DE2936139A1 - Verfahren und vorrichtung zum lichtbogenschweissen, insbesondere zum unterpulverschweissen - Google Patents

Description

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MESSER GRIESHEIM GMBH MG 1195

Kennwort: Massestrom Null EM 937

Erfinder: Dr.Dilthey Ordner: XVI

Kopp
Mursic

Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen, insbesondere zum Unterpulverschweißen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lichtbogenschweißen,insbesondere zum Unterpulverschweißen, bei dem mit hohen Schweißströmen gearbeitet und mehrere Elektroden gleichzeitig an einem Werkstück abgeschmolzen werden.

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Mit diesem Oberbegriff wird auf ein Stand der Technik Bezug genommen, wie er beispielsweise aus "Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft", 10/1960, Seite 38, Tandem~ Schweißvorrichtung, bekannt geworden ist. Bei diesen Schweißvorrichtungen werden zwei Schweißelektroden über zwei in Scott-Schaltung liegende Transformatoren gespeist. Mit derartigen Vorrichtungen werden Schweißungen mit wesentlich verringerter Einbrandkerbbildung erhalten, wobei die Abschmelzleistung und die Schweißqeschwindigkeit

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gegenüber einer Schweißung mit nur einer Elektrode nahezu verdoppelt werden kann. Zur Erzielung dieser höheren Schweißgeschwindigkeit sind die Elektroden hintereinander angeordnet und werden in einem gemeinsamen Schmelzbad abgeschmolzen. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, die Elektroden nebeneinander, also quer zur Schweißrichtung anzuordnen. Dadurch entstehen breite Nähte mit verringertem Einbrand und verringerter Aufmischung mit dem darunter liegenden Metall, so daß diese Verfahrensweise insbesondere zum Auftrag schweißen geeignet ist.

Neben diesem Stand der Technik beim Lichtbogenschweißen, insbesondere dem Unterpulverschweißen, ist es darüber hinaus bekannt, daß zur Herstellung von rotationssymmetrischen Großbauteilen, wie z.B. Wellen oder Großbehältern, Schmiedewerkstücke verwendet werden. Die Größe dieser Werkstücke ist durch die Kapazität der Schmiede begrenzt, übersteigt die Größe des Bauteils die Kapazität der Schmiede, so kann dieses Bauteil z.B. durch formgebendes Auftragschweißen hergestellt werden. Dabei wird durch Auftragschweißen auf einen Grundkörper die endgültige Bauteilform erzielt. Es hat sich gezeigt, daß mit den bisher bekanntgewordenen Verfahren und Einrichtungen zum Lichtbogenschweißen diese Auftragschweißungen weder wirtschaftlich noch mit ausreichender Qualität hergestellt werden können.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile zu vermeiden, und insbesondere ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die es einerseits erlaubt die genannten Aufschweißungen sowie die beschriebene Herstellung von Groß-Bauteilen wirtschaftlich unter Erzielung der geforderten Qualität vorzunehmen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß bei einem Verfahren zum Lichtbogenschweißen der eingangs genannten Artjdie Elektroden einzeln oder gruppenweise in verschiedenen Schmelzbädern abgeschmolzen werden, und daß alle Elektroden derart elektrisch zusammengeschaltet werden, daß ein vom Werkstück abzuführender Massestrom gering, vorzugsweise nahezu null ist.Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich geworden, die obengenannten Rotationskörper

durch formgebendes Schweißen

herzustellen, wobei unter formgebendem Schweißen ein Schweißen verstanden wird, bei dem auf einen Grundkörper solange Material aufgebracht wird, bis die gewünschte Form entsteht,so daß im Gegensatz zum Auftrag schweißen nicht ein bereits in seiner Form und in seinen Abmessungen nahezu fertiges Bauteil mit einem Überzug versehen wird, sondern durch das formgebende Schweißen die Form und Abmessungen des Bauteiles hergestellt werden. Dabei können zur Herstellung von beliebigen Formen die gemäß der Erfindung vorgesehenen Einzel- oder Gruppenelektroden an den gewünschten Stellen über einen Grundkörper positioniert und dort in Schmelzbädern geschmolzen werden. Durch die elektrische Zusammenschaltung aller Elektroden derart,

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daß ein vom Werkstück abzuführender Massestrom gering, vorzugsweise nahezu null ist, wird das Schweißen mit vielen Drähten an einem sich drehenden Werkstück in einfacher Art und Weise möglich, da die Abführung von hohen Schweißströmen an drehenden Teilen,wie beispielsweise den eingangs genannten Wellen sehr einfach möglich ist. Hinzu kommt, daß auch der Querschnitt des Massekabels wesentlich verringert werden kann, da ein geringer Massestrom abzuführen ist. Darüber hinaus wird durch den geringe Massestrom der induktive Widerstand der gesamten Einrichtung sehr klein gehalten, so daß vorteilhaft die volle Leistung der verwendeten Stromquellen genutzt werden kann. Darüber hinaus wird ferner durch eine Zusammenschaltung der Elektroden, wobei sich ein geringer Massestrom einstellt, eine symmetrische oder nahezu symmetrische Netzbelastung erreicht, so daß durch die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Lehre hierdurch ein weiterer Vorteil erzielt wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann vorteilhaft mit Gleichstrom vorgenommen werden. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch bei Schweissungen,die mit Wechselstrom erfolgen. Hierzu wird in vorteilhafter Weiterbildung vorgeschlagen, daß die Wechselstrom-schweißungen mit handelsüblichen Schweißtransformatoren, welche direkt und/oder in Scott-Schaltung an getrennte Phasen eines Wechselstromnetzes angeschlossen sind, erfolgen.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß sich die über die Einzel- oder Gruppenelektroden zugeführten Ströme innerhalb des Werkstückes aufheben bzw. nahezu aufnehmen, so daß der Massestrom einen sehr kleinen Wert aufweist, vorzugsweise einen Wert der gegen null geht. Damit wird es möglich, mit beliebig vielen und mit

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sehr hohen Schweißströmen arbeitende Elektrodenanordnungen einzusetzen, so daß es damit beispielsweise möglich wird, an einem Bauteil mit 20,40 oder mehr Elektroden in entsprechei der Einzel- oder Gruppenanordnung,bei einem Schweißstrom vonVTOOO Amp/Einzelelektrode schweißen zu lassen. Der sich dann einstellende Massestrom liegt nicht in der Größen-

z.B.20 oder
Ordnung vonMO χ 1000 Amp, sondern in der Größenordnung von wenigen 100 Amp., die sich dann mühelos über eine Drehkupplung von dem sich drehenden Bauteil abnehmen lassen. Daß der Massestrom nicht vollständig zu null wird, ist auf geringfügige Abweichungen bei der Stromeinstellung für die Einzelelektroden, sowie auf geringfügige Phasenverschiebungen zurückzuführen.

Neben dem beschriebenen formgebenden Schweißen ist die Erfindung selbstverständlich auch zum bekannten Verbindungsnahtschweißen sowie Auftragsschweißen einsetzbar·

In der nachfolgenden Beschreibung wird anhand einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung die Erfindung näher erläutert.

Es veranschaulicht
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Fig.1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;

Fig.2 - 10

verschiedene Stromvektor-Diagramme.

In Fig.1 ist ein Werkstück mit 10 bezeichnet. Das Werkstück 10 ist als Welle ausgebildet, welche in den Lagern 11 und 12 gehalten und mittels eines schematisch darge-

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stellten Motors 13 um die Achse 14 drehbar ist. Dem Werkstück sind vier Elektrodengruppen 15, 16, 17, 18 zugeordnet, wobei die Elektrodengruppe 15 zwei Elektroden 20, 21, die Elektrodengruppe 16 drei Elektroden 22, 23, 24, die Elektrodengruppe 17 eine Elektrode 25 und die Elektrodengruppe 18 zwei Elektroden 26, 27 aufweist. Jede der Elektrodengruppe 15 bis 18 ist einem Schmelzbad 28 bzw. 29 bzw. 30 bzw. 31 zugeordnet, in welchem die jeweiligen Elektroden der Elektrodengruppe abschmelzen. Jede Elektrodengruppe 15 bis 18 ist Bestandteil einer an sich bekannten Unterpulverschweißeinrichtung, wobei lediglich aus Übersichtsgründen die notwendigen Vorschubgetriebe für die Elektroden, sowie die Schweißpulveraufschüttung pro Schmelzbad nicht dargestellt worden ist. Gemäß der Erfindung sind die Elektrodengruppen 15 bis 18 mit Schweißstromwellen 32 bis 39 elektrisch verbunden, wobei die Anschlüsse der als Schweißtransformatoren ausgebildeten Schweißstromquellen 32 bis 39 primär-und sekundärseitig so gewählt worden sind, daß der vom Werkstück 10 abzunehmende Massestrom gering, vorzugsweise nahezu null ist. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß die Elektroden 20 bis 27 im wesentlichen mit der gleichen Schweißstromstärke beispielsweise 1000 Amp. betrieben werden und die Schweißtransformatoren 32 bis 39 in der in Fig.1 dargestellten Anordnung zusammengeschaltet sind.

Dabei sind die Transformatoren 32, 33 und 38, 39 primärseitig in Scott-Schaltung zusammengeschaltet. Die Transformatoren 34 und 36 primärseitig an die Phase R-S und die Transformatoren 35 und 37 an die Phasen R und T. Sekundärseitig sind die Transformatoren 32, 34, 35 und mit ihrem Anschluß a mit der Elektrode und mit ihrem Anschluß b mit der Masse 40 verbunden. Bei den Transformatoren 33, 36, 37 und 38 ist es umgekehrt. Dabei sind die Anschlüsse a mit der Masse und die Anschlüsse b mit der Elektrode verbunden. Bei einer derartigen Anschlußweise

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der Elektroden an die getrennten Phasen R-S-T und einer gleichen Stromstärke pro Elektrode ergibt sich ein Stromviktordiagramm, wie es in Fig.2 dargestellt ist. Aus diesem ergibt sich, daß der über die Masseleitung 40 und eine entsprechende Drehkupplung 41 abzuführende Massestrom null ist. In der Fig.2 sind ferner die Phasenverschiebungswinkel zwischen den einzelnen Strömen eingezeichnet. Mit einer Einrichtung gemäß Fig.1 wird es vorteilhaft möglich, bei dem sich drehenden Werkstück und stationär angeordneten Elektrodengruppen 15 bis 18 ein Bauteil durch formgebendes Schweißen herzustellen, wobei die Endform des Bauteiles gestrichelt dargestellt ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig.1 sind die Elektroden an eine Wechselstromversorgung angeschlossen. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Elektroden mit Gleichstrom zu versorgen. Hierbei müßten dann die unterschiedlichen Elektroden so an den Plus- bzw. Minuspol der Gleichstrom-Schweißstromquelle angeschlossen werden, daß sich ein Vektordiagramm entsprechend Fig.3 ergibt.

Das Vektordiagramm gemäß Fig.3 ergibt sich auch dann, wenn Elektrodengruppen verwendet werden, die jeweils zwei Elektroden aufweisen, die an um 180° versetzte Phasen eines Wechselstromnetzes angeschlossen sind. Bei der Verwendung von Elektrodengruppen, die jeweils drei Elektroden aufweisen, ergibt sich ein Stromvektordiagramm, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wenn die Elektroden an getrennte Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossen sind, wobei die Phasenverschiebung 120° ist.

Ein Schweißen mit Elektrodengruppen mit jeweils vier Drähten kann je nach Giöße und Anschlußart an ein Mehrphaserwechselstromnetz zu einem Stromvektordiagramm entsprechend Fig. 5 (90° Phasenverschiebung) bzw. Fi^. 6 ( "'hasenverschie-

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r/T-

bung 60 bzw. 120°)führen.

Bei Anordnungen mit sechs Elektroden können Stromvektordiagramme entsprechend Fig.7, 8 und 9 durch unterschiedliehen Anschluß der verschiedenen Transformatorwicklungen erreicht werden. Die Phasenverschiebungen sind jeweils unterschiedlich und betragen im Falle der Fig.7 60°, bei Fig.8 30, 60, 90° und bei Fig.9 30° 120°.

Bei Anordnungen mit zwölf Elektroden ist es am zweckmäßigsten,die Transformatoren derart zusammenzuschalten, daß ein gleichmäßiger Phasenwinkel von 30° erreicht wird, wie es in Fig.10 dargestellt ist.

Bei all den dargestellten Stromvektordiagrammen ist die Stromstärke gleichgroß, so daß sich im Idealfalle die Masseströme aufheben. Bei praktischer Anwendung und den damit nicht zu vermeidenden geringfügig unterschiedlichen Stromstärken ergibt sich eine Massestrom, der sehr gering ist und als Summenmassestrom in einfachster Art und Weise vom Werkstück abgeführt werden kann. Durch die Erfindung ist es möglich geworden, beispielsweise gleichzeitig

40 Elektroden mit jeweiligen Schweißströmen von z.B. 1000 Amp./Elektrode gleichzeitig in verschiedenen Schmelzbädern abzuschmelzen, wobei in wirtschaftlichster Weise und unter Erzielung der erforderlichen Qualitäts-und Gütewerte ein formgebendes Schweißen unter Verwendung von handelsüblichen Schweißstromquellen ermöglicht wird. Neben dem Formschweißen kann die Erfindung selbstverständlieh auch zum Verbindungsschweißen vorteilhaft eingesetzt werden, beispielsweise beim Verbindungsschweißen an Behältern, bei dem dann mehrere Elektroden in verschiedenen Schmelzbädern neben- und/oder hintereinander zur

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Bildung der Verbindungsschweißnaht abschmelzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit drahtförmigen und auch mit Bandelektroden ausführbar. Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, mehrere Elektrodengruppen, deren Massestrom null ist, einem Werkstück zuzuordnen, so daß sich erfindungsgemäß wiederum ein Summenmassenstrom einstellt, der im Rahmen der schweißtechnischen Möglichkeiten gering und leicht beherrschbar ist.

Neben dem im beschriebenen Ausführungsbeispiel beschriebenen formgebenden Schweißen von Rotationskörpern können selbstverständlich auch andere Großbauteile, wie beispielsweise Großbehälter, entsprechend hergestellt werden.

Ffm., 02.08.1979 Be/Hi

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Zusammenfassung

Beim Lichtbogenschweißen insbesondere Unterpulverschweissen wird mit hohen Schweißströmen gearbeitet und mehrere Elektroden (20 - 27) an einem Werkstück (10) abgeschmolzen.

Um ein wirtschaftliches und die erforderlichen Gütewerte aufweisendes formgebendes Schweißen von Bauteilen, insbesondere Großbauteilen, wie Turbinenwellen, Reaktordruckgefäße sowie ein Verbindungsschweißen mit großen Abschmelzleistungen zu erreichen, werden dabei die Elektroden (20 - 27) einzeln (Elektrode 25) oder gruppenweise (Elektrode 20, 21 bzw. 22, 23, 24 bzw. 26, 27) in verschiedenen Schmelzbädern (28, 31) abgeschmolzen und alle Elektroden (20 - 27) derart elektrisch zusammengeschaltet daß ein vom Werkstück (10) abzuführender (Leitung 40) Massestrom gering, vorzugsweise nahezu null,ist.

Ffm., 02.08.1979
Be/Hi

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Leerseite

Claims (6)

Patentansprüche

1.JVerfahren zum Lichtbogenschweißen, insbesondere Unterpulverschweißen, bei dem mit hohen Schweißströmen gearbeitet und mehrere Elektroden gleichzeitig an einem Werkstück abgeschmolzen werden,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Elektroden einzeln oder gruppenweise in verschiedenen Schmelzbädern abgeschmolzen werden und daß alle Elektroden derart elektrisch zusammengeschaltet werden, daß ein vom Werkstück abzuführender Massestrom gering, vorzugsweise nahezu null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schweißung mit Gleichstrom vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schweißung mit Wechselstrom erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Wechselstromschweißung mit handelsüblichen Schweißtransformatoren, welche direkt und/oder in Scott-Schaltung an getrennte Phasen eines Wechselstromnetzes angeschlossen sind, erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4,

gekennzeichnet durch verschiedenen Schmelzbädern (28 - 31) eines Werkstückes (10) zugeordnete Elektrodenanordnungen (15 - 18), die mit Schweißstromquellen (32 - 39) in elektrischer Verbindung stehen, deren Primär- und Sekundärseite so an die Ρϊιε -,en eines

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Wechselstromversorgungsnetzes (R-S-T) bzw. die Elektroden (20 - 27) und das Werkstück (10) angeschlossen sind, daß der vom Werkstück (10) abnehmbare Massestrom gering, vorzugsweise nahezu null ist. 5

6. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch die Verwendung zum formgebenden Schweißen von Bauteilen, insbesondere rotationssymmetri-

schen Bauteilen. 10

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