DE3026234C2

DE3026234C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Auftragschweißen von variabel legierbaren Schichten

Info

Publication number: DE3026234C2
Application number: DE3026234A
Authority: DE
Inventors: Sergei Vladimirovi&ccaron; Gulakov; Leonid Kimovi&ccaron; Leschinsky; Boris Ivanovi&ccaron; Nosovsky; Anatoly Efimovi&ccaron; Schdanow Donezkoi oblast Rudnev; Ksenofont Ksenofontovi&ccaron; Stepnov
Original assignee: ZDANOVSKIJ METALLURGICESKIJ INSTITUT ZDANOV DONECKAJA OBLAST' SU
Current assignee: ZDANOVSKIJ METALLURGICESKIJ INSTITUT ZDANOV DONECKAJA OBLAST' SU
Priority date: 1979-07-10
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1984-03-01
Also published as: US4346280A; IT8023323A0; GB2054433B; SE8005057L; GB2054433A; IT1131927B; DE3026234A1; FR2460740B1; FR2460740A1; SE441338B

Description

a)

b)

die in das Schweißbad eingebrachte Menge (C\) bei Erhöhung des Legierungsgrades soweit wie möglich über und bei Verringerung des Legierungsgrades unter der geforderten Menge (C₃) der Legierungsbestandteile in der Schweißlage eingestellt wird,

diese geänderte Menge während einer Zeitspanne konstant gehalten wird, die nach folgender "ormel bestimmt wird:

vA

wobei

c)

V das Volumen des Schweißbades,
ν die Auftragsschweißgeschwindigkeit,
A die Querschnittsfläche der Schweißlage,
Q die 'n das Schweißbad eingebrachte Menge an Legierungsbestandteilen, weiche im Verzleich zur Vorder· in verändert wurde,

C₃ die anfängliche Menge ds^ in das Schweißbad eingebrachten Legierungsbestandteile, weiche zu verändern ist und
Cs die geforderte Menge der Legierungsbestandteile in der Schweißlage sind,

nach Ablauf dieser Zeitspanne die Menge der Legierungsbestandteile auf die geforderte Menge verändert wird.

2. Vorrichtung zum Auftragsschweißen von variabel legierbaren Schichten, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 die Stellglieder (9) für die Zugabe von Elektroden- und Zusatzmaterial und einen mit ihnen gekoppelten Steuerblock (8) enthält, wobei dieser wiederum von einem Block (I) zur Regelung der Aufiragsschweißbedingungen über eine mit e^;ner Vergleichseinrichtung (3) verbundene Programmeinrichtung (2) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie

— ein summieraenaes LJittei enzierglied (4),

— einen Spannungsbegrenzer (5).

— einen Umschalter(6) und

— ein das Schweißbad in Form eines elektronischen Modelis darstellendes aperiodisches Glied (7) enthält,

wobei

— das summierende Differenzierglied (4) an den Ausgang der Programmeinrichtung (2) und an den Spannungsbegrenzer (5) angeschlossen,

— der Ausgang des Spannungsbegrenzers (5) über den von der Vergleichseinrichtung (3) gesteuerten Umschalter (6) mit Vm aperiodischen Glied (7) und der Steuervorric. ang (8) des Stellglieds (9) verbunden.

der Ausgang des aperioschen Gliedes (7) mit der Vergleichseinrichtung (3) verbunden ist und die beiden anderen Eingänge des Umschalters mit dem Block (1) zur Regelung der Auftragsschweißbedingungen verbunden sind.

ίο Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schweißtechnik und bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragsschweißen von variabel legierbaren Schichten, bei welchem mindestens zwei Legierungsmaterialien in ein Schweißbad gegeben werden und ihr gegenseitiges Verhältnis geändert wird.

Beim Aufschweißen einer variabel legierten Schicht beeinflußt das Volumen des Schweißbades die Große der Obergangszone zwischen den Abschnitten unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese Zone ist relativ breit was es unmöglich macht, eine aufgeschweißte Metallschicht mit genau abgegrenzten Abschnitten unterschiedlicher Zusammensetzung zu erhalten, welche, was verständlich ist, unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Mit anderen Worten, die bedeutende Breite der Obergangszone macht es unmöglich, eine aufgeschweißte Schicht mit ausreichend guten Eigenschaften zu erhalten.

Es ist ein Auftragsschweißverfahren für variabel legierbare Metalle bekannt (Sammelband »Teoretitscheskije i technologitscheskije osnowy naplawki. Nowyje prozessy mechanisirowarinoj naplawki«. Unter Redaktion von 1.1. Frumin, Kiew. Verlag des Institutes für Schweißtechnik »E. O. Paton« der Akademie der Wissenschaften der Ukrainischen SSR, 5977, Seiten 102 — 108), in dem vorgeschlagen wird, die Übergangszone durch Veränderung der in das Schweißbad eingebrachten Legierungsbestandieümengen im Vergleich zu den für die einzelnen Abscimitte erforderlichen Mengen zu verkleinern. Dabei wird die Menge der eingebrachten Bestandteile um einen Betrag verändert, der der ersten Ableitung der geforderten, die Veränderung der Menge der Legierungselemente in der Auftragsschweißschicht angebenden Funktion proportional ist.

Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Auftragsschweißen von variabel legierbaren Schichten bekannt (»Awtomatitscheskaja swarka«. 1978. Nr. 3, Seite ">9-60). welche es ermöglicht, während des Auftragsschweißens die Zugabegeschwindigkeiten von Eiektro- djn- und Zusatzmaterial zu ändern. Diese Vorrichtung enthält Stellglieder für die Zugabe von Elektroden- und Zusatzmaterial, welche mit einem Steuerblock verDunden sind, der wiederum von dem Block zur Regelung der Auftragsschweibbedingungen über eine mit einer Vergleichseinrichtung verbundene Programmeinrichtung gesteuert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorricbiung zum AtiStragsschweißen von variabel legierbaren Schichten zu schaffen, weiche es durch Gewährleistung einer entsprechenden Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Schweißlage jn relativ kurzer Zeit ermöglichen, die Breite der Übergangszone zu verringern und die Qualität der Schweißlage entsprechend zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Übergang von einer zu einer anderen Legierungszusammensetzung

a) die in das Schweißbad eingebrachte Menge G bei Erhöhung des Legierungsgrades soweit wie möglich über und bei Verringerung des Legierungsgrades unter der geforderten Menge Cj der Legierungsbestandteil in der Schweißlage eingestellt wird,

b) diese geänderte Menge während einer Zeitspanne konstant gehalten wird, die nach folgender Formel bestimmt wird:

wobei

y das Volumen des Schweißbz^es,
ν die Auftragsschweißgesc=- Bindigkeit
A die Querschnittsfläiv. e der Schweißiage,
G die in das SchweißbaJ · ingebrachte Menge an Legierungsbestandteiien, welche im Vergleich zur geforderten verändert wurde,
Ci die anfängliche Menge der in das Schweißbad eingebrachten Legierungsbestandteile, welche zu verändern ist und

Cz die geforderte Menge der Legierungsbestandteile in der Schweißiage sind,

c) nach Ablauf dieser Zeitspanne die Menge der Legierungsbestandteile auf die geforderte Menge verändert wird.

Zweckmäßige Bereiche der in das Schweißbad eingebrachten Menge im Vergleich zur geforderten Menge auf den Abschnitten der Schweißiage sind dabei 0,01 bis 20% bei Verringerung des Legierungsgrades und 0,Oi bis 100% bei Erhöhung des Legierungsgrades.

Dieses Verfahren erlaubt es, eine Schweißlage mit minimalen Unterschieden zwischen dem geforderten und dem erreichten Charakter der Änderung der chemischen Zusammensetzung bzw. der Eigenschaften zu erhalten, was durch die Verkleinerung der Übergangszone möglich wurde.

Elemente wie Kohlenstoff können schon bei geringfügiger Veränderung ihres Gehaltes im Schweißgut dessen Eigenschaften stark ändern.

Dadurch wurde die Wahl der untersten Grenze des Gehaltes an Legierungsbestandteilen des Elektrodenbzw, des Zusatzmaterials bedingt, welche gleich 0.01% ist.

Andere Legierungszusätze, wie Chrom oder Nickel, verändern die Eigenschaften des Schweißgutes dann, wenn ihr Anteil beträchtlich ist. Deshalb wurden obere Grenzen des Gehaltes an Legierungszusätzen von 20% bei der Verringeruni: und von 100% bei der Erhöhung des Legierungsgrades gewählt. Dabei wird bei Erhöhung des Legierungsgrades die effektivste Verringerung der Breite der Übergangszone erreicht, wenn eine Elektrode 100% des Legierungszusatzes enthält. Dasseibe gift mit 0,01% bei der Verringerung des Legierungsgrades.

Wenn der Chrakter der Veränderung der chemischen Zusammensetzung nicht sprungartig sein soll, wird die Kurve der Zusammensetzungsänderung in mehrere Abschnitte geteilt, flir die die Zusammensetzungsänderung sprungartig von einem Betrag zum anderen erfolgt Dabei wird die Anzahl der entsprechenden Abschnitte in Abhängigkeit von der Kurvenform und der notwendigen Genauigkeit der Übereinstimmung der erreichten Zusammensetzung mit der geforderten bestimmt

Die Vorrichtung zum Auftragsschweißen von variabel legierbaren Schichten zur Durchführung des

-, Verfahrens, die Stellglieder für die Zugabe von Elektroden- und Zusatzmaterial und einen mit ihnen gekoppelten Steuerblock enthält wobei dieser wiederum von einem Block zur Regelung der Auftragsschweißbadingungen über eine mit einer Vergleichsein-

ii· richtung verbundene Programmeinrichtung gesteuert wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet daß sie

— ein summierendes Differenzierglied 4,
r, — einen Spannungsbegrenzer 5,

— einen Umschalter 6 und

— ein das Schweißbad in Form eines elektronischen Modells darstellendes aperiodisches Glied 7 enthält

wobei

— das summierende Differenzierglied 4 an den Ausgang der Programmeinrichtung 2 und an den Spannungsbegrenzer 5 angeschlossen,

— der Ausgang des Spannungsbegrenzers 5 über den 2", von der Vergleichseinrichtung 3 gesteuerten Umschalter 6 mit dem aperiodischen Glied 7 und der Steuervorrichtung 8 des Stellglieds 9 verbunden,

— der Ausgang des aperiodischen Gliedes 7 mit der so Vergleichseinrichtung 3 verbunden ist und die beiden anderen Eingänge des Umschalters mit dem Block 1 zur Regeiung der Auftragsschweißbedingungen verbunden sind.

Eine solche Ausführung der Vorrichtung zum Auftragsschweißen einer variabel legierbaren Schicht ermöglicht durch Einführung des aperiodischen Gliedes, welches ein elektronisches Modell des Schweißbads darstellt jene Bedingungen zu berücksichtigen, welche

die Größe der Übergangszone bestimmen, und folglich die Menge der Legierungsbestandteile in einem solchen

Bereich zu regeln, daß die Größe der Übergangszone verringert wird.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung ι anhand der Zeichnung ausführlich erklärt

In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Veränderung des Gehaltes der Legierungsbestandteile in der Schweißiage,

Fig.2 einen Wirkschaitpian der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 ein elektrisches Prinzipschaltbild der erfindungsgerr.äßen Vorrichtung.
In F i g. 1 ist auf der Abszissenachse die Zeit t und auf der Ordinaienachse üer Gehalt C der LegierungsDtstandteile in % abgetragen. Durch die Kurven I und II ist der Charakter der Veränderung des Gehaltes der Legierungsbestandteil in der Schweißlage bei sprungariiger Veränderung des Legierungsgrades entsprechend von C₂ auf C₃ und von C₂ auf G gezeigt Die dicker gezeichnete Kurve HI zeigt den Charakter der Veränderung des Gehaltes der Legierungüäestandteile in der Schweißlage bei Erhöhung des Legierungsgrades während der Zeitspanne t über den geforderten Legierungsgrad hinaus auf G. nach deren Ablauf die in das Schweißbad eingeführte Menge der Legierungselemente bis auf Ci vermindert wurde.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah-

rens wird durch folgendes Beispiel verdeutlicht.
Beispiel

Das Auftragschweißen der nötigen Schicht erfolgt mit zwei; chemisch unterschiedlich zusammengesetzten Elektroden- Die Elektrode I besteht aus kohlenstoffarmem unlegierten Stahl, die Elektrode II aus kohlenstoffarmem hochlegiertert Stahl mit einem Gehalt von 25% Or und I3^d/O Ni. Durch Änderung des Verhältnisses der Zugabegeschwindigkeiten der Elektroden (die Geschwindigkeitssumme blieb dabei unverändert) wurde in der Schweißlage der Chromgehalt von 0 auf 25% und der Nickelgehalt von 0 auf 13% geändert.

Angenommen, während des Auftragsschweißvorganges soll der Chromgehalt der Schweißlag _ sprunghaft von 0 auf 10% geändert werden. Wenn im geforderten Moment das Zugabegeschwindigkeitsverhältnis der

Elektroden — von 1 bis OA geändert wird, so ändert "11

sich der Chromgehalt der Schicht im Laufe von ungefähr 6 s von 0 auf 9.5%. Die Breite der Obergangszone beträgt bei v=lcm/s, V= 3 cm³. A = \J5 cm² und bei einer Veränderung des Chromgehaltes von 0 auf 93% im Laufe von 9 s 9 cm.

Zur Beschleunigung des Übergangsvorganges werden in der Zeiteinheit in das Schweißbad nicht 60% des Materials der Elektrode I und 40% des Materials der Elektrode II. sondern 0% des Materials der Elektrode I und 100% des Materials der Elektrode II solange zugegeben, bis der Chromgehalt der Schweißlage 10% erreicht hat Danach wird das Zugabegeschwindigkeitsverhältnis der Elektroden bis auf das geforderte, d. h. bis

auf — = 0,6, verändert.

Die Zeit während der die Legierung mit extremem (maximalem oder minimalem) Einsatz der Legierungsbestandteil erfolgte, bzw. die Zeit des Obergangsvorganges war gleich

25-0
25-10

Is

45

V das Volumen des Schweißbades.

ν die Auftragsschweißgeschwindigkeit.

A die Querschnittsfläche der Schweißlage.

Ci die in das Schweißbad eingebrachte Menge an Legierungsbestandteilen, weiche im Vergleich zur geforderten Menge verändert wurde,

Ci die anfängliche Menge der in das Schweißbad eingebrachten Legierungsbestandteile, welche zu

ve-ändernistund
Ci die geforderte Menge der Legierungsbestandteile in der Schweißlage sind.

Dabei hatte die Obergangszone eine Breite von 1 cm.

Dieses Beispiel zeigt, daß eine Erhöhung des Legierungsgrades auf nur das 23fache des geforderten Legierangsgrades während der Zeit t=\ s die Breite der Obergangszone auf ein Sechstel bis auf ein Neuntel verringert.

Es ist augenscheinlich, daß eine Erhöhung des Legierungsgrades über den Maximalwert hinaus, im gegebenen Falle also auf mehr als das 2^fache, bei unveränderter Summe der Massendurchsätze der Elektroden unmöglich ist Mi anderen Worten, die Legienmgszeit bei extremem Eiüsatz der Legierungsbestandteile wird vom Volumen des Schweißbades, von der Querschnittsfläche der Schv/eißlage, der Auftrags* schweißgeschwindigkeit, von dem Maximalgehalt des geforderten Legierungszusatzes im Elektroden- und Zusatzmaterial sowie vom geforderten Veränderungsbereich der Menge dieses Legierungszusatzes in der Schweißlage bestimmt

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist als Blockschema in F ί g 2 gezeigt Sie enthält einen Block f zur Regelung der Auftrags-Schweißbedingungen, welcher die Summe der Massendurchsätze der Legierungsbestandteile bei der Zugabe in das Schweißbad bestimmt und im gegebenen Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung als regelbarer Spannungsteiler (Fig. 3) ausgeführt ist. Außerdem enthält die Vorrichtung eine Programmeinrichtung 2, die mit einem Ausgang de- Blocks 1 verbunden ist.

Die Programmeinrichtung 2 kann auf der Grundlage von Foto-, induktiven und anderen Umformern ausgefir -in. An den Ausgang der Programmeinrichtung 2 sind eine Vergleichseinrichtung 3 und ein summierendes Differenzierglied 4 angeschlossen. Der Ausgang des Bauteils 4 ist mit Eingängen eines regelbaren Spannungsbegrenzers 5 verbunden, welcher durch da* vom Ausgang des Blocks 1 eintreffende Signal gesteuert --«ird Der Ausgang des Spannungsbegrenzers 5 ist über einen Umschalter 6 mit Eingängen eines Blocks 7 verbunden, welcner ein aperiodisches Glied darstellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält außerdem eine Steuervorrichtung 8 zur Steuerung eines Stellglieds 9. Der Block 7 ist ebenfalls mit der Vergleichseinrichtung ^ gekoppelt Die Blöcke 3, 4, 5 und 7 sind im gegebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung auf der Grundlage von Operationsverstärkern (F i g. 3) ausgeführt Die Vorrichtung 8 kann durch Thyristor-, Transistor-, Magnetverstärkerschaltungen u.a. ausgeführt werden. Als Stellglied dient eine entsprechende Anzahl Elektromotoren in Abhängigkeit von der Elektrodenzahl oder der Bauart des Stellglieds.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen.

Wenn von der Programmeinrichtung 2 ein Signal U t auf den Eingang des summierenden Differenziergliedes 4 gegeben wird, so entsteht am Ausgang des Bauteils 4 ein Signal Lf 2 (s. F i g. 2,3). Die Extremwerte des Signals U1 sind den durch den Block 1 bestimmten Auftragsschweißbedingungen proportional. Gleichzeitig wird das Signal U1 auf die Vergleichseinrichtung 3 gegeben. Vom Ausgang des Bauteils 4 gelangt das Signal ü 2 auf den Eingang des regelbaren Spannungsbegrenzers 5, der das Signal U 2 auf einen Betrag begrenzt welcher den durch den Block 1 vorgegebenen Schweißbedingungen proportional ist Ein Signal U3 am Ausgang des Spannungsbegrenzers 5 ist dem Signal i/2 nur bis zum Beginn der Begrenzung gleich. Bei weiterer Änderung des Signals i/2 behalt i/3 seinen Extremwert bei. Weiter gelangt das Signal i/3 auf das aperiodische Glied 7, welches das Schweißbad in Form eines elektronischen Modells darstellt ·

Vom Ausgang des Bauteils 7 gelangt ein Signal t/4 auf den zweiten Eingang der Vergleichseinrichtung 3. Bis zum Moment des Eintretens der Begrenzung des Signals i/2 sind die auf die Eingänge der Vergleichseinrichtung 3 gegebenen Signale Ui und U4 untereinander gleich und am Ausgang der Vergleichseinrichtung entsteht keinerlei Signal.

Wenn die im Bauteil 4 erhaltene und dem geförderten Legierungsgrad proportionale Summe i/2 des differen-

zierten Signals und des Programmsignals die realen Möglichkeiten der Zugabevorrichtung der Legierungsbestandteile und die höchstmögliche Menge der in das Schweißbad zu gebenden Legierungsbestandteile übersteigt, wird das Signal (J 2 im Spannungsbegrenzer 5 beschränkt

In die^m Falle unterscheidet sich das Signal t/4 vom Signal U1 und'am Ausgang der Vergleichseinrichtung 3 entsteht ein Signal i/5, dessen Polarität gleich dem Vorzeichen der Differenz der Signale U ί und i/4 ist.

Das Signal t/5 steuert den Umschalter 6, der den Eingang des Bauteils 7 vom Ausgang des Spannungsbegrenzers 5 abschaltet und mit dem Block 1 verbinde'-

Von den Ausgängen des Blocks 1 werden in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Signals U 5 Signale i/6 und U 7 auf die Eingänge des Bauteils 7 und der

Steuervorrichtung 8 gegeben. Die Beträge der Signale i/6 und i/7 sind gleich den Signalen, die zur Gewährleistung der extremen Zugabegeschwindigkeitswerte der Legierungsmaterialien (z. B, der maximalen oder minimalen Rotationsgeschwindigkeit der Motoren für die Elektrodenzugabe) notwendig sind. Die Zugabezeit der Legierungsbestandteile in das Schweißbad bei extremen Zugabegeschwindigkeiten wird durch die Dauer der Verbindung der Quelle der Signale t/6 und U7 mit dem Bauteil 7 bestimmt. Die Zugabe unter den genannten Bedingungen wird unterbrochen, sobald der tatsächliche und der geforderte Legierungsgrad übereinstimmen. Dabei wird der Eingang des Bauteils 7 wieder mit dem Ausgang des Spannungsbegrenzers 5 verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Auftragsschweißen von variabel legierbaren Schichten, bei welchem mindestens zwei Legierungsmaterialien in ein Schweißbad gegeben werden und ihr gegenseitiges Verhältnis geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von einer zu einer anderen Legierungszusammensetzung