DE2603020A1

DE2603020A1 - Verfahren und vorrichtung zum elektro-schlacke-schweissen von stahlblechen

Info

Publication number: DE2603020A1
Application number: DE19762603020
Authority: DE
Inventors: Peter Hirsch; Rolf Ing Grad Schaefer; Berhard Wuebbels
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-01-28
Publication date: 1977-08-04
Also published as: DE2603020B2; SE7700178L; DE2603020C3; FR2339462A1; SE440757B; FR2339462B1; US4151389A; GB1552043A

Description

Prof. Dr.-Inc.-. Friedlich Eichhorn

5100 Aachen, Fichthang 2 ?Rfl9 Π9Π

Verfahren und Vorrichtung zum Elektro-Schlacke-Schweißen von Stahlbio?.hen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Elektro-Schlacke-Schweißen von Stahlblechen.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bereits bekannt. Sio verwenden eine oder mehrere hintereinander in» Schweißspalt einzeln angeordnete Drahtelektroden, die auch zu einem Bündel zusammengefaßt sein können. Der wesentliche Nr.chteil solcher Geräte bzw, Vorrichtungen besteht darin, daß ihre geringe Sl.rombelastbarkeit nur eine relativ geringe Schweißgeschwindigkeit erlaubt. Daraus ergibt sich eine starke Überhitzung des Grundwerkstoffs und damit unzureichende mechanisch- technologische Eigenschaften der Schweißnaht, insbesondere in der nahtnahen Wnrmeeinflußzone.

Ks sind auch derartige Schweißversuche mit Zufuhr von stromlosem Zusatzwerkstoff in Drahtkorn oder Metallpulverform bekannt geworden. Bei diesen hat man den Zusatzwerkstoff unter Schwerkraft in das Schlackenbad geleitet. Dabei hat sich aber tre^eigt, daß die Zufuhr des Drahtkorns oder des Metallpulvers infolge der im Schweißspalt auftretenden starken Magnetfelder im Zuführungsrohr blockiert wird und zwar schon bei relativ geringen Stromstärken. Die Schweißgeschwindigkeit bleibt also entsprechend gering mit den oben angegebenen Nachteilen und auch der Zusatzwerkstoff kann allein eine Verbesserung des Schweißnaht.t-efüges nicht bewirken.

Das Schweißverfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden, also Schweißverbindungen zu erzeugen, die eine Gefügeausbildung aufweisen, bei .m der u.a. die Grobkornbildung in der nahtnahen Wärmeeinflußzona stark vermindert ist. Damit ergeben sich Kerbschlagzähigkeitswerte, wie sie für höhere Belastbarkeit erforderlich sind.

Die Aufgabe der Qualitätsverbesserung der Verbindungen beim Elektro-Schlacke-Schweißen wird nach der Erfindung durch eine

-2-

709831/039*

BAD ORIGINAL

wesentliche Steigerung der Abschmelzleistung und damit der Schweißgeschwindigkeit erreicht. Die Schweißwärme hat dabei weniger Zeit abzuwandern womit sich eine Verminderung der Überhitzung des Schweißgutes und der nahtnahen '.iärmeeinf lußzone ergibt. Der Erfolg ist also eine günstige Gefügeausbildung und damit eine hohe Kerbschlagzähigkeit. Im Schliffbild zeigt sich, daß die Grobkornzone stark verkleinert ist.

Die höhere Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit wird ermöglicht durch die Anordnung von einer, oder, in Abhängigkeit von der Blechdicke, von mehreren in gerigem Abstand voneinander befindlichen Drahtelektrodenpaaren im Schweißspalt, unter Zufuhr von stromlosem Zusatzwerkstoff, vorzugsweise in Metallpulverform bis zu etwa 150 %, bezogen auf die abgeschmolzene Drahtelektrodenmenge. Dazu dient eine Dosiereinrichtung, die über Schlauchleitungen mittels eines neutralen Fördergases das Pulver von außerhalb des Schweißspaltes dicht oberhall) des Schlackenbades gegen die Drahtelektrodenpaare spritzt. Diese wirken infolge der magnetischen Felder wie Förderbänder und leiten das Metallpulver in das Schlackenbad. Eine andere Möglichkeit der Zufuhr des Metallpulvers besteht darin, daß mit diesem Pulver gefüllte dünnwandige Röhrchen in das Schlacitenbad eingeführt werden·

Pur da« im Einzelfall etwa benötigte Schweißpulver let ebenfalls eine Dosi«r-und Zuführung»einrichtung vorgesehen. Da dieses Pulver jedoch nicht metallisch ist, also umnagenetisch, ist seine Zufuhr unproblematisch.

Die bei die·ein Schweißverfahren verwendeten Gleitschuhe, üblicherweise aus Kupfer, sind gegenüber der bekannten Bauart länger ausgebildet und im Schmelzbadbereich trichterförmig erweitert. Sie bestehen aus einem festen Mittelteil und zwei senkrecht zu ihrer Längsrichtung in Segmente unterteilten Seitenteilen, wobei diese Segmente in rahmenartigen Verbreiterungen des Mittelteils geführt und einzeln gegeneinander beweglich sind* Außerdem sind die Segmente wassergekühlt« Die Segmente werden einzeln gegen die Oberfläche der zu verschweißenden Bleche gedrückt und verbessern so das Anliegen·

709831/0394 ~³~

ORIGINAL INSPECTED

Um die Mengen des abzuschmelzenden Elektrodenwerkstoffs mid des Zusatzwerlrstof f s, gegebenenfalls auch des Schweißpulvers aufeinander abstimmen zu können und damit diese Relation eingehalten wird, sind die zugehörigen Vorschubmotoren und Pulverförderer miteinander gekoppelt. Hierzu dienen an sich bekannte elektronische Mittel.

Die erhöhte Schweißgeschwindigkeit erschwert das korrekte Ein-HaIten der Schweißdaten, einschließlich der Men&e des Zusatzwerkstoffs. Zur Qualitätssicherung ist es daher unerläßlich, für diese Vorgänge eine elektronische Regeleinrichtung vui-zusehen, auch für das evtl. erfoRlerlichs Schweißpulvi-» .

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausfuhrungbbeis?· i.«l tier Schweißvorrichtung nach dar Erfindung schematise'-* aurgt ,teilt. Es zeigen;

Fig.leine Gesamtdarstellung in Perspektive, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie H-II von Fig» L₁ Fig. 3 die Ge samt anordnung in der Ebene der zvi verschweißenden Bleche gesehen, teilweise im Schnitt,

FIg. 'i einen der Gleitschuhe im Schnitt durch den festen Mittelteil,
Fig.5 den Gleitschuh nach Fig. k in Ansicht auf iiie Iimen» (Kontakt-) Seite,

Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI von Fig. 5? Fig. 7 ein Bewegung«- und Steuerungsdiagramm für die einzelnen Vorgänge während des Schweißens,

Fig. ii die Einstellung der Schweißdaten an der Stromquelle, Fig. 9 das Konstanthalten des Draht-Metallpuiver-Verhältiiieeee, Fig.10 dae Konstanthalten des Abstandes der Schlackenbadoberflache rwlabiv zur Oberkante der Gleitschuhe *

Die Elektro-Schlacke-Schweißmaschine ist mit zwei voneinander mechanisch und eÄctrisch getrennten Vorschubeinheiten 1, 2 für Drahtelektrodenpaare ausgerüstet. Diese werden in nebeneinander in verstellbarem Abstand von etwa 3 bis 7 mm im Schweißspalt angeordneten Stromrüsselpaaren 3 in das Schlackenbad geführt.

,o⁵-,- · '«■■'.- 709831/0394

üie Halterungen 4 der Strorarüsselpaare sind ebenfalls voneinander elektrisch getrennt,■ebenso wie ihre Stroraführuujr. Der Schweiß— s trC-T! fließt τοπ ΘΪη,θίη gemeinsamen. Pluspol getrennt über zwei Siiuiits und Kupferlitzen su den Halterungen 4 und von den Stromrüsselpaaren und Brairielektroden in das Schlackenbad zum gemeinsamen Minuspol. Bsi Verwendung einer Wecliselstrotnquelle bleibt die Anordnung der S tr omf unrun.gr trotz der wechselnden Polarität unverändert> Dia Schweißatromstärkewerte der beiden Drall tfiek— trcdeiipaare werden über den Spannungsabfall an den Shunts gemessen ur»d können von Meßgeräten abgelesen und bei Handbedienung mittels Stelltranaformatorss, die die Umdrehungszahl der Draht— vorschubaioioren beeinflussen, korrigiert werden=, Die Schweiß— jpannungswerte 'cöeuisii, wie bekannt, von der Stromrüaselhalterung aas ie-.T BÄashwarltstaff abgegriffen und über Meßgeräte al,;::slesen ■>'ardir:. Mittels der '/erstellbareß Halterungen 4 können die Abstände dsr Jrahtelelctrodenpaare in Abhängigkeit von der Hlechd-ic':;- -3ing;3siellt werden.

ΖΛ3 :-!st-Äll;.-ui"V'i2' wird Kittels zwei Pulverförderserätsn 5 und zi.ii.sz:. r.2v."''.:i^:"i..l(SJi PÜrdergas über- Scrilauonleituingett außerhalb des 23r.?;'ii.."-^F3>'%2'iöa gs-gsr^ das vordere und hintere ßrahtelektroden-5·ΛΛί i:t J53-.-JLa.g3E Abstand von UeT Schlacicenbadoberflache s;e-I^i

is

sadUcsa δ hsstehGii aus Ma tall oder* i'.e-

L*-3:n±ü u:ia ΐ.·:.Λ-.ώ üüJes¹¹ Sshlauahleltungen (nicht dargestellt) mit den ."•aL'iriS'r'oi'-ies'gaE'äteii vaibHEdane Sie 32.3ίί isoliert an den Zt^CmTZssiil-z^-3.t^e2i b-sfestig'i nad ihr Abstand und Ihre Richtuns au säs*-. Cr-x^'i^lsistrcdanpaartsri ist cnifctels der Weiterungen 7 'siEa^sLLna^'. 7Ü3E* da# Seh.vrei.Spulves* ist eins Ziäführsnigsdiäse 8 icrg.jÄ-s^'t'-io d:-i3 übar 4i«e?. Scfelauoli BJ.it einem Dcsiergerät vei^v-Vii'isi: ί-ϊ'ϊ-- "EirLiSSS sieht dargestellt) Tasiiogeneratoren, die ü .Γ.;·::- v:;-■"·,<:Λ⁵2a der Pulvarfcirdis^.s-arate· verbeiidGEi iEiEid„ liefern Ii.3 ir-; ;-. iiii"-" i,shea Meßsigii&le, ϊε mit etitsprechana geeichten I-ioljLr.£ ■!'_""„:::.:-r.'^sii die .ja'weilä gefilräsrte Metalipuii«-erissE.ge feat-3""j?r,-ls.-". "."":" iesebs^SEfeliLs vest. Kand übsr* Stelltraasformatoren

Z*ir iraöli^r^g der Prozeßstabilltät sind die Gleitschuhe im Bereich des Schmelzbades trichterförmig erweitert.{Fig. k) Um ein gutes Anliegen der Gleitschuhe bei Blechunebenheiten zu

709831/0394 -5-

erreichen, sind diese in drei Teile, ein Mittelstück I3 und zwei Seitenteile i'l, 1:5 gegliedert, wobei die Seitenteile rahmenartig zur Aufnahme untereinander beweglicher Segmente 16 dienen, die mittels Federn 171 l8 gngen die zu verschweißenden Dleche gedruckt werden. Durch einen Anschlag 19 sind die Segmente gegen llernusfallen aus den Seitenteilen gesichert. Die Kühl\ing des Mittelteils und der Segmente in den Seitenteilen erfolgt über Kühlwasserbohrungen 20, 21, 22, die mit Schläuchen verbunden sind.

Zur Vereinfachung der Bedienung der Schweißmaschine, damit zur genaueren Iiinhaltxmg der vorgegebenen Schweißdaten und also zur Qualitätssicherung ist folgende elektronische Steuerung beschrieben:

Zunächst wird die Maschine in Startposition gebracht,d.h. u.a. werden die Gleitschuhe mn Fuß der Schweißnaht angelegt. Danach wird die zum Zünden des Schweißprozesses erforderliche Menge von Stahlspänen und Schweißpulver in die Schweißfuge eingebracht sowie die Wasserkühlung der Gleitschuhe und die Stromquelle eingeschaltet. Danach wird die elektronische Startautomatik eingeschaltet. Diese schaltet automatisch ji;£j£ in zeitlich vorgegebener Reihenfolge die Förderung jL£)i des vorderen und des hinteren Drahtelektrodenpaares ein, sowie die Metallpulverförderung mittels des Fördergerätes und kurzzeitig den Vorschub der Gleitschuhe. Damit wird zunächst mal ein ca. kO bis 6O mm hohes Schlackenbad erschmolzen. Der Arbeitsverlauf dazu ist in Vorversuchen in Abhängigkeit von der Blechdicke ermittelt und der 'Atartautomatik eingegeben worden. Erst danach erfolgt die Einleitung des stationären Schweißprozesses durch eine kontinuierliche Anhebung der Stromstärke über die Erhöhung der Drahtvorschnbgeschwindigkeit (Fig. 8,9) uii£ eine Nachregelung der Schweißspannungswerto. Gleichzeitig wird die geförderte Metallpulvermenge auf din in Vorversuchen für die jeweilige Blechdicke ermittf? ten günstigen En/idwerte gesteigert. Die Förderung des MetniLpulvers erfolgt gekoppelt zum Drahtelektrodenvorschub durch den in Fig. 9 schomatisch gezeigten Regelkreis. Die Schweißgescl?indigkeit wird in Abhängigkeit von der Aufstiegsgeschwindig-

709831/0394 ~⁶~

keit des Schnielzbades elektronisch nachgeregelt. (Fig. 10) Dazu liefern mehrere, untereinander angebrachte und auf die Schweißspaltmitte zur Schlackenbad ,berfläche aiisgerich te te Photozellen die erforderlichen Meßsignale. Mittels Auswerte! ο,'τϋί und elektronischer Verstärkung wird der Vorschubmotor no a igesieuert, daß der Abstand der Schlackenbadoberfläche zur Oberkante der Gleitschuhe konstant bleibt.

Die Abschaltxirig des Schweißprozesses eri'olgt durch eitlen Endschalter, wobei zuerst die Metallpulver- und Schweißpulverförderung und anschließend Schweißspannung, Drahtelektroden- und Schweißvorschub abgeschaltet werden.

Abgesehen von der wie vorstehend beschrieben erreichten Steigerung der Qualität der Schweißverbindungen ist als weiterer /orteil noch zu erwähnen, daß die Arbeitszeit durch das s neuere Schweißen merkbar verkürzt wird.

Die erreichbare Schweißgeschindigkeit wird an Hand der beiden nachstehend tabellarisch aufgeführten Beispiele trezeigt:

1. Blechdicke = 4ü mm
U ^ 51 V
I^s a 2600 A

Abschmelzleistung = 175 kg/h
4 Drahtelektroden 0 : 2,4 mm

Metallpulveranteil = ΐ4θ % bezogen auf das abgeschmolzeuc

Drahtgewicht Spaltweite = 26-28 mtn
freie Drahtlänge a 40 mm
Abstand der Drahtelektrodenpaare = 20 mm

Schweißgeaclivfindigkeit : iß m/h

2· Blechdicke = 60 mm

Abstand der Drahtelektrodenpaare = 34 mm ibfb'lge Daten wie unter 1.)
SchweißgeachwindiKkeit t 1 4 m/h

709831/039A

In Betracht gezogene Druckschriften:

EichhorYi, F., Shaheeb, A.R.: Einfluß technologischer und metallur- gischer Maßnahmen auf die Eigenschaften alektrcschlackegeschweiß-

ter Verbindungen aus warmfesten StShlen · I

Z. f. Werkstofftechnik 4.Jg. 1973/Nr. 5, S.229-236 |

Eichhorn,F., Hirsch,P.: Wesentliche Steigerung der Schweißgaschwindig-| keit beim Elektro-Schlacke-Schweißen bei gleichzeitiger Qualitäts- ξ verbesserung der Verbindung
DVS-Bericht, Band 31, 1974, S.37-44

Ivochkin,I.I., Sosedov,A.F.: On the effectiveness of using filler £ metal in powder form in electroslag welding ;

Svar. Proiz. 1969, H.11, S.18-19 )

Smirnov,£j.A. , Efmienko,L.A. u.a.: Special structural features and * mechanical properties of electroslag welded joints made using powdered \ filler metal. i

Avt. Svarka 26 (1973), H.9, S.46-50 j

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 026 898

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 040 148

Deutsche Aualegeschriffc Nr, 1 096 515

Deutsche Patentschrift Nr. 1 108 352

Deutsche Aealegeschrift Nr. 1 515 286

Patentansprüche

709831/039« OfOINAL₁NSPECTED

JO

Leerseite

Claims

Prof. Dr.-Ing. Friedrich Eichhorn
5100 Aachen, Fichthang 2

tentansprüche

Verfahren zum Elektro-Schlacke-Schweißen von Stahlblech, mit Zufuhr von Zusatzwerkstoff in den Schweißüpalt, evtl. avch von Hilfswerkstoff (Schweißpulver), dadurch gekennzeichnet, laß ein oder mehrere Drahtelektrodenpaare mit höherer S romstäri » als üblich in dt-..i Schlackenbad abgeschmoJ /en werden, bei gleichzeitiger kontinuierlicher Zufuhr von .stromlosem Zusatzwerkstoff in Metallpulverform von außerhalb de^ Schweißsp.<ltes mittels eines Pulverförderers gegen die Drahtelelctrodenpaare und evtl. auch von Schweißpulver, eb« ufalls mittels eines Pulverförderers.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverförderer mittels eines neutralen Förderga.ses arbe i ten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördern des Metallpulvers statt mit einem Pulverförderer mittels dünnwandiger Röhrchen erfolgt, die das Pulver enthalten und die Schlackenbad kontinuierlich zugeführt werden.
k« Verfahren nach Anspruch 1, dadurca gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Drahtelektrodenpaare diese mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten und entsprechenden Schweißstronistärken arbeiten.
5· Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis Ί, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Schmelzbadsicherung dienenden Gleitschuhe gegenüber der üblichen Bn.iart verlängert und im Schmölzbadbereich trichterföruiLg erweitert sind«
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadii» ch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe aus einem festen Mittelteil und zwei Seitenteilen bestehen, die senkrecht zu ihrer Längsrichtung in Segmente unterteilte Anlageflächen aufweisen, wobei die Segmente in einem rahmenartig ausgebildeten Teil der Seitenteile geführt, einzeln gegen die Oberfläche der zu verschweißenden Bleche anpreßbar und wassergekühlt sind.

-2-

OWGINAL INSPECTED

709831/0394
7. Vorrichtung nach Ansprach 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubmotoren für die Drahtelektrodenpaare und die Pulverförderer miteinander gekoppelt sind, wozu an sich bekannte elektronische Mittel vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des Schweißprozesses, zur Regelung der Schweißdaten einschließlich der Mengen des Zusatzwerkstoffs und gegebenenfalls des Schweißpulvers und für den Abschaltvorgang des Schweißprozesses eine elektronische Steuerung vorgesehen ist.

7098 3 1/0394