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Verfahren zur Erzeugung porenfreier plasmageschweißter
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung schematisch dargestellt
und an einem Beispiel erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei einer rechnerunterstützten, transistorgesteuerten Schweißstromquelle
ist Reproduzierbarkeit des Schweißvorganges gegeben, und es können in schneller
Folge sehr gleichmäßige, fehlerfreie Nähte erzeugt werden.
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Der Absolutwert des Stromes, die Drehtischgeschwindigkeit, die Gasmenge
und die Drahtzugabe sind vom Werkstoff und insbesondere von der Werkstoffdicke abhängig.
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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.
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Es versteht sich, daß ein ähnlicher Zyklus gilt, wenn statt des bewegten
Werkstückes auf dem Drehtisch der Plasmabrenner um das Werkstück herumläuft (Orbitalverfahren).