DE2310790C3 - Elektroschlacke-Schweißverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elcktroschlacke-Schwcißverfahrcn unter Verwendung wenigstens einer plattenförmigen Elektrode, die in den .Schweißspalt zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen der miteinander zu verschweißenden Basismetalle eingeführt und schließlich Bestandteil der Schweißstelle wird.

Bei den bekannten Elektroschlacke-SchweiK'rrfiihrcn erfolgt die Verschweißung entweder durch die Einführung einer solchen Elektrode, die nachfolgend als »Einzelclektrode« bezeichnet wird, oder mehrerer solcher Elektroden, die im folgenden »Mehrfachclektroden« bezeichnet werden, in den Schwcißspalt.

Bei diesen konventionellen Elektroschlackc-Schweißverfahren unter Benutzung plattenförmiger Elektroden verändert sich die Eindringtiefe in die Basismetalle unbeachtlich der Anzahl der benutzten Elektroden in Abhängigkeit von der Breite der Elektrode bzw. der Elektroden.

Zur Ausschaltung einer solchen unzulänglichen Verschmelzung wurde schon durch die USA.-Patentschrift 3 575 567 ein verbessertes Elektroschlacke-Schweißverfahren bekannt. Jenes Verfahren ist da durch gekennzeichnet, dali bei der Durchführung voi Elektro-Verschweißungen mit einer plattenförmig^ Elektrode von mehr als 30U mm Breite wenigsten der durch die Verschweißung aufzubrauchende Be reich der Elektrode durch vertikale Einschnitte h mehrere Bereiche aufgeteilt ist, die untereinande elektrisch kurzgeschlossen sind und eine Elektroden einheit bilden, die an der Energiequelle angesehlos sen wird.

Bei diesem Verfahren zeigte sich jedoch, daß di Eindringtiefe im Mittelbereich der Basismetalle ge ringer war als in den Bereichen unweit der Enden Dieser Nachteil zeigt sich insbesondere, wenn cli< Dicke der Basismetalle ansteigt, was bis zu einer un genügenden Verschmelzung im Mittelbereich de Basismetalle führen kann.

Aufnähe der vorliegenden Erlindung ist die Ver hesserun« des aus der USA.-Patentschrift 3 575 56" bekannten Verfahren. Diese Aufgabe wird durch du im kennzeichnenden Teil des Patentspruches i an »eszebene Erfindung gelöst.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug nahine uuf die Zeichnungen an Hand einer typischer Ausgestaltung erläii-ert. Es bedeuten

Fi g. 1 a und 1 b sind Schnittbilder und zeigen eii konventionelles elektrisches Schlacke-Schweißverfah reu unter Benutzung von zwei plattenförmigen Elck troden verschiedener Breite;

Fig. 2a und 2b sind Schnittbilder der geschweißten Zonen, wie man sie bei einer Anordnung nach den Fi g. 1 u bzw. 1 b erhält:

F-" i iz. 3 ist ein Diagramm und zeigt den Zusammenhang zwischen der Elektrodenbreite bzw. der Breite des Basismetalls und dem Grad der Eindringtiefe ii das Basismetall bei dem in den Fig. la und 1 b gezeigten Schweißverfahren;

F i ». 4 ist ein Schnittbild und /cig!: die Eindringtiefe in das Basismetall;

F i g. 5 ist ein vertikales Schniltbik! und zeigt ein herkömmliches Schlacke-Schweißverfahren unter Benutzung einer dreigeteilten plattenförmigen I-.lektmde

F-'ig. h zeigt einen Querschnitt. d:r entlang der Linie VIb-VIb innerhalb der F i g. 5 aufgenommen wurde;

F i g. 7 ist ein vertikales Schnittbikl und zeigt eine Ausgestaltung des crfindungsgcmäßcn Schweißverfahrens:

F i g. 8 ist ein Querschnitt, der entlang der Linie VIII b-VIIIb in der F i g. 7 aufgenommen wurde;

F i g. 9 ist die graphische Darstellung eines Oszillogramms der zeitlichen Verläufe der Stromstärken bei Anwendung des in den F i g. 7 und <S gezeigten erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 10 ist ein Diagramm und zeigt den Zusammenhang zwischen der Dicke des minieren Elcktrodcnabschnittes und die Eindringticfc in das Basismetall bei Anwendung des crfindungügemäßen Verfahrens;

Fig. 11 ist ein Diagramm und zeigt den Zusammenhang zwischen der Dicke des mittleren Elektrodenabschnittcs und dem Stromintcgral-Verhältnis bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung, wie sie in den F i g. 7 und 8 gezeigt ist.

Die Fig. la und 1 b dienen der Erläuterung des konventionellen Elektroschlacke-Schweißverfahrens unter Benutzung von zwei plattenförmigen Elektroden verschiedener Breite.

In F i g. 1 a sind sowohl die Dicke des Basisnn'tJills als auch die Längenausdehnung des Sehweißspaltes relativ klein, und es wurde eine Stabelektrode entsprechend geringer Breite benutzt. Demgegenüber ist das Basismetail in Fig. Ib relativ breit, und dementsprechend wurde eine Elektrode mit größerer Breite benutzt.

In beiden Fällen wurde eine plattenförmigen Elektrode 3 von rechteckigem Querschnitt in den Spalt eingeführt, der zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der Basismetalle la und Ib gebildet ist. deren sich gegenüberliegende Kanten einen geeigneten Schweißspalt bilden, wobei die einander gegenüberliegenden Enden des Spaltes durch Seitenstreifen aus dem gleichen Material wie das zu verschweißende Basismetnil oder wassergekühlte Kupferschuhe la end 2 ft abgeschlossen sind. Die Verschweißung *urde hier in der üblichen Art durchgeführt.

In den gezeigten Fällen verändert sich die Ciriindeindringtiefc in die Basismetalle 1 a > nd 1 h in Ah-Bangigkeit der Breite W der Plattenelektrode 3, wie es in Fig. 2a oder 2b gezeigt ist. So ergibt die in Fig. la gezeigte Anordnung das in F i g. 2 a gezeigte Ergebnis, wobei die Breite des niedergeschlagenen Metalls 4 in der Mitte oder dem Zentralbereich der Klektrode 3 ein Maximum zeigt und zu den Enden liin allmählich abnimmt. In Fig. 2a, welche der in Fig. 1 a gezeigten Anordnung entspricht, zeigt die Breite des niedergeschlagenen Metalls im MiHeI-'lereich der Elektrode 3 ein Minimum und erreicht zu den beiden Enden der Verbindungslinie hin jeweils ein Maximum.

Diese Tendenzen können quantitativ dargestellt werden, wie in Fig. 3 gezeigt. In dieser Figur ist die Elektrodenbreitc W bzw. die Breite des Basismctalls als Ahszisse dargestellt und ein Verhältnis Q₁ Q₁ ■entsprechend der in F i g. 4 erfolgten Definition als Ordinate aufgetragen. In Fig. 4 ist Q,, womit die Eindringtiefe in der Mitte der Schweißlinie bezeichnet sein soll, durch folgende Formel bestimmt:

Qr- 1/2 (a,. b),

wobei Ci₁ die Breite des niedergeschlagenen Metalls ist und b der ursprüngliche Abstand zwischen den Basismetallcn \a und \b entsprechend der Fig. 1. Die Große Q₁.-, womit die Eindringtiefc im Bereich zwischen der Mitte und den Enden der Elektrode definiert sei. bestimmt sich durch die folgende Formel:

Q_l:=\l2(a_r-b),

wobei «_/; als Breite des niedergeschlagenen Metalls und b wie oben definiert ist.

Die Ergebnisse des Verschweißen mit einer Einzelelektrode sind durch die Kurve A in Fig. 3 dargestellt, während die Ergebnisse mit einer »dreigeteilten Elektrode«, wie sie im folgenden beschrieben wird, durch die Kurve B dargestellt sind.

Um diese Daten zu gewinnen, erfolgten Schweißversuche unier Bedingungen, die nun beschrieben werden. Es wurde eine Wechsclspannungs-Quelle mit abnehmender Charakteristik benutzt, und die Plattendicke der elektroden betrug 12 mm. Die benutzte Schlacke ist \ ckannt. Die Stromstärke betrug 3600 Ampere; die Schweißspannung betrug 40 Volt, und die Abbrandtiefc betrug 30 mm.

Im Falle des Verschweißens mit einer Einzelelekirodc, wie durch die Kurvet in Fig. 3 dargestellt, ist das Verhältnis QjQn kleiner als eins, wobei die Elektrode eine Breite von 300 mm oder mehr hat. Mit anderen Worten wird der Betrag der Eindringliefe Q₁ in den Basismetallen la und Ib im Mittelbereich der Elektrode 3 kleiner als der Betrag d^r Eindringtiefc Q_/; unweit der Enden. Bei einer Elektrodendicke von 750 mm wird das Verhältnis Q(IQi zu Null oder Q_(: = 0, was anzeigt, daß im Mittelbereich der Elektrode 3 eine unzulängliche Verschmelzung entsteht. Bei diesem Verfahren wurden 750 mm breite Werkslücke la und Ib unter Benutzung einer 750 mm breiten Elektrode 3 verschweißt, und man erhält eine Verschweißungszonc, wie sie als Ausschnitt in der Macrodarstellung der F i g. 5 gezeigt ist. An den Mittelbereichen der Basismetalle 1 α und I ft. die dem Mittelhercich der Elektrode 3 geiiirnüherliegen, kann eine unzulängliche Verschmelzung beobachtet werden.

Ein Beispiel des Schweiß"erfahrens nach der I)S-PS 3 575 567 zeigen die F i g. 5 und 6. welche die Zusammenhänge für die Basismeialle 11« und 11 /'. die eine Stärke von 750 mm haben, bei Benutzung einer dreigeteilten Elektrode, die aus den Abschnitien 12«, Mb und 12c besteht, zeigen. Wie speziell aus der F i g. 5 zu sehen ist. sind die 750 mm breiten Basismetalle 11« und IXb mit ihren benachbarten Kanten so zusammengefügt, daß sie einen Spalt ' on 35 mm zwischen sich bilden, und die Abschnitte 12«, Mb und 12c der plattenförmigen Elektrode sind in den von den Basismetallen gebildeten Schweißspalt eingefügt. Weiterhin wird der Schweißspalt durch die Seitenstreifen 13a und 13/) begrenzt, die an sich gegenüberliegenden Seiten der Basismetalle 11a und 11Λ angelegt sind. Der Schweißstroni wird von einer Energiequelle 14 an die Plattenelektrode und an die Basismetalle geliefert, so daß die ckirch den Widerstand des geschmolzenen Abbrandes 15 erzeugte Wärme sowohl die angrenzenden Bereich-: der Basismetalle 11 α und 11 b als auch die Elektrodenabschnitte 12«, Mb und 12r zu schmelzen vermag, wodurch ihre Verschmelzung als Schweißstahl resultiert. In F i g. 5 ist das geschmolzene Metall mit 16 bezeichnet, und das fest gewordene niedergeschlagene Metall ist mit 17 bezeichnet.

Da die Basismetalle 11a und 11 h die gleiche Breite von 750 mm aufweisen, haben die Elektrodenabschnitte 12«, Mb und 12c jeweils eine Breite vor ungefähr 243 rnm. Die übrigen Schweißbedingungcr waren die gleichen, wie sie oben für die F i c. Ii bis 4 beschrieben wurden. Es sei bemerkt, daß dit Eindringtiefe in den Mittelabschnittc/i der Basis metalle 11« und lift größer ist und daß eine ge sundc Schweißzone ohne irgendwelche unzuläng liehen Verschmelzungen erhalten wurde. Dcnnocl ist dieses Verfahren nicht frei von Mangeln.

Bei dieser Verschweißung, die mit einer dreigeteil ten Elektrode entsprechend der lehre der US-PI 3 575 567 durchgeführt wurde, betrug das Verhältni der durchschnittlichen Eindringtiefc Q₁- in den Mit tclabschnittcn der Basismetalle zu der durchschnitt lichen Eindringtiefe Q_r in den Bereichen unweit de beiden Enden der Basismetalle QJQ^ 0,84. Som war die Eindringtiefe im Mittelbereich der Basif metalle etwas geringer als in den Bereichen unvve der Enden. Dieser Fehler zeigt sich deutlicher wen die Dicke der Basismetallc ansteigt, wie sich aus d< in Fig. 3 dargestellten Kurve B ergibt, und kan

bis zu einer ungenügenden Verschmelzung im Mittelbereich der Basismctaile zunehmen.

Die Gründung ist an Hand einer bevorzugten Ausgestaltung in den Fig. 7 bis 11 dargestellt. Unter spezieller Bezugnahme auf die F i g. 7 und 8 sind die Basismetalle 21 α und 21 ft, welche je eine Breite von 750 mm haben, mit ihren benachbarten Kanten derart zusammengefügt, daß sich zwischen ihnen ein Schweißspalt von 35 mm aufspannt. Eine plattenförmige Elektrode, welche in drei gleiche Teilbereiche 23«. 23Λ und 23c aufgeteilt ist. ist in den von den Basismetallen 21a und 21 ft sowie den Seitenstreifen 22« und 22/' aufgespannten Schweißspalt eingeführt. Jeder der Elektrodenabschnitte 23«. 23/) und 23 < hat eine Breite von etwa 243 mm. und der Abstand zwischen denselben beträgt 10 mm. Die plattenförmigen Elektrodenabschnitte 23«. 23/) und 23c vereinigen sich in ihren oberen Bereichen zu einem vereinigten Stück und sind gemeinsam mit der einen Anschlußklemme einer Schwcißenergiequclle 24 verbunden, deren anderer Anschlußpunkt mit den Basismctallen verbunden ist. Der geschmolzene Abbrand, der infolge seines Widerstandes gegen den Schweißstrom Wärme erzeugt, ist mit 25 bezeichnet, das geschmolzene Metall ist mit 26 bezeichnet, und das verfestigte Schweißmctall ist mit 27 bezeichnet.

Die Plattendicke der Elektrodenabschnitte 23a, 23/) und 23r ist in Fig. 8 dargestellt, aus welcher man erkennt, daß die Elektrodenabschnitte 23« und 23r die gleiche Dicke von I₁ ~ 12 mm haben, während der Abschnitt 23 ft eine Dicke von L₂ ■- 16 mm aufweist. Hierbei steigt die Größe der Eindringtiefc auf die Mittelabschnitte der Basismetalle 21 α und 21 ft zu an. so daß an den Mittelabschnitten des Basismetalls keine Möglichkeit einer unzulänglichen Verschmelzung besteht.

Durch Versuche, bei welchen die Plattendicke f. der Elektrodenabschnitte 23 a und 23 c konstant auf 12 mm gehalten wurde, während die Dicke des mittleren Elektrodenabschnittes 23 b von 12 mm auf 14 mm und 16 mm variiert wurde, wurde das Ver hältnis der Eindringtiefe Q_c des mittleren Abschnittes der Basismetalle zu der Eindringtiefe Q₁ der Endabschnitte oder Q(¹Qf bestimmt. Die gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 10 graphisch dargestellt, aus welcher man erkennt, daß das Verhältnis Q_tJQ_v 0.84 beträgt und die Eindringtiefe in den Mittelabschnitten der Basismetalle abnimmt, wenn die Plattendicke i, der Elektrodenabschnitte 23 α und 23 c 12 mm und die Dicke f₂ der Mittelelektrode 23 b ebenfalls 12 mm beträgt. Wenn die Dicke f., der Mittelelektrode 23 b 14 mm beträgt und somii größer ist als bei den benachbarten Elektrodenabschnitten 23 a und 23 c. beträgt das Verhältnis QqIQf. = 1-25. In ähnlicher Weise ergibt sich Q_CIQ_E = 2,50, wenn die Dicke f., des Elektrodenabschnittes 23 b 16 mm beträgt.

Somit zeigt sich, daß die Eindringtiefe in den Mittelabschnitt der Basismetalle ansteigt, wenn die Dicke des Elektrodenabschnittes 23 b, der den Mittelbereichen der Basismetalle gegenüberliegt, diejenige der benachbarten Elektrodenabschnitte 23 a und 23 c übersteigt, wodurch die Gefahr einer unzulänglichen Verschmelzung ausgeschlossen wird, wie bereits dargelegt.

Der Dickenunterschied zwischen den gleich dicken Elektrodenabschnitten 23a und 23 c einerseits und dem Elektrodenabschnitt 23 ft andererseits beträgt vorzugsweise etwa 2 bis 4 mm. Ein Unterschied außerhalb dieses Bereiches ist nicht empfehlenswert, da sich sonst an dem dickeren Elcktrodcnabschnitl 23ft eine erhöhte Eindringtiefc bildet gegenüber einer verringerten Eindringtiefe an den dünneren Elektrodenabschnitten 23a und 23c. Auch beträgt die geeignete Breite, über welche die Dicke des Elektrodenbereiches 23ft gesteigert sein kann, zwischen

ίο der Hälfte und einem Sechstel der Gesamtbreite der Elektrodenabschnitte 23a, 23ft und 23c, die in dem hier gezeigten Beispiel 750 mm betrug.

Die in F i g. V dargestellten Oszillogrammt: veranschaulichen die zeitliche Änderung der durch die Elektrodenabschnitte 23«, 23ft und 23c fließenden Ströme entsprechend der dargestellten Ausgestaltung. Da die Elektrodenabschnitte miteinander kurzgeschlossen sind, ist die Gesamtstärke der in einem bestimmten Zeitabschnitt durch sie fließenden Ströme in Form eines verbundenen Stromes zumeis! konstant. Die dargestellten Ströme sind den Elcüiodenabschnitten 23a. 23ft und 23c zugeordnet. Die zeitlichen Änderungen dieser Ströme wurden experimentell bestimmt, wobei die beiden Elektrodenabschnitte

»5 23« und 23c die gleiche Dicke von /, 12 mm hatten und die Mittelclektrode 23 ft eine Dicke 1, von 12. 14 und 16 mm hatte. Ftrncr wurde auf der Basis dieser Ergebnisse das Verhältnis der Stromintegrille, niimlich des über der Zeit integrierten Stromes in

der Mittelabschnitt-Elcktrode 23ft zu dem Mittelwert der Strom-Zek-Gesamtsummc in den beiden Seitenelektroden gefunden. Der Zusammenhang zwischen diesen beiden Faktoren ist graphisch in Fig 11 dargestellt.

Wenn die durch die Elektrodenabschnitte 23«. 23 ft bzw. 23 c fließenden Ströme /a(/), fh{t) und fc(i) sind, so betragen die Strom-Zcit-Gesamtsummer in diesen Elektroden

fl«U)dt.f!b(t)dt,flc(t)dt,

und das Verhältnis der Stromintegralc bestimmt siel· aus folgender Formel:

ffb(t)dt
//affldf-f J7c(f)di

Aus dieser Formel und ebenso aus F i g. 11 erkenn man. daß das Verhältnis der Stromintegrale ansteigt wenn die Plattendicke /₂ der Mittelabschnitt-Elek trode 23 ft ansteigt. Dieses Verhältnis beträgt 1,0 wenn t₂ gleich 13,9 mm beträgt. Außerhalb diese: Wertes übersteigt die Strom-Zeit-Gesamtsumme de Mittelelektrode 23 b diejenige der benachbartei Elektrodenabschnitte 23 a und 23 c, so daß die Ein dringtiefe im Mittelabschnitt der Basismetalle be einer weiteren Steigerung der Dicke des Elektroden

abschnittes 23 ft ansteigt, wie schon bemerkt wurde

So ergibt sich eine erhöhte Eindringtiefe im Mit

telabschnitt der Basismetalle, wodurch das elek

trische Schlacke-Schweißverfahren in idealer Weis< ausführbar wird, ohne das Auftreten irgendwelche unzulänglicher Verschmelzungen im Mittelbereici der Basismetalle befürchten zu müssen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   ]. Elektroschlacke-Schweißverfahren unter Verwendung wenigstens einer plattenförmigen Elektrode, die in den Schweißspalt zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen der miteinander zu verschweißenden Basismetalle eingeführt und schließlich Bestandteil der Schweißstelle wird, dadurch gekennzeichnet, daß man jede Elektrode wenigstens in dem durch den Schweißvorgang aufzubrauchenden Längenbereich -.n mehrere im wesentlichen gleich breite, einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisende Abschnitte aufteilt und dem Mittelabschnitt der Elektrodenbreite eine Materialdicke gibt, weiche diejenige in den .Seitenabschnitten übersteigt und alle diese Abschnitte gemeinsam mit dem gleichen elektroden Anschlußpunkt einer Schweißcncrgicqucllc verbindet. ao
2. 2. Schweißverfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß man den durch den Schweißvorgang aufzubrauchenden Längen bereich der Elektroden in drei im wesentlichen gleich breite und einen gegenseitigen Abstand voneinander aufweisende Abschnitte aufteilt und dem Mitlelabschnitt eine Materialdieke gibt, welche diejenige der beiden Außenabschnitte übersteigt.
3. 3. Schweibverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Seitenabschnitten der Elektrode eine iinleieinander gleiche Materialdicke gibt.
4. 4. Schweißverfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß man dem Mittelabschnitt der Elektrode eine Materialdieke gibt, welche diejenige der Seitenabschnitte um etwa 2 bis 4 mm übersteigt.
5. 5. Schweißverfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß man die Breite des Mittclahschnittcs der Elektroden auf ungefähr die Hälfte bis /11 einem Sechstel der Elektroden-Ciesamtbrcite bemißt.