DE2342648B2

DE2342648B2 - Schweißbrenner und Verfahren zum Unterwasserschweißen

Info

Publication number: DE2342648B2
Application number: DE2342648A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Hiromoto; Yasuhiro Nishio; Hideo Sagara; Hirokazu Wada
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1972-09-04
Filing date: 1973-08-23
Publication date: 1975-05-22
Also published as: GB1434106A; DE2342648C3; DE2342648A1; JPS4943848A; JPS5110828B2; US4029930A; FR2197689B1; SU680622A3; FR2197689A1

Description

45

Die Erfindung betrifft einen Schweißbrenner und ein Verfahren zum Unterwasserschweißen.

Die derzeit bekannten Unterwasserschweißverfahren umfassen ein Trockenverfahren, bei dem eine Kammer, die vom Wasser leergepumpt wird, im Wasser angeordnet und das Schweißen in dieser Kammer durchgeführt wird, sowie ein sogenanntes Naßverfahren, bei dem die Schweißarbeiten unmittelbar im Wasser durchgeführt werden. Für das Naßverfahren ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Gas am Außenumfang des Vorderendes einer Schweißelektrode ausgeblasen wird, mit welcher eine Lichtbogenschweißung innerhalb der Atmosphäre des ausströmenden Gases durchgeführt wird (vgl. die veröffentlichte japanische Patentanmeldung 45-32 139). Für denselben Zweck ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem eine Abschirmung mittels einer viskosen Flüssigkeit gewährleistet und eine Plasmaschweißung innerhalb dieser Abschirmung durchgeführt wird.

Infolge der neueren Fortschritte auf dem Gebiet der Meereskultivierung sind Bauplatz-Schweißarbeiten für große (Unter-)Wasserkonstruktionen nötig, so daß sich

648

ein Bedarf für ein ynterwassersehweißverfahren ergeben hat. Mit Ausnahme des sogenannten Trockenverfahrens wurde die Unterwasserschweißung in der Praxis nur selten angewandt Das Naßverfahren isi jedoch aus wirtschaftlichen Gründen und speziell für das Schweißen komplex zusammengesetzter Konstruktionen vorzuziehen, so daß seine praktische Weiterentwicklung angestrebt wurde. Obgleich bereits gewisse Forschungsarbeiten bezüglich des Naßverfahrens in Japan auf Laboratoriumsebene vorangetrieben worden sind, kann die Verschlechterung der Schweißiungsjeigenschaften nicht ausgeschaltet werden, da beim genannten Verfahren ein Schweißen innerhalb einer Wasseratmosphäre erforderlich ist, so daß das Naßverfahren noch keinen praktischen Erfolg gezeitigt hat.

Der Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schweißbrenner und ein Verfahren zum Unterwasserschweißen zu schaffen.

Die«e Aufgabe wird bei einem Schweißbrenner zum Unterwasserschweißen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er eine um sein Vorderende herum angeordnete Düse, aus welcher ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl schräg auf ein oder mehrere zu schweißende^) Werkstück(e) richtbar ist, so daß er einen sich nach außen erweiternden Wasservorhang bildet, und eine Einrichtung (Rohr 1) zum Einblasen von Gas in den vom Wasservorhang umschlossenen Raum aufweist, um eine Gasatmosphäre zu bilden, in welcher der Schweißvorgang durchführbar ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Unterwasserschweißen unter Verwendung eines Schweißbrenners der vorgenannten Art geschaffen, dessen Besonderheit darin besteht, daß ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl unter Bildung eines sich nach außen erweiternden Wasservorhangs aus einer Düse schräg auf ein oder mehrere zu schweißende^) Werkstück(e) gerichtet wird, daß in den durch den sich erweiternden Wasservorhang gebildeten Raum ein Gas eingeblasen wird, um eine Gasatmosphäre zu bilden, und daß der Schweißvorgang innerhalb dieser Gasatmopshäre durchgeführt wird. Im Betrieb wird somit ein die Spitze bzw. das Vorderende des Schweißbrenners umgebender Wasservorhang gebildet, indem ein Hochgeschwindigkeitsstrahl aus einer Spritzdüse schräg abwärts um den ganzen Umfang herum ausgestoßen wird, derart, daß dieser Strahl auf die Oberfläche der zu verschweißenden Werkstücke auftrifft, wobei ein Eindringen von Wasser in die Spitze des Schweißbrenners durch den viskosen Flüssigkeitswiderstand des Wasservorhangs verhindert wird. Das im Bereich unter der Spitze des Schweißbrenners befindliche Wasser wird verdrängt und durch das aus dem Schweißbrenner ausgestoßene Schutzgas ersetzt, so daß ein mit dem Schutzgas gefüllter lokaler Hohlraum gebildet wird. In diesem Hohlraum kann ein Lichtbogen zur Durchführung der Schweißarbeiten gezündet werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Schweißbrenner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Düsenkonstruktion bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Düsenkonstruktion bei einer weiter abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäße.i Schweißbrenners und

F i g. 5a und 5b schematisrhe Darstellungen noch weiter abgewandelter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schweißbrenners, wobei F i g. 5a eine Seitenansicht von der Schweißrichtung her gesehen und Fig.5b einen Schnitt längs der Linie X-X in F i g. 5a darstellt

Der in F i g. 1 dargestellte Schweißbrenner T ist in der Mitte mit einem zylindrischen Glied bzw. Rohr 1 versehen, das einen Gaskanal zum Ausblasen eines Schutzgases bildet Das Vorderende la des zylindrischen Glieds ist konisch erweitert. Um den gesamten Umfang des Glieds 1 herum ist ein Strömungs- oder Strahlzylinder 2 vorgesehen, mit dessen Hilfe ein Wasservorhang um den Gesamlumfang des zylindrischen Glieds bzw. Rohrs 1 herum ausgebildet werden kann und der ebenfalls einen konisch erweiterten vorderen Endabschnitt 2a aufweist. Der Endabschnitt 2a des Zylinders 2 und das konzentrisch dazu angeordnete Vorderende la des Rohrs 1 bilden eine Spritzdüse 3, die schräg abwärts und auswärts gerichtet ist.

Obgleich nicht näher veranschaulicht, kann beim Schweißbrenner T mit Hilfe von Drahtklemmen ein Schweißdraht bzw. eine Schweißelektrode durch das Innere des zylindrischen Glieds bzw. Rohrs ? hindurchgeführt werden.

Bei der Durchführung des Unterwasserschweißens mit Hilfe des dargestellten Schweißbrenners Twird ein von einer nicht dargestellten Pumpe gelieferter Hochgeschwindigkeitsstrahl einer Flüssigkeit derart durch den Strahlzylinder 2 geleitet, daß die Flüssigkeit als Hochgeschwindigkeitsslrahl j schräg abwärts und auswärts aus der vorderseitigen Düse 3 austritt. Sodann trifft der Strahl yauf die Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks M auf und wird um den gesamten Umfang herum längs der Oberfläche des Werkstücks M abgelenkt. Infolgedessen werden das Wasser A außerhalb des Schweißbrenners und das Wasser B im Bereich unter dem Vorderende des Schweißbrenners durch den vom austretenden Strahl gebildeten Wasservorhang voneinander getrennt bzw. gegeneinander abgeschirmt, wobei das Wasser aus dem Bereich B infolge des Flüssigkeitswiderstands und der Zentrifugalkraft des Strahls sowie der Ansaugwirkung zwischen dem Schweißwerkstück und der Strahldüse zum Außenumfang bewegt und verdrängt wird. Gleichzeitig wird Schutzgas g durch das in der Mitte des Schweißbrenners befindliche Rohr 1 hindurchgeltitet, und das im Bereich B befindliche Wasser wird durch das Schutzgas g ersetzt, so daß im Bereich B eine Gasatmosphäre entsteht. Die Zufuhr von Schutzgas g wird fortgesetzt, so daß das Überschußgas durch den Spalt zwischen der Öffnung der Düse 3 und der Oberfläche des Werkstücks M zum Außenumfang ausströmt und dabei, wenn es durch den Strahl j weggeblasen wird, die Form eines Gas/Wasser-Gemisches annimmt, wobei das verdrängte Gas in Form kleiner Blasen ausgestoßen wird. Auf diese Weise wird im Bereich B ein stabiler Hohlraum gebildet, und der Schweißvorgang kann in dem so gebildeten Hohlraum durch Zündung eines Lichtbogens eingeleitet werden. Somit kann das Schweißen in einer stabilisierten Gasatmosphäre erfolgen, so daß die Schweißarbeiten ebenso stabil durchführbar sind wie auf dem Land und stabile Schweißnähte guter Qualität erzielt werden können.

F i g. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Schweißbrenner, der nach Grundlagenforschung bezüglich der Form, der Abmessungen und ähnlichen Faktoren eines Schweißbrenners zur Bildung eines stabilen Hohlraums zur Realisierung der Erfindung auf Grund von Versuchsergebnissen angefertigt wMrde. Dabei sind die den Teüen von F i g. 1 entsprechenden Bauteile in F i g. 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Schweißbrenner gemäß F i g. 2 weist ein zylindrisches Glied bzw. Rohr 1, einen Strahlzylinder 2, eine Düse 3, einen Verteiler 4 für den Strahlzylinder sowie am Verteiler 4 vorgesehene Strahlzulässe 5 und 5' auf. Die Zulasse 5 und 5' sind dabei mit dem Druckauslaß einer nicht dargestellten Pumpe verbunden. Weiterhin sind eine Draht- oder Elektroden-Spitze 6, ein Schweißdraht bzw. eine Schweißelektrode 7, ein Hohlraum B, der infolge des durch das Rohr 1 zugeordneten Schutzgases unter dem Vorderende des Rohrs 1 gebildet wird, ein im Bereich S gebildeter Lichtbogen C und das Schutzgas d angedeutet, das in Form von kleinen Blasen aus dem Hohlraumbereich B in das im Außenbereich A befindliche Wasser abgeführt wird, indem es durch den aus der Düse 3 des Strahlzylinders 2 ausströmenden Hochgeschwindigkeitsstrahl mitgerissen wird.

Durch Versuche, die unter Verwendung des auf vorstehend erläuterte Weise ausgebildeten Schweißbrenners beim Unterwasserschweißen durchgeführt wurden, wurde bestätigt, daß der im Bereich B gebildete Hohlraum weitgehend durch die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases, die Geschwindigkeit und die Strömungsrichtung des Hochgeschwindigkeitsstrahls, den Abstand zwischen dem Schweißbrenner und dem zu schweißenden Werkstück M usw. beeinflußt wird. Im Versuch konnte ein stabiler Hohlraum von etwa 50 mm Durchmesser erzielt werden, und bei der Durchführung des Schweißvorgangs durch Zündung eines Lichtbogens in diesem Hohlraum konnte eine ziemlich stabilisierte Schweißung durchgeführt werden, die, wie im Hinblick auf das erfindungsgemäße Grundprinzip zu erwarten war, keinerlei Nachteile gegenüber dem üblichen Schweißen am Land mit sich brachte.

Gemäß F i g. 3 kann der Düsenteil 3 des Strahlzylinders 2 um den Umfang herum mit auf gleiche Abstände verteilten Leitschaufeln 3a versehen sein, um die Strömungsrichtung des aus der Düse 3 austretenden Strahls hierdurch so zu modifizieren, daß dem Strahl eine Zentrifugalkraft(komponente) erteilt wird. Auf diese Weise wird die Bildung des Wasservorhangs durch den Strahl weiter stabilisiert, wodurch der zusätzliche Vorteil geboten wird, daß sich im Inneren des Wasservorhangs durch das aus dem Rohr 1 austretende Schutzgas ein weiter stabilisierter Hohlraum bildet.

F i g. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher das Rohr 1 und der Strahlzylinder 2 des Schweißbrenners elliptischen Querschnitt besitzen, wobei der Strahlzylinder jedoch nicht näher dargestellt ist. Bei dieser Ausbildung des Schweißbrenners ist der Hohlraumbereich B, wie dargestellt, elliptisch. Aus diesem Grund liegen beim praktischen Schweißen, wobei sich bei Weiterführung des Schweißbrenners eine Schmelzlache m nach hinten erstreckt, die Schmelzlache m sowie der Schweißwulst unmittelbar nach dem Erstarren noch innerhalb des Hohlraumbereichs B, wenn die Längsrichtung des elliptischen Hohlraumbereichs B parallel zur Schweißrichtung angeordnet wird, woraus sich der Vorteil der Erzielung einer stabilisierten Schweißnaht guter Qualität ergibt.

Der vorstehend beschriebene Schweißbrenner eignet iich vorteilhaft zur Verwendung beim Verbindungs-3ZW. Überlappungsschweißen im Fall einer I-förmig ausgebildeten Kante. Im Fall von V- oder U-förmig ausgebildeten Schweißkanten (der Werkstücke) ist es jedoch schwierig, mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Schweißbrenners einen Wasservorhang auszubillden, der bis zur Innensohle der abgeschrägten Kante reicht Indem jedoch allein der Düsen-Randabschnitt 3' in Schweißrichtung längs der Schrägkantenlinie nach unten verlängert wird, bis er die Sohle der Schrägkaniie erreicht, und indem zusätzlich der Strahl an diesem Abschnitt unabhängig von den anderen Umfangsabschnitten verstärkt wird, wie dies in den F i g. 5a und 5b dargestellt ist kann der Wasservorhang so ausgebildet ¹S werden, daß er sich bis zur Sohle der abgeschrägten Kante erstreckt, wodurch innerhalb des Wasservorhangs ein stabilsierter Hohlraum gebildet werden kann. Außerdem kann der Vorderendabschniu des Schweißbrenners in Abhängigkeit von den Konfigurationen der Schweißnähte entsprechend festgelegt werden, so daß innerhalb des Wasservorhangs ein stabilisierter Hohlraum gewährleistet wird.

Zusammenfassend werden mit der Erfindung somit ein Schweißbrenner für das Unterwasserschweißen und ein Unterwasserschweißverfahren unter Verwendung eines solchen Schweißbrenners geschaffen. Dabei wird ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl aus einer am Schweißbrenner angeordneten Düse schräg auf das oder die zu schweißenden Werkstücke) gerichtet, so daß er einen sich erweiternden Wasservorhang bildet In dien vom Wasservorhang umschlossenen Raum wird zur Erzeugung einer Gasatmosphäre ein Gas eingeblasen, so daß das Schweißen in dieser Gasatmosphäre erfolgen kann.

Hierzci 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 23

1. Schweißbrenner zum Unterwasserschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß er eine um sein Vorderende herum angeordnete Düse (3), aus welcher ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl schräg auf ein oder mehrere zu schweißende^) Werkstücke) richtbar ist, so daß er einen sich nach außen erweiternden Wasservorhang bildet, und eine Einrichtung (Rohr 1) zum Einblasen von Gas in den vom Wasservorhang umschlossenen Raum aufweist, um eine Gasatmosphäre zu bilden, in welcher der Schweißvorgang durchführbar ist.

2. Schweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düse (3) Leitschaufeln (3a) vorgesehen sind, welche den Hochgeschwindigkeitsstrahl aus Wasser oder einer anderen Flüssigkeit unter Erzeugung einer Zentrifugalkraft(komponente) in ihm ablenken.

3. Schweißbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) elliptischen Querschnitt besitzt.

4. Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der *⁵ Düse (3) zum Schweißen von V- oder U-förmig ausgebildeten Werkstücken nach unten absteht bzw. verlängert ist.

5. Verfahren zum Unterwasserschweißen unter Verwendung eines Schweißbrenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl unter Bildung eines sich nach außen erweiternden Wasservorhangs aus einer Düse schräg auf ein oder mehrere zu schweißende(s) Werkstücke) gerichtet wird, daß in den durch den sich erweiternden Wasservorhang gebildeten Raum ein Gas eingeblasen wird, um eine Gasatmosphäre zu bilden, und daß der Schweißvorgang innerhalb dieser Gasatmosphäre durchgeführt wird.

40