DE2357135A1

DE2357135A1 - Schweissverfahren und vorrichtung, insbesondere zum schweissen dicker metallplatten

Info

Publication number: DE2357135A1
Application number: DE2357135A
Authority: DE
Inventors: Francis Eugene Gibbs
Original assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Current assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Priority date: 1972-12-07
Filing date: 1973-11-15
Publication date: 1974-06-12
Also published as: FR2209633A1; JPS525416B2; ES421275A1; IT1001638B; JPS4988741A; GB1446440A; FR2209633B1; US3786225A

Description

"- - .- ,-nrr ^Case 5761

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I ..>-. -äha-Str. 38, Tel. 47 5155

KAISER AIUMIITOM & OHEIvHCAI GORPORATIOH, 300 Lakeside Drive, Oakland, GaI.94604 (V.St.A.)

Schweißverfahren und Vorrichtung, insbesondere zum Schweißen dicker Metallplatten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißverfahren und eine Schwexßbrennerarraatur zum Schweißen von Metallerzeug-

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nissen, insbesondere zum Schweißen dicker Metallplatten. Das Lichtbogenschweißen von Metallerzeugnissen mit einer durch ein inertes Schutzgas abgeschirmten Schmelzelektrode (gemeinhin als SIGMA- oder MIG-Schweißverfahren bezeichnet) ist ein Schweißverfahren, das sowohl bei Eisen- als auch Nichteisenmetallen einwandfreie Schweißnähte liefert. Das Schweißen dicker Metallplatten, wie sie beim Bau großer Tanks für LNG-Tanker verwendet werden, im SIGMA-Verfahren ist jedoch sowohl zeitraubend als auch recht teuer. Zur Verminderung der Schweißzeiten und der beim Schweißen erforderlichen Füllmetallmenge kann zwar die Schweißfuge schmäler ausgebildet werden, jedoch wird dann die Handhabung oder das .Führen der Schweißelektrode in der Nut schwierig, und die erzielbare Qualität der Schweißnaht wird gewöhnlich beeinträchtigt.

Die beschriebenen Nachteile werden durch die Erfindung Neuerung — beseitigt.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht der Schweißarmatur oder Schweißvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der im Interesse der Übersichtlichkeit Teile geschnitten dargestellt sind;

Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer abgewandelten Aus— führungsform der Erfindung? und

Fig. h ist ein Schnitt durch eine schmale Schweißfuge zur Anwendung gemäß der Erfindung·

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Die Erfindung schafft eine verbesserte Schweißbrennerarmatur für das Schweißen von Metallerzeugnissen, insbesondere von dicken, d.h. über 19 nun dicken, Metallplatten im SIGMA-Verfahren sowie ein Verfahren aim Schweißen von Metallerzeugnissen unter Verwendung dieses Brenners. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Schweißarmatur, in der die Schweißpistole derart montiert ist, daß sie um eine

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Drehschwingachse schwingt, die die Spitze der Schweißpistole hindurchgeht. Die schwingende Bewegung der Elektrode ist, im wesentlichen eine Schwenkbewegung um den Schnittpunkt der Achse der Elektrode mit der genannten Drehschwingachse. Die Verwendung dieser Vorrichtung ermöglicht in praktischer Weise das Schweißen dicker Platten mit einer schmalen Schweißfuge und führt zu einwandfreien Schweißnähten. Außerdem ist die Armatur leicht derart abzuwandeln, daß sie einen rein seitlich schwingenden Betrieb zusätzlich zum beschriebenen Drehschwingbetrieb gestattet. Die Armatur ist beim Flachschweißenj Horizontal- oder Vertikal schweiß en verwendbar.

Fig. 1 und 2 zeigen in Seitenansicht bzw. im Schnitt eine vereinfachte bevorzugte·Ausführungsform der Erfindung. Fig. ist eine im Interesse der Übersichtlichkeit teilweise geschnittene Darstellung. Die Schweißpistole 10, die vorzugsweise schwanenhalsförmxg ausgebildet ist, weist einen Pistolenkörper 11, einen gekrümmten oder gewinkelten Hals 12 und eine Pistolehdüse 13 auf. Wie in Fig. 1 im Schnitt dargestellt, weist die Pistolendüse 13 einen Gasmantel 4, eine abschmelzende Elektrode 15» ein Kontaktrohr 16 und eine Klemmeinrichtung 17 zum Feststellen des Kontaktrohres 16 innerhalb der Pistolendüse 13 auf. Das Kontaktrohr 16 führt im allgemeinen den Strom zur Elektrode und dient außerdem zum Einstellen und Führen der Elektrode innerhalb der Pistolendüse 13. Eine Leitung 18 dient zum Zuliefern von Schutzgas zu der Pistole, die Stromzufuhr erfolgt über ein

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Kabel 19» und der Elektrodendraht wird durch die Leitung 2O zum Kontaktrohr 16 geführt. Im Betrieb strömt das Schutzgas durch den Ring 20 in der Düse 12 und schirmt die Schmelzelektrode 14» den Lichtbogen und das von diesem gebildete Sehweißmetallbad ab. Die Schweißpistole 1o ist an einem Glied 30 mittels geeigneter Einrichtungen, wie Schellen 31, 32 und Flügelmuttern 33 (Fig. 2) befestigt. Ein Schlitz 33 ermöglicht ein Einstellen der Schweißpistole am Glied 30. Das Anbauglied 3O ist an einem Tragglied 36 mittels eines Scharniers 37 befestigt. Fig. 2 zeigt einen Drehschwingantrieb 38, der mit dem Anbauglied durch einen an diesem mittels einer flexiblen oder universalgelenkigen Verbindung ho angeschlossenen Armes 39 verbunden ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird durch die Drehung des Antriebsgliedes 38 die Schwingbewegung herbeigeführt. Natürlich könnte eine andere geeignete Antriebseinrichtung verwendet werden.

Gemäß der Erfindung ist die Schweißpistole 10 an dem Glied 30 derart montiert, daß die Spitze der Schweißpistole 10 auf der Drehschwingachse des Scharniers 37 liegt. Bei den meisten handelsüblichen Schweißpistolen bedeutet der Ausdruck "Spite der Schweißpistole" das gleiche wie "Pistolendüse". Da jedoch die Länge der Pistolendüse sehr unterschiedlich sein kann, werden die Bezeichnung "Spitze der Schweißpistole" und ähnlich gefaßte Begriffe im folgenden dazu verwendet, einen äußersten Abschnitt der Pistole von ca. 30 mm (2") Länge, gemessen von der Spitze oder dem Ende der Elektrode aus entlang der Achse derselben, zu bezeichnen.

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, ist in dem Glied 30 ein Schlitz oder eine längliche Öffnung 35 vorgesehen, die es gestattet, die Spitze der Elektrode in bezug auf die Dreh— Schwingachse des Scharniers 37 zu verstellen. Dies· ermöglicht eine Verbesserung der (wirksamen) Breite beim Stumpf-

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schweißen dicker Teile, insbesondere "bei schmaler Schweißfuge. Beispielsweise kann bei den vmrzeldurchläufen die Schweißpistole derart eingestellt sein, daß das Ende des Kontaktrohres 16 auf der Scharnierachse liegt, was zu einer schwenkenden Betriebsweise der Schwingbewegung führt. Nach mehreren Durchläufen kann die Stellung der Schweißpistole derart geändert werden, daß die Spitze des Kontaktrohres unter der Drehachse liegt, wodurch eine größere Länge der seitlichen Elektrodenauslenkung hei jeder Schwingung herbeigeführt wird. Andere Abwandlungen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann nach den Fugenwurzeldurchläufen entsprechend der obigen Beschreibung ein Versteifungsglied 50 zwischen das Anbauglied 30 und das Tragglied 36' eingesetzt werden (!Fig. 3), so daß das Scharnier verriegelt wird, was zur Folge hat, daß, wenn die Einheit in eine schwingende Bewegung versetzt wird, die Bewegungsart eine rein seitliche Schwingung im Gegensatz zu der Schwenkbewegung bei den Wurzeldurchläufen ist. Das Tragglied 36 muß natürlich modifiziert werden, wenn das Scharnier 37 festgesetzt ist, aber ein Schwingen bzw. Oszillieren stattfinden soll.

Beim Schweißen gemäß der Erfindung sind die beiden zu verschweißenden Teile derart angeordnet, daß sie eine allgemein ü-förmige oder V-förmige Schweißfuge bilden. Dann wird eine Schweißpistole oder ein Schweißbrenner mit einer abschmelzenden Elektrode, einem Kontaktrohr und einer Schutzgaszuführeinrichtung an die Schweißfuge derart angestellt, daß minde-,, stens die Spitze der Elektrode sich in der Fuge befindet und die Pistole in der Längsrichtung der Fuge ausgerichtet ist. Dann wird zwischen der Elektrode und dem Werkstück ein Lichtbogen erzeugt, und die Elektrode, der Lichtbogen und das erzeugte Schweißmetallbad werden mittels eines geeigneten Schutzgases, beispielsweise Argon, Helium oder einem Gemisch derselben abgeschirmt. Dann wird der Schweißbrenner um eine Achse durch die Spitze desselben in Drehschwingungen über einen Winkel von etwas weniger als 180° versetzt, so daß der Lichtbogen veranlaßt wird, die

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Schweißfuge zu durchqueren. Es hat sich gezeigt, daß einwandfreie Schweißungen mit Schwingungszahlen von ca. 5 bis ca. 500 Schwingungen je Minute erzeugt werden können. Durch diese schwenkende Betriebsweise der Schwingung wird ein
Kontakt der Düse mit den Wänden der Fuge aufs äußerste vermindert, hingegen ein gutes Benetzen der Wände mit dem
Schweißmetall gewährleistet, d.h. eine einwandfreie Schweißung erzielt. Der Winkel kann im Bereich von ca. 2 bis 90 liegen, bei den meisten Anwendungsfällen genügt jedoch ein Winkel von ca. 5 bis 50 . Die Drehschwingachse sollte vorzugsweise gegenüber der Werkstückfläche um einen Winkel von mehr als 10 geneigt sein.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung können die beim SIGMA-Schweißen üblichen Betriebswerte verwendet werden. Beispielsweise kann beim Schweißen von Aluminium die Stromstärke im Bereich von ca. 100 bis 500 A liegen, die Spannung von ca. 10 bis 40 V, die Liefermenge an Schutzgas
(vorzugsweise 75°/ό Helium und 25$ Argon) 0,566 bis 2,264 m^/h-(20 bis 80 ft /h), der Elektrodenvorschub von ca. 0,9 bis
4,5 kg/h (2 bis 10 lb/h) und die Geschwindigkeit der Brennerbewegung ca. 125 bis 1250 mm/min betragen.

Fig. 4 zeigt eine schmale Doppel-V-Fuge, die mit der
Schweißarmatur gemäß der Erfindung geschweißt werden kann. In strichpunktierten Linien ist ,außerdem eine herkömmliche Doppel-V-Fuge mit einem Fugenwinkel von 60 eingezeichnet. Die letztere würde bei einer 1OO mm (4") dicken Aluminiumplatte 0,94 kg/m (5,4 lb/ft) Schweißmetall erfordern, während für die schmale Fuge 0,71 kg/m (4,1 lb/ft) Schweißmetall ausreicht.

Zur weiteren V_eranschaulichung der Erfindung dient folgendes Beispiel: Zwei ca. 120 mm (4,79") dicke Platten aus
Aluminiumlegierung Nr. 5083 wurden mit stumpfstoßenden

+ (5 - 50 in/min)

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Kanten vertikal angeordnet. Die Kanten der Platte wurden durch Schaffung einer schmalen Doppel-V-Fuge mit einem Schweißfugenquerschnitt von insgesamt 29 cm (^»5 in ) vorbereitet. In eine Schweißarmatur gemäß der Erfindung wurde nun ein Schwanenhals-Schweißbrenner, Modell ST 19 der Linde Division, Union Carbide Corporation, derart eingesetzt, daß die Drehschwingachse durch das Ende des Kontaktrohres hindurchging. Unter Verwendung eines Schweißdraht es aus Aluminiumlegierung Nr. 5183 von 1,6 mm (1/16")

Durchmesser wurden dann die Platten unter einer Stromstärke von 205 bis 215 A und bei einer Nachströmjjeschwindigkeit des Schutzgases (75% Helium und 25% Argon).von ca, 2,04 nrVh (65 ft^/h) aneinandergeschweißt. Die Elektrode wurde in eine schwingende Bewegung von 60 Schwingungen je Minute bei einem Schwingungswinkel von ca. 5 bis 30 versetzt. Insgesamt waren zum vollständigen Ausfüllen der Schweißfuge h5 Schweißdurchgänge erforderlich. Vergleichsweise erfordert eine Handschweißung bei einer herkömmlichen Doppel—V-Fuge mit 60 Fugehwinkel und mit einem Querschnitt von 53 cm (8,6 in ) ungefähr 75 Durchgänge. Wie ohne weiteres ersichtlich, ermöglicht die Erfindung eine wesentliche Verminderung sowohl der Gesamtschweißzeit als auch des Aufwandes an Schweißnahtfüllmaterial beim Schweißen dicker Platten. Diese Verbesserung ermöglicht es, die Kosten des Schweißens bei der Herstellung großer Konstruktionen, wie Tanks, für die Großraumlageruiig und den —transport von Flüssigkeiten bei kryögenen Temperaturen erheblich zu senken. In solchen Anwendungsfällen sind mitunter Tausend und mehr Meter Schweißnähte hoher Quali-

tat erforderlich, um die ganze Konstruktion fertigzustellen, und die Schweißarbeiten haben einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten eines solchen Tanks.

Es ist offensichtlich, daß mannigfaltige Abwandlungen und

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Verbesserungen ohne Abweichen vom Erfindunp;sf;edanken möglich sind.

Patentansprüche - Schutzansprüche

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Claims

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Pat entansprüche

Verfahren zum Stumpfschweißen dicker Metallplatten mit einer abschmelzenden Elektrode, die durch ein Schutzgas abgeschirmt ist, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) zwei Platten Kante an Kante aneinandergelegt werden, so daß sie eine U-, V- oder X-förmige Schweißfuge bilden;

(b) einen Schweißbrenner, der eine abschmelzende Elektrode und eine Führungseinrichtung für diese aufweist, an die Fuge derart angestellt wird, daß die Spitze der Elektrode sich in der Fuge befindet, und der Brenner in bezug auf die Fuge ausgerichtet liegt;

(c) zwischen der Elektrode und dem Grund der Fuge ein elektrischer Lichtbogen erzeugt wird;

(d) der Lichtbogen in eine schwingende Bewegung versetzt wird, indem der Schweißbrenner in eine Drehschwingung über einen Bogen von weniger als 180 um eine Drehschwingachse versetzt wird, die durch die Spitze des Schweißbrenners hindurchgeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode, der Lichtbogen und das vom Lichtbogen erzeugte Schweißmetallbad durch ein Schutzgas abgeschirmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten Aluminiumplatten sind.

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h. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas ein Gemisch von Helium und Argon ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen durch Hindurchschicken eines Stromes von ca. 100 bis 500 A zwischen der Elektrode und den Metallplatten erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen in eine schwingende Bewegung quer zur Fuge mit ei ner Frequenz von ca. 3 bis ca. 500 Schwingungen je Minute versetzt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Form einer Armatur für das Schweißen von Metallerzeugnissen, gekennzeichnet durch

(a) ein Tragglied;

(b) ein Anbauglied, das mit dem oberen Teil des Traggliedes gelenkig verbunden ist;

(c) einen Schweißbrenner, der an dem Anbauglied derart montiert ist, daß die Drehschwingachse der Gelenkverbindung durch die Spitze des Schweißbrenners hindurchgehtj und

(d) einen Drehschwingantrieb für das Anbauglied und. den Schweißbrenner zum Antrieb desselben über eine Bogenlänge von weniger als 180 um die Drehschwingachse.

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S. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner eine abschmelzende Elektrode, ein Kontaktrohr zur Führung der Elektrode und eine Zuführeinrichtung für ein Schutzgas aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurcli gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner im allgemeinen schwanenhalsförmig ausgebildet ist.

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