DE3304469A1 - Elektroschlackeschweissverfahren und vorrichtung zur elektroschlackeschweissung - Google Patents

Description

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Elektroschlackeschweißverfahren und Vorrichtung zum Elektroschlackeschweißen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Elektroschlackeschweißung. Dem Verfahren nach sollen optimale Größen und Größenbereiche der zur Schweißung notwendigen Spannung und Stromstärke sowie für die Breite eines vertikalen Spaltes zwischen den zu schweißenden Werkstücken bestimmt werden, die Werkstücke so aufgestellt werden, daß zwischen den Werkstücken ein Spalt optimaler Breite gewährleistet ist, der Spalt seitlich abgeschlossen werden, ein Schweißdraht in den Spalt hineingeführt werden und nach Verbindung des Schweißdrahtes und des Werkstücks mit den Klemmen einer entsprechenden Stromquelle sowie nach der Einschaltung der Stromquelle das Schweißen unter Vorschub des Schweißdrahtes vorgenommen werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Elektroschlackeschweißen, die eine mit ihren Klemmen an durch einen Spalt voneinander getrennte Werkstücke bzw. an einen Schweißdraht angeschlossene Stromquelle enthält und mit einer den Schweißdraht in den Spalt hineinführenden Vorschubeinheit versehen ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Schweißnaht durch Anwendung des erfindungsgemäßen Elektroschlackeschweißens hergestellt werden, welche mit guter Quallität zu kennzeichnen ist und keine

Wärmebehandlung erfordert.

Das Elektroschlackeschweißen ist ein Verfahren, mit dem eine Schweißnaht von großer Dicke in einem Arbeitsschritt hergestellt werden kann. Bei dem gebräuchlichen Lichtbogenschweißen wird die Schweißnaht schrittweise in Form von wiederholt erzeugten Nahtreihen großer Dicke zwischen den Werkstücken hergestellt. Demgegenüber können

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ι die Werkstücke beim Elektroschlackeschweißen in einem Arbeitsschritt auch bei einer Schweißnahtdicke von 3 m verbunden werden, wenn erforderlich. Beim Elektroschlackeschweißen werden die zu schweißenden Werkstücke so aufgestellt, daß sie zwischeneinander einen vertikalen Spalt beidseitig begrenzen, dessen Weite von dem Material der Werkstücke und von den geplanten Bedingungen der Schweißung abhängig ist. In den Spalt wird ein Schweißdraht eingeführt, der an den einen Pol einer Stromquelle geführt ist, deren anderer Pol mit zumindest einem der Werkstücke verbunden wird. Danach wird der Vorschub des Schweißdrahtes in solcher Weise vorgenommen, daß der Schweißdraht während seiner Vorschubbewegung mit dem Werkstück metallisch nicht in Berührung gelangen kann. Der Schweißdraht wird in den Spalt so weit wie möglich hineingeschoben und dann wird zwischen ihm und einem der Werkstücke oder einer mit den Werkstücken verbundenen Fußplatte ein elektrischer Lichtbogen entzündet, wodurch der Schweißdraht und die Fußplatte aufgeschmolzen werden. Danach wird ein schlackebildendes Pulver auf das geschmolzene Metall gestreut, das sich in eine elektrisch leitende Schmelze umformt und dadurch den elektrischen Lichtbogen drosselt. Die Schlacke wird durch den Strom auf hohe Temperatur erhitzt. Das schlackebildende Pulver kann als Überzug des

Schweißdrahtes oder als Isolierbelag eines den Schweißdraht führenden Rohres zudosiert werden. Unter der und durch die Schlackeschmelze wird der Strom auch ohne den Lichtbogen aufrechterhalten, und die heiße Schlacke gewährleistet die Wärmeübergabe, das Schmelzen der Oberflä-

chenschichten neben dem Spalt am Werkstück während des Schweißens, und in dieser Weise kann das Schweißen vorgenommen werden.

Während des Elektroschlackenschweißens kann es erforderlieh sein, Schweißnähte großer Masse herzustellen, die säulenförmig aufgebaut sind. Bei Bedarf werden auch mehrere Schweißdrähte angewendet. Die Stromstärke beträgt

gewöhnlich 500 bis 800 A für jeden Schweißdraht. Als Stromquelle ist die Anwendung von Speiseeinheiten mit flacher Strom-Spannung-Charakteristik besonders vorteilhaft, weil diese verhältnismäßig leicht zu regeln ist. Bei diesen Einheiten kann die Regelung der Stromstärke durch Änderungder Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahtes gewährleistet werden, während die Spannungsregelung in der Stromquelle selbst leicht durchführbar ist. Zur Zeit gehen die Bestreben in die Richtung, beim Elektroschlackeschweißen Strom und Spannung ständigen Wertes kontinuierlich zu sichern, weil dadurch das Schweißverfahren durch gleichmäßiges Wachsen der Schweißnaht und durch Gleichmäßigkeit des Schweißprozesses zu kennzeichnen ist.

Eines der wichtigsten Probleme des Schweißens ist die Sicherung der Qualität der Schweißnaht (der Schweißverbindung). Die in einem Arbeitsschritt durch Elektroschlackeschweißen erzeugten Schweißnähte großer Masse sind im allgemeinen spröde, ihre Schlagarbeit und Zähigkeit weisen niedrige Werte auf, und daher erfordern sie eine entsprechende Wärmebehandlung oder ein anderes Verfahren zur Qualitätsverbesserung. So werden z.B. die Schweißnähte von aus unlegiertem Konstruktionsstahl bestehenden Werkstücken durch Elektroschlackenschweißen unter Anwendung einer Stromstärke, bzw. Spannung von ständigen Werten in Bereichen von 500 bis 600 A, bzw. von 34 bis 36 V hergestellt. Die Schlagarbeit der erzeugten Schweißnähte überschreitet bei Raumtemperatur den Wert von 40 J selten, sie ist im allgemeinen mit dem Wert 20 J bei einer Temperatur von 0⁰C zu kennzeichnen und nimmt einen Wert unter 10 J bei Temperaturen unter -10⁰C an. Der charakteristische Wert 35 J wird lediglich bei Raumtemperatur gewährleistet, obwohl ein niedriger Wert der Temperatur in fast allen Anwendungen erforderlich wäre. Diese Nachteile sind auf die nicht entsprechende Qualität des kristallinen Gefüges der Schweißnaht zurückzuführen.

Bei den Lichtbogenschweißverfahren ist es gut bekannt, eine synchronisierte Pulsation der Stromstärke und der Spannung während des Schweißens herbeizuführen. Die Pulsation erleichtert die Technologie des Schweißens (es sind lotrechtes Schweißen, Schweißen von dünnen Platten, kontrolliertes Durchschmelzen der Schweißnaht usw. ermöglicht). Erforderlichenfalls kann auch das kristalline Gefüge der entsprechenden Schweißnaht auf diese Weise verbessert werden, jedoch ist die Pulsation auch zur Regelung der Wärmezufuhr anwendbar.

Bei dem Lichtbogenschweißen übt die reihenweise Ausbildung der dicken Schweißnaht aus einzelnen Nahtreihen einen günstigen Einfluß aus, weil auf diese Weise die fertigen Oberflächenschichten der Schweißnaht durch jede neue Reihe einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Solch eine direkte Wärmebehandlungswirkung ist zur Zeit im Verfahren des Elektroschlackeschweißens nicht bekannt, obwohl die Qualitätsverbesserung wegen des kleinen Wertes der Zähigkeit der Naht oft unbedingt unerläßlich ist.

Unter den zur Qualitätsverbesserung erarbeiteten Verfahren ist eine durch Erhitzung vorzunehmende Wärmebehandlung kostspielig und energieaufwendig, weil ein bereits angefertigtes Werkstück großer Masse auf gut bestimmte Temperatur erneut erhitzt werden muß. Gemäß einem anderen Verfahren werden die zu schweißenden Werkstücke schon von vornherein aus solchem Material vorbereitet, dessen Legierungskomponenten entsprechend den Anforderungen der später vorzunehmenden Schweißung ausgewählt werden, und gleichzeitig wird der Schweißdraht ebenfalls durch sorgfältige Legierungen hergestellt. Dadurch sind die Kosten der Herstellung und die technologischen Ansprüche relativ hoch. In der Praxis sind auch andere Verfahren vorhanden, obwohl lediglich in sehr beschränktem Maße; diese verbleiben eher in der Rolle von technologischen Vorschlägen: Anwendung der Vibration während des Schweißens, Be-

Strahlung durch Ultraschall oder Gamma-Strahlung, Erwärmung durch Folgeflammen und durch Induktion, Anwendung des Magnetfeldes. Diese Lösungen sind mit geringer Effektivität und ggf. mit verhältnismäßig hohen Kosten zu charakterisieren und daher erfolgt gegenwärtig die Qualitätsverbesserung fast ausschließlich durch die Methode der Wärmebehandlung oder durch Anwendung von entsprechend legierten Stoffen.

Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Elektroschlackeschweißen geschaffen, die im Vergleich mit den bekannten Lösungen eine Verbesserung der Qualität der Schweißnaht einfach, wirkungsvoll und mit geringem Kostenaufwand gewährleisten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß im Gegensatz zu den bekannten gebräuchlichen Lösungen die Veränderung der zum Schweißen notwendigen Stromstärke und/ oder Spannung während des Elektroschlackeschweißens den Vorgang des Schweißens vorteilhaft beeinflussen kann und eine günstige Maßnahme darstellt, wodurch eine Schweißnaht günstigen kristallinen Gefliges ohne Wärmebehandlung hergestellt werden kann.

Aufgrund der obigen Erkenntnis ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Elektroschlackeschweißen geschaffen, wobei optimale Größen und Größenbereiche für die zum Schweißen erforderliche Spannung und Stromstärke sowie für die Breite eines vertikalen Spaltes zwischen den zu schweißenden Werkstücken bestimmt werden, die Werkstükke derart aufgestellt werden, daß zwischen ihnen ein Spalt optimaler Breite entsteht, der Spalt seitlich abgeschlossen wird, ein Schweißdraht in den Spalt eingeführt wird, der Schweißdraht und zumindest eines der Werkstükke an die Pole einer eine Stromstärke und Spannung von in den optimalen Bereichen liegendem Wert leistenden Stromquelle angeschlossen werden und durch Einschaltung der

ι Stromquelle sowie durch Vorschub des Schweißdrahtes in dem Spalt das Schweißen vorgenommen wird, wobei erfindungsgemäß zwecks Verbesserung der Qualität des kristallinen Sefüges der hergestellten Schweißnaht die Stromstärke und/oder die Spannung in dem optimalen Wertbereich durch Pulsation, und vorteilhaft periodisch, verändert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens, insbesondere zur Herstellung von Schweißnähten großer Masse, ist es günstig, während der erwähnten Veränderung den Weg des Stroms von der Stromquelle bis zum Schweißdraht und/oder bis zum Werkstück für kurze Zeit, ggf. periodisch, zu unterbrechen. 15

In einer anderen Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens ist es vorteilhaft, die Veränderung der Stromstärke durch Änderung der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahtes zu sichern. Eine derartige Regulierung der Stromstärke ist besonders bei der Anwendung von Stromquellen flacher Charakteristik günstig.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, sowohl die Stromstärke und Spannung, als auch die Strom- und Spannungsimpulse unabhängig voneinander zu verändern. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Veränderung auf synchronisierte Weise erfolgt, das heißt daß zu einer zunehmenden Stromstärke eine abnehmende oder zunehmende Spannung, bzw. zu einer abnehmenden Stromstärke eine ab-

nehmende oder zunehmende Spannung gehört.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe und besonders zwecks Verwirklichung des oben angeführten Verfahrens ist durch

die Erfindung auch eine Vorrichtung geschaffen, die eine 35

mit ihren Polen an durch einen Spalt voneinander getrennte Werkstücke und an einen Schweißdraht angeschlossene Stromquelle enthält und mit einem den Schweißdraht in den

Spalt hineinführenden Vorschubgerät versehen ist und bei der erfindungsgemäß zwecks Gewährleistung der Bedingungen der Verbesserung der Qualität des kristallinen Gefüges der herzustellenden Schweißnaht die Stromquelle mit einer Steuereinheit versehen ist, die Schaltelemente für eine Veränderung der Stromstärke und/oder der Spannung den Schweißbedingungen entsprechend enthält und so ausgebildet ist, daß sie auch zur Steuerung des Antriebs des Vorschubgeräts geeignet ist. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Steuereinheit mit solchen Schaltelementen versehen, die fähig sind, ggf. einen Stromweg zwischen der Stromquelle und dem Werkstück oder dem Schweißdraht zu unterbrechen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dieses auch verwirklichende erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es, Schweißnähte ausgezeichneter Qualität durch Elektroschlakkeschweißen herzustellen, wobei die Nähte auch ohne Wärmebehandlung eine hohe Zähigkeit aufweisen, die die der durch die bekannten Verfahren und Vorrichtungen erzeugten Schweißnähte bedeutend übersteigt.

Die Erfindung wird im weiteren anhand als Beispiele dargestellter Ausflihrungsformen mit Hinweis auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein das Prinzip des Elektroschlackeschweißens erläuterndes Schema, und

Fig. 2 das Blockschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bei der Verwirklichung des Elektroschlackeschweißens

(Fig. 1) werden Werkstücke 1 und 2 so angeordnet, daß zwischen ihnen ein vertikaler Spalt 3 ausgebildet wird, dessen Breite nach den bekannten Vorraussetzungen bestimmt

wird. Zum Beispiel beträgt im Falle von unlegiertem Konstruktionsstahl die Breite des Spaltes etwa 25 mm, wenn die Werkstücke etwa 30 mm dick sind. In den Spalt wird von einer Spule 11 ein Schweißdraht 4 mit Hilfe eines Motors 10 hineingeführt, wobei der Schweißdraht an einen Pol einer zur Lieferung von Gleichstrom oder Wechselstrom ausgebildeten Stromquelle 5 angeschlossen ist. Von den Werkstücken 1 und 2 ist zumindest eines an den anderen Pol der Stromquelle 5 angeschlossen. Der Spalt 3 ist in vertikaler Richtung seitlich abgeschlossen, z.B. mit Hilfe einer gekühlten Kupferklammer, welche gleichzeitig als elektrische Verbindung zwischen den Werkstücken 1 und 2 wirkt. Am Boden des Spaltes 3 ist eine mit den Werkstükken 1 und 2 metallisch verbundene Fußplatte angeordnet oder ausgebildet. Der Schweißdraht 4 wird im Spalt 3 so weit vorgeschoben, bis er die Fußplatte berührt, und dann wieder von der Fußplatte abgehoben. Dadurch wird ein elektrischer Lichtbogen entzUndet, unter dessen Einwirkung die Oberflächenschicht der Fußplatte und das Endteil des Schweißdrahtes 3 schmelzen. Dadurch entsteht eine Schmelze 7. Dann wird auf bekannte Weise, z.B. durch Zugabe eines schlackebildenen Pulvers oder durch Einführung eines schlackebildenen Stoff der Isolierung des Schweißdrahtes 4 (der mit den Werkstücken 1 und 2 nicht irv Berührung kommen darf) oder des den Schweißdraht führenden Rohres usw., eine Schlackeschicht 9 ausgebildet, weiche die Schmelze 7 abdeckt und den elektrischen Lichtbogen drosselt. Danach wird die Stromführung unter der und durch die Schlackeschicht 9 gesichert. In diesem Moment beginnt

das eigentliche Elektroschlackeschweißen. Unter Einwirkung der den elektrischen Stromdurchfluß begleitenden Wärme erreicht die Schlackeschicht 9 eine Temperatur, welche genügend hoch ist, entlang des Spaltes 3 das Material der Oberflächenschichten der Werkstücke 1 und 2

aufzuschmelzen. Unter der Schicht des geschmolzenen Metalls wird durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung (der ggf. durch die Kupferklammer verstärkt wird) eine

Schweißnaht 6 ausgebildet. Zwischen der Schweißnaht 6 und der Schmelze 7 ist stets eine Grenzschicht 8 vorhanden, die auf grundlegende, bestimmende Weise die Qualität der Schweißnaht 6 beeinflussen kann. Die Gestalt der Grenzschicht 8 hängt von der Spannung und der Stromstärke der Stromquelle 5 ab. Weist die Stromstärke einen Nullwert auf, so ist die Grenzschicht 8 horizontal, und bei Zunahme der Stromstärke bildet sie eine quasiparabolische Form mit ständig zunehmender Tiefe. Dementsprechend bestimmt die Stromstärke die Breite der quasiparabolischen Form ständig zunehmender Tiefe. Dementsprechend bestimmt die Stromstärke die Breite des Schmelzbades 7, und bei der Anwendung einer mit der Zeit unveränderten Stromstärke wird die Schweißnaht 6 als eine quasiparabolische Oberfläche, von unten aufwärts gehend, mit entlang des Spaltes sich verbreiterndem Seitenabstand ausgebildet. Die angewendete Spannung beeinflußt demgegenüber die Breite des quasiparabolischen Bereiches, der unter Zunahme der Spannung immer breiter und flacher wird. Zur Beeinflussung der Oberflächengestalt der Grenzschicht 8 ist auch der Vorschub des Schweißdrahtes 4 geeignet, weil die Vorschubgeschwindigkeit bei einer Stromquelle 5 mit flacher Strom-Spannung-Charakteristik mit der Stromstärke in einer gut bestimmbaren und eindeutigen Beziehung verbleibt: durch Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit ist die Zunahme der Stromstärke erreichbar und umgekehrt.

Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt eben darin, daß die Gestalt des Durchgangsbereiches zwischen der Grenzschicht 8 und der Schweißnaht 6 immer verändert wird. Dadurch ist die Rekristallisation des bereits verfestigten Materials gewährleistet und damit kann das kristalline GefUge im erforderlichen Maße günstig beeinflußt werden. Die Rekristallisation erfolgt dadurch, daß die Stromstärke und/oder die Spannung der Stromquelle auf kontrollierte Weise, den Bedürfnissen des Schweißverfahrens entsprechend durch Pulsation verändert werden. Entsprechend den zur Pulsation gehörenden veränderlichen

Werten wird die Gestalt der Grenzschicht 8 einer kontinuierlichen Abänderung unterworfen und dadurch wird die erwünschte Wirkung erreicht. Die Pulsation, die vorzugsweise eine Frequenz von mehreren Sekunden aufweist, kann vorteilhaft periodisch veränderlich durchgeführt werden, d.i. die Pulsationen sind in regelmäßigen PPerioden gleichartig zu wiederholen.

In den bekannten Verfahren des Elektroschlackeschweißens sind die an die Stromquelle gestellten Anforderungen, die relative Standfestigkeit der Spannung und der Stromstärke und die Kontinuierlichkeit der Stromversorgung maßgeblich. Unter Standfestigkeit ist zu verstehen, daß die Schwankung der Spannung und der Stromstärke im Verlauf des Verfahrens so klein wie möglich sein muß. Die Schwankungsgrenzen sind aufgrund von Erfahrungen, von Untersuchungen bestimmt, wobei im allgemeinen entsprechende Bereiche angegeben werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Wert der Stromstärke, vorzugsweise um mehrere 10 oder insbesondere 100 A, der Wert der Spannung vorzugsweise um mehrere Volt, oder der Wert eines von ihnen durch Pulsation mit der Zeit zu verändern. So hat sich bei unlegierten Konstruktionsstählen das Halten der Stromstärke auf einem konstanten kontinuierlichen Wert als vorteilhaft gezeigt, während die Spannung abwechselnd den Wert U. für die Zeitspanne t., und dann den davon abweichenden Wert U₂ für die Zeitspanne t₀ hat.

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Nach einer anderem Möglichkeit verbleibt die Spannung kontinuierlich konstant, während der Wert der Stromstärke in bestimmten Zeitperioden zwischen I, und I₂ geändert

wird (in diesen Zeitperioden die erwähnten Werte hat). 35

Zwischen den unteren und oberen Werten der Pulsation

erreicht der Unterschied im allgemeinen die Größe von 15% oder mehr. Eine weitere Möglichkeit bietet die An-

Wendung von unterschiedlichen Zeitspannen der Änderung der Werte der Spannung und der Stromstärke, d.h. die kleineren und größeren Werte der Spannung und der Stromstärke wechseln einander für unterschiedliche Zeitspannen ab: für die Zeitspanne t. wird der Wert IL, für die Zeitspanne t₂ der Wert U₂ und unabhängig von diesen für die Zeitspanne t₃ der Wert I₁ und für die Zeitspanne t. der Wert I₂ eingestellt, wobei die Zeitspannen t. , t~, t₃ und t-, die Stromstärken I. und I₂ und auch die Spannungen IL, U₂ den Bedingungen des Elektroschlackeschweißens entsprechend ausgewählt werden sollen. Die Zeitspannen t, , t₂, t₃ und t₄ können sowohl voneinander verschieden als auch einander gleich sein, und es ist vorteilhaft, die Werte t. = t- und t₂ = t. auszuwählen, weil auf diese Weise die Synchronveränderung gewährleistet wird. Je nach den Bedingungen können bei Synchronveränderungen die höheren Werte und die niedrigen Werte gleichzeitig eingestellt werden, es kann aber auch günstig sein, wenn zu dem höheren Wert der Spannung oder der Stromstärke der niedrigere Wert der anderen Größe gehört.

Günstige Schweißbedingungen können bei dem Elektroschlakkeschweißen auch dadurch gewährleistet werden, daß die Stromversorgung durch Unterbrechung des Schaltkreises oder für den Schweißdraht 4 oder das Werkstück 1 oder 2 für kurze Zeitdauer, insbesondere für eine oder mehrere Sekunden, unterbrochen wird. Dazwischen ist der Vorschub des Schweißdrahtes 4 weiter aufrechtzuerhalten. Die Häufigkeit, die Zeitdauer und die Zeitpnkte der Unterbrechung gen sind demgegenüber dadurch zu bestimmen, daß das Material des Schweißdrahtes 4 weiter in die Schmelze 7 übergehen soll und inzwischen das unverändert günstige kristalline Gefüge zu gewährleisten ist. Durch Unterbrechung des Stromwegs wird erreicht, daß sich die Bedingungen sowohl der Wärmezufuhr, als auch der Strömung des geschmolzenen Materials in der Schmelze 7 ändern und dadurch kann das kristalline Gefüge, die Gestalt der Grenz-

schicht 8, modifiziert werden. Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, z.B. etwa 10s dauernde Pulsationsstrecken einige Male nacheinander für die Dauer von je 1s zu unterbrechen.

Zum Nachweisen der günstigen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde in einer oben beschriebenen Anordnung bekannten Aufbaus das Schweißen von verschiedenen Materialien mit der Methode des Elektroschlacke-Schweißens durchgeführt.

Die Umstände und Bedingungen des Schweißens sind in den nachfolgend beschriebenen Beispielen dargestellt. Zum Schweißen wurden ein Schweißdraht von 3 mm Durchmesser

!5 und als Stromquelle eine Speiseeinheit mit flacher Charakteristik für einen Bereich bis 1500 A verwendet, und die Stromquelle wurde auf solche Weise umgebaut, daß sie zur Gewährleistung der nach Bedarf vorzunehmenden Pulsation der Spannung bzw. des Vorschubs des Schweißdrahtes mit geregelter pulsationsartig veränderlicher Geschwindigkeit geeignet war. Zum Vergleich wurden aus den gegebenen Materialien unter Anwendung der bekannten Verfahren des Elektroschlackeschweißens, nämlich durch Anwendung von konstant bleibenden Werten der Stromstärke und Spannung und bei kontinuierlicher Stromversorgung, auch Probestücke gefertigt, die alle den charakteristischen Wert der Schlagarbeit von 35 J bei Raumtermperatur oder höherer Temperatur zeigten.

Beispiel 1

Das Schweißen von unlegiertem Kostruktionsstahl einer Dicke von 30 mm wurde unter Verwendung eines Schweißdrahtes mit 3 mm Durchmesser durchgeführt. Zuerst wurde eine konstante Stromstärke von etwa 550 A eingestellt, während die Spannung abwechselnd zwischen den Werten 31 und 36 V verändert wurde, und zwar derart, daß die Span-

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nung über 3 Sek. hin den Wert 31 V, und dann über 3 Sek. hin den Wert 36 V hatte. Durch die Prüfung der erhaltenen Schweißnaht konnte festgestellt werden, daß die Schlagarbeit bereits bei einer Temperatur von -2O⁰C die Grenze 35 J erreichte.

Beispiel 2

In einer gemäß Beispiel 1 aufgestellten Anordnung wurde die Stromstärke mit der Spannung synchron zwischen 500 A und 800 A verändert. Die niedrigeren Werte 31 V und 500 A wurden 15 s. hindurch und die größeren Werte 36 V und 800 A 12 s'. hindurch gehalten. Die Prüfungen der erhaltenen Schweißnaht zeigten, daß die Schlagarbeit mit dem oben erwähnten Grenzwert der Temperatur zu kennzeichnen ist.

Beispiel 3

Das Schweißen von aus unlegiertem Konstruktionsstahl angefertigten Werkstücken mit 100 mm Dicke wurde gleichfalls unter Verwendung eines Schweißdrahtes mit 3 mm Durchmesser durchgeführt. Wegen der großen Dicke des Materials zeigte es sich als vorteilhaft, zwei Schweißdrähte anzuwenden, die parallel an den gleichen Pol der Stromquelle angeschlossen waren und durch denselben Motor vorgeschoben wurden. Falls das Schweißen der Werkstücke solcher Dicke mit den bekannten Methoden durchgeführt wurde, gelang es nicht immer, den charakteristischen Wert von 35 J Schlagarbeit auch bei Raumtemperatur zu erreichen. Wurde aber die Spannung zwischen 42 V und 48 V und die Stromstärke zwischen 800 A und 1300 A synchron verändert, und zwar für 10 s die niedrigeren Werte und für 8 s die höheren Werte gehalten, so weist die Schlagarbeit den charakteristischen Wert 35 J schon bei einer Temperatur von O⁰C auf. Nach Prüfungen der Schweißnaht ist es günstig, wenn der zugeführte Strom einige Mal für je 1 s unterbrochen wird.

Die Auswertung der zur Zelt zur Verfügung stehenden Prüfergebnisse weisen nach, daß es bei größeren Materialstärken vorteilhaft sein kann, die Schweißdrähte 4 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Spalt 3 vorzuschieben.

Die Stromquelle 5 weist vorteilhaft eine flache Strom-Spannung-Charakteristik auf, weil in diesem Falle die Regelung der Spannung und der Stromstärke in der Stromquelle auf sehr günstige, bereits gut bekannte Weise durchgeführt werden kann: Zur Regelung der Stromstärke soll der Schweißdraht 4 mit zeitlich veränderlicher Geschwindigkeit in den Spalt hineingeführt werden. Dabei soll die Regelung stets entsprechend der Art der

Stromquelle, der Charakeristik vorgenommen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die auch zur Verwirklichung des vorgeschlagenen Verfahrens dient, weist eine mit der Stromquelle 5 verbundene Steuereinheit auf (Fig. 2), die, in Reihe geschaltet, einen Betriebsartwähler 21, eine logische Einheit 22 und einen Impulsgenerator 26 enthält, wobei der Impulsgenerator 26 mit astabilen MuI ti vibratoren 23, 24, 25 verbunden 1st. Die Ausgänge des Impulsgenerators 26 sind zur Stromquelle 5 bzw. zu einem Regler 29 geführt, wobei der Regler 29 zur Steuerung des Motors 10 vorgesehen ist. Es sind eine Potentiometereinheit 27 mit der Stromquelle 5, und eine Potentiometereinheit 30 mit dem Regler 29 verbunden.

Die Steuereinheit arbeitet auf folgende Weise. Mit dem

Betriebsartwähler 21 wird eine gewünschte Betriebsart eingestellt. Die logische Einheit 22 gewährleistet entsprechend der Einstellung die erwünschte Betriebsart des

Impulsgenerators 26, der Stromquelle 5 und des Reglers 35

29. Die Anwendung der astabilen MuItivibratoren 23, 24, 25 gewährleistet die Einstellung zu den niedrigeren und den höheren Werten der Stromstärke und der Spannung ge-

hörenden Zeitspannen sowie die Einstellung der Zeitspanne und der Häufigkeit der Unterbrechungen. Der Einstellung entsprechend ändern die Potentiometereinheit 27 die Spannung und die Potentiometereinheit 30 die Drehgeschwindigkeit des Motors 10. Die letzte sichert auf solche Weise den entsprechenden Wert der Stromstärke durch die eingestellte Zeitdauer.

Der Impulsgenerator 26 kann mit weiteren astabilen MuI-tivibratoren versehen werden, die zur Regelung von weiteren, zu dem Regler 29 parallel und dazu ähnlichen Reglern geeignet sind, falls mehrere Schweißdrähte 4 angewendet werden, deren Vorschubgeschwindigkeiten unterschiedlich sein soll.
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Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Schweißnähte hergestellt werden, die im Vergleich zu den durch die bekannten Verfahren hergestellten durch eine bessere Qualität des kristallinen Gefüges und dadurch von Schlagarbeit und Zähigkeit mit höheren Werten zu kennzeichnen sind.

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Claims (10)

1. ι ··

   '»' -PATENTANWÄLTE··* ^V' 330A 469

   VIERING & JENTSCHURA

   zugelassen beim Europäischen Patentamt European Patent Attorneys — Mandataires en Brevets Europeens

   DipWng. Hans-Martin Viering · DipMng. RoK Jentschura · Steinsdorfstraße 6 · D-8000 München Anwaltsakte 4229

   Csepel Müvek Egyedi Gepgyära Budapest/Ungarn

   Elektroschlackeschweißverfahren und Vorrichtung zur Elektroschlackeschweißung

   Patentansprüche

   Elektroschlackeschweißverfahren, bei welchem die optimalen Größen und Größenbereiche der zum Schweißen not-

   wendigen Spannung und Stromstärke sowie der Weite eines vertikalen Spaltes zwischen den zu verschweißenden Werkstücken bestimmt werden, die Werkstücke derart aufgestellt werden, daß der Spalt optimaler Weite zwischen ihnen gewährleistet wird, der Spalt seitlich abge-

   schlossen wird, ein Schweißdraht in den Spalt hineingeführt wird, der Schweißdraht und zumindest eines der Werkstücke an jeweils einen der Pole einer die Stromstärke und Spannung von in den optimalen Bereichen liegenden Werten liefernden Stromquelle angeschlossen wer-

   den und durch Einschaltung der Stromquelle das Schweißen durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des kristallinen Gefüges der Schweißnaht die Stromstärke und/oder die Spannung in dem unter dem Gesichtspunkt der Erzielung des optimalen kristallinen

   I/p -2-

   Telefon (089) 293413 und 293414 · Telefax (089) 222066 ■ Telex 5212306 jepa d · Telegramm Stelnpat München

   Gefüges der Schweißnaht bestimmten Wertbereich durch Pulsation, vorteilhaft periodisch, verändert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Veränderung der Stromstärke und/oder der Spannung der Weg des zu dem Werkstück und/oder des Schweißdrahtes geführten Stromes für kurze Zeit, vorteilhaft periodisch, unterbrochen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung und die Stromstärke unabhängig voneinander verändert werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke und die Spannung miteinander synchron verändert werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke durch Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit des Schweißdrahtes verändert wird.
6. 6. Vorrichtung zum Elektroschlackeschweißen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Stromquelle, deren Pole an durch einen Spalt voneinander getrennte Werkstükke bzw. an einem Schweißdraht angeschlossen sind, und mit einem den Schweißdraht in den Spalt hineinführenden Vorschubgerät, dadurch gekennzeichnet, daß die

   Stromquelle (5) eine die Spannung und die Stromstärke

   des Schweißstromes den Bedingungen des Schweißens entsprechend impulsartig verändernde Steuereinheit aufweist, die mit einem Motor (10) des Vorschubgerätes in Steuerverbindung steht.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit in Reihe geschaltet einen

   Betriebsartwähler (21), eine logische Einheit (22)

   und einen Impulsgenerator (26) enthält, wobei der Impulsgenerator (26) einerseits an die Stromquelle (5) und andererseits an einen Regler (29) des Motors (10) angeschlossen ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit zu zeitlich bestimmter, vorteilhaft periodischer Unterbrechung der Strom-Versorgung der Werkstücke (1, 2) und/oder des Schweißdrahtes (4) geeignet ausgebildet ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit mit astabilen MuItivibratoren (23, 24, 25) versehen ist, die an den Impulsgenerator (26) geschaltet sind.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit mehrere Regler

    (29) enthält, die parallel geschaltet sind und denen je ein astabiler Multivibrator (23) im Impulsgenerator (26) zugeordnet ist.