussehen der Schweißnaht bei günstigem Schweißgutauftrag erzielbar. Dabei macht es die geringe Größe der Querschnittsfläche der V-Fuge erforderlich, die Menge des von der Elektrode zugeführten Schweißgutß gering zu halten. Dieses Erfordernis wird durch entsprechende Abstimmung der Schweißgeschwindigkeit S auf den Schweißstrom I erfüllt. Wird also zur Erzielung einer größeren Eindringtiefe ein stärkerer Schweißstrom I angewendet, so muß die Schweißgeschwindigkeit S erhöht werden. Die Beziehungen zwischen der Schweißgeschwindigkeit und dem Schweißstrom sind jedoch allgemein bekannt. Für diese Beziehung gibt es eine untere Grenze, bei deren Unterschreitung die Wärmezufuhr für die notwendige Eindringtiefe nicht mehr ausreicht. Diese untere Grenze ist ebenfalls bekannt. 1st das h/II-Verhältnis kleiner air, 0,07, so wird das für den erforderlichen Schwoißgutauftrag notwendige Verhältnis

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zwischen Schweißstrora und -geschwindigkeit zu klein für eine ausreichende Ei«dringtie£e entlang der Stoßflcche, Ist andererseits das h/H-Verhältnis größer als 0,48, so werden die Querschnittsflächen der V-Fugen zu groß für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Somit ist das h/H-Verhältnis der gemäß der Erfindung anwendbaren Stoßgeometrie im wesentlichen auf den Bereich zwischen 0,07 und 0,48 beschränkt.

Unter Anwendung des ei'findungs gemäßen Unterpulverschv/eißverfahrens mit Mehrfachelektroden lassen sich mit der beschriebenen, wenigstens eine V-Fuge aufweisenden Stoßgeometrie Stahlplatten mit Dicken von mehr als 16 mm unter geringer Wärmezufuhr sehr schnell schweißen. Die geringe Wärmezufuhr erlaubt das Schweißen von hochzugfesten Stählen mit Zugfestigkeiten im Bereich von 60 kp/inm% was bisher als sehr schwierig galt, da unter Anwendung herkömmlicher Sehweißverfahren hergestellte Schweißnähte sur Sprödigkeit neig'ten. Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführte Versuche haben ergeben, daß für Stahlplatten aus Stählen mit Zugfestigkeiten im Bereich von 60 kp/mm die Breite H der Stoßflächen vorzugsweise zwischen 15 und 23 mm und das h/H-Verhältnis im Bereich von 0,07 his 0,26 liegt.

Herkömmliche Unterpulverschweißverfahren zum Fertigschweißen in einem Durchgang mit ein- oder doppelseitiger V-Puge waren auf Platten mit Dicken bis zu etwa 35 mm beschränkt. Demgegenüber schafft die Erfindung ein Unterpulverschweißverfahren, bai dessen Anwendung sich sehr viel dickere Platten von bis zu etwa 49 mm Dicke mit hoher Geschwindigkeit wirtschaftlich schweißen lassen.

Das mit einem Durchgang arbeitende Schweißverfahren für dicke Platten schafft eine beträchtliche Verbesserung insofern, als dickere Platten bisher durch mehrere übereiranderliegende Aufträge in der Y-Fuge geschweißt werden mußten*

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Ferner ist gemäß der Erfindung die Querschnitt sfläelic der V-Fugen beträchtlich, beispielsweise auf ein Viertel der herkömmlichenj verringert, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Dementsprechend iot der Verbrauch an Schweißelektroden und mithin der Kostenaufwand beim Schweißen dicker Platten spürbar verringert.

Die verschiedenen Parameter für das erfindungsgemäße Schweißverfahren gehen aus Fig. 4- bis 6 hervor.

Für eine gegebene Dicke t der zu schweißenden Platten wählt man je nach den Eigenschaften der zu schweißenden Platten, den gewünschten Eigenschaften der Schweißnaht und anderen damit zusammenhängenden Gegebenheiten eine geeignete Breite H der Stoßfläche aus dem Bereich I innerhalb des Vierecks ABCD (Fig.4·). In diesem Viereck gibt der nicht schraffierte Teil (II) EFBGHD den Bereich an, in dem die Breite H der Stoßfläche der Beziehung

~4,2x1O~³t²+O,6t+4,6<H<-4,2x1CT⁵t²+0,6t+8,6

genügt. Wählt man die Stoßgeometric aus dem Bereich II, so ergibt sich die günstigste Abstimmung der Querschnittsflächen der V-Fugen mit der während des Schweißens von der Elektrode abgeschmolzenen Metallmenge. Der obere schraffierte Bereich III bezieht sich auf V-Fugen mit relativ kleiner Querschnittsfläche, während,der untere schraffierte Bereich IV im Vergleich zu den im Bereich II zusammengefaßten relativ große Querschnittsflächen der V-Fugen angibt. Der gestrichelt umgrenzte Bereich V entspricht dem bevorzugten Bereich für

hochzugfeste Stahlplatten mit Zugfestigkeiten um 60 kp/mm

Nach der Bestimmung des h/H-Verhältnisses anhand von Fig. H-Wird ein geeignetes 1,/i/B^-Verhältnis anhand von Fig. 5 ausgewählt, wobei I, der über die vordere Elektrode zugeführte Strom und S die Schweißgeschwindigkeit oder die Bewegungsgeschv.dndigkejt der Elektroden relativ zu den zu sehweißenden Platten ist. Für die obere und die untere Grenze von I wurden in zahlreichen Versuchen die folgenden Werte ermittelt:

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Obere Grenze :' I,/YE = 39ih/H ·ί· 75,1; Untere Grenze : I,/YS = ?06h/H ·!- 56,4.

Überschreitet die Beziehung I₅//S' die vorstehende obere Grenze so kann der Schweißgutauftrag su dick werden. Wird andererseits die untere Grenze der Beziehung 11//S¹ unterschritten., so kann die Eindringtiefe der Schweißnaht zu gering werden. In dem Bereich zwischen der oberen und der unteren Grenze
ist die Beziehung 1,/Y§ auf die anhand von Fig. 4 gewählte Beziehung h/H abzustimmen.

Die aus Fig. 5 ersichtlichen Beziehungen ergeben sich aus den in Tabelle 1 zusammengefaßten Daten. Die" darin ange-

o führten V-Fugen haben sämtlich einen Winkel von 90 * Wie

sich aus verschiedenen Versuchen ergab, sind die aus Fig. 5 ersichtlichen Beziehungen für einen ziemlich weiten Bereich von Fugenwinkeln anwendbar, insbesondere für einen Bereich
zwischen 60 und 90°.

Die Stromstärke I, für die vordere Elektrode wird je nach
den Eigenschaften und der Dicke der zu schweißenden Platten gesondert ermittelt. Ist die Stromstärke I, für die vordere Elektrode einmal festgelegt, so läßt sich die geeignete
Schweißgeschwindigkeit S aufgrund der Beziehung IfA⁷S¹
ermitteln.

Fig. 6 zeigt die Beziehungen zwischen der Querschnittsfläche A der zu schweißenden V-Fuge und einem Quotienten ■ (I,+I.,)/S, worin I₁, die Stärke des über die zweite, hintere Elektrode zugeführten Stroms ist. Diese für die Erzielung
einer befriedigenden Schweißnaht einzuhaltende Beziehung
läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrucken:

Jjl = O,34A + 18,6.

Die geeignete Stärke des Schweißstroms für die hintere Elektrode läßt sich somit anhand der vorher ermittelten

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sq. - .

Vierte für die Stromstärke I, der vorderen Elektrode, die Seilweißgeschwindigkeit S und die Querschnittsfläche A der zu schweißenden Y-Fuge bestimmen»

Nachstellend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Mit zwei jeweils 25 mm dicken Platten aus Flußeisen SS41 gemäß dem Japanischen Industrie standard JI"S G 3101 wurde ein Stoß mit einseitiger V-Puge gemäß Fig. 7 eingerichtet. Die Breite H der Stoßfläche betrug 19 mm und die Tiefe h der Fuge 6 mm. Die beiden Platten wurden durch Unterpulverschweißen in einem Durchgang mit der in Fig. 9 gezeigten Gleichstrom-Doppelelektrodenanordnung miteinander verbunden. Zur Verwendung kamen'Elektroden mit geringem Mangangehalt in Verbindung mit einem in der Hauptsache aus Tonerde, Magnesia, kohlensaurem Kalk und Kieselerde zusammengesetzten Flußmittel. Die Bedingungen beim Schweißen waren die folgenden :

Durchmesser der vorderen Elektrode: 3»2mm Spannung an der vorderen Elektrode: 30 V Stromstärke der vorderen Elektrode: 1200 A Durchmesser der hinteren Elektrode: 4-,8mm Spannungen der hinteren Elektrode: 4-5 V Stromstärke der hinteren Elektrode: 1000 A Abstand zwischen den Elektroden: 50mm Schweißgeschwindigkeit

glattseitig 90 cm/min

fugenseitig 70 cm/min.

Die in dem Beispiel verwendete elektrische Anordnung ist sohematisch in Fig. 9 gezeigt. Zwei Schweißtransformatoren I¹RI und TI?2 waren mit ihren Primärwicklungen an einer Spoiseapannungsquelle Vo angeschlossen» Die Sekundärwicklung des Transformators -TR1 war mit der vorderen Elektrode L

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verbunden, um diese mit der Spannung. V^ zu speisen. In dem Beispiel ist die Viochsclspannrngsquelie zum Schweißen direkt mit der vorderen Elektrode L verbunden, wobei jedoch zwischen dem 1'ransforias.tor ^fI'R1 und der Elektrode L eine Gleichrichtung vorgesehen sein kann» Die Sekundärviickiimg des anderen Schweißtransformators TR2 ist mit der hinteren Elektrode 'J? verbunden und cpeist diese mit der Spannung; Y₀. Die beiden Schv/eißtransforrnatoren TR1 und TR2 haben jeweils einen über* (nicht dargestellte) Einrichtungen in Pfeilrichtimg bewegbaren Kern MG zum Beeinflussen der Streureaktanz des betreffenden Transformators. In Abhängigkeit von Änderungen der Streureaktans ändert sich dann die Stärke des den Elektroden L bzw. T zufließenden Stroms.

In Fig. 9 sind zwei Stahlplatten 1 und 1' in stumpfem Stoß mit ihren Randflächen aneinandergelegt. Auf die Schwaißfuge wird ein Schweißpulver F aufgebracht, worauf die durch die vordere und die hintere Elektrode L bzw. Q? gebildete Tandem-Elektrodenanordnung in Pfeilrichtung in dem Schweißpulver entlangbewegt wird» Unter Zufuhr von Schveißströinen geeigneter Stärke über die Elektroden wird entlang der Fuge zwischen den Platten 1 und 1¹ eine Sclweißnaht 2 niedergelegt.

Beim beiderseitigen Schweißen der Naht wurde eine gegenseitige Überschneidung der Eindringtiefen von ¹V mm erzielt. Der Schweißgutauftrag wies eine Breite von 20 bis 23 mm bei einer Höhe von 2,5 bis 3 mm auf. Eine Prüfling der Schweißnaht ergab, daß sie keinerlei Unterschnitte, Überlappungen oder andere Fehler aufwies. Bei Röntgenuntersuchungen der Schweißnaht erwies sie sich ebenfalls als fehlerfrei. Sie hatte eine ausreichende Eindringtiefe ohne Risse, Schlakkeneinschlüsse oder Blasen.

Mit der erhaltenen Schweißverbindung wurden verschiedene Versuche angestellt, in denen sich die hervorragenden mechanischen Eigenschaften derselben erwiesen. Die Sug-

festigkeit betrug 47 kp/mm" und die Kerbschlagzähigkeit (Churpy-Keßv/ert) der Schweißraupe bei. O ⁰G betrug 8,2 k.v* In einem Biegeversuch erwies sich, daß die Schweißnaht eine hohe Duktilität hatte und nach Biegen um 180° frei von Rissen und anderen Fehlern war.

Mit zwei jeweils 38 mm dicken Platten aus hochaugfestern Stahl mit einer Zugfestigkeit von GO kp/mm , in Lloyd's Schiffsregister unter der Bezeichnung L6D angeführt., wurde der in Pig. 8 gezeigte Stoß mit doppelseitiger V-Fuge gebildet. Die Breite der Stoßfläche betrug 24 mm und die Tiefe h der Fugen jeweils 7 mm. Die beiden Platten wurden unter Verwendung der Wechselstrom-Doppelelektrodenanordnung nach Fig. 9 durch Unterpulverschweißung in einem Durchgang miteinander verbunden, wobei Elektroden mit geringem Mangangehalt in Verbindung mit einem dem im '-Beispiel 1 verwendeten entsprechenden, jedoch geringe Mengen an Legierungselernenten enthaltenden, Flußmittel verv/endet wurden. Das Schweißen erfolgte unter den folgenden Bedingungen :

Durchmesser der vorderen Elektrode: 4,0 mm Spannung an der vorderen Elektrode: 30 V Stromstärke der vorderen Elektrode: 1400 A Durchmesser der hinteren Elektrode: 4,8mm Spannung an der hinteren Elektrode: 45 V Stromstärke der hinteren Elektrode: 1000 A Abstand zwischen beiden Elektroden: 60 mm Schweißgesclrwindigkeit: 70 cm/min.

Es wurde eine befriedigende Ausbildung der Schqeißnaht erzielt, mit einer gegenseitigen Überschneidung der beiderseitigen Eindringtiefen von etwa 4 mm und einer Schweißratipe von 25 bis 27 mm. Breite und 3,0 bis 3,3 mm Höhe. Die Eindringtiefe betrug von beiden Seiten dei"¹ Stoßfläche aus

etwa 21 mm.

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Die derart hc^j.rge£tollte oCüvjeißverMrjö.unp; orvries in vorscli:i odenen Unter-isuchun^en ihre hervorragenden mechanischer Eigenschaften. Die Zug-u^-tl^-eit betrug GO kp/ivra^" und die Kerbschlagzähifskeit (Charpy-M3ßwert) des Schweißguts betrug bei 0 ⁰G 9,6 kp-m zunächst der- Oberfläche der Naht und 7_;2 kp-rn in Mittelbereich. B^f-;i einem einseitigen Biegeversuch um 180° erwies sich die Schweißverbindung als sehr duktil und frei von Rissen und anderen Fehlern. Bei Inaugenscheinnahme und Röntpcirunterfrachunfi; der Schweißverbindung wurden keinerlei ?eh!l er festgestellt. To. s Kant hatte eine ausreichende Einaringtiefe und war frei von Risse ßch.lacl-r.eneinscijlüfösen und Blasen. Unter Anwendung des erfinduno;oger.!o.fien Vo rf ahrens wurde somit eine hochwertige Schweiß« verbinduiig von relativ dicken Stahlplatten erzielt.

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Claims

"\.J Verfahren »um Untcrpulvorschv/cißön von Stahl pi atten mit Licken von wenigstens 16 rom unter Verwendung von Mehrfach·-Elektroden in einen¹, Durchrang, dadurch g e k e η η - ζ e i ο π η c t, daß raan awei miteinander au verschweißende Platten in einem stumpfen Stoß zusammenbringt, wobei am Stoß wenigstens eine V-Fuge mit einer Tiefe h und eine Stoßfläche mit einer Breite H von 15 bis 25 ma, gemessen in Richtung der Plattendicke, gebildet ist und die Fugentiefe h gleich 0,0? bis 0,48 H ist, daß man in die V-Fuge der einen Stoßseite Schweißpulver einbringt:, daß man die beiden Platten miteinander verschweißt, indem man dem Stoß über wenigstens zwei dem Stoß gegenüber bewegte Elektroden elektrische Ströme zuführt, und daß man das Aufbringen des Schweißpulvers und das Verschweißen in gleicher V/eise an der anderen Seite des Stoßes wiederholt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß mit einseitiger V-Fuge und breiter Stoßflache gebildet wird.
3* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß mit beidseitiger V-Fuge gebildet wird.
4. Verfahren nach ,wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e η η ζ e lehnet, daß V/eichstalil- bzw* Flußeisen-1 atten verwendet werden»
5* Verfahren nach v/enigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k α η η ζ e i c h η e t, daß Platten aus hochzup;fo-stem Stahl mit Zugfestigkeiten von wenigstens

ο
50 kp/πιΐΐ! verwendet v;orek:n.

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6. Verfahren nach \/e η listens «inen der A^sprUche Ί bis 3, dadurch g e Ic e η η '/. e i c h ?; e t, daß ii^n der;· Stoß mit Platten aus hochz'jgfestora Stahl mit einer Zup;~ festigkeit von^60 kp/min" nut einer Braite E der Btoßfläche von 15 bin 23 mm und einer Tiefe h der lair;e(n) vor.' 0,07 bis 0,26 H bildet.
7» Verfahren nach vmiigstenK eir>em der Ansprüche biij 6 _v dadurch g e k e η η κ e i c h η e t, daß die Breit3 H der Stoßfläche in Milliiaeterr; in- Beaus auf die Dicke t der Platten in Millimetern der folgenden Beziehung genügt:

-'4, 2x10~⁵t²+0,6t+/+, 6 && -Λ,2r10""⁵t²+0^6t+8,6.
8. Verfahren nach wenigstens einem der· Ansprüche 1 bis 7_? da.durch geke η η ze ichne t, daß die Beziehung zwischen der der vorderen Elektrode zugeführten Stromstärke I, (A) und der Quadratwurzel der Schweißgeschwindigkeit S (cm/min) in den Bereich zwischen einer

oberen Grenze, T,/YE = 391 h/H +73,1 und einer unteren Grenze, 1,/γΈ - 306 h/H + 36₅4-fällt, worin h die Fugentiefe und H die Breite der Stoßi'läche ist*
9. Verfahren'nach wenigstens einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittßflache A der zum Schweißen gebildeten V-Fuge der Beziehung

jL = 0,34A + 18,6

genügt, worin

I, die Stärke des der vorderen Elektrode zugeführten Stroms in Ampere,

I_I, die Starke des der hinteren Elektrode zugeführten Stroms in Ampere und

S die Schweißg^schwindigkeit in cra/miii ist.

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