DE2632578B2

DE2632578B2 - Verfahren zum mechanischen Lichtbogen-Verbindungsschweißen mit abschmelzender Drahtelektrode

Info

Publication number: DE2632578B2
Application number: DE2632578A
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Tokyo Hirakaso; Toshio Kamakura Horiuchi; Motomi Fujisawa Kano; Yasuhiro Chigasaki Nagai
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1976-07-20
Publication date: 1981-04-16
Also published as: SE433919B; FR2318703A1; US4091258A; DE2632578A1; JPS5212647A; DE2632578C3; FR2318703B1; SE7608311L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Lichtbogen-Verbindungsschweißen mit abschmelzender Drahtelektrode, mit in Schweißrichtung pendelndem Schweißbrenner und mit zur Pendelbewegung synchronisiertem Schweißgutübergang.

Es ist bekannt, die abschmelzende Drahtelektrode beim Schweißen von Stumpfnähten oder Kehlnähten quer zur Schweißrichtung pendelnd über die Schweißnaht zu führen. Auf diese Weise können jedoch dicke Platten mit sehr enger I-Fuge nicht befriedigend miteinander verschweißt werden.

Es ist aber auch bekannt, den Schweißbrenner in Schweißrichtung pendelnd entlang der Fuge vor- und ⁵ⁱ zurückzubewegen, um Heftschweißungen zu erzielen (US-PS 22 80 770). Außerdem ist es bekannt (LIS-PS 18 176), den Schweißbrenner quer zur und/oder in Schweißrichtung pendelnd zu bewegen, um das synchron zur Pendelbewegung übertragene Schweißgut in Bewegung zu halten, solange es sich noch im schmelzflüssigen Zustand befindet, damit sich keine Lunker oder Löcher in der Schweißnaht bilden. In beiden Fällen läßt sich kein tiefer und befriedigender Einbrand an den Fugenwänden erzielen, wenn e>;trem dicke Platten mit enger 1-Fuge miteinander verschweißt werden.

Schließlich ist es zum Herstellen von Verbind jngsschweißnähten mit endloser Drahtelektrode bekannt, die Schweißelektrode quer zur Schweißrichtung pendelnd zu führen (DE-OS 23 47 134). Wiederum ist die Herstellung einer Schweißnaht mit befriedigendem und tiefem Einbrand dann nicht gewährleistet, wenn besonders dicke Platten mit enger I-Fuge miteinander verschweißt werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, wie beim mechanischen Lichtbogen-Verbindungsschweißen mit abschmelzender Drahtelektrode fehlerfreie Schweißnähte mit tiefem und gleichmäßigem Einbrand erzielt werden können, und zwar auch dann, wenn dicke Platten mit enger I-Fuge miteinander verschweißt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die abschmelzende Drahtelektrode entgegengesetzt wie beim bekannten Lichtbogen-Verbindungsschweißen mit in Schweißrichtung pendelndem Schweißbrenner geführt, da die Länge des Lichtbogens nicht auf einen gleichmäßigen Wert eingeregelt wird, sondern unterschiedlich ist, so daß der Lichtbogen am vorderen Pendel-Umkehrpunkt eine deutlich größere Länge als am hinteren Pendel-Umkehrpunkt aufweist. Somit erhält man auch in tieferen Bereichen einer engen Schweißfuge einen guten und tiefen Einbrand des abgelagerten Schweißgutes.

Das erfindungsgemäße Lichtbogenschweißverfahren wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen detailliert erörtert. Es zeigt

Fig. l(a)—(c) — das erfindungsgemäße Verfahren erläuternde Darstellungen, wobei Fig. l(a) in einem Querschnitt die Schweißfuge in dem Zustand zeigt, wenn sich ein Schweißbrenner an der in bezug auf die Schweißrichtung vorderen Seite der Oszülationsbewegung befindet, während F i g. l(b) in einem Querschnitt die Schweißfuge in dem Zustand zeigt, wenn sich ein Schweißbrenner an der hinteren bzw. Rückseite der Oszillationsbewegung befindet, und wobei Fig. i(c) in einem Längsschnitt der Schweißfuge die Änderung bezüglich der Lichtbpgentiefe bzw. -länge zeigt, wenn eine in bezug auf die Schweißrichtung vorwärts und rückwärts gerichtete Positionsänderung des Schweißbrenners erfolgt,

F i g. 2(a) — in Draufsicht die einer Testschweißung zu unterwerfenden Platten,

Fig.2(b) - in einer Ansicht eine Platte zum Festhalten der zu schweißenden Versuchsplatten,

Fig.3 — in einer schematischen Ansicht die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners entsprechend dem erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahren,

F i g. 4 — einen Vergleich von Querschnittsmakrodarstellungen zum Aufzeigen des Einbrandzustandes, wobei F i g. 4(a) eine Querschnittsmakrodarstellung der mit dem herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren erzielten Schweißung und F i g. 4(b) eine Querschnittsmakrodarstellung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Schweißung beinhalten,

F i g. 5 — in einer Seitenansicht eine Schweißvorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens,

F i g. 6 — eine den Aufbau der Vorrichtung aus F i g. 5 erläuternde schematische Darstellung und

F i g. 7 — ein Schema zum Aufzeigen der Steuerungsmechanismen der Vorrichtung aus den F i g. 5 und 6.

Gemäß den F i g. l(a) und l(b) wird eine abschmelzende Schweißelektrode 6 durch eine Schweißdüse 3 zu einer in Form eines engen Z-Spalts ausgebildeten Fuge 2 der zu schweißenden Werkstücke 1,1' geführt, wobei die Schweißdüse 3 am mittleren Teil der Fuge 2 positioniert ist Die Schweißdüse 3 wird entlang der Schweißfugenachse gependelt, während sie gleichzeitig längs der Schweißfugenachse vorbewegt wird. Gemäß F i g. l(a) wird die Lichtbogenlänge I\ vergrößert, wenn sich die Schweißdüse 3 in bezug auf die Schweißrichtung an der Vorderseite der Oszillationsbewegung befindet indem die Schweißspannung vergrößert wird, um die Lichtbogenlänge tm steigern, was zu einer Ausweitung der Einbrandbreite führt und den Einbrand in die Fugenflanken verbessert Danach wird die Schweißzone an der Rückseite der Oszillationsbewegung unter Anwendung einer passenden Schweißspannung geschweißt Gemäß Fig. l(c) werden die Lichtbogenlängen h und h während der Rückwärts- und Vorwärtsoszillation des Schweißbrenners verändert Bei einer großen Länge des Lichtbogens wird ein breiter Bereich der Fuge aufgeschmolzen, ohne den Schweißbrenner quer zur Schweißlinie pendeln zu müssen. Wenn die Lichtbogenlänge klein ist, wird dagegen das Schweißgut nur in einem engen Bereich abgelagert.

Nach der vorliegenden Erfindung kann die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners für eine sehr kleine Zeit unterbrochen werden, wenn sich dieser in der Schweißrichtung am vordersten Endbereich der Oszillationsbewegung befindet Diese Unterbrechung dient zum Vergrößern der Wärmezufuhr in die beiden Fugenflanken, um den Einbrand in die Fugenflanken zu verbessern. Wenn die Unterbrechungsperiode der Schweißbrenneroszillation zu kurz ist kann der oben erwähnte Effekt nicht erzielt werden; es ist daher zumindest eine Zeit von 0,1 Sekunden erforderlich. Wenn die Un'erbrechung 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 ungeschmolzene Bereiche vor der Schweißzone erhalten bleiben. Darüber hinaus tritt infolge der übermäßigen Wärmezufuhr eine Versprödung der wärmebeeinflußten Zone auf. Aus den obigen Gründen sollte die Unterbrechungsperiode nicht länger als 1,0 Sekunden sein. Eine Unterbrechung der Oszillationsbewegung ist besonders vorteilhaft im Fall einer großen Fugenbreite.

Die Oszillationsweise 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 sie 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 30 bis 70 Schwingungen pro Minute beschränkt Bei weniger als 30 Schwingungen pro Minute wird das Schmelzbad in zwei Schmelzbäder unterteilt, was zu den oben erwähnten Fehlern führt und bei mehr als 70 Schwingungen pro Minute kann die Lichtbogenstabilität nicht aufrechterhalten werden.

Nachfolgend werden Vergleichsversuchsdaten erläutert, um die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens aufzuzeigen. Wie es in

Fig.2(a) dargestellt ist, werden für den Versuch Schweißplatten 1, Γ benutzt, bei denen sich die Fugenbreite in Vorwärtsrichtung der Schweißfugenlinie kontinuierlich ändert Während dreier Schweißversuche wurde die Schweißwärmezufuhr im wesentlichen konstant gehalten. F i g. 2(b) zeigt in Ansicht eine Platte 10 zum Halten der zu schweißenden Platten und ein Unterlagemetallglied 9, das an der Rückseite der zu schweißenden Platte angeordnet ist Es wurden drei Platten zum Festhalten benutzt und durch Heftschwei-Bung 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 gependelt

(II) Der Schweißbrenner wird längs der Schweißfugenlinie derart gependelt daß sich eine große Lichtbogenlänge des Brenners an der Rückwärtsseite der Oszillationsbewegung und eine kurze Lichtbogenlänge des Brenners an der Vorderseite der Oszillationsbewegung ergeben.

(III) Der Schweißbrenner wird längs der Schweißfugenlinie derart 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 so diesem Vergleichsversuch ist die Lichtbogenlänge gemäß Fig.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 1 Schweißbedingungen	Schweißverfahren I	II	III (Erfindung)
Schweißbedingung	80 Ar 2OCO₂ 50	80 Ar 20CO₂ 50	80 Ar 20CO₂ 50
Schutzgas (%) Oszillationsfrequenz (Schwingungen je Minute)

Fortsctzuna

Schweißbedingung

Schwcißverlahren	Il	II! , (Krlindung)
I	10	10
10	0	0,2
0	350/29 (kleine 400/37 (große	350/29 Lichtbogenlänge) 400/37 Lichtbogenlänge)
370/32	24 950	24 950
23 680

Oszillationsweite (mm)

Unterbrechungsperiode am
vordersten Ende der Oszillationsbewegung (Sekunden)

Schweißstrom und -spannung (A/V)

Wärmezufuhr (Joule/cm)

Schweißergebnisse: Bei dem Schweißverfahren I wurde gemäß Fig.4(a) an den mit χ bezeichneten Bereichen ein unzureichender Einbrand 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 F i g. 4(a) an den mit χ gekennzeichneten Bereichen, als der Spalt breiter als 13 mm war. Bei dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren III konnten jedoch ein ausreichender Einbrand und deshalb eine fehlerfreie so Schweißung auch dann erzielt werden, als die Spaltbreite 14 mm betrug.

Unter Bezug auf die Figuren 5, 6 und 7 wird nachfolgend eine Schweißvorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißverfahrens erörtert F i g. 5 zeigt in einer Seitenansicht eine derartige Vorrichtung, wobei Einzelheiten wie folgt bezeichnet sind: 1, Γ zu verschweißende Werkstücke, 3 Schweißdüse, 4 Rolle, von der ein abschmelzender Elektrodendraht abgewickelt wird, 5 Drahtrichtrollen, 6 ίο abschmelzende Schweißelektrode bzw. abschmelzender Elektrodendraht, 7 Drahtzuführungsmotor, 8 Kontaktkopf zum Zuführen des Schweißstroms zu dem Draht, 11 Schweißbrenner, 12 Oszillationsvorrichtung, 13 Schiene, 14 Wagen.

Ein abschmelzender Elektrodendraht 6 wird durch einen Drahtzuführungsmotor 7 von einer Rolle 4 durch einen Schweißbrenner 11 sowie eine Düse 3 zum Schweißbereich geführt. Der Schweißbrenner 11 wird mittels einer Oszillationsvorrichtung 12 längs der Schweißlinie vorwärts und rückwärts gependelt Die Oszillationsvorrichtung 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

F i g. 6 ist eine schematische erläuternde Ansicht der Oszillationsvorrichtung 12 und zeigt einen weiter detaillierten Mechanismus derselben. In F i g. 6 bedeuten: 11 Schweißbrenner, 15 Oszillationsmotor, 16 Antriebszahnrad, 17 angetriebenes Zahnrad, 18 An- Μ schlagglied zum Ändern der Lichtbogenlänge, 19 Grenzschalter zum Ändern der Lichtbogenlänge, 20 Verbindungsstange, 21 Anlenkungspunkt des Schweißbrenners 11, 22 Grenzschalter zum Unterbrechen der Schweißbrennerosziliation, 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 20 vorgesehen, deren anderes Ende mit der Schweißbrennerverbindungsstange 23 verbunden ist, um so eine Oszillationsweite des Schweißbrenners 11 einzustellen, indem das eine Ende der Verbindungsstange 20 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 Anschlaggliedes 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 F i g. 7 ein Zeitglied 30 betätigt, um die Lichtbogenlänge mittels eines Generators 31 zum Erzeugen eines Lichtbogenverlängerungssignals im Sinne einer Lichtbogenverlängerung zu vergrößern. Diese vergrößerte Lichtbogenlänge wird während einer vorbestimmten Zeitperiode aufrechterhalten, indem einer Drahtzufuhrsteuerungsschaltung 32 und einer Steuerschaltung 34 für die Schweißleistung ein Lichtbogenverlängerungssignal zugeführt wird. Demzufolge wird ein 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 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 Drahtzufuhrsteuerschaltung und der Steuerschaltung für die Schweißleistung zugeführt wird, um die Lichtbogenlänge vergleichsweise kurzer zu halten.

Der Grenzschalter 22 aus Fig.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 Grenzschalters 22 wird ein nicht dargestelltes Zeitglied betätigt, um die Rotationsbewegung des Oszillationsmotors 15 und dadurch die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners 11 für eine sehr kleine Zeit zu unterbrechen.

Wie es bereits erörtert wurde, kann ein Stumpfschweißen in einer flachen Position, insbesondere ein

Schweißen enger IFugen extrem dicker Platten, mit einem ausreichenden Einbrand der Fugenflächen durchgeführt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht nur auf die obige Anwendung beschränkt, und das erfindungsgemäße Lichtbogenschweißverfahren kann auch auf eine Kehlnahtschweißung angewendet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum mechanischen Lichtbogen-Verbindungsschweißen mit abschmelzender Drahtelektrode, mit in Schweißrichtung pendelndem Schweißbrenner und mit zur Pendelbewegung synchronisier- s· tem Schweißgutübergang, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit, der Schweißstrom und die Schweißspannung während der Pendelbewegung derart gesteuert werden, daß am vorderen Pendel-Um·· Ό kehrpunkt die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit vermindert und der Schweißstrom und die Schweißspannung erhöht und am hinteren Pendel-Umkehrpunkt die Elektroden-Vorschubgeschwindigkeit erhöht und der Schweißstrom und die Schweißspan- '5 nung vermindert sind.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß es zum Stumpfschweißen dicker Platten mit enger Fuge angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelbewegung des Schweißbrenners am vorderen Pendel-Umkehrpunkt in Schweißrichtung für kurze Zeit unterbrochen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung von oben bzw. in flacher Position durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißgut durch Sprühen bzw. Spritzen partikelförmig übertragen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelbewegung der Schweißelektrode mit einer Weite von 5 bis 25 mm durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißbrenner mit einer Pendelfrequenz von 30 bis 70 Schwingungen pro Minute bewegt wird.

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