DE2507448C2 - Verfahren zum Verschweißen der Enden zweier rohrförmiger Teile mittels eines sich in Umfangsrichtung der Rohre bewegenden Lichtbogens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschwel- w ßen zweier rohrförmiger Teile längs ihrer sich gegenüberliegenden Kanten, bei dem die beiden zu verschweißenden Rohre so eingespannt werden, daß zwischen ihren benachbarten Kanten ein Spalt gebildet wird, in welchem ein elektrischer Lichtbogen gezogen wird, der durch ein radiales magnetisches Gleichfeld in dem Spalt längs der Kanten in Umfangsrichtung der Rohre bewegt wird, wobei der Lichtbogenstrom nach einem bestimmten Programm in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert wird und die Kanten der Rohre zum Verschweißen gegeneinandergedrückt werden.

Bei diesem, in der US-PS 34 84 578 bzw. der DE-AS 65 041 beschriebenen bekannten Verfahren rotiert der Lichtbogen zwischen den Enden zweier zu verschweißender Rohre längs des kreisförmigen Weges. der durch die Enden der Rohre gegeben ist; die Rotation wird mittels eines Magnetfeldes bewirkt, was sich radial durch den Spalt zwischen den Enden der Rohre bewegt. Die Reaktion zwischen dem Magnetfeld, das sich um den Lichtbogen infolge des zwischen den Enden der beiden Rohre fließenden Stromes aufbaut und dem radialen magnetischen Feld, stellt die Bewegung des Bogcns auf einem kreisförmigen Weg sicher, wobei der Lichtbogenstrom in Abhängigkeit von der Zeit durch ein Programm gesteuert wird.

Die DE-AS 10 23 837 betrifft insofern eine andere Arbeitsweise, als mit einer ummantelten Elektrode geschweißt wird, wobei eine Naht fuge geschlossen werden soll, nachdem die Wurzellage und weitere Lagen bereits geschweißt sind. Mit diesem bekannten Verfahren ist es nicht möglich, die Schweißung über die Gesaintdicke des Werkstückes oder, wenn es sich um ein Rohr mit großer Wandstärke handelt, über die gesamte Querschnittsfläche der Rohrenden durchzuführen. Bei dem bekannten Verfahren wird auch kein rotierender Lichtbogen verwendet, sondern eine Vielzahl nebeneinanderliegender Lichtbögen.

Das eingangs beschriebene bekannte Verfahren, von dem die Erfindung ausgeht, ist beim Schweißen von dünnwandigen Rohren mit relativ kleinem Durchmesser, beispielsweise von Rohren mit einem Durchmesser von 5 oder 7,5 cm und einer 6,3 mm nicht überschreitenden Wandstärke, erfolgreich eingesetzt worden. Bei dem Versuch, Rohre mit einer größeren Wandstärke zu schweißen, stellte sich heraus, daß der Lichtbogen nur über einen Streifen an der inneren Kante der Rohre gezogen wurde, der auf den Durchmesser des Lichtbogens begrenzt ist, so daß eine unvollständige Erwärmung der Kantenoberflächen auftrat. Dadurch schmolzen die Kanten unvollständig auf, was zu einer äußerst schlechten Schweißverbindung führte.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht darin, bei einem Lichtbogen-Schweißverfahren mit einem rotierenden Lichtbogen zum Verschweißen der Ende.i zweier Rohre sicherzustellen, daß die Querschnittsflächen der Rohrenden möglichst vollständig erwärmt werden, so daß auch Rohre mit planen Stirnflächen und einer Wandstärke miteinander verschweißt werden können, die stärker ist als der Lichtbogendurchmesser.

Ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtbogen durch ein zweites, koaxial zu den zu verschweißenden Teilen verlaufendes axiales magnetisches Feld, das im Innerei: der Rohre im Bereich des Spaltes mittels eines elektrisch leitenden, koaxial zu den zu verschweißenden Rohren angeordneten gleichstromdurchflossenen Hohlzylinder·; erzeugt wird, bei seiner Bewegung in Umfangsrichtung zusätzlich in radialer Richtung verschoben und auf spiralförmigen Bahnen bewegt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Steuerung des Lichtbogens so, daß der Lichtbogenstrom während des anfanglichen Erwärmungsprozesses bis die zu verschweißenden Kanten eine bestimmte Temperatur erreicht haben, nur langsam ansteigt und die Stromstärke anschließend bis eine dünne Schicht geschmolzenen Materials an den Kanten der zu verschweißenden Rohre gebildet wird, schnell erhöht wird.

Der entscheidende Vorteil gegenüber dem Gegenstand nach der DE-AS 10 23 837 ist darin zu sehen, daß beim Verfahren nach der Erfindung zwischen den Rohrenden ein Lichtbogen gezogen wird, der um die Rohrachse rotiert und der durch das Hilfsfeld so beeinflußt wird, daß er spiralförmig die gesamte Querschnittsfläche erfaßt. Eine derartige Beeinflussung über die Tiefe der Schweißnaht ist über das Hilfsfeld, das bei dem bekannten Verfahren benutzt wird, weder beabsichtigt noch möglich, da es ausschließlich dem Zweck dient, den Lichtbogen, der auch nicht /wischen den zu verschweißenden Enden, sondern zwischen einer Elektrode und dem Werkstück gezogen wird, in Querrichtung abzulenken, um die Fuge /11 schließen. Durch die Verwendung eines /weiten, \oilig getrennten magnetischen leides, das konzentrisch zu den /u

verschweißenden Teilen verläuft und im Inneren der Rohre im Bereich des Spaltes erzeugt wird, ist es möglich, eine spiralförmige Bewegung des Lichtbogens zu erzeugen, die eine ausreichende Erwärmung des gesamten Querschnittbereiches der Röhrenden sicherstellt. Aul diese Weise lassen sich sehr gute Schweißverbindungen bei minimaler Entkohlung des Materials im Schweißbereich auch beim Verschweißen von Rohren erzielen, deren Wandstärke größer ist als der Durchmesser des Lichtbogens.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Einrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Lichtbogens,

Fi g. 2 und 3 in schematischer, vergrößerter Darstellung einige der Kräfte, die auf den rotierenden Lichtbogen einwirken,

Fig.4 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung, die die Beziehung zwischen den Magnetfeldern zeigt, die die Bewegung des Lichtbogens hervorrufen,

Fig.5 den Weg des Lichtbogens während des Schweißens,

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung des Lichtbogenstroms in bezug auf die Zeit,

F i g. 7 eine perspektivische Darstellung einer Maschine zur Durchführung des Verfahrens, und

F i g. 8a und 8b Querschnitte durch elektrisch leitende Teile, die bei dem Verfahren benutzt werden.

Bei der auf Fig. 1 dargestellten Einrichtung sind mit 1 und 2 dickwandige Rohre bezeichnet, die miteinander verschweißt werden sollen, mit 3 die Spulen oder Dauermagnete, die das radiale magnetische Feld erzeugen, das die Drehung des Bogens bewirkt. Zusätzlich hierzu wird eine hohle, elektrisch leitende Trommel verwendet, die innerhalb der zu schweißenden Rohre liegt und so ausgerichtet ist, daß sie innerhalb der Rohre an dem Spalt zwischen den beiden Rohren w zentriert ist. Eine Gleichstromquelle liefert eine gleichgerichtete Spannung, die in Richtung der Pfeile durch die Trommel 9 hindurchtritt. Das Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, der durch den Abschnitt der Trommel in allernächster Nähe der Rohre, die ■*> verschweißt werden sollen, verläuft, reagiert mit dem Magnetfeld um den rotieren Bogen und bewirkt, daß der Lichtbogen sich in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses in der Trommel in bezug auf die Richtung des Stromflusses, im Lichtbogen nach außen oder innen 5" bewegt. Die F i g. 2 und 3 zeigen schematisch die Wirkung, die sich durch den Einfluß dieser Magnetfelder ergibt. In F i g. 2 ist der Lichtbogen und die Richtung des Stromflusses durch den Lichtbogen zwichen zwischen Kanten der Rohre 1 und 2, mit 5 bezeichnet. Ein Segment der Trommel parallel zur Achse der Rohre ist mit 11 bezeichnet. Der Pfeil zeigt die P.ichtung des Stromflusses durch dieses Segment. Infolge des Stromflusses durch den Lichtbogen zwischen den Segment wird eine Kraft zwischen dem Lichtbogen und dem Segment erzeugt. Da die Ströme in der gleichen Richtung fließen, wirkt die Kraft in einer Richtung, die den Lichtbogen und die .Segmente zusammenzubringen sucht. Da (!as Segment fest an der Trommel sit/t. bewegt sich der Lichtbogen nach innen gegen das Segment längs eines spiralförmigen Weges, der sich durch die Umfangs- und die radialen Kräfte ergibt, die auf den Lichtbogen einwirken. Fig. 3 zeigt schematisch die Kräfte zwischen dem Segment 11 und dem Lichtbogen 5, wenn die Ströme in entgegengesetzten Richtungen fließen. In diesem Fall wirkt die Kraft in einer Richtung, die den Bogen und das Segment auseinanderzudrücken sucht, so daß der Lichtbogen sich nach außen bewegt.

F i g. 4 ist eine schematische, perspektivische Darstellung, die die verschiedenen Felder und Ströme zeigt, die auf den Lichtbogen einwirken. Der durch die Trommel fließende Strom erzeugt konzentrisch zu den Rohren 1 und 2 einen Kraftfluß in dem Spalt, der mit dem Magnetfeld um den Lichtbogen reagiert, so daß eine spiralförmige Bewegung des Lichtbogens, wie es in F i g. 5 mit den gestrichelten, spiralförmig verlaufenden Linien 10 angedeutet ist, hervorgerufen wird. Bei Verwendung einer Wechselstromquelle mit niedriger Frequenz für den Lichtbogen wurde festgestellt, daß dieser, nachdem der Bogen zwischen den Kanten der zu schweißenden Rohre gezogen ist, fortschreitend spiralförmig nach außen gegen die äußere Kante wandert, und, wenn die Polarität des Stromes sich umkehrt, der Bogen spiralförmig nach innen wandert, und zwar abwechselnd einmal nach innen und einmal nach außen bis die Temperatur der beiden Oberflächen die geeignete Schmelztemperatur erreicht hat.

Es wurde ferner festgestellt, daß es zweckmäßig ist, den Lichtbogenstrom in bezug auf die Zeit, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, zu programmieren, um so eine Schweißnaht mit minimaler Entkohlung und Stauchung und einem Maximum an Zugfestigkeit zu erhalten.

Aus der graphischen Darstellung ergibt sich, daß der Lichtbogenstrom zunächst einen sehr kleinen Wert hat und von diesem aus langsam ansteigt, so daß die Oberflächen der Enden der Rohre, die miteinander verschweißt werden sollen, vorbereitet und erwärmt werden. Während dieses ersten Abschnittes des Schweißprogramms wird die Temperatur am Ende des Rohres unterhalb der Temperatur gehalten, bei der eine schnelle Entkohlung stattfinden würde. Gegen Ende des Schweißprogramms wird die Stromstärke sehr schnell erhöht und das Werkstück schnell auf die geeignete Schmelztemperatur gebracht, auf der es für eine kurze Zeit gehalten wird, wie der waagerecht verlaufende Abschnitt der Kurve zeigt. : »er Strom wird dünn gleichzeitig mit dem Anlegen des Stauchdruckes abgeschaltet und die Schweißung so vervollständigt.

Bei Anwendung dieses Verfahrens verflüssigt sich nur eine dünne Schicht des Materials an den Kanten der Werkstücke und kann nur sehr kurze Zeit in flüssigem Zustand bleiben bevor es während des. Stauchens zusammengedrückt wird. Aus diesem Grunde verliert nur diese sehr kleine Materialmenge an der Grenzfläche Kohlenstoff und nur sehr wenig Material hinter der flüssigen Phase erreicht den plastischen Bereich, so daß auch nur sehr wenig Material verpreßt wird. Weil durch die beschriebene Programmierung des Lichtbogenstroms nur eine sehr kleine Metallmenge in den plastischen Zustand gebracht wird, ermöglicht das feste Metall hinter dieser dünnen plastischen Zone eine wirksamere Übertragung der Stauchkraft auf den Schweißbereich. Die Programmierung kann durch Verwendung eines Umformers, der die Stromquelle für den Lichtbogen speist, und von einem Motor mit veränderbarer Leistung angetrieben wird, in einfacher Weise erfolgen. Man kann auch einen sattigbaien Reaktor verwenden, der von einem geeigneten programmierbaren Steuergerät gesteuert wird.

Eine typische Maschine /ur praktischen Durchfall-

rung des Verfahrens ist in F i g. 7 dargestellt; der Rahmen der Maschine hat die Form eines Tisches, auf den eine feste Platte 12 und ein beweglicher Schlitten 13 montiert sind, die mit Klemmeinrichtungen 14 versehen sind, die durch hydraulische oder pneumatische ί Druckeinrichtungen 15 betätigt werden. Diese werden durch zwei Stützen 16 gehalten, von denen die eine an dem festen Tisch und die andere an dem beweglichen Wagen befestigt ist. Wenn die hydraulischen oder pneumatischen Zylinder 15 betätigt werden, bewegen "' sich die Klemmen 14 nach unten und ergreifen die beiden Abschnitte des Rohres 19, die geschweißt werden sollen. Am linken stationären Abschnitt der Maschine ist ein starres Widerlager 17 vorgesehen, so daß. wenn der Schlitten 13 sich während des Stauchens nach links bewegt, der Druck, der durch den Block 18, der an dem beweglichen Schlitten befestigt ist, auf das rechte Rohr aufgebracht wird, durch die Reaktion des festen Widerlagers 17 aufgenommen wird. Die permanenten Magnete oder die Elektromagnete, die das Feld zum Rotieren des Lichtbogens erzeugen, liegen innerhalb der Klemmen 14.

Der Lichtbogenstrom wird den Rohren durch Verbindungen zugeführt, die an dem festen Tisch und dem beweglichen Wagen eingerichtet werden, der 2> gegenüber dem Rahmen und der stationären Platte isoliert ist. Die Zylinder, durch die der Strom fließt, um das magnetische Feld zu erzeugen, durch das der Bogen während des Schweißens nach außen gedrückt wird, werden durch das Widerlager 17 über ein leitendes so Verbindungsstück, das gegenüber dem Widerlager 17 isoliert und an diesem befestigt ist, gehalten. Ein ähnlicher Leiter am entgegengesetzten Ende des Zylinders drückt gegen eine federnde Kontaktklemme, über die Strom von einer Gleichstromquelle über die Klemme zu dem Leiter durch den Zylinder und durch das leitende Verbindungsstück zur Stromquelle zurückfließt. Dadurch wird der Strom zum Aufbau des Feldes zugeführt, das konzentrisch zur Achse der Rohre liegt; der Block 18 auf dem Wagen 13 kann sich frei bewegen, ohne den Leiter innerhalb des Rohres zu beschädigen.

Andere Einrichtungen zum Abstützen des Zylinders während der Bewegung des Wagens sind in Fig. 8a dargestellt. Ein hohler Kupferzylinder 19 wird durch eine Stange 20 aus leitendem Material gehalten, die an dem Widerlager 17 befestigt ist, das seinerseits auf dem Rahmen der Maschine angeordnet ist. Die leitende Stange 21, die frei in der ebenfalls leitenden Traghülse 26 gleiten kann, wird durch eine Feder 22 nach rechts gedrückt, die durch entsprechende Rückhalteeinrichtungen 24 und 25 gehalten wird. Eine elektrische Isolierung 23 verhindert, daß Strom durch die Feder übertritt. Wenn der Wagen ganz nach rechts bewegt wird, können die zu schweißenden Teile über den Zylinder gelegt und in der richtigen Stellung durch die Klemmen 14 befestigt werden. Der Wagen wird dann nach links verfahren. Wenn die zu schweißenden Teile in der Schweißstellung dicht aneinanderliegen. berührt das Ende der leitenden Stange 21 die Klemme 28, wie es in Fig. 8b dargestellt ist. die an dem Block 18 durch Isolatoren 29 isoliert befestigt ist. Eine geeignete Stromquelle, deren Ausgang steuerbar ist, wird zwischen dieser Klemme 28 und dem Rahmen der Maschine angeschlossen, so daß Strom von der Stromquelle durch den hohlen Zylinder fließen kann, um das Magnetfeld zu erzeugen, das dafür sorgt, daß der Lichtbogen sich nach außen und innen bewegt, wenn er sich zwischen den Kanten der zu schweißenden Teile dreht. Während des Stauchens, wenn die beiden Teile durch die Bewegung des Wagens nach links zusammengedrückt werden, gleitet die leitende Stange 21 innerhalb der Hülse, so daß die Stauchkraft unbehindert auf die zu schweißenden Teile aufgebracht werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verschweißen zweier rohrförmiger Teile längs ihrer sich gegenüberliegenden Kanten, bei dem die beiden zu verschweißenden Rohre so eingespannt werden, daß zwischen ihren benachbarten Kanten ein Spalt gebildet wird, in welchem ein elektrischer Lichtbogen gezogen wird, der durch ein radiales magnetisches Gleichfeld in dem Spalt längs der Kanten in Umfangsrichtung der Rohre bewegt wird, wobei der Lichtbogenstrom nach einem bestimmten Programm in Abhängigkeit von der Zeit gesteuert wird und die Kanten der Rohre zum Verschweißen gegeneinandergedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen durch ein zweites, koaxial zi· den zu verschweißenden Teilen verlaufendes axiales magnetisches Feld, das im Inneren der Rohre im Bereich des Spaltes mittels eines elektrisch leitenden, koaxial zu den zu verschweißenden Rohren angeordneten gleichstromdurchflossenen Hohlzylindcrs erzeugt wird, bei seiner Bewegung in Umfangsrichtung zusätzlich in radialer Richtung verschoben und auf spiralförmigen Bahnen bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Lichtbogens so erfolgt, daß der Lichtbogenstrom während des anfänglichen Erwärmungsprczesses bis die zu verschweißenden Kanten eine bestimmte Temperatür erreicht haben, nur langsam ansteigt und die Stromstärke anschließend bis eine dünne Schicht geschmolzenen Materials an den Kanten der zu verschweißenden Rohre gebildet wird, schnell erhöht wird.