DE2836983A1 - Verfahren und vorrichtung zum schweissen unter druck - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen unter Druck

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen unter einem Druck von mehr als 7 bar, bei dem ein Metall-Inertgas-Schweißverfahren angewandt wird, und eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet ist das Schweißen von Rohren auf dem Meeresboden.

Zum Unterwasserschweißen hat man bereits mit Erfolg Schweißverfahren angewandt, wie sie auch unter normalen Umgebungsbedingungen angewandt werden. Um in beliebiger Tiefe eine Qualitätsschweißung herzustellen, muß das Wasser von der Schweißschmelze und dem Lichtbogen ferngehalten werden. Die Schweißstelle wird daher von einem inerten Gas umgeben, das in einer kleinen durchsichtigen Hülle enthalten ist. In einer Tiefe unterhalb der Luft-Tauchtiefe (50 m oder einem Druck von 6 bar) ist der Schweißer oder ein Teil des Schweißers gewöhnlich in der Inertgas-Hülle zusammen mit den zum Schweißen erforderlichen Materialien und der zu schweißenden Verbindungsstelle eingeschlossen. Mit zunehmender Tiefe steigt auch der Druck auf den Lidifoogen. 030011/0080

Durch Flußmittel abgeschirmte LichtbogenxSchweiBverfahren und insbesondere handbetriebene Metall-Lichtbogen-Schweißverfahren sowie Flußmittelkern-Schweißdraht-Schweißungen sind erfolgreich bis zu 50 m Tiefe angewandt worden, was einem Druck von etwa 6 bar entspricht. In größeren Tiefen treten jedoch Änderungen in den komplizierten Schlacken-Metall- oder Gasreaktionen auf, die im Lichtbogen stattfinden und zu Änderungen in der Zusammensetzung des in die Schweißfuge eingebrachten Schweißmetalls führen, die ihrerseits die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht beeinträchtigen. Die Lichtbogenstabilität bleibt jedoch erhalten.

Bis zu geringen Tiefen kann auch eine herkömmliche Metall-Inertgas-Schweißung angewandt werden, doch wird der Lichtbogen und die Metallübertragung in einer Tiefe von mehr als 50 m instabil, so daß große Schweißmetallklumpen vom Ende der Elektrode auf die die Schweißstelle umgebende Platte fallen. Außerdem erfolgt bei Atmosphärendruck nur eine geringe Rauchentwicklung bei dem Metall-Inertgas-Schweißverfahren, während bei einem Druck von mehr als 6 bar eine erhebliche Rauchentwicklung auftritt, die bei einer Unterwasserschweißung äußerst störend ist.

Diese Schwierigkeiten bei dem Metall-Inertgas-Schweißverfahren haben in größeren Tiefen zur Anwendung von Verfahren geführt, bei denen ein Flußmittel zur Stabilisation und eine Metallmodifikation angewandt wurden, und zwar trotz der Vorteile, die das Metall-Inertgas-Schweißverfahren hinsichtlich einer hohen Schweißgeschwindigkeit und der Vermeidung komplizierter Schlacken-, Metall- oder Gasreaktionen hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen unter einem Druck von mehr als 7 bar anzugeben, bei dem bzw. der ein Metall-Inertgas-Schweißverfahren angewandt wird, ohne daß die erwähnten Schwierigkeiten auftreten.

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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Elektrode negativ gegenüber dem Werkstück ist und ein Elektrodendraht mit einem Durchmesser von höchstens 1,4 mm verwendet wird. Vorzugsweise liegt die Steilheit der Stromversorgungseinrichtung, vom Schwe ißli chiäj og en aus gesehen, zwischen 6 und 15 V/100A. Diese Steilheit ist größer als die normalerweise bei dem MIG-Schweißverfahren benutzte Steilheit, die bei etwa 3 bis 4 V/100A liegt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Verwendung einer höheren Steilheit die Stabilität des Schweißprozesses verbessert und eine höhere Eindringtiefe beim Schweißen ermöglicht. Vorzugsweise liegt die Steilheit bei etwa 7V/100A. Die Steilheit bzw. Steigung der Spannungs-Strom-Kennlinie ist hier - wie üblich beim Schweißen - negativ.

Bei einem Druck von mehr als 10 bar sind die Vorteile der Erfindung noch offensichtlicher.

Vorzugsweise ist das inerte Gas überwiegend Argon oder Helium. Dem inerten Gas kann ein oxidierendes Gas, .z. B. Sauerstoff oder Kohlendioxid, zugesetzt sein. Ein günstiges Gemisch enthält mindestens 95 % Argon oder Helium und bis zu 5 % Sauerstoff oder Kohlendioxid.

Unter einem "herkömmlichen Metall-Inertgas-Schweißverfahren" soll hier ein Metall-Inertgas-Schweißverfahren verstanden werden, bei dem ein fester blanker (bzw. nackter) Schweißdraht verwendet wird. Bei einer derartigen Schweißung, die unter normalem Atmosphärendruck ausgeführt wird, ist es üblich, die Elektrode auf positives Potential zu legen. Der Grund hierfür ist, daß bei einer derartigen Schweißung die Schweißwärme überwiegend an der Kathode erzeugt wird, d.h. am negativen Werkstück, und dies gestattet die Erzielung einer guten Eindringung und einer angemessenen Übertragung von Metall der verbrauchbaren Elektrode. Wenn die Elektrode auf negatives Potential gelegt würde, würde nur eine geringe Wärmemenge am Werkstück erzeugt .und nur eine- schlechte Eindringung erzielt.

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Die Wärme würde zum überwiegenden Teil am Ende der Elektrode erzeugt, so daß ein zu großer Teil der Elektrode abschmelzen und demzufolge der Lichtbogen zu dem die Elektrode umgebenden Kupfer-FUhrungsrohr zurücklaufen würde. Wenn die Elektrode daher bei normalem Atmosphärendruck auf negatives Btential gelegt wird, ergibt sich zwar eine sehr hohe Ablagerungsgeschwindigkeit auf der Oberfläche des Werkstücks, doch kann der Lichtbogen eine geringe Stabilität aufweisen und die Eindringung schlecht sein.

Eine Metall-Inertgas-Schweißung mit negativer Elektrode ist in der Praxis, wegen der oben geschilderten Schwierigkeiten, bislang kaum angewandt worden, obwohl eine teilweise Behebung dieser Schwierigkeiten durch Verwendung eines stark argonhaltigen Gases mit etwas Sauerstoff oder COp erreicht werden kann.

Man hat auch bereits Wechselstrom zur Metall-Inertgas-Schweißung benutzt, wobei die positiven Halbwellen an der Elektrode den Lichtbogen stabilisieren und die negativen Halbwellen an der Elektrode den Schweißdraht erhitzen.

Die Bedingungen, unter denen sich ein Gleichgewicht zwischen der Menge des vom Elektrodendraht abgeschmolzenen Metalls und der Energiemenge am Werkstück in einem Metall-Inertgas-Schweißverfahren einstellt, ändern sich mit dem Druck, unter dem die Schweißung ausgeführt wird. Wenn bei Anwendung des herkömmlichen Metall-Inertgas-Schweißverfahrens der Druck beim Schweißen über den Atmosphärendruck hinaus zunimmt, treten die erwähnten Rauchentwicklungs- und Stabilitätsprobleme auf. Bei gleicher Druckzunahme wirkt sich die Änderung des erwähnten Gleichgewichts jedoch günstig für die Verwendung einer auf negativem Potential liegenden Elektrode aus, so daß es bei dem erwähnten Druck von 7 bar vorzuziehen ist, eine auf negativem Potential liegende Elektrode zu verwenden, während bei einem Druck von 14 bar die Verwendung einer auf negativem Potential liegenden Elektrode besonders vorteilhaft ist. So läßt sich selbst bei einem Druck von mehr als 32 bar (ent-

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sprechend einer Gewässertiefe von 310 m) ein stabiler Lichtbogen mit geringer Spritzneigung und verhältnismäßig geringer Rauchentwicklung erzeugen. :£

Das MIG-Schweißverfahren erfordert im allgemeinen eine flache Kennlinie. Eine Möglichkeit, die Steilheit der Kennlinie der Stromversorgungseinrichtung (vom Lichtbogen aus gesehen) zu erhöhen, besteht in einer Verlängerung der Leitungen zwischen der Stromversorgungsquelle und dem Schweißkopf. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet daher die Anordnung der Stromquelle bzw. des Schweißgenerators auf einem Schiff, wobei die langen Leitungen vom Schiff zur Unterwasser-Schweißstelle einen stabilen Schweißprozess ergeben. Eine andere Möglichkeit, die (vom Lichtbogen aus gesehene) Steilheit der Stromversorgungseinrichtung zu erhöhen, besteht in der Erhöhung des ohmschen Widerstands zwischen der Stromquelle und dem Schweißkopf durch Verringerung des Durchmessers der Kabelverbindung oder durch Verringerung der Anzahl der Kabel, wenn mehrere Kabel pärallelgeschaltet sind. Das gleiche läßt sich auch dadurch erreichen, daß die Induktivität zwischen der Stromquelle und dem Schweißkopf erhöht wird, weil während der kurzen Zeitspanne, in der der Lichtbogen eine rasche Änderung von Spannung und Strom verlangt, der Einfluß der Induktivität auf die scheinbare Steilheit der Stromversorgungseinrichtung, vom Lichtbogen aus gesehen, der gleiche wie eine Erhöhung des ohmschen Widerstands ist. Die Induktivität läßt sich durch Erhöhung der Anzahl parallelgeschalteter Kabel oder durch Einschaltung eines induktiven Bauelements in die Verbindungsleitungen erreichen.

Die Erhöhung der Steilheit unterstützt auch die Ausbildung der ersten Schweißraupe bei einer Schweißung, die bei hohem Druck sehr schwierig ist, weil die Gefahr besteht, daß die Schweißstelle durchbrennt. Die bei der Wahl der Spaltweite am Grund der Schweißfuge einzuhaltende Toleranz wird ebenfalls erhöht, und es kann mit enger Spaltweite gearbeitet werden, z.B. mit einem Verbindungs-Innenwinkel von 30° in

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irgendeiner Lage. Dies ist in Luft, insbesondere in einer Überkopf-Schweißlage, mit einem Schweißdraht von 1mm Durchmesser im allgemeinen nicht möglich, weil es schwierig ist, eine angemessene Seitenwandfusion sicherzustellen. Eine Schweißung mit engem Spalt verringert die Schweißzeit.

Ein weiterer Vorteil der Anwendung einer Metall-Inertgas-Schweißung bei Unterwasser-Bedingungen besteht darin, daß, weil hierbei eine kontinuierliche Elektrode benutzt wird, sie leicht automatisiert werden kann. Die Grenze der Einsatzmöglichkeit eines Tauchers zum Schweißen ist derzeit praktisch erreicht, weil ein Taucher in einer Tiefe , wie sie derzeit angestrebt wird, eine sehr lange Dekompressionszeit benötigt. Wenn daher in größeren Tiefen geschweißt werden soll, ist eine automatisierte Schweißung wesentlich vorteilhafter.

Die Schweißmetallzusammensetzung braucht nicht in Abhängigkeit vom Druck geändert zu werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur Durchführung einer Unterwasserschweißung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer automatischen MIG-Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Rohrs und

Fig. 2 die Anordnung der Vorrichtung in einem Verschluß auf dem Meeresboden mit einer elektrischen Verbindung zu einer Stromquelle auf einem Überwasserschiff.

Das zu schweißende Rohr 10 ist mit Schienen 12 zur Führung eines Wagens 14, der Räder 16 aufweist, versehen. Auf dem Wagen 14 ist eine Rolle 18 gelagert, auf der ein verbrauchbarer Elektrodendraht mit einem Durchmesser von 1 mm oder weniger aufgewickelt ist.

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Das Ende des Elektrodendrahtes ist durch einen Schweißkopf 22 am Wagen 14 hindurchgeführt. Im Wagen 14 ist die Antriebseinrichtung für die Räder 16 und die Rolle 18 untergebracht. Die Stromversorgung dieser Antriebseinrichtung und des Lichtbogens erfolgt aus einem Kasten 24 über ein Kabel 26. Der Kasten 24 kann eine S chwingungs regele inr i chtung für den Schweißkopf und eine örtliche Stromquelle aufweisen, deren Steilheit in diesem Falle zwischen 6 und 15 V/100A liegt. Statt dessen kann, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, der Kasten 24, der zusammen mit dem Wagen in einem Verschluß 28 auf dem Meeresboden 30 angeordnet ist, die Schwingungsregeleinrichtung aufweisen und zur Verbindung des Kabels 26 mit einem weiteren Kabel 32 dienen, das zu einer Stromquelle auf dem Schiff 34 führt. Im zuletztgenannten Falle liegt die Steilheit der Stromversorgungseinrichtung, einschließlich der auf dem Schiff angeordneten Stromversorgungsquelle und der Kabelverbindung von dieser Stromversorgungsquelle zum Lichtbogen, zwischen 6 und 15 V/IOOA. Außerdem sind die Verbindungen zwischen der Stromquelle und dem Elektrodendraht so gewählt, daß der Elektrodendraht beim Schweißen auf negativem Potential gegenüber dem Potential des Rohrs liegt.

In einer Reihe von Schweißversuchen, die bei Drücken von 7, und 32 bar in Überkopflage, vertikaler und flacher Lage ausgeführt wurden, blieben die folgenden Parameter durchweg konstant:

1. Basisplatte - BS 4360 Grade 5OD

2. Plattendicke - 19 mm

3. Verbindungsart - einseitiger einfacher V-stoß mit 60°

Innenwinkel

4. Fugengrund-Stirnfläche - 1,6 - 0,6 mm

5. Fugengrund-Spaltweite - 2,0 ί 1,O₁₁₁

0,5

6. Verfahren - MIG

7. Polarität - Gleichstrom, Elektrode negativ

8. Füllmittel - BS 2901 Teil 1 A18

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- ίο -

9. Füllmitteldurchmesser - 0,9 mm

10. Stromquelle - 500 A Festkörper-Bauweise

11. Leerlaufspannung - 45 V

12. V/A-Steilheit - 7V/100A

13. Zuleitungslänge -4m

14. Zusätzliche Zuleitungsinduktivität - keine

15. Schweißdüsendurchmesser - 12,5 mm

16. Abstand Kontaktspitze-Werkstück -10-15 mm

17. Schutzgas-Durchfluß - 10-15 l/min bei Arbeitsdruck

18. Schutzgaszusammensetzung -

7 bar - Argon/2 % Sauerstoff
14 bar - Argon/1 % Sauerstoff
32 bar - Argon/0,5 % Sauerstoff

19. Zwischendurchlauf-Reinigung und -abschleifung - keine

20. Zwischendurchlaufzeit - 5-10 Minuten.

Eine Analyse der Zusammensetzung des Basisplattenmetalls BS 4360 Grade 50 D ergab die folgenden Gewichtsprozentsätze: C = 0,14; S = 0,012; P = 0,020; Si = 0,35; Mn = 1,43; Cu = 0,02; Nb = 0,035; Al = 0,021; 0 = 0,0178; N = 0,0093.

Eine Analyse der Zusammensetzung des Fülldrahtes BS 2901 ergab die folgenden Gewichtsprozentsätze: C = 0,09; S = 0,029; P = 0,022; Si = 0,94; Mn = 1,55; Cu = 0,24; Nb weniger als 0,005; Al = 0,007 ; Ο = O,OO53; N = 0,0073.

In der Überkopflage 6 wurden fünf Durchläufe (Schweißraupen) ausgeführt; in der flachen und vertikalen Lage dagegen sieben Durchläufe. In allen Fällen betrug bei dem Fugengrund-Durchlauf die Schweißdraht-Zuführgeschwindigkeit 5m/min. und die Bahngeschwindigkeit (Schweißgeschwindigkeit) 200 mm/min. Bei den anderen Durchläufen betrug die Drahtgeschwindigkeit 7,1 m/min, während die Bahngeschwindigkeiten zwischen 110 und 80 mm/min lagen. Der Schwingungsausschlag wurde fortlaufend von 10 mm im zweiten Durchlauf auf 22 mm im siebten Durchlauf sowohl in der flachen als auch in der vertikalen Schweißlage gesteigert, während vom zweiten zum sechsten Durchlauf in der

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Z Β 3 6 8 8■ 3

Überkopflage die Schwingungsweite jeweils 7» 13» 13» 14 und 10 mm betrug. Die Schwingungsfrequenzen lagen zwischen 15,4 und 21,4 Schwingungen pro Minute. Beim Nutengrund-Durchlauf wurde keine Schwingung ausgeführt. Die Metallablagerungsgeschwindigkeit betrug bei den Nutengrund-Durchläufen 1,5 kg pro Stunde und bei den anderen Durchläufen 2,05 kg pro Stunde.

Stoßversuche nach Charpy bei dem Schweißmetall ergaben folgende Meßwerte, wobei die Joule-Werte in allen Fällen den Mittelwert dreier Schweißungen darstellen.

Schweiß- Position	Druck (bar )	0	Temperatur 0C	-30
Überkopf Il Il vertikal Il Il flach n Il	7 14 32 7 14 32 7 14 32	Joule	-10	Joule
	118 59 66 100 90 90 76 81 80	Joule	50 31 50 55 55 54 46 54 46
56 57 68 78 81 67 79 71 50

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Claims (8)

Patentansprüche

1.) Verfahren zum Schweißen unter einem Druck von mehr als 7 bar, bei dem ein Metall-Inertgas-Schweißverfahren angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode negativ gegenüber dem Werkstück ist und ein Elektrodendraht mit einem Durchmesser von höchstens 1,4 mm verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem Druck von mehr als 10 bar ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodendraht-Durchmesser nicht größer als 1,0 mm ist.

Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit der Stromversorgungseinrichtung, vom Schweißlichtbogen aus gesehen, zwischen 6 und 15 V/100A liegt.

Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Schweißen auf dem Boden eines Gewässers ausgeführt und die Stromquelle von einem Überwasserfahrzeug getragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Steilheit der Stromversorgungseinrichtung die der Stromquelle und eines Verbindungskabels zwischen der Stromquelle und dem Schweißkopf auf dem Boden des Gewässers umfaßt. -

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas überwiegend Argon ist.

7. Unterwasser-Schweißvorrichtung zum Schweißen unter einem Druck von mehr als 7 bar mit einer Metall-Inertgas-Schweiß einrichtung, die eine Zuführeinrichtung für verbrauchbaren Elektrodendraht und eine Stromversorgungseinrichtung mit einer Stromquelle und einer Verbindung zwischen der Stromquelle und der Schweißeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodendrahtdurchmesser 1 mm oder weniger beträgt, daß der Elektrodendraht im Betrieb negativ in Bezug auf das zu schweißende Werkstück ist und daß die Steilheit der Stromversorgungseinrichtung zwischen 6 und 15V/1OOA liegt.

8. Schweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Stromquelle und der Metall-Inertgas-Schweißeinrichtung ein induktives Bauelement aufweist.

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