DE3115319C2

DE3115319C2 - "Plasma-Schweißverfahren und Vorrichtung zu dessen Durchführung"

Info

Publication number: DE3115319C2
Application number: DE3115319A
Authority: DE
Inventors: Takao Matsubara Osaka Mihara; Toshiaki Hirakata Osaka Morichika; Shigenori Nara Sone
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1980-04-23
Filing date: 1981-04-15
Publication date: 1983-11-24
Also published as: FR2481171B1; GB2074071A; FR2481171A1; CA1176315A; US4371775A; DE3115319A1; GB2074071B; JPS56151170A; US4477711A

Abstract

Ein Verfahren zur Durchführung einer Plasmastrahlschweißung berücksichtigt die Kühlwassertemperatur am Einlaß des Kühlwassermantels des Plasmastrahlbrenners und umfaßt eine Einregulierung dieser Temperatur auf Werte zwischen 4 ° C und 18 ° C bis zur Zündung des Plasmastrahls. Sodann werden die zu schweißenden Rohre zunächst für einen konstanten Zeitraum bis zur Stichlochbildung festgehalten und erst dann in Drehung versetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasma-Schweißverfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Bei dem Verfahren, mit dem sich die Erfindung befaßt, .handelt es sich um ein Stichschweißverfahren für die Stumpfschweißung von Metallrohren, bei dem ein Plasmastrahl aus einem wassergekühlten Plasmastrahlbrenner auf die Nahtstelle zweier auf Stoß gegeneinander gelegter Rohrabschnitte gerichtet wird und die Rohrabschnitte nach einer gewissen Haltezeit 71, während derer ein Stichlich für die Schweißung gebildet wird, synchron gedreht werden.

Während Plasma-Stichschweißverfahren bereits in erheblichem Umfange zum Schweißen von dicken Wandplattenmaterialien verwendet werden, ist eine Anwendung dieses Verfahrens auf das Schweißen von dickwandigen Rohrmaterialien schwierig. Der Grund besteht darin, daß die Behandlung des Kraters, der sich am Endpunkt der Plasma-Stichschweißung ergibt, bei Plattenmaterialien und bei Rohrmaterialien unterschiedlich ist Im Falle von Plattenmaterialien aus Metall

ίο kann der den Krater einschließende Endbereich nach dem Schweißen abgeschnitten werden. Bei Rohrmaterial läuft jedoch die Schweißlinie um das Rohr herum und der Endpunkt der Schweißnaht überlappt den Anfangspunkt, so daß der Krater nicht abgeschnitten werden kann.

Verfahren zur Behandlung des Kraters am Endpunkt der Schweißung sind bereits in den japanischen Patentanmeldungen 52-15 379, 50-2 646 und 52-9 532 der Anmelderin beschrieben worden. Weiterhin hat die Anmelderin ein Verfahren zur Bildung einer Stichöffnung bei Beginn der Schweißung in der japanischen Patentanmeldung 51-32 445 beschrieben. Schließlich befaßt sich die japanische Patentanmeldung 52-1 20 247 der Anmelderin mit der Gestaltung der Flamme bzw. des Brenners eines Plasmaschweißgerätes in bezug auf die metallischen Basismaterialien eines Rohres.

Das Pltsma-Stichschweißverfahren sollte unter Berücksichtigung verschiedener Kräfte, wie etwa der Schwerkraft, die auf das abgelagerte Metall einwirkt, der Oberflächenspannung, des Plasmagasdruckes und des Gegengasdruckes durchgeführt werden, und es sollte auch ein Ausgleich zwischen dem Strom eines Schutzgases, dem Schweißstrom, der Schweißgeschwindigkeit und der Kühlwassertemperatur berücksichtigt werden.

Zur Vermeidung der Bildung von Gaseinschlüssen im Anfangsbereich der Schweißzone ist es wesentlich, zunächst die Entstehung eines vollständigen Stichloches durch Anhalten der Schweißung für eine vorgegebene Zeit nach Beginn der Bildung des Plasmabogens sicherzustellen und sodann mit dem Schweißen fortzuschreiten.

Wenn die Haltezeit Ti nach Beginn der Piasmabogenbildung bis zum Beginn der Drehung des Rohrmaterials zu kurz ist, entsteht nur ein unzureichendes Stichloch, so daß es zu einem Gaseinschluß im Anfangsbereich kommt. Wenn andererseits die Haltezeit 71 zu lang ist, wächst das Stichloch übermäßig an, und es kommt zu einem Schmelzwulst. Die genaue Einhaltung der richtigen Haltezeit 71 ist daher wesentlich. Zur Erzielung einer optimalen Schweißnaht durch Konstanthaltung der Haltezeit 71 ist es von Bedeutung, daß die Plasmagastemperatur auf einem vorgegebenen hohen Wert gehalten wird. Da jedoch der Plasmabogen von seinem Umfang her durch Kühlwasser innerhalb des Schweißbrenners gekühlt wird und zur Erzielung einer hohen Temperatur konzentriert wird, kommt es bei einer Schwankung der Kühlwassertemperatur zu einer Veränderung der Konzentrierbarkeit und der Temperatur des Plasmastrahls, so daß die Haltezeit 71 nicht konstant gehalten werden kann und wiederum Änderungen in der Qualität des Produkts eintreten.

Aus der DE-OS 25 17 128 ist bereits eine Plasmaschweißvorrichtung bekannt, bei der die Durchlaufmenge des Brenner-Kühlmittels durch Überwachungselemente überwacht wird. Diese Überwachungselemente bilden jedoch lediglich eine Sicherungseinrichtung, die den Brenner bei Kühlmittelausfall abschaltet. Diese

Einrichtung gestattet es daher nicht, die Temperatur des Plasmastrahls über die Kühlwasserternperatur derart zu ateuern, daß die Haltezeit konstant gehalten und eine gleichbleibende Qualität der Schweißnaht im Bereich des Stichloches gewährleistet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgab··? zugrunde, ein Plasma-Schweißverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die es gestatten, eine gleichbleibende Qualität der Schweißnaht insbesondere im Bereich des Anfangs- und Endpunktes der Schweißung zu gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird die Einlaßtemperatur des Kühlwassers am Plasmastrahlbrenner abgetastet und auf eine Temperatur zwischen 4° und 18°C geregelt Der Plasmastrahl wird erst gestartet, wenn das Kühlwasser die vorgegebene Temperatur erreicht hat. Für die zur Stichlochbildung benötigte Haltezeit wird stets ein fest vorgegebener Wert eingehalten.

Auf diese Weise erfolgt die Stichlochbildung stets unter gleichbleibenden Bedingungen, so daß eine zufriedenstellende Bearbeitung des Kraters am Endpunkt der Schweißung unter Berücksichtigung des Ausgangsmaterials des Rohres ermöglicht wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Schweißbrenner;

F i g. 2 veranschaulicht schematisch eine erfindungsgemäße Schweißanlage in einer Gesamtdarstellung;

Fig.3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Steuerungsvorganges.

In F i g. 1 ist ein Plasmastrahlbrenner 2 gezeigt, der in einem Winkel Θ im Bereich von 10 bis 60°, vorzugsweise von 20 bis 30° in bezug auf die Senkrechte oberhalb der Stoßlinie der auf Stoß liegenden Rohrteile zur Durchführung einer Plasmastrichschweißung angeordnet ist.

Die beiden Rohrteile 1, die auf Stoß gelegt sind, werden zugleich in Pfeilrichtung mit konstanter Drehzahl mit Hilfe eines Antriebsmechanismus gedreht.

Der Plasmastrahlbrenner 2 weist einen Kühlwassermantel 4 auf, der in einer Düse 3 ausgebildet ist, sowie eine Wolfram-Elektrode 5 im Mittelpunkt der Düsenöffnung. Eine Schutzgasdüse 6 befindet sich auf dem äußeren Umfang der Düse 3.

Der Plasmastrahlbrenner 2 gemäß Fig. 1 gestattet die Durchführung des Plasmastrahl-Stichschweißes, des TIG-Schweißens und des Weichbogenschweißtns. Eine Gleichstromquelle 7 dient zur Anlegung von Spannungen zwischen der Wolfram-Elektrode und dem Material der Rohre 1 sowie zwischen der Wolfram-Elektrode 5 und der Plasma-Düse 3. Eine Fernsteuerung 9 dient zum öffnen und Schließen des Stromkreises 8, der die Gleichstromquelle, die Rohre 1, einen Kondensator 10, einen Hochfrequenzgenerator 11 und einen Widerstand 12 einschließt, wie es auch bei bekannten Lösungen der Fall ist. Im übrigen ist eine Kern- oder Schweißdrahtzufuhrrolle 13 in der Nähe des Plasmastrahlbrenners 2 derart angeordnel, daß ein Kern- oder Schweißdraht 14 in den Schweißbereich gelangen kann.

Ein Kühlwassersystem 15 dient zum Umwälzen von Kühlwasser aus einem Wasserbehälter 16 in einen Wassereinlaß 18 des PlasmastrahJbrenners mit Hilfe einer Pumpe 17, und zur Rückführung des erwärmten Wassers nach dem Durchlauf durch den Kühlwassermantel 4 des Plasmastrahlbreniiers 2 aus einem Wass«;rauslaß 19 über einen {fühler 20 in den Wasserbehälter 16. Der Wasserbehälter 16 wird durch ein Gebläse 21 mit Luft gekühlt.

Der Wasserbehälter 16 wird mit Wasser über ein Z'ilaufrohr 22 versorgt und nachgefüllt, und ein

ι ο Wärmetauscher 23 dient zur Umwälzung eines Kühlmittels, wie etwa DichJorfluormethan, durch den Wärmetauscher 23 und eine herkömmliche Kältemaschine 24, so daß das Kühlwasser auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt werden kann.

Ein Temperaturfühler 25 ist an dem Wassereinlaß 18 des Piasmastrahlbrenners 2 oder anderweitig in dem Kühlwassersystem 15 im Bereich des Kühlwassereinlasses vorgesehen und bestimmt den Beginn der Plasmastrahlbildung und die Einschaltung der Kühlmaschine 24 durch Abtastung der Temperatur des Kühlwassers in bezug auf eine vorgegebene Abkühlung.

Anschließend soll das Verfahren zur Durchführung des Plasma-Stichstrahlschweißens eines Rohrmaterials anhand der vorher genannten Ausrüstung beschrieben werden.

F i g. 3 zeigt in einem Diagramm die Zeitabläufe in bezug auf die in der X-Achse aufgetragene Zeit. Die Buchstaben a bis g beziehen sich auf verschiedene Daten des Schweißvorganges, und zwar a auf den Strom

J<i des Schutzgases, b auf den Strom des Plasmagases, cauf einen Startbogen, d auf den Schweißstrom, e auf die Drehzahl des Rohres oder die Schweißgeschwindigkeit, /"auf die Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtes und g auf die Wassertemperatur.

Wenn ein Schweißvorgang eingeschaltet wird (Punkt A in Fig.3), tritt das Schutzgas a und das Hauptgas b aus, und gleichzeitig läuft die Kältemaschine 24 an und kühlt den Wasserbehälter 16, so daß die Temperatur des Kühlwassers gesenkt und dieses mit niedrigerer Temperatur mit Hilfe der Pumpe 17 an den Plasmastrahlbrenner 2 abgegeben wird. Da die Temperatur des Kühlwassers die Plasmatemperatur beeinflußt, sollte die Einlaßtemperatur am Plasmastrahlbrenner auf unter 18°C liegen, und der Schweißvorgang sollte bei

4) 10 + 5° C, etwa bei 15° C im Sommer und bei 5° C im Winter durchgeführt werden. Wenn die Wassertemperatur über 18° C liegt, wird die Konzentration des Plasmastrahls unzureichend, und es entstehen Wellen an der Gegenseite der Schweißung, so daß die Schweißqua-

■>" lität unzureichend wird. Die Wassertemperatur sollte daher sehr sorgfältig kontrolliert werden. Wenn die Wassertemperatur unter 4°C liegt, kann das Wasser teilweise einfrieren, so daß sich ein ungleichmäßiger Wasserstrom ergibt. Der Wasserstrom sollte über 10 kg/cm² gehalten werden.

Das Hauptgas sollte austreten, sobald der Schalter eingeschaltet ist, und einen Durchsatz von 0.2 l/min während des Schweißvorganges beibehalten.
Das Schutzgas sollte einen Druck von 1,5 kg/cm² aufweisen.

Der Druck des Gegengases zum Füllen des Rohres sollte über 1,5 kg/cm² betragen, und es sollte die Füllgeschwindigkeit vom Beginn des Füllvorganges bis zu dessen Abschluß berücksichtigt werden.

Nach dem Schließen des Schweißschalters beginnen der Strom des Kühlwassers und der Betrieb der Kältemaschine, und die Wassertemperatur wird auf den vorgegebenen Wert (Punkt B in F i g. 3) gesenkt. Zu

diesem Zeitpunkt steigt der Schweißstrom dlangsam an.

Der Strom des Hauplgases b steigt an, und wenn gleichzeitig der Startbogen oder Sleuerbogen c gezündet wird, wird ein Plasmastrahl erzeugt. Da die Rohre nach wie vor festliegen, wird die zugeführte Wärme des Plasmastrahls im Ausgangspunkt der Schweißung konzentriert, und nach einer vorgegebenen Haltezeil 71 dringt das Plasma in das metallische Rohrmaterial zur Bildung eines Stichloches ein. Die Zeit 71 zur Bildung des Stichloches ist stets konstant, da die Einlaßtemperatur des Kühlwassers konstant gehalten wird. Wenn die Dicke des Rohrmaterials beispielsweise 12 mm beträgt und der Gleichstrom eine Stärke von 160 bis 200 A aufweist, liegt die Dauer der Haltezeit T₁ bei etwa 3 Sekunden. Wenn daher die Steuereinheit derart programmiert wird, daß die Herstellung des Stichloches nach einer Zeit 71 nach Vorliegen des Abtastsignals des Temperaturfühlers 25 beginnt, kann der Schweißvorgang unter optimalen Bedingungen erfolgen, so daß die üblichen Änderungen des Schweißbeginns bei unvollständigem oder übermäßigem Stichlich ausgeschaltet werden können.

Der anfängliche Schweißstrom beträgt 30 A.

Nach Ablauf der Zeit 71, die durch ein Zeitglied, ausgehend von dem Punkt B ermittelt wird, an dem die Wassertemperatur durch den Temperaturfühler 25 abgetastet wird, werden die beiden Metallrohre, die auf Stoß gegeneinander liegen, synchron mit einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa 70 bis 180 mm/min gedreht. Die Stoßlinie der Rohre wird mit fortschreitendem Stichschweißverfahren geschweißt, und wenn eine vollständige Drehung durchgeführt ist und der Schweißpunkt den Ausgangspunkt erreicht hat (Punkt C in F i g. 3), beginnt die Behandlung des Schweißkraters.

Zu diesem Zweck wird die Drehung der Rohre für eine Zeit T2 angehalten, und die Schmelze wird

vergrößert, so daß das Gas in dem geschmolzenen Metall ohne weiteres austreten kann. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Hauptgas in gleichem Maße weiterströmi, ist die Eindringkraft des Plasmastrahls zu groß, so daß es zu einem Durchbrennen oder einer Wulstbildung kommen kann. Daher wird das Hauptgas gedrosselt. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt die Viskosität der Schmelze abnimmt, so daß es zu einem Durchbruch oder einem anderweitigen Schaden kommen kann, wird der Schweißdraht 14 in diesem Bereich zugeführt. Wenn die Dauer der Zeit T₂ auf dieser Stufe zu groß ist, wird ein anschließendes Schleifen der Schweißstelle erforderlich. Wenn die Zeit andererseits zu klein ist, tritt das Gas nicht vollständig aus, so daß ein Gaseinschluß entstehen kann. Die Zeit T? sollte daher genau eingehalten werden und etwa bei 1 bis 3 Sekunden liegen. Nach Ablauf der Zeit 7~2 wird das Rohr wieder in Drehung versetzt, und der Schweißstrom d, die Drahtzufuhr f und die Hauptgaszufuhr b werden nach und nach zurückgenommen, bis die Schweißung am Punkt Din Fig. 3 beendet ist. Zu diesem Punkt ist der Plasmastrahl nicht mehr stark genug zur Bildung eines Stichloches, sondern lediglich ein weicher Plasmastrahl, wie etwa ein üblicher TIG-Strahl.

Die Erfindung ist nicht nur auf Rohrmaterialien, sondern auch auf Platten anwendbar. Da erfindungsgemäß die Kühlwassertemperatur am Einlaß des Schweißbrenners durch den Temperaturfühler 25 abgetastet und der Plasmastrahl erst bei einer vorgegebenen Kühlwassertemperatur von über 4 C und unter 18°C eingesetzt wird, entsteht lediglich durch Unterbrechung der Schweißung während der vorgegebenen Zeit 7", ein optimaler geschmolzener Sumpf, und es ergibt sich eine hochwertige Schweißung, die keine Gaseinschlüsse enthält und weitgehend automatisch ablaufen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plasma-Schweißverfahren für die Stumpfschweißung von Metallrohren, bei dem ein Plasmastrahl aus einem wassergekühlten Plasmastrahlbrenner auf die Nahtstelle zweier auf Stoß gegeneinander gelegter Rohrabschnitte gerichtet wird und die Rohrabschnitte nach einer gewissen Hakezeit, während derer ein Stichloch für die Schweißung gebildet wird, synchron gedreht werden, dadurch gekennzeichnet, daß man die Einlaßtemperaiur des Kühlwassers am Plasmastrahlbrenner abtastet und auf eine Temperatur zwischen 4° und 18° C einregelt, daß man den Plasmastrahl erst startet, wenn die vorgegebene Temperatur des Kühlwassers erreicht ist, und daß für die Haltezeit (Tt) ein fest vorgegebener Wert eingehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwassertemperatur auf 10 ± 5°C eingeregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Plasmastrahl unter einem Winkel von 10 bis 60° in bezug auf die Senkrechte auf der aufsteigenden Seite der sich drehenden Rohre auftreffen läßt, daß man die Rohre von der Rückseite her mit einem Gegengas bei einem Druck von mehr als 1,5 kg/cm² füllt, daß man ein Schutzgas aus dem Plasmastrahlbrenner mit einem Druck von mehr als 1,5 kg/cm² austreten läßt, daß man den Strom des Hauptgases bei Abschluß der umlaufenden Schweißnaht reduziert und gleichzeitig Schweißdraht zuführt, und daß man sodann die Drehung der RohrabschniUe nach einer vorgegebenen Zeit (Tt) wieder aufnimmt und den Schweißstrom und die Drahtzufuhr nach und nach zurücknimmt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Plasmastrahlbrenner, der eine von einem Kühlwassermantel umgebene Elektrode und einen Kanal zur Abgabe eines Hauptgases aufweist, gekennzeichnet

"durch einen Kühlwasserfühler (25) am Einlaß (18) des Kühlwassermantels (4), welcher Kühlwasserfühler mit einer Steuerung (7, 8, 9) zum Starten des Plasmastrahls bei Vorliegen eines entsprechenden Kühlwasser-Temperatursignals verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung (23, 24) zum Abkühlen des dem Plasmastrahlbrenner zugeführten Kühlwassers und eine Pumpe (17) in Verbindung mit dem Plasmastrahlbrenner (2), welche Kühleinrichtung mit Hilfe des Temperaturfühlers (25) steuerbar ist.