DE2632578A1

DE2632578A1 - Lichtbogenschweissverfahren

Info

Publication number: DE2632578A1
Application number: DE19762632578
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Hirakaso; Toshio Horiuchi; Motomi Kano; Yasuhiro Nagai
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1976-07-20
Publication date: 1977-01-27
Also published as: FR2318703A1; SE7608311L; FR2318703B1; US4091258A; DE2632578B2; SE433919B; JPS5212647A; DE2632578C3

Description

G 5ο 466 -su

Firma KOBE STEEL, LTD., 3-18, 1-Chome, Wakinohama-Cho, Fukiai-Ku, Kobe (Japan.)

Liehtbogenschweißverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtbogenschweißverfahren und insbesondere ein solches, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden Elektrode sowie den zu schweißenden Materialien erzeugt und ein Schweißbrenner längs der Schweißfuge vorwärts und rückwärts oszilliert bzw. gependelt werden.

Es wurden zahlreiche Schweißverfahren vorgeschlagen, bei denen eine abschmelzende Elektrode quer zur Schweißfuge oszilliert bzw. gependelt wird, um eine Stoß- bzw. Stumpfnaht oder eine Kehlnaht zu schweißen. Diese Verfahren können jedoch nicht beim Stumpfschweißen dicker Platten mit einer engen I-Fuge angewendet werden .|

ι Das US-Patent 2 28o 77o beinhaltet eine Schweißmaschine, bei der ein Schweißbrenner längs einer Schweißfugenlinie vorwärts und rückwärts oszilliert bzw. gependelt werden kann, und zwar für eine Verwendung beim Heftschweißen. Ferner wird gemäß dem US-Patent 3 818 176 ein Schweißverfahren vorgeschlagen, bei dem die Lunkerung bzw. Porigkeit der Schweißung durch einen Rührvorgang im Schweiß- bzw« Schmelzbad reduziert wird, wobei dieser Rührvor- j gang durch eine Oszillation des Schweißbrenners quer zur und/oder j

entlang der Schweißfugenlinie hervorgerufen wird. Auch mit den i oben erwähnten herkömmlichen Schweißtechniken läßt sich kein tie- j

fer und ausreichender Einbrand an den an beiden Seitenbereichen

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befindlichen Fugenflächen der Schweißfuge erzielen, wenn extrem dicke Platten mit einer engen I-Fuge stumpfgeschweißt werden. j Dementsprechend wurde seit langem eine Lichtbogenschweißtechnolo-j gie angestrebt, mit der sich ein ausreichender Einbrand beim j Schweißen dicker Platten mit einer engen I-Fuge erzielen läßt. !

Die.Aufgäbe der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Schaffung eines Lichtbogenschweißverfahrens der genannten Art, bei dem unter Überwindung der Nachteile der herkömmlichen Schweißtechnologie eine fehlerfreie Schweißung und eine große Einbrandbreite entlang der Schweißfuge erzielt werden. Auch soll sich ein extrem guter und keinen Durchschmelzungsmangel aufweisender Einbrand ergeben, wenn eine enge I-Fuge dicker Platten geschweißt wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren der[ genannten Art erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Lichtbogenlän-, ge, wenn sich der Schweißbrenner in bezug auf die Schweißrichtung an der Vorderseite der Oszillationsbewegung befindet, länger als die Lichtbogenlänge gemacht wird, wenn sich der Schweißbrenner an der Rückseite der Oszillationsbewegung befindet.

Es ist bevorzugt, daß ' auf ein Stumpfschweißen dicker Platten I mit engem Spalt bzw. enger Fuge angewendet wird. Eine Ausfüh- j rungsform besteht darin, daß die Oszillationsbewegung des" Schweißbrenners an der vordersten Oszillationsendposition in bezug auf i die Schweißrichtung für eine infinitesimale bzw. kurze Zeitperio- ; de unterbrochen wird. Ferner ist es möglich, daß - auf eine I Schweißung von oben bzw. in flacher Position (flat position weld-j ing) angewendet wird. Eine andere Variante besteht darin, daß die Partikelüberführung als Sprüh- bzw. Spritzüberführung durchgeführt wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß eine Oszillationsweite der Schweißelektrode von j 5-25 mm durchgeführt wird, und schließlich ist es bevorzugt daß eine Oszillationsfrequenz des Schweißbrenners von 3o - 7o Schwingungen pro Minute angewendet wird ο ⁺) clas Verfahren

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Das erfindungsgemäße Lichtbogenschweißverfahren wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen detailliert erörtert. Es zeigen:'

Figuren 1(a)-(c) - das erfindungsgemäße Verfahren erläuternde Dar-' Stellungen, wobei Figur 1(a) in einem Querschnitt die I Schweißfuge in dem Zustand zeigt, wenn sich ein Schweißbrenner an der in bezug auf die Schweißrichtung vorderen Seite der Oszillationsbewegung befindet, wobei Figur 1(b) in einem Querschnitt die Schweißfuge in dem Zustand zeigt, wenn sich ein Schweißbrenner an der hinteren bzw. Rückseite der Oszillationsbewegung befindet, und wobei Figur 1(c) in einem Längsschnitt der Schweißfuge die Änderung bezüglich der Lichtbogentiefe bzw. -länge zeigt, wenn eine in bezug auf die Schweißrichtung vorwärts und rückwärts gerichtete Positionsänderung des Schweißbrenners erfolgt,

Figur 2(a) - in Draufsicht die einer Testschweißung zu unterwerfenden Platten,

Figur 2(b) - in einer Draufsicht eine Platte zum Festhalten der zu schweißenden Versuchsplatten,

Figur 3 -in einer schematischen Ansicht die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners entsprechend dem erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahren,

Figur 4 -einen Vergleich von Querschnittsmakrodarstellungen zum Aufzeigen des Einbrandzustandes, wobei Figur 4(a) eine ! Querschnittsmakrodarstellung der mit dem herkömmlichen j ■ Lichtbogenschweißverfahren erzielten Schweißung und Figur 4(b) eine Querschnittsmakrodarstellung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Schweißung beinhalten, ;

Figur 5 -in einer Seitenansicht eine Schweißvorrichtung zum Durch-' führen des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens,;

Figur 6 -eine den Aufbau der Vorrichtung aus Figur 5 erläuternde schematische Darstellung und

Figur 7 -ein Schema zum Aufzeigen der Steuerungsmechanismen der Vorrichtung aus den Figuren 5 und 6.

Gemäß den Figuren 1(a) und 1(b) wird eine abschmelzende Schweiß- \ elektrode 6 durch eine Schweißdüse 3 zu einer in Form eines engen

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I-Spalts ausgebildeten Fuge 2 der zu schweißenden Materialien 1, 1' geführt, wobei die Schweißdüse 3 am mittleren Teil der Fuge 2 positioniert ist. Die Schweißdüse 3 wird entlang der Schweißfugenlinie der Fuge mit einer gewissen Oszillationsperiode gependelt, während sie längs der Schweißfugenlinie vorbewegt wird. Gemäß Figur 1(a) wird die Lichtbogenlänge I₁ vergrößert, wenn sich die Schweißdüse 3 in bezug auf die Schweißrichtung an der Vorder-J Seite der Oszillationsbewegung befindet, das heißt die Schweiß- . ! spannung wird vergrößert, um die Lichtbogenlänge zu steigern, was ! zu einer Ausweitung der Einbrandbreite führt, um den Einbrandvor-j gang in die Fugenfläche an beiden Seiten der Fuge zu verbessern. Danach wird die Schweißzone an der Rückseite der Oszillationsbewegung unter Anwendung einer passenden Schweißspannung geschweißt; Gemäß Figur 1 (c) v/erden die Lichtbogenlängen I₁ und I₂ während der Rückwärts- und Vorwärtsoszillation des Schweißbrenners verändert. Bei einer großen Länge des Lichtbogens erstreckt sich dieser in der Weise, daß ein breiter Bereich der Fuge eingebrannt wird, ohne den Schweißbrenner quer zur Schweißlinie zu pendeln. Wenn die Lichtbogenlänge klein ist, wird die erforderliche Menge an geschmolzenem Metall nur auf das abgelagerte Metall geführt, um die erforderliche Schweißmetallablagerung zu erzielen.

Nach der vorliegenden Erfindung kann die Oszillationsbewegung des'

Schweißbrenners für eine sehr kleine Zeitperiode unterbrochen ' werden, wenn sich dieser in der Schweißrichtung am vordersten j Endbereich der Oszillationsbewegung befindet. Diese Unterbrechung" dient zum Vergrößern der Wärmezufuhr in die an beiden Seiten der ^! Fuge befindlichen Schweißfugenflachen, um den Einbrand in die Fu-, genflächen weitgehend zu verbessern. Wenn die Unterbrechungsperi-; ode der Schweißbrenneroszillation zu kurz ist, kann der oben er- I

I wähnte Effekt nicht erzielt werden, und es ist zumindest eine Zeitperiode von o,1 Sekunden erforderlich. Wenn die Unterbrechungsperiode zu lang ist, wird die Schweißzone mit einer übermäßigen Wärmezufuhr beaufschlagt, wodurch sich eine Vergrößerung des Einbrands ergibt und das geschmolzene Metall über den ungeschmolzenen Fugenteil nach vorne fließt, was dazu führt, daß un- j geschmolzene Bereiche vor der Schweißzone erhalten bleiben. Da- !

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rüberhinaus tritt infolge der übermäßigen Wärmezufuhr eine Versprödung der wärmebeeinflußten Zone auf. Aus den obigen Gründen sollte die Unterbrechungsperiode nicht länger als 1,ο Sekunden sein. Eine Unterbrechung der Oszillationsbewegung ist besonders vorteilhaft im Fall einer großen Fugenbreite.

Die Oszillationsweite der Schweißelektrode ist vorzugsweise auf 5 bis 25 mm beschränkt. Wenn sie kleiner als 5 mm ist, können die erwarteten Wirkungen infolge der Oszillation nicht erreicht werden, und wenn größer als 25 mm ist, wird das Schmelzbad in zwei Schmelzbäder unterteilt. Dies führt zu einer Ungleichförmigkeit bzw. Unterbrechung des abgelagerten Metalls, was einen unzureichenden Einbrand begründen kann. Die Oszillationsfrequenz ist vorzugsweise auf 3o bis 7o Schwingungen pro Minute beschränkt. Bei weniger als 3o Schwingungen pro Minute wird das Schmelzbad in zwei Schmelzbäder unterteilt, was zu den oben erwähnten Fehlern führt, und bei mehr als 7o Schwingungen pro Minute kann die Lichtbogenstabilität nicht aufrechterhalten werden. ⁺) ^s^^e

Nachfolgend werden Vergleichsversuchsdaten erläutert, um die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens aufzuzeigen. Wie es in Figur 2 (a) dargestellt ist, werden für den Versuch Schweißplatten 1 , 1' benutzt, bei denen sich die Fugenbreite in Vorwärtsrichtung der Schweißfugenlinie kontinuierlich ändert. Während dreier Schweißversuche wurde die Schweißwärmezuführ im wesentlichen konstant gehalten. Figur 2(b) zeigt in Draufsicht eine Platte 1o zum Halten der zu schweißenden Platten und ein Unterlagemetallglied 9, das an der Rückseite der zu sehweißenden Platten angeordnet ist. Es wurden drei Platten zum Festhalten benutzt und durch Heftschweißung an der Rückseite der zu verschweißenden Platten festgelegt. Es wurden folgende drei verschiedene Arten von Schweißverfahren angewendet: (i) Der Schweißbrenner wird längs der Schweißfugenlinie ohne

Veränderung der Lichtbogenlänge oszilliert bzw. gependelt, j (II) Der Schweißbrenner wird längs der Schweißfugenlinie derart oszilliert bzw. gependelt, daß sich eine große Lichtbogenlänge des Brenners an der Rückwärtsseite der Oszillations-

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bewegung und eine kurze Lichtbogenlänge des Brenners an der Vorderseite der Oszillationsbewegung ergeben.

(III.) Der Schweißbrenner wird längs der Schweißfugenlinie derart oszilliert bzw. gependelt, daß sich eine große Lichtbogenlänge des Brenners an der Vorderseite der Oszillationsbewegung und eine kleine Lichtbogenlänge des Brenners an der Rückseite der Oszillationsbewegung ergeben, wobei ferner eine Unterbrechung der Oszillationsbewegung erfolgt, wenn sich der Brenner in bezug auf die Schweißvorwärtsrichtung am vordersten Ende der Oszillationsbewegung befindet (Erfindung) .

Die Schweißverhältnisse der obigen drei Verfahren sind in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegeben. Bei diesem Vergleichsversuch ist die Lichtbogenlänge gemäß Figur 3 im Fall des Schweißverfahrens III im Bereich A größer und im Bereich B kleiner (erfindungsgemäßes Verfahren), während im Fall des Schweißverfahrens II umgekehrte Verhältnisse vorliegen.

Tabelle

Schweißsverfahren

Schweißbedingung

Schweißbedingungen

II

III

(Erfindung)

Schutzgas

Oszillationsfrequenz

Oszillationsweite

Unterbrechungsperiode am vordersten Ende der Oszillationsbewegung

Schweißstrom und -spannung

8o% Ar+2o% CO 8o% Ar+2o%

8o% Ar+2o%

5o Schwingungen 5o Schwingungen 5o Schwingungen pro Minute pro Minute pro Minute

1o mm

37o A - 32 V

Wärmezufuhr

23.68ο Joule/ cm

35o A - 29 V
(kleine Lichtbogenlänge)

4oo A - 37 V (große Lichtbogenlänge)

24.95ο Joule/
cm

1o mm

ο, 2 Sekunden

35o A - 29 V (kleine Lichtbogenlänge)

4oo A - 37 V-(große Lichtbogenlänge)

24.95ο Joule/ cm

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ehweißergebnisse: Bei dem Schweißverfahren I wurde gemäß Figur 4(a) an den mit χ bezeichneten Bereichen ein unzureichender Einbrand (Durchschmelzungsmangel) an beiden Seitenflächen der Fugen beobachtet, als der Fugenspalt breiter als 11 mm war. Auch bei dem; Schweißverfahren II ergab sich ein Durchschmelzungsmangel wie in j Figur 4(a) an den mit χ gekennzeichneten Bereichen, als der Spalt ! breiter als 13 mm war. Bei dem Schweißverfahren III konnten jedoch bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein ausreichender Einbrand und deshalb eine fehlerfreie Schweißung auch ; dann erzielt werden, als die Spaltbreite 14 mm betrug.

Unter Bezug auf die Figuren 5, 6 und 7 wird nachfolgend eine chweißvorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Lichtbo- j genschweißverfahrens erörtert. Figur 5 zeigt in einer Seitenan- ] icht eine derartige Vorrichtung, wobei Einzelheiten wie folgt bezeichnet sind: 1, 1' - zu verschweißende Materialien, 3 - Schweiß-

düse, 4 - Rolle, von der eine abschmelzende Schweißelektrode bzw. ein abschmelzender Elektrodendraht abgewickelt wird, 5 - Drahtspanner, 6 - abschmelzende Schweißelektrode bzw. abschmelzender ilektrodendraht, 7 - Drahtzuführungsmotor, 8 - Kontaktspitze bzw.

kopf zum Zuführen des Schweißstroms zu dem Draht, 11 - Schweißbrenner, 12 - Oszillationsvorrichtung, 13 - Schiene, 14 - Wagen=

in abschmelzender Elektrodendraht 6 wird durch einen Drahtzufüh-

rungsmotor 7 von einer Rolle 4 durch einen Schweißbrenner 11 sowie' eine Düse 3 zum Schweißbereich geführt. Der Schweißbrenner 11 wird' nittels einer Oszillationsvorrichtung 12 längs der Schweißlinie ; bzw. -naht vorwärts und rückwärts gependelt. Die Oszillationsvor- j richtung 12 befindet sich auf einem Wagen 14 und wird in Richtung ; der Schweißrichtung längs der Schweißnaht bewegt, da der Wagen auf: einer Schiene 13 parallel zur Schweißnaht läuft. Figur 6 ist eine schematische erläuternde Ansicht der Oszillationsvorrichtung 12 und zeigt einen weiter detaillierten Mechanismus derselben. In Figur 6 bedeuten: 11 - Schweißbrenner, 15 - Oszillationsmotor, 16 kntriebszahnrad, 17 - angetriebenes Zahnrad, 18 - Anschlagglied j zum Ändern der Lichtbogenlänge, 19 - Grenzschalter zum Ändern der j ichtbogenlänge, 2o - Verbindungsstange, 21 - Anlenkungspunkt des

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Schweißbrenners 11, 22 - Grenzschalter zum Unterbrechen der Schweißbrenneroszillation, 23 - Schweißbrennerverbindungsstange, 24 - Öffnung zum Einstellen der Oszillationsweite des Schweißbrenners, 25 - Öffnung zum Einstellen des zeitlichen Verhaltens der Änderung der Lichtbogenlänge. Der Oszillationsmotor 15 dreht sich zusammen mit einem Antriebszahnrad 16 in einer durch einen Pfeil angegebenen Richtung, während sich ein angetriebenes Zahnrad 17 in einer entgegengesetzten Richtung im Uhrzeigersinn dreht. Im angetriebenen Zahnrad 17 ist eine Öffnung 24 zum Befestigen von einem Ende der Verbindungsstange 2o vorgesehen, deren anderes Ende mit der Schweißbrennerverbindungsstange 23 verbunden ist, um so eine Oszillationsweite des Schweißbrenners 11 einzustellen, indem das eine Ende der Verbindungsstange 2o an einer geeigneten Position der Öffnung 24 festgelegt wird. Die andere Öffnung 25 im angetriebenen Zahnrad 17 dient zum Festlegen des mittleren Bereiches des sich mit dem angetriebenen Zahnrad 17 drehenden Anschlag-? gliedes 18, um so das zeitliche Verhalten der Lichtbogenlängenänderung einzustellen, indem der mittlere Bereich des Anschlaggliedes 18 geeignet festgelegt wird. Das letztere schaltet einen Grenzschalter 19 ein, wenn sich der Schweißbrenner 11 längs der Schweißrichtung bezüglich der Oszillationsbewegung von hinten nach: vorne bewegt. Beim Einschalten des Grenzschalters 19 wird gemäß | Figur 7 ein Zeitglied 3o betätigt, um die Lichtbogenlänge mittels j eines Generators 31 zum Erzeugen eines Lichtbogenverlängerungs- ' signals im Sinne einer Lichtbogenverlängerung zu vergrößern. Die- ! se vergrößerte Lichtbogenlänge wird während einer vorbestimmten j Zeitperiode aufrechterhalten, indem einer Drahtzufuhrsteuerungs- ! Schaltung 32 und einer Steuerschaltung 34 für die Schweißleistung · ein Lichtbogenverlängerungssignal zugeführt wird. Demzufolge wird ein Schweiß- bzw. Lichtbogen mit einer größeren Länge zwischen dem Elektrodendraht 6 und den zu verschweißenden Platten 1, 1' erzeugt, wenn sich der Schweißbrenner an der vorderen Seite

j der Oszillationsbewegung befindet. Wenn der Grenzschalter 19 und | auch das Zeitglied in der anderen Position des Schweißbrenners ausgeschaltet bleiben, erzeugt ein Generator 33 ein Lichtbogenverkürzungssignal, das für eine geeignete Steuerung der Drahtzufuhrsteuerungsschaltung und der Steuerschaltung für die Schweiß-

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leistung zugeführt wird, um die Lichtbogenlänge vergleichsweise kürzer zu halten.

Der Grenzschalter 22 aus Figur 6 kann vorgesehen sein, um durch den Schweißbrenner 11 eingeschaltet zu werden, wenn sich dieser an der vordersten Endposition der Oszillationsbewegung befindet, ■ wenn eine Unterbrechung der Oszillationsbewegung des Schweißbren- '. ners 11 erwünscht ist. Im eingeschalteten Zustand des Grenzschal- j ters 22 wird ein nicht dargestelltes Zeitglied betätigt, um die i Rotationsbewegung des Oszillationsmotors 15 und dadurch die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners 11 für eine sehr kleine Zeitperiode zu unterbrechen.

Wie es bereits erörtert wurde, kann ein Stumpfschweißen in einer flachen Position, insbesondere ein Schweißen enger I-Fugen extrem · dicker Platten, mit einem ausreichenden Einbrand der Fugenflächen j durchgeführt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht j nur auf die obige Anwendung beschränkt, .und das erfindungsgemäße ; Lichtbogenschweißverfahren kann auch auf eine Kehlnahtschweißung angev/endet werden.

- Patentansprüche -

-1ο-

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Claims

- 1ο - Patentansprüche

1. Lichtbogenschweißverfahren, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden Elektrode sowie den zu schweißenden Materialien erzeugt und ein Schweißbrenner längs der Schweißfuge vorwärts und rückwärts oszilliert bzw. gependelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenlänge, wenn sich der

Schweißbrenner in bezug auf die Schweißrichtung an der Vorder-j

Seite der Oszillationsbewegung befindet, langer als die Licht- , bogenlänge gemacht wird, wenn sich der Schweißbrenner an der Rückseite der Oszillationsbev/egung befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es auf ein Stumpfschweißen dicker Platten mit engem Spalt bzw. enger Fuge angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners an der vordersten Oszillationsendposition in bezug auf die Schweißrichtung für eine infinitesimal bzw. kurze Zeitperiode unterbrochen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es auf eine Schweißung von oben bzw. in flacher Position (flat position welding) angewendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelüberführung als Sprüh- bzw. Spritzüberführung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillationsweite der Schweißelektrode von 5-25 mm durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillationsfrequenz des Schweißbrenners von 3o - 7ο Schwingungen pro Minute angewendet wird.

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