DE3328204C2

DE3328204C2 - Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren

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Publication number: DE3328204C2
Application number: DE19833328204
Authority: DE
Inventors: Viktor Aleksandrovi&ccaron; Bukarov; Vladimir Aleksandrovi&ccaron; Moskva Chavanov; Nina Alekseevna Frolova; Jurij Semenovi&ccaron; I&scaron;&ccaron;enko; Vladislav Vasil'evi&ccaron; Ro&scaron;&ccaron;in
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-28
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1986-12-18
Also published as: DE3328204A1; DD230812A1; SE8302488D0; SE461198B; SE8302488L; CS235162B1

Abstract

Das Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren mit nichtabschmelzender Elektrode besteht in folgendem. Vor der Schweißung werden die Kanten (5, 6) einer Stoßverbindung (1) zwecks Erhaltung einer Abstumpfung (7) bearbeitet und die Elektrode für die ganze Tiefe (h) der Nahtfuge abgesenkt. Dann werden im ersten Durchlauf die Abstumpfung (7) in der gesamten Dicke (δo) aufgeschmolzen und eine Nahtwurzel (8) der ersten Lage (9) ausgebildet. Bei jedem nachfolgenden Durchlauf wird die Energie des Lichtbogens (4) pro Längeneinheit gegenüber dem vorhergehenden Durchlauf geändert. Bei Erreichen einer Tiefe von h ~ (0,3 bis 0,4) δ der Nahtfuge und deren Breite von B ~ (1,0 bis 1,3)h wird die Elektrode (2) aus dem Bereich der Nahtfuge entfernt und über der Oberfläche der Stoßverbindung (1) im Bereich des Stoßes (3) angeordnet. Ferner wird die Energie des Lichtbogens (4) pro Längeneinheit gegenüber dem vorhergehenden Durchlauf sprunghaft erhöht, und die Kanten (5b, 6b) der Stoßverbindung (1) werden unter Ausbildung einer Lage (13) auf der Oberfläche der Verbindung vollständig aufgeschmolzen, worauf die Energie des Lichtbogens (4) pro Längeneinheit von Durchlauf zu Durchlauf geändert wird.

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren mit nicht abschmelzender Elektrode, bei dem die bearbeiteten Fugenflai.ken der zu verbindenden gekrümmten Werkstückteile einen Winkel einschließen und im Bereich der Fugenwurzel stumpf aneinanderstoßen, bei dem die Elektrode zur Erzeugung einer Wurzelnaht in die Fuge abgesenkt und der Bereich der Fugenwurzel in seiner gesamten Dicke aufgeschmolzen wird, bei dem die Füllnahtlagen einseitig ohne Zusatzmaterial jeweils unter teilweiser Abschmelzung und gleichzeitiger thermoplastischer Verformung der Fugenflanken, die jeweils eine Verminderung des Fugenwinkels bewirkt, hergestellt werden, wobei die jeweilige Höheneinstellung der Elektrode dem Füllungsgrad der Fuge angepaßt wird.

Bei Verfahren dieser Art, wie sie beispielsweise aus der SU 7 40 429 bekannt sind, ist das Anlegen von äußeren Zugkräften beim Montieren und Schweißen des Erzeugnisses erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, das mit einer einfachen Ausrüstung bei geringen Schweißkosten eine Schweißnaht J hoher Qualität liefert ohne daß die Eigenschaften in den an die Naht anstoßenden Zonen beeinträchtigt werden.

' Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Fugenflanken in dem Bereich, in dem die Werkstücksteile stumpf aneinanderstoßen, auf der der Elektrode gegenüberliegenden Seite in Form zweier koaxial geneigter , Cbenen mit verschiedenen Neigungswinkeln zur Werkstücksoberfläche bearbeitet werden, wobei der Nei-

F; gungswinkel der von diesem Bereich weiier entfernten geneigten Ebene kleiner als der Neigungswinkel der an

'^ij diesem Bereich anliegenden geneigten Ebene ist, und für jede der Wurzelnaht folgenden Nahtfüllungslage die

/ Energie des Lichtbogens pro Längeneinheit jeweils verändert wird, und zwar bis zur Auffüllung der Fuge auf

eine bestimmte Tiefe h, bei der die Fugenbreite B ;= 1,0 bis 1,34 beträgt und bis zu der die Elektrode in die Fuge eintaucht unter Beachtung der folgenden Bemessungsregel

erhöht, danach bis zur Ausbildung einer Decklage einmalig sprunghaft erhöht und danach weiter vermindert wird, unter Beachtung der folgenden Bemessungsrejel:

i.-(a-«,.,)· ίο⁴ 1"-7--TtI.

worin bezeichnen:

q =/ χ U Lichtbogenenergie, W/s ν Lichtbogenbewegungsgeschwindigkeit, cm/s

δ Dicke der Stoßverbindung, cm

Λι Tiefe der Nahtfuge nach einem (n - 1 )-ten Durchlauf, cm

h Tiefe der Nahtfuge, d. h. ein Abstand der Oberfläche der Schweißstücke von der Oberfläche der Lage

B Fugenbreite, nämlich ein Abstand zwischen den abgeschrägten Kanten auf der Oberfläche der Verbindung

k₂ 3,2 bis 3,8

η laufende Nummer eines Durchlaufs

Zc₁ Erfahrungszahl von 1,15 bis 1,35

δι Dicke der Lage beim ersten Durchlauf, cm ρ Krümmungsradius der Oberfläche der Schweißstücke

m„-\ Größe des Meniskus.

Vorherige Fugenbearbeitungen sind an sich bekannt, jedoch setzt das Verfahren nach der SU 5 18 292 die Anordnung der Schweißstücke mit einem genau vorher vorbestimmten Spalt voraus.

Auch bei dem Verfahren nach der US 34 94 019 ist eine Vorbehandlung der Fugenkanten vorgesehen, jedoch erfordert dieses Verfahren die Füllung des aufgeschmolzenen Spaltes mit einem Schweißzusatzwerkstoff.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Fugenflanken an der Nahtwurzel gestattet es, in der Naht selbst und in dem an dieser anliegenden Bereich eine Ausbeulung der Oberfläche infolge thermoplastischer Verformung der Schweißverbindung zu vermindern und damit einen allmählicheren Übergang der Nahtoberfläche in die Oberfläche der Verbindung zu ermöglichen. Das letztere läßt die Entstehung von Konzentrationen mechanischer Beanspruchung verhindern sowie die Güte der Schweißverbindung und deren Betriebseigenschaften verbessern. Dabei ist die Notwendigkeit, die geneigten Seitenflächen mit verschiedenen Neigungswinkeln αϊ und 02 auszuführen, durch verschiedene Verfonr.ungsgrade der Naht und der an dieser anliegenden Zonen des Metalls bedingt.

Am intensivsten und in einem stärkeren Maße treten die Verformungen im Nahtbereich auf, deshalb ist der Neigungswinkel ot2 der Seitenfläche der an der Abstumpfung anliegenden geneigten Ebene (im Nahtbereich) an dieser Stelle größer. In dem von der Abstumpfung weiter entfernten Bereich verlaufen die Verformungen weniger intensiv als in dem der Abstumpfung anliegenden Bereich. Dies ist auf die kleinere Temperatur der Erwärmung des Metalls des weiter liegenden Bereichs und auf dessen höhere Festigkeitswerte zurückzuführen, weshalb der Neigungswinkel oti der Seitenfläche der von der Abstumpfung weiter entfernten geneigten Ebene kleiner ist.

Die Ausführung der nachfolgenden Durchläufe mit sich von Durchlauf zu Durchlauf ändernden Parametern unter Beachtung der Bedingung

sichert das Auftreten maximaler thermoplastischer Verformungen bei einer zunehmenden Dicke einer sich |

ausbildenden Naht, die zu einer Verringerung des Fugenwinkels führen, und die Füllung des Raumes zwischen '%

den Fugenkanten mit dem Metall der Lage durch eine genügend volle Ausnutzung der Lichtbogenenergie in der Stoßfuge und durch Schaffung der erforderlichen Heizzone an den Stoßstellen bei genügend kalten anderen Stellen. Die vorgeschlagene Änderungsfolge der Energie pro Längeneinheit von Durchlauf zu Durchlauf berücksichtigt die Zunahme (δ - h„- \) der Dicke der sich ausbildenden Naht, die Änderung

der Steifigkeit der Verbindung, die Krümmung

\2ρδ)

der zu schweißenden Stoßverbindung und die Heizstufe, die auf die vorangegangenen Durchläufe zurückzuführen ist Die angeführten Abhängigkeiten sind auf Grund zahlreicher Versuchswerte erhalten. Die Schaffung der Bedingungen für das Auftreten der maximalen thermoplastischen Verformungen führt zur Reduzierung der Anzahl der Durchläufe und also zur Steigerung der Schweißleistung. Darüber hinaus schaffen die maximalen thermoplastischen Verformungen Bedingungen für eine gleichmäßige Verformung des Metalls der Lage in Richtung der Nahtfuge und der Nahtwurzel, und dies verbessert die Güte der Schweißverbindung.

Die Ausführung der Operation zur Entfernung der Elektrode aus der Nahtfuge, deren Anordnung über der Oberfläche der Schweißverbindungen im Bereich der Stoßkanten bei Erreichen einer Tiefe der Nahtfuge von h S (0,3 bis 0,4) δ und deren Breite von B < (1,0 bis 13) h führt zur Vereinfachung der nachfolgenden Operationen, speziell zur Lockerung der Forderungen nach einer exakten Elektrodenführung über die Stoßfuge, und dies vereinfacht die Schweißtechnologie, die Ausrüstung und setzt die Ansprüche an die Qualifikation des Operators

ίο bzw. Schweißers herab. W;is die Erfüllung der Bedingungen Λ < (0,3 bis 0,4) δ und B < (1.0 bis 1.3) Λ anbetrifft, so sind sie durch die Durchsehweißeigenschaften des Lichtbogens unter Schutzgas festgelegt. Bei der Ausführung des Durchiaufs nach der Entfernung der Elektrode aus dem Bereich der Nahtfuge wird die Lichtbogenenergie pro Längeneinheit unter der Voraussetzung sprunghaft erhöht, daß eine vollständige Abschmelzung der Stoßkanten gewährleistet ist Bei Nichterfüllung der obengenannten Voraussetzungen ergibt eine beliebige Erhöhung der Lichtbogenenergie pro Längeneinheit kein erwünschtes Resultat Im Ergebnis der vollständigen Abschmelzung der Kanten bildet sich eine Lage auf der Oberseite der Stoßverbindung aus, was die Ausführung der nachfolgenden Durchläufe vereinfacht, und zwar es entfällt die Elektrodenführung über die Oberfläche der Lage in der Tiefe der Nahtfuge usw.

Hierbei wird die Lichtbogenenergie pro Längeneinheit bei den nachfolgenden Durchläufen von Durchlauf zu Durchlauf gleichfalls geändert, deren Wert unter Beachtung der Bedingung ermittelt wird:

ΓΑ. JLl

L<5 Pol

Die aufgeführte Abhängigkeit ist ausgehend von zahlreichen Versuchswerten erhalten und berücksichtigt eine Vergrößerung der Steifigkeit (δ - m„-\) der Stoßverbindung von Durchlauf zu Durchlauf und die obengenannten Faktoren.

Bei einem durch die aufgeführte Formel gegebenen Betrieb entstehen thermoplastische Verformungen, die für eine rasche Beseitigung der Nahtabschwächung (m„-\), d. h. des Meniskus, und für die Ausbildung einer Naht so von hoher Qualität sorgen.

Jeweils vor dem Herstellen einer Füllnahtlage ist es zweckmäßig, einen Teil des Werkstücks vorzuwärmen, unter Beachtung der Bemessungsregel:

7i < Γ si (0,2 bis 0,4) Γ,
worin bezeichnen

T Temperatur der Erwärmung eines Teils des Werkstücks, ° C

Γι Schmelztemperatur des Metalls des Werkstücks, ° C
Ti Temperatur des übrigen Teils des Werkstücks, ° C.

Eine derartige Operation vergrößert die Ungleichmäßigkeit der Erhitzung der Stoßverbindung, und dies intensiviert seinerseits thermoplastische Verformungen und beschleunigt also den Vorgang der Verringerung des Fugenwinkels und der Füllung des Raumes zwischen ihnen mit Metall. Im Endeffekt vermindert das die Anzahl der Durchläufe und erhöht die Schweißleistung. Die Notwendigkeit, die Temperatur T < (0,2 bis 0,4)Ti zu sichern, ist durch die mechanischen Eigenschaften des Schweißmetalls bedingt Gerade im Temperaturbereich von (0,2 bis 0,4)Tj sinkt bei den meisten Metallen die Festigkeitsgrenze stark ab. was in unserem Fall für die Intensivierung der Verformung erforderlich ist Bei einer Temperatur eines Teils der Stoßverbindung unterhalb h5 der Temperatur Ti des übrigen Teils der Stoßverbindung nimmt die Ungleichmäßigkeit in der Krwänminjr der Stoßverbindung zu, was eine intensivere Verformung bewirkt, wodurch die Nahtverstärkung beschleunigt wird. Vorteilhaft steigt bei der einmaligen sprunghaften Erhöhung der Energiedichte des Lichtbogens diese um das 1 Ji- bis 2f;ichc gegenüber der vorhergegangenen.

Die Erhöhung der Konzentration der Lichtbogenenergie reduziert deren Abgabe an das Umgebungsmedium und vergrößert ihr Durchschweißvermögen. Außerdem führt dies zu einer großen Ungleichmäßigkeit in der Erhitzung der Verbindung und gewährleistet einen intensiven Verlauf der thermoplastischen Verformungen in einem größeren Volumen. Das letztere tut in der Schlußphase der Erhaltung der Schweißverbindung am meisten not, wenn deren Steifigkeit Maximalwerte erreicht. Die Zahlenwerte 1,5 bis 2 sind in den physikalischen Möglichkeiten eines Argonlichtbogens begründet. Es ist technisch kompliziert, eine mehr als zweifache Energiedichte des Argonlichtbogens zu erhalten.

Vorteilhaft gehorcht der Neigungswinkel der anliegenden geneigten Fläche folgender Bemessungsregel:

0,09... 0,11

Ct₂ = arc tan

1,1... 1,3 x

worin bezeichnen:

ρ Krümmungsradius der Oberfläche der Schweißstücke, cm

δ Dicke der Stoßverbindung, cm

b Breite der Lage im ersten Durchlauf, cm.
Dies wurde aufgrund von zahlreichen Versuchswerten gefunden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Flg. 1 schematisch einen Querschnitt durch Nahtfuge und Fugenflanken,
Fig. 2 eine Schweißnaht bei der Ausführung des ersten Durchlaufs n\ im Querschnitt,
Fig. 3 eine Schweißnaht mit der ersten Lage in Draufsicht,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Änderung der Energie -^- pro Längeneinheit von Durchlauf zu Durchlauf "n",

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Schweißnaht bei der Ausführung der nachfolgenden Durchläufe m,

Fig. 6 eine Schweißnaht bei Erreichen einer Tiefe von h S (0,3 bis 0,4) δ der Nahtfuge und deren Breite von ß< (l,0bisl.3)A,

Fig. 7 eine Schweißnaht nach der Ausführung des Durchlaufs, bei dem die Lichtbogenenergie pro Längeneinheit sprunghaft erhöht worden ist,

Fig. 8 eine fertige Schweißnaht,

Fig. 9 eine Schweißnaht nach zusätzlicher Erhitzung eines Teils des Werkstücks.

Das Schutzgas-Mehrlagenlichtbogenschweißverfahren wird wie folgt verwirklicht.

Vor der Schweißung werden zur Bildung der Nahtfuge die Fugenflanken bearbeitet: zum Lichtbogen hin werden Abschrägungen mit einem Winkel α (Fig. 1) zur Vertikalen und an der dem Lichtbogen entgegengesetzten Seite solche mit Winkeln at und 012 ausgeführt, wobei der Neigungswinkel αϊ der Seitenfläche der von der Abstumpfung entfernten geneigten Fläche zur Horziontalen kleiner als der Neigungswinkel ot2 der Seitenfläche der an der Abstumpfung anliegenden geneigten Fläche zur Horizontalen ausgeführt ist. Die Fugenkanten werden in der Weise bearbeitet, daß eine Abstumpfung mit einer Dicke von cfe erhalten wird. Dann wird eine Stoßverbindung 1 (Fig. 2) hergestellt, wobei deren Steifigkeit mit Hilfe von speziellen Vorrichtungen oder Heftungen (s. F. A. Hromchenko, "Schweißung der Ausrüstung von Elektrizitätswerken", Verlag "Energia", Moskau. 1977, S. 165 bis 167, Fig. 7 —4) gewährleistet wird.

Nach dem Herstellen der Stoßverbindung 1 wird die Elektrode 2 (Fig. 2) für die ganze Tiefe h der Nahtfuge unter Berücksichtigung der Lichtbogenlänge abgesenkt, wobei sie (Elektrode) über dem Stoß 3 angeordnet wird. Zwischen der Elektrode 2 und dem Stoß 3 wird ein Lichtbogen 4 gezündet, der durch eine teilweise Aufschmelzung des Metalls von den Fugenkanten 5 und 6 ein vollständiges Durchschweißen der Dicke d₀ einer Abstumpfung 7 unter Ausbildung einer Wurzelnaht 8 der ersten Lage 9 verwirklicht Indem der Lichtbogen 4 mit einer Geschwindigkeit ν (Fig. 3) entlang des Stoßes 3 bewegt wird, bildet sich die Lage 9 aus. Hierbei wird im Metall längs des Stoßes 3 und in einer zu diesem senkrechten Richtung eine ungleichmäßige Erwärmung erzeugt

Auf den mit dem Lichtbogen 4 kontaktierten und an der Lage 9 anliegenden Abschnitten ist die Temperatur des Metalls höher als die auf den von der Lage 9 entfernt liegenden Abschnitten, deshalb ist das Metall auf den an der Lage 9 anliegenden Abschnitten bestrebt, sich weiter als das Metall auf den entfernt liegenden Abschnitten auszudehnen, weshalb im Bereich der Lage 9 Druckkräfte entstehen, die eine plastische Verformung der Lage 9 in dem dem Schweißbad 10 anliegenden Bereich hervorrufen. Das letztere führt zur Verringerung des Fugenwinkels α (Fig. 1) und zur Füllung des Raumes zwischen den Fugenkanten 5 und 6 mit dem Metall der Lage 9 (Fig. 2). Die Fugenkanten 5 und 6 nehmen eine neue Stellung 5a und 6a ein.

Nach der Ausführung des ersten Durchlaufs /Ji (Fig. 4) mit einer Energie — pro Längeneinheit, mit deren Hilfe die Dicke δο (Fig. 1) der Abstumpfung 7 vollständig durchgeschmolzen und die erste Lage 9 (Fig. 2) mit einer Dicke von δι ausgebildet wurden, wird ein zweiter Durchlauf n₂ vollzogen. Hierbei wird die Energie—pro

Längeneinheit unter der Bedingung einer unvollständigen Durchschmelzung der Dicke δι gewählt Ferner wird die Lichtbogenenergie pro Längeneinheit bei jedem nachfolgenden Durchlauf von 112 bis n-, gegenüber dem vorgehenden gemäß einer Kurve 11 (Fig. 4) geändert, die durch die folgende Abhängigkeit beschrieben wird:

Infolge der Ausführung der Durchläufe /J₂ bis ti\ mit der geänderten Energie pro Längeneinheit nähern sich die Fugenkanten 5 und 6 (Fig. 5) einander, wobei sie die Stellungen 5a, 6a; 5b, 6b usw. einnehmen, die Fugenbreite fällt auf Werte von B\, Bi, Bz ab und erreicht einen Wert von B ^ (1,0 bis 1,3)/!,während das Metall infolge einer plastischen Verformung des Metalls der Lagen den Raum zwischen den Fugenkanten füllt, und die Tiefe der Nahtfuge fällt auf Werte A)₁ A₂, A₃ ab und erreicht einen Wert von A < (0,3 bis 0,4).

Im weiteren wird die Elektrode 2 (Rg. 6) aus dem Bereich der Nahtfuge herausgeführt und über der Oberfläehe der Schweißverbindungen symmetrisch um die Kanten 5b und 6b usw. angeordnet. Dann wird die Lichtbogenenergie pro Längeneinheit gemäß einer Kurve 12 (Fig. 4) im Vergleich zu dem vorhergehenden Durchlauf sprunghaft erhöht. Beim n/-ten Durchlauf werden die Kanten der Stoßverbindung 1 unter Ausbildung einer Lage 13 (Fig. 7) mit einer Größe "m" des Meniskus auf der Oberfläche der Verbindung ganz abgeschmolzen.

Danach wird die Energie -^- pro Längeneinheit gemäß einer Kurve 14 (Fig. 4) vom π,-ten Durchlauf bis zum letzten Durchlauf geändert, die durch die Abhängigkeit beschrieben wird:

V L ö J

Auf Grund der plastischen Verformung des Metalls der Lagen 13 nimmt die Größe "nf des Meniskus auf 0 ab, worauf eine Überhöhung einer Naht 16 (Fig. 8) erscheint. Die Durchläufe werden bis zur Erhaltung der erforderlichen Verstärkung der Naht 16 ausgeführt Zur Intensivierung der thermoplastischen Verformung.

nämlich zur Beschleunigung des Vorganges der Verringerung des Fugenwinkels α der Fugenkanten 5 und 6 (Fig. 2) und der Füllung des Raumes zwischen ihnen bei jedem nachfolgenden Durchlauf eines Teiles 15 (Fig. 9) der Stoßverbindung 1, wo demnächst Lagen 9a oder 96(Fig. 8) usw. sowie 13 oder 13a usw. aufgetragen werden sollen, mit Metall, erfolgt eine zusätzliche Erhitzung auf eine Temperatur von (0,2 bis 0,4) T₁, wo Γι die Schmelztemperatur des Metalls der Stoßverbindung in °C ist Der Teil 15 (Fig. 9) der Stoßverbindung 1 wird in Richtung der Auftragung der Lagen und in einer zur Richtung der Auftragung der Lagen senkrechten Richtung erwärmt Die Abmessungen des zu erwärmenden Teiles 15 der Stoßverbindung werden entsprechend der Bedingungen einer maximalen Füllung des Raumes zwischen den Kanten 5 und 6 oder 5a,6a usw. mit dem Metall der Lagen gewählt. Das Obengenannte führt zur Reduzierung der Anzahl der Durchläufe und zur Erhöhung der Schweißleistung.

Ferner wird die Konzentration des Lichtbogens 4 nach der Ausbildung der Lage 13 (Fig. 7) auf der Oberseite der Stoßverbindung 1 um das 1,5- bis 2fache erhöht, was die Energieabgabe an das Umgebungsmedium vermindert und die Erhitzung des Teiles 15 (Fig. 9) der Stoßverbindung steigert wo die Lage gerade aufgetragen wird. Dies vergrößert seinerseits die Ungleichmäßigkeit der Erhitzung der Stoßverbindung 1 noch mehr und ruft eine Intensivierung der thermoplastischen Verformung hervor.

Bei der Ausführung der Durchläufe mit einer geänderten Energie pro Längeneinheit gemäß der Kurve 11 (Fig. 4) wird der Lichtbogen 4 in der Tiefe der Nahtfuge in einer zur Schweißrichtung senkrechten Richtung verschoben, was den Vorgang der Abschmelzung der Kanten 5, 6 oder 5a, 6a usw. intensiviert und also die Füllung des Raumes zwischen den Kanten mit Metall beschleunigt
Bei der Ausführung der Durchläufe mit einer geänderten Energie pro Längeneinheit gemäß der Kurve 14 (Fig. 4) führt eine Abweichung des Lichtbogens 4 von der Mitte der Lage 13 oder 13a (Fig. 7) usw. zu einer Ausdehnung der Heizzone des Teiles 15 (Fig. S) der Stoßverbindung 1, was den Verlauf der thermoplastischen Verformungen intensiviert

Beispiel 1

Bei der Schweißung von Stößen bei Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 108 mm und einer Wanddicke von 9 mm aus arstenitischen Stählen mit nichtabschmelzender Elektrode unter Argon wurden die Kanen wie folgt vorbearbeitet: der Winkel α seitens des Lichtbogens betrug 10°, der Winkel a₂ wurde nach der Formel ( berechnet:

55

0,09 · I
a₂ = arctg = arctg 0,48 = 26°,

αϊ wurde zweimal kleiner, d. h. gleich 13°, die Dicke δο der Abstumpfung gleich 2,5 mm angenommen.

Die Elektrode wurde für die ganze Tiefe der Nahtfuge abgesenkt wobei der Abstand zwischen dem Elektrodenende und dem Stoß gleich 1 mm gewählt wurde. Es wurden ein Lichtbogen gezündet (gebildet) und ein erster

Durchlauf mit einer vollständigen Durchschmelzung der Dicke der Abstumpfung bei einer Energie von — =

11 900 W/cm pro Längeneinheit ausgeführt Dann wurde die Tiefe A₍ =034 cm der Nahtfuge nach dem ersten Durchlauf gemessen. Nachher wurde die Energie pro Längeneinheit zur Verwirklichung eines zweiten Durchlaufes gemäß der Abhängigkeit (1) ermittelt:

^ - (0.9 bis 0,34) · ,0« y^gr - TT—Öj] - ^{14 30}°

Es wurde der zweite Durchlauf ausgeführt, worauf die Tiefe Λ2 der Nahtfuge nach dem zweiten Durchlauf gemessen, die Energie pro Längeneinheit zur Verwirklichung eines dritten Durchlaufes gemäß einer ähnlichen

Abhängigkeit — usw. ermittelt wurden.

Nach der Ausführung eines vierten Durchlaufes, wo die Tiefe Λ4 der Nahtfuge 0,25 cm betrug und deren Breite B = 0.30 cm war, wurde die Elektrode aus dem Bereich der Nahtfuge herausgeführt und über die Oberfläche der zu schweißenden Rohrleitungen symmetrisch um die Fugenkanten angeordnet Dann wurden die Lichtbogenenergie pro Längeneinheit durch Stromerhöhung auf einen Wert von 18 900 W/cm sprunghaft erhöht und ein fünfter Durchlauf vorgenommen, bei dem die Stoßkanten unter Ausbildung einer Lage auf der Oberfläche der Verbindung ganz abgeschmolzen wurden. Nach der Ausführung des fünften Durchlaufes wurde die Größe m des Meniskus gemessen, sie betrug 0,15 cm. Zur Verwirklichung eines sechsten Durchlaufes wurde der Wert der Energie pro Längeneinheit auf Grund der Abhängigkeit (II) ermittelt:

-^- = (0,9 bis 0,15) · 10⁴ ["is|- bis = 20000 W/cm.

Γ Es wurde der sechste Durchlauf ausgeführt, worauf die Größe m des Meniskus nach dem sechsten Durchlauf

ι¹.·; gemessen, die Energie pro Längeneinheit zur Verwirklichung eines siebenten Durchlaufes ausgehend von einer

j ähnlichen Abhängigkeit — usw. bestimmt wurden.

N ach dem neunten Durchlauf verschwand der Meniskus, und die Nahtverstärkung machte 0,03 cm aus.

Nach der Durchführung der obengenannten Operationen ergab sich also eine gleichfeste Schweißverbindung mit einer gleichmäßigen Nahtverstärkung nach dem Nahtumfang mit folgenden mechanischen Eigenschaften: Festigkeitsgrenze, kp/mm² 60,4 bis 67,4 Biegewinkel,⁰ 180 Schlagzähigkeit, kpm/cm²12,4 bis 16,5

Beispiel 2

! Die Schweißung der Stöße von Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 108 mm und mit einer Dicke von

9 mm aus austenitischen Stählen mit nichtabschmelzender Elektrode unter Argon wurde in Analogie zum im Beispiel 1 Gesagten durchgeführt, nur daß nach Abschluß des ersten Durchlaufes ein Teil der Stoßverbindung zusätzlich auf eine Temperatur von Γι =400° C erwärmt wurde, bei der zu dieser Zeit die Lage aufgetragen wurde. Es wurde die Tiefe Ai =0325 cm der Nahtfuge nach dem ersten Durchlauf gemessen, wobei der erste Durchlauf mit einer Energie von 11 900 W/cm pro Längeneinheit verwirklicht wurde. Unter Berücksichtigung einer Verminderung der Tiefe der Nahtfuge nach dem ersten Durchlauf, d. h. einer Beschleunigung der Füllung des Raumes zwischen den Kanten mit Metall, betrug die Energie pro Längeneinheit zur Verwirklichung des zweiten Durchlaufes-^- = 13 100 W/cm.

Nach der Ausführung des dritten Durchlaufes belief sich die Tiefe Λ3 der Nahtfuge auf 0,28 cm und deren Breite auf B = 030 cm. Dann wurde die Lichtbogenenergie pro Längeneinheit auf einen Wert von 19 150 W/cm sprunghaft geändert, es wurde ein vierter Durchlauf unter einer vollständigen Abschmelzung der Stoßkanten und unter Ausbildung einer Lage auf der Oberfläche der Verbindung durchgeführt Nach der Ausführung des

vierten Durchlaufes wurde die Größe m des Meniskus gemessen, die 0,15 cm betrug. Der Wert der Energie —,

-^- usw. pro Längeneinheit zur Verwirklichung eines fünften und der nachfolgenden Durchläufe wurde auf

Grund der im Beispiel 1 aufgeführten Abhängigkeit (II) berechnet Nach dem achten Durchlauf verschwand der Meniskus, und die Nahtverstärkung betrug 0,03 cm. Die Festigkeitswerte der erhaltenen Naht sind analog zu den im Beispiel 1 aufgeführten.

Die zusätzliche Erhitzung eines Teiles der Stoßverbindung führt also zu einer Verringerung der Anzahl der Durchläufe, einer Verkürzung der Schweißzeit für eine Stoßverbindung und folglich zu einer Erhöhung der Schweißleistung.

Beispiel 3

Die Schweißung der Stöße der Rohrleitungen erfolgte analog zu dem im Beispiel 2 Gesagten, nur daß nach der Ausführung des vierten Durchlaufes, bei dem die Stoßkanten unter Ausbildung einer Lage auf der Oberfläche der Verbindung vollständig abgeschmolzen wurden, die Energiedichte um das 1,5fache durch Formänderung des wirksamen Teiles der nichtabschmelzenden Elektrode vergrößert wurde. Nach Beendigung des fünften Durchlaufes wurde die Größe m des Meniskus gemessen, die 0,04 cm betrug, während die Größe m des Meniskus nach dem fünften Durchgang im Beispiel 2 0,06 cm ausmachte. Zur Verwirklichung des sechsten Durchlaufes betrug

ί Oe

! die Energie — =22 900 W/cm pro Längeneinheit Nach dem siebenten Durchlauf verschwand der Meniskus,

während die Nahtverstärkung 0,03 betrug. Die Festigkeitswerte der erhaltenen Naht sind ähnlich wie im Beispiel

Die Vergrößerung der Konzentration der Uchtbogenenergie hat also eine noch größere Verringerung der || Anzahl der Durchlaufe, eine Verkürzung der Schweißzeit für eine Stoßverbindung und eine entsprechende f§ Steigerung der Schweißleistung zur Folge. §§ Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20 ^;;

Claims

Patentansprüche

1. Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren mit nicht abschmelzender Elektrode, bei dem die bearbeiteten Fugenflanken der zu verbindenden gekrümmten Werkstückteile einen Winkel einschließen und im Bereich der Fugenwurzel stumpf aneinanderstoßen, bei dem die Elektrode zur Erzeugung einer Wurzelnaht in die Fuge abgesenkt und der Bereich der Fugenwurzel in seiner gesamten Dicke aufgeschmolzen wird, bei dem die Füllnahtlagen einseitig ohne Zusatzmaterial jeweils unter teilweiser Abschmelzung und gleichzeitiger thermoplastischer Verformung der Fugenflanken, die jeweils eine Verminderung des Fugenwinkels bewirkt, hergestellt werden, wobei die jeweilige Höheneinstellung der Elektrode dem Füllungsgrad der Fuge angepaßt wird, dadurch gekennzeichnet daß die Fugenflanken in dem Bereich, in dem die Werkstückteile stumpf aneinanderstoßen, auf der der Elektrode gegenüberliegenden Seite in Form zweier koaxial geneigter Ebenen mit verschiedenen Neigungswinkeln zur Werkstücksoberfläche bearbeitet werden, wobei der Neigungswinkel der von diesem Bereich weiter entfernten geneigten Ebene kleiner als der Neigungswinkel der an diesem Bereich anliegenden geneigten Ebene ist und für jede der Wurzelnaht folgenden Nahtfüllungslage die Energie des Lichtbogens pro Längeneinheit jeweils verändert wird, und zwar bis zur Auffüllung der Fuge auf eine bestimmte Tiefe A, bei der die Fugenbreite B < 1,0 bis 134 beträgt und bis zu der die Elektrode in die Fuge eintaucht unter Beachtung der folgenden Bemessungsregel

erhöht, danach bis zur Ausbildung einer Decklage einmalig sprunghaft erhöht und danach vermindert wird, unter Beachtung der folgenden Bemessungsregel:

I δ ρδΥ

worin bezeichnen:

q = I χ U Lichtbogenenergie, W/s

ν Lichtbogenbewegungsgeschwindigkeit, cm/s

δ Dicke der Stoßverbindung, cm

Ai Tiefe der Nahtfuge nach einem (n — 1 )-ten Durchlauf, cm
A Tiefe der Nahtfuge, d. h. ein Abstand der Oberfläche der Schweißstücke von der Oberfläche der Lage

k₂ 3,2 bis 3,8
η laufende Nummer eines Durchlaufs

k\ Erfahrungszahl von 1,15 bis 1,35

δι Dicke der Lage beim ersten Durchlauf, cm

ρ Krümmungsradius der Oberfläche der Schweißstücke

m„-\ Größe des Meniskus.

2. Lichtbogenschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vor dem Herstellen einer Füllnahtlage ein Teil des Werkstücks vorgewärmt wird, unter Beachtung der Bemessungsregel:

T₂ < rs (0,2...o,4) χ r,

worin bezeichnen:

T Temperatur der Erwärmung eines Teils der Stoßverbindung, ° C
T[ Schmelztemperatur des Metalls der Stoßverbindung, ° C
Ti Temepratur des übrigen Teils der Stoßverbindung, ° C.

3. Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der einmaligen sprunghaften Erhöhung der Energiedichte des Lichtbogens diese um das 1,5- bis 2fache gegenüber der vorhergegangenen steigt.

4. Lichtbogenschweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der anliegenden geneigten Fläche folgender Bemessungsregel gehorcht:

1 ~2fl~

¹¹ "^ ... \Jul 1 ^ 1 ^~—~-

> δ

αϊ = arc tan

1,1 ... 1,3 x b

b5 worin bezeichnen:

ρ Krümmungsradius der Oberfläche der Schweißstücke, cm

δ Dicke der Stoßverbindung, cm

b Breite der Lage im ersten Durchlauf, cm.