DE2736856B2 - Verfahren und Vorrichtung zum selbsttätigen elektrischen Verbindungsschweißen von dickwandigen, in der Schweißstoßebene gekrümmten metallischen Werkstücken - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum selbsttätigen elektrischen Verbindungsschweißen von dickwandigen, in der Schweißstoßebene gekrümmten metallischen WerkstückenInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selbsttätigen elektrischen Verbindungsschweißen von dickwandigen, in der Schweißstoßebene gekrümmten metallischen
Werkstücken, mit steigendem Schmelzbad bei Zwangsformung der Naht und mit einer Reihe paralleler
Elektroden, insbesondere durch Elektrogas- oder Elektroschlackeschweißen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses
Verfahrens, mit einem Schweißkopf, der an einer Tragvorrichtung nach Höhe und Seite in der Elektrodenebene verschiebbar ist und der eine Reihe paralleler
Elektroden durch Drahtführungsdüsen in einem Viertelkreisbogen der Schweißstelle zuführt
Es ist bekannt (US-PS 32 04 082 und US-PS 82 344), in der Schweißstoßebene gekrümmte Werk- es
stücke mit einer einzigen Elektrode selbsttätig zu verschweißen. Mit fortschreitender Krümmung oder
Schräglage der Schweißstelle nimmt die Länge des
Schmelzbades jedoch zu, so daß eine einzige Elektrode
das Schmelzbad nicht über seine gesamte Länge erfassen kann. Insbesondere wenn Werkstücke großer
Wanddicke zu verschweißen sind, benötigt man daher mehrere parallel zueinander angeordnete Elektroden.
Da mit zunehmender Krümmung der Schweißnaht sich die Länge des Schmelzbades aber nach wie vor ändert
darf der gegenseitige Abstand der Elektroden nicht gleich bleiben, wenn sie das Schmelzbad gleichförmig
beeinflussen sollen.
Bisher hat man diese Schwierigkeiten vermieden, indem man die Lage der Werkstücke während des
Schweißens derart verändert, daß deren Wände im Bereich der Schweißbadoberfläche immer senkrecht
verlaufen (US-PS 32 11 887). Sehr große und schwere Bauteile, wie beispielsweise Druckbehälter von Atomreaktoren lassen sich auf diese Weise nicht schweißen, da
man die Werkstücke in diesem Falle nicht ohne weiteres so bewegen kann, daß die Schmelzbadoberfläche stets
die gleiche Länge aufweist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit zu schaffen, insbesondere kurvenförmig
verlaufende Schweißnähte mit einer Reihe paralleler Elektroden selbsttätig aufwärts schweißen zu können,
ohne dabei die miteinander zu verschweißenden Werkstücke bewegen zu müssen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses
Verfahrens ist Gegenstand des Anspruches 2.
Außerdem wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung gelöst welche die
Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 3 aufweist
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung, und zwar zeigt
Fig. 1 ein Schema eines vorbekannten Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung zum selbsttätigen elektrischen Verbindungsschweißen von in der
Schweißstoßebene gekrümmten metallischen Werkstücken,
Fig.2 ein Beispiel für einen aus mehreren in der
Schweißstoßebene gekrümmten metallischen Werkstücken gemäß der vorliegenden Erfindung zusammenzuschweißenden Gegenstand,
F i g. 3 eine schematische Darstellung zum Erläutern des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens,
Fig.4 eine Seitenansicht einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung
in verschiedenen Arbeitsstellungen,
F i g. 6 eine Stirnansicht des Verschiebemechanismus der Vorrichtung aus F i g. 4,
F i g. 7 eine schematische Darstellung eines anderen Schweißverfahrens, das mit der erfindungsgemäßen
Schweißvorrichtung durchgeführt wird, und
F i g. 8 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung.
Während in F i g. 1 ein bekanntes Schweißverfahren und eine dazu verwendete Vorrichtung dargestellt ist
werden nachstehend an Hand der Fig.2 bis 8 bevorzugte Ausführungsbeispiele 'der vorliegenden
Erfindung erläutert
F i g. 2 zeigt ein zu schweißendes Werkstück 2, das aus stumpf miteinander zu verbindenden blattartigen bzw.
petalartigen Stücken besteht und den Boden oder eine Endplatte oder Stirnplatte eines sehr großen Druckkes-
sels bildet Das Werkstück 2 ist halbkugelig oder konisch
ausgebildet und mit seiner Basis auf der horizontal liegenden Oberfläche eines Arbeitsuntersatzes 6 angeordnet
und an diesem Arbeitsuntersatz befestigt Zu Beginn des Schweißvorganges wird in gleicher Weise s
wie bei bekannten Schweißverfahren geschweißt so daß die Oberfläche des zu verschweißenden Werkstükkes
einen rechten Winkel zur Oberfläche der Schmelze oder der geschmolzenen Schlacke bildet Beim vorliegenden
Verfahren ist die Werkstückoberfläche durch eine an diese Oberfläche gelegte Tangente zu ersetzen,
weil das Werkstück eine sphärische oder konvexe Oberfläche aufweist Der zwischen der Tangente und
der Oberfläche der Schmelze oder geschmolzenen Schlacke gebildete Winkel θ ändert sich jedoch in
derselben Weise wie die zentrale Achse beim Fortschritt des Schweißvorganges.
Um dabei eine einwandfreie Form der Schweißnaht oder Schweißraupe zu erhalten, welche die nötige
Festigkeit aufweist ist es notwendig, die Tangente L der geschweißten Oberfläche an der Stelle, an der sich die
Oberfläche 8 der geschmolzenen Schlacke und die geschweißte Oberfläche 7 des Werkstückes treffen,
parallel mit dem Ende jedes Schweißdrahtes 9 zu halten, ebenso wie es notwendig ist, den Abstand E zwischen
der Schweißdüse 4 und der Oberfläche 8 der geschmolzenen Schlacke konstant gemäß der Darstellung
von F i g. 3 zu halten.
Vergleicht man beispielsweise zwei Schweißdüsen 4a und 4b, wie in F i g. 3 gezeigt in der Lage, wenn sich die
Oberfläche 8 der geschmolzenen Schlacke in Position A (θο = 90° zu Beginn des Schweißvcganges) befindet
mit der Lage, wenn die Schweißung um einen zentralen Winkel λ in die Position B fortgeschritten ist
(θι = 90° -«), so ist erkennbar, daß die Schweißdrähte
9 beider Schweißdüsen 4a und Ab nunmehr in einem Winkel λ geneigt liegen und daß die Düsen 4a und 4b
praktisch parallel zur Tangente L um eine Strecke di — b/tg θ bzw. dz = (a + b)/tg θ angehoben wurden.
Was den Abstand zwischen den Schweißdüsen 4a und 4b betrifft so hat sich dieser beim Fortschreiten des
Schweißvorganges aus der Position A in die Position B von a in a/sin θ verändert Auf diese Weise wurde der
Abstand doppelt so groß wie ursprünglich, wenn man annimmt, daß in diesem Falle der Winkel θ = 30°
betrug. Um den Schweißvorgang in der Praxis auszuführen, ist es daher notwendig, den Abstand
zwischen den Elektroden mit fortschreitendem Schweißen in geeigneter Weise zu korrigieren. Das bedeutet,
daß eine Einstellung bzw. Nachstellung sowohl in so Richtung praktisch senkrecht zur an die jeweilige
Schweißstelle gelegten Tangente zum Korrigieren des Abstandes zwischen den Elektroden als auch parallel zu
dieser Tangente notwendig ist, um die Strecke E, um welche die Schweißdrähte aus den betreffenden
Schweißdüsen herausragen, stets konstant zu halten.
Gleichzeitig ist ein Verschieben der Position der Schweißdüse notwendig, weil die Breite der Oberfläche
der geschmolzenen Schlacke vergrößert wurde.
Die vorgeschlagene Schweißvorrichtung kann die vorstehend genannten Bedingungen gut erfüllen, wie
sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt.
In F i g. 4 und 5 ist eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung dargestellt, mit der sektorenförmige oder
ähnlich wie ein Blumenblatt geformte und gewölbte Metallstücke zu einer Endplatte oder Stirnplatte oder
auch zu einem gewölbten Boden zusammengeschweißt werden können, deren bzw. dessen Wandstärke
200 mm, äußerer Radius 2400 mm und Neigungswinkel θ = 20° ist Da die Breite dar Oberfläche der
geschmolzenen Schlacke am Ende des Schweißvorganges schließlich 600 mm beträgt ist die Schweißvorrichtung
mit insgesamt fünf Elektroden 4 ausgestattet
In Fig.4 ist eine Wand 11 der Schweißnut eine an
dem Ende der Schweißnut an welchem das Schweißen beginnt, befindliche Unterlegplatte 12, eine weitere
Unterlegplatte 13 am anderen Ende der Schweißnut und eine zum Fixieren an der Rückseite der Schweißnut
befindliche Stahlplatte 14 zu erkennen. Die miteinander zu verschweißenden Werkstücke 2 werden auf der
horizontalen Oberfläche eines Arbeitsuntersatzes β befestigt Die Schweißdüsen 4 und die diesen zugeordneten
Vorschubmechanismen 15 für den Schweißdraht sind mittels Schrauben an Büchsen befestigt und an
ersten Verschiebemechanismen 16, die zum Verschieben der Schweißdüsen im wesentlichen senkrecht zu der
an die Schweißstelle gelegten Tangente dienen, und an zweiten Verschiebemechanismen 17, welche die Düsen
im wesentlichen parallel zu der Tangente verschieben, gelagert Die zweiten Verschiebemechanismen können,
wie in der Zeichnung dargestellt an den ersten Verschiebemechanismen gelagert sein, jedoch ist es
alternativ auch möglich, den ersten Verschiebemechanismus am zweiten Verschiebemechanismus zu lagern.
Die Verschiebemechanismen für die Schweißdüsen weisen jeweils einen Motor 18 bzw. 19 auf. Diese Teile
sind an einem Ausrichtmechanismus 20 für die Schweißdrahtenden angebracht der dazu dient die
Schweißdrahtenden jeweils praktisch parallel zu der Tangente an der Schweißstelle zu halten. Die Schweißgase,
der Drahtvorschubmechanismus, der erste Verschiebemechanismus und der zweite Verschiebemechanismus
sind als ganzes, d. h. also als Baueinheit mittels des Ausrichtmechanismus 20 verdrehbar, um die
Schweißlage zu steuern. Obwohl der Drahtvorschubmechanismus beim beschriebenen Ausführungsbeispiel am
Ausrichtmechanismus 20 für das Drahtende gelagert ist, kann dieser Vorschubmechanismus auch getrennt
angebracht werden, um die Größe der ein Kopfstück bildenden Baueinheit zu verringern.
Der Ausrichtmechanismus 20 weist einen Synchron-Geber 21, einen Synchron-Empfänger 22, bei dem es
sich um einen synchron arbeitenden Steuerumformer handelt, und einen Antriebs-Servomotor 23 auf. Die
Anordnung ist so, daß der Statorstromkreis des Steuerumformers bzw. Synchron-Empfängers 22 an den
des Synchron-Gebers 21 angeschlossen ist, so daß die Winkeldifferenz zwischen den Statoren als elektrisches
Potential, das dem winkelmäßigen Abstand entspricht, aufgezeigt wird. Dieses elektrische Potential wird in
einen Verstärker eingespeist und dann zum Betätigen eines Servomotors benutzt
Alternativ kann der Ausrichtmechanismus für ein Schweißdrahtende so ausgebildet sein, daß der die
beiden Verschiebemechanismen zusammenfassende Kopf an einer gebogenen Führung angebracht ist, deren
Krümmungszentrum dort liegt, wo die Oberfläche des geschweißten Werkstückes die Oberfläche der geschmolzenen
Schlacke trifft so daß der Ausrichtmechanismus 20 um diesen Punkt gedreht werden kann. In
diesem Fall kann der Ausgangspunkt für die Schwingbewegungen der Schweißdüse auf der Vorrichtung im
wesentlichen feststehen, wodurch die Berechnung und Korrektur der Länge der einzelnen Schwingbewegungen
oder Schwingamplituden erleichtert wird.
Wie oben erwähnt, ist es zum praktischen Durchfüh-
ren des Schweißens notwendig, die Schweißdüsen zu verstellen, so daß der zum Ermitteln des Winkels θ
vorgesehene Teil von dem die Bewegung herbeiführenden Teil getrennt sein muß.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Synchron-Empfänger 22, welcher der den Winkel θ
ermittelnde Teil ist, an einem Rahmen angebracht, an welchem auch ein die Oberfläche des zu schweißenden
Werkstückes abfahrendes Kopierrad 24 und ein Mechanismus 25 zum Pressen einer verschiebbaren to
Stahlplatte auf die Oberfläche des geschweißten Werkstückes gelagert ist. Dieser Rahmen bildet einen
äußeren Rahmen 28 für einen Führungsteil 27 eines Oszillationsmechanismus 26, während der Synchron-Empfänger 22 und sein die Oszillationen hervorrufender
Teil einen inneren Rahmen 29 für den Führungsteil 27 des Oszillationsmechanismus 26 bilden.
Am äußeren Rahmen 28 ist ein Antriebsmotor 30 gelagert, der über eine nicht dargestellte Schnecke mit
dem inneren Rahmen 29 verbunden ist. Die Drehbewegung der Abtriebswelle des Antriebsmotors 30 wird
mittels der Schnecke in eine lineare Bewegung umgesetzt.
Ein zum Pressen oder Drücken des Kopfes dienender Mechanismus 3t wird von einem elektrisch zu
betätigenden Zylinder gebildet, der einen unter konstantem Druck stehenden Preßmechanismus umfaßt, wobei der Mechanismus 31 dazu dient, den äußeren
Rahmen 28 des oszillierenden Führungsteiles 27 zu drücken, wodurch der die verschiebbare Platte und das jo
Kopierrad 24 pressende Mechanismus diese Teile auf die Oberfläche der Schweißnaht drückt Weiterhin dient
der Mechanismus 31 dazu, einen Träger 32 zu bewegen, welcher den Kopf trägt und die gesamte Einrichtung
entsprechend der Form der Oberfläche des Werkstükkes vor- und zurückbewegt
Der Träger 32 trägt die gesamte Einrichtung einschließlich dem Oszillationsmechanismus und ist Teil
einer auf geneigter Bahn bewegbaren Verschiebeeinrichtung 33, welche mit dem Fortschreiten der
Schweißnaht an einer Säule 34 hochsteigt
Der den elektrisch betätigten Zylinder umfassende Mechanismus 31 bildet nicht die einzige Möglichkeit
den Kopf gegen die Oberfläche des Werkstückes bzw. die gebildete Schweißnaht zu drücken. Hierzu sind auch
andere Einrichtungen möglich. Beispielsweise kann das
Kopierrad eine magnetische Rolle sein, mit deren Hilfe der Kopf verschiebbar an der Oberfläche des Werkstükkes bzw. der Schweißnaht angebracht wird. Auch kann
dabei die aus Kupfer bestehende verschiebbare Platte mittels einer Feder oder dergleichen auf die Oberfläche
des Werkstückes oder der Schweißnaht gedrückt werden.
Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, das Kopierrad und die verschiebbare Platte mittels parallel
zur Schweißnut sich erstreckenden Seilen auf die Oberfläche des Werkstückes zu drücken.
Nachstehend wird ein Beispiel für den praktischen Betrieb dieser Ausführungsform der Schweißvorrichtung beschrieben.
In Fig.4 bedeutet I die Lage des Kopfes zu Beginn
des SchweiBvorganges, d.h. wenn der Winkel θ 90°
beträgt In der Position H beträgt der Winkel θ 55° und
in der Position ΙΠ 20".
Mit Beginn des Schweißens aus der Position 1 steigt der Spiegel der geschmolzenen Schlacke mit Zufuhr von
Schweißdraht und der Träger 32 wandert entsprechend nach oben. Um dieses Ansteigen des Trägers 32 zu
erreichen, sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Beispielsweise wird nach einem bekannten Verfahren
der Spiegel der Schmelze mittels eines Temperaturfühlers oder einer in die verschiebbare Kupferplatte
eingebetteten Elektrode ermittelt Nach einem anderen bekannten Verfahren werden Änderungen des
Schweißstromes, der Schweißspannung oder der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahtes als repräsentative Werte für die Änderung der Länge, um die der
Schweißdraht aus der Schweißdüse herausragt, gemessen, um den Anstieg der Oberfläche der Schmelze zu
ermitteln. Nach noch einem anderen Verfahren werden die Umdrehungen der Vorschubrollen für den Schweißdraht gezählt und die gesamte zugeführte Schweißmetallmenge nach dieser Anzahl der Umdrehungen
berechnet. Dann wird das Ansteigen der Schmeizöberfläche aus der Änderung des Winkels θ ermittelt.
Diese üblichen Verfahren können beim beschriebenen Ausführungsbeispiel angewendet werden.
Für die vorliegende Beschreibung wird unterstellt,
daß der Träger 32 aufgrund der Anwendung des auf der Ermittlung der Änderungen des Schweißstromes als
repräsentativer Wert für die Änderung der Länge des aus den einzelnen Schweißdüsen herausragenden
Schweißdrahtes beruhenden Ermittlungsmethode automatisch angehoben wird.
Wenn der Träger 32 entlang der schräggestellten Säule 34 der Verschiebeeinrichtung 33 nach oben
wandert, werden das Kopierrad 24 und die verschiebbare Kupferplatte mittels des Mechanismus 31 auf die
Oberfläche des Werkstückes gedrückt, so daß beim Hochsteigen des Trägers 32 diese Oberfläche abgetastet
wird. Dabei wird, weil der Synchron-Geber 21 die
Änderungen des Winkels β feststellt, ein elektrisches Potential oder eine elektrische Spannung gemäß der
Winkeldifferenz zwischen dem Stator des Gebers 21 und dem Stator des Synchron-Empfängers 22 erzeugt,
weil die Statorstromkreise dieser beiden Teile elektrisch miteinander verbunden sind Dann schaltet ein mit
diesem elektrischen Potential gespeistes Steuergerät den Servomotor 23 ein, um das elektrische Potential
auszugleichen, d.h. um die Winkeldifferenz zwischen
dem Geber und dem Empfänger zu beheben. Dementsprechend werden die Schweißdüsen 4, die Vorschubmechanismen 15, die ersten Verschiebemechanismen 16
und die zweiten Verschiebemechanismen 17 als Einheit um einen Winkel verdreht welcher der Änderung des
Winkels θ entspricht um dadurch die Enden der Schweißdrähte parallel zur Tangente der jeweiligen
Schweißstellen einzustellen.
Das vorstehend beschriebene Steuerverfahren ist nicht die einzige Möglichkeit für die Durchführung des
Schweißvorganges. Vielmehr können auch andere Steuerverfahren angewendet werden. Beispielsweise ist
eine Kombination eines mit einem DrehteQ ausgerüsteten Kodiergerätes und eines Impulsmotors oder eines
schrittweise arbeitenden Motors in vorteilhafter Weise anwendbar. Auch kann die Steuerung derart vorgenommen werden, daß der den jeweiligen Winkel θ
feststellende Teil nur die Oberfläche des Werkstückes
abtastet und die Art der Änderung der Lage dieser Oberfläche in einem Gedächtnis speichert, wobei dann
ein getrennter Teil vom Servomotor gesteuert wird, um
die richtige Schweißung entsprechend der in das Gedächtnis eingespeicherten Information vorzunehmen.
Da die Enden der Schweißdrähte gesteuert werden,
damit sie stets parallel zur betreffenden Tangente
liegen, muß jede Schweißdüse senkrecht und parallel zu dieser Tangente einstellbar sein, wie in Verbindung mit
F i g. 3 beschrieben wurde.
Dieses Einstellen der Schveißdüsen wird mittels des ersten Verschiebemechanismus 16 und des zweiten ■->
Verschiebemechanismus 17, die am Ausrichtmechanismus 20 angeordnet sind, vorgenommen. Die ersten und
zweiten Verschiebemechanismen sind für die einzelnen Schweißdüsen so kombiniert, daß in jeder Kombination
der zweite Verschiebemechanismus am ersten Verschie- ι ο bemechanismus angebracht ist. Die Mechanismen sind
so ausgebildet und angeordnet, wie in F i g. 6 gezeigt, wobei zwei geradlinige Führungsstangen 40 und 41, ein
auf den Führungsstangen 40 und 41 verschiebbares Verschiebebett 42, ein Antriebsmotor mit Getriebekopf
43 und ein Antriebszahnrad 44 zu erkennen sind. Eine der Führungsstangen, nämlich die Führungsstange 40,
ist mit einer Zahnstange 45 versehen, in welche das Antriebszahnrad 44 eingreift.
Die vorstehend beschriebene Konstruktion ist nicht die einzige Ausführungsmöglichkeit. Vielmehr können
der Motor und der Getriebekopf statt an dem Verschiebebett an einem feststehenden Teil befestigt
sein, wobei der Motor dann einen Schneckenzufuhrmechanismus wie eine kugelige oder ballige Schnecke 2>
antreibt, um das Spiel zu verringern.
Falls der zweite Verschiebemechanismus 17 am ersten Verschiebemechanismus 16 angeordnet ist, ist es
möglich, eine Mehrzahl von Verschiebebetten auf einem einzigen Paar Führungsstangen anzuordnen. Zu diesem n>
Zweck ist es notwendig, die Längen der Bewegungsbahnen der einzelnen Verschiebebetten zu berechnen,
damit ein ausreichender Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Schiebebetten vorhanden ist.
Falls der erste Verschiebemechanismus am zweiten r> Verschiebemechanismus angebracht ist. können Verschiebebetten
einer Mehrzahl von zweiten Verschiebemechanismen ebenfalls auf einem gemeinsamen Paar
von Führungsstangen angebracht sein.
Die Steuerung des ersten Verschiebemechanismus wird folgendermaßen durchgeführt:
Zuerst wird die Veränderung des Winkels θ oder des Wertes des Winkels θ von einem Synchron-Geber oder
einem Rotations-Kodiergerät des Ausrichtmechanismus 20 ermittelt. Dann wird der Abstand zwischen den der
Schmelzenoberfläche gegenüberliegenden Elektroden, welcher von der Schweißbedingung zu diesem Augenblick
abhängt, als Eingangssignal eingespeist und mit dem Wert sin θ multipliziert, um den Abstand zwischen
den Elektroden am Ausrichtmechanismus 20 zu berechnen und dadurch die Positionen der Verschiebebetten
der entsprechenden Schweißdüsen zu bestimmen.
Der erste Verschiebemechanismus ist mit einer Skala zum Einstellen der Verschiebebetten versehen. Diese
Skala bzw. dieser Maßstab kann durch eine Kombination eines Impulsmotors oder schrittweise arbeitenden
Motors, welcher auch als Antriebsmotor dient, und einem Memori-Zählschaltkreis gebildet sein. Auch ist
eine Kombination einer Magnetskala und eines bo
Memori-Zählers oder eine Kombination eines an die Welle des Antriebszahnrades angeschlossenen Potentiometers
und eines Begrenzungsschalters als Skala oder Maßstab zu benutzen.
Gleichzeitig wird der Unterschied zwischen dem bs
Abstand der der Schmelzenoberfläche gegenüberliegenden Elektroden und der Anzahl der Schweißdüsen
und die Breite der Schmelzenoberfläche nach dem Wert des Winkels Θ berechnet und durch den Oszillationsmechanismus
kompensiert oder korrigiert.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Positionen der Verschiebebetten der Schweißdüsen
gemäß den Änderungen des Winkels Θ verändert, so daß der Abstand zwischen den Verschiebebelten den
Elektrodenabständen der der Schmelzenoberfläche gegenüberliegenden Elektrode entspricht, was den
Schweißbedingungen beim nach oben führenden Fortschreiten des Schweißvorganges entspricht.
Andererseits ist auch eine derartige Steuerung möglich, daß der Bereich des Winkels θ in eine
Mehrzahl von Zonen unterteilt wird und die Position der Verschiebebetten während der Änderungen des
Winkels θ innerhalb einer der Zonen fest bleibt.
Gleichzeitg können die Positionen der Verschiebebetten derart gesteuert werden, daß dieselben verschoben
werden, wenn der Abstand der der Schmelzenoberfläche gegenüberliegenden Elektroden einen vorbestimmten
zulässigen Maximalwert zu übersteigen beginnt.
Es ist auch möglich, die Positionen der Verschiebebetten derart zu steuern, daß der zum Messen des Winkels
θ und der Breite der Schmelzenoberfläche dienende Teil von dem Schweißteil getrennt ist und der getrennte
Meßteil die Oberfläche des zu schweißenden Werkstükkes vor dem Schweißbereich abtastet und kopiert. Dann
werden die Positionen der Verschiebebetten beim Schweißen gemäß den von dem Meßteil ermittelten
gespeicherten Informationen gesteuert.
Die Steuerung des zweiten Verschiebemechanismus dient, wie in Verbindung mit F i g. 3 erläutert, dazu, die
Ausfahrlänge Fder Schweißdrähte gemäß der Schweißbedingung aufrecht zu erhalten.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiei wird die
Änderung des Schweißstromes als Parameter für die Ausfahrlänge E der Schweißdrähte ermittelt, um das
automatische Anheben des Trägers 32 zu steuern. Ferner werden die Positionen der Verschiebebetten der
einzelnen Schweißdüsen gesteuert, um die Veränderungen des Schweißstromes auszugleichen.
Die Steuerung der Ausfahrlängen der Schweißdrähte kann in der gleichen Weise wie das vorstehend
erläuterte automatische Anheben des Trägers 32 erfolgen.
Es ist auch möglich, die Positionen der Verschiebebetten des zweiten Verschiebemechanismus durch eine
Berechnung auf Grundlage des Wertes des Winkels θ vom jeweiligen Augenblick und der Positionen der
Verschiebebetten des ersten Verschiebemechanismus zu berechnen.
Alternativ kann der zum Messen des Winkels θ und anderer Daten bestimmte Teil die Oberfläche des
Werkstückes abtasten und abfahren bzw. kopieren, um die notwendigen Informationen in einem Gedächtnis zu
speichern, wobei die Positionen der Verschiebebetten dann entsprechend den gespeicherten Informationen
beim Fortgang des Schweißvorganges gesteuert werdea
Die Schweißvorrichtung schweißt somit die Schweißnaht fortschreitend. In der Position Π hat die
Schweißvorrichtung die Schweißnaht bis zu einer Stelle fertiggestellt, in welcher der Winkel θ 55° beträgt
Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß man auf den zweiten Verschiebemechanismus
verzichten kann, wenn die Schweißvorrichtung nur eine Schweißdüse aufweist, weil in diesem Falle das
automatische Anheben des Trägers 32 auch die
entsprechende Steuerung bewirkt. In diesem Falle kann der erste Verschiebemechanismus so ausgebildet sein,
daß er auch als Oszillationsmechanismus dient. Wenn jedoch die Start- oder Stopp-Position des Oszillatormechanismus
einzustellen ist, ist es notwendig, den ersten Verschiebemechanismus und den Oszillationsmechanismus
voneinander zu trennen.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite Verschiebemechanismus derart
miteinander kombiniert, daß der zweite Verschiebemechanismus vom ersten Verschiebemechanismus getragen
wird, weil dies für die Anordnung einer größeren Anzahl von Schweißdüsen zweckmäßig ist. Wenn die
Anzahl der Schweißdüsen jedoch klein ist, kann auch der erste Verschiebemechanismus an dem zweiten
Verschiebemechanismus angeordnet sein.
Wenn beispielsweise, wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel, ein Ausrichtmechanismus am zweiten
Verschiebemechanismus angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil, daß die Ausrichtung oder Einstellung der
einzelnen Schweißdüsen sehr genau vorgenommen und durchgeführt werden kann, obwohl einige aufwendige
Arbeiten erforderlich sind, um denen gegenseitigen Kontakt der großen Anzahl von Schweißdüsen zu
vermeiden. In einem derartigen Fall ergibt sich kein praktischer Nachteil, wenn man den Ausrichtmechanismus
des ersten Verschiebemechanismus wegläßt. Auch ist es möglich, den Ausrichtmechanismus so anzuordnen,
daß er um den Schweißbogenpunkt bzw. die Schweißstelle verdreht werden kann. In einem derartigen Fall
kann die Ausrichtung oder Einstellung jeder einzelnen Schweißdüse sehr fein durchgeführt und ein gegenseitiger
Kontakt zwischen den Schweißdüsen vollständig vermieden werden, obwohl die Vorrichtung wegen
einer großen Anzahl von gebogenen Führungen oder einem Verbindungsmechanismus zum Drehen des
Ausrichtmechanismus um den Schweißpunkt sehr groß ist
Es ist erkennbar, daß durch Drehen des Schweißkopfes als Einheit um die Stelle, an welcher die Oberfläche
des Werkstückes bzw. der Schweißnaht die Oberfläche der Schmelze schneidet, der Ausgangspunkt der
Oszillation festgelegt und die Berechnung der Korrektur vereinfacht und erleichtert wird.
F i g. 8 zeigt beispielsweise eine Ausführungsform, welche um den Schnittpunkt zwischen der Oberfläche
des Werkstückes und der Schmelze gedreht oder verschwenkt werden kann, wobei gebogene Führungen
46 und 47 vorgesehen sind, um die Tangente zur Schweißnaht zu ermitteln und einen Mechanismus zum
Steuern der Lage der Schweißdüsen zu bilden.
Obwohl die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
beschrieben wurde, die zum Erzeugen von Stumpfschweißungen an halbkugelförmigen oder schalenförmigen
Werkstücken bestimmt sind, ist es auch möglich, die Erfindung zum geneigten Aufwärtsschwei
ßen von konischen oder ähnlichen Werkstücken zu verwenden.
Wie beschrieben wurde, wird bei Anwendung der
Schwetßvorrichtung zum Aufwärtsschweißen eines halbkugeligen oder konischen Werkstückes wie dem
Stirnende oder dem Boden eines großen Druckkessels, wobei die Unterseite des Werkstückes, d.h. das den
größeren Durchmesser aufweisende Ende desselben auf der horizontalen Oberfläche eines Untersatzes angeordnet ist, automatisch geschweißt, ohne daß eine
spezielle Einstelleinrichtung zum Drehen des Werkstükkes um das Zentrum seiner Grundfläche oder eine große
Einstelleinrichtung erforderlich wäre.
Außerdem wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung sehr verbessert, weil mehr als zwei Schweißnähte
gleichzeitig geschweißt werden können.
ι Wegen des gleichzeitigen Schweißens an mehr als
zwei Stellen werden die im fertig geschweißten Werkstück verbleibenden Restspannungen bedeutend
gesenkt, was sehr vorteilhaft ist.
Nachstehend wird ein zweites Ausführungsbeispiel
ίο für die Arbeitsweise der Schweißvorrichtung beschrieben.
F i g. 7 erläutert das Schweißen eines gewölbten Bodens oder einer gewölbten Stirnwand eines Kessels
aus einzelnen gewölbten Stücken. Das halbkugelförmi-
I) ge oder konische Werkstück wird aus seinen Einzelteilen
auf einem üblichen Einstellgerät, einer üblichen Unterlage, oder einer speziellen Säule mit seiner den
größeren Durchmesser aufweisenden Seite bzw. seinem Boden nach unten weisend aufgebaut. Die einzelnen
2(i Teile des Werkstückes haben wie beim vorstehenden
Ausführungsbeispiel eine Wandstärke von 200 mm, einen äußeren Radius von 2400 mm und einen
Neigungswinkel Θ von 20°. Das Schweißen erfolgt aufwärts, wobei die Halbierungslinie des Zentriwinkels
der Einzelteile horizontal gehalten wird. In diesem Falle wird angenommen, daß der Zentriwinkel 70° beträgt, so
daß bei horizontal gehaltener Mittellinie oder Teilungslinie dieses Zentriwinkels sich beidseits derselben ein
Winkel von jeweils 35° befindet. Die maximale Breite
i" der Schmelzenoberfläche beträgt etwa 350 mm und ist
umso kleiner als beim vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Dementsprechend kann die Anzahl
der verwendeten Schweißdüsen geringer sein.
Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es
Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es
Γ) notwendig, eine Einstelleinrichtung oder eine spezielle
Säule zu verwenden, um die Teilungslinie des Zentriwinkels horizontal zu halten, wobei die Größe dieser
Einrichtung bzw. Säule mit der Größe des zu schweißenden Werkstückes zunimmt. Dieser Nachteil
4" wird jedoch vollständig durch den Vorteil aufgewogen,
daß der Zentriwinkel auf die Hälfte reduziert wird, weil er durch die horizontale Ebene in einen positiven und
negativen Winkel aufgeteilt wird, worauf sich der weitere Vorteil ergibt, daß die maximale Breite der
4) Oberfläche der Schmelze auf etwa 3/5 reduziert wird, so
daß insgesamt gesehen weniger schwere Bauteile für die Anzahl von Schweißdüsen, die Schweißbedingungen
und die Steuerungen der Vorrichtung erforderlich werden.
"><) Der Aufbau der Schweißvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels
ist derselbe wie bei dem vorhergehend erläuterten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß
die Anzahl der Schweißdüsen geringer und die Verstelleinrichtung eine übliche vertikal zu verstellende
T> Verstelleinrichtung anstelle einer schräg zu verstellenden Einrichtung ist
Die Arbeitsweise ist jedoch identisch wie beim ersten
Ausführungsbeispiel, soweit der Winkel θ zwischen 90°
und 55° liegt Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich jedoch von dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel bezüglich des Hubes des zweiten Verschiebemechanismus und der Anordnung der Verschiebebetten
dieses Verschiebemechanismus. Bei diesem Ausführungsbeispiel beginnt das Schweißen bei einem Winkel θ von 125° und ist bei einem Winkel θ von 55° beendet
wobei der Winkel θ von 90° durchlaufen wird, so daß der Hub des zweiten Verschiebemechanismus und die
Anordnung der Verschiebebstten desselben zu gewählt
werden müssen, daß der Hub einer Veränderung des Winkels Θ zwischen 125° und 90° ebenfalls angepaßt ist.
F i g. 7 zeigt schematisch zwei Elektroden 4a und 4b. Falls die Halbierungslinie des Zentriwinkels des
halbkugelförmigen zu schweißenden Werkstücks horizontal gehalten wird und sich die Schmelzenoberfläche
unterhalb der Halbierungslinie befindet, d. h. der Winkel Θ kleiner als 90° ist, müssen die Elektroden 4a und 4b im
wesentlichen parallel mit der Tangente an der Schweißstelle angehoben werden, wobei
dj = b- tg(0-90°) und
d4 =(a + b)- tg(6-90°).
d4 =(a + b)- tg(6-90°).
Daher sind die Verschiebebetten so angeordnet, daß dieselben und die Schweißdüsen selbst noch bei einem
Winke! θ = 90° weiter abgesenkt werden, können,
damit die den Werten d\ und ds, gemäß F i g. 7
entsprechenden Hübe in gutem Kontrast zu dem Fall des vorstehenden Ausführungsbeispieles stehen, bei
dem die Verschiebebetten des zweiten Verschiebemechanismus so angeordnet sind, daß kein Hub zum
Absenken der Verschiebebetten zur Verfügung steht, wenn der Winkel Θ = 90° wurde.
Der erste Verschiebemechanismus soll den Abstand zwischen den Elektroden einteilen, um die Schweißbedingungen
zu erfüllen. Um die Position mit einem Winkel Θ von 90° wird vom ersten Verschiebemechanismus
eine symmetrische Arbeitsweise ausgeführt, weil a/cos(0 —90°) gleich a/sin Θ für symmetrische Positionen
der Oberfläche der Schmelze um die Position von Θ = 90° ist, d.h. wenn die Winkel ati und λ>
einander gleich sind, wie Fig. 7 zeigt. Deshalb kann der erste Verschiebemechanismus bei diesem Ausführungsbeispie!
ebenso arbeiten wie beim zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Claims (3)
1. Verfahren zum selbsttätigen elektrischen Verbindungsschweißen von dickwandigen, in der
Schweißstoßsbene gekrümmten metallischen Werkstücken, mit steigendem Schmelzbad bei Zwangsformung der Naht und mit einer Reihe paralleler
Elektroden, insbesondere durch Elektrogas- oder Elektroschlackeschweißen, dadurch gekennzeichnet in
daß die Elektrodenreihe (9) in an sich bekannter Weise nach Höhe und Seite dem Schweißbad
nachgeführt wird und daß die Elektrodenreihe in Abhängigkeit von der Neigung («) der konvexen
Wand (7) des feststehenden Werkstückes (2) in der is
jeweiligen Höhe (A, B,...) des Schweißbades (8) um den gleichen Winkel («) im gleichen Richtungssinne
um eine gemeinsame Achse (20) in der Elektrodenebene gekippt wird, wobei die Abstände der
Elektrodenenden von dem Schweißbad durch Verschiebung ihrer Düsenhalterungen (15) parallel
zur Richtung der Elektrodenenden gleichgehalten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden pendeln und ihre
Amplituden proportional zur jeweiligen Schweißbadiängeß + a + ty verstellt werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Schweißkopf, der
an einer Tragvorrichtung nach Höhe und Seite in der Elektrodenebene verschiebbar ist und der eine
Reihe paralleler Elektroden durch Drahtführungsdüsen in einem Viertelkreisbogen der Schweißstelle
zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf aus einem Führungsarni (16) besteht, der durch
eine Kippvorrichtung (20) in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel («) der Werkstückwand (7) in der
Elektrodenebene kippbar ist, daß am Führungsarm (16) Gleitbahnen (17) gehaltert sind, die in ihrem
gegenseitigen Abstand in der Elektrodenebene verstellbar sind, und daß auf den Gleitbahnen (17)
die Drahtführungsdüsen (4) in der Elektrodenebene rechtwinklig zum Führungsarm und damit parallel
zur Austrittsrichtung der Elektrodenenden (9) in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Elektrodenenden und Schweißbad (8) verschiebbar sind.
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