DE2344730B2

DE2344730B2 - Verfahren zum senkrechten lichtbogen- Verbindungsschweißen von Metallen

Info

Publication number: DE2344730B2
Application number: DE2344730A
Authority: DE
Inventors: Theodore Lyndhurst Ashton; Ralph M. Cleveland Heights Samodell
Original assignee: Lincoln Electric Co Cleveland Ohio (vsta)
Current assignee: Lincoln Electric Co Cleveland Ohio (vsta)
Priority date: 1972-09-11
Filing date: 1973-09-05
Publication date: 1980-01-17
Also published as: FR2198809B1; US3808396A; IT1003525B; GB1411042A; CA965486A; AU6020073A; JPS5546786B2; DE2344730C3; FR2198809A1; DE2344730A1; SE404994B; JPS4965948A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum senkrechten Lichtbogen-Verbindungsschweißen von Metallen mit abschmelzender Elektrode in abschmelzender metallischer Führungsdüse, mit steigendem Schmelzbad und 4", mit Zwangsformung der Naht.

Ein Verfahren dieser Art, welches vor allem für das Verschweißen von Dickblechen und dickwandigen Metallplatten und dgl. zur Anwendung kommt, ist unter der Bezeichnung »Elektro-Schlackeschweißung« be- ίο kannt. Bei diesem Verfahren wird üblicherweise eine Massivdraht-Elektrude verwendet, die durch die metallische Führungsdüse hindurchgeführt wird. Dabei ist es aus der US-PS 28 68 951 bekannt, die ebenfalls abschmelzende Führungsdüse mit einer Schweißmittel- r> ummantelung zu versehen, die zugleich eine Isolierung der Führungsdüse bildet. Durch die Führungsdüse hindurch kann ein Schutzgas, wie Argon, Wasserstoff oder Kohlendioxyd, zugeführt werden.

Aus der US-PS 35 46 425 ist es auch bekannt, die mi Führungsdüse aus in mehreren Lagen schraubenförmig gewundenen massiven Elektrodendrähten herzustellen, die das Zusatzmetall für den Aufbau der Schweißnaht zur Verfügung stellen. Ferner ist es aus der US-PS 79 453 bekannt, in das Schmelzbad feine Metallstücke, t,^r> ζ. B. Metallspäne oder dgl. einzubringen, die zur Herstellung der Schweißverbindung mittels einer Elektrode aufgeschmolzen werden.

Durch das nicht vorveröffentlichte ältere DE-Patent 23 33 456 ist ein Verfahren zum automatischen Lichtbogen-Verbindungsschmelzschweißen von Metallen mit waagerecht verlaufender Schweißnaht vorgeschlagen worden, bei dem in die waagerecht verlaufende Schweißfuge eine abschmelzende Elektrode, die aus einem metallischen Kerndraht, einem metallischen Hüllrohr und einer äußeren Isolierhülle besteht, eingelegt wird. Zum Schweißen der waagerechten Stumpfnähte wird dabei eine Elektrode verwendet, durch deren Hüllrohr der Kerndraht dem Lichtbogen fortlaufend zugeführt wird. Der Kerndraht ist dabei entweder ein beim Unterpulverschweißen üblicher Massivdraht oder aber ein Schutzgas bildender Kompositdraht

Ein wesentlicher Nachteil der Elektro-Schlackeschweißung besteht darin, daß hier mit nur verhältnismäßig geringem linearen Schweißvorschub gearbeitet werden kann. Bei einer Werkstückdicke von 25 mm läßt sich eine annehmbare Schweißnaht nur mit einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 30 mm je Minute herstellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum senkrechten Lichtbogen-Verbindungsschweißen von Blechen, Metallplatten und dgl. der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem sich erheblich höhere Schweißgeschwindigkeiten bei guter Qualität der Schweißverbindung erreichen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Fülldraht-Elektrode mit einem Kern aus Schlacke und Schutzgas bildenden Schweißmitteln verwendet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die übliche Elektro-Schlackeschweißung so modifiziert, daß während des gesamten Schweißvorgangs ein Lichtbogen durch die zwischen Elektrodenende und Schweißbad befindliche Schlackenschicht hindurch zuverlässig aufrechterhalten wird. Dies bedeutet, daß die Zuführung der Schlackenbildner über die Fülldraht-Elektrode mengenmäßig so einestellt wird, daii die schmelzflüssige Schlackenschicht sich nicht bis einer solchen Dicke aufbauen kann, daß der Lichtbogen die Schlackenschicht bis zum Schweißbad nicht mehr durchdringen kann und erlischt. Die Zuführung des Schweißmittels über die Fülldraht-Elektrode stellt sicher, daß sich im Schweißbetrieb die erwünschte dünne Schlackenschicht aufbaut, bei der der Lichtbogen aufrechterhalten wird. Dies bietet die Möglichkeit, mit erheblich größeren linearen Schweißgeschwindigkeiten zu arbeiten. Durch Einstellung und Abstimmung der für den jeweiligen Schweißvorgang maßgeblichen mechanischen und elektrischen Schweißparameter lassen sich nach dem eifindungsgemäßen Verfahren beim Verschweißen von 25 mm-Blechen lineare Schweißgeschwindigkeiten von etwa 104 mm je Minute bei guter Qualität der Schweißnaht erzielen.

Da die metallische Führungsdüse durch die Strahlungs- und Konvektionswärme und durch den sie durchfließenden Strom auf ihre Schmelztemperatur erwärmt wird, wird die durch die Führungsdüse hindurchgeführte Fülldraht-Elektrode vorerhitzt, bevor sie aus der Führungsdüse austritt. Hierdurch ergeben sich außerordentlich hohe Elektroden-Abschmelzgeschwindigkeiten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit, die Lichtbogenspannung und die Schweißspaltbreite vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, daß die Wärmezufuhr zu dem

Schweißspalt etwa zwischen 45 000 und 120 000 Joule je Zentimeter Schweißnahtlänge und je Zentimeter Werkstückdicke (300 000 bzw. 750 000 Joule je Zoll Schweißnahtlänge und je Zoll Werkstückdicke) beträgt Bei feststehender, nicht-pendelnder Anordnung der Führungsdüse wird die Gesamtwärmezufuhr etwa bei 45 000 bis 100 000 Joule je Zentimeter Schweißnahtlänge und je Zentimeter Werkstückdicke (300 000 bis 650 000 Joule je Zoll Schweißnahtlänge und je Zoll WerkstückdickeJ gehalten. Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare beträchtliche Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit kann die Wärmezufuhr zu der Schweißnaht insgesamt erheblich herabgesetzt werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind Fülldraht-Elektroden, die im Inneren Natrium- oder Kaliumsilicofluorid enthalten, welches sich durch die Lichtbogenhitze unter Schutzgas- und Schlackenbildung zersetzt Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Verfahren Fülldraht-Elektroden verwendet, wie sie in der DE-PS 23 00 684 beschrieben sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Einzelteile geschnitten dargestellt sind;

F i g 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 der F i g. 1;

F i g. 3 einen Teilschnitt nach Linie 3-3 der F i g. 2.

Die Zeichnung läßt ein Paar Bleche oder Metallplatten ?0 und U erkennen, die in Senkrechtlage so angeordnet sind, daß zwischen ihren vertikalen Seitenkanten 12 und 13 ein horizontaler Schweißspalt vorhanden ist. In diesen Schweißspalt wird das Schweißmetall einer an den Strom anlegbaren Schweißelektrode 16 sowie einer ebenfalls am Strom anliegenden und abei abschmelzenden metallischen Führungsdüse 14 eingeDracht. Der Schweißspalt zwischen den Werkstückseitenkanten 12 und 13 wird beiderseits durch Seitenwandteile 18 und 19 geschlossen, die aus Kupferschienen oder dgl. bestehen und mit Hilfe von Bügeln oder Spannbacken 21, die an den Seitenflächen 20 durch Punktschweißen befestigt sind, gegen die Seitenflächen 20 der Platten 10 und 11 fest angedrückt werden. Zwischen die Bügel 21 und die Kupferschienen

18 und 19 werden Keile 22 eingetrieben, welche somit die Kupferschienen in fester Anlage an den Seitenflächen 20 der Platten 10 und 11 halten.

Die Bleche 10 und 11 bestehen aus einem schweißbaren Metall, vorzugsweise aus Stahl, der als Hauptlegierungsbestandteile in den üblichen Mengen Silizium, Mangan und Kohlenstoff sowie in kleineien Anteilen weitere Legierungsbestandteile enthält. Die Dicke der Bleche liegt im allgemeinen über 12,5 mm. Die Schweißspaltbreite W (Fig. I!) beträgt dabei etwa

19 mm bis 22 mm.

Die mit den zu verschweißenden Blechkanten 12 und 13 den Schmelztrog bildenden Seitenwände 18 und 19, die mit ihren Innenflächen 24 dichtend an den Seitenflächen 20 der Platten anliegen, weisen im Bereich des Schmelztroges eine Einziehung 26 auf, so daß zwischen diesen Einziehungen die Abmessung des Schrnelztroges 15 e'.was größer ist als zwischen den Seitenkanten 12 und 13 der Bleche.

Vor Beginn des Schwtißvorgangs wird der Boden des Schmelztroges 15 mittels eines U-Stückes 25 verschlossen, welches mit seinen U-Schenkeln an der unteren Kante der Bleche 10 und 11 angeschweißt wird und den Schweißspalt zwischen den vertikalen Plattenkanten

ί überbrückt Sobald der Schweißvorgang beginnt füllt sich der Schmelztrog 15 mit dem erstarrenden Schweißmetall 27, auf dessen Oberseite sich das schmelzflüssige Schweißbad 28 mit einer dünnen Schlackenschicht 29 befindet

ι« Das U-Stück 25 und die Seitenwände 18 und 19 bilden gemeinsam am Boden des Schmelztroges 15 einen Sumpf, in dem der Schweißvorgang beginnt Die Breite der öffnung des U-Stückes entspricht üblicherweise der Breite des Schweißspaltes (Fig. 1), während ihre

ι -. Abmessung senkrecht zur Breitenabmessung vorteilhafterweise mindestens gleich der Blechdicke zuzüglich etwa 6 mm ist. Die oberen Enden der Schenkel des U-Stückes 25 sind mit der Unterseite der Bleche 10 und 11 verschweißt. Die Seitenflächen des U-Stückes 25

j» schließen mit den Seitenflächen der Bieche 10 und 11 ab, so daß die Schienen 18 und 19 an de' Seitenflächen des Ü-Stückes 25 anliegen und däüiii den S'hmelzirug am unteren Ende abdichten.

Zu beiden Seiten des Schweißspaltes sind an der

.'"> Oberseite der Bleche 10 und 11 Aufsatzstücke 30 und 31 befestigt, deren Dicke gleich der Blechdicke ist und deren Höhe angenähert der Blechdicke zuzüglich etwa 12,5 mm entspricht. Die Aufsatzstücke sind so angeschweißt, daß ihre Seitenflächen mit den Seitenflächen

«ι der Bleche abschließen und die Kupfe; schienen flächig an den Aufsatzstücken dicht anliegen.

Um den Boden des Schmelztroges 15 und die Stoßkanten 39 zwischen den Schienen 18 und 19 und den Blechflächen 20 abzudichten, sind besondere

Jj Dichtorgane, z. B. ein Glasband 32 mit einem druckempfindlichen Kleber, vorgesehen. Das Klebeband verhindert den Eintritt der Luft in den Schmelztrog.

Die Breite W des Schweißspaltes kann nach Bedarf eingestellt werden; vorzugsweise wird sie se klein

-m gehalten, daß bei Blechen mit einer Dicke bis zu 38 mm die Wärmezufuhr zu der Schweißraupe etwa bei 45 000 bis HX)OOO Joule je cm Schweißnahtlänge und je cm Blechdicke (J/cm/crn) liegt und bei Werkstückdicken oberhalb 38 mm bis zu 120 000 Joule je cm Schweiß-

r> nah (Länge und Blechdicke beträgt.

Bei größeren Werkstückdicken, z. B. zwischen 50 und 100 mm, wird die Elektrodendüse zweckmäßig in eine Pendelbewegung parallel zur Querabmessung der Plattenkanten 12 und 13 versetzt, wobei die Schweißen spaltbreite vorzugsweise etwa 22,2 mm beträgt. In den meisten Fällen sollte die Schweißspaltbreite im oberen Bereich des Schweißspaltes um eiwa 3 mm größer sein als im unteren Bereich, um eine Schrumpfung zu cmc glichen.

jj Die Elektrode 16 ist eine Fülldraht-Elektrode, deren aus niedriggekohliem Stahl bestehendes Flektrodenrohr im Inneren einen Kern aus Schlacke und Schutzgas bildendem Schweißmittel enthält, wie in DE-PS 23 00 684 beschrieben ist. Die Menge der schlackenbil-

w) denden Stoffe je kg Elektrodengewicht ist so begrenzt, daß sich die schmelzflüssige Schlackenschicht nicht bis zu einer solchen Dicke aufbauen kann, daß der Lichtbogen die Schlackenschicht auf dem Schmelzbad nicht mehr durchdringen kann und erlischt. In diesem

it. Fall würde der Schweißvorgang entsprechend dem Elektro-Schlackeschweißverfahren mit verminderter linearer Schweißgeschwindigkeit ablaufen.

Falls die Fülldraht-Elektrode eine übermäßig große

Menge an Schlacke erzeugt, können an den die Schweißnaht ausformenden Kupferschienen Abflußöffnungen vorgesehen werden, um die Überschußschlacke abzuführen. Während des Schweißvorgangs erstarrt die schmelzflüssige Schlacke in den Einziehungen 26 der ^r> Kupferschienen 18 und 19 und wird auf diese Weise aus dem Schweißnahtbereich entfernt. Nach Beendigung des Schweißvorgangs und nach Entfernen der Kupferschienen 18 und 19 kann dann die erstarrte Schlacke entfernt werden. κι

Die Fülldraht-Elektrode 16 enthält vorzugsweise mindestens einen Bestandteil, der sich in der Lichtbogenhitze unter Gasabgabe aufspaltet und dadurch dazu beiträgt, den Lichtbogen und das Schmelzbad gegenüber der Atmosphäre zu schützen. Wie erwähnt, wird ι , hierfür zweckmäßig Natriumfluorsilikat (Na2SiFe,) oder Kaliumfluorsilikat (K^SiFi,) verwendet. Diese Stoffe werden unter Bildung von Silicotetrafluorid, einem Gas, und Natrium- bzw. Kaiiuiiifiuoriu, eiiiei Flüssigkeit bei Schmelztemperatur des Stahls, aufgespalten, welches _'n das schmel/.flüssige Metall beim Durchgang durch den Lichtbogen schützt und in die Schlacke eingeht. Das cr/eugie Schutzmittel schützt das Schmelzbad vor unerwünschtem Gaszutritt und schützt außerdem das untere aufschmelzende Ende der Führungsdüse 14. y,

Die Führungsdüse 14 besteht aus einem dickwandigen Rohr, durch dessen axiale Innenöffnung 40 die Elektrode 16 in gleitendem elektrischen Kontakt mit der Rohrwandung hindurchgeführt wird. Die Führungsdüse kann aus jedem Metall bestehen, welches für die m Beschaffenheit der jeweils gewünschten Schweißnaht geeignet ist. Wenn eine legierte Schweißnaht verlangt wird, kann die Führungsdüse 14 aus einem legierten Stahl bestehen. Beim Verschweißen \on niedriggekohlten Stahlblechen besteht die Führungsdüse vorzugswei- r> se aus einem niedriggekohlten Stahl. Bei einer Schweißspaltbreite von etwa 19 mm weist die Führungsdüse zweckmäßig einen Außendurchmesser von 12.7 mm auf. In diesem Fall isi /wischen dem Außenumfang der Führungsdüse und den Blechkanten m 12 und 13 ein Spalt von etwa 3 mm vorhanden. Die Elektrode 16 weist vorzugswiese einen Außendurchmesser von etwa 3,2 mm auf, wobei der Durchmesser des Düsenkanals 40 etwa 3,3 mm ±0,13 mm beträgt.

Bei einer Arbeitsweise mit feststehender Führungsdü- π se 14 empfiehlt es sich, die Führungsdüse innerhalb des Schmelztroges 15 über ihre gesamte Länge exakt auszurichten. Dies läßt sich mit Hilfe mehrerer Manschetten 45 aus elektrisch-isolierendem Material bewerkstelligen, die in besümmten Abständen überein- -,n ander um die Tührungsdüse 14 herumgelegt werden. Vorzugsweise bestehen die Manschetten aus einem asbestartigen Material, welches in der Lichtbogenhitze schmilzt oder sintert und in die Schlacke eingeht.

Die in den Schmelztrog 15 hineinragende Führungs- >-> düse 14 ist an einem Kontaktblock 48 aufgehängt, der an eine elektrische Stromquelle anlegbar ist. Der Kontaktblock 48 weist an seiner Unterseite eine Bohrung auf, deren Druchmesser dem Außendurchmesser der Führungsdüse 14 entspricht Die Führungsdüse 14 ist mit bo ihrem oberen Ende in die Bohrung eingesteckt und mittels einer Feststellschraube 49 an dem Kontaktblock 48 festgelegt. Letzterer ist an die eine Ausgangsklemme einer Stromquelle 59 angeschlossen. Mit dem anderen Stromausgang der Stromquelle 59 sind die beiden Bleche 10 und 11 verbunden. Die Stromquelle 59 besteht vorzugsweise aus einer solchen mit konstanter Spannung, deren Stromwert für den Schweißvorgang geeignet ist.

In eine Bohrung an der Oberseite des Kontaktblockes 48 ist ein Elektrodenführungsrohr 50 eingeschraubt, dessen Durchgangskanal mit dem Kanal 40 der Führungsdüse 14 fluchtet. Die Elektrode 16 läuft daher mit einer leichten Krümmung von oben in die Führungsdüse 14 hinein. Beim Durchgang durch die Führungsdüse 14 steht die Elektrode in ständiger Gleitanlage und damit in elektrischem Kontakt mit der Düsenwandung.

Die Länge der Führungsdüse 14 ist so bemessen, daß das untere Düsenende etwa im Abstand von 50 mm über der Fläche 47 des U-Stückes 25 liegt. Die Elektrode 16 ragt zu Beginn des Schweißvorgangs, wenn sie zur Bildung des Lichtbogens in Kontakt mit der Fläche des U-Stückes 25 gebracht wird, um 50 mm über das untere Düsenende hinaus. Vorzugsweise ist das untere Ende der Führungsdüse 14 bei 52 abgeschrägt.

Bei größeren Wcrkslückdickcn, bs
Führungsdüse 14 während des Schweißvorgangs eine Pendelbewegung ausführt, empfiehlt es sich, die Länge der Führungsdüse 14 so zu bemessen, daß ihr unteres Ende etwa im Abstand von 76 mm von der Oberfläche 47 des U-Stückes 25 liegt. Die Schienen 18 und 19 werden in ihrer Länge so bemessen, daß sie etwa bis zur Unterseite des U-Stückes 25 reichen. An der Oberseite überragen die Schienen 18 und 19 die oberen Kanten der Bi .".ehe 10 und 11; sie reichen hier zweckmäßig etwa bis zur Oberseite der Aufsatzstücke 30 und 31.

Die Elektrode 16 wird mittels eines herkömmlichen Vorschubrollenpaares 60 durch die Führungsdüse 14 hindurchgeführt. Die Vorschubrollen 60 werden von einem Motor 61 angetrieben, dessen Geschwindigkeit mittels eines Geschwindigkeitsreglers 62 auf den jeweils gewünschten Wert eingestellt werden kann. Im Normalbetrieb ist der Geschwindigkeitsregler 62 auf eine vorbestimmte Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode 16 eingestellt, wobei diese Elektorden-Vorschubgeschwindigkeit den Schweißstrom bestimmt. Nachdem der Schweißvorgang begonnen hat, sind weitere Geschwindigkeitsänderungen nicht mehr erforderlich.

Für die Durchführung der Schweißarbeit werden die Bleche 10 und 11 in etwa vertikaler Lage so angeordnet, daß zwischen ihren Kanten 12 und 13 ein horizontaler Schweißspalt vorhanden ist. Vorzugsweise werden die Platten genau vertikal gestellt; es ist aber auch möglich, die Platten innerhalb gewisser Grenzen unter einem Winkel zur Vertikalen anzuordnen. Die Klemmstücke 21, das U-Stück 25 und die Aufsatzstücke 30 und 31 werden anschließend an den Platten angeschweißt Dann wird die Führungsdüse 14 mit det unten herausragenden Elektrode 16 in den Schmelztrog 15 eingeführt und so ausgerichtet daß sie sich in gleichen Abständen von den Wandungen des Schmelztroges 15 befindet und ihr unteres Ende einen Abstand von etwa 50 mm von der Fläche 47 des U-Stückes 25 hat. Darauf werden die Schienen 18 und 19 so argesetzt, daß die Kanten ihrer Aussparungen 26 parallel zu den Kanten 12 und 13 der Platten verlaufen. Vor dem Anschluß der Schienen 18 und 19 wird ein Glasband in der Aussparung der Schienen am Boden des U-Stückes 25 angeordnet Die Schienen 18 und 19 werden dann mit Hilfe der Keile 22 festgeklemmt, worauf die Dichtorgane 32 angebracht werden.

Anschließend wird die Stromquelle 59 auf die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt und der Geschwindigkeitsregler auf die gewünschte Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit gebracht. Beim Einschalten

des Motors 61 wird die Elektrode 16 so weit durch die Düse 14 vorgeschoben, bis sie gegen die den Boden des Schmelztroges 15 bildende Fläche 47 des U-Stückes 25 stößt. In diesem Augenblick schmilzt das Elektrodenende unter Bildung eines Lichtbogens. In dem Augenblick, in dem sich der Lichtbogen einstellt, hat die Elektrode 16 einen Elektrodenüberstand über das untere Ende der Düse von etwa 50 mm. Auf dem Boden des Schmelztroges lagen sich das schmelzflüssige Schweißmetall der Elektrode 16 zusammen mit den Schlackenbildnern ab. Mit dem Auffüllen des Schmelztroges wir'J das untere Ende der Elektrode 16 zunehmend weiter nach oben bewegt. Die Führungsdüse 14 wird unter der Einwirkung des sie durchströmenden Stromes sowie der Strahlungswärme des Lichtbogens cndseitig aufgeschmolzen. Die Führungsdüse schmilzt daher zugleich mit dem sich verkürzenden unteren Ende der Elektrode 16 ab.
Während der ^(T*^icarn'ⁱⁱn S^hwMß^iiUT pntwipWpln Hip Führungsdüse seine Schiriekiemperalur, worauf sie dann kontinuierlich abschmil;:t. Dabei erhöht sich der Elektrodenüberstand geringfügig, wobei der Strom abnimmt.

Die Stromstärke beträgt anfangs etwa 900 Ampere. Sie steigt dann beim Schweißen dünnerer Bleche gegebenenfalls auf einen Wort von etwa 1200 bis 1300 Ampere an. Mit dem Erhitzen der Führungsdüse 14 fällt der Strom wieder ab, um dann während des weiteren Verlaufs des Schweißvorgamgii im Bereich von etwa 900 Ampere konstant zu bleiben;. Dieser konstante Stromwert wird nach etwa drei bis vier Minuten erreicht. Bei hohem Lichtbogenstrom fällt die Lichtbogenspannung aufgrund der erhöhten Belastung des Generators geringfügig ab. Die Lichtbogenspannung sollte aber während dieser Einleitpcriocle des Schweißvorgangs nicht nachgestellt werden. Während des Schweißvorgangs wird der Lichtbogen l'O ständig aufrechterhalten, nhwnhl pr Liir-77pitio

-- — - - — ■ ■— -*o

im Inneren der Elektrode 16 befindlichen Schweißmittel ein Schutzgas, welches in dem Schweißspalt zwischen den Seitenflächen des Schmelztroges 15 und der Führungsdüse 14 aufwärtsströmt und damit Sauerstoff, Stickstoff, Wasserdampf oder andere unerwünschte Gase aus dem Schmelztrog verdrängt. Da bei dieser Arbeitsweise der Lichtbogenbereich eng betrenzt ist, wird eine geringere Menge an Schutzgas oder Schlacke benötigt als beim offenen Nahtschweißen nach dem Lichtbogenschweißverfahren.

Die veränderlichen Größen bei dem erfindungsgemäßen V erfahren sind vor allem die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit und die Lichtbogenspannung. Die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit wird, wie erwähnt, so eingestellt, daß der gewünschte Lichtbogenstrom vorhanden ist. Dieser Lichtbogenstrom sollte nach Beginn des Schweißvorgangs nicht mehr verändert werden. Unmittelbar nach Zünden des Lichtbogens ist der Strom verhältnismäßig klein. Mit dem Auffüllen des Schmelztroges im Bodenbereich steigt der Strom stark an, da der Überstand der Elektrode 16 über das untere Ende der Führungsdüse 14 kleiner wird. Nach einigen Minuten erreicht das untere Ende der -j crp.crhlnQCpn u/prrtpn kann

wenn ein Schmelztröpfchen von der Elektrode in das Schweißbad übergeht.

Der Schweißvorgang sollte in einem Abstand von mindestens 25 mm unterhalb der Oberseite der Aufsatzstücke 30 und 31 abgeschaltet werden, es sei denn, daß mit einer verminderten Spannung und einer verminderten Drahtvorschubgeschwir.idigkeit gearbeitet wird. Es ist wichtig, die Schweißspannung während des Schweißvorgangs zu überwachen und konstant zu halten. Eine Nachverstellung der Schweißspannung muß langsam durchgeführt werden.

Um zufriedenstellende Schweißnähte zu erhalten, werden üblicherweise die Bedingungen für die Erzielung einer vollständigen Kantenverschmelzung und für die richtige Wärmezufuhr zu der Sichweißnaht empirisch in Laborversuchen festgestellt und dann in die Praxis übertragen. Für eine feststeherde Führungsdüse und für Blechdicken von etwa 20 mnn 1'³A Zoll) bis etwa 40 mm (l'/2 Zoll) wurden für die Erzielung von Schweißnähten zufriedenstellender Qualität die Bedingungen gemäß Tabelle A ermittelt (alle ir>etris:hen Umrechnungswerte sind gerundet).

Tabelle A	20 (V<)	25(1)	30(1'Λ)
Blechdicke mm
(Zoll)	36	39	41
Spannung
(Gleichste,
Elektr. pos.), Volt	119,5-132,2	99,2-109,0	89,0-99,2
Schweißge
schwindigkeit,
mm/min	762	838	914
Drahtvorschub
geschwindigkeit
cm/min	25,4	263	28,1
Abschmelzge
schwindigkeit
kg/h

Die bei allen diesen Beispielen verwendete Elektrode hat einen Durchmesser von 3,04 mm. Die Zusammensetzung der bevorzugt verwendeten Elektrode ist wie folgt (Angaben in Gew.-%):

Quarz

Kaliumsiiicofluorid

Natriumfluorid

Op
1,5 0,6

7!),0-86,5

9!)0

2<>,5

Eisenpulver (90% Fe,4;>5% FeO,	19,4
2,75% SiO₂,	0,5
Rest: Metalloxidverunreini	2p
gungen)	Rest
Ferrosilicium
Mangan (Metall)
Stahlmantel

inrto/n

Für größere Blechstärken von 50 mm (2 Zoll) bis 100 mm (4 Zoll) empfiehlt es sich, mit einer parallel zu den Kanten 12 und 13 über einen Schwingungsweg R

IO

pendelnden F.lektroclenhülse nach den Angaben der Tabelle B zu ar'.-eiten.

Tabelle B

Blechdicke mm (Zoll)	50(2)	75(3)	100(4)
Spannung (Gleichstr., Elektr. pos.),	42	43	44
Volt
Schweißgeschwindigkeit,	40,8-45,7	28,0-30,5	7,6 - 2i
mm/min
Draht Vorschubgeschwindigkeit,	838	914	990
cm/min
Schwingungsweg, mm	31,75	57,2	82,5
Schwingungen, je s	6	7,5	10
Stillstandszeit, s	2	3	4
Schwingungsdauer, s	I	1,5	2
Abschmelzgeschwindigkeit, kg/h	26,3	28,1	20,5

Es ist zu bemerken, daß der Schweißvorgang nach den vorstehend angegebenen Bedingungen für eine feststehende Führungsdüse so durchgeführt wird, daß die Gesamtwärmezufuhr zu der Schweißnaht etwa zwischen 45 000 und 100 000 Joule je Zentimeter Schweißnahtlänge und je Zentimeter Blechdicke (300 000 und 650 000 Joule je Zoll Schweißnahtlänge und je Zoll Blechdicke) beträgt, während sie bei pendelnder Elektrode im Bereich zwischen 45 000 und 120 000 Joule je Zentimeter Schweißnahtlänge und je Zentimeter Blechdicke (300 000 und 750 000 Joule je Zoll Schweißnahtlänge und je Zoll Blechstärke) liegt, wobei sich die erstgenannte Angabe des Wärmebedarfs auf Blechstärken bis zu 38 mm (l'/2 Zoll) und die zweitgenannte Angabe (für pendelnde Elektroden) auf Blechstärken oberhalb 38 mm (IV2 Zoll) und bis zu 100 mm (4 Zoll) bezieht.

Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Führungsdüse 14 weist eine erhebliche Wandstärke und einen Durchgangskanal auf, dessen Durchmesser so bemessen ist, daß sich die Elektrode in ständigem elektrischen Gleitkontakt, gegebenenfalls unter einer gewissen Anpressung, mit der Innenwand der rohrförmigen Führungsdüse befindet. Über die dickwandige Führungsdüse fließt der elektrische Strom zu dem unteren Düsenende und zu dem hier herausragenden Elektrodenende, wobei eine Erhitzung aufgrund der Stromwärme (PR) der Elektrode erfolgt, bevor diese das Lichtbogenende erreicht. Der Lichtbogen braucht daher nur noch soviel Wärme zuzuführen, daß die bereits vorerwärmte Elektrode endseitig bis auf ihre Schmelztemperatur gebracht wird. Auf diese Weise lassen sich hohe Elektroden-Abschmelzgeschwindigkeiten bei dem jeweils vorhandenen Lichtbogenstrom erzielen, was von besonderer

_>> Bedeutung ist. Schwankungen im Elektrodenüberstand gleichen Stromschwankungen aus. Wenn der Elektrodenüberstand zunimmt, fällt der Strom ab, während bei Abnahme des Elektrodenüberstandes der Strom zunimmt. Dabei stellt sich bald ein stabiler Betriebszustand

in ein.

Aufgrund der Wandstärke der Führungsdüse ist es unmöglich, durch die Düse hindurch Schutzgas zur Oberfläche des Schweißbades zuzuführen. Der Schutz des schmelzflüssigen Schweißbades wird bei dem

π erfindungsgemäßen Verfahren allein durch die im Inneren der Elektrode befindlichen Schweißmittel bewirkt. Von Bedeutung ist ferner, daß die Menge des dem Schweißbad zugeführten Schlackenmaterials so gering ist, daß unter Berücksichtigung der Schlacken-

.(Ii Verluste aufgrund des Verspritzens der Schlacke oder der Anlagerung der Schlacke an den Flächen der Kupferschienen die Schlackenschicht auf uer Schweißbadoberfläche niemals so stark wird, daß der Lichtbogen gelöscht und damit der Schweißvorgang vom

r> offenen Lichtbogenschweißen zu dem Elektro-Schlakkcschweißcii geändert wird.

In den Tabellen C und D sind die Ergebnisse solcher Vergleichsversuche in Gegenüberstellung mit dem bekannten Elektro-Schlackeschweißverfahren angege-

w ben.

Tabelle C
(Erfindungsgemäßes Verfahren)

Blechdicke	Düsenanordnung	Stromstärke	Spannung	Lineare Schweiß	Wärmezufuhr
mm				geschwindigkeit	Joule je cm Schweißnaht
(Zoll)		Ampere	Volt	cm/min	länge und je cm Platten- dicke
20 (3/4)	feststehend	900	36	12,7	80 500
25(1)	feststehend	900	39	10,4	79 500
30(11/4)	feststehend	900	41	9,4	74 000
40(1·/2)	feststehend	900	44	8,2	76 500
50(2)	pendelnd	850	42	43	97 500
75(3)	pendelnd	350	43	3,1	94 500
100(4)	pendelnd	850	44	24	87 000

Tabtile D

(Bekanntes Elektro-Schlacke-Schvveißverfahren)

Blechdicke

(Zoll)

20 (Vi)
25(1) 50(2) 75(3)

Düsenanordnung

feststehend feststehend feststehend feststehend

Stromstärke Ampere

500 600 700 700

Spannung Volt

35 38 29 52

Lineare Schweißgeschwindigkeit
cm/min

3,6 3,1 2,5
2,0

Wärmezufuhr
Joule je cm Schweißnahtlänge und je cm Blechdicke

150 500 176 000 126 000 140 000

Wie erwähnt, werden für das erfindiingsgemäße Verfahren bevorzugt rohrförmige Stahlelcktroden verwendet, die im Inneren Schweißmittel bzw. Zu schlagstoffe enthalten und die vorzugsweise folgende Zusammensetzung (in % des Gesamtgewichts der Elektrode) aufweisen:

Metallfluorsiükat 1,0-2,0

Alkalimeta"^cluoride 0-2,0

Metalloxide 0.75-5,5

Mangan 0,25-3,0

Chrom, Nickel. Titan, Silizium,
Molybdän, Vanadium, Zirkon,
Aluminium, Kohlenstoff

Stahlelektrode und Eisenpulver

wie erforderlich zur Anpassung an den Grundwerkstoff des Werkstücks Rest

Gemäß einer spezielleren Ausführungsform kann die Elektrode wie folgt zusammengesetzt sein (in Gew.-°/o):

Quarz (SiO:) 0-1,5

Kalium- oder Natriumsilico-

fluorid 1,0-2.0

Nalriumfluorid
Eisenpulver
(mindestens 95% Fe)
Mangan (100% Mn)
Titan, Silizium, Zirkon,
Nickel, Chrom, Vanadium,
Molybdän

Stahlhüllet0.0:>-0,10C)

0-0,75

10-20
1,0-3.0

wie und soweit

erforderlich

Rest

Für die Bildung des Schmelztroges werden vorzug..-weise Kupferbacken oder Kupferschienen u. dgl., in der Zeichnung mit 18 und 19 bezeichnet, verwendet. Es ist aber auch möglich, hierfür andere Wandelemente zu verwenden, z. B. eine Gruppe von drei oder mehr Platten, die jeweils im Winkel zueinander stehen und die mit den zu verschweißenden Werkstückkanten den Schmelztrog bilden. In diesen Fällen kann die von den benachbarten Platten gebildete Ecke durch Wandteile, Kupferschienen od. dgl. hinterlegt werde' um einen Verlust an Schweißmetail zu verhindern, wenn die benachbarten Plattenecken während des Schweißvorgangs aufschmelzen.

Hierzu 2 lilatl /.eichiiiiimen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum senkrechten Lichtbogen-Verbindungsschweißen von Metallen mit abschmelzen- ■"> der Elektrode in abschmelzender metallischer Führungsdüse, mit steigendem Schmelzbad und mit Zwangsformung der Naht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fülldraht-Elektrode mit einem Kern aus Schlacke und Schutzgas bildenden Schweißmitteln verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit, die Lichtbogenspannung und die Schweißspaltbreite so aufeinander abgestimmt werden, daß die ΐί Wärmezufuhr zu dem Schweißspalt etwa zwischen 45 000 und 120 000 Joule je Zentimeter Schweißnahtlänge und je Zentimeter Werkstückdicke (300 000 bzw. 750 000 Joule je Zoll Schweißnahtlänge und je Zoll Werkstückdicke) beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß bei feststehender Anordnung der Führungsdüse die Gesamtwärmezufuhr etwa bei 45 000 bis 100 000 Joule je Zentimeter Schweißnahtlänge und je Zentimeter Werkstückdicke (300 000 bis 650 000 Joule je Zoll Schweißnahtlänge und je Zoll Werkstückdicke) gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsdüse, wie an sich bekannt, in eine Pendelbewegung parallel zur Dickenrichtung in der Werkstürke gebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da£ eine Fülldraht-Elektrode verwendet wird, die im Inneren Natrium- oder Kaliumsilicofluorid enthält, wc! hes sich durch die r> Lichtbogenhitze unter Schutzgas- und Schlackenbildung zersetzt.