DE2532261B2 - Stumpfschweißverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein « Stumpfschweißverfahren mit Abbrennen der beiden zu verbindenden Stirnflächen durch einen zwischen diesen brennenden, über die gesamte Schweißfläche gleichmäßig verteilten Lichtbogen bis zur Bildung einer schmelzflüssigen Oberflächenschicht und mit Lichtbo- ^o genzündung durch Ionisierung. Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 8 91 898 bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird die über die Schweißfläche gleichmäßige Verteilung des Lichtbogens zwischen den Stirnflächen durch eine äußerst '>'> niedrige Spannung des Lichtbogens erreicht, wobei Werte von 6 bis 10 Volt genannt sind. Ein Lichtbogen kann bei solch niedriger Spannung nur dann stabil brennen, wenn die Katode durch eine zusätzliche Energiequelle geheizt wird. Bei dem bekannten ^fi0 Verfahren dient hierzu ein Hochfrequenzinduktor. Zur Lichtbogenzündung durch Ionisierung wird dort eine Bestrahlung des Schweißspalts, z. B. durch ^-Strahlen, vorgeschlagen.

Abgesehen von dem apparativen Aufwand, der zur Durchführung des bekannten Verfahrens notwendig ist, ist auch keine Gewähr dafür gegeben, daß es nicht doch zu Oxydationen an den Schweißflächen kommen kann, weil die Schutzatmosphäre hier nur durch den Metalldampf zwischen den Stirnflächen erzeugt ist.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Stumpfschweißverfahrens der eingangs genannten Art. das bei mäßigem Aufwand eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung zu erzielen gestattet, und zwar durch vollkommene Gleichmäßigkeit der Erhitzung der Stirnflächen der Schweißteile und Fehlen von oxydierenden Einflüssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß das Schweißverfahren in einer Schutzgasatmosphäre bei einem Druck von 133 bis 133 mbar ausgeführt und der Lichtbogen mittels eines Hilfslichtbogens stabilisiert, der am Anfang jeder Halbwelle des Lichtbogenitroms mittels einer Glimmentladung gezündet wird.

An sich ist aus der US-PS 4 19 032 bekannt, unter einem Schutzgas mit reduziertem Druck zu schweißen, jedoch nicht bei einem Verfahren wie dem vorliegend gattungsmäßig vorausgesetzten, sondern mittels eines Stroms, der über die sich berührenden Stirnflächen fließt und deswegen auch nicht zur Erzielung der vorliegend angestrebten Wirkungen. Im übrigen wird in dieser Literaturstelle die Möglichkeit der Verwendung von Unterdruck gleichberechtigt neben die Möglichkeit der Verwendung von Überdruck gestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zum Verschweißen von Rohren und dünnwandigen Profilen beliebiger Querschnittsgestaltung, insbesondere auch aus Aluminiumlegierungen. Die bei bekannten Stumpfschweißverfahren häufig auftretende ungleichmäßige Erwärmung aufgrund von zwischen den Stirnflächen auftretenden Brücken aus geschmolzenem Metall, die explosionsartig verpuffen und Krater hinterlassen, ist vermieden und es wird eine hohe Qualität der Schweißverbindung erreicht. Durch die besondere Gleichmäßigkeit der Erwärmung der miteinander zu verbindenden Stirnflächen und die Bildung einer entsprechend gleichmäßigen dünnen Schicht geschmolzenen Metalls auf diesen genügt -jtlm Stauchen ein verhältnismäßig kleiner Weg, so daß auch hierbei vorteilhafterweise kein großer Grai entsteht.

Insbesondere beim Schweißen von Metallen, die zur Bildung von hochschmelzenden Oxydschichten neigen, z. B. zum Schweißen von Teilen aus Aluminiumlegierungen, wird zweckmäßigerweise mit Argon als Schutzgas, Druckwerten von 133 bis 13,3 mbar und Stromdichten bis 150 A/cm² gearbeitet.

Zweckmäßigerweise werden zur gleichmäßigen Verteilung des Niederdrucklichtbogens die Stirnflächen der zu verschweißenden Teile vor deren Abbrennen durch eine im Spalt zwischen ihnen brennende Glimmentladung vorgewärmt.

Die Vorbehandlung der Stirnflächen der Teile durch eine Glimmentladung trägt dazu bei, die Oxydschicht zu zerstören und auch andere Verschmutzungen zu entfernen, die sonst die Gleichmäßigkeit der Verteilung des Niederdrucklichtbogens beeinträchtigen und dessen Kontraktion bewirken würden.

Bei einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ausgegangen von einer Stumpfschweißeinrichtung mit einer Schutzgaskammer zur Aufnahme der Einspannbacken für die zu verschweißenden Teile, deren eine mit der Möglichkeit einer linearen Verschiebung längs der geometrischen Achse der zu verschweißenden Teile bei deren Stauchung nach dem Abbrennen der Stirnflächen angeordnet ist, und mit einem Schweißtransformator, an dessen Sekundärwicklung die zu verschweißenden Teile

angeschlossen sind. Vorteilhaft hat diese Einrichtung einen zusätzlichen, zur Erzeugung der Glimmentladung dienenden Transformator, an dessen Sekundärwicklung die zu verschweißenden Teile angeschlossen sind, und eine zur Steuerung des Niederdrucklichtbogens dienende Schalteinrichtung im Sekundärkreis des Schweißtransformators.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausiührungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt m

F i g. 1 eine Anordnung zur Sondierung einer Entladungssäule zwischen zu verschweißenden Rohren;

F i g. 2 Oszillogramme für die Spannungen zwischen den Rohren und an den Sonden beim Brennen einer die ganze Stirnfläche der Rohre erfassenden Glimmentla- ü dung;

F i g. 3 Oszillogramme für die Spannungen zwischen den Rohren und an den Sonden bei einer gleichmäßigen Verteilung des Niederdrucklichtbogens über die Stirnfläche der Rohre;

F i g. 4 Oszillogramme für die Spannungen zwischen den Rohren und an den Sonden bei einer ungleichmäßigen Verteilung des Niederdrucklichtbogens Tiber die Stirnfläche der Rohre;

Fig.5 eine Schweißeinrichtung für Rohre zur :^/Γ> Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Längsschnitt;

Fig.6 die Schaltung einer Speisequelle für die Schweißeinrichtung;

F i g. 7 den Schnitt gemäß Linie VII-VII in F i g. 5; «>

F i g. 8 Oszillogramme, die den Betrieb der Speisequelle verdeutlichen.

Beim erfindungsgemäßen Stumpfschweißverfahren werden die Stirnflächen der zu verschweißenden Teile einander gegenüber in einer Kammer mit einer » Schutzgasatmosphäre von 133 bis I33mbar angeordnet. Danach werden sie bis zur Bildung einer Flüssigmetallschicht auf ihrer Oberfläche erwärmt und zur Herstellung der Schweißverbindung zusammengestaucht. Das Erwärmen der Stirnflächen und deren ■»<· Abbrennen geschieht dabei durch einen über die gesamte Stirnfläche der zu verschweißenden Teile gleichmäßig verteilten Niederdrucklichtbogen:

Ein Niederdrucklichtbogen unterscheidet sich vom gewöhnlichen Hochdrucklichtbogen ·όγ allem durch die ^"> Nichtisothermie des Plasmas der positiven Säule. Die Elektronentemperatur in ihm liegt beträchtlich über der Temperatur der Gasatome.

Deshalb hat die positive Niederdrucksäule eine große elektronische Wärmeleitung, die einen Ausgleich der ·>» Elektronentemperatur über ihren Querschnitt gewährleistet. Dadurch wird die Stromdichte auch ziemlich gleichmäßig über den Säulenquerschnitt verteilt.

Bei einer Erhöhung des Gasdruckes nimmt die Elektronentemperatur infolge der Verringerung der " freien Weglänge der Elektronen und des Anwachsens der Zahl der lonisationsereignisse bei der Stufenionisation ab und die Temperatur der Gasatorr.e infolge des Anwachsens ihrer Stoßhäufigkeit mit den Elektronen zu, Im Ergebnis verwandelt sich die nichtisothermische mi positive Säule in eine kontrahierte, nahezu isothermische Säule. Der Druckbereich, in dem sich die Lichtbogenform ändert, hängt von der Gasart und der Stromdichte ab und bewegt sich in den angegebenen Grenzen von 1,33bis 133 mbar. < >5

Der Niederdrucklichtbogen unterscheidet sich vom Hochdrucklichtbogen auch durch die Vorgänge im Katodeneebiet. An der Katode eines Niederdruckiiciit bogens gibt es normalerweise mehrere Katodenflecke, die sich schnell und chaotisch auf der Katodenoberflilche bewegen, wobei sie sich gegenseitig abstoßen. Eine Erhöhung der Stromstärke bewirkt eine Vergrößerung der Zahl der Katodenflecke und führt zur Vergrößerung der durch die Lichtbogenentladung erfaßten Katodenfläche.

Es wurde festgestellt, daß sich der Niederdrucklichtbogen bei einem bestimmten, von der Natur des Schutzgases und des Metalls der zu schweißenden Teile abhängigen Schutzgasdruck und einer bestimmten Stromstärke in Analogie zu einer Glimmentladung über die gesamte Katodenfläche, d. h. die gesamte Stirnfläche der zu schweißenden Teile ausdehnen und diese gleichmäßig erfassen kann.

Da die Anode und die Katode meistens ungleich erhitzt werden, kommt beim Stumpfschweißen ein Niederdruck-Wechselstromlichtbogen zur Anwendung. Die periodische Umpolung der zu verschweißenden Teile gewährleistet eine gleiche Eni.irmung der beiden Teile und darüber hinaus eine Zerstörung von Oxydschichten durch die Katodenzerstäubung an den Stirnflächen der Teile.

Die gleichmäßige Verteilung des Lichtbogens wird durch die gleichmäßige Abschmelzung der Stirnflächen und durch die Ergebnisse einer Sondierung der Entladung bestätigt

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Sondierung einer positiven Säule la zwischen zwei Rohren la und 3a aus einer Aluminiumlegierung. Im Spalt zwischen den Stoßkanten der Rohre sind in einer Ebene rechtwinklig zur Axialrichtung drei Sonden 4a, 5a und Sa angeordnet. Die Spitzen Ta der Sonden sind auf einem Kreis mit einem Durchmesser d gleich dem Außendurchmesser der Rohre gleichmäßig über dem Umfang verteilt.

Bei der Sondierung wurden Oszillogramme der Spannung U zwischen den Rohren 2a und 3a und der Spannungen IZ₁, U₂ und U₃ an den Sonden 4a, 5a bzw. 6a bezüglich eines der Rohre 2a aufgenommen. Wenn zwischen den Rohren la und 3a eine Glimmentladung gezündet wird, die sich über die gesamte Stirnfläche der Rohre gleichmäßig ausdehnt, sind die Spannungen in allen Sonden gleich (Fig.2). Ähnliches geschieht auch im Falle eines Niederdrucklichtbogens wenn dieser über die Stoßkanten der Rohre (Fig.3) gleichmäßig verteilt ist. Falls der Lichtbogen ungleichmäßig verteilt ist, sind die Spannungen an den Sonden ungleich (F ig. 4).

Eine Senkung des Gasdrucks trägt stets zu einer gleichmäßigeren Vorteilung des Lichtbogens über die Stirnfläche der Teile bei. Außer der Stirnfläche erfaßt die Entladung auch die Außen- und Innenfläche der Röhrt in der Nähe der Stoßkanten.

Bei der Druckminderung des Schutzgases dehnt sich der Niederdrucklkhtbogen über die Außen- und Innenfläche der Rohre immer weiter aus. Bei einem Argondruck unterhalb von 2,66 mbar erfaßt der Lichtbogen die Außenfläche eines Rohres von 10 mm Durchmesser und I mm Wandstärke auf der gesamten aus den Einspannbacken hervorragenden Erstreckung von 4 mm. Bei Druckwerten unterhalb von O,06o5 mbar greift der Lichtbogen auf die Spannvorrichtung über.

Eine übermäßige Druckminderung des Schutzgases, bei der der Lichtbogen einen beträchtlichen Teil der Außen- und Innenfläche der Rohrenden erfaßt, setzt die Wirksamkeit der Erwärmung der Stirnflächen stark ^erab. Eine übermäßige Druckerhöhung des Schutzgases bewirkt eine Kontraktion der Lichtbopenenilarlnntr

Beim Schweißen von Rohren aus Aluminiumlegierungen unter Argonschutz beträgt der optimale Druckbereich 6,65 bis 10,64 mbar.

Bei unzureichender Stromstärke erfaßt die Lichtbogenentladung die Stirnfläche der Rohre nur zum Teil. Die Vergrößerung der Stromstärke trägt zum Ausgleich der Verteilung des Niederdrucklichtbogens über die Rohrslirnflächen bei. Bei einer übermäßigen Stromstärke kommt es aber gleichfalls zu einer Kontraktion der Entladung.

Die Spaltgröße zwischen den Stirnflächen beeinflußt wesentlich die Stabilität des Vorganges. Rine übermäßige Verringerung des Spaltabstands erhöht die Wahrscheinlichkeit der Kontraktion des Lichtbogens, während eine übermäßige Vergrößerung des Spaltes die Bedienung für die Zündung des Lichtbogens verschlechtert und dessen Wärmewirkung herabsenkt. Der optimale Spalt hat heim Schweißen von Rohren aus Aluminiumlcgierungen mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Wandstärke von ! mm einen Wert von 3 mm.

Nach dem Anschmelzen der Stirnflächen werden die Teile gestaucht, wobei sie gemeinsam plastisch verformt werden und die Schweißverbindung entsteht.

Wegen der über die Stirnflächen der zu verschweißenden Teile verteilten Lichtbogenentladung kommt es zur Bildung einer durchgehenden Flüssigmetallschicht. Dies gestattet es. ein ideales Mikrorelief der zu schweißenden Stirnflächen vor der Stauchung zu erhalten. Das ideale Mikrorelief und das Vorhandensein einer durchgehenden Flüssigmetallschicht an den Stirnflächen begünstig! die Erzielung einer einwandfreien Schweißverbindung bei geringer Verformung der Stirnflächen unter Ausbildung eines nur kleinen Grates.

Das Schweißen von Rohren aus Aluminiumlegierungen mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Wanddicke von I mm erfolgt bei einem Argondruck von 931 mbar. einer Stromstärke von 120 A. mit einer Erwärmungsdauer von 0,26 sek und unter einer Stauchung von 1 mm.

Auf die Stabilität des Erwärmungsvorganges für die Teile ^:-;nd auf die Wahrscheinlichkeit einer Kontraktion des Lichtbogens haben der Zustand und die Vorbereitung der Oberfläche der Stirnflächen der zu verschweißenden Teile einen großen Einfluß. Das Vorhandensein der Oxydschichten und der anderen Ver?<-hmutzungen setzt die Stabilität des Vorganges herab und kann eine Kontraktion des Niederdrjcklichtbogens bewirken. Zur Erhöhung der Stabilität des Vorganges und Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Verteilung des Niederdrucklichtbogens -über die Stirnflächen der zu verschweißenden Teile kann vor dem Abbrennen der Stirnflächen durch den Niederdrucklichtbogen die Oberfläche der Stirnseiten durch eine zwischen diesen brennenden Glimmentladung vorgewärmt werden. Bei einer bestimmten Stromstärke erfaßt die Glimmentladung die gesamte Stirnfläche der Rohre und trägt zur Zerstörung und Entfernung der Oxydschichten und anderer Verschmutzungen bei. Beim Schweißen von Rohren mit 10 mm Durchmesser und 1 mm Wandstärke genügt eine Glimmentladung von 10 see Dauer bei einer Stromstärke von 03 A.

Ein kontinuierlicher Zerfall, Teilung und Bewegung von Katodenflecken zeugt von einer Instabilität des Entladungsvorgangs. Die Instabilität eines Katodenflekkes setzt die Brennstabilität des Niederdrucklichtbogens stark herab. Eine kurzzeitige Stromunterbrechung bei der Umpolung in einem Wechselstromlichtbogen kann das Aufhören der Lichtbogenentladung bewirken. Um ein stabiles Brennen des Niederdruck-Wechselstromlichtbogens zu gewährleisten, wird zweckmäßigerweise von speziellen Stromquellen erhöhter j Frequenz oder mit rechteckiger Form der Speisespannung Gebrauch gemacht. Falls Schweißstromquellen technischer Frequenz zum Einsatz gelangen, sind spezielle Maßnahmen zur Stabilisierung des Niederdrucklichtbogens erforderlich.

ίο Im vorgeschlagenen Schweißverfahren wird der Niederdrucklichtbogen von einem gewöhnlichen .Schweißtransformator technischer Frequenz gespeist, während die Stabilisierung des Lichtbogens durch Zündung eines Hilfslichtbogens am Anfang einer jeder

ij Stromhalbwelle von einer zusätzlichen Quelle mit erhöhter Leerlaufspannung,die zur Hauptquelle parallel geschaltet ist, erfolgt.

Die in F i g. 5 als Ausführungsbeispiel vorgestellte Abbrennstumpfschweißeinrichtung dient zum An-

2(i schweißen einer Abschlußarmatur an eine Rohrleitung, jedoch kann eine solche Einrichtung genauso erfolgreich zum Aneinanderschweißen langer Teile mit praktisch beliebiger Q^uerschnittsform oder zum Verschweißen von solchen Teilen mit einem Abschlußele-

:> ment, beispielsweise von einem U-Träger mit seinem Befestigungselement, dienen.

Die Einrichtung weist eine Grundplatte 1 (F i g. 5) auf. auf der tine Vakuumkammer 2 befestigt ist. In der Kammer 2 sind Einspannbacken 3 und 4 zur Befestigung

j'i von Schweißteilen 5 und 6 angeordnet. Die (in der Zeichnung) rechts angedeutete Einspannbacke 4 ist mit der Möglichkeit einer hin- und hergehenden Bewegung längs der geometrischen Achse der koaxial zueinander liegenden Schweißteile 5 und 6 ausgeführt. Die

J5 Einrichtung schließt auch eine mit den zu schweißenden Teilen 5 und 6 gekoppelte Schweißstromquelle 7 (Fig. 6) ein. Die Vakuumkammer 2 ist teilbar in der Horizontalebene längs der Achse der zu verschweißenden Teile 5 und 6 ausgeführt und aus einem Gehäuse 8 und einem Deckel 9 zusammengesetzt. Das Gehäuse 8 stellt eine Kastenkonstruktion dar, deren Wanddicke und Steifigkeit ausreichend zur Aufnahme von während der Arbeit der Einrichtung entstehenden Kräften gewählt ist. In der (in der Zeichnung) links angedeuteten Wand des Gehäuses 8 sind Löcher mit Stutzen 10 und 11 ausgeführt, deren einer 10 zum Anschluß der Kammer 2 an deren Vakuumierungssystem und der andere 11 zur Zuführung der Kammer 2 eines Schutzgases, beispielsweise von Argon, dient.

Im Gehäuse 8 sind in einer Horizontalebene einander parallel liegende Führungen 12 (Fig. 7) und 13 untergebracht. Die Enden der Führungen 12 und 13 sind in Traversen 14 und 15 (Fig.5) mittels Muttern 16 befestigt Die Traversen 14 und 15 sind durch Schrauben 17 (Fig. 7) im Gehäuse 8 der Vakuumkammer 2 befestigt

Die Einspannbacken 3 und 4 sind an einer Platte 18 bzw. einem Stauchschlitten 19 angeordnet An den Führungen 12 und 13 ist die unbewegliche Platte 18 angeordnet die zur Befestigung daran der Einspannbakke 3 dient und an der Traverse 14 mittels Bolzen 20 befestigt ist Der Stauchschlitten 19 ist an den Führungen 12, 13 beweglich angeordnet, wozu darin Durchgangsbohrungen vorgesehen sind

Die Einspannbacke 3 weist eine Fußplatte 21 auf, die auf der Platte 18 mittels Bolzen 22 befestigt ist Auf der (nach der Zeichnung) oberen Horizontalfläche der Fußplatte 21 ist eine halbrunde Aushöhlung zur

Unterbringung eines Einsatzes 23 ausgeführt. An der Fußplatte 21 ist eine Spannvorrichtung montiert, die eine profilierte Leiste 24 einschließt, deren eines Ende an der Fußplatte 21 mit Hilfe einer Achse 25 gelenkig angeordnet ist und das andere Ende eine Nut aufweist, in die eine an der Fußplatte 21 mittels Achse 27 gleichfalls gelenkig angeordnete Klinke 26 hineingeht. Die Spannvorrichtung schließt auch eine zwischen der Leiste 24 und der oberen Horizontalfläche der Fußplatte 21 liegende Lasche 28 ein. Auf der (nach der Zeichnung) unteren Fläche der Lasche 28 ist auch eine halbrunde Aushöhlung zur Unterbringung eines Einsatzes 29 ausgeführt. Die Einsätze 23 und 29 sind mit ihren Flächen, deren Form der Konfiguration des Querschnitts des zu verschweißenden Teiles 5 entspricht, einander zugewandt.

Die Einspannbacke 3 dient ;ilso zur Befestigung darin eines der zu schweißenden Teile 5. Zum Spannen des Teiles 5 zwischen den Linsätzen 23 urd 29 ist in der Spannvorrichtung ein Bolzen 30 vorgesehen, zu dessen Unterbringung in der Leiste 24 ein Gewindeloch ausgeführt ist.

Zur Verhinderung einer Axialverschiebung der Einsätze 23 und 29 bezüglich der Fußplatte 21 und der Lasche 28 bei der Stauchung der zu verschweißenden Teile 5 uiid 6 ist auf dem Boden der Aushöhlungen, in denen die Einsätze 23 und 29 untergebracht sind, ein Ringwulst 31 (F i g. 5) ausgeführt.

Die (nach der Zeichnung) rechte Einspannbacke 4 hat auch eine Fußplatte 32, die am Schlitten 19 mittels Bolzen J3 angeordnet ist. Die Fußplatte 32 und folglich die Einspannbacke 4 mit dem zu verschweißenden Teil 6 sind elektrisch gegen den Schlitten 19 mit Hilfe einer zwischen der unteren Horizontalfläche der Fußplatte 32 und der oberen Horizontalfläche des Schlittens 19 liegenden Einlage 34 sowie mit Hilfe einer unter den Köpfen der Bnlzen 33 liegenden Einlage 35 und von in den zur Durchführung der Bolzen 33 vorgesehenen Bohrungen des Schlittens 19 liegenden Hülsen isoliert.

Auf der Fußplatte 32 ist eine zur Befestigung des zu schweißenden Teiles 6 gleichachsig zu dem zu schweißenden Teil 5 vorgesehene Spannvorrichtung, deren Konstruktion analog der Konstruktion der auf der Fußplatte 21 angeordneten und zur Befestigung des zu verschweißenden Teiles 5 vorgesehenen Spannvorrichtung ist, montiert.

Auf den einander zugewandten Oberflächen der Einspannbacken 3 und 4 sind Isolierplatten 37 bzw. 38 angeordnet, deren jede eine waagerecht in einer Ebene mit der geometrischen Achse der zu verschweißenden Teile 5 und 6 liegende Stoßfuge aufweist.

Zur hin- und hergehenden Bewegung der Einspannbacke 4 im Betrieb der Einrichtung ist ein einen auf der Grundplatte 1 angeordneten Kraftzylinder 39 darstellender Antrieb vorgesehen. Die Stange 40 des Zylinders

39 verläuft parallel zur Achse der zu verschweißenden Teile 5 und 6 und ist mit dem Schlitten 19, an dem die Einspannbacke 4 angeordnet ist, mit Hilfe eines Zwischengelenkes 41 verbunden, dessen Drehachse senkrecht verläuft Die Durchführungsstelle der Stange

40 in der Vakuumkammer 2 ist durch ein Wellrohr 42 hermetisch abgedichtet, dessen Boden 43 in der Mitte ein Loch zum Durchgang der Stange 40 aufweist und an diese angeschweißt ist Von der (nach der Zeichnung) linken Seite ist an das Wellrohr 42 ein am Gehäuse 8 mittels Bolzen 45 Ober eine Abdichtung 46 befestigter Flansch 44 angeschweißt

Zur visuellen Verfolgung des Schweißvorganges ist

im Deckel 9 ein Fenster 47 ausgeführt, das durch ein Glas 48 verschlossen und mit Hilfe von beiderseits des Glases 48 angeordneten Einlagen 49 und einem am Deckel 9 mittels Schrauben 51 befestigten Ring 50 abgedichtet ist.

Die Verbindungsstelle des Gehäuses 8 der Vakuumkammer 2 mit ihrem Deckel 9 ist durch eine Einlage 52 hermetisch abgeschlossen.
Falls mindestens eines der zu verschweißenden Teile

ίο eine beträchtliche Länge aufweist, liegt in der Kammer 2 lediglich dessen verhältnismäßig kleiner Abschnitt. Hierbei wird die Durchführungsstelle des Teiles 5 mit Hilfe eines in an der (nach der Zeichnung) linken Außenwand der Kammer 2 ausgeführten Ausdrehungen liegenden und das Teil 5 umfassenden Dichtungsringes 53 hermetisch abgeschlossen und durch einen geschlitzten Flansch 54 mittels Bolzen 55 angedrückt.

Bei der Schweißung von langen Hohlteilen, beispielsweise einer Rohrleitung, wird die außerhalb der Kammer 2 liegende Austrittsöffnung des Teiles durch einen Stopfen 56 hermetisch abgeschlossen.

Bei der vorliegenden Einrichtung ist die Schweißstromquelle 7 (Fig. 6) zum Anschluß an das 50-Hz-Wechselstromnetz vorgesehen. Die Stromquelle 7 enthält einen eigenen Schweißtransformator 57, bei dem die Herausführung 58 der Sekundärwicklung (vorliegend ist diese Herausführung als Anfang der Sekundärwicklung des Transformators 57 angesehen) mit einer Klemme 59 verbunden ist. Die Klemme 59 ist mit Hilfe eines Kabels 60 an die unbewegliche Einspannbacke 3 und folglich an das zu verschweißende Teil 5 angeschlossen. Zum Anschluß des Kabels 60 an die Einspannbacke 3 ist in der Wand der Kammer 2 ein Loch zur Unterbringung einer Vakuumsteckvorrichtung 61 ausgeführt. Die Klemme 59 der Stromquelle 7 und folglich auch das Schweißteil 5 sind geerdet. Die Vakuumkammer 2 ist auch geerdet.

Die Herausführung 62 der Sekundärwicklung des Schweißtransformators 57 (vorliegend wird diese Herausführung als Ende der Sekundärwicklung des Transformators 57 angesehen) ist über eine regelbare, zur Regelung der Schweißstromstärke dienende Drossel 63 und einen Ventilunterbrecher 64 mit einer Klemme 65 der Stromquelle 7 gekoppelt. Die Klemme 65 ist mit Hilfe eines Kabels 66 an die bewegliche Einspannbacke 4 und folglich an das Schweißte'.! 6 angeschlossen. Zum Anschluß des Kabels 66 an die Einspannbacke 4 ist in der Wand der Kammer 2 ein anderes Loch zur Unterbringung einer Vakuumsteckvorrichtung 67 ausgeführt.

Der Ventilunterbrecher 64 enthält zwei antiparallel geschaltete steuerbare Ventile 68 und 69, Zur Steuerung der Einschaltung der Ventile 68 und 69 ist bei der Stromquelle 7 ein Steuerimpulsformer 70 vorgesehen.

Die Stromquelle 7 weist erfindungsgemäß einen zusätzlichen Transformator 71 auf. Die Herausführung 72 der Sekundärwicklung des zusätzlichen Transformators 71 (im vorliegenden Fall wird diese Herausführung als Anfang der Sekundärwicklung des Transformators 71 angesehen) ist mit der Herausführung 58 der Sekundärwicklung des Schweißtransformators 57 und folglich mit dem Schweißteil 5 gekoppelt Die Herausführung 73 der Sekundärwicklung des zusätzlichen Transformators 71 (vorliegend wird diese Heraus- führung als Ende der Sekundärwicklung des Transformators 71 angesehen) ist über in Reihe liegende Regelungswiderstände 74 und 75 mit der Klemme 65 der Stromquelle 7 und folglich mit dem Schweißteil 6

gekoppelt.

Die Primärwicklungen des SchweiBtransformators 57 und des zusätzlichen Transformators 71 sind parallel geschaltet und mit den Klemmen 76 und 77 der Stromquelle 7, denen eine Linienspannung des elektrischen Kraftnetzes, hier als ~ B bezeichnet, zugeführt wird, verbunden

Die Stromquelle 7 weist auch eine Programmeinrichtung 78 auf, die drei untereinander parallel geschaltete elektronische Zeitrelais darstellt. Die Programmeinrich-Uing 78 ist an die Klemmen 76 und 79 angeschlossen, denen eine Phasenspannung des elektrischen Kraftnetzes zugeleitet wird.

An das eine Zeitrelais der Programmeinriehlung 78 ist ein Magnetanlasser 80 angeschlossen, der zur Anschaltung über dessen Kontakte 81 und 82 von Primärwicklungen der Transformatoren 57 und 71 an die Klemmen 76 und 77, denen die Netzspannung zugeführt wird, vorgesehen ist. An das andere Zeitrelais der Programmeinrichtung 78 ist ein elektromagnetisches Schütz 83 angekoppelt, das zur Überbrückung mit Hilfe seines Kontaktes 84 des Regelungswiderstandes 75 und zur Anschaltung über Kontakte 85 und 86 des Impulsformers 70 an die Klemmen 76 und 77 der Stromquelle 7 vorgesehen ist. An das dritle Zeitrelais dor Programmeinrichtung 78 ist die Wicklung eines elektromagnetischen Ventils 87 angeschlossen, das zur Einschaltung der Zuführung dem Hohlraum des Kraftzylinders 39 eines Mediums bei der Stauchung der Teile dient.

Die Einrichtung arbeitet wie folgt:

Die Stange 40 des Kraftzylinders 39 und folglich auch die Einspannbacken 4 werden in die rechte Endstellung gebracht. Es werden der Deckel 9 der Vakuumkammer 2 geöffnet und die Teile 5 bzw. 6 in die Einspannbacken 3 und 4 gesetzt.

Das Teil 5 wird wie folgt eingespannt.

Die Klinke 26 wird durch deren Drehen um die Achse 27 abgenommen, die profilierte Leiste 24, indem sie um die Achse 25 umgedreht wird, ausgeschwenkt und die Lasche 28 sowie der Einsatz 29 herausgezogen. Dann wird das Teil (das Rohr) 5 am Einsatz 23 und obendrauf der Einsatz 29 und die Lasche 28 angeordnet. Indem die profilierte Leiste 24 um die Achse 25 gedreht wird, wird sie oberhalb der Lasche 28 angeordnet und die Klinke 26 durch deren Drehen um die Achse 27 in die Nut der profilierten Leiste 24 eingeführt. Dann wird das Rohr mit Hilfe der Schraube 30 eingespannt.

Das Teil (Stutzen) 6 wird in die Einspannbacke 4 gesetzt und analog dem Rohr 5 gespannt.

Bei der Anordnung der Teile 5 und 6 in den Einspannbacken 3 und 4 wird der erforderliche Spalt zwischen deren Stirnflächen (beispielsweise mit Hilfe einer schwenkbaren kalibrierten Leiste, die bei der Einspannung der Teile zwischen ihren Stirnflächen angeordnet wird) eingestellt

Nach der Anordnung der Teile wird der Deckel 9 zugemacht und an das Gehäuse 8 der Vakuumkammer 2 mit Hilfe von in der Zeichnung der Einrichtung nicht angedeuteten Verschlüssen angezogen. Hierbei wird die Einlage 52 zusammengedrückt, was eine hermetische Abdichtung der Vakuumkammer 2 in der Ebene der Verbindung des Gehäuses 8 und des Deckels 9 sichert.

Dann wird die Durchführungsstelle des Rohres 5 ^;n der Kammer 2 hermetisch abgeschlossen. Zu diesem Zweck wird außerhalb des Rohres 5 der Dichtungsring 53, der geschlitzte Flansch 54 angeordnet und mittels Bolzen 55 an die Kammer 2 angezogen. Hierbei wird der Dichtungsring 53 zusammengepreßt und die Kammer hermetisch abgedichtet. Dann wird durch den Stopfen 56 die außerhalb der Kammer 2 liegende öffnung des Rohres 5 hermetisch abgeschlossen.

Nach Beendigung der hermetischen Abdichtung der Kammer 2 wird sie an das Vakuumierungssystem angeschlossen. Nach dem Druckabfall in der Kammer bis auf 0,0133 mbar wird das Vakuumierungssystem abgeschaltet und die Kammer mit einem inerten Gas

to (Argon) bis zu einem Druck von 8 bis 10,64 mbar gefüllt. Damit nimmt die Vorbereitung der Einrichtung auf die Schweißung ein Ende.

Der Schweißvorgang geht wie folgt vor sich.

Es wird die Programmeinrichtung 78 eingeschaltet, die die Spannung sofort der Wicklung des Magnetanlassers 80 zuführt. Der Magnetanlasser 80 spricht an, und dessen Kontakte 81 und 82 schließen. Infolgedessen werden die Primiirwirklünjjpn <lp<; Sch^wC!Ö!r2nsforni2-lors 57 und des zusätzlichen Transformators 71 an das elektrische Kraftnetz angeschlossen, und an den Sekundärwicklungen dieser Transformatoren entsteht eine sinusförmige Wechselspannung (Kurven 1 und 2 in F i g. 8).

Die Primärwicklungen der Transformatoren 57 und 71 sind derart geschaltet, daß die Spannungen an deren Sekundärwicklungen in Phase liegen.

Die Lecrlaufspannung des Schweißtransformators 57 beträgt 60 bis 70 V. Die l.eerlaufspanniing des zusätzlichen Transformators 71 ist ausreichend zur Zündung einer Glimmentladung zwischen den Stirnseiten der zu verschweißenden Teile 5 und 6 gewählt. Die Größe dieser Spannung wird in Abhängigkeit vom Druck und der Natur des Schutzgases und von der Spaltgröße zwischen den Stirnflächen der zu verschweißenden Teile 5 und 6 gewählt. Im vorliegenden Beispiel ist diese Spannung gleich 300 V.

Im Ausgangszustand sind die Kontakte 85 und 86 offen, der Steuerimpulsformer 70 arbeitet nicht, und der Ventilunterbrecher 64 sperrt.

Auf die in der Kammer 2 angeordneten Schweißteile 5 und 6 wird von der Sekundärwicklung des zusätzlichen Transformators 71 eine Spannung eingespeist und zwischen ihren Stirnflächen eine Glimmentladung gezündet. Die Spannung an den zu schweißenden Teilen beim Brennen einer Glimmentladung ist durch die Kurve 3 in K i g. 8 dargestellt.

Der Strom der Glimmentladung wird so gewählt, daß die Glimmentladung die gesamte Stirnfläche der zu verschweißenden Teile erfaßt. Sie wird durch einen Regelungswiderstand 75 bei der Einstellung der Einrichtung auf den Schweißbetrieb geregelt.

Nach Ablauf einer bestimmten, zur Bearbeitung der Stirnflächen der zu verschweißenden Teile durch die Glimmentladung vorgesehenen Zeit liefert die Pro- grammeinrichtiing 78 eine Spannung auf die Wicklung des elektromagnetischen Schützes 83.

Das Schütz 83 spricht an, und seine Kontakte 84, 85 und 86 schließen. Durch die Schließung der Kontakte 85 und 86 wird der Steuerimpulsformer 70 eingeschaltet, der an den Steuerelektroden der Ventile 68 und 69 eintreffende elektrische Impulse (s. F i g. 8, Kurven 5 und 6) erzeugt.

Beim Brennen der Glimmentladung kann aber die Ankunft der Steuerimpulse an den Ventilen 68 und 69 keine Einschaltung des Ventilunterbrechers 64 bewirken, weil die Spannung der Glimmentladung die Leerlaufspannung des Schweißtransformators 57 übertrifft

Um die Spannung an den Teilen zu verringern und die Einschaltung des Ventilunterbrechers 64 zu ermöglichen wird gleichzeitig mit der Schließung der Kon'.akte 85 und 86 der Kontakt 84 geschlossen. Bei der Schließung überbrückt der Kontakt 84 den Widerstand 75. Dies hat einen steilen Anstieg der Stromstärke der Glimmentladung und einen Übergang der Glimmentladung in einen Niederdrucklichtbogen, dessen Strom durch den Widerstand 74 begrenzt wird, zur Folge. Bei der Entstehung des Lichtbogens fällt die .Spannung an den Teilen schlagartig unter die Leerlaufspannung des Schweißtransformators 57 ab. Die Spannungsändemng an cien Teilen beim Brennen des Hilfs-Niederdrucklichtbogens vom zusätzlichen Transformator 71 beim abgeschalteten Ventilunterbrecher 64 ist durch die Kurve 4 in F i g. 8 angedeutet.

Die Stromstärke des Hilfs-Niederdrucklichtbogens betrag! im betrachteter, Beispiel 20 A.

Der schlagartige Spannungsabfall an den Teilen bei der .Schließung des Kontaktes 84 ermöglicht die Einschaltung des Ventilunterbrechers 64. Bei der positiven Halbwelle der Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Schweißlransformators 57 wird auf die Steuerelektrode des Ventils 68 vom Former 70 nach der Entstehung des Hilfslichtbogens sofort ein Steuerimpuls gegeben. Das Ventil 68 schaltet durch und der Lichtbogenstrom steigt steil an, weil der SchweißtransforrPdtor 57 betätigt wirr'. Bei der negativen Halbwelle der Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Schweißtransformators 57 wird in ähnlicher jo Weise das Ventil 69 eingeschaltet.

Der Schweißstromwert wird durch die Drossel 62 bei der Einstellung der Einrichtung auf den Schweißbetrieb geregelt.

Dank dem Vorhandensein des Ventilunterbrechers 64 J5 wird am Ende einer jeden Schweißstromhalbwelle die Sekundärwicklung des SchweiBtransformators 57 von den zu verschweißenden Teilen abgeschaltet, und es wird ihnen eine Hochspannung von der Sekundärwicklung des zusätzlichen Transformators 71 zugeführt.

Dies führt zur Zündung zwischen den Teilen einer Glimmentladung und zu deren automatischem Übergang in einen Hilfs-Niederdrucklichtbogen. Ferner werden der Ventilunterbrecher 64 und der vom Schweißtransformator 57 brennende Haupt-Niederdrucklichtbogen eingeschaltet.

Auf solche Weise wird eine stabile Auslösung des Vorganges bei der Umpolung des Schweißstromes gesichert. Der Schweißstrom und die Spannung beim Brennen des Niederdrucklichtbogens sind in F i g. 8 durch die Kurven 7 bzw. 8 wiedergegeben.

Nach Ablauf einer bestimmten Zeit, in der die Stoßflächen der Teile durch den Niederdrucklichtbogen erwärmt und auf der Oberfläche der Stoßflächen eine Flüssigmetallschicht gebildet wird, liefert die Programmeinrichtiing 78 eine Spannung auf die Wicklung des elektromagnetischen Ventils 87. Das elektromagnetische Vuniii 87 spricht an und in den Kraiizyiindcr 39 gelangt das Arbeistmedium.

Infolgedessen wird die Stange 40 nach links verschoben und es erfolgen eine schnelle Schließung des Spaltes zwischen den Teilen und eine gemeinsame plastische Verformung ihrer Stirnflächen, bei der eine Schweißverbindung geformt wird.

Mit einer geringen Verzögerung nach der Einschaltung der Stauchung, während der die Stoßflächen der zu verschweißenden Teile verbunden und plastisch verformt werden, schaltet die Programmeinrichtung 78 die Spannung von der Wicklung des Magnetanlassers 80 ab, worauf die Kontakte 81 und 82 öffnen und die zu verschweißenden Teile ohne Spannung bleiben. Spannungslos werden auch die Wicklungen des Schützes 83 und des Ventils 87, es werden die Kontakte 84, 85, 86 geöffnet, und die elektrische Schaltung der Einrichtung kehrt in den Ausgangszustand zurück.

Nach der Schweißung läßt man Luft in die Vakuumkammer 2 strömen, öffnet den Deckel 9 und, indem man die Einspannba, ken 3 und 4 lockert, zieht man die verschweißten Teile heraus.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   \. Stumpfschweißverfahren mit Abbrennen der beiden zu verbindenden Stirnflächen durch einen zwischen diesen brennenden, Ober die gesamte Schweißfläche gleichmäßig verteilten Lichtbogen bis zur Bildung einer schmeSzflüssigen Oberflächenschicht und mit Lichtbogenzündung durch Ionisierung, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißverfahren in einer Schutzatmosphäre bei to einem Druck von 1,33 bis 133 mbar ausgeführt wird und der Lichtbogen mittels eines Hilfslichtbogens stabilisiert wird, der am Anfang jeder Halbwelle des Lichtbogenstroms mittels einer Glimmentladung gezündet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 für Teile aus Aluminiumlegierungen, gekennzeichnet durch Argon als Schutzgas, Druckwerte von 133 bis 133 mbar und eine Stromdichte bis 150 A/cm².
3. 3. Verfinien nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 2" zeichnet, daß die Stirnflächen dev zu verschweißenden Teile (5, 6) vor deren Abbrennen durch ein im Spalt zwischen ihnen brennende Glimmentladung vorgewärmt werden.
4. 4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3 mit einer Schutzgaskammer zur Aufnahme der Einspannbacken für die zu verschweißenden Teile, deren eine mit der Möglichkeit einer linearen Verschiebung längs der geometrischen Achse der zu verschweißenden Teile bei J" deren Stauchciig nach dem Abbrennen der Stirnflächen angeordnet ist. und mit einem Schweißtransformator, an dessen Sekundärwicklung die zu verschweißenden Teile angeschlossen sind, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, zur Erzeugung « der Glimmentladungen dienenden Transformator, an dessen Sekundärwicklung die zu verschweißenden Teile angeschlossen sind, und eine zur Steuerung des Lichtbogenstromes dienende Schalteinrichtung im Sekundärkreis des Schweißtransformators. ·»<>