DE2836983C2 - - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/0061—Underwater arc welding
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen unter einem
Druck von wenigstens 7 bar, bei dem ein Metall-Inertgas-Schweißverfahren
mit einer Drahtelektrode angewandt wird, und eine
nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.
Ein derartiges Verfahren ist aus der FR-OS 23 37 606 bekannt.
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 Lichtbogen.
Durch Flußmittel abgeschirmte Lichtbogen-Schweißverfahren 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 wurde, 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 mit einer Zuführeinrichtung für verbrauchbaren Elektrodendraht, einer Stromversorgungseinrichtung
mit einer Stromquelle und einer Verbindung zwischen der Stromquelle
und der Schweißeinrichtung
zum Schweißen unter einem Druck von wenigstens
7 bar anzugeben, bei dem bzw. der ein Metall-Inertgas-Schweißverfahren
mit einer Drahtelektrode angewandt wird, ohne daß die
erwähnten Schwierigkeiten auftreten.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß
die Elektrode negativ gegenüber dem Werkstück ist und ein fester,
blanker (nackter) Elektrodendraht (Massivdrahtelektrode) mit einem Durchmesser von
höchstens 1,4 mm verwendet wird und die Steilheit der Stromversorgungseinrichtung,
vom Schweißlichtbogen aus gesehen, zwischen
6 und 15 V/100 A liegt. Diese Steilheit ist größer als die normalerweise
bei dem MIG-Schweißverfahren benutzte Steilheit, die
bei etwa 3 bis 4 V/100 A 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
7 V/100 A. 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.
Bei einem herkömmlichen Metall-Inertgas-Schweißverfahren, bei
dem ein Massivdraht verwendet und die
Schweißung 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.
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-Führungsrohr zurücklaufen würde. Wenn die Elektrode
daher bei normalem Atmosphärendruck auf negatives Potential
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 CO₂ 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 (entsprechend
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 parallelgeschaltet 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
irgendeiner Lage. Dies ist in Luft, insbesondere in einer Überkopf-
Schweißlage, mit einem Schweißdraht von 1 mm 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 zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer automatischen MIG-
Schweißvorrichtung zum Schweißen eines Rohres 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.
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 Schwingungsregeleinrichtung für den Schweißkopf
und eine örtliche Stromquelle aufweisen, deren Steilheit
in diesem Falle zwischen 6 und 15 V/100 A 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/100 A. 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, 14
und 32 bar in Überkopflage, vertikaler und flacher Lage
ausgeführt wurden, blieben die folgenden Parameter durchweg
konstant:
1.Basisplatte - BS 4360 Grade 50D
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±1,0/0,5 mm
6.Verfahren - MIG
7.Polarität - Gleichstrom, Elektrode negativ
8.Verbrauchbarer Elektrodendraht - BS 2901 Teil 1 A18
9.Elektrodendrahtdurchmesser - 0,9 mm
10.Stromquelle - 500 A Festkörper-Bauweise
11.Leerlaufspannung - 45 V
12.V/A-Steilheit - 7 V/100 A
13.Zuleitungslänge - 4 m
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.
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 50D 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; O = 0,0178; N = 0,0093.
C = 0,14; S = 0,012; P = 0,020; Si = 0,35; Mn = 1,43; Cu = 0,02; Nb = 0,035; Al = 0,021; O = 0,0178; N = 0,0093.
Eine Analyse der Zusammensetzung des Elektrodendrahtes 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; O = 0,0053; N = 0,0073.
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; O = 0,0053; N = 0,0073.
In der Überkopflage wurden sechs Durchläufe (Schweißraupen)
ausgeführt; in der flachen und vertikalen Lage dagegen sieben
Durchläufe. In allen Fällen betrug bei dem Fugengrund-Durchlauf
die Schweißdraht-Zuführgeschwindigkeit 5 m/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
Überkopflage die Schwingungsweite jeweil 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.
Claims (7)
1. Verfahren zum Schweißen unter einem Druck von wenigstens
7 bar, bei dem ein Metall-Inertgas-Schweißverfahren mit einer
Drahtelektrode angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektrode negativ gegenüber dem Werkstück ist und eine
Massivdrahtelektrode mit einem Durchmesser
von höchstens 1,4 mm verwendet wird und daß die Steilheit
der Stromversorgungseinrichtung, vom Schweißlichtbogen aus
gesehen, zwischen 6 und 15 V/100 A liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Druck größer als 10 bar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrodendraht-Durchmesser nicht größer als 1,0 mm
ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das
Schweißen auf dem Boden eines Gewässers ausgeführt und die
Stromquelle von einem Überwasserfahrzeug (34) getragen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Steilheit der Stromversorgungseinrichtung
die der Stromquelle und eines Verbindungskabels
(26, 32) zwischen der Stromquelle und dem Schweißkopf
(22) auf dem Boden des Gewässers umfaßt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das inerte Gas überwiegend Argon ist.
6. Unterwasser-Schweißvorrichtung zum Schweißen unter einem
Druck von wenigstens 7 bar mit einer Metall-Inertgas-Schweißeinrichtung,
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 15 V/100 A liegt.
7. Schweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung zwischen der Stromquelle und der Metall-Inertgas-
Schweißeinrichtung ein induktives Bauelement aufweist.
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|---|
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1978
- 1978-07-04 GB GB7828790A patent/GB2002276B/en not_active Expired
- 1978-08-24 DE DE19782836983 patent/DE2836983A1/de active Granted
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Publication number | Publication date |
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