DE2522923A1 - Vorrichtung zum schweissen enger fugen - Google Patents

Vorrichtung zum schweissen enger fugen

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DE2522923A1
DE2522923A1 DE19752522923 DE2522923A DE2522923A1 DE 2522923 A1 DE2522923 A1 DE 2522923A1 DE 19752522923 DE19752522923 DE 19752522923 DE 2522923 A DE2522923 A DE 2522923A DE 2522923 A1 DE2522923 A1 DE 2522923A1
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welding head
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Matthew J Lucas
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Babcock and Wilcox Co
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Babcock and Wilcox Co
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Description

\De· \Z>becnaeiL t/Camaiedi
PATENTANWALT
21. Mai 1975 Anw.-Akte: 27.85
PATENTANMELDUNG
Anmelder; The Babcock & Wilcox Company
161 East 42nd Street, New York, N. Y. 10017
Titel: Vorrichtung zum Schweißen enger Fugen.
Die Erfindung betrifft das Verbindungsschweißen von dicken. Blechen, insbesondere das Schweißen von. dicken Blechen mit enger Fuge unter Verwendung von. abschmelzbaren, gasgeschützten Elektroden.
Bisher sind dicke Bleche durch verschiedene Verfahrens verbunden worden, z. B. durch Unterpulverfahren. oder dergleichen, jedoch sind die zu verbindenden benachbarten Flächen bearbeitet oder sonstwie im voraus vorbereitet worden, um eine "V" -Kerbe zu bilden, die ein großes Volumen hat, welches mit Metall gefüllt werden muß, um die Verbindung zu bilden. Solche Schweißnähte haben, sich als qualitativ hochwertig erwiesen, benötigen, jedoch viel Zeit und große Schweißgutvolumina, um den Spalt zu füllen und dadurch die benachbarten Kanten der Bleche zu verbinden.
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In den. vergangenen. Jahren, war eine Schweißkonzeption, bei der der Spalt oder die Fuge eng ist, Gegenstand von experimentellen. Arbeiten, wobei Patente für verschiedene Betriebsverfahren. und Vorrich.tungskombination.en ausgestellt worden sind, die vorgesehen sind, um eine solche Schweißung zu bewirken. So sind z. B. das US-Patent 3 325 626 und das britische Patent 1 205 208 ausgestellt worden, welche die allgemeine Konzeption, des Schweißens mit engem Spalt zeigen. Bis heute hat sich noch keine der vorgeschlagenen Anordnungen für das Schweißen mit engem Spalt als im Einsatz erfolgreich erwiesen. Es gibt zahlreiche Gründe für den. Mißerfolg, aber gewöhnlich stehen, dieselben alle im Zusammenhang mit der Schwierigkeit, eine qualitativ hochwertige Schweißnaht wirtschaftlich herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Betriebsverfahren. zu schaffen, die weitgehend die Schwierigkeiten überwinden, welche auftauchen, wenn man. Aggregate konstruieren will, um Bleche zu schweißen, deren Stärke 2" überschreitet.
Diese Aufgabe wird erfin.dungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu schweißenden Bleche in einem Abstand von 1/4 bis 1/2 Zoll zueinander angeordnet werden und im allgemeinen, gerade Seitenwände aufweisen. Die Seitenwände der Fugen, werden nicht notwendigerweise auf hohe Toleranzwerte bearbeitet, sind jedochjffi wesentlichen glatt, wobei die Yorsprünge auf denselben nicht mehr als ein paar Tausendstel eines Zolls von der Fläche der Ebene der Fugenseitenwände abweichen.
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Es wurde festgestellt, daß, um eine einwandfreie Schweißverbindung zu erhalten, der abschmelzbare Schweißdraht in. der Fuge zentriert werden muß und der Lichtbogenbildungsstrom von der Spitze der Elektrode ausreichend sein, muß, um die Seitenwände der Naht zu überbrücken. Die Wahl der richtigen Spannung und Stromstärke sowie der richtigen. Schweißgeschwindigkeit muß eng koordiniert werden, um eine einwandfreie Verbindung zu erhalten. Außerdem wurde festgestellt, daß ein Schutzgasschild dicht bei dem Schweißlichtbogen vorgesehen werden, muß, um die Schweißnaht während der Bildung zu schützen, sowie um einen genügenden Einbrand und eine angemessene Bentzung der Blechwände zu ermöglichen., damit eine einwandfreie Schweißverbindung hergestellt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in. der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Pig. 1 einen Aufriß, teilweise im Schnitt eines Schweißkopfs und Schilds,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Vorderansicht der Sohweißkopf-Mon.tageeinrichtung für die Herstellung einer Schweißnaht mit engem Spalt,
Fig. 4- eine teilweise Draufsicht auf einen. Schweißkopf, der sich in einem engen. Spalt befindet und
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht der in. Fig. 3 dargestellten Anordnung.
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Beim Schweißen mit engem Spalt oder enger luge sind die benachbarten. Wände 1/4 bis 1/2 Zoll auseinander und die Tiefe der mit Schweißgut zu füllendes. !Fuge kann 2 bis 10 Zoll oder mehr betragsru Um unter diesea. Umständen eine qualitativ hochwertige Schweißnaht au erweichen, muß der absehmelzbare Schweißdraht genau geführt werden und der Lichtbogen muß sich in. der Mitte der 3?uge befinden und durch eine geeignete GasatmosplaäEe geschützt werden. Dies kann dadurch erreicht werden» daß man. einen Sehweißkopf verwendet, der in. die Puge hineinragt und einen isolierten. Weg für den Durchtritt des Schwaißdrahts bildet.
Wie es aus den !Figuren. 1 und 2 hervorgeht9" ist ein Sehweißkopf 10 dargestellt, dessen Breite etwa 1/4 Zolle und dessen. Länge etwa 5 Zoll beträgt, Me dargestellte Siefe beträgt etwa 4 Zollj der gezeigte Kopf kann ©ingesetzt werden..,. um Bleche mit einer Stärke tob. etwa 4 Zoll und weniger zu schweißen* Bei einer größeren Bleohstärke 7/ürde sin Kopf alt einer entsprechend _größeren üüiefe sur Terwendung kommen.
Bei. der dargestellten Ausführungsform "bestellt der Sohweiß» kopf 10 im allgemeinen aus zwei feileUj wobei das Schweiße daraat-Silhrungsstück 11 mit -einem vertikal verlaufenden Drahtkanal 11A lösbar an. Flügel- oder Endstücken 12 und 13 angeschlossen ist, wodurch sin starrsr, geschlossener Schweißkopf gebildet wird,
Wahlweise kann, der Schweißkopf 10 aus einem"Stück hergestellt werden. Bei der beschriebenen Ausführung unterliegt
jedoch, das Führungsstück 11 stärksten. Beanspruchungen, und kann, notfalls ersetzt werden.. Die Endstücke 12 und 13 haben, gegenläufig abgeschrägte, gegenüberliegende Bodenflachen 14 bzw. 15» die jeweils zu einer konischen: Inn.en.aussparung 16 bzw. 17 offen, sind, die je mit Gas beaufschlagt wird, um den Lichtbogen, während des Schweißens zu schützen. Jede Aussparung 16 und 17 wird mit Gas über Rohre 18 bzw. 20 beaufschlagt, und jede ist mit einem aus porösem Metall bestellenden. Verteiler 21 ausgestattet, um das Gas zum Austritt durch die Öffnungen 14 und 15 zu verteilen, die mit Stahlwolle gefüllt sind.
Das Führungsstück 11 des Kopfs ist weiterhin mit Wasserkühlkanälen 24 versehen, um eine zweckmäßige Temperatur darin, aufrechtzuerhalten. Der Schweißkopf 10 ist mit Öffnungen 25 und 26 in der Nähe des unteren Endes der Flügel- oder Endstücke 12 und 13 für die Einführung von Wirbelstromoder Magnetwächtern. 27 und 28 ausgestattet, welche verwendet werden, um die genaue seitliche Lage des Sohweißkopfs 10 gegenüber den Seitenwänden der Fuge zu überwachen.
Der in den. Figuren. 1 und 2 dargestellte Schweißkopf 10 ist aus verschiedenen. Materialien gebaut worden; am besten bewährt hat sich dabei bisher ein mit keramischem Material beschichtetes metallisches Material. Es ist klar, daß der Schweißkopf von. dem zu schweißemden Werkstück elektrisch isoliert sein muß und daß seine Beschichtung gegenüber Verformung durch örtliche Erhitzung sowie auch gegen Abriebvers ohleiß beständig sein muß, da der Sohweißkopf 10 Vorsprünge auf den die Fugenwand bildenden Flächen berühren
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Der letztgenannte Zustand kann, eintreten, wenn, die "bei® Sahweißen der Uatit vorkommende Wärme eine gewisse Verformung der 3?ugenwände hervorruft, wodurch das QuersGäoalttsmaß der fuge eine Änderung erfährt. Der Schweißkopf ist ie* aus Aluminium gebaut worden, wobei seine lläelie eloxiert wurde, um einerseits einen Elektroisolator zu bilden und andererseits beständig gegenüber Verschleiß au sein. Es können auch andere Materialien gewählt werden, die die Forderung erfüllen, widerstandsfähig gegen. Strom unö gleichzeitig verschleißfest zu sein.
Beiia Einbau und Betrieb des Sohweißkopfs 10 ist es notwendig, di© Konstruktion ausreichend steif auszubilden, damit sie sieii aieht verformt und damit sie nicht auf den. Wänden der l?uge reibt. Bei einer Ausführungsform der Konstruktion ist ein. Metallstab 29 bzw. Metallütäbe auf das.obere Ende des Kopfes 10 gelegt würden, um als Versteifung zu wirken·.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißen mit enger ]?uge wird der Schweißkopf 10 im die enge Fuge eingesetzt, um- ein dieser Schweißgut niederzubringen· Unter diesen Umständen ist es erforderlich, daß die den Schweißkopf tragende Konstruktion starr an dem Ssliweißkopf befestigt wird, während sie soharf gesteuerte Bewegungen des Schweißkopfes gegenüber dem Werkstück erlaufet. Solche Bewegungen der Tragkonstruktion erfolgen in. Längsrichtung einer luge, seitlich zur Fuge und vertikal inaerlialb der Puge. Gewöhnlich ist es "beim Schweißen von grGfoea Werkstücken wünschenswert, daß das Werkstück sich gegenüber dem Schweißkopf bewegt. Unter gewissen Umständen ist es jedoch erforderlich, daß der Sohweißkopf and seine
Tragkonstruktion, gegenüber der Fuge bewegt werden., besonders entlang dem längsmaß der Fuge. Es ist den. Fachleuten. bekannt, daß es schwierig ist, ein.e Längsbewegung eines Schweißkopfs gegenüber einem festen Werkstück durchzuführen, weil es kompliziert ist, leitungen, für Strom- und Gasanschlüsse an«dem Schweißkopf zu befestigen und das Kühlwasser zum und aus dem Schweißkopf 10 zu leiten, .
Bei der in. den Figuren. 31 4 und 5 dargestellten. Ausführungsform sind der Sehwelßkapf 10 und seine zugehörigen. Teile in. einer im allgemeinen festen. Lage auf einer Tragkonstruktion. 30 montiert, während das Werkstück 31 mit einer gesteuerten Geschwindigkeit in. Längsrichtung der Fuge 40 gegenüber der im allgemeinen festen. Lage des Schweißkopfs 10 bewegt wird. Unter diesen Umständen ist es notwendig, daß der Kopf 10 seilich zur Fuge z.B. durch Handrad 37 bewegt wird, um den. Lichtbogen, gegenüber der Fuge zentriert zu halten. Die notwendige vertikale Bewegung des Schweißkopfes 10 gegenüber dem Werkstück 31 erreicht man. durch eine motorbetätigte Vorrichtung 39» die so angeordnet ist, daß sich ihr unteres Teil gegenüber der Unterstützung 30 bewegt. Da bei der vorliegenden. Erfindung die Elektrode abschmilzt, kann die Quelle der Elektrode oder des Schweißdrahts 32 auf der Schweißkopf-Tragkonstruktion 30 montiert werden und nimmt gewöhnlich die Form einer Trommel 33 an, auf der der Schweißdraht aufgewickelt ist. Alternativ kann die Drahttrommel getrennt montiert werden. Der Draht 32, der die Trommel verläßt, läuft durch eine Geschwindigkeitsmeßvorrichtung 34, eine Richtvorrichtung 35 und eine mit geregelter Geschwindigkeit betriebene Antriebsvorrichtung 36, um durch den. Schweißkopf 10 geleitet zu werden. Die
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Anordnungen, durch die eine Schweißvorrichtung gegenüber einem Werkstück montiert wird, sind in der Schweißtechnik bekannt, und weitere Einzelheiten einer Anordnung, wie sie dargestellt ist, werden für das Verstehen der Erfindung nicht als erforderlich angesehen.
Gemäß der Darstellung in Fig. 5 wird der Schweißkopf 10 in die Fuge 40 eingeführt, die durch die Wände 41 und der Bleche 43 und 44 gebildet wird. Die Bleche 43 und werden zueinander durch ein Blech 45 in· ihrer Lage gehalten, welches die Breite der Fuge überspannt und weiter durch einen Hinterlegstab oder durch Hinterlegstäbe (nicht dargestellt) im erforderlichen Maße verstärkt werden kann.
Der Schweißkopf 10 ist mit einem oberen Schild 46 versehen, der lose den Kopf 10 umschließt und auf der Oberfläche der Bleche 43 und 44 ruht» Der Schild 46 wird mit einem Lichtbogens chutzgas, wie nachstehend beschrieben, beaufschlagt, um solches Gas in die oberen Bereiche der Fuge 40 als Ergänzung zu dem Gas einzuführen, daß durch den Kopf 10 über die Kanäle 16 und 17 strömt, wie in Figur 1 dargestellt. Wenn aufeinanderfolgende Lagen im Unterteil der Fuge niedergebracht werden, dann wird der Schweißkopf 10 stufenweise vertikal in der Fuge bewegt, wobei der Schild 46 in seiner vertikalen Stellung gegenüber der Oberfläche der Bleche 43 und 44 verbleibt. Der Schild 46 ist auf seiner Unterflache mit Rollen ausgestattet, die auf den Blechen 43 und 44 rollen, und ist vorzugsweise mit Maschendraht-Gasdiffusoren ausgerüstet, die auch das Gas nach unten in die Fuge 40 lenken. Der Schild ist für die Zwecke des Liohtbogenschutzes äußerst wichtig, wenn sich das
Schweißgut in der Fuge 40 der Oberfläche der Bleche 43 und 44 nähert.
Um ein. einwandfreies, qualitativ hochwertiges Schweißgut zu erhalten., ist es wesentlich, die Relativbewegung des Schweißkopfes und des Werkstücks in. Längsrichtung der !Fuge zu koordinieren und gleichzeitig die Geschwindigkeit der Drahtzuführung zum Lichtbogen sowie den. Stromeingang in den Lichtbogen, genau zu regeln. Dies erreicht man durch eine elektrische Regelung, die durzc die genaue, sofortige Messung des Drahtabstands zwischen, dem ln.de des Schweißkopfs 10 und der Schweißlage, die in. der Fuge niedergebracht wird, betätigt wird. Diese Regelung mißt den Lichtbogenstrom, und jede Änderung desselben wird durch eine Änderung der Drahtzuführungsgeschwindigkeit ausgeglichen.
Um die Elektrode seitlich der Fuge zu zentrieren,.wurde es als möglich befunden, die Seitenbewegung des Schweißkopfs gegenüber den Wänden, der Fuge von Hand zu regeln und dadurch den Schweiß-Lichtbogen zu sentrieren. Dies wird durch die Verwendung von optischen Geräten für die Bestimmung der genauen Lage des Lichtbogens gegenüber der Breite der Fuge ermöglicht. Mechanische Vorkehrungen sind auch möglich, jedoch ist es im Nutzungsfcetrieb wünschenswert, die seitliche Lage des Schweiß-Lichtbogens gegenüber der Breite der Fuge automatisch zu regeln, und dies kann am besten durch die elektromagnetischen Wächter 27 und 28 geschehen, die über ein Uullwaagensystem arbeiten, um den Schweißkopf in seitlicher Richtung durch die Verwendung eines elektro-, motors an Stelle des Handrads 27 zu bewegen.
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Wenn der in. den. Zeichnungen, dargestellte Kopf benutzt worden, ist, dann, benötigte der Schweißvorgang bestimmte Strom-, Geschwindigkeits- und Gasmengenwerte, die ausgewählt werden, um den jeweiligen. Erfordernissen des Schweißguts, das gebildet wird,zu entsprechen. Wenn. z.B. eine 3 bis 4 Zoll tiefe Fuge geschweißt wird, dann wird der Abstand zwischen den. gegenüberliegenden Flächen, der Fuge geringfügig über 3/10 Zoll liegen. Beim Schweißen einer Fuge, wie sie beschrieben, ist, wurde eine Stromstärke von 235 A eingesetzt bei einer Spannung, die zwischen. 31,5 und 34 Y lag. Unter diesen. Umständen lag die relative Bewegungsgeschwindigkeit des Schweißkopfes 10 und des Werkstücks 31 im Bereich von. 13 his 20 Zoll pro Minute. Jeder Arbeitsgang zwischen dem Schweißkopf 10 und'dem Werkstück 31 bildete eine Lage mit einer Stärke von etwa 1/8 Zoll. Es ist natürlich klar, daß es beim Schweißen einer Fuge der beschriebes.en Art wünschenswert ist, das Metall vorzuwärmen, und es ist festgestellt worden, daß eine Anfangs-
ο ο temperatur von etwa 120 C bis 200 C eine befriedigende Temperatur ist, um eine Qualitätsnaht herzustellen. Auf der gleichen Grundlage sollte die Temperatur zwischen, den Lagen, auch etwa 120 ö und mehr betragen, um es zu erlauben, zum Füllen der Fuge Schweißraupen, nacheinander niederzubringen.
Es ist auch festgestellt worden, daß es unter den obigen Umständen wünschenswert ist, Lichtbogen-Schutzgas zu verwenden, das aus etwa 70 $> bis 75 $ Helium, 19 $> his 24 $> Argon und 6 fo C0o besteht. Das Gas wird bei dem Schweiß-
lichtbogen in einer Menge von eta 70nr pro Stunde eingeführt. Unter diesen Umständen kann man. eine qualitativ
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hochwertige Schweißnaht herstellen.. Es ist natürlich klar, daß der Draht zentrisch zu den. Seiten.wan.den. der !Fuge geführt wird, da, wenn, eine Seite des Lichtbogens zu nah an. eine der Seitenwände kommt, der Bogen an der Seitenwand hochklettern, kann, so daß nur eine Seite der Schweißraupe benetzt wird. Unter den. beschriebenen. Verhältnissen wird die Bogenbreite gerade die Seitenwände der Naht überbrücken; bei dem spezifizierten. Schutzgas und in. den. offenbarten Qualitäten, wird der Bogen einen guten Einbrand und eine gute Stabilität aufweisen, und wird beide Seitenwände der ]?uge benetzen.
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Claims (14)

  1. PATENTANSPRÜCHE :
    .J Vor richtung zum Schweißen, enger Fugen, in. einem Werkstück, das eine enge Fuge mit im wesentlichen parallelen Wänden und eine Fugenbreite aufweist, die beträchtlich geringer als die Fugentiefe ist und bei dem ein außerhalb des Werkstückes angeordnetes Elektro-Schweißgerät Verwendung findet, das einen in die Fuge hineinragenden. Schweißkopf besitzt, dadurch geken nz eich η et, daß vorgesehen sind
    a. eine Vorrichtung (39) zum Verlagern des Schweißkopfes (10) parallel zur Tiefe der Fuge (40) mit den Wänden (41, 42) des Werkstückes (31),
    b. eine Torrichtung (37) für eine steuerbare Relativbewegung des Werkstückes (31) und des Schweißgerätes parallel und vertikal zur engen Fuge (40),
    c. eine Vorrichtung (34, 35, 36) zur Zuführung eines abschmelzbaren Elektrodendrahtes (32) durch den Schweißkopf (10) in die Fuge (40), wobei ein Lichtbogen zwischen dem Ende des Elektrodendrahtes (32) und dem Werkstück (31) gebildet wird,
    d. eine Vorrichtung (27, 28) zur Zentrierung der Spitze des Elektrodendrahtes (32) in der Fuge (40) durch Querbewegung des Schweißkopfes (10) gegenüber den Wänden (41, 42) der Fuge (40) des Werkstückes (31), und
    e. eine Vorrichtung (14, 15, 16, 17, 18, 20, 21) zur Zuführung von Schutzgas durch den Schweißkopf (10) in die Umgebung des Schweißlichtbogens in der Fuge (40).
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  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n. n. ' ζ e i net, daß die enge Fuge etwa 0,3 Zoll breit ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zei ch η et, daß das Werkstück sich in Längsrichtung zur Fuge in Bezug auf die lage des Schweißkopfs bewegt.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichne t, daß die Stromstärke des Schweißkopfes automatisch regelbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zei ch η et, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Schweißgutzuführung in Abhängigkeit von der Stromzuführung zum Lichtbogen regelbar ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η. η-zeichnet , daß die Querbewegung des Schweißkopfs auf eine Anzeige der Abweichung des Kopfs von den gegenüberliegenden Wänden, der Fuge anspricht.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η ζ eich η et, daß Wirbelstromwächter, die in dem Rahmen angeordnet sind, die Abweichung vom Mittelpunkt der Fuge überwachen.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch g e k e ώ. η -
    ζ e i c h η e t , daß eine durch die Wächter betätigte Vorrichtung die Querfahrt des Kopfs bewirkt.
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  9. 9. Vorrichtung nach. Anspruch 1, dadurch g e k e η. η zeichnet , daß das Schutzgas im wesentlichen aus einem Gemisch aus Helium, Argon und Kohlendioxyd besteht.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Heliumgehalt zwischen 70 und 75 $> liegt, der Argongehalt zwischen 19 und 24 % und der CO2 - Gehalt sich auf etwa 6 % beläuft.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das bevorzugte Gasgemisch aus 70 % He, 24 $ A und 6 $> CO2 besteht.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schweißkopf eine Länge hat, die ein Vielfaches seiner Breite beträgt, und eine Tiefe, die mit der Tiefe der zu schweißenden Fuge vergleichbar ist, wobei das untere Endstück des Kopfs gegenüberliegende Längsteile hat, die zueinander geneigt sind, um eine flache Aussparung im unteren Ende zu bilden, eine Vorrichtung zum Einführen einer geregelten Schutzgasmenge in die Aussparung, ein Führungsstück, das lösbar in dem Kopf angeordnet ist und von dem ein. Ende in die Aussparung am unteren Ende des Kopfes hineinragt, eine Vorrichtung, um eine abschmelzbare Elektrode durch das Schweißkopf-Führungsstück zu leiten, eine Vorrichtung zum Kühlen des Schweißkopfs und i^ihrungsstücks sowie eine Vorrichtung, um elektrisches Isoliermaterial auf dem Schweißkopf anzubringen.
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  13. 13. Vorrichtung nach. Anspruch 12, dadurch g e k e η η. zeichnet , daß der Schweißkopf aus Metall besteht und mit einem elektrischen Isoliermaterial beschichtet ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall Aluminium ist und mit eloxiertem Aluminium beschichtet ist.
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    L e e r s e i t e
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