DE3405242A1 - Verfahren zur erzeugung porenfreier plasmageschweisster rundnaehte - Google Patents

Verfahren zur erzeugung porenfreier plasmageschweisster rundnaehte

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DE3405242A1
DE3405242A1 DE19843405242 DE3405242A DE3405242A1 DE 3405242 A1 DE3405242 A1 DE 3405242A1 DE 19843405242 DE19843405242 DE 19843405242 DE 3405242 A DE3405242 A DE 3405242A DE 3405242 A1 DE3405242 A1 DE 3405242A1
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current
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Ludwig Dipl.-Ing. Harms
Guido Dipl.-Ing. 5090 Leverkusen Siebers
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Bayer AG
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Bayer AG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00Welding or cutting by means of a plasma
    • B23K10/02Plasma welding

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)

Description

  • Verfahren zur Erzeugung porenfreier plasmageschweißter
  • Rundnähte Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung porenfreier plasmageschweißter Rundnähte unter Drahtzufuhr als Schweißzusatz, wobei nach einer Schweißung von näherungsweise 3600 zur Schließung des Stichloches der Schweißstrom und das Plasmagas reduziert werden.
  • Beim Plasma schweißen von Rundnähten wird gewöhnlich das sog. "KeyholingZ'-Verfahren angewandt, wie es in der deutschen Offenlegungsschrift 22 54 155 beschrieben ist: Längs einer Schweiß linie wird eine Schweißraupe derart gezogen, daß sich diese Schweißraupe durch vor einem Plasmalichtbogen schmelzendes Material bildet, welches anschließend seitlich um den Lichtbogen herumfließt und hinter ihm erstarrt; die geschmolzene Schweißraupe sieht dabei wie ein Schlüsselloch aus. Bei Rundnähten überlappen sich der Beginn und das Ende der Schweißung; es tritt das Problem des Schließens des Stichloches auf, und es ist dafür vorgeschlagen worden, nach näherungsweise einem vollen Umlauf des Brenners die Gaszufuhr und zeitlich versetzt dazu die Stromstärke allmählich abzusenken, andererseits die Drahtzufuhr des Schweißzusatzwerkstoffes über das Absenken hinaus konstant zu halten.
  • In der deutschen Auslegeschrift 25 44 539 ist schon festgestellt worden, daß danach im Uberlappungsbereich keine porenfreie Naht herzustellen ist, und es ist dort ein Verfahren zum Schließen eines Stichloches beim Plasmastichlochschweißen vorgeschlagen worden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Reduzierung der Strom- und Gasmenge gleichzeitig beginnt, daß weiterhin die Gasmenge innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde auf eine zur störungsfreien Aufrechterhaltung des Plasmabogens ausreichenden Minimalmenge herabgesetzt wird und daß ferner der Schweißstrom auf einem vom Werkstoffart und dicke abhängigen Wert verringert wird. Schweißzusatzdraht wird dabei nicht eingesetzt. Auch nach diesem Verfahren sind die Endporen beim Schließen des Plasmastichloches nicht mit Sicherheit zu vermeiden und der Wurzeldurchhang groß. Der Uberlappungsbereich ist immer noch eine Schwachstelle der Naht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, beim Plasmaschweißen das Verfahren zum Schließen eines Stichloches an einer Rundnaht so zu verbessern, daß bei möglichst kurzen Schweißzeiten Poren und andere Ungänzen nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird von einem Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß frühestens 5 bis 150 vor Errei- chen eines vollen Umlaufs die folgenden Schritte erfolgen: 5 bis 150 vor der Nahtüberlappung wird die Plasmagasmenge kontinuierlich so weit reduziert, daß näherungsweise bei 3600 nur noch das Pilotgas vorhanden ist, um 3600 werden der gepulste Schweißstrom und die Schweißgeschwindigkeit herabgesetzt, um 3600 wird die Zugabe von Schweißzusatzwerkstoffen erhöht, 5 bis 150 nach 3600 wird die Schweißgeschwindigkeit und der Schweißstrom nochmals reduziert, nach 5 bis 20°, aber nicht vor der abermaligen Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit und des Schweißstroms, wird die Zugabe des Zusatzdrahtes abgestellt und anschließend der Schweiß strom heruntergefahren.
  • Gemäß der Erfindung lassen sich in der kürzestmöglichen Schweißzeit Rundnähte erzeugen, bei denen der Uberlappungsbereich von ähnlich hoher Schweißnahtgüte ist wie der übrige Bereich. Die Porenanfälligkeit beim Schweißen von Kohlenstoffstahl wird durch Zugabe von Draht, vorzugsweise Röhrchendraht mit basischem Pulver, unterdrückt. Der durch das Einstechen des Plasmastichloches herausgeschleuderte Werkstoff wird beim Schließen der Naht durch vermehrte Zugabe von Zusatzdraht ersetzt. Die Wandstärkenschwächung durch fehlendes Material beim Schließen des Plasmastichloches wird verhindert. Im Gegensatz zu dem in der deutschen Auslegeschrift 22 44 539 beschriebenen Verfahren wird es als wichtig angesehen, daß durch die allmähliche Zurücknahme des Plasmagasstromes die Schmelze unter genügendem Energieangebot Zeit hat, allmählich das Stichloch zu schließen und dabei auszugasen. Beim Schließen des Plasmastichloches muß entsprechend des downslope's von Gas und Strom die Schweißvorschubgeschwindigkeit herabgesetzt werden; sie muß vor Abschalten des Stromes Null sein. Durch eine kurze Hochstrom- und längere Tiefstromphase wird allgemein kälter geschweißt und der Wurzeldurchhang beeinflußt. Es ist möglich, den Wurzeldurchhang durch Variation der Periodendauer der Impulse ganz zu vermeiden. Die Kaltdrahtzuführung kann an die Hochstromphase gekoppelt werden, so daß ebenfalls gesteuerte Zugabe im Hochstrom oder Niedrigstrom zu erhöhten oder niedrigeren Abschmelzleistungen führen. Auch Rohre mit Versatz oder großen Durchmessertoleranzen lassen sich nach diesem Verfahren sicher durchschweißen. Der Wurzeldurchhang ist so gering, daß auch ein enggehender Biegedorn nicht behindert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und an einem Beispiel erläutert.
  • Die Figur zeigt den Verlauf des Stromes 1, der Plasmagasmenge 2, der Pilotgasmenge 3, der Drehtischgeschwindigkeit 4 und der Vorschubgeschwindigkeit 5 des Zusatzdrahtes während eines Schweißzyklusses. Auf der Ordinate sind sowohl der Ort des Stichloches (auf den Umfang der Rundnaht bezogen) in Grad als auch die Zeit aufgetragen. Die Einheiten der Zeitskala sind wegen der unterschiedlichen Drehgeschwindigkeit nicht in allen Bereichen äquidistant. Auf der Zeitskala sind daher nur Zeitpunkte t1 bis t10 angegeben und Zeitdifferenzen zwischen diesen Punkten nur beispielhaft annähernd genannt. Es versteht sich, daß die Schweißgeschwindigkeit an die Wanddicke angepaßt sein muß. Hier in diesem Beispiel wurden Rohre mit einer Wanddicke von 3,6 mm und einem Außendurchmesser von 114,3 mm aus dem Werkstoff St 37 DN 100 mit Stumpfnaht verschweißt.
  • Der Anfangsbereich 6 weist keine Besonderheiten auf. Im Zeitpunkt t1 steht der Drehtisch und der Brenner wärmt bis zum Zeitpunkt t2, etwa 3 Sek., vor. Zu diesem Zeitpunkt - er entspricht 0° bzw. 3600 der Ortskala - erfolgt durch den Anstieg des Stromes 7 und der Zuschaltung des Plasmagases 8 der Einstich der Plasmaöse; zur gleichen Zeit beginnt auch der Drehtisch 9 zu laufen.
  • Spätestens bis zum Zeitpunkt t3, wenn sich das Werkstück um 150 gedreht hat, ist der Schweißprozeß stabilisiert. Gewöhnlich beginnt man auch um diese Zeit mit der Zugabe des Schweißzusatzdrahtes. Unter Zuschaltung der Konstanthaltung des Brenners läuft im Bereich 10 bis zur Zeit t4 der Nahtaufbau sehr gleichmäßig ab.
  • Obwohl es nicht unbedingt nötig ist, schon bei 3600, etwa zum Zeitpunkt t61 der ersten Uberlappung der Naht, den regulären Schweißnahtaufbau abzubrechen, ist es natürlich sinnvoll, die Schweißzeit so kurz wie möglich zu halten. Geht man von diesem frühestmöglichen Punkt t5 aus, so muß am Punkt 11, etwa 5 bis 150 vor dem Punkt 12 die Plasmagasmenge bis zur Pilotgasmenge allmählich abgesenkt werden, d.h., daß etwa zum Punkt t5 der Brenner mit Schutzgas im WIG-Verfahren 12 weiterbrennt. Das Abfahren bzw. die Reduzierung der Plasmagasmenge (downslope) beträgt etwa 2 Sek. Etwa nach einer vollen Umdrehung bei 13 wird auch der Strom herabgesetzt; bei dieser Leistung und verlangsamter Drehtischgeschwindigkeit 14 hat die Schmelze genügend Zeit auszugasen, und durch vermehrte Kaltdrahtzugabe 15 wird das Stichloch mit Schweißzusatzmaterial aufgefüllt. Während des Nahtaufbaues beträgt die Rotationsgeschwindigkeit des Drehtisches 0,95 Upm, im Bereich 14 wird die Geschwindigkeit um mindestens 50 % reduziert. Das Ausgasen bei verstärktem Materialangebot dauert etwa 2 Sek.
  • Zur Zeit t7, etwa bei 3650 wird der Schweißstrom 16 und die Drehtischgeschwindigkeit 17 noch einmal um etwa 10 % reduziert. Nachdem bei t8, etwa bei 3670, die Schweißdrahtzugabe 18 abgestellt ist, wird der Schweißstrom von t9 bis t10, etwa bei 380#, im downslope ganz heruntergefahren 19.
  • Bei einer rechnerunterstützten, transistorgesteuerten Schweißstromquelle ist Reproduzierbarkeit des Schweißvorganges gegeben, und es können in schneller Folge sehr gleichmäßige, fehlerfreie Nähte erzeugt werden.
  • Der Absolutwert des Stromes, die Drehtischgeschwindigkeit, die Gasmenge und die Drahtzugabe sind vom Werkstoff und insbesondere von der Werkstoffdicke abhängig.
  • Die Zeiten t1 bis t10, ebenso wie die Ortsangaben in Grad am Zylinder können sich bei anderen Werkstücken etwas verschieben und sind durch Vorversuche zu optimieren, zu berücksichtigen sind insbesondere Durchmesser und Wanddicke.
  • Es versteht sich, daß ein ähnlicher Zyklus gilt, wenn statt des bewegten Werkstückes auf dem Drehtisch der Plasmabrenner um das Werkstück herumläuft (Orbitalverfahren).

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Verfahren zur Erzeugung porenfreier plasmageschweißter Rundnähte unter Drahtzufuhr als Schweißzusatz, wobei nach einer Schweißung von näherungsweise 3600 zur Schließung des Stichloches der Schweiß strom und das Plasmagas reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß frühestens 5 bis 150 vor Erreichen eines vollen Umlaufes die folgenden Schritte erfolgen: 5 bis 150 vor der Nahtüberlappung wird die Plasmagasmenge kontinuierlich so weit reduziert, daß näherungsweise bei 3600 nur noch das Pilotgas vorhanden ist, um 3600 werden der gepulste Schweißstrom und die Schweißgeschwindigkeit herabgesetzt, um 3600 wird die Zugabe von Schweißzusatzwerkstoff erhöht, 5 bis 150 nach 3600 wird die Schweißgeschwindigkeit und der Schweißstrom noch einmal reduziert, nach 5 bis 200, aber nicht vor der abermaligen Reduzierung des Schweißstroms, wird die Zugabe des Zusatzdrahtes abgestellt und anschließend der Schweiß strom heruntergefahren.
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US4885455A (en) * 1987-08-18 1989-12-05 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process for terminating closed through-hole plasma arc welding

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