DE69206206T2

DE69206206T2 - Verfahren zum Schweissen von Produkten aus Nickel oder aus einer Nickellegierung.

Info

Publication number: DE69206206T2
Application number: DE69206206T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Imaizumi; Hideki Kashimura; Toshio Katou; Yasuo Murakami; Hideaki Nakashima
Original assignee: Nippon Steel Corp; Aichi Sangyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Aichi Sangyo Co Ltd
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2012-07-15
Also published as: CA2073840A1; NO922771D0; JPH06339775A; DE69206206D1; US5347098A; CA2073840C; EP0523615B1; EP0523615A3; EP0664181A1; NO922771L; EP0523615A2

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Schweißen von Produkten aus Nickel oder aus einer Nickellegierung mit sehr guter Korrosionsbeständigkeit und sehr guter Hochtemperaturstabilität, von mit einer Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung plattierten Metallen und von Doppelrohren mit einem mechanisch verbundenen Innenrohr aus Nickel oder einer Nickellegierung und insbesondere für diese Produkte angewandte Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahren.
In letzter Zeit hat sich die Anzahl der in stark korrodierenden Umgebungen ausgebeuteten natürlichen Gas- und Ölquellen und der zum Transport von stark korrodierenden Fluida verwendeten Rohrleitungen chemischer Anlagen stark erhöht.
Durch herkömmliche Kohlenstoffstahlrohre kann, auch wenn deren Korrosionsbeständigkeit durch die Zugabe spezieller Legierungselemente oder durch spezielle Wärmebehandlungen verbessert wird, oder den durch die Rohre transportierten Fluida Korrosionshemmstoffe oder -inhibitoren hinzugefügt werden, die Korrosion von der Innenseite her nicht verhindert werden. Außerdem sind diese Rohre nicht fest bzw. stabil genug, um dem beim Transport von Fluida auftretenden zunehmenden Druck standzuhalten.
Dies ist der Grund dafür, daß Produkte aus Nickel oder einer Nickellegierung (Legierungen mit mehr als jeweils etwa 15% Chrom bzw. Nickel), mit einer Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung plattierte Metalle und Doppelrohre mit einem Innenrohr aus Nickel oder einer Nickellegierung weit verbreitet verwendet werden. Für diese Rohre werden normalerweise Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißtechniken verwendet, die die folgenden Vorteile aufweisen.
(1) Durch Schweißtechniken mit geringen Gasverdünnungsverhältnissen wird die Korrosionsbeständigkeit der Schweißstoß- oder -verbindungsstellen nicht wesentlich beeinträchtigt.
(2) Es treten wenig Schweißdefekte auf, wenn der Schweißprozeß unter geeigneten Bedingungen durchgeführt wird.
(3) Es kann ein gutes und gleichmäßiges Erscheinungsbild erhalten werden, ohne daß während des Schweißprozesses Schlacke entfernt oder die Schweißraupe bzw. das aufgetragene Material abgeschliffen werden muß.
Es werden Schweißmaterialien mit hohem Nickel- oder Molybdänanteil verwendet, die eine hhere Korrosionsbeständigkeit und eine höhere Hochtemperaturstabilität als das Basismaterial (das Innenrohr- oder das Plattierungsmaterial im Fall eines Doppelrohrs) aufweisen. Beispielsweise werden normalerweise die Legierungen Inconel 625 oder Hastelloy 276 (Handelsbezeichnungen für korrosionsbeständige auf Nickel basierende Legierungen) gewählt.
Ein herkömmlicher Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißprozeß ist derart ineffizient und zeitaufwendig, daß die Errichtung langer Rohrleitungen sehr teuer ist. Obwohl durch kürzlich entwickelte, mit Incoloy 825 (Handelsbezeichnung für korrosionsbeständige Legierungen) oder Inconel 625 überzogene oder durch ein mechanisch verbundenes Innenrohr verstärkte, hochfeste plattierte Stahlrohre die Materialkosten wesentlich reduziert werden konnten, wurde durch die vorstehend erwähnten hohen Errichtungskosten deren weit verbreitete Verwendung verhindert.
Das Schweißverfahren für nickeireiche Legierungen oder mit solchen Legierungen überzogene, hochfeste plattierte Metalle durch Schweißzusatzwerkstoffe bzw. Elektrodenmetalle wie beispielsweise Inconel 625 oder Hastelloy 276 durch den herkömmlichen Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißprozeß unterscheidet sich von dem bei Kohlenstoffstahl verwendeten Verfahren im wesentlichen in den folgenden beiden Punkten.
Im geschmolzenen Zustand sind die Legierungen eher zähflüssig als flüssig, wodurch die Seiten der Fuge nicht in dem gleichen Maß wie bei Kohlenstoffstahl befeuchtet werden. Das Befeuchten der Fugenseiten durch das geschmolzene Metall ist bei in allen Positionen ausgeführten Schweißprozessen sehr wichtig, wie beispielsweise beim Schweißen von Rohrleitungen an einer Baustelle. Durch die durch das Befeuchten zwischen dem Basismetall und dem aufgebrachten Metall aufgebaute Grenzflächenspannung wird das Gewicht des geschmolzenen Metalls gestützt, wodurch ein Nahtschweißvorgang ermöglicht wird, ohne daß ein Durchbrennen verursacht wird.
Während Kohlenstoffstahl-Rohrleitungen mit hoher Aufschweißrate geschweißt werden können, müssen Rohrleitungen aus Legierungen mit hohem Nickelanteil mit niedriger Aufschweißrate geschweißt werden. Dies ist der Grund für den vorstehend erwähnten ineffizienten Schweißprozeß.
Das unzureichende Befeuchten wurde herkömmlich dadurch verbessert, daß eine Oszillationsbewegung des Lichtbogenschweißbrenners und des Schweißdrahtes durch die Fuge veranlaßt wurde. Dieses herkömmliche Verfahren ist dazu geeignet, die Fugenseiten durch das aufgeschweißte Metall durch die Oszillationsbewegung derart zu unterstützen, daß eine geeignete Menge des aufgeschweißten Metalls an der optimalen Position in der Fuge, d.h. in der Nähe von deren Seitenwänden, angeordnet wird, und dadurch ein Durchbrennen zu verhindern (Welding Journal, Bd. 67, Nr. 10, Oktober 1988, Seiten 55 bis 57).
Auch dieses Ozillationsverfahren hat seine Grenzen. Wenn der Oszillationshub vergrößert wird, wird die Schweißgeschwindigkeit in der Mitte der Fuge so groß, daß eine unzureichende Wärmeenergiezufuhr und ein Blockieren des Schweißdrahtes auftreten, wodurch die Qualität der Schweißnaht beeinträchtigt werden kann.
Zweitens ist die durch den Lichtbogenschweißprozeß von Legierungen mit hohem Nickelanteil erhaltene Eindringtiefe geringer als die bei Kohlenstoffstahl erhaltene Eindringtiefe. Daher muß die Fuge im Schweißbereich (die Höhe der Wurzelfläche oder Wurzel) auf einen Wert zwischen etwa 1, und 1,4 mm reduziert werden, wohingegen die Stoßnaht mit sehr hoher Genauigkeit hergestellt werden muß. Dies ist ein weiterer Grund für die unzulängliche Effizienz bei der Errichtung.
Das Verfüllen dieser Zwischenräume mit Kohlenstoffstahl ist der wesentliche Punkt der Verbesserung dieser Schweißverfahren für Produkte aus Nickel oder einer Nickellegierung, aus mit einer Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung überzogenen plattierten Metallen und für Doppelrohre mit einem mechanisch verbundenen Innenrohr aus Nickel oder einer Nickellegierung. Bezüglich des herkömmlichen Wolfram- Gas-Lichtbogenschweißverfahrens wurden verschiedene Verbesserungen vorgenommen. Beispielsweise wurde der Schweißstrom über den zulässigen Grenzwert hinaus erhöht, um einen höheren Befeuchtungsgrad durch das aufgeschweißte Metall zu erhalten, und die Oszillationsgeschwindigkeit verringert, um eine größere Eindringung zu erreichen. Durch diese Verfahren ergab sich jedoch keine wesentliche Verbesserung der Schweißeffizienz, sondern es ergaben sich stattdessen oft verschiedene Schweißdefekte.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorstehend beschriebenen, bei herkömmlichen Verfahren auftretenden Probleme zu lösen und ein effizientes defektfreies Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahren für Produkte aus Nickel oder einer Nickellegierung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren wird die Temperatur des Schmelzbades direkt unter dem Lichtbogen durch Erhöhen der Energie des Lichtbogens durch Zuführen eines Schutzgases, das ein Gemisch aus Argon mit Wasserstoff und/oder Helium aufweist, zum Schweißbrenner, der eine Gasbegrenzungsdüse aufweist, und durch Konzentrieren der Verteilung des Lichtbogens an der Anode erheblich erhöht. Durch diese Verbesserung wird das Eindringungsvermögen im ersten (Wurzel) -Durchgang erhöht, wobei die erhaltene Schweißeffizienz im einzelnen um einen Faktor Drei oder Vier höher ist als diejenige des herkömmlichen Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißprozesses.
Die Oszillationsbewegung zweier Schweißdrähte in der Fuge ist beim zweiten und bei nachfolgenden Durchgängen wirksam. Durch die sich ergebende höhere Schmelzbadtemperatur kann eine höhere Zufuhrgeschwindigkeit und eine höhere Oszillationsamplitude des ersten Schweißdrahtes erreicht werden, wodurch ein Schweißprozeß mit hoher Aufschweißrate erhalten wird. Durch den erhöhten Befeuchtungsgrad und die erhöhte Kühlwirkung, die durch den zweiten Schweißdraht erhalten werden, wird verhindert, daß das geschmolzene Metall tropft, und gewährleistet, daß defektfreie Schweißnähte mit zufriedenstellender Qualität erhalten werden.
Die Erfindung ist beim Schweißen von Rohren, Blechen, Platten und verschiedenartigen Bauformen von Metallen anwendbar, wobei eines der Rohre, der Bleche, der Platten bzw. der Bauformen aus Nickel oder einer Nickellegierung hergestellt ist. Durch die Erfindung werden außerdem die Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Formen von Nickel- oder Nickellegierungsprodukten einschließlich mit Nickel oder einer Nickellegierung überzogenen plattierten Metallen oder Doppelrohren mit einem mechanisch verbundenen Innenrohr aus Nickel oder einer Nickellegierung erweitert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren hergestelltes mechanisch verbundenes korrosionsbeständiges Doppelrohr. Fig. 1(a) zeigt eine Querschnittansicht des Doppelrohrs. Fig. 1(b) zeigt eine Querschnittansicht eines dichtgeschweißten Endes des gleichen Rohrs. Fig. 1(c) zeigt eine Detailansicht einer Fuge zwischen zwei durch Stoßschweißen miteinander verbundenen Doppelrohren;
Fig. 2 zeigt eine vertikale Querschnittansicht eines beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren verwendeten Schweißbrenners;
Fig. 3(a) und 3(b) zeigen perspektivische Ansichten zum Darstellen der relativen Positionen eines ersten und eines zweiten Schweißdrahtes, die beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Oszillationsbewegung ausführen;
Fig. 4 zeigt schematisch, wie die Parameter eines erfindungsgemäßen automatischen Wolfram-Gas-Schweißverfahrens gesteuert werden. Die gesteuerten Schweißparameter umfassen die Schweißgeschwindigkeit, die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners und des ersten Schweißdrahtes, die Impulse des Lichtbogens, die Zufuhrgeschwindigkeit des ersten Schweißdrahtes und die Oszillationsbewegung und die Zufuhrgeschwindigkeit des zweiten Schweißdrahtes;
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht einer Schweißvorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens;
Fig. 6 zeigt eine Querschnittansicht des Profils einer Fuge zwischen zwei durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren miteinander verbundenen korrosionsbeständigen Doppelrohren und die Maßtoleranzen der Fuge und der Stoßnaht; und
Fig. 7(a) zeigt eine makroskopische Aufnahme einer durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren hergestellten Schweißnaht und Fig. 7(b) eine makroskopische Aufnahme einer durch ein herkömmliches automatisches Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahren hergestellten Schweißnaht.
Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 1, in der ein Beispiel eines auf ein mechanisch verbundenes korrosionsbeständiges Doppelrohr angewendeten Vielpositions-Schweißverfahrens dargestellt ist, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren hergestellten mechanisch verbundenen korrosionsbeständigen Doppelrohrs.
Ein in Fig. 1(a) dargestelltes korrosionsbeständiges Doppelrohr 1 besteht aus einem korrosionsbeständigen Innenrohr 2 mit einem hohen Anteil von Nickel und einem aus einem hochwiderstandsfähigen, hochfesten Kohlenstoffstahl hergestellten Außenrohr 3. Die beiden Rohre sind mechanisch oder auf andere Weise durch Erweitern bzw. Dehnen des Inennrohrs oder durch Erwärmen des Außenrohrs und Anpassen des Außenrohrs durch Dehnpassung oder Schrumpfung miteinander verbunden.
Beide Enden des korrosionsbeständigen Doppelrohrs 1 sollten vorzugsweise durch Bilden einer Überlappung 5 durch automatisches Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißen mit einem Schweißdraht, der wesentlich mehr Nickel oder Molybdän enthält als das Innenrohr 2, durch Dichtschweißen verschweißt werden, wie in Fig. 1(b) dargestellt.
Daraufhin werden zwei korrosionsbeständige Doppelrohre 1 durch Stumpfschweißen verschweißt. Wie in Fig. 1(c) dargestellt, ist zwischen den beiden Rohren eine Fuge mit einem vorgegebenen Fugenwinkel (z.B. 22,5 Grad), einer vorgegebenen Wurzeldicke (z.B. 1,6 mm), einer vorgegebenen Ansatzlänge (z.B. 2,8 mm) und einem vorgegebenen Wurzelradius (z.B. 1,2 mm) für den Stumpfschweißprozeß ausgebildet.
Der Nickel- oder Molybdänanteil der derart gebildeten Schweißnaht 5 sollte vorzugsweise höher sein als derjenige des Innenrohrs 2 und demjenigen des Schweißmaterials im wesentlichen gleich sein, so daß der erhaltene Zustand einem Zustand ähnlich ist, bei dem ein Rohr mit einer solchen Zusammensetzung daran angeschweißt ist.
Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 2 ein beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren zum automatischen Wolfram-Gas- Lichtbogenschweißen verwendeter Schweißbrenner beschrieben.
Ein Schweißbrenner 11 weist eine mit dem negativen Pol einer Spannungszufuhr (nicht dargestellt) verbundene Wolframelektrode 12 auf. Zwischen der Wolframelektrode 12 und einem Basismetall 21 wird ein Lichtbogen 18 und unmittelbar unter dem Lichtbogen ein Schmelzbad 22 aus Metall gebildet. Der Schweißbrenner 11 weist außerdem eine bezüglich der Wolframelektrode 12 konzentrische Gasbegrenzungsdüse 14 auf. Die Spitze bzw. das Ende 15 der Gasbegrenzungsdüse 14 ist so verengt, daß der scheinbare oder sichtbare öffnungswinkel des Lichtbogens einen Wert von 80 Grad nicht überschreitet. Das Ende 13 der Wolframelektrode 12 ist am Endabschnitt 15 der Düse angeordnet. Ferner ist ein Kühlwasserkanal 16 im Endabschnitt 15 der Gasbegrenzungsdüse 14 vorgesehen. Durch das durch den Kanal 16 strömende Kühlwasser wird die Temperatur der Innenwand der Gasbegrenzungsdüse 14 während des Schweißvorgangs unterhalb eines Wertes von beispielsweise 40ºC gehalten.
Der beschriebene Schweißbrenner 11 mit der Begrenzungsdüse 14 ist eine normalerweise für Loch-Plasmaschweißen verwendete Vorrichtung. Der Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases für den Lochschweißprozeß ist jedoch für das erfindungsgemäße Schweißverfahren zu hoch. Die allgemein bei Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahren verwendete Strömungsgeschwindigkeit ist geeignet. D.h., die geeignete Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases 19 beträgt 3 bis 8 Liter je Minute. Innerhalb dieses Bereichs wird der Lichtbogen 18 nicht parallelseitig ausgerichtet wie ein Plasmalichtbogen, und im Schmelzbad 22 wird kein Loch ausgebildet.
Durch die Verwendung des Schweißbrenners 11 mit der Gasbegrenzungsdüse 14 auf die vorstehend beschriebene Weise und eines auf Argon basierenden, mit Wasserstoff und/oder Helium, durch das Ionisationen oder Dissoziationen induziert werden, wodurch die Energie der Bogensäule erhtht wird, gemischten Schutzgases 19 wird die Konzentration der Anodenverteilung beschleunigt und die Temperatur eines Teils des Schmelzbades 22 unmittelbar unter dem Lichtbogen wesentlich erhöht. Durch dieses Gas zusammen mit der Struktur der Gasbegrenzungsdüse kann der sichtbare Öffnungswinkel des Wolfram-Gas-Lichtbogens leicht auf einen Wert von maximal 80 Grad begrenzt werden.
Durch das Gasgemisch (Argon und Wasserstoff, Argon und Helium oder Argon und Wasserstoff und Helium) werden wesentliche Wirkungen erhalten.
Es werden Gasgemische mit den drei folgenden Zusammensetzungen empfohlen.
(1) Ein Gasgemisch aus 95 bis 98% industriell reinem Argon und 2 bis 5% industriell reinem Wasserstoff.
(2) Ein Gasgemisch aus 40 bis 50% industriell reinem Argon und 50 bis 60% industriell reinem Helium.
(3) Ein Gasgemisch aus 45 bis 55% industriell reinem Argon, 40 bis 50 % industriell reinem Helium und 2 bis 5 % industriell reinem Wasserstoff.
Wenn die Schweißdrähte in der Fuge eine Oszillationsbewegung ausführen, wird das Schmelzbad unmittelbar unter dem Lichtbogen auf eine derart hohe Temperatur erwärmt, daß der erste Schweißdraht kontinuierlich darin eingeführt werden kann. Dadurch wird die Schmelzgeschwindigkeit des ersten Schweißdrahtes wesentlich erhöht und werden die Temperaturdifferenz und die Oberflächenspannungsdifferenz zwischen dem Umfangs- und dem Mittelbereich des Schmelzbades vergrößert. Durch die vergrößerte Oberflächenspannungsdifferenz wird der Oberflächenfluß des vom ersten Schweißdraht zugeführten geschmolzenen Metalls verfestigt, was wesentlich zur vorstehend erwähnten verbesserten Befeuchtung beiträgt.
Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 3 und 4 ein erfindungsgemaßes Verfahren zum Erzeugen einer Oszillationsbewegung des ersten Schweißdrahtes (nachstehend als Hauptschweißdraht bezeichnet) und eines zweiten Schweißdrahtes (nachstehend als Zusatzschweißdraht bezeichnet) beschrieben.
Der Schweißbrenner 11 und ein erfindungsgemäßes Hauptschweißdrahtauslaßrohrendstück 25 oszillieren mit einer vorgegebenen Amplitude und einer vorgegebenen Periode in einer Fuge 23 senkrecht zur Schweißlinie, wie in Fig. 3(a) und (b) dargestellt. In Fig. 3(a) führen der Schweißbrenner 11 und das Hauptschweißdrahtauslaßrohrendstück 25 eine Oszillationsbewegung zur rechten Wand 23a aus und verbleiben dort für eine vorgegebene Zeitdauer. In diesem Zustand wird ein Nahtschweißprozeß ausgeführt, wobei am Ende 13 der Wolframelektrode 12 des Schweißbrenners 11 ein konvergenter Lichtbogen 18 erzeugt, unterhalb des Lichtbogens ein Schmelzbad 22 ausgebildet und der Hauptschweißdraht 26 vom Hauptschweißdrahtauslaßrohrendstück 25 in das Schmelzbad 22 unmittelbar unterhalb des Lichtbogens eingeführt wird.
Durch ein Zusatzschweißdrahtauslaßrohrendstück 28 wird der Zusatzschweißdraht 29 von der entgegengesetzten Seite des Hauptschweißdrahtes 26 koaxial zur Oszillationsrichtung dem hinteren Teil des Schmelzbades zugeführt. Die relative Position des Hauptschweißdrahtes 26 und des Zusatzschweißdrahtes 29 wird so gesteuert, daß der Zusatzschweißdraht 29 synchron mit dem Schweißbrenner 11 und dem Hauptschweißdraht 26 oszilliert, wie in Fig. 3(b) dargestellt, in der der Hauptschweißdraht 26 eine oszillationsbewegung zur linken Wand 23b ausführt.
Fig. 4 zeigt, wie die Schweißgeschwindigkeit des Schweißbrennerschlittens, die Oszillationsbewegung des Schweißbrenners 11 und des Hauptschweißdrahtes 26, die Strom- und Spannungsimpulse des Lichtbogens 18, die Vorschubgeschwindigkeit des Hauptschweißdrahtes 26 und die Oszillationsbewegung und die Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzschweißdrahtes 29 gesteuert werden.
Beispielsweise werden Impulse eines geringen Stromes und einer geringen Spannung ausgewählt, so daß deren spitzen- und deren Basisperioden zwischen 0,5 und 3 Hz frei eingestellt werden können. In Fig. 4 ist die Spitzenperiode mit einer Periode identisch, während der der Schweißbrenner 11 und der Hauptschweißdraht 26 an der linken Wand 23b der Fuge verbleiben, während die Basisperiode mit einer Periode identisch ist, während der der Schweißbrenner 11 und der Hauptschweißdraht 26 den Mittelabschnitt der Fuge 23 durchlaufen. Die Zufuhr- oder Vorschubgeschwindigkeiten des Hauptschweißdrahtes 26 und des Zusatzschweißdrahtes 29 sind ebenfalls impulsgesteuert, wobei die Spitzen- und die Basisvorschubgeschwindigkeiten jedes Schweißdrahtes mit den Spitzen- und den Basisperioden des Lichtbogens 18 synchronisiert sind.
Die Zufuhrgeschwindigkeit des Hauptschweißdrahtes 26 und des Zusatzschweißdrahtes 29 werden vorzugsweise so eingestellt, daß das Metall vom Hauptschweißdraht 26 zu 80% bis 90% und das Metall vom Zusatzschweißdraht 29 zu 10% bis 20% zum aufgeschweißten Metall beiträgt. Gemäß Fig. 4 wird der Zusatzschweißdraht 29 zugeführt, um den Umfangsabschnitt an der Rückseite des Schmelzbades 22 zu kühlen, indem diesem latente Wärme entzogen wird. Dadurch wird die Oberflächenspannung des ausreichend flüssiggeschmolzenen Metalls zwischen den Seitenwänden 23a und 23b der Fuge 23 weiter erhöht. Durch das aufgeschweißte Metall vom Hauptschweißdraht 26 wird verhindert, daß geschmolzenes Metall tropft, wenn in den nach unten und nach oben gerichteten Positionen ein Vielpositions-Schweißvorgang durchgeführt wird, wodurch ein Vielpositions-Schweißvorgang mit einem höheren Aufschweißgrad ermöglicht wird als bisher.
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer automatischen Schweißvorrichtung, durch die das erfindungsgemäße Schweißverfahren ausgeführt wird.
Ein durch einen Laufmotor 32 angetriebener Schlitten 31 bewegt sich mit einer gewünschten Schweißgeschwindigkeit über entlang der Schweißlinie verlegte Schienen 33 in Richtung des Pfeils A. Der Schweißbrenner 11 und das Hauptschweißdrahtauslaßrohrendstück 25 sind am vorderen Ende eines auf dem Schlitten 31 angeordneten Schwingrahmens 34 befestigt. Eine Hauptoszillationseinheit 35 ist mit dem Schwingrahmen 34 verbunden. Durch die Hauptoszillationseinheit 35, die einen Kurbel-Scheibenmechanismus und einen Oszillationsmotor 36 zum Antreiben des Kurbel-Scheibenmechanismus aufweist, wird der Schwingrahmen 34 in Schwingung versetzt. Dadurch führen der Schweißbrenner 11 und die Hauptschweißdüse 25 zusammen eine Oszillationsbewegung in die Richtung B senkrecht zur Schweißlinie aus. In der Nähe des vorderen Endes des Schwingrahmens 34 ist eine Zusatzoszillationseinheit 42 mit einem Kurvenscheibenmechanismus und einem Oszillationsmotor 43 zum Antreiben dieses Mechanismus vorgesehen. Das mit der Zusatzoszillationseinheit 42 verbundene Zusatzschweißdrahtauslaßrohrendstück 28 führt eine Oszillationsbewegung in die Richtung C senkrecht zur Schweißlinie aus. Durch ein Paar durch einen Wälzmotor 49 angetriebene Ausführungswalzen 38 wird der Zusatzschweiß draht 29 über eine Zufuhrführungsröhre 45 dem Zusatzschweißdrahtauslaßrohrendstück 28 zugeführt.
Eine Steuereinheit 51 steuert den Laufmotor 32, die Oszillationsmotoren 36 und 43 und die Zufuhrmotoren 40 und 49, die mit der Steuereinheit verbunden sind, um ein in Fig. 4 dargestelltes Oszillationsmuster zu erhalten. Die Steuereinheit 51 ist eine normale Rechnersteuerungseinheit mit einer Sequenzsteuerungsfunktion. Ein Hauptschweißdrahtamplitudendetektor 52 und ein Zusatzschweißdrahtamplitudendetektor 53 erfassen die Oszillationsmuster des Hauptschweißdrahtes 26 und des Zusatzschweißdrahtes 29 und führen die erfaßten Oszillationsmuster der Steuereinheit 51 zu. Durch die Steuereinheit 51 wird das Oszillationsmuster für eine weitere Steuerung zurückgekoppelt.

Beispiel

Nachfolgend wird ein bestimmtes Beispiel eines bezüglich korrosionsbeständigen Doppelrohren der in Fig. 1 dargestellten Art durchgeführten Feldschweißverfahrens beschrieben.
Spezifikationen der korrosionsbeständigen Dgppelrohre

(1) Abmessungen

Außendurchmesser: 145,6 mm
Wanddicke:
Außenrohr: 15,8 mm
Innenrohr: 3,0 mm

(2) Material

Außenrohr: API 5L, X70
Innenrohr: Incoloy 825 (UNSN08825)

(3) Überlappschweißen am Rohrende

o Automatisches Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißen
o Schweißposition: Rohrdrehung 1 Grad
o Schweißmaterial: Schweißdraht Inconel 625
Tabelle 1 und Fig. 6 zeigen das Profil und die Abmessungen der Fuge zwischen den geschweißten Rohren und die Maßtoleranzen der Fuge und der Stoßnaht. Tabelle 1 Maßtoleranz der Fuge Maßtoleranz der Stoßnaht Fugenwinkel Höhe der Wurzelfläche Ansatzlänge Wurzelradius Versatz Wurzelabstand
Tabelle 2 und 3 zeigen die Schweißbedingungen und die erforderliche Lichtbogenzeit des erfindungsgemäßen Vielpositions-Schweißverfahrens bzw. des herkömmlichen automatischen Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahrens. Fig. 7(a) zeigt eine makroskopische Aufnahme einer durch das erfindungsgemäße Schweißverfahren hergestellten Schweißnaht. Fig. 7(b) zeigt eine makroskopische Aufnahme einer durch ein herkömmliches Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahren hergestellten Schweißnaht. Tabelle 2 Impuls-Lichtbogen-Heizleistung Oszillsationbedingungen Zufuhrgeschwindigkeit des Schweißdrahtmetalls Lichtbogenzeit Art der Schweißvorrichtung und des Schutzgases Durchgang Strom Spannung Impulsverhältnis (%) Vorschubgeschwindigkeit des Schweißbrenners (cm/min) Amplitude (mm) Arbeitszeit (sec) Linke Mitte Rette Hauptschweißdraht Zusatzschweißdraht Wand Spitze Basis Mittel Gasbegrenzungsdüse Gemischs aus Insgesamt Tabelle 3 Impuls-Lichtbogen-Heizleistung Oszillsationbedingungen Zufuhrgeschwindigkeit des Schweißdrahtmetalls Lichtbogenzeit Art der Schweißvorrichtung und des Schutzgases Durchgang Strom Spannung Impulsverhältnis (%) Vorschubgeschwindigkeit des Schweißbrenners (cm/min) Amplitude (mm) Arbeitszeit (sec) Linke Mitte Rechte Spitze Basis Mittel Wand Gasbegrenzungsdüse Gemischs aus Insgesamt
Gemäß Tabelle 2 und 3 ist beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren eine Lichtbogenzeit von 29,4 Minuten erforderlich, während beim herkömmlichen automatischen Lichtbogenschweißverfahren eine Zeit von 95,1 Minuten erforderlich ist. Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens war etwa drei mal so groß wie diejenige des herkömmlichen Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahrens.
Gemäß den in den Figuren 7(a) und (b) dargestellten Aufnahmen von Makrostrukturen kann das erfindungsgemäße Verfahren in sechs Durchgängen durchgeführt werden, wobei zwischen dem zweiten und dem letzten Durchgang eine Oszillationsbewegung mit großer Amplitude verwendet werden kann. Im Gegensatz dazu sind beim herkömmlichen Wolfram-Gas-Lichtbogenschweißverfahren sechzehn Durchgänge und zusätzlich ein Schweißraupentrennprozeß erforderlich, um ein Anhaften zu verhindern, wie in Fig. 7(b) dargestellt.
In Tabelle 4 sind Beispiele von durch nicht erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Schweißungen dargestellt, bei denen eine Kombination aus der Gasbegrenzungsdüse und einem Schutzgas verwendet wird, während in Tabelle 5 Beispiele von durch erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Schweißungen dargestellt sind, bei denen die Gasbegrenzungsdüse und ein Schweißdrahtmetall kombiniert verwendet werden. Tabelle 4 Impuls-Lichtbogen-Heizleistung Oszillsationbedingungen Zufuhrgeschwindigkeit des Schweißdrahtmetalls Lichtbogenzeit Art der Schweißvorrichtung und des Schutzgases Durchgang Strom Spannung Impulsverhältnis (%) Vorschubgeschwindigkeit des Schweißbrenners (cm/min) Amplitude (mm) Arbeitszeit (sec) Linke Mitte Rechte Spitze Basis Mittel Wand Gasbegrenzungsdüse Gemisch aus Insgesamt Tabelle 5 Impuls-Lichtbogen-Heizleistung Oszillsationbedingungen Zufuhrgeschwindigkeit des Schweißdrahtmetalls Lichtbogenzeit Art der Schweißvorrichtung und des Schutzgases Durchgang Strom Spannung Impulsverhältnis (%) Vorschubgeschwindigkeit des Schweißbrenners (cm/min) Amplitude (mm) Arbeitszeit (sec) Linke Mitte Rechte Spitze Basis Mittel Wand Gasbegrenzungsdüse Gemisch aus Insgesamt
Es wurde bestätigt, daß durch ein Gemisch aus Argon und Helium oder ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff im wesentlichen die gleichen Wirkungen als Schutzgas erzielt werden.

Claims

1. Verfahren zum Schweißen von Metallprodukten, von denen mindestens eines aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht, mit den Schritten:

Erzeugen eines Lichtbogens (18) zwischen den zu verschweißenden Produkten (21), die als positiver Pol dienen, und einer durch einen Schweißbrenner (11) gehaltenen, als negativer Pol dienenden Wolframelektrode (12);

Freisetzen eines Schutzgases (19) aus einer bezüglich der Wolframelektrode (12) konzentrischen Gasbegrenzungsdüse (14); und

Veranlassen einer Oszillationsbewegung eines ersten Schweißdrahtes (26) gemeinsam mit dem Schweißbrenner (11) in einer senkrecht zur Schweißlinie verlaufenden Richtung, wobei die Oszillationsbewegung eine vorgegebene Amplitude und eine vorgegebene Periode aufweist, und Bewegen des ersten Schweißdrahtes (26) entlang der Schweißlinie, während dessen Ende einem Teil eines Schmelzbades (22) unmittelbar unter dem Lichtbogen (18) zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß eine bezüglich des ersten Schweißdrahtes (26) synchrone oszillationsbewegung eines zweiten Schweißdrahtes (29) veranlaßt und der zweite Schweißdraht (29) entlang der Schweißlinie bewegt wird, während dessen Ende an einem Punkt in das Schmelzbad (22) eingeführt wird, der um 180 Grad von der Oszillationsphase des ersten Schweißdrahtes (26) beabstandet ist.

2. Verfahren nach Ansprucn 1, wobei mit einer Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung überzogene plattierte Metalle miemander verschweißt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eines der miteinander verschweißten Rohre ein Doppelrohr (1) mit einem mechanisch verbundenen Innenrohr aus Nickel oder einer Nickellegierung ist, wobei beide Enden des Doppelrohrs (1) dichtgeschweißt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Schutzgas (19) aus einem auf Argon basierenden Gasgemisch besteht, das Wasserstoff und/oder Helium enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Schutzgas (19) aus einem Gasgemisch aus 95% bis 98% Argon und 2% bis 5% Wasserstoff besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Schutzgas (19) aus einem Gasgemisch aus 40% bis 50% Argon und 50% bis 60% Helium besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Schutzgas (19) aus einem Gasgemisch aus 45% bis 55% Argon, 40% bis 50% Helihum und 2% bis 5% Wasserstoff besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Gasbegrenzungsdüse (14) aussträmenden Schutzgases (19) nicht hoch genug ist, um ein Loch im Schmelzbad (22) zu bilden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Gasbegrenzungsdüse (14) aussträmenden Schutzgases (19) 3 bis 8 Liter pro Minute beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste und der zweite Schweißdraht (26, 29) in das Schmelzbad (22) eingeführt werden, so daß der erste Schweißdraht (26) 80% bis 90% und der zweite Schweißdraht (29) 10% bis 20% des aufgeschweißten Metalls bildet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei:

der sichtbare Öffnungswinkel des Lichtbogens (18) durch das Schutzgas (19) auf höchstens 80 Grad begrenzt wird;

ein erster Sohweißdurchgang ausgeführt wird, indem der Schweißbrenner (11) entlang der Sohweißlinie bewegt wird, während das Ende des ersten Schweißdrahtes (26) einem Teil des Schmelzbades (22) unmittelbar unterhalb des Lichtbogens (18) zugeführt wird; und

ein zweiter und nachfolgende Schweißdurchgänge ausgeführt werden, indem der Lichtbogen (18) durch Freisetzen des Schutzgases (19) begrenzt wird.