DE2339552C3

DE2339552C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von mittels großer Wärmezufuhr erzeugter Schweißungen

Info

Publication number: DE2339552C3
Application number: DE2339552A
Authority: DE
Inventors: Fernando Pomezia Caldarelli
Original assignee: CENTRO SPERIMENTALE METALLURGICO SpA 00129 ROMA IT
Current assignee: CENTRO SPERIMENTALE METALLURGICO SpA 00129 ROMA IT
Priority date: 1972-08-07
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1981-09-24
Also published as: FR2195503A1; CA988333A; JPS4945856A; SE413636B; DE2339552A1; JPS5129991B2; IT961901B; CS189614B2; GB1441302A; DE2339552B2; NO142610B; US3948428A; NO142610C; FR2195503B1; BE802892A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von milieis großer Wärmezu* fuhr erzeugter Schweißungen unter Zufuhr von Kühlwasser und gleichzeitiger Zufuhr von Gas zum Abschirmen des Kühlwassers gegen das Schweißbad sowie unter Abfuhr des verdampften Kühlwassers.
Schweißverfahren mit großer Wärmezufuhr wie Elektro-Schlacken-, Elektro-Gas-, Lichtbogenschweißung mit abgedeckten Lichtbogen, Schweißungen mit mehreren Elektroden usw. sind bekanntlich für die Erzielung großer Leistungen von Vorteil und werden

ίο insbesondere zum Verschweißen von Teilen sehr großer Dicke verwendet Ihrer Anwendung in größerem Umfang stehen jedoch sowohl die hohe Wärmezufuhr rate (ca. 10^b Joule/cm bei Elektro-Schlacken-Schweißung und 50 mm dickem Stahlblech) als auch die große Masse des bei dem Prozeß verflüssigten Materials und dessen relativ niedrige Leitfähigkeit hindernd entgegen. In der Tal lassen sich nur sehr geringe Abkühlungsgeschwindigkeiten der Schweißung erreichen, die die Ausbildung einer ausgedehnten, thermisch veränderten Zone mit grobkörniger Struktur zur Folge haben, gekennzeichnet durch niedrige Bruchfestigkeit, geringe Dehnbarkeit und niedrige Streckgrenze. Es ist deshalb erforderlich, nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung vorzunehmen, die aufgrund der Abmessungen der Schweißkonstruktionen in den meisten Fällen sehr teuer und in manchen Fällen praktisch undurchführbar ist.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs beschriebenen Art bzw. einer hierfür geeigneten Vorrichtung (s. GB-PS 12 83491) wurde bereits das

so Problem der Gefügebeeinflussung durch das Kühlmittel erkannt. Deshalb wird dort zwischen das Schmelzbad und die diesem nachlaufende Kühlwasserzufuhr ein Schleier inerten Gases gelegt, der verhüten soll, daß der entstehende Dampf an bzw. in das Schmelzbad gelangen kann. Zum gleichen Zweck ist bei der bekannten Vorrichtung fakultativ, d. h. an Stelle des Gasschleiers, eine Absaugeinrichtung für das dem Schmelzbad nachlaufende Kühlwasser vorgesehen, die zusammen mit den Kühlwasserdüsen bewegt wird. Der

•ίο Nachteil dieses bekannten Verfahrens bzw. der zur Durchführung desselben vorgesehenen Vorrichtungen besieht darin, daß eine weitgehende oder vollständige Spannungsfreiheit der Schweißzone nicht erreicht werden kann. Denn die Düsen für das inerte Gas und das Kühlwasser sind in einem Schweißschuh in zwei Reihen so übereinander angeordnet, daß zwar zunächst durch das Gas der erzeugte Dampf nach unten geblasen wird, jedoch kurz darauf aufsteigt, die /u verschweißenden Teile umströmt und am oberen Teil der .Schweißplatte und der Elektrode kondensiert, wodurch er das Schmelzbad erreichen kann. Auch mit der vorgesehenen Absaugeinrichtung allein ist dem Problem nicht beizukommen, zumal hierbei wie auch bei der Bildung des Gasschleiers nicht vermieden werden kann, daß durch ein Verschieben der zu verschweißenden Teile relativ zueinander infolge der Kühlung sich der Spalt zwischen den Teilen durchaus verändern kann und dann die vorgesehenen Maßnahmen nicht mehr ausreichen Da die bekannten Kühlmaßnahmen nicht ausreichen.

Schweißkonstruktionen /u er/iclen. die ohne zusätzli ehe Wärmebehandlung weitgehend oder vollständig spannungsfrei sind, ist dort unbedingt eine thermische Nachbehandlung vorgesehen und unerläßlich,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, es zum Zwecke der nachbehandlungsfreien Herstellung von Schweißnähten bei deren Kühlung zu verhindern, daß Anteile des verdampften Kühlwassers aus der Kühlzone in die Schweißzonc gelangen können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kühlwasser mit der heißen Schweißung in einer allseitig von Gasstrahlen begrenzten Kühlzone in Berührung gebracht wird, wobei das Verhältnis zwischen der Erstreckung der Kühlzone quer zu der <i Schweißnaht und ihrer Erstreckung in Längsrichtung derselben 10 : 1 bis 1 :1 beträgt, und daß die Abfuhr des Dampfes sowie des nicht verdampften Kühlwassers und des Gases innerhalb der begrenzten Kühlzone erfolgt.

Die damit erzidbaren Vorteile bestehen vor allem in einer auf einen relativ kleinen Flächenbereich unterhalb der Schmelze beschränkten, allseits von Gasstrahlen begrenzten Kühlzone, durch die in äußerst wirksamer Weise ein Eintreten von Wasserdampf in die Schmelze verhindert werden kann. Durch die Begrenzung der π Kühlzone durch die Gasstrahlen besteht nicht mehr die Gefahr, daß Wasserdampf den Gleitschuh umströmen und von oben bzw. von der Seite her in die Schmelzzone eintreten kann. Es wird damit eine anschließende thermische Behandlung überflüssig, was solche Schwei-Düngen äußerst wirtschaftlich macht und es ermöglicht, daß das Elektro-Schlacke-Schweißen zur Herstellung großräumiger Schweißkonstruktionen, z. B. von Schiffsrumpfabschnitten, verwendet werden kann. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß gerade solche großen Konstruk- y> tionen einer thermischen Nachbehandlung nur mit erheblichem Aufwand unterzogen werden könnten. Somit läßt sich also eine Schweißung schneller, einfacher, störungsfreier und ohne negative Beeinflussung der Schhmelze durch Kühlwasserdampf ausführen, jo Zugleich hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, daß gerade durch eine Verringerung der der Wirkung des Kühlwassers ausgesetzten Fläche eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schweißung und die Möglichkeit, Risse und Lunker η sowie Restspannungen zu vermeiden, erzielbar ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Gas unter einem Winkel zwischen 15° und 50° auf die Schweißung aufgeblasen werden. Mit dieser Bestimmung der Kühlfläche kann die Kühlwirkung maßgeblich "erbessert werden.

In besonders vorteilhafter Weise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren ausführen. w;nn der bei der Kühlung entstandene Dampf und das nicht verdampfte Kühlwasser mittels des aufgeblasenen v> Gases von der Schweißung entfernt und abgeführt werden. Dieses Verfahren ist besonders wirtschaftlich, da das aufgeblasene Gas nicht nur der Begrenzung der Kühlzone, sondern gleichzeitig dem Abführen des Dampfes bzw. restlichen Kühlwassers dient. w

In besonders vorteilhafter Weise läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Vorrichtung durchführen, die in bekanrter Weise mindestens einen Gleitschuh, der Kühlwasserdüsen sowie Gasdüsen mm Abschirmen des Kühlwassers gegen das Schweißbad ■>■> aufweist, und ein«. Einrichtung /um Abführen des verdampften Kühlwassers umfaßt, wobei nach einer weiteren Ausbildung der F.rfindung die Gasdüsen allseitig eine Kühlzone begrenzen, deren Verhältnis zwischen der Frstfeckung qiier /ur Schweißnaht und fto ihrer F.rstreckung in Längsrichtung derselben 10:1 bis I : 1 beträgt und in der die Kühlwasserdusen sowie öffnungen zum Abführen des Dampfes und des nicht verdampften Kühlwassers sowie des Gases liegen. Mit einer solchen Vorrichtung läßt sich das Verfahren der Erfindung sehr wirtschaftlich Und effektiv ausführen.

Zweckmäßigerweise können die öffnungen zum Abführen des Dampfes und des nicht verdampften Kühlwassers sowie dei Gases aus einer Hauptöffnung und mehreren flankierenden Schlitzen bestehen, wobei in der Hauptöffnung mindestens eine Kühlwasserdüse vorgesehen ist Eine solche Ausbildung ermöglicht ein besonders wirksames Entfernen der Feuchtigkeit aus der Kühlzone.

Um eine Trennung des Dampfes und des Wassers von dem Schmelzbad der Schweißung in besonders sicherer Weise zu gewährleisten, sind nach einer anderen Ausbildung der Erfindung die Achsen der in mindestens einem Kranz angeordneten Gasdüsen unter einem Winkel zwischen 15° und 50° gegen die Hauptöffnung gerichtet

Nach einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hauptöffnung und die Schlitze mit einer im Inneren des Gleitschuhs befindlichen Kammer verbunden sind, die an ihrem oberen Ende mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht und mit ihrem unteren Ende an eine Saugleitung angeschlossen ist. So ist es möglich. Dampf und Wasser in genügendem Abstand von der Schweißung an die Atmosphäre abzugeben „-.d sicherzustellen, daß die Feuchtigkeit nicht erneut an du Schweißstelle gelangen kann.

in besonders vorteilhafter Weise kann man zur Durchführung des der Erfindung zugrunde liegenden Schweif Verfahrens zwei Gleitschuhe paarweise gegenüberliegend anordne,!, um Schweißen und Kühlen in jeder Beziehung wirtschaftlich und effektiv durchzuführen.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine dazu benutzte Vorrichtung werden im folgenden anhand eines in der schematischen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine axonomeirische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 eine Ansicht auf die der Schweißung zugewandte Fläche und

Fig. 3 einen Schnitt durch die SchweiBung uiid die während des Schweißens paarweise auf beiden Seiten der Schweißung angeordnete Vorrichtung gemäß Linie II-liderFig. 2.

Die Vorrichtung besteht aus einem Gleitschuh 1. der paarweise beiderseits der Schweißung so ζιτ Anwendung kommt, daß das Schmelzbad dazwischen eingeschlossen ist. Seine der Schweißung zugewandte Fläche hat eine Hauptöffnung 2, durch die eine Kühlwasserdüse 3 oder äquivalente Mittel reichen, mittels derer das in einer Zuführleitung 10 zugeführte Kühlwasser auf die heiße Oberfläche der Schweißung gespritzt wird, um diese zu kühlen.

Rings um die Hauptöffnung 2 herum sind Gasdüsen 4 angeordnet, von denen sich mindestens eine Reihe oder C'ruppe an der Oberkante der Hauptöffnung 2 befindet. Die Achsen der Gasdüsen 4 sind gegen die Hauptöffnung 2 selbst, und zwar unter einem Winkel zwischen W und 50° gegen die der Schweißung zugewandten Fläche geneigt. Durch diese Gasdüsen 4 wird ein Gas mit einem Druck von 2 bis 8 at. geblasen, das eine Sperre für das durch die Kühlwasserdüse 3 aufgespritzte Wasser und den von einem Teil desselben beim Auftreffen auf die heiße Schweißhahtzone gebildeten Dampf bildet. Der Dampf und das nicht verdampfte Wasser werden durch die Hauplöffnilng 2 und durch zwischen den Gasr'iisen 4 und der Hauptöffnung 2 parallel zu deren Seiten befindliche Schlitze 5 in den Gleitschuh 1 hinein geführt, nämlich in eine Kammer 6>,

die an ihrer Oberseite mittels einer Öffnung 11 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Aus dieser werden der Dampf und das Wasser durch eine Saugleitung 7 abgesogen.

Das Gas wird dem Gleitschuh 1 durch ein Rohr 8 zugeführt und mittels einer Verteilerleitung 9 auf die einzelnen Gasdüsen 4 verteilt. Die Gasdüsen 4 UmschlieBen eine der Kühlzone entsprechende Fläche, für die das Verhältnis ihrer Erstreckuhg qUer zu der Schweiöung zu ihrer Erslreckung in Längsrichtung im dargestellten Beispiel mit etwa 1,6 :1 innerhalb der von der Erfindung vorgesehenen Grenzen von 10 :1 bis 1 :1 Hegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Kühlen von mittels großer Wärmezufuhr erzeugter Schweißungen unter Zufuhr von Kühlwasser und gleichzeitiger Zufuhr von Gas zum Abschirmen des Kühlwassers gegen das Schweißbad sowie unter Abfuhr des verdampften Kühlwassers, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser mit der heißen Schweißung in einer allseitig von Gasstrahlen begrenzten Kühlzone in Berührung gebracht wird, wobei das Verhältnis zwischen der Erstreckung der Kühlzone quer zu der Schweißnaht und ihrer Erstreckung in Längsrichtung derselben 10:1 bis 1:1 beträgt, und daß die Abfuhr des Dampfes sowie des nicht verdampften Kühlwassers und des Gases innerhalb der begrenzten Kühlzone erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasstrahlen unter einem Winkel zwischen 15° und 50° auf die Schweißung aufgeblasen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Kühlung entstandene Dampf und das nicht verdampfte Kühlwasser mittels des aufgeblasenen Gases von der Schweißung entfernt und abgeführt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit mindestens einem Gleitschuh, der Kühlwasserdüsen sowie Gasdüsen zum Abschirmen des Kühlwassers gegen das Schweißbad aufweist, und mit einer Einrichtung zum Abführen des verdampften Kühlwassers, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdüsen (4) allseitig eine Kühlzone uegrenLdn, deren Verhältnis zwischen der Erstreckung quer zur Schweißnaht and ihrer Erstreckung in Längsrichti. ,g derselben 10:1 bis 1 :1 beträgt und in der die Kühlwasserdüsen (4) sowie öffnungen (2, 5) zum Abführen des Dampfes und des nicht verdampften Kühlwassers sowie des Gases liegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen zum Abführen des Dampfes und des nicht verdampften Kühlwassers sowie des Gases aus einer Hauptöffnung (2) und mehreren flankierenden Schlitzen (5) bestehen, wobei in der Hauptöffnung (2) mindestens eine Kühlwasserdüse (3) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der in mindestens einem Kranz angeordneten Gasdüsen (4) unter einem Winkel zwischen 15° und 50° gegen die Hauptöffnung (2) gerichtet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptöffnung (2) und die Schlitze (5) mit einer im Inneren des Gleitschuhs (1) befindlichen Kammer (6) verbunden sind, die an ihrem oberen Ende mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht und mit ihrem unteren Ende an eine Saugleitung (7) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gleitschuhe (1) paarweise gegenüberliegend angeordnet sind.