DE2603020B2

DE2603020B2 - Verfahren und vorrichtung zum elektro-schlacke-schweissen von stahlblechen

Info

Publication number: DE2603020B2
Application number: DE19762603020
Authority: DE
Inventors: Peter 5100 Aachen; Wübbels Berhard 4280 Borken; Schäfer Rolf IngXgrad.) 5100 Aachen Hirsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-01-28
Publication date: 1978-02-16
Also published as: SE440757B; DE2603020C3; SE7700178L; US4151389A; FR2339462B1; FR2339462A1; GB1552043A; DE2603020A1

Description

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

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bereits bekannt. Sie verwenden eine oder mehrere hintereinander im Schweißspalt einzeln angeordnete Drahtelektroden, die auch zu einem Bündel zusammengefaßt sein können. Der wesentliche Nachteil solcher Geräte bzw. Vorrichtungen besteht darin, da3 ihre geringe Strombe-Iastbarkeit 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 Wärmeeinflußzone.

Es sind auch derartige Schweißversuche mit Zufuhr von stromlosem Zusatzwerkstoff in Platten — (DT-OS 20 19 318), Draht' (US-PS 38 16 694), Drahtkorn- ([I]) oder Metallpulverform ([2-4]), (DT-AS 10 26 898, DT-AS 10 40 148)—bekanntgeworden. Bei diesen hat man den Zusatzwerkstoff unter Schwerkraft in das Schlackenbad geleitet. Dabei hat sich aber gezeigt, 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 Schweißnahtgefüges nicht bewirken.

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

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebene Erfindung gelöst.

Die Qualitätsverbesserung der Verbindungen beim Elektro-Schlacke-Schweißen wird nach der Erfindung durch eine wesentliche Steigerung der Abschmelzleistung und damit der Schweißgeschwindigkeit erreicht. Die Schweißwärme hat dabei weniger Zeit abzuwandem, womit sich eine Verminderung der Überhitzung des Schweißgutes und der nahtnahen Wärmeeinflußzone 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 geringem Abstand voneinander befindlichen Drahtelektrodenpaaren im Schweißspalt, unter Zufuhr von stromlosen Zusatzwerkstoff 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 oberhalb 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 Schlackenbad eingeführt werden.

Für das im Einzelfall etwa benötigte Schweißpulver, das üblicherweise [5] mit Schwerkraft gefördert wird, ist

hi ebenfalls eine Dosier- und Zuführungseinrichtung vorgesehen. Da dieses Pulver jedoch nicht metallisch ist, also unmagnetisch, ist seine Zufuhr unproblematisch.
Die bei diesem Schweißverfahren verwendeten

Gleitschuhe, üblicherweise aus Kupfer, sind gegenüber der bekannten Bauart (DT-AS 12 14 813, DT-AS 10 96 515, DTPS I 10 835, DT-OS 16 90 673) 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.

Um die Mengen des abzuschmelzenden Elektrodenwerkstoffs und des Zusatzwerkstoffs, 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 Einhalten der Schweißdaten, einschließlich der Menge des Zusatzwerkstoffs. Zur Qualitätssicherung ist es daher unerläßlich, für diese Vorgänge eine elektronische Regeleinrichtung vorzusehen, auch für das evtl. erforderliche Schweißpulver.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schweißvorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Gesamtdarstellung in Perspektive, F i g. 2 einen Schnitt nach Linie H-II von F i g. 1,

Fig.3 die Gesamtanordnung in der Ebene der zu verschweißenden Bleche gesehen, teilweise im Schnitt,

Fig.4 einen der Gleitschuhe im Schnitt dun.h den festen Mittelteil,

F i g. 5 den Gleitschuh nach F i g. 4 in Ansicht auf die Innen-(Kontakt-)seite,

F i g. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI von F i g. 5,

Fig.7 ein Bewegungs- und Steuerungsdiagramm für die einzelnen Vorgänge während des Schweißens,

Fig.8 die Einstellung der Schweißdaten an der Stromquelle,

Fig.9 das Konstanthalten des Draht-Metallpulver-Verhältnisses,

Fig. 10 das Konstanthalten des Abstandes der Schlackenbadoberfläche zur Oberkante der Gleitschuhe.

Die Elektro-Schlacke-Schweißvorrichtung ist mit zwei voneinander mechanisch und elektrisch getrennten Vorschubeinheiten 1, 2 für Drahtelektrodenpaare ausgerüstet. Diese werden in nebeneinander in verstellbarem Abstand von etwa 3 bis 7 mm im 5>chweißspalt angeordneten Stromrüsselpaaren 3 in das Schlackenbad geführt.

Die Halterungen 4 der Stromrüsselpaare sind ebenfalls voneinander elektrisch getrennt, ebenso wie ihre Stromführung. Der Schweißstrom fließt von einem gemeinsamen Pluspol getrennt über zwei Shunts und Kupferlitzen zu den Halterungen 4 und von den Stromrüsselpaaren und Drahtelektroden in das Schlakkenbad zum gemeinsamen Minuspol. Bei Verwendung einer Wechselstromquelle bleibt die Anordnung der Stromführung trotz der wechselnden Polarität unverändert. Die Schweißstromstärkewerte der beiden Drahtelektrodenpaare werden über den Spannungsabfall an den Shunts gemessen und können von Meßgeräten abgelesen und bei Handbedienung mittels Stelltransformatoren, die die Umdrehungszahl der Drahtvorschubmotoren beeinflussen, korrigiert werden. Die Schweiß spannungswerte können, wie bekannt, von der Stromrüsselhalterung und dem Blechwerkstoff abgegriffen und über Meßgeräte abgelesen werden. Mittels der versteilbaren Halterungen 4 können die Abstände der Drahtelektrodenpaare in Abhängigkeit von der Blechdicke eingestellt werden.

Das Metallpulver wird mittels zwei Piilverfördergeräten 5 und einem neutralen Fördergas über Schlauchleitungen außerhalb des Schweißspaltes gegen das vordere und hintere Drahtelektrodenpaar in geringem Abstand von der Schlackenbadoberfläche gespritzt. Die Zuführungsdüsen 6 bestehen aus Metall oder Keramik und sind über Schlauchleitungen (nicht dargestellt) mit den Pulverfördergeräten verbunden. Sie sind isoliert an den Stromrüsselpaaren befestigt und ihr Abstand und ihre Richtung zu den Drahtelektrodenpaaren ist mittels der Halterungen 7 einstellbar. Für das Schweißpulver ist eine Zuführungsdüse 8 vorgesehen, die über einen Schlauch mit einem Dosiergerät verbunden ist (beides nicht dargestellt). Tachogeneratoren, die mit den Motoren der Pulverfördergeräte verbunden sind, liefern die erforderlichen Meßsignale, um mit entsprechend geeichten Meßinstrumenten die jeweils geförderte Metailpulvermenge feststellen und gegebenenfalls von Hand über Stelltransformatoren korrigieren zu können.

Zur Erhöhung der Prozeßstabilität sind die Gleitschuhe im Bereich des Schmelzbades trichterförmig erweitert (Fig. 4). Um ein gutes Anliegen der Gleitschuhe bei Blechunebenheiten zu erreichen, sind diese in drei Teile, ein Mittelstück 13 und zwei Seitenteile 14, 15 gegliedert, wobei die Seitenteile rahmenartig zur Aufnahme untereinander beweglicher Segmente 16 dienen, die mittels Federn 17,18 gegen die zu verschweißenden Bleche gedrückt werden. Durch einen Anschlag 19 sind die Segmente gegen Herausfallen aus den Seitenteilen gesichert. Die Kühlung 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 Einhaltung 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 am 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 in zeitlich vorgegebener Reihenfolge die Förderung 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. 40 bis 60 mm hohes Schlackenbad erschmolzen. Der Arbeitsverlauf dazu ist in Vorversuchen in Abhängigkeit von der Blechdicke ermittelt und der Startautomatik eingegeben worden. Erst danach erfolgt die Einleitung des stationären Schweißprozesses durch eine kontinuierliche Anhebung der Stromstärke über die Erhöhung der Drahtvorschubgeschwindigkeit (Fig.8, 9) und eine Nachregelung der Schweißspannungswerte. Gleichzeitig wird die geförderte Metallpulvermenge auf die in Vorversuchen für die jeweilige Blechdicke ermittelten günstigeren Endwerte gesteigert. Die Förderung des

Metallpulvers erfolgt gekoppelt zum Drahtelektrodenvorschub durch den in F i g. 9 schematisch gezeigten Regelkreis. Die Schweißgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit von der Aufstiegsgeschwindigkeit des Schmelzbades elektronisch nachgeregelt (Fig. 10). Dazu liefern mehrere, untereinander angebrachte und auf die Schweißspaltmitte zur Schlackenbadoberfläche ausgerichtete Photozellen die erforderlichen Meßsignale. Mittels Auswertelogik und elektronischer Verstärkung wird der Vorschubmotor so angesteuert, daß der Abstand der Schlackenbadoberfläche zur Oberkante der Gleitschuhe konstant bleibt.

Die Abschaltung des Schweißprozesses erfolgt durch einen 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 Vorteil noch zu erwähnen, daß die Arbeitszeit durch das schnellere Schweißen merkbar verkürzt wird.

Die erreichbare Schweißgeschwindigkeit wird an Hand der beiden nachstehend tabellarisch aufgeführten Beispiele gezeigt:

1. Blechdicke = 40 mm

Us = 51 V

I₅ = 2600 A

Abschmelzleistung = 175 kg/h

4 Drahtelektroden 0 = 2,4 mm Metallpulveranteil = 140%, bezogen auf das abgeschmolzene Drahtgewicht Spaltweite = 26—28 mm

Freie Drahtlänge = 40 mm

Abstand der Drahtelektrodenpaare = 20 mm

Schweißgeschwindigkeit: 18 m/h

2. Blechdicke = 60 mm

Abstand der Drahtelektrodenpaare = 34 mm Übrige Daten wie unter 1.

Schweißgeschwindigkeit: 14 m/h

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektro-Schlacke-Schweißen von Stahlblech mittels einem oder mehreren Drahtelektrodenpaaren, mit Zufuhr von Zusatzmetall und Schweißpulver in den Schweißspalt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einem Schweißstrom in der Größenordnung von 2600 Ampere (140 A/mm²) abgeschmolzen werden, das Zusatzmetall in Pulverform gegen die Elektroden zugeführt wird und das Zusatzmetall und das Schweißpulver mittels eines Puiverförderers in den Schweißspalt eingebracht werden.

2. Verfahren zum Elektro-Schlacke-Schweißen von Stahlblech mittels einem oder mehreren Drahtelektrodenpaaren, mit Zufuhr von Zusitzmetall und Schweißpulver in den Schweißspalt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einem Schweißstrom in der Größenordnung von 2600 Ampere abgeschmolzen werden, das Zusatzmetall mittels dünnwandiger Röhrchen, die das Pulver enthalten, dem Schlackenbad kontinuierlich zugeführt und das Schweißpulver mittels eines Pulverförderers in den Schweißspalt eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverförderer mittels eines neutralen Fördergases arbeiten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Drahtelektrodenpaare diese in bekannter Weise mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten und entsprechenden Schweißstromstärken arbeiten.

5. Gleitschuh zur Verwendung in einem der Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitschuh im Schmelzbadbereich trichterförmig erweitert ist.

6. Gleitschuh nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem festen Mittelteil und zwei Seitenteilen besteht, 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.

7. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4, 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 7, 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.