DE2339818B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweißen unter Schutzgas mit ent

lang einer geschlossenen Nahtkontur magnetisch be-

"SS wettSfiegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Möglichkeit, einen Schweißhchtbogen durch e,n transversales Magnetfeld abzulenken, w.rd heute bereits in der Produktion zur Herstellung geschlossener Schweißnahtkonturen benutzt. Es handelt sich dabei .m allgemeinen um kreisförmige Nähte, die dadurch entstehen, daß ein Schweißlichtbogen entweder zwischen zwei Werkstücken oder zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und den Werkstücken gezündet und durch ein transversales Magnetgle.chfeld in Rotationsbewegung senkrecht zum Magnetfeld und zum L.chtbogen versetzt wird, und daß auf diese Weise das zu verschweißende Grundmaterial aufgeschmolzen wird. Soweit bekannt, werden hierbei hohe Lichtbogenstrome (größer 10* A) von kurzer Dauer (oft weniger als 1 s) und hohe magnetische Feldstärken benutzt. Es ergeben sich dabei hohe Lichtbogenrotationsgeschwindigkeiten so daß vielfach vom gleichzeitigen Brennen des Lichtbogens entlang der Nahtkontur gesprochen wird Hochgeschwindigkeitsfilmaufnahmen haben jedoch bei einigen Verfahren gezeigt, daß der optisch als gleichzeitig e-scheinende Lichtbogen aus einer Serie von Einzellichtbögen besteht, die erlöschen und neu gezündet rotieren. Die Verfahren ähneln daher häufig einer Abbrennstumpfschweißung. da ein teilweise* Verspritzen des Schweißgutes eintritt. Vielfach kann bei diesen Verfahren eine einwandfreie Verschweißung nur dadurch erzielt werden, daß zwei durch den rotierenden Lichtbogen in flüssigen Zustand gebrachte Werkstückenden durch Zusammenstauchen verbunden wer-

Das Verfahren, das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt, geht von dei Erfahrung aus, daß einem Schweißvorgang durch die Materialkennziffern, wie Wärmeleitung und Erstarrungsgeschwindigkeit gewisse Grenzen gesetzt sind. Bei Nichteinhaltung der den Materialkennziffern angepaßten Schweißparameter kann es zu Störungen in der Ausbildung und Erstarrung des Schmelzbades kommen.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art die Geschwindigkeit des Lichtbogens zumindest beim Aufschmelzvorgang in den Grenzen von etwa 10 bis 50, vorzugsweise 10 bis 30 mm/s, gehalten. Im Bereich der obersten Geschwindigkeitsgrenze von etwa 50 mm/s können Nahtdefekte, wie Poren, entstehen, während bei weiterer Steigerung der Lichtbogenrotationsgeschwindigkeit bei gegebenem Stromstärkenbereich überhaupt keine Aufschmelzung erfolgt. 1st jedoch durch den Aufschmelzvorgang ein Schmelzbad bereits geschaffen worden, kann die von der Schweißstromstärke, der Lichtbogenlänge, der Größe des Schmelzbades, vom Schutzgas und von der ablenkenden Magnetfeldstärke abhängige Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens gesteigert werden, vorzugsweise aber nicht über 100 mm/s.

Andererseits ist die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens von großem Einfluß auf das Verhalten der Elektrode, wenn sie eine der Schweißnaht angepaßte Kontur, z. B. eine kreisförmige, besitzt. Das Abschmelzverhalten einer abschmelzenden Elektrode ist neben der Wandstärke und der Wärmeleitung auch von der Rotationsgeschwindigkeit entlang dieser Elektrode bestimmt. Im allgemeinen gilt, daß für nichtabschmelzende Elektroden eine möglichst schnelle Lichtbogenrotation für die Gleichmäßigkeit derselben günstiger ist. Bei

iiichtabschmelzenden Elektroden (ζ. Β. aus Wolfram) sind hohe Rotationsgeschwindigkeiten wegen des Tempei aturverhaltens des Wolframs für die Lebensdauer der Elektrode günstiger als langsame Rotationen. Dies ergibt sich aus der schlechten Verformbarkeit des Wolframs im Temperaturbereich unterhalb 500⁰C. Temperaturschwankungen der Elektrode verursachen beträchtlichi" Wärmespannungen, denen die schlechte Verformbarkeit unterhalb 50ö°C gegenübersteht, die zu einer Ermüdung und einem Rissigwerden der Wolframspitze führt

Eine lange Haltbarkeit der Elektroden und damit eine wirtschaftliche Durchführung der Schweißungen ist daher nur möglich, wenn während des mehrmaligen Umlaufes des Lichtbogens um die Elektrode die empfindliche Elektrodenspitze keinen großen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, und wenn während der unvermeidlichen Abkühlungszeiten die Abkühlung der Elektrode langsam ohne Zutritt der Atmosphäre ertolgt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird bei Verwendung nichtabschmelzender Elektroden die Temperatur im sich verjüngenden Teil der Elektrode während des Schweißvorganges in einem Grenzbereich zwischen 400 bis 900⁰C, vorzugsweise 600 bis 700⁰C, gehalten.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf nichtabschmelzende Elektroden beschränkt, vielmehr können auch abschmelzende Elektroden verwendet werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher Einrichtungen zur Erzielung einer annähernd homogenen Magnetverteilung in der Zone des Lichtbogens sowie Einrichtungen zur stufenlosen Einstellbarkeit der Magnetfeldstärke vorgesehen sind. Durch diese Vorrichtung läßt sich die Schwierigkeil der Erzielung gleichmäßiger Rotation bei langsamer Rotationsgeschwindigkeit beherrschen. Durch die stufenlose Verstellbarkeit der Magnetfeldstärken und Lichtbogenlängen sowie bei verschiedenen Schutzgasen kann die Rotationsgeschwindigkeit auf den optimalen Wert eingestellt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung erläutert, in welcher im Längsschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvor ohtung für den Sonderfall der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Verfahrensprinzipien bei einer Rohr-Rohrplattenschweißung mit Wolfram-Zylinderelektroden dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Wolframzylinder-Elektrode 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 Permanentmagnetzylinders sind einzelne ferritische Brücken 8 verteilt angeordnet, die aber auch entfallen oder durch einen teilweise über die Permanentmagnetstäbe überschobenen Zylinder ersetzt sein können. Durch diese Brücken 8, den Zylinder oder andere Maßnahmen wird ein Nebenschluß gebildet.

Ein die Elektrode 1 durchsetzender Zentralstift 9 ist außerhalb derselben von einem Isolierzylinder 10 geführt und im Abdeckteil 7 verschiebbar gehalten.

Der Isolierzylinder 10 ist vom Elektrodenhalter 3 gehalten.

Stromzufuhr über eine Klemme 11 und Schutzgaszufuhr, welche durch Pfeil 12 angedeutet ist, erfolgen im vorliegenden Falle durch ein gegen den Magnetmantel bzw. den Abdeckteil 7 durch Teil 13 isoliertes Kupferrohr 14 zum Elektrodenhalter 3. Der Innenraum des Elektrodenhalters 3 bildet um den Isolierzylinder 10 herum eine Ringkammer 15, aus weicher im Boden 17 des Halters 3 Bohrungen 16 zur Schweißzone führen, und welche, wie in den österreichischen Patenten 3 00 515 und 3 13 680 näher beschrieben, durch flexible, isolierende und hitzebeständige Abdichtelemente 18,19 abgedichtet ist.

Die Vorrichtung, auch Pistole genannt, steht auf isolierenden Füßen 20. Schließlich ist ein Rohr 21 zur Zufuhr von Kühlwasser vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet in folgender Weise:

Zu verschmelzen ist eine Nahtfuge 22, die zwischen einer Rohrplatte 24 und einem in diese eingesetzten Rohr 23 gebildet ist. Von der dieser Nahtfuge 22 gegenüberstehenden Wolframzylinderelektroden 1 wird mittels Hochfrequenz ein Schweißlichtbogen 25 gezündet. Das senkrecht auf dem Lichtbogen stehende Magnetfeld wird zwischen dem ferritischen Zentralstift 9 und dem konucförmigen äußeren Polschuh 5 durch die Permanentmagnetstäbe 6 und durch den oberen Abdeckteil 7 erzeugt, die einen magnetischen Schluß zum Zentralstift herstellen. Die Erzeugung des Magnetfeldes durch die am äußeren 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 der magnetischen Nebenschlußbrücke 8 eine Einstellung des Magnetflusses in der Lichtbogenzone erfolgen, indem durch Abnahme der Brücke 8 das Magnetfeld verstärkt, durch Anbringen der Brücke geschwächt wird.

Eine weitere empfindliche Einstellmöglichkeit für die Magnetfeldstärke besteht in der axialen Verschiebbarkeit des Zentralstiftes 9. Je weiter der Zentraistift aus der Lichtbogenzone zurückgezogen wird, um so geringer wird die Feldstärke in der Lichtbogenzone.

Eine dritte Möglichkeit der Einstellung der Magnetfeldstärke ohne mechanische Veränderungen am Magnetkreis besteht in der Aufbringung einer Gegenerregung durch eine stromdurchflossene Spule, die sowohl um den Außenmantel angeordnet sein kann oder vorzugsweise, wie in der Zeichnung angedeutet, als Spule 6 den Zentrierstift 9 umfaßt Die Methode, das gewünschte Magnetfeld durch die elektromagnetische Reduzierung eines hohen Psrmanentfeldes einzustellen, bringt den Vorteil, daß die Einstellung des Feldes praktisch hysteresisfrei möglich wird. Die Spule kann in vereinfachter Ausführung als Hochstromspule vom Schweißstrom durchflossen sein, wobei ihr Feld dem Feld der Permanentmagnete emgegengepolt ist. Die Schwächung des Schweißstromes am Ende des Schweißvorganges bedingt dann automatisch die Erhöhung der Feldstärke.

Das Schutzgas wird durch das Innere des Rohres 14 der Ringkammer 15 und aus dieser durch die Bohrungen 16 der Schweißzone zugeführt.

Die Elektrode ist im wesentlichen durch das an ihr vorbeiströmende Schutzgas gekühlt. Um im Dauerbe-

trieb eine unzulässige Erwärmung der Spule 26, Elektrodenhalter 3 und der Permanentmagnete 6 zu verhindern, werden diese Teile in bekannter Weise durch Wasser oder Gase gekühlt, welches durch das Rohr 21 strömt.

Für die Erzielung einer hochqualitativen Naht ist eine bestimmte Rotationsgeschwindigkeit und damit je nach Lichtbogenlänge, Stromstärke und Schutzgas eine bestimmte Magnetfeldstärke in der Lichtbogenzone erforderlich. Um jedoch Nahtdefekte, wie Endkrater am Ende des Schweißvorganges, zu vermeiden, muß die Magnetfeldstärke erhöht werden, um bei abgesenktem Schweißstrom die Rotation aufrechterhalten zu können. Dies kann auf elektrischem Wege hysteresisfrei dadurch erzielt werden, daß die höhere für den Abschaltvorgang erforderliche Feldstärke durch Justierung der Magnetnebenschlüsse 8 oder des Zentralstiftes 9 eingestellt wird, und die für den Schweißvorgang notwendige kleinere Feldstärke durch entsprechende Gleichstrom-Erregung der Ggenfeldspule 26 erzielt wird. Durch Abregelung des Gegenfeldes erhält man die ursprünglich eingestellte höhere Feldstärke.

Nach Beendigung des Schweißvorganges wird die Schutzgaszufuhr weitgehend gedrosselt, um eine zu schnelle Abkühlung der Elektrode zu verhindern. Die Abdichtelemente 18 und 19 haben hier zusätzlich zu den in den Patenten, auf welche oben Bezug genommen wurde, festgehaltenen Vorteilen 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. Wird die Gegenfeldspule an Stelle von Gleichstrom mit pulsierendem Gleichstrom oder mit Wechselstrom beaufschlagt, bewirkt dies eine periodische Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit. Dies kann einerseits zur Erzielung ähnlicher Effekte wie bei der Impulslichtbogenschweißung und andererseits zur Überwindung bereits vorhandener Fehlstellen (Risse) an der Elektrodenkante ausgenutzt werden.

Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen vorgenommen werden. So ist beispielsweise möglich, die gleichen Vorrichtungsprinzipien an andere Anwendungen, z. B. abschmelzende Elektroden, der Rohrstumpfnahtschweißung von außen und von innen sowie für beliebige in sich geschlossene Nahtformen anzupassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1. Patentansprüche:

   :1. Verfahren zum elektrischen Lichtbogenschweißen unter Schutzgas mit entlang einer geschlossenen Nahtkontur magnetisch bewegtem Lichtbogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Lichtbogens zumindest beim Aufschmelzvorgang in den Grenzen von etwa 10 bis 50, vorzugsweise 10 bis 30 mm/s, gehalten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufschmelzvorgang die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens erhöht wird, wobei die oberste Grenze der Geschwindigkeit vorzugsweise bei etwa 100 mm/s gelegen ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nichtabschmelzender Elektroden die Temperatur im sich verjüngenden Teil der Elektrode während des Schweißvorganges in einem Grenzbereich zwischen 400 bis 900⁰C, vorzugsweise 600 bis 70O⁰C, gehalten wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der gewünschten Rotation ein durch Permanentmagnete (6) erzeugtes und durch Polschuhe (5) in der Lichtbogenzone wirksames Magnetfeld durch Verschiebung der Magnetpole (5,9) zueinander in der Lichtbogenzone in seiner Stärke verstellt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der gewünschten Rotation das in der Lichtbogenzone wirksame Magnetfeld durch magnetische Nebenschlüsse (8) über die Permanentmagnete (6) in seiner Stärke verringert wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der gewünschten Rotation durch eine an einem der beiden Polschuhe angebrachte gleichstromdurchflossene Verstellspule (26) das in der Lichtbogenzone wirksame Magnetfeld der Permanentmagnete (6) verstärkt oder vorzugsweise verringert wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellspule (26) von einem pulsierenden Gleichstrom oder Wechselstrom durchflossen und damit die Stärke des Magnetfeldes periodisch verändert wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellspule (26) vom Schweißstrom durchflossen wird und ihr Feld dem Feld der Permanentmagnete (6) entgegengepolt ist.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Kühlung der Elektrode (1) nur durch das sie umspülende Schutzgas (12) erfolgt und andere zusätzlich angewandte Kühlmittel nur zur Kühlung benachbarter Bauteile herangezogen werden.
10. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzielung einer annähernd homogenen Magnetverteilung in der Zone des Lichtbogens sowie Einrichtungen zur stufenlosen Einstellbarkeit der Magnetfeldstärke vorgesehen sind.