DE2700720A1

DE2700720A1 - Verfahren zur herstellung einer schweissnaht mit einem ungeschweissten abschnitt

Info

Publication number: DE2700720A1
Application number: DE19772700720
Authority: DE
Inventors: Susumu Hoshinouchi; Wataru Shimada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-01-10
Publication date: 1978-03-02
Also published as: DE2759836C2; DE2700720C2; US4258247A

Description

Henkel, Kern, Feuer ft Hänzel Patentanwälte

Mitsubishi Denki iÄ^, _on

D-8000 München 80

Kobushiki Kaisha Tel: 089/982085-87

_T , . . Telex: 0529802 hnkld

Iokio, Japan Telegramme: ellipsoid

Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht mit einem ungeschweißten Abschnitt

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schweißnähten oder -verbindungen mit einem ungeschweißten Abschnitt und insbesondere ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit solcher Schweißnähte gegenüber Ermüdungsbruch und Sprödbruch.

Der im folgenden benutzte Ausdruck "Schweißnaht" bezieht sich auf eine Schweißverbindung zwischen zwei Werkstücken.

Schweißnähte mit schweißungsfreien Abschnitten, wie Kreuzschweißverbindungen, T- oder Stoßschweißungen usw., werden aufgrund ihrer einfachen Herstellbarkeit allgemein am häufigsten angewandt. Es ist jedoch bekannt, daß derartige Schweißverbindungen eine wesentlich niedrigere Ermüdungsfestigkeit besitzen als flache Massivplatten

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aus demselben Werkstoff. Dieser Umstand führte zu der Einschränkung, daß derartige Schweißungen nicht bei wichtigen bzw. tragenden Konstruktionen angewandt werden können, die wiederholten Belastungen ausgesetzt sind. Die GrUnde für die geringe Ermüdungsfestigkeit derartiger Schweißnähte mit ungeschweißten Abschnitten sind unter Heranziehung der Bruchmechanik untersucht worden, wobei diese niedrige Ermüdungsfestigkeit der Tatsache zugeschrieben wurde, daß sich an den Enden des ungeschweißten Abschnitts scharfe Einkerbungen bilden, die zu einer spontanen starken Rißbildung 2.B. in Form von Haarrissen, Ermüdungsrissen und dgl. führen und eine hohe Beanspruchungskonzentration bewirken.

Zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit derartiger Schweißnähte wurde bereits vorgeschlagen, an den üblichen Schweißstellen eine große Nut auszubilden, um Schweißnähte mit vollem Einbrand herzustellen. Diese Maßnahme ist jedoch insofern nachteilig, als der Schweißvorgang dann, wenn die Schweißung in einem beengten Bereich durchgeführt werden soll, schwierig auszuführen ist und sich selbst dann, wenn der Schweißvorgang durchgeführt werden kann, die jweilige Menge des im Schweißwulst abzulagernden Metalls verdoppelt, was zu einer großen Minderung des Wirkungsgrads oder der Wirtschaftlichkeit jnd/oder zum Auftreten starker Schweißverwerfungen führt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Verringerung der Spannungsoder Beanspruchungskonzentration an einem Wurzelabschnitt einer

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Schweißnaht mit einem ungeschweißten Abschnitt zwecks Erhöhung ihrer Festigkeit gegenüber Ermüdungs- und Sprödbruch.

Die Erfindung bezweckt also die weitgehende Ausschaltung oder Milderung der bei den bisherigen Schweißnähten mit Volleinbrand-Kehlnaht und ohne ungeschweißten Abschnitt auftretenden Nachteile, wie Verdoppelung der abgelagerten Metallmenge und Auftreten von starken Verziehungen beim Schweißen.

Die genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht bzw. Schweißverbindung mit einem ungeschweißten Abschnitt zwischen zwei MetallwerkstUcken, die zwischen sich einen Zwischenraum-Bereich bilden, wobei eine Kehlnahtschweißung zum Zusammenschweißen der MetallwerkstUcke zwecks Herstellung einer Schweißnaht mit einem ungeschweißten Abschnitt im Bereich des Zwischenraums durchgeführt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Kehlnahtschweißen je ein Fuller an jedem Ende bzw. Rand des genannten Bereichs angeordnet wird.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren zeichnet sich also dadurch aus, daß zunächst zwei zu verschweißende MetallwerkstUcke so angeordnet werden, daß sie zwischen sich einen Bereich festlegen, der einen ungeschweißten Abschnitt zwischen diesen Werkstücken bildet, daß die gegenüberliegenden Enden dieses Bereichs mit einem Fuller ausgefüllt werden und daß anschließend das Kehlnahtschweißen auf dem Fuller durchgeführt wird, um die MetallwerkstUcke unter Herstellung einer Schweißnaht mit einem ungeschweißten Abschnitt im genannten Bereich miteinander zu verschweißen.

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Der Fuller kann vorzugsweise aus einem schlackebildenden Material, Werkstoffen mit hohem Schmelzpunkt, wie Molybdän und Wolfram, die durch einen Schweißlichtbogen nicht angeschmolzen werden, und Kupfer in Form eines wassergekühlten Rohrs bestehen.

Der schlackebildende Werkstoff kann aus einer Überzugsmasse fUr die beschichtete Schweißelektrode, aus den beim Tauch-Lichtbogenschweißen verwendeten Flußmitteln, den beim einseitigen Schweißen verwendeten Stutz- oder Füllflußmitteln oder Glasbändern bestehen.

Vorzugsweise kann ein Halteelement, welches die Füller an seinen beiden Enden hält oder trägt, in den Bereich zwischen den MetallwerkstUcken eingefügt werden, so. daß die Füller an den beiden Enden des genannten Bereiches zu liegen kommen.

In abgewandelter Ausfuhrungsform bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mit einem ungeschweißten Abschnitt, bei dem zwei MetallwerkstUcke unter Bildung eines Zwischenraums zwischen ihnen angeordnet werden und eine Kehlnahtschweißung durchgeführt wird, um die MetallwerkstUcke miteinander zu verschweißen und eine Schweißverbindung mit einem ungeschweißten Abschnitt im Zwischenraum zu bilden, dessen Besonderheit darin besteht, daß dem Zwischenraum ein gasförmiges Fluidum zugeführt wird, um im Zwischenraum einen den Umgebungsdruck um einen kleinen Bruchteil Übersteigenden

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Fluidumdruck zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, so daß in dem an den gegenüberliegenden Enden oder Rändern des ungeschweißten Abschnitts gelegenen Bereich eines Metallschweißwulstes eine Aussparung bzw. Auskehlung ausgebildet wird.

Das gasförmige Fluidum kann dabei vorzugsweise aus einem Inertgas, aus gasförmigem Kohlendioxid oder Gemischen davon bestehen. Gewünschtenfalls kann dem gasförmigen Fluidum Sauerstoff zügesetzt werden.

Im folgenden sind bevorzugte AusfUhrungsbeispiele der Erfindung

im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. IA eine Teil-Stirnseitenansicht einer für eine bisher Übliche Schweißverbindung typische Kreuzschweißung,

Fig. IB einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt durch den im strichpunktierten Kreis liegenden Abschnitt gemäß Fig. IA,

Fig. 2 eine Fig. IB ähnelnde Ansicht zur Verdeutlichung des Erfindungsprinzips,

Fig. 3A eine Teilschnittansicht einer T- oder Stoßschweißung

zur Veranschaulichung der Verwendung eines Füllers aus

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einem schlackebildenden Material gemäß einem Merkmal der Erfindung,

Fig. 3B eine Fig. 3A ähnelnde Darstellung einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 eine Fig. 3A ähnelnde Darstellung einer weiteren Abwandlung der Erfindung, bei welcher das schlackebildende Material jeweils in eine kleine Nut zwischen zwei miteinander zu verschweißenden, plattenförmigen MetallwerkstUcken eingebracht wird,

Fig. 5A eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß verwendeten Halteelements mit zwei Füllern,

Fig. 5B eine Fig. 3A ähnelnde Darstellung noch einer weiter abgewandelten AusfUhrungsform der Erfindung unter Verwendung des in einen Zwischenraum, der einen schweißungsfreien Abschnitt der endgültigen Schweißverbindung bildet, eingefügten Halteelements gemäß Fig. 5A,

Fig. 6 eine Fig. 3A ähnelnde Darstellung einer weiteren Abwandlung der Erfindung unter Verwendung eines Füllers in Form eines wassergekühlten Kupferrohrs,

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Λ*

Fig. 7 eine perspektivische Teilansicht einer Stoßschweißung während des Herstellungsvorgangs gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung, wobei in einem zwischen zwei miteinander zu verschweißenden Metallwerkstücken gebildeten Zwischenraum ein Gasdruck aufrechterhalten wird,

Fig. 8 eine Mikrophotographie (Schliffbild) eines Teils einer erfindungsgemäß hergestellten Stoßschweißung,

Fig. 9 ein Diagramm der ErmUdungsfestigkeitskurven fUr eine

nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kreuzschweißung und eine bisher Übliche Kreuzschweißung und

Fig. 10 einen Teilschnitt zur Veranschaulichung eines Merkmals der Erfindung in Anwendung auf eine Stumpfechweißung.

In den Figuren sind einander entsprechende oder ähnliche Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. IA zeigt eine Kreuzschweißung, die für eine bisherige SchweiBverbindung mit einem schweißungsfreien Abschnitt typisch ist. Bei der dargestellten Anordnung sind zwei plattenförmige Metallwerkstücke 10 in aufeinander ausgerichteter Lage unter

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- Y-

Festlegung eines kreuzförmigen Querschnitts stumpf gegen ein anderes plattenförmiges Metallwerkstück 12 angesetzt. Für das Verschweißen der Werkstücke 10 mit dem Werkstück 12 wurde dabei eine Kehlnahtschweißung in Form eines Schweißwulstes in jedem Eckenteil der einander schneidenden Werkstücke 10 und angewandt, während eine Grenzfläche zwischen jedem Werkstück 10 und dem Werkstück 12 einen angeschweißten Abschnitt 16 bildet.

Wenn auf die Kreuzschweißverbindung wiederholt eine Belastung in Richtung der Pfeile gemäß Fig. IA einwirkt, beginnt sich häufig von jedem Ende 20 der einzelnen ungeschweißten Abschnitte 16 aus ein Ermüdungsriß oder Haarriß 18 auszubreiten.

Bisher mußten die Rruchmechanismen zur Klärung der Ursache der geringen Ermüdungsfestigkeit herangezogen werden, welche derartige Schweißnähte mit schweißungsfreiem Abschnitt zeigen. Fig. IB veranschaulicht in vergrößertem Maßstab den vom strichpunktierten Kreis gemäß Fig. IA umschlossenen Bereich.der Kreuzschweißung. Aus Fig. IB ist ersichtlich, daß sich vom Ende des ungeschweißten Abschnitts 16 ausgehende, scharfe Einkerbungen 18 zur freiliegenden Fläche des Schweißwulstmetalls 14 hin erstrecken. Diese scharfen Einkerbungen sind mit spontanen scharfen oder starken Rissen, wie Haarrissen, Ermüdungsrissen usw., vergleichbar. Es wurde daher angenommen, daß die geringe Ermüdungsfestigkeit der bisherigen Schweißverbindungen mit ungeschweißtem Abschnitt grundsätzlich für die Konzentration hoher

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- r-

Spannungen an einer solchen scharfen Einkerbung verantwortlich ist.

Die Erfindung bezweckt nun die Verringerung der Spannungs- oder Beanspruchungskonzentration an der Wurzel von Schweißnähten mit schweißungsfreiem Abschnitt sowie die Erhöhung der Ermüdungsund Sprödbruchfestigkeit dieser Schweißnähte durch Anordnung einer Ausnehmung oder Aussparung in dem am Ende 20 des ungeschweißten Abschnitts 16 gemäß Fig. 2 befindlichen Teil des Schweißwulstmetalls 14. Diese Aussparung besitzt dabei vorzugsweise einen möglichst halbkreisförmigen Querschnitt.

In Fig. 3A ist die Erfindung in Anwendung auf eine einfache Kehlnahtschweißung und in Fig. 3B in Anwendung auf eine teilweise Einbrandkehlnahtschweißung dargestellt.

Gemäß Fig. 3A ist ein plattenföniges Metallwerkstück 10 unter Festlegung eines T-förmigen Querschnitts in lotrechter Stellung auf ein anderes plattenförmiges Metallwerkstück 12 aufgesetzt, indem seine Stirnfläche oder Schmalkante an eine Oberfläche der Platte 12 angesetzt ist. Ein schlackebildendes Element 22 mit Viertelkreisquerschnitt füllt jeweils eine der beiden Ecken zwischen den Werkstücken 10 und 12, d.h. die betreffenden Kehlnahtwurzeln, aus.

Das schlackebildende Element 22 dient als Fuller für die Festlegung und Aufrechterhaltung eines zweckmäßigen Radius einer entsprechenden Aussparung im Schweißwulstmetall 14 am Ende eines

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zugeordneten, ungeschweißten Abschnitts 16 an der Grenzfläche zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Werkstücken. Das schlackebildende Element 22 besteht dabei vorzugsweise aus einem Material in Form der Überzugsmassen von Schweißelektroden für das geschützte Lichtbogenschweißen, von Flußmitteln für das Tauch-Lichtbogenschweißen, von massiven Flußmitteln, wie sie als Pflaster (patches) für das einseitige Lichtbogenschweißen verwendet werden, von Glasbändern und dgl. Dieses Element 22 ist vorzugsweise so gefor.ut, daß der nicht mit den Werkstücken 10 und 12 in Berührung stehende Teil seines Querschnitts durch einen Kreisbogen gebildet ist, und zwar deshalb, weil die gebildete Aussparung, wie erwähnt, einen möglichst genau halbkreisförmigen Querschnitt besitzen sollte. Obgleich sich die Abmessungen dieses Elements 22 durch die Art des betreffenden Schweißverfahrens und den jeweils angewandten Schweißstrom bestimmen, sollten seine Abmessungen die nötige Mindestgröße besitzen, die für die Festlegung eines geeigneten Radius der betreffenden, anschließend im Schweißwulst an beiden Enden des ungeschweißten Abschnitts gebildeten Aussparung notwendig ist, ohne dabei die Länge des ungeschweißten Abschnitts unnötig zu vergrößern. Wie noch näher erläutert werden wird, muß dieser Radius der Aussparung 0,5 mm oder mehr betragen.

Wenn die Wurzel des Werkstücks 10 auf beiden Seiten mit dem schlackebildenden Element 22 ausgelegt worden ist, wird mittels eines Schweißbrenners 24 das an sich bekannte Kehlnahtschweißen auf dem schlackebildenden Element und an den neben diesem befindlichen Abschnitten der Werkstücke 10 und 12 durchgeführt. Bei

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diesem Schweißvorgang wird das Element 22 teilweise angeschmolzen, während es den auf ihm abgelagerten Schweißwulst trägt. Der Schweißwulst besitzt daher nach dem Erstarren an seinem am Ende des ungeschweißten Abschnitts 16 befindlichen Teil eine konkave Fläche mit Viertelkreisquerschnitt, wie dies für den Schweißmetallwulst 14 an der linken Seite des Werkstücks 10 in Fig. 3A veranschaulicht ist. Dieser Schweißwulst ist dabei durch wiederholte Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet worden. Infolge dieser Ausbildung nimmt die Span.iungskonzentration am Wurzelteil des geschweißten Werkstücks 10 stark ab.

Es hat sich gezeigt, daß der Radius der im Schweißwulst an jedem Ende bzw. Rand des ungeschweißten Abschnitts nach dem Kehlnahtschweißen ausgebildeten Aussparung oder Auskehlung zur Gewährleistung zufriedenstellender Ergebnisse eine Größe von mindestens 0,5 mm und vorzugsweise von 1,0 - 2,0 mm besitzen sollte. Mit einer Aussparung mit einem Radius von weniger als 0,5 mm kann die Spannungskonzentration am Wurzelteil des Werkstücks 10 bzw. der Schweißnaht nicht vermindert werden. Wenn der Radius der Aussparung dagegen zu groß ist, vergrößert sich die Menge des im Schweißwulst abgelagerten Metalls, während die Länge des betreffenden ungeschweißten Abschnitts unnötig zunimmt.

Gemäß Fig. 3B ist das Werkstück 10 zu beiden Seiten seines Wurzelteils jeweils mit einer Abschrägung versehen. Auf diese Weise wird zu beiden Seiten des Werkstücks 10 je eine V-förmige Nut

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zwischen dem Wurzel teil des Werkstücks 10 und dem angrenzenden Teil der Oberfläche des anderen Werkstücks 12 gebildet. Jede dieser V-förmigen Nuten ist dabei mit einem schlackebildenden Element 22 ausgefüllt, das einen keilförmigen, in einem Kreisbogen auslaufenden Querschnitt besitzt. In jeder anderen Hinsicht entspricht diese Anordnung im wesentlichen derjenigen gemäß Fig. 3A.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3A lediglich darin, daß bei ihr das Werkstück 10 zu beiden Seiten seiner Wurzel mit je einer kleinen Nut versehen ist. Ein schlackebildendes Element 22 füllt dabei praktisch das Gesamtvolumen der kleinen Nut aus. Diese AusfUhrungsform ist deshalb vorteilhaft, weil bei ihr unabhängig von einer etwaigen Abweichung der Anschmelztiefe ein stabilisierter, zweckmäßiger Radius der Aussparung in dem Teil des gebildeten Schweißwulstes 14, der sich am betreffenden Ende oder Rand des ungeschweißten Abschnitts 16 befindet, gewährleistet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ohne weiteres auf die in Fig. 5 veranschaulichte Weise durchführen. Gemäß Fig. 5A wird zunächst ein Halteelement 26 mit einem Halteteil 28 aus einem geeigneten metallischen Werkstoff, wie Eisen oder Kupfer, hergestellt, wobei dieser Halteteil an seinen beiden Enden mit je einer Profilnut versehen und je ein als Füller dienendes schlackebildendes Element 22, das in einer halbzylindrischen Fläche ausläuft, mit engem Sitz in diese Nuten eingesetzt ist.

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- γτ -

Der Halteteil 28 kann z.B. 3 mm dick sein und in seinen Abmessungen im wesentlichen der Stirnfläche des mit ihm zu unterlegenden Werkstücks 10 entsprechen.

Gemäß Fig. 5B wird das Werkstück 10 unter Zwischenfügung des so vorbereiteten Halteelements 26 auf das andere Werkstück 12 aufgesetzt, worauf auf vorher in Verbindung mit Fig. 3A beschriebene Weise die Kehlnahtschweißung durchgeführt wird.

Durch Anwendung des Halteelements 26 wird die Arbeitsweise erheblich verbessert, wobei ähnliche Ergebnisse erzielt werden, wie sie mit den vorher in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung gewährleistet werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß bevorzugte Ausführungsformen des schlackenbildenden Elements neben den vorher in Verbindung mit Fig. 3A beschriebenen Materialien auch wassergekühltes Kupfer und hochschmelzende Werkstoffe, wie Wolfram, Molybdän usw., die durch den Schweißlichtbogen nicht angeschmolzen werden, umfassen.

Wenn der Füller aus einem Werkstoff der eben angegebenen Art bestehen soll, kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft auf die in Fig. 6 veranschaulichte Weise durchgeführt werden. Um eine übermäßige Längenvergrößerung des ungeschweißten Abschnitts und/oder eine Dickenabnahme der Schweißkehle zu verhindern, wird das Werkstück 10 zu beiden Seiten der Wurzel mit einer Nut ver-

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sehen, welche die erforderliche Mindestgröße für das Einsetzen eines zugeordneten Füllers 22 besitzt, worauf der Füller in diese Nut eingelegt wird. Die auf diese Weise gebildete Anordnung ist an der rechten Seite von Fig. 6 dargestellt. Danach wird mittels eines Schweißbrenners 24 das an sich bekannte Kehlnahtschweißverfahren durchgeführt.

Der Füller 22 gemäß Fig. 6 besteht aus einem wassergekühlten Kupferelement, vorzugsweise Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 4 mm und einem Innendurchmesser von 2 mm. Das Kupferrohr 22 wird aus der fertiggestellten Schweißnaht herausgezogen, so daß ein an der linken Seite des Werkstücks gemäß Fig. 6 dargestellter Hohlraum 30 zurückbleibt, der einer Aussparung in dem am Ende 20 des ungeschweißten Abschnitts 16 befindlichen Teil des Schweißwulstes 14 zugewandt ist. Auf diese Weise wird eine Stoßkehlnaht hergestellt.

Das in Fig. 6 veranschaulichte Verfahren gemäß der Erfindung bedingt zwar einen zusätzlichen Zeitaufwand, doch ist dabei die Ausbildung je einer Nut zu beiden Seiten der Wurzel eines Metallwerkstücks einfach. Außerdem ist dieses Verfahren demjenigen unter Verwendung eines schlackebildenden Elements sowohl bezüglich der Gleichmäßigkeit der Form des an jedem Ende des ungeschweißten Abschnitts gelegenen Teils des Schweißwulstes als auch bezüglich der Gleichförmigkeit des Radius einer am genannten Teil des Schweißwulstes gebildeten Aussparung oder Auskehlung überlegen.

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Gemäß einem anderen Ausfuhrungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise durchgeführt, daß ein gasförmiges Fluidum in einen Raum zwischen zwei Metallwerkstücken eingeleitet wird, um in diesem Raum einen etwas über dem Umgebungsdruck liegenden Fluidumdruck aufrechtzuerhalten.

Gemäß Fig. 7, in welcher diese Abwandlung der Erfindung dargestellt ist, ist das eine plattenförmige Metallwerkstück 10 unter Bildung eines Zwischenraums 16 mit einem Abstand von z.B. 3 mm lotrecht auf das andere plattenförmige Werkstück 12 aufgesetzt. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes, nicht dargestelltes Abstandstück von 3 mm Höhe zwischen die beiden Werkstücke 10 und 12 eingefügt. Der Zwischenraum wird dabei durch verschiebbare Gasabschirmungen 32 umschlossen, die um den Umfang dieses Zwischenraums herum angeordnet sind und mit den angrenzenden Abschnitten der Oberflächen der Werkstücke 10 und 12 in Berührung stehen, außer an der einen, eine Gasspeiseöffnung bildenden Seite, über welche ein gasförmiges Fluidum bzw. Strömungsmittel in den Zwischenraum 16 eingeleitet wird. Nach Abschluß des Kehlnahtschweißens bildet der Zwischenraum 16 einen schweißungsfreien Abschnitt 16 zwischen den miteinander verschweißten Werkstücken 10 und 12.

Die Aufgabe des gasförmigen Strömungsmittels, im folgenden einfach als Gas bezeichnet, besteht darin, im Zwischenraum 16 einen so hohen Fluidumdruck aufrechtzuerhalten, daß das Schweißwulstmetall daran gehindert wird, während des Kehlnahtschweißens von der Oberseite des Zwischenraums 16 oder von der Stirnseite

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des Werkstücks 10 in den Zwischenraum 16 hineinzufließen. Das Gas kann ein Inertgas, wie Argon (Ar) oder Helium (He), oder gasförmiges Kohlendioxid (C0_) mit oder ohne Sauerstoff (0„) oder ein Gemisch dieser Gase sein. Bevorzugte Beispiele fUr dieses Gas sind reines Argon, reines Helium, reines Kohlendioxidgas; 95 Vol.-Jt Argon und 5 Voh-% Sauerstoff; 80 Vol.-jC Kohlendioxidgas und 20 Vol.-jS Sauerstoff; 10 Vol.-Ji Argon sowie 70 Vol.-% Kohlendioxidgas und 20 Vol.-Jt Sauerstoff; sowie 10 Vol.-% Argon und 90 Vol.-Ji Kohlendioxidgas. Bei dem genannten Gemisch aus Argon, Kohlendioxidgas und Sauerstoff kann das Mengenverhältnis von Argon zu Kohlendioxid beliebig variiert werden.

Nachdem der Zwischenraum 16 mittels der verschiebbaren Gasabschirmungen 32 verschlossen worden ist, wird ein Gas der genannten Art auf die durch den Pfeil 36 in Fig. 7 angedeutete Weise Über die öffnung 34 in den Zwischenraum 16 eingeblasen, um in letzterem einen Über dem Umgebungsdruck liegenden Fluidumdruck zu erzeugen und zu erhalten. Beispielsweise kann der Zwischenraum 16 unter einem Druck von 1,02 bar (kg/cm ) gehalten werden, wenn der Umgebungsdruck mit 1 bar vorausgesetzt wird. Auf diese Weise wird im Inneren des Zwischenraums 16 ein geringer überdruck erzeugt. Anschließend wird mit Hilfe eines Schweißbrenners 24 in an sich bekannter Weise eine Kehlnahtschweißung durchgeführt, während dem Zwischenraum 16 das gasförmige Fluidum weiter zugeführt wird. Im Verlauf des Schweißvorgangs wird die an der betreffenden Seite des Werkstücks 10 angeordnete Gasabschirmung

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längs des betreffenden Randabschnitts des Zwischenraums 16 allmählich von der Gasspeiseöffnung 34 hinweg bewegt. Da im Inneren des Zwischenraums 16 der Überdruck herrscht, führt die Verschiebung der Gasabschirmung 32 dazu, daß das in ersterem enthaltene Gas Über den eben von der Gasabschirmung 32 freigegebenen Abschnitt des Rands des Zwischenraums 16 ausgeblasen wird. Beim Kehlnahtschweißen an den um das ausströmende Gas herum befindlichen Bereichen der beiden Werkstücke IO und bildet sich in dem an diesen Bereichen der beiden Werkstücke 10 und 12 abgelagerten Schweißwulst 14 eine Aussparung 38 im Bereich des benachbarten Endes des so gebildeten, ungeschweißten Abschnitts, wobei ein zweckmäßiger Radius dieser Aussparung gewährleistet wird.

Bei Fortführung des Schweißvorgangs auf diese Weise wird der Schweißwulst 14 an der einen Seite des Wurzelteils des Werkstücks 10 und des benachbarten Abschnitts der Oberfläche des Werkstücks 12 längs der betreffenden Randkante des Zwischenraums oder ungeschweißten Abschnitts 16 abgelagert, wobei eine Aussparung 38 in Form einer praktisch halbzylindrischen Fläche längs dieses Rands des ungeschweißten Abschnitts 16 gebildet wird.

Wie erwähnt, beträgt der Radius dieser Aussparung 38 zur Gewährleistung zufriedenstellender Ergebnisse 0,5 mm oder mehr und vorzugsweise 1,0 - 2,0 mm. Beim dargestellten Ausfuhrungsbeispiel besitzt die Aussparung 38 einen Radius von 1,5 mm.

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Wenn der Radius der Aussparung, wie erwähnt, kleiner ist

als 0,5 mm, kann die Spannungskonzentration im Wurzelteil des geschweißten Werkstücks 10 nicht verringert werden, während bei einem zu großen Radius die Menge des Schweißwulstmetalls zunimmt und der ungeschweißte Abschnitt eine unnötig vergrößerte Länge erhält.

Fig. 8 ist eine Mikrophotographie eines Schnitts durch einen Teil der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißnaht. Diese Schweißnaht wurde in der Weise hergestellt, daß eine Stirnseite eines plattenförmigen Metallwerkstücks 10 mit einem Abstand auf einer Fläche eines anderen plattenförmigen Metallwerkstücks 12 angeordnet wurde. Der Abstand wurde hierbei durch ZwischenfUgung eines 3 mm dicken Glas(faser)bands aus gewebten Glasfasern zwischen die beiden Werkstücke 10 und 12 und Ausfüllung der beiden Enden oder Seitenränder des Zwischenraums mit einem ähnlichen Glasband von halbkreisförmigem Querschnitt hergestellt. Die so gebildete Anordnung wurde hierauf einer Kehlnahtschweißung unterzogen, wonach die Glasbänder aus der fertiggestellten Schweißung herausgezogen wurden. Gemäß Fig. 8 weist das Schweißwulstmetall 14 in dem am Ende des ungeschweißten Abschnitts 16 befindlichen Bereich eine Aussparung oder Auskehlung von im wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt auf. Die Aussparung besitzt dabei einen gemessenen Radius von 1,5 mm.

Fig. 8 veranschaulicht somit deutlich die Wirksamkeit der Erfindung.

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3.3

Um die erfindungsgemäß erzielten vorteilhaften Ergebnisse zu belegen, wurden Ermüdungsversuche mittels einer pulsierenden Zugbeanspruchung an kreuzförmigen Kehlnahtschweißverbindungen angestellt, die einmal nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und zum anderen nach dem bisher Üblichen Verfahren in Form der Kreuzverbindung gemäß Fig. 1 hergestellt worden waren. Die Kreuzverbindungen wiesen die entsprechenden, in Fig. 1 mit 40 bezeichneten "Zehenabschnitte" auf, wurden poliert und dann geprüft. Das Auftreten von Ermüdungsbrüchen am "Zehenteil" der Kehlnaht wird nämlich verhindert, wenn der Wurzelteil erhöhte Ermüdungsfestigkeit besitzt. Derartige Ermüdungsbrüche können am Kehlnaht-"Zehenteil" auftreten, bevor Ermüdungsbrüche im Wurzelteil der Kehlnaht erscheinen.

In Fig. 9, in welcher die bei diesen Versuchen gewonnenen Ermüdungsfestigkeitskurven (S-N) veranschaulicht sind, geben die Abszisse die Zahl N der wiederholt ausgeübten Beanspruchungen in logarithmischem Maßstab und die Ordinate die Belastungs- oder Spannungsamplitude S in logarithmischem Maßstab an. Die Kurve α gilt hierbei für die nach dem bisher üblichen geschützten Lichtbogenschweißverfahren (coated arc welding technique) ohne Verwendung eines Füllers im Wurzelteil hergestellte Kreuzverbindung. Die Kurve b gilt dagegen für eine auf die gleiche Weise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung eines Glas(faser)bands als Füller zur Vergrößerung des Radius einer im Wurzelteil ausgebildeten Aussparung hergestellte Kreuzverbindung.

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Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß die auf bisher Übliche Weise

hergestellte Kreuzverbindung eine sehr niedrige ErmUdungs-

2
bruchgrenze von nur 3,2 kg/mm besitzt, während diese Grenze bei der ähnlichen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kreuzverbindung, wie durch die Kurve α angedeutet, mit

2
etwa 6 kg/mm nahezu doppelt so hoch liegt wie im erstgenannten Fall. Die Erfindung liefert damit das eindeutig bessere Ergebnis. Die niedrige Ermüdungsbruchgrenze der bisher Üblichen Kreuzverbindung ist fUr die hohe Spannungskonzentration an den Enden bzw. Seitenrändern jedes Schweißmetallwulstes verantwortlich.

Es ist darauf hinzuweisen, daß mit der Erfindung aus ähnlichen GrUnden wie den vorher fUr die Erhöhung der Festigkeit gegen ErmUdungsbruch angeführten GrUnden auch die Festigkeit gegenüber Sprödbruch erhöht werden kann.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit mehreren bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand von Kehlnahtschweißungen dargestellt und beschrieben ist, ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung gleichermaßen auch auf Stumpfschweißungen oder andere Schweißverbindungen anwendbar ist. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 10 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf eine Stumpfschweißung. Gemäß Fig. 10 sind dabei zwei plattenförmige Metallwerkstücke 10 und 12 unter ZwischenfUgung eines Halteelements 26 ähnlich demjenigen gemäß Fig. 5A mit ihren zugewandten Stirnseiten stumpf gegeneinander angesetzt. Über und unter dem Halteelement 26 sind dabei zwischen den Werkstücken 10 und 12

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zwei einander gegenüberliegende, V-förmige Nuten ausgebildet, die auf dieselbe Weise wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen mit SchweißmetallwUlsten 14 ausgefüllt werden sollen.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also ein Schweißverfahren geschaffen, bei dem eine Metallplatte senkrecht auf eine andere Metallplatte aufgesetzt wird und die zwischen den beiden Platten gebildeten Ecken jeweils mit einem Füller ausgefüllt werden. Beim Zusammenschweißen der Platten wird ein Schweißmetallwulst auf und neben jedem Fuller abgelagert, so daß in dem einem ungeschweißten, zwischen den verschweißten Platten gelegenen Abschnitt zugewandten Bereich des Schweißwulstmetalls eine Aussparung oder Auskehlung gebildet wird. Wahlweise kann diese Aussparung dadurch gebildet werden, daß einem zwischen den beiden Platten festgelegten Zwischenraum ein Inertgas zugeführt und gleichzeitig das Schweißmetall über den Zwischenraum hinweg auf die Platten aufgetragen wird.

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Claims

Patentansprüche _Λ ^ . -.y-

l.J Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht bzw. Schweißverbindung mit einem ungeschweißten Abschnitt zwischen zwei Metallwerkstücken, die zwischen sich einen Zwischenraum-Bereich bilden, wobei eine Kehlnahtschweißung zum Zusammenschweißen der Metallwerkstücke zwecks Herstellung einer Schweißnaht mit einem ungeschweißten Abschnitt im Bereich des Zwischenraums durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kehlnahtschweißen je ein Fuller an jedem Ende bzw. Rand des genannten Bereichs angeordnet wird.
2. Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung mit einem ungeschweißten Abschnitt, bei dem zwei MetallwerkstUcke unter Bildung eines Zwischenraums zwischen ihnen angeordnet werden und eine Kehlnahtschweißung durchgeführt wird, um die MetallwerkstUcke miteinander zu verschweißen und eine Schweißverbindung mit einem ungeschweißten Abschnitt im Zwischenraum zu bilden, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zwischenraum ein gasförmiges Fluidum zugeführt wird, um im Zwischenraum einen den Umgebungsdruck um einen kleinen Bruchteil Übersteigenden Fluidumdruck zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, so daß in dem an den gegenüberliegenden Enden oder Rändern des ungeschweißten Abschnitts gelegenen Bereich eines Metallschweißwulstes eine Aussparung bzw. Auskehlung ausgebildet wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuller die einander gegenüberliegenden Nuten ausfüllt, die zwischen einem Wurzelteil des einen Metallwerkstücks und dem angrenzenden Teil des anderen Metallwerkstücks vorgesehen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an seinen beiden Enden je einen Füller tragendes Halteelement in den Bereich zwischen den Metallwerkstücken eingefügt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement so im genannten Bereich angeordnet wird, daß sich je ein Füller an jedem Ende bzw. Rand dieses Bereichs befindet.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wurzelteil des einen Metallwerkstücks und den benachbarten Abschnitten des anderen Metallwerkstücks zwei einander gegenüberliegende Nuten ausgebildet werden und daß das Halteelement derart in den genannten Bereich eingesetzt wird, daß die von ihm gehaltenen Füller jeweils an den Wurzelabschnitten der Nuten zu liegen kommen.

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270Ü72Ü
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Füller ein schlackebildendes Material verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als schlackebildendes Material eine Überzugsmasse für getauchte oder Mantelschweißelektroden, für das Tauch-Lichtbogenschweißen verwendete Flußmittel, beim einseitigen Lichtbogenschweißen verwendete HinterfUll-Flußmittel oder ein Glas(faser)band benutzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Füller ein hochschmelzendes, durch den Schweißlichtbogen nicht anschmelzbares Material verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als hochschmelzendes Material Molybdän oder Wolfram verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Füller Kupfer in Form eines wassergekühlten Rohrs verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung bzw. Auskehlung einen Radius von mindestens 0,5 mm und vorzugsweise von 1,0 - 2,0 mm besitzt.

809809/0626

270Ü720
13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Fluidum ein Inertgas verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als gasfc wird.

gasförmiges Fluidum gasförmiges Kohlendioxid (C0„) verwendet
15. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiges Fluidum ein Gemisch aus mindestens zwei Komponenten, wie Inertgas, gasförmiges Kohlendioxid (C0„) und Sauerstoff (0„), verwendet wird.

Θ09809/0626