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Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweißen Die
erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweißen unter Sch1ltzgas
mit entlang einer geschlossenen Nahtkontur magnetlisch abgelenktem Lichtbogen.
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Einen weiteren Gegenstand der erfindung bildet eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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Die Möglichkeit, einer Schweißlichtbogen durch ein transversales
Magnetfeld abzulenken, wird heute bereits in der Produktion zur Herstellung geschlossener
Schweißnahtkonturen benützt. Es handelt sich dabei im allgemeinen um kreisförmige
Nähte, die dadurch entstehen, daß ein Schweißlichtbogen entweder zwisehen zwei Werstücken,
oder zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und den Werkstücken gezündet
wird, durch ein transversales Magnetgleichfeld in Rotationsbewegung senkrecht zum
tTegnetfeld und von lichtbogen versetzt wird und auf diese Weise das zu verschweidende
Grundmaterial aufgeschmolzen wird. Goweit bekarjft werden hierbei hohe Lichtbogenströme
(größer 10³ A) von kurzer sauer (oft eniger als 1 sec.) und hohe magnetische Feldstärken
benützt. Es ergeben sich dabei hohe Lichtbogenrotationsgeschwindigkeiten, so daß
vielfach vom gleichzeitigen Brennen des nicht
bogene entlang der
Nahtkontur gesprochen wird. Noch geschwindigkeitsfilmaufnahmen haben jedoch bei
einigen Verfahren gezeigt, daß deroptisch ls gleichzeitig erscheinende Lichtbogen
aus einer Serie von Einzellichtbögen besteht, die erlöschen und neu gezündet rotieren.
die Verfahren ähnlen daher häufig einer Abbrennstumpfschweißung, da ein teilweises
Verspritzen des Schweißgutes eintritt. Vielfach kann bei diesen Verfahren eine einwandfreie
Verschweißung nur dadurch erzielt werden, daß bei cn den rot rotierenden Lichtbogen
in flüssigen Zustand gehrechte Werkstückender durch Zusammenstauchen verbunden werden.
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Das Verfahren, das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt,
geht von der Erfindung aus, daß eine Schweißvorgang durch die aterialkerrziffern,
wie Wärmeleitung und Ersterrungsgeschwindigkeit gewisse Grezen gesetzt sind. Bei
Nichteinhaltung der den Materialkennziffern angepaßten Nachteißparametern kann es
zu Störungen in der Ausbildung und Erstarrung des Schmelzbades kommen.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art
die Geschwindigkeit des Lichtbogens zumindest beim Aufschmelzvorgang in der Grezen
von etwa 10 - 50, vorzugsweise 10 - 30 mm/sec, gehalten. Im Bereiche der obersten
Geschwindigkeitsgrenze von etwa 50 mm/sec, können Nahtdefekte wie Poren entstehen,
während bei weiterer Steigerung der Lichtbogenrotationsgeschwindigkeit bei gegebenem
Stromstärkerbereich überhaupt keine Aufschmelzung erfolgt. Ist jedoch durch den
Aufschmelzvorgang ein Schmelzbei bereits geschaffen worden, kann die von der Schweißstromstärke,
der Lichtbogenlänge , der Größe des Schmelstades, vom Schutzgas und von der ablenkenden
Magnetfeldstärke abhängige Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens gesteigert
werden,
vorzusweise aber nicht über 100 mm/ sec.
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Andererseits ist die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens von
großen Einfluß auf das Werhalten der Elektrode, wenn sie eine der Schweißnaht angepaßte
vontfir, z. D kreisförmige, besitzt. as Abachmelzverhalten einer abschmelzenden
Elektrode ist deben der Wandstärke und der Wärmeleitung auch von der Rotationsgesohwindigkeit
entlang dieser Elektrode bestimmt. Im allgemeinen golt, daß für nicht abschmelzende
Elektrodentypen eine möglichst schnelle Lichtbogenrotation für die Gleichmäßigkeit
dersekben günstiger sit. Bei nicht abschmelzend Elektroden (z. B.
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aus Wolfram) sind hohe Rotationsgeschwindigkeiten wegen des Temperaturverhaltens
des ..olfrems für die Lebensdauer der elektrode günstiger als langsame rotationen
Dies ergibt sich aus der schlechten Verformbarkeit des Folframs im Temperatuebereich
unterhalb 500°C. gegenübersteht und zu einer Ermüdung und einem Rigwerden der Wolframspitze
führt.si Fine lange haltbarkeit der elektroden und damit eine wirts haftliche Durchführung
der Schweißungen ist daher nur möglich, wenn während des mehrmaligen Umlaufes des
Lichtbogens um die Elektrode die empfindliche Elektrodenspitze keiner großen Temperaturschwankungen
ausgesetzt ist, und wern während der unvermeidlichen Abkühlungszeiten die Abkühlung
der Elektrode langsam ohne Zutritt der Atmosphäre erfolgt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei Verwendung nicht
abschmelzender Elektroden die Temperatur im sich verjüngenden Teil der Elektrode
während des Schweißvorganges in einer Grenzbereich zwischen 4 - 900°C, vorzugsweise
600 - 7000C gehalten.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf nicht abschmelzende Elektroden
beschränkt, vielmehr können auch abschmelzende elektroden verwendet werden.
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Zur Durchfiihrung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung
vorgeschlagen, bei welcher erfindungsgemäß Einrichtungen zur Erzielung einer ann@hernd
homogenen T;agnetverteilung in der Zone des Lichtbogens, sowie Einrichtungen zur
stufenlosen Regelbarkeit der Magnetfeldstärke vorgesehen sind. Durch diese Vorrichtung
läßt sich die echwierinkeit der erzielung gleichmäfliger Rotation bei langsamer
I?otationsgesChwinir!keit beherrschen. Durch die stufenlose Pegelbarkeit der Magnetdfeldstärken
und Lichtbogenlängen sowie bei verschiedenen :chutzgasen die Rotationsgeschwindigkeit
auf den optimalen Wert eingestellt werden.
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Weitere Einzelheiten der Frfindung werden anhand der Zeichnung erläutert,
in welcher im Längsschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
für den Sonderfall der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Verfahrensprinzipien
bei einer Rohr-Rohrplattenschweißung mit Wolframzylinderelektroden dargestellt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Wolframzylinderelektrode
1 mit einem verjüngt auslaufenden Ende 2 auf, die austauschbar in einem Elektrodenhalter
3 aus Kupfer befestigt ist, der seinerseits durch einen Isolierteil 4 in einem Polschuh
5 zentrisch gehalten wird, der von einem aus einer Serie von Permanentmagnetstäben
6 gebildeten Zylindermantel fortgesetzt ist, welcher oben einen Abdeckteil 7 aufweist.
An der Außenseite des Permanentma;;netzylinders sind einzelne ferritische Brücken
8 verteilt angeordnet,
die aber allch entfallen oder durch einen
teilweise über die Permanentmagnetstäbe überschobenen Zylinder ersetzt sein können.
lurch diene Brücken 8, den ylinder oder andere Maßnahmen wird ein Mebenschluß gebildet.
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Ein die Elektrode 1 durchsetzender Zentralstift 9 ist außerhalb derselben
von einem Tsolierzyliner 10 geführt und im Abdeckteil 7 verschiebbsr gehalten.
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Der Isolierzylinder 10 ist vom iektrodenhalter 3 gehalten.
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Stromzufuhr über eine Klemme 11 und Schutzgaszufuhr, welche durch
pfeil 12 angedeutet ist, erfolgen im vorlieenden Falle durch ein geben den magnet
mantel bzw. den Abdeckteil 7 durch Teil 13 isoliertes Kupferrohr 14 zum Flektrodenhalter
3. Der Innenraum des Elektrodenhalters 3 bildet um den Tsolierzylinder 10 herum
eine Ringkammer 15, aus welcher im Boden 17 des Halters 3 Bohrungen 16 zur Schweißzone
führen, welche wie in den österreichischen Patenten Nr. 300.515 und (A 4983/71)
näher beschrieben, durch flexible, isolierende und hitzebeständige Abdichtelemente
18, 19 abgedichtet ist.
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Die Vorrichtvrng, auc: pistole genaiint, steht auf isolierenden Füßen
20. Schließlich ist ein toPr 21 zur Zufuhr von Kühlwasser vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet in folgender Weise: Zu
verschmelzen ist eine Nahtfuge 22, die zwischen einer Rohrplatte 24 und eine in
diese eingesetzten Rohr 23 gebildet ist. Von der dieser Nahtfuge 22 gegenüberstehenden
Wolramzylinderelektrode 1 wird mittels Hochfrequenz ein Schweißlichtbogen 25 gezündet.
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Das senkrecht auf den Lichtbogen stellende 1fagnetfeld wird zwischen
den ferritischen Zentralstift 9 und dem
konusförmigen äußerem Polschuh
5 durch die Permanentmagnetstäbe 6 und durch den oberen Abdeckteil 7 erzeugt, die
eine nia netis-hen Schluß zum Zentralstift herstellen. Die Erzeugung des Magnetfeldes
durch. die am äußerem Umfang des magnetischen Kreises angeordneten Permanentmagnete
bewirkt eine weitgehend homogene Feldverteilung im Luftspalt zwischen Polschuh 5
und Zentralstift 9, so daß unvermeidliche Exzentrizitäten in der Anordnung von Elektrode
1, Zentralstift 9 und Polschuh 5 ohne Einfluß auf die Magnetfeldstärke in der Lichtbogenzone
bleiben. Außerdem kann bei Vorhandensein den. magnetischen Nebenschlusses 18 eine
Einstellung des Magnetflusses in der Lichtbogenzone erfolen.
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Eine weitere empfindliche Regelmöglickeit fur die Magnetfeldstärke
besteht in der exielen Verschiebbsrkeit des Zentralstiftes 9. Je weiter fer uer.-treistift
aus der Lichtbogenzore zurückgezogen wird, umso geringer wird die Feldstärke in
der Lichbogenzone.
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Eine dritte Möglichkeit der Regelung der Magnetfeldstärke ohne mechanische
Veränderungen am Magnetkreis besteht in der Aufbringung einer Ge0r-enerre gung durch
eine stromdurchflossene spule, die sowohl um den Außenmantel angeordnet sein kann,
oder vorzugsweise,wie in der Zeichnung angedeutet, als Spule 26 den Zentrierstift
9 umfaßt. Die Methode, das gewünschte Magnetfeld durch die elektromagnetische Reduzierung
eines hohen Permanentfeldes einzusteilen, brIngt den Vorteil, daß die Regelung des
Feldes praktisch hysteresisfrei möglich wird. Die Spule kann in vereinfachter Ausführunö
als Hochstromspule vom Schweißstrom durchflossen sein, wobei ihr Feld dem Feld der
Permanentmagnete entgegengepolt ist. Die Abregelung des
Schweißstromes
am ende des Schweißvorganges bedingt dann automatisch die Eröhnung der Felestörke.
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Das Schutzgas wird durch das Innere des Rohres lt; der Ringkammer
15 und aus dieser durch die Bohrung 16 der Schweißzone zugeführt.
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Die Elektrode ist im wesentlichen durch das an ihr vorbeistämende
Schutzges gekühlt. Um im Dauerbetrieb eine unzulässige Erwärmung der spule 26, Elektrodenhelte
3 und der Permanentmagnete 6 zu verhindern, werden diese zeile in bekannter weise
durch Wasser oder Gane gekühlt, welches durch das Rohr 21 strömt.
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Für die erzielung einer hochqualitativen Naht ist eine hersimmte
Rotationsgeschwindigkeit und damit je nach Lichtbogenlänge, Stromstärke und Schutzgas
eine bestimmte Magnetfeldstärke in der Lichtbogenzone erforderlich. Um jedoch Nschtdefekte,
wie Endkrater am Ende des Schweißvorganges, zu vermeiden, muß die Magnetfeldstärke
erhöht werden, um bei abgesenktem. Schweißstrom die rotation a frecht erhalten zu
können. Dies kann auf elektrischem Wege hyatersisfrei dadurch erzielt werden, daß
die höhere für den Abschaltvorgang erforderliche Felstärke durch Justierung der
Magnetnebenschlüsse 8 oder des Zentr lstiftes 9 eirgestellt wird, und die fiir den
Schweißvorgang notwendige kleinere veldsterke durch entsprechende Gleichstrom-Erregung
der Gegenfeldspule 26 erzielt wird. Durch Abregelung des Gegenfeldes erhält man
die ursprünglich eingestellte höhere Feldstarke.
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Nach Beendigung des Schweißvorganges wird die Schutzgaszufuhrt weitgehend
gedrosselt um eine zu schnelle Abkühlung der elektrode zu verhindern. Die Abdichtelemente
18 und 19 habe:: hier zusätzlich zu den in den Patenten, auf welche oben Bezu- genommen
wurde, festgehaltenen Vorteiler. die Aufgabe, eine fast stagnierende
Schutzgashülle
um die Elektrode Zu erhalten, um einerseits ein zu schroffes Abkühlen und andererseits
den Zutritt der Atmosphäre zur noch heißen Elektrode zu verhindern. zirka die Gegenfeldspule
anstelle von Gleichstrom mit pulsierendem Gleichstrom oder mit Welchselstrom beaufschlagt,
bewir5kt dies eine periodische lTeränder.ng-der Rotationsgeschwindigkeit. Dies kann
einerseits zur Erzielung ähnlicher wffekte-wie bei der Impulslichtbogenschweißung
und andererseits zur Überwindung bereits vorhandener wehlstellen (Riose) an der
Elektrodenkante ausgenützt werden.
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Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen
vorgenommen werden. So ist beispielsweise möglich, die gleichen Vorrichtungsprinzipien
an andere Anwendunen, z. B. abschmelzende Elektroden, der Rohrstumpfnahtschweißung
von außen und von innen sowie für beliebige in sich geschlossene Nahtformen anzupassen,