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Schweißverfahren mit mindestens einer abschmelzenden
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Schweißelektrode und Vorrichtung zur Dur.chf~uhrung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren mit mindestens einer abschmelzenden
Schweißelektrode, bei dem während des Schweißvorgangs im wesentlichen metallische
Zuschlagstoffe in zerkleinerter Form, insbesondere als Netallsand, an die durch
den Schweißstrom magnetisierte Schweißelektrode angelagert und dtm Schweißbad zugeführt
werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit
einer Zuführeinrichtung für die Schweißelektrode, einer diese umschließenden Kupferdüse,
an welcher die Schweißspannung anliegt, und einer Dosiereinrichtung für die Aufgabe
der Zuschlagstoffe ausgestattet.
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Ein Schweißverfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung
der eingangs genannten Gattung sind bereits - für den Fall des Unterpulver-Schweißens
- aus der DE-PS 23 04 753 bekannt.
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Bei dem Verfahren werden metallische Zuschlagstoffe iTl Form von
Metallsand oberhalb der das Schweißbad abdekkennen Schlackeschicht auf die Vorderseite
der Schweißelektrode aufgegeben, mit dieser durch die Schlackeschicht durchgetrieben
und dem Schweißbad zugeführt.
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Die Vorrichtung zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens besteht
im wesentlichen aus einer Schweißelekt:roden-Zuführeinrichtung, einem Zuschlagstoff-Vorratsgefäß
und einer Dosiereinrichtung für die Aufgabe der Zuschlagstoffe; letztere ist als
Walze mit Dosierbohrungen ausgebildet, die unterhalb der Austrittsöffnung des Zuschlagstoff-Vorratsgefäßes
und oberhalb eines mit einem Zugaberohr verbundenen Trichters angeordnet ist, wobei
das Zugaberohr der Vorderseite der Schweißelektrode gegenüberliegt. Für die Aufgabe
des Schlackepulvers ist zusätzlich ein mit einem Zuführungsrohr versehener Schlackepulver-Vorratsbehälter
vorgesehen.
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Die in der Patentschrift enthaltenen Lösungsvors-chlrge ermöglichen
durch verhältnismäßig gute Zuführung der Zuschlagstoffe in den Lichtbogen zwar eine
Senkung des Verhältnisses ~schweecrah'#t /Zusatzwerkstoff" und tragen somit zu einer
höheren Wirtschaftlichkeit des Unterpulver-Schweißverfahrens bei. Das genannte Verhältnis
liegt bei einem älteren tösungsvorschlag (US-PS 28 10 063)' noch zwischen 2,1 und
3,8; es wird also mehr als die doppelte Menge Schweißdraht benötigt, um 1 kg Zusatzwerkstoff
zu erschmelzen. Die magnetische Zuführung von im wesentlichen metallischen Zuschlagstoffen
in zerkleinerter Form erfolgt dabei derart, daß die Zuschlagstoffe oberhalb der
Schlackeschicht konzentrisch um die magnetisierte Schweißelektrode angelagert werden.
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Der Nachteil der mit der deutschen Patentschrift unterbreiteten Lösungsvorschläge
besteht darin, daß beim Verbindungsschweißen, insbesondere beim Herstellen von Schweißnähten
in tiefen Fugen, Teile der Zuschlagstoffe unter der Einwirkung magnetischer Felder
schon oberhalb des Lichtbogens auf die Flanken der Fuge gelangen und nicht oder
nur unvollständig am Schmelzvorgang teilnehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Gattung in der Weise weiter zu entwickeln, daß Schweißvorgänge
auch unter ungünstigen Verhältnissen, insbesondere in schwierigen Schweißlagen,
mit guter Wirtschaftlichkeit-ausgeführt werden können. Dabei soll möglichst auch
sichergestellt sein, daß der zum Einsatz gelangte Zusatzwerkstoff ohne wesentliche
Beeinträchtigung seiner Gütewerte vollständig ausgenutzt wird.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten
Gattung dadurch gelöst, daß die Zuschlagstoffe in einer dünnwandigen nachgiebigen
und leicht auflösbaren Umhüllung angeordnet sind und daß dieser Zuschlagstoff-Schlauch
der Schweißelektrode mit einer einstellbaren Geschwindigkeit kontinuierlich zugeführt
wird.
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Das Einschließen der Zuschlagstoffe in einer Umhüllung, welche sich
mit ihrem Inhalt infolge der beim Schweißvorgang vorhandenen magnetischen Kräfte
fest an die abschmelzende Elektrode anlegt, hat bei Einhaltung geeigneter Schweißdaten
das vollständige Aufschmelzen und Einbringen der Zuschlagstoffe in die Schweißnaht
zur Folge. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum Unterpulver-Schweißen
und zum Elektroschlacke-Schweif?en einsetzbar. Versuche mit geeigneten Schweißdaten
(Schweißstrom, Schweißspannung) haben erkennen lassen, daß in beiden Fällen eine
in etwa übereinstimmende Menge an Zuschlagstoffen und an Schweißdraht in die Schweißnaht
eingebracht werden kann und daß gegebenenfalls eine wesentliche Steigerung der Abschmelzleistung
möglich ist. Die Möglichkeit, erhebliche
Mengen an Zuschlagstoffen
in die Schweißnaht einzubringen, ist dadurch gegeben, daß die Zuschlagstoffe in
verhältnismäßig konzentrierter Form an. die hocherhitzte Schweißstelle gelangen.
Darüber hinaus beeinflußt ein hoher Anteil an Zuschlagstoffen den Einbrand im Grundmetall
und die Uberhitzung des Schweißgutes in einer für die mechanischen Eigenschaften
des Schweißerzeugnisses güntigen Weise.
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Die leicht auflösbare, d.h. leicht abschmelzbare bzw. abbrennbare
Umhüllung weist vorzugsweise eine Gewebestruktur auf und besteht insbesondere aus
Glasfasergewebe. Die Umhüllung kann vorteilhaft jedoch auch aus einem Folienschlauch
bestehen. Wesentlich für die Ausbildung der Umhüllung ist es ganz allgemein, daß
diese die Zuschlagstoffe möglichst vollständig dem Schweißbad zuführt, dabei aber
aus einem Material besteht, welches die Zuschlagstoffe im geeigneten Zeitpunkt freigibt
und die Gütewerte des insgesamt zugeführten Zusatzwerkstoffs (Zuschlagstoffe einschließlich
Schweißelektrode) nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.
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Der Vorschlag, einen Zuschlagstoff-Schlauch oder.Schweißschlauch mit
zerkleinerten Zuschlagstoffen beim Lichtbogenschweißen mit Zusatz von massivem Elektroden-Werkstoff
zu verwenden, ist bereits in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
P 29 18 441.6 beschrieben. Diese Voranmeldung vermittelt jedoch ausschließlich die
Lehre, die Umhüllung an der Schweißstelle zu deponieren.
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Aus der DE-PS 26'03 020 ist darüber hinaus ein Verfahren zum Elektroschlacke-Schweißen
von Stahlblech mittels zumindest eines Drahtelektrodenpaares und mit Zufuhr von
Zusatzmetall und Schweißpulver tun den Schweißspalt bekannt; dieses Verfahren kann
u.a. in der Weise#ausgeführt werden, daß das Zusatzmetall mittels dünnwandiger Röhrchen'die
das pulverförmige Zusatzmetall enthalten, dem Schlackebad kontinuierlich zugeführt
wird . Mit der in Rede stehenden Vorveröffentlichung wird jedoch nicht die Lehre
vermittelt, metallische Zuschlagstoffe in einem 2uscl1lagstorf-Schlauch, d.h. kontinuierlich
in einer nicht unterbrochenen Umhüllung, zuzuführen. Darüber hinaus ist nicht der
Gedanke offenbart, die die Zuschlag@toffe ent-
haltende Umhüllung
vor dem Eintritt einer SchweißelektrodeXan dieser anzulagern und auf diese Weise
dem Schweißbad zuzuführen. (# in die Schlackeschicht) Das erfindungsgemäße Verfahren
kann insbesondere dadurch ausgestaltet sein, daß es zusätzlich die Merkmale des
Anspruc 2 und/oder des.Anspruchs 3 aufweist.
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Das Verfahren kann danach vorteilhaft in der Weise ausgeführt werden,
daß mehrere hinter-. oder nebeneinander liegende Schweißelektroden eingesetzt werden
und gleichzeitig allen oder einigen diesr Schweißelektroden zumindest ein Zuschlagstoff-Schlauch
zugeführt wird.
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Den (magnetischen) Zuschlagstoffen können zur Anpassung an unterschiedliche
Schweißbedingungen vorzugsweise auch unmagnetische Zusätze, insbesondere aus nicht-metallischen
Werkstoffen, in zerkleinerter Form beigemengt werden (Anspruch 4).
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Die Zuführung zumindest eines Zuschlagstoff-Schlauches erfolgt vorteilhaft
in der Weise, daß sich ein Gewichtsverhältnis "aufgeschmolzener Zuschlagstoff/ abgeschmolzener
Schweißelektrodenwerkstoff" zwischen 0,5 bis 2,0, vorzugsweise zwischen 1,0 bis
2,0, einstellt (Ansprüche 5 und 6). Beim Unterpulver-Schweißen wird die größte Abschmelzleistung
im Normalfall dann erreicht, wenn der Zuschlagstoff-Schlauch - in Schweißrichtung
gesehen - von vorn zugeführt wird, also vor der zugehörigen Schweißelektrode liegt
(Anspruch 7) Sofern mehrere Zuschlagstoff-Schläuche gleichzeitig einer einzigen
Schweißelektrode zugeführt werden, können diese gegebenenfalls auch seitlich oder
von der Rückseite her zugeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so ausgeführt, daß
die Zuführgeschwindigkeit des Zutschlagstoff-Schlauches höchstens ebenso groß ist
wie diejenige der Schweißelektrouc (Anspruch.8) Die Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens weist im wesentlichen die Merkmale des Anspruchs 9 sowie
vorteilhaft
zusätzlich die Merkmale zumindest eines der Ansprüche 10 bis 14 auf.
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Sofern die Vorrichtung zum Unterpulver-Schweißen eingesetzt wird,
treten der Zuschlagstoff-Schlauch und die Schweißelektrode unterhalb der Kupferdüse
durch einen Verteiltrichter hindurch, in den das Zufuhrrohr eines Schlackenpulver-Vorratsbehälters
einmündet.
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Eine beim Elektroschlacke-Schweißen zur Anwendung kommende Vorrichtung
(Anspruch 14) ist zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung
und die Kupferdüse - in Schweißrichtung gesehen -vor den die Schweißnaht begrenzenden
Kupfer-Gleitschuhen enden.
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Die.Erfindung wird nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 a, b schematisiert eine Seitenansicht bzw. den Teil
einer Stirnansicht einer Vorrichtung zum Unterpulver-Schweißen und Fig. 2 a, b eine
Seitenansicht bzw. den Teil einer Stirnansicht einer Vorrichtung zum Elektroschlacke-Schweißen.
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Die Vorrichtung zum Unterpulver-Schweißen besteht aus drei.Baugruppen,
die mit dem Zuführen der Schweißelektrode bzw. des Zuschlagstoff-Schlauches bzw.
des Schlackepulvers zur Schweißstelle im Zusammerihang stehen.
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Die im vorliegenden Falle drahtförmige Schweißelektrode 1 wird mittels
zweier Vorschubrollen 2', 2" von einer Vorratstrommel 3 abgezogen und durch eine
Kupferdüse 4 unterhalb der Vorschubrollen in Richtung des Pfeiles 5 der Schweißstelle
zwischen den zu verbindenden Werkstücken 6 und. 7 zugeführt. Die Kupferdüse 4 dient
gleichzeitig zur Einleitung des Schweißstromes in die Schweißelektrode 1. Die Zuführgeschwindigkeit
der Schweißelektrode 1 ist zweckmäßig über die Drehzahl der Vorschubrollen 2', 2
stufenlos einstellbar und damit an unterschiedliche Schweißverhältnise anpaßbar.
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Die zweite Baugruppe besteht aus einem Vorratsbehälter 8, welcher
einen Zuschlagstoff-Schlauch 9 aufnimmt, einer Dosierrolle 10 mit stufenlos einstellbarer
Drehzahl und einem Leitrohr 11 mit einem Eintrittstrichter 11' und einer Verlängerungszunge
11" im 3ereich der Kupferdüse 4.
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Das Beitrohr 11 ist zweckmäßigerweise so geformt und angeordnet,.
daß der mit Zuschlagstoffen gefüllte Zuschlagstoff-Schlauch 9 mit Sicherheit in
geringem Abstand unterhalb der Kupferdüse 4 an der Schweißelektrode 1 zur Anlage
gebracht wird. Um die Zuführbedingungen für den Zuschlagstoff-Schlauch 9 verändern
zu können, ist das Leitrohr 11 vorteilhaft im Sinne des Doppelpfeiles 12 höhenverstellbar
gehalten.
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Die dritte Baugruppe der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus
einem Schlackepulver-Vorratsbehälter 13 mit Auslauftrichter 13' und sich anschließendem
Zuführrohr 14, welches in einen Verteiltrichter 15 einmündet.
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Letzterer ist unterhalb der Kupferdüse 4 angeordnet und umschließt
sowohl die aus der Kupferdüse austretende Schweißelektrode 1 und das untere Ende
des Zuschlagstoff-Schlauches 9. Durch den Verteiltrichter 15 ist
sichergestellt,
daß die sich in Richtung des Pfeiles 16 nach links bewegende Schweißstelle mit dem#Schweißbad
17 und dem Schweißlichtbogen 18 durch eine Schicht aus Schlackepulver 19 nach außen
abgedeckt ist. Unterhalb der Schicht 19 befindet sich eine dünne Schicht 19' aufgeschmolzenes
Schlackepulver. Die bereits erhärtete Schweißnaht ist mit.20 bezeichnet.
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In Fig. 1 b ist die Xerstellung einer zweiten Schweißlage 21 angedeutet,
welche auf die bereits fertiggestellte, eine untere Schweißlage bildende Schweißnaht
20 aufgobracht wird.
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Die beiden \#erkstUcke 6 und 7 weisen einander zugekehrte abgeschragte
Kanten 6' bzw. 7' auf, die gemeinsam eine V-förmige Schweißfuge bilden.
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Die Umhüllung der Zuschlagstoffe, d.h. die Haut des Zuschlagstoff-Schlauches
9, besteht vorzugsweise aus einem dünnwandigen Glasfasergewebe mit Gewebestruktur
und i#st leicht auflösbar, d.h. abschmelz- bzw. abtrennbar. Um unerwünschte Bewegungen
der Zuschlagstoffe innerhalb der Umhüllung auszuschließen bzw. einzudämmen, kann
diese - ohne nach außen hin unterbrochen zu sein -in geeigneten Abständen dünne
Querwände aufweisen.
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Der Zuschlagstoff-Schlauch 9 wird unter der Einwirkung des Leitrohrs
11 auf die Schweißelektrode 1 zubewegt und an dieser durch Magnetkräfte festgehalten.
Die Bewegung der Schweißelektrode 1 in Richtung des Pfeiles 5 hat demzufolge die
Mitnahme des Zuschlagstoff-Sehlauches 9 zur Folge, ohne daß beim Durchdringen der
Schichten 19 und gegebenenfalls 19' Zuschlagstoffe verloren gehen können.
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Um die Zuführung des Zuschlagstoff-Schlauches 9 feinfühlig verändern
zu können, ist die Dosierrolle 10
mit einer rutschfesten Mitnahmefläche
ausgestattet; diese kann insbesondere aus einem Gummibe ng bestehen.
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Die Zuführgeschwindigkeit des Zuschlagstoff-Schlauches 9 ist über
die Drehzahl der Dosierrolle 10 so eingestellt, daß der Zuschlagstoff-Schlauch im
Anlagebereich an der Schweißelektrode 1 in der Regel eine niedrigere Geschwindigkeit
aufweist als diese, keinesfalls aber eine höhere Geschwindigkeit.
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Aus Fig. 1a ist ersichtlich, daß-bedingt durch die Anordnung des Leitrohrs
11- der Zuschlagstoff-Schlauch 9 - in Schweißrichtung (Pfeil 16) gesehen - der Schweißelektrode
1 von vorn zugeführt wird. Falls ein und derselben Schweißelektrode gleichzeitig
mehrere Zuschlagstoff-Schläuche zugefüirt-we-rden, sind die zugehörigen Leitrohre
so angeordnet, daß dle~2uschlagstoff-Schläuche gegebenenfalls von mehreren oder
allen Seiten der Schweißelektrode zugeführt werden.
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Da die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre nicht auf drahtförmige
Schweißelektroden beschränkt ist, ist es ohne weiteres möglich, beispielsweise einer
bandförmigen Schweißelektrode gleichzeitig mehrere Zuschlagstoff-Schläuche von vorn
zuzuführen und an der in Frage kommenden Breitseite zur Anlage zu bringen.
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Als Umhüllung für die Zuschlagstoffe haben sich insbesondere Schläuche
bewährt, die im Handel unter der Bezeichnung "Glas Filament Schläuche" erhältlich
sind; ihr Durchmesser beträgt beispielsweise 8, 10 oder 12 mm.
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Die in Fig. 2 a, b dargestellte Vorrichtung zum Elektroschlacke-Schweißen
weist zwei Baugruppen auf, welche die Zuführung der drahtförmigen Schweißelektrode
1 bzw. des Zuschlagstoff-Schlauches 9 betreffen und hinsichtlich ihres Aufbaus und
ihrer Wirkungsweise prinzipiell mit den betreffenden Baugruppen der Vorrichtung
gemäß Fig. 1 übereinstimmen; es wird da-' her insoweit auf die Beschreibung der
Vorrichtung zum Unterpulver-Schweißen verwiesen.
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Im Unterschied zur bereits beschriebenen Vorrichtung wird im vorliegenden
Fall die Schweißelektrode in Richtung des Pfeiles 5 waagerecht in eine Kupferdüse
4' eingeleitet, die im Sinne einer 9Ö0-Umlenkung wirkt.
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Die Kupferdüse 4' und das Leitrohr 11 mit Verlängerung 11 sind so
angeordnet, daß sie in den Spalt 24 zwischen zwei zu verbindenden Werkstücken 22
und 23 (vgl. Fig.
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2b) hineinragen. Der Spalt 24 wird seitlich durch zwei Gleitschuhe
25 und 26 abgedeckt. Diese werden bezüglich.
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der Werkstücke so eingestellt, daß sie jeweils den Bereich der Schweißstelle
überdecken. Die Relativbewegung der Werkstücke. 22, 23 und der gesamten Schweißvorr,ichtung
einschließlich der Gleitschuhe 25, 26 zueinander ist wiederum durch den Pfeil 16
angedeutet.
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Wie aus Fig. 2 a ersichtlich ist, ist die Schweißstelle mit dem Schweißband
17 nach oben hin ständig durch flüssige Schweißschlacke 27 abgedeckt, in welche
die Schweißelektrode 1 mit dem an ihr haftenden Zuschlagstoff-Schlauch 9 hineinragt.
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Versuche unter Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre haben zu folgenden
Ergebnissen geführt: Beim Unterpulver-Schzeißen mit einem Schwei.ßstrom von 800
A und einer Schweißspannung von 40 V konnte eine
übereinstimmende
Menge von etwa 10.kg/h an Schweißelektrode und an Zuschlagstoffen in die Schweißnaht
eingebracht werden.
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Das Elektroschlacke-Schweißen an 40 mm dicken Blechen erbrachtte bei
einem Schweißstrom von 600 A und einer Schweißspannung von 42 V eine Abschmelzleistung
von etwa 11 kg/h an Schweißelektrode und von etwa 10 kg/h an Zuschlagstoffen.
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In teilen Fällen, insbesondere im Falle des'Elektroschlacke-Schweißenserscheint
eine beträchtliche Steigerung der Absehmeizleistung möglich, sofern man die Schweißdaten
(Schweißstrom, Schweißspannung) in Richtung auf grEi3ere Werte ändert. Die Möglichkeit,
große Nennen an Zusefliagstoffen in die Schweißnaht einzubringen, ist dabei dadurch
begründet, daß die Zuschlagstoffe in verhältnismaßig konzentrierter Form an die
hocherhitzte Schweißstelle gelangen. Sin hoher Anteil an Zuschlagstoffen beeinflußt
sowohl den Einbrand im Grundmetall (d.h. in den Werkstücken) als auch die Überhitzung
des Schweißgutes in einer für die mechanischen Eigenschaften des Schweißerzeugnisses
günstigen Weise.
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Die Erfindung ist im Gegensatz zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen
auch bei Schweißverfahren mit abschmelzender Elektrode ohne Schlackenabdeckung anwendbar,
wie beispielsweise bei Schutzgas-Schweißverfahren.
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Nach der Lehre der Erfindung läßt sich durch Anordnung mehrerer Schweißelektroden
hintereinander und/oder nebeneinander eine Vervielfachung der Abschmelz@eistung
erreichen. Hintereinander liegende Schweißelektroden mit zugehörigen Zuschlagstoff-Schläuchen
kommen dabei insbesondere beim Verbindungss chweißen an dickwandigen
Blechen
und bei Fertigungsarten zur Anwendung, bei denen eine große Schweißleistung gefordert
ist, wie beispielsweiSe in der Großrohrfertigung.
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Nebeneinander liegende Schweißeiektroden mit zugehörigen Zuschlagstoff-Schläuchen
sind hauptsächlich für großvolunige Auftragsschweißungen von Vorteil.
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Den im wesentlichen metallischen Zuschlagstoffen innerhalb der Zuschlagstoff-Schläuche
kann auc ein erheblicher Anteil an unmagnetischen (metallischen und/oder nicht metallischen)
Zusätzen beigemengt werden. Die Isenge dieser Zu;>tze muß jedoch so gewählt werden,
daß ein ausreichendes Festhalten des Zuschlagstoff-Schlauches mittels magnetischer
Kräfte an der Schweißelektrode gewährleistet ist.
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Die Rillung des Zuschlagstoff-Schlauches kann insbesondere mlt unmagnetischen
Legierungsstoffen oder auch mit einem Anteil an metallurgisch günstig,wirkenden
(schlackebildenden und/oder lichtbogenstabilisierenden) Zusätzen angereichert sein.
Diese beeinflussen erforderlichenfalls die Gütewerte des Nahtwerkstoffs günstig
oder dienen dazu, den Nahtwerkstoff optimal auf das Grundmetall des zu schweißenden
Werkstücks abzustimmen.
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Die erfindungsgemäße Lehre ist bei Schweißverfahren mit abschinelzender
Schweißelektrode mit besonders gutem Erfolg dann anwendbar, wenn die Zuschlagstoffe
in Sandform vorliegen. Es besteht jedoch keine Beschränkung auf derartig ausgebildete
Zuschlagstoffe; diese können insbesondere auch länglich oder zum Teil länglieh sein,
d.h. beispielsweise plättchenförmig oder stäbchenförmig möglichst mit abgerundeten
Kanten.