DE69732000T2

DE69732000T2 - Vorrichtung zum Verbinden metallischer Bauteile mit einer breiten dünnen Zusatzdüse

Info

Publication number: DE69732000T2
Application number: DE69732000T
Authority: DE
Inventors: Henry Peter Los Gatos Offer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1997-06-20
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2017-06-21
Also published as: MX9704675A; JPH1076367A; EP0819495B1; US5793009A; DE69732000D1; JP3331147B2; EP0819495A2; EP0819495A3; US5981897A; TW334376B; ES2235214T3

Description

Diese Erfindung betrifft die automatisierte Schweißung von Metallkomponenten. Insbesondere betrifft die Erfindung die automatisierte Schweißung in einer Fuge mit kleiner Breite unter Verwendung einer flachen Schweißelektrode.
Spannungsrisskorrosion (SCC – stress corrosion cracking) hat zu der kritischen Notwendigkeit von Reparatur oder Austausch vieler Komponenten und Rohrleitungen in Siedewasserreaktoren in der ganzen Welt geführt. Verschweißte Verbindungsstellen waren historisch die Bereiche mit höchster durch SCC bedingter Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund ihrer typischerweise hohen Werte von Restzugspannung und ihres hohen Grades an thermischer Sensibilisierung in der Wärmeeinflusszone (HAZ – heat affected zone). Eine Lösung für dieses Problem besteht in dem Austauschen der Komponenten durch neues Material mit Verbesserungen in der chemischen Zusammensetzung. Aufgrund der extrem hohen Kosten des Austauschs einiger Komponenten muss die Ersetzung dauerbeständig sein. Austauschungen sind im allgemeinen ein Einbau eines neueren SCC-beständigen Materials, das mit älteren, SCC-empfindlichen Material verschweißt wird, so dass es selbst für diese Fälle sehr erwünscht ist, dass der Verbindungsvorgang die Restspannungen und mikrostrukturellen Verbindungsstellen in dem älteren Material verbessert, da der relativ niedrige thermische Wirkungsgrad und der sich ergebende Effekt der Überhitzung herkömmlicher Verbindungspraktiken oft einer der direkten Gründe des Ausfalls der alten Komponente war.
Somit besteht ein Bedarf nach einem mechanisierten Schweißverfahren, welches Schweißverbindungen mit sehr deut licher SCC-Beständigkeit erzeugt. Dieses kann unter Verwendung von Verbindungsstellenausführungen mit tiefen jedoch schmalen Fugenbreiten erfolgen, um die in das Schweißmaterial gesteckte Wärmemenge zu minimieren, um dadurch die Restzugspannungen in der Nähe der Schweißverbindung zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil ist eine Verbesserung in der SCC-Beständigkeit der Mikrostruktur der an die Schweißstellen angrenzenden Wärmeeinflusszonen (HAZ).
Zusätzlich besteht ein Bedarf an einem Schweißverfahren, welches die Schweißzeit verkürzt, und die persönliche Mann-AEM Strahlungsexposition und die Herstellungskosten in Verbindung mit Arbeit auf einem "kritischen Pfad" eines arbeitenden Kernkraftwerkes verringert. Herkömmliche Schweißpraktiken, einschließlich der für Außenarbeit eingesetzten, haben einen relativ niedrigen thermischen Gesamtwirkungsgrad, da ein großer Wärmeanteil in das Schmelzen des erforderlichen großen Volumens des Zusatzwerkstoff bzw. Füllerdrahtes geht, statt in das Verschmelzen der Verbindungsstellenwände miteinander. Dieser Zustand ist eine direkte Folge der verwendeten unnötig breiten Verbindungsstellen. Im Gegensatz dazu verbessert die Verwendung sehr schmaler Schweißfugen die Produktivität aufgrund der höheren thermischen und volumetrischen Wirkungsgrade dieses neuen Verfahrens, die sich primär aus den reduzierten Wärmeeingabeparametern, bzw. der Verbindungsstellenausführung mit reduzierter Breite ergeben.
Ein in der Schweißindustrie verwendeter Lösungsansatz zum Auffüllen von Verbindungsstellen mit schmalen Fugen auf dickerem Material, wenn der Elektroden- und/oder Fülldrahtüberstand über ihre Stützeinrichtung hinaus zu groß wird, ist, die Schweißbrenneranordnung so dünn wie praktisch möglich zu machen, so dass sie in die Verbindungsstelle passt, und in der Lage ist, bis nahe an oder bis zu dem Boden zu reichen, und dann die Verbindungsstellenbreite so schmal möglich zu machen, wie es mit dieser reduzierten internen Brennerbreite vereinbar ist. Der Einsatz dieser Art eines internen Brenners führt immer noch zu einer derart breiten Verbindungsstelle, dass auf andere Techniken zurückgegriffen werden muss, damit das Füllermetallbad beide Seitenwände abwechselnd benetzt, wie zum Beispiel auf eine Elektrodenspitzen-Seitenoszillation oder eine magnetische Lichtbogen-Seitenoszillation, oder die Anwendung von zwei oder mehr Durchgängen pro Schicht.
Der Lösungsansatz, den Brenner dünner zu machen, so dass er in die Verbindung passt (und in einigen Fällen auch die Betrachtungsvorrichtung zu dünner zu machen) hat den schweren Nachteil, dass sie in dem Betrag der möglichen Verbindungsstellenbreitenreduzierung auf die reduzierte Größe des Brenners begrenzt ist, welcher typischerweise Vorkehrungen für einen Elektrodenhalter, eine Schweißgas-Glocke/Düse, eine Drahteinspeiseführungsdüse (für nichtverzehrende Elektrodenprozesse), Wasserkühlkreisläufe nach Bedarf, und manchmal auch optische Komponenten einer Beobachtungskamera, wenn er bei ferngesteuerten Prozessen eingesetzt wird, enthält. Das Nettoergebnis ist eine Verbindungsstellenbreite, welche erheblich größer als die gewünschte ist, um eine minimale Schweißbreite und damit ein minimales Schweißvolumen zu erzielen, welches vernünftig mit einem minimalen Wärmeeinsatz aufgefüllt werden kann. Ein Erreichen dieser minimalen Werte führt zu den entsprechend niedrigeren Restzugspannungen, einer reduzierte Größe und Schwere der wärmebeeinträchtigten Zone und einer kürzeren Füllermaterialaufbringungszeit.
Herkömmliche Füllerdüsen unterliegen unerwünschten Biegungen. Diese Biegungen können elastisch oder plastisch (per manent) sein und können sich aus Draht mit übermäßiger "Verbiegung" (spiralförmiger Form aufgrund einer Aufwicklung auf einen runden Winkel) oder aus einem Kontakt mit den Wänden der Verbindungsstelle, die manuelle Handhabung des Schweiß- und Hartlötgerätes usw. ergeben. Die üblicherweise verwendeten Rindquerschnittsdüsen mit größerem Durchmesser beschränken, obwohl sie stabil genug sind, um erfolgreich unerwünschten Biegungen zu widerstehen, die Sicht auf die Schweißverbindung, oder sind zu breit, um leicht in Verbindungsstellen mit stark reduzierter Breite zu passen, oder daran manipuliert zu werden oder beides. Die Sicht ist typischerweise durch eine Düse mit großem Durchmesser begrenzt, da sich die Sichtposition oberhalb der Düse befindet und der Sichtwinkel auf die Werkstückoberfläche groß ist (45° bis 75°), um den bevorzugten geringen Drahteintrittswinkel (zum Beispiel 15° bis 45°) beizubehalten.
Für Schweißverbindungsstellen mit einem geringeren Aspektverhältnis (Verhältnis der Tiefe zur Breite der Verbindungsstelle) kann die herkömmliche runde Drahtführung so positioniert sein, dass sie sich nicht in die Verbindung hinein erstreckt, wobei nur eine nicht unterstütztes Längsstück des Drahtes aus der Düse in die Verbindung vorsteht. Für relativ kurze, nicht unterstütze Längsstücke des sich über das Auslassende einer Düse hinaus erstreckenden Drahtes kann dieses Verfahren ausreichend sein, obwohl die Anforderung wichtiger wird, dass das nicht unterstützte Längsstück des Drahtes gerade ist. Diese Anforderung an die Geradheit ist aufgrund der inhärenten Tendenz einer Verformung aus einer geradlinigen Form nach einer Abwicklung von einer Spule mit typischerweise kleinem Durchmesser schwierig zu erreichen. Jedoch wird es für extrem dünne Verbindungsstellen mit einem größeren Aspektverhältnis bevorzugt, da sich die Drahtführung bis nahe an den Boden der Verbindung erstreckt, so dass die Drahtposition bezüglich der Sollposition des Schweißbades und bezüglich der Spitze der Elektrode (für nichtverzehrende Elektrodenprozesse) genauer und konsistenter angeordnet ist.
Das Dokument CA-A-1055120 beschreibt eine Füllermaterial-Führungsdüsenanordnung mit einer nicht runden Querschnittsform, die dafür angepasst ist, in eine Schweißfuge mit sehr verringerter Breite zu passen, die aufweist:
eine Düse zum Führen eines Drahtfüllermaterials an eine gewünschte Stelle innerhalb der Schweißfuge ausgehend von einer Stelle außerhalb der Schweißfuge, wobei die Düse einen Auslass für das Füllermaterial an ihrem distalen Ende und einen Kanal mit konstantem rundem Querschnitt desselben Durchmessers wie der Auslass und im wesentlichen mit demselben Durchmesser, wie der Draht hat, und welcher mit dem Auslass in Verbindung steht; und
ein Versteifungselement, wobei die Düse und das Versteifungselement in einer Ebene liegen und eine Struktur bilden, welcher starrer als die Düse alleine ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Füllermaterial-Führungsdüsenanordnungen gemäß den Ansprüchen 1 und 7 geschaffen.
Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Zuführen eines schmelzbaren Füllermaterialmetalldrahtes oder anderer Metallformen in metallische Verbindungsstellen mit reduzierter Breite, hohem Aspektverhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Breite) mit einer Steuerung und Stabilität der Füllermetallposition bei dessen Eintritt in den Schmelzbadbereich.
Die Füllermaterial-Führungsdüsenanordnung ist mit einer dünnen, jedoch steifen nicht runden Querschnittsform ausgelegt, wobei deren Breitenabmessung deutlich größer als deren Dickenabmessung ist und in zu verschweißenden oder anderweitig zu verschmelzenden Verbindungsstellen mit sehr verringerter Breite verwendet werden kann, um die Genauigkeit und Stabilität zu erreichen, welche für eine zuverlässige Füllermaterialzugabe erforderlich ist. Dieser Düsentyp kann in Situationen angewendet werden, in welchen die Verbindungsstelle keine ausreichende Breite aufweist, um andererseits eine herkömmliche Düse mit rundem Querschnitt (rund, rohrförmig) mit ausreichender Stärke aufzunehmen, um ein größeres Risiko unerwünschter Biegeverformungen zu vermeiden, oder um eine dünne Schweißbrenneranordnung innerhalb der Verbindungsstelle aufzunehmen.
Während der Anwendung mit Schweiß-, Hartlöt- und ähnlichen Prozessen ist das Auslassende der Düse innerhalb der Verbindungsstelle in der Nähe des Bodens nahe an dem zu schmelzenden Bereich angeordnet. Die Breitenabmessung der Düsenvorrichtung ist parallel zu der Tiefe der Schweißverbindungsstelle orientiert und die Dickenabmessung ist senkrecht zu der Tiefe der Verbindungsstelle orientiert. Die Dicke der Düsenvorrichtung ist geringer als die Dicke der Verbindungsstelle zwischen dem mit dem Füllermaterial zu verschmelzenden Komponenten, was es ermöglicht, dass das Auslassende der Düse in die Verbindungsstelle eingesetzt wird, und sich in engerer Nähe zu dem Schmelzbad während des Verbindungsprozesses befindet.
Diese Düsenvorrichtung ist für automatische und mechanisierte Elektrolichtbogen- oder Energiestrahl-Schweiß- oder Hartlötprozesse, wie zum Beispiel Wolframschutzgasschweißen (GTA – gas tungsten arc)-Prozesse oder Laserstrahlprozesse geeignet. Hartlöten wird von Schweißen dahingehend unterschieden, dass die Grundmaterialien in keinem signifikanten Ausmaß geschmolzen werden, da bei dem Hartlöten das Füllermetall bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur als die Ausgangsmetalle schmilzt.
Zusätzlich kann die Vorrichtung nutzbringend für die Abscheidung eines Drahtes eingesetzt werden, welcher entweder eine kombinierte Verzehrelektrode und ein Füllermetall, wie zum Beispiel bei dem Metallinertgas-(MIG – metal inert gas)-Prozess oder nur ein Füllermaterial, wie zum Beispiel in dem GTA-Prozess ist. Weitere Formen von kontinuierlich verzehrten oder vorplatzierten Füllermaterialien, wie zum Beispiel fluidisiertes Pulver oder Paste, sind ebenfalls zur Verwendung mit der Vorrichtung geeignet. Zusätzlich zu Füllermaterialien können weitere Materialien, wie zum Beispiel Flussmittel und grenzflächenaktive Mittel mit der Düsenanordnung der Erfindung aufgebracht werden.
Die Düsenanordnung der Erfindung kann an dem Schweißbrennerblock in einer herkömmlichen Weise aufgehängt sein. Ein Hauptvorteil der Düsenvorrichtung der Erfindung besteht darin, dass sie eine direkte visuelle Bobachtung oder mit abgesetzter Kamera des internen unteren Abschnittes der Verbindungsstelle ohne wesentliche Behinderung der Sicht durch die Füllermaterialtransportführungsdüse zu ermöglicht. Weitere technische Vorteile umfassen die Option für multifunktionale Fähigkeiten, die Eigenschaften des Verbindungsprozesses und der fertigen Verbindung zu verbessern. Ein Beispiel dieser Fähigkeit ist die Zugabe von Legierungsanreicherung- und Dotierungsmaterialien zur Steuerung der lokalen chemischen Zusammensetzung und entsprechenden Materialeigenschaft.
Produktivitätsvorteile bei Schweiß- und anderen Schmelzprozessen beinhalten die Fähigkeit die Anzahl von erforderlichen Durchläufen durch Verringern des Verbindungsstellenvolumens zu reduzieren, um dadurch in der Reduzierung der gesamten Prozesszeit und der Kosten. Zusätzliche Produktivitätsvorteile beinhalten die Einbeziehung von Merkmalen, welche anderenfalls als getrennte Prozesse vor oder nach dem Implementieren des Schweißprozesses angewendet würden, wie zum Beispiel Temperaturmessungen und Abmessungsüberwachungen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung ist, die eine Füllermaterial-Düsenanordnung mit einem zylindrischen Versteifungselement zur Verwendung in einer Fuge mit reduzierter Breite gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
2 eine schematische Darstellung ist, die eine Füllermaterial-Düsenanordnung mit einer segmentartigen Ausführung mit einem flachen Versteifungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3A eine schematische Darstellung ist, die eine Füllermaterial-Düsenanordnung mit einer monolithischen Ausführungsform mit optionalen Einrichtungen zum Messen oder Steuern darstellt.
3B eine schematische Darstellung ist, die eine Füllermaterial-Düsenanordnung mit einer monolithischen Konstruk tion ähnlich der von 3A, jedoch ohne Einrichtung zum Messen oder Steuern darstellt.
4 eine Schnittansicht durch eine Schweißverbindungsstelle einer Füllermaterial-Düsenanordnung mit einer integrierten Gaslanze mit porösen Röhren gemäß einer Variante einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
5 bis 10 detaillierte Ansichten des Auslassendes von fünf unterschiedlichen Varianten einer Füllermaterial-Düsenanordnung mit integrierter Gaslanze gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform sind; einschließlich einer Variante mit porösem Kanal (5); einer Variante mit einem porösen Kanal mit drei Wänden (6); einer Variante mit mehreren Röhren (7); einer Variante mit poröser Haut; einer Variante mit Wellenkanal (9); und einer Variante mit Schraubenfedergasverteilung (10).
11 eine schematische Darstellung eines Gasdammes ist, der auf einer Füllermaterial-Düsenanordnung mit integrierter Gaslanze gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform montiert ist.
12A eine Vorderansicht einer zusammengesetzten Füllerdüse und nichtverzehrbaren Elektrode gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform montiert ist.
12A eine Seitenansicht der nichtverzehrbaren Elektrode der in 12A dargestellten zusammengesetzten Struktur ist.
12C eine detaillierte Draufsicht auf eine Heißdrahtvariante der in den 12A und 12B dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist.
Die Füllermaterial-Düsenanordnung der vorliegenden Erfindung kann als Teil eines Wolframschutzgas-Schweißsystems (GTAW) zum Schweißen einer Fuge 2 mit verringerter Breite verwendet werden, um eine Schweißverbindung 4 zwischen Teilen 6A und 6B, wie es in 1 zu sehen ist, zu erzeugen. Das GTAW-System hat eine mechanisierte Brennerbewegung und eine Wolframelektrode 8 mit einer Geometrie, die so ausgelegt ist, dass sie in die Verbindungsstelle 2 mit verringerter Breite passt. Die Seitenwände der Fuge 2 besitzen bevorzugt einen spitzen Winkel, der kleiner als 5° ist. Die Klinge der Elektrode 8 besitzt einen nicht runden Querschnitt. Insbesondere besitzt die Klinge eine Längsabmessung, welche parallel zu der Länge der Schweißverbindungsstelle orientiert ist, und eine verkürzte Abmessung, welche senkrecht zu der Länge der Verbindung orientiert ist, zum Beispiel einen Zylinder mit einem generell rechteckigen Querschnitt.
Die Schweißraupen 4 werden innerhalb der Verbindungsstelle 2 unter Verwendung der dünnen länglichen Wolframlegierungselektrode 8 zum Schmelzen des in die Fuge mittels einer Füllermaterial-Düsenanordnung 12A eingeführten Füllerdrahtes 10 aufgebracht. Die Elektrode 8 passt mit einem Spielraum zwischen der Elektrode und den Seitenwänden in die Fuge 2. Die Klinge der Elektrode 8 ist optional mit einer keramischen Beschichtung bedeckt, um eine Lichtbogenbildung zu den Seitenwänden der Fuge 2 zu verhindern. Die Schweißelektrode 8 wird mit einem (nicht dargestellten) herkömmlichen Lichtbogen-Energieversorgungsgerät betrieben, um einen primären Lichtbogen zu erzeugen. Die flache Elektrode 8 und die flache Füllermaterial-Düsenanordnung 12A in Verbindung mit dem kleinen Stoßwinkel und ausgewählten Schweißparametern erzeugen eine sehr dünne Schweißverbindung. Während der Schweißung kann der Lichtbogen, das Schweißbad und das Füllermaterial unter Verwendung einer abgesetzten Betrachtungskamera 14 beobachtet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Füllermaterialdüsenvorrichtung 12A einen nicht runden Querschnitt. Insbesondere ist die Querschnittsform der Füllermaterial-Führungsdüsenanordnung so ausgelegt, dass sie in einer Richtung senkrecht zu der Tiefe und Länge der Schweißnaht dünn ist, und in einer Richtung parallel zu der Naht breit ist. Ferner können die Höhe und/oder die Breite entlang der Länge der Düsenanordnung spitz zulaufend sein, um eine so hohe Steifigkeit wie möglich zu dem Einlass-(Befestigungs)-Ende hin zu erzielen, und um so schmal und dünn wie möglich zu dem Auslassende hin zu sein. Die bevorzugte Form des Füllermaterials ist ein ununterbrochener Draht kann jedoch andere Formen, wie zum Beispiel Gas-fluidisiertes Pulver annehmen. Verschiedene mögliche Konstruktionen der nicht runden Düsenvorrichtung sind in 1 bis 11 dargestellt. Ferner besteht die Option der Verwendung eines Fülldrahtes oder Bandes mit nicht rundem Querschnitt, was den Oberflächenbereich vergrößert, und daher den Wärmeübertragungsbereich und den Schmelzwirkungsgrad verbessert.
Die Gründe für die Verwendung einer nicht runden (zum Beispiel klingenförmigen) Düsenvorrichtung umfassen die nachstehenden: A) Erzeugen einer lateralen Steifigkeit der Düse, die ausreicht, um eine angemessene Füllermetall-Positionsführung zu gewährleisten, während gleichzeitig nur die minimale praktische Breite (in einer Richtung senkrecht zu den Wänden) erzeugt wird, wenn sie in Verbindungsstellen mit reduzierter Breite eingesetzt wird, welche ansonsten zu schmal für eine Füllung wären; B) Erzeugen einer verstärkten Düsenbiegefestigkeit, sowohl parallel als auch senkrecht zu der Verbindungsstellentiefe, so dass die gewünschte Füllermaterialführung trotz ungünstiger physischer Handhabung oder missbräuchlicher mechanischer Düsensteuerung gewährleistet wird; C) Erzeugen einer minimalen Düsenbreite (in einer Richtung senkrecht zu der Schweißnaht) so, dass die Sicht in die Verbindungsstelle von einer abgesetzten Schweißbeobachtungskamera nicht durch den Abschnitt der durch das Sichtfeld hindurchtretenden Düse behindert wird; D) Erzeugen einer ausreichenden Düsenhöhe (in einer Richtung parallel zu der Verbindungsstellentiefe), um die gleichzeitige Implementation mehrerer verbindungsbezogener Funktionen, die gleichzeitig, oder die Implementation spezifischer einzelner Funktionen effizienter und produktiver mit derselben Düsenanordnung, wie sie für den Verbindungsprozess verwendet wird, zu ermöglichen; und E) Ermöglichen, dass sich die Düse nahe bis an den Boden einer Verbindungsstelle mit sehr reduzierter Breite für Pulverzuführungsbeimengungen direkt in das Füllermetall-Schmelzbad erstreckt. Fluidisiertes Pulver würde sich, wenn es aus einer größeren Düse nicht in der Verbindungsstelle zugeführt wird, zu sehr in der Verbindungsstelle verteilen und zu einem erheblichen Verlust an Füllermaterial-Abscheidungswirkungsgrad in dem Bad führen.
Die nicht runde Düsenanordnung kann aus einem Stück eines kleinen runden oder nicht runden Rohres 16 hergestellt werden, wovon wenigstens die Spitze mit einem Paar hochfester Stab- oder Stangenmaterial-Versteifungselemente 18 (siehe 1) verbunden ist, die an seinen gegenüberliegenden Seiten angebracht sind. Alternativ kann nur ein Versteifungsele ment 18 verwendet werden. Der Fülldraht 10 wird durch die Rohrleitung 16 geführt, wobei die Düsenanordnung 12A so positioniert wird, dass das Ende des Fülldrahtes 10 an der Stelle der zu erzeugenden Schweißraupe angeordnet ist.
Das Rohr 16 (hierin nachstehend "Füllerführungsdüse") kann aus Wolfram hergestellt sein (wie es beispielsweise durch chemische Dampfabscheidungstechnik hergestellt wird) oder aus einem anderen hochfesten, verschleißbeständigen Material, wie zum Beispiel Metallkarbid. Das Versteifungselement 18 sowie die Füllerführungsdüse 16 können aus Karbid, Wolfram usw. bestehen, um die steifeste, hitze- und verschleißbeständigste praktische Düsenanordnung zu erzeugen, oder aus hochfestem gehärtetem Stahl, um die zäheste (bruchbeständige) Anordnung zu erzeugen.
Alternativ weist eine (in 2 dargestellte) nicht runde Düsenanordnung 12B ein rundes Rohrs 16 mit sehr kleinen Durchmesser auf, das entlang seiner Länge an einem Versteifungselement, wie zum Beispiel der Kante einer dünnen Platte oder einem Stück eines Plattenmaterials 22 befestigt ist. Ein Aufbau eines Versteifungselementes ist ein langes dünnes dreieckiges Stück aus Wolframblech (oder anderem Material mit hoher Dehnfestigkeit, wie zum Beispiel Karbid) welches mit dem Fülldüsenrohr hartverlötet, verschweißt, mechanisch befestigt oder anderweitig verbunden ist, wobei die schmale Spitze des Dreiecks an dem Auslassende des Rohres liegt. Dieser Aufbau erzeugt den größten Widerstand gegenüber Biegung, wenn die Düsenanordnung auf einem Befestigungsträger 24 als ein Hebel an dem breiten Ende des Dreieckes befestigt wird. Der Befestigungsträger 24 ist mit einer (nicht dargestellten) Antriebsvorrichtung zum Anheben und Absenken der Füllermaterial-Düsenanordnung verbunden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die Füllerdüsenanordnung mehrere Funktionen. Die Düsenanordnung für Draht (oder eine andere Form von Füllermaterial) kann weitere Funktionen außer der Führung der Position des Endes des Drahtes an dem Werkstück aufweisen und kann aus einer Anordnung von Rohren bestehen oder aus anderen Formen hergestellt sein, um Mehr-Loch-Konfiguationen (wie zum Beispiel einen "Honigwaben"-Typ) zu erzeugen. 3A stellt eine monolithische Füllermaterialdüse 12C mit einem Loch 26a dar, das als die Füllermaterial-Führungsdüse dient und zusätzlichen Löchern 26b–26e, welche als Kanäle für Schutzgas oder Temperaturmesseinrichtungen, wie zum Beispiel eine Widerstandstemperaturvorrichtung oder eine Infrarot-Faseroptiksonde dienen, welche durch den Kanal geschoben wird. Die Führungsdüse führt das Füllermaterial von einem Punkt außerhalb der Schweißfuge zu einer gewünschten Stelle innerhalb der Fuge, nämlich in die Nähe des Schweißbades. Das Füllermaterial wird in die Düse durch einen Kanal 20 geführt. 3B stellt eine monolithische Füllerdüse 12C' mit nur einem Loch 26a dar, das als die Füllermaterial-Führungsdüse dient. Die monolithische Füllerdüse 12C' wird durch Bearbeitung eines runden Materials hergestellt, um parallel oder leicht angeschrägte flache Flächen auf gegenüberliegenden Seiten zu erzeugen. Alternativ kann die Düse 12C aus einem Stabmaterial hergestellt werden. 3A und 3B sind nur als Veranschaulichung zu betrachten, da sie nicht durch die Ansprüche abgedeckt sind.
Im Falle einer Mehrfach-Rohrausführungsform können eines oder mehrere von den Rohren als mechanische Versteifungselemente verwendet werden, und noch andere können unterschiedliche Prozessfunktionen durchführen. Wenn die Rohre nur als mechanische Versteifungselemente verwendet werden, können feste Stangen oder Stäbe aus Materialien mit sehr hoher Dehnfestigkeit und hohem Elastizitätsmodul, wie zum Beispiel voll durchgehärteter Stahl, Wolframlegierung usw. für diese Abschnitte der Anordnung eingesetzt werden. (Hierin nachstehend wird der Begriff "Stange" in der Bedeutung von Stangen und/oder Stäben verwendet). Für maximale Düsensteifigkeit sind alle Teile der Anordnung aus hochfesten, hochsteifen Materialien hergestellt. In jeder Mehrfach-Rohr/Stangen-Ausführung ist die seitliche Biegefestigkeit der zusammengesetzten Anordnung deutlich größer als die eines einzelnen Rohrs mit gleichem Durchmesser wie die Anordnungsbreite.
Die Länge der Versteifungsrohre oder Stangen kann nach Bedarf gestaffelt kürzer als die Länge der Füllerdüse sein, um einen ausreichenden Freiraum zu der Elektrodenkante und zu dem Boden der Verbindung zu schaffen. Die Düse kann in einer symmetrischen oder asymmetrischen Anordnung von Versteifungsrohren oder Stangen nach Bedarf angeordnet sein, um diese Freiräume an die benachbarte Elektrode und die Werkstückoberfläche anzupassen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine in einer zusammengesetzten Gaslanzen/Füllerdüsen-Anordnung 12D eingebaute Gaslanze für eine zusätzliche Schweißgaszuführung (heißes Schmelzraupenschutzgas und/oder Schweißlichtbogen-Erzeugungsgas) an den lokalen Schweißbereich gemäß Darstellung in 4 verwendet werden. In einigen sehr tiefen Verbindungsstellen kann die Gaslanze die einzige Quelle von Schweißgas sein. Dieser Konfiguration kann die lokale Schweißgasqualität in der Nähe des Bodens der Verbindung verbessern, indem die Gasverdünnung minimiert wird, und kann die für eine ausreichende Schweißraupenabdeckung (im Vergleich zu der Praxis der Zuführung von Gas aus einer Gasglocke außerhalb der Verbindungsstelle) erforderliche Gesamtströmungsrate reduzieren.
Ein Hauptanteil oder das gesamte Schweißgas kann direkt dem unteren Abschnitt der Verbindung über die Gaslanze zugeführt werden, welche mehrere integrierte Gasverteilungsrohre 28 aufweisen kann, wobei jedes Rohr einen nicht porösen Abschnitt 28a besitzt, welcher als ein Kanal dient und einen porösen Abschnitt 28b, welcher nur als ein Diffusor dient, wenn das distale Ende geschlossen ist. Die Porosität der Rohrwände ist in 4 durch Sprenkelung dargestellt. Die entsprechenden Rohre 28 der Gaslanze arbeiten als Kanäle/Diffusoren für den Hauptschweißgasstrom, der über die Leitung 30 und den Gaskopf 32 zugeführt wird. Optional kann ein Hilfsgasstrom von oberhalb der Verbindungsstelle über eine herkömmliche Gasglocke 34 zugeführt werden, welche eine Gasdiffusorlinse besitzt, um die heiße Elektrode vor Oxidation zu schützen, sowie als Ergänzung zu dem Gasstrom aus der Gaslanze innerhalb der Verbindungsstelle zu wirken. Die Zusammensetzungen der von oberhalb der Verbindungsstelle und von innerhalb der Verbindungsstelle kommenden Gase können unterschiedlich sein, da das Hilfsinertgas zur Raupenabdeckung primär durch die herkömmliche Gasglocke 34 geliefert würde, und das Lichtbogenerzeugungsgas (mit angepassten Ionisationspotential- und Wärmeübertragungseigenschaften) sowie das Abdeckungsgas hauptsächlich von der Gaslanze geliefert würde.
Die neue Ausführung der hierin offenbarten Schweißgas-Düsenanordnung, welche in der Form einer zusammengesetzten Lanze ausgebildet sein kann, kann einen Abschnitt zu dem Auslassende hin aufweisen, der aus einem netzartigen porösen Rohrmaterial besteht, um so die Turbulenz mit der Atmosphäre außerhalb der Verbindungsstelle zu reduzieren (indem die lo kale Strömungsgeschwindigkeit und die Reynolds-Zahl verringert wird), und um eine laminare Strömung in der Verbindungsstelle in der Nähe der aufgebrachten Raupen zu ermöglichen. [Die Reynolds-Zahl Re = ρVL/μ, wobei ρ die Dichte des Fluids, V die Strömungsgeschwindigkeit, L die das Strömungsfeld beschreibende charakteristische Länge und μ die Viskosität des Fluids ist. Die Art der Strömung (laminar oder turbulent) wird durch den Wert der dimensionslosen Zahl Re bestimmt.] Die Auslassenden des Rohres können mit porösem oder nicht porösem Material verschlossen sein, um mehr Gas aus den Poren in den Rohrwänden zu drücken, als erfolgen würde, wenn das Rohr ein offenes Ende hätte.
Alternative Aufbauformen des porösen Materials umfassen ein elektrogeätztes oder lasergebohrtes gezogenes Rohr oder ein flachen Kanal, welcher aus einem Blechmaterial hergestellt ist, das wenigstens in der Nähe seines Auslasses und entweder vor oder nach der Montage perforiert wird. Beispiele einiger Varianten dieser Ausführungsarten sind in den 5 bis 9 dargestellt.
Die in 5 dargestellte Füllerführungsdüsenanordnung 12E weist ein Paar Schweißgasstromkanäle 36 mit offenen Enden auf, die mit gegenüberliegenden Seiten der Füllerführungsdüse 16 verbunden sind, wobei jeder Kanal einen porösen Abschnitt 36a (dargestellt durch Sprenkelung) und einen nicht porösen Abschnitt 36b aufweist. Die Enden der Kanäle 36 können optional senkrecht zu der Achse der Füllerführungsdüse sein, wie es durch gestrichelte Linien in 5 dargestellt ist.
Gemäß einer weiteren in 6 dargestellten Variante kann der poröse Abschnitt jedes Kanals einer Füllerführungsdüsenanordnung 12F aus mehreren porösen Wänden bestehen, wel che ineinander verschachtelt sind, zum Beispiel aus einer inneren porösen Wand 50 mit grober Porosität, einer mittleren porösen Wand 52 mit mittlerer Porosität und einer äußeren porösen Wand 54 mit feiner Porosität.
Alternativ weist die in 7 dargestellte Füllerführungsdüsenanordnung 12G zwei Anordnungen paralleler Gasverteilungsrohre 38 auf, die mit diametral entgegengesetzten Seiten einer Füllerführungsdüse 16 verbunden sind und sich davon weg erstrecken. Die Gasverteilungsrohr-Anordnungen können bezüglich der Füllerführungsdüse asymmetrisch sein. Jedes Rohr 38 weist einen porösen Abschnitt 38a (dargestellte durch Sprenkelung) und einen nicht porösen Abschnitt (38b) in analoger Weise zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auf. Die distalen Enden der Rohre 38 können (wie durch durchgezogene Linien in 7 dargestellt) angewinkelt oder wie durch Strichlinien in 7 dargestellt) zu der Füllerführungsdüsenachse senkrecht sein, und können offen oder geschlossen sein.
Gemäß noch einer weiteren in 8 dargestellten bevorzugten Ausführungsform weist eine Füllerführungsdüsenanordnung 12H eine integrierte Gaslanze auf, die aus unteren und oberen mit der Füllerführungsdüse 16 verbundenen Stützrahmen 40 und 42 besteht. Eine poröse Haut 45 ist über die Stützrahmen 40 und 42 gespannt, um eine Kammer auszubilden, welche mit unter Druck stehendem Schweißgas gefüllt ist. Die poröse Haut kann die Form eines elektrogeformten oder lasergebohrten perforierten Blechmaterials aus rostfreiem Stahl annehmen. Eine (nicht dargestellte) nicht poröse Haut kann über von dem Düsenauslass entfernte Abschnitte der Stützrahmen gespannt sein, um einen Kanal zum Transportieren des Schweißgases zu der Kammer zu erzeugen. Das unter Druck stehende Schweißgas in der Kammer diffundiert durch die poröse Haut 44 und füllt das umgebende Volumen der Schweißfuge.
Gemäß einer weiteren in 9 dargestellten Variante weist eine Füllerführungsdüsenanordnung 12I ein dünnes Gehäuse 46 auf, das von einem welligen Stützmaterial 48 unterstützt wird. Die Wellungen verlaufen bevorzugt parallel zu der Achse der Füllerführungsdüse. Die Spitzen und Täler der Wellungen berühren bevorzugt die Innenoberfläche des Gehäuses 46, um eine Unterstützung zu erzeugen, und um eine Reihe paralleler Kanäle für eine Schweißgasströmung zu erzeugen. Das dünne Gehäuse 46 besitzt einen (durch Sprenkelung dargestellten) porösen Abschnitt 46a und einem nicht porösen Abschnitt 46b in analoger Weise zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Das distale Ende des Gehäuses 46 kann zu der Füllerführungsdüsenachse angewinkelt oder senkrecht sein und kann offen oder geschlossen sein.
Gemäß der in 3 dargestellten Variante weist eine Füllerführungsdüsenanordnung 12J zwei Anordnungen paralleler Verteilungsrohre 44 auf, die mit diametral entgegengesetzten Seiten der Füllerführungsdüse 16 verbunden sind und sich davon weg erstrecken. Jedes Rohr 74 besitzt einen an seinem Ende angebrachten Schraubenfederabschnitt 76. Das Ende jeder Schraubenfeder ist durch einen Stopfen 78 verschlossen, welcher porös sein kann. Die Porosität des Stopfens und die Federkonstante der Schraubenfeder sind so gewählt, dass der über die Leitung 30 und den Gaskopf 32 unter Druck zugeführte Schweißgasstrom durch die Windungen der Schraubenfedern diffundiert. Dieses erzeugt eine laminare Strömung des Gases innerhalb der Schweißfuge. Die distalen Enden der Schraubenfedern 76 sind bevorzugt (gemäß Darstellung in 10) angewinkelt. Gemäß einer weiteren Verbesserung kann der Schrau benfederabschnitt konzentrisch angeordnete grobe und feine Schraubenfedern enthalten.
Gemäß dem allgemeinen Konzept der vorliegenden Erfindung können Doppellanzenanordnungen an den vorderen und hinteren Seiten der Elektrode bezüglich der Brennerlaufrichtung angeordnet sein. Diese Anordnungen können abwechselnd abhängig von der Laufrichtung oder gleichzeitig unabhängig von der Laufrichtung nach Bedarf verwendet werden, um eine ausreichende Strömung zum Aufbau sowohl einer stabilen Bodenspannung als auch einer hochreinen Inertgasabdeckung der Schweißauftragung zu erhalten.
Gemäß 11 kann ein gasbegrenzender oder abdichtender Damm 52 effektiv auf den vorderen oder auf den vorderen und hinteren Seiten des Brenners eingesetzt werden, um einen Inertgasabschnitt auf die Umgebung des Schweißbadbereiches zu begrenzen. Diese beweglichen Dämme können ein integrierter Teil der Füllermaterial-Düsenanordnung sein, können mechanisch an der Anordnung angebracht sein, oder können getrennt vor und/oder hinter der Lanzendüse angeordnet sein. Der Damm würde sich über eine erhebliche Strecke in die Verbindungsstelle erstrecken und würde sich auch über einen erheblichen Anteil der Verbindungsstellenbreite erstrecken, um so effektiv die Kontamination des Inertgases mit der umgebenden Atmosphäre in der Fuge zu minimieren.
Die Dämme würden bevorzugt aus einem nachgiebigen Material (mit einer nicht nachgiebigen Unterstützungsstruktur) bestehen, so dass eine effektivere Abdichtung zu den Innenoberflächen der Verbindungsstelle hin erzielt werden kann. Ein Beispiel dieser Art von Abdichtung ist ein gewebtes Metallnetz (oder einen Silikongummischlauch oder Schwamm), welcher eine abgewinkelte Schraubenfeder füllt, wobei ein fester Stab durch das Netz hindurchtritt und einen Abschnitt der Länge der Feder verlängert. Der Stab besteht beispielsweise aus einem Federstahl mit einem ausreichend kleinen Durchmesser, um eine Biegung des Stabs zuzulassen. Für einen höheren Abdichtungswirkungsgrad können die Gasdämme so montiert werden, dass sie in den Seiten- und Tiefenrichtungen durch Feder vorgespannt sind, um im wesentlichen einen dauernden Kontakt zu den Verbindungsstellenwänden und der Bodenfläche herzustellen.
Gemäß nochmaligen Bezug auf 2 können die optionalen Düsen 12b–12e auch dazu genutzt werden, um feste Zusatzstoffe an das Schweißbad zu liefern, wie zum Beispiel Pulver für Legierungseffekte, einschließlich einer in-situ-Legierungsbildung mit Edelmetall-Katalysatorelementen (zum Beispiel Palladium), Anreicherung mit Spannungskorossionsrissbeständigen Elementen (zum Beispiel Chrom) oder Flussmitteln und Grenzflächenbeeinflussungsmitteln, um die Schweißdurchdringung und/oder Benetzung zu verbessern. Zusatzstoffe, welche keine Legierung mit dem Schweißmaterial bewirken, jedoch statt dessen eine Verbundstruktur bewirken, können ebenfalls eingeführt werden.
Die optionalen Düsen 12d–12e der monolithischen Düse 12C können ebenfalls verwendet werden, um die Hauptquelle oder eine Hilfsschmelzwärmequelle für den Verbindungsprozess, wie zum Beispiel durch Faseroptiken in den Düsen hindurchtretendes Laserlicht zu liefern. Diese Variante kann insbesondere für Arbeiten in Verbindungsstellen mit sehr verringerter Breite mit Lasersystemen mit höherer Strahlqualität nützlich sein, welche die Lieferung einer ausreichend fokussierten Wärme über Faseroptik an das Schweißbad ohne die Notwendig keit platzbeanspruchender Objektivlinsen an dem Ende der Faser ermöglichen.
Eine nicht runde Düsenanordnung kann mit einem aus Wolfram oder einer anderen geeigneten Hochtemperaturlegierung bestehenden dreieckigen (oder stabförmigen) Elektroden/Versteifungselement 56 hergestellt werden, welches sowohl als eine nichtverzehrbare Schweißelektrode als auch als ein Düsenversteifungselement dient, wie es in den 12A und 12B dargestellt ist. Ein aus einem Wolframlegierungsblechmaterial bestehendes dreieckig geformtes Elektroden/Versteifungs-Element kann eine ausreichende Querschnittsfläche an seinem (breiten) Basisende bereitstellen, so dass es erfolgreich einer nicht hinnehmbaren Biegung widerstehen sowie einen extrem hohen Lichtbogenstrom trotz seiner minimalen Dicke transportieren kann. Die Basis des Dreiecks wird durch einen Elektrodenhalter 58 geklemmt oder anderweitig festgehalten. Der Elektrodenhalter 58 besteht bevorzugt aus einem leitenden, oxidationsbeständigen Material, wie zum Beispiel einer Kupferlegierung (zum Beispiel Beryllium/Kupfer-Legierung), welche optional mit Silber oder Nickel plattiert ist. Der Elektrodenhalter nimmt bevorzugt die Form eines T-förmigen Metallkörpers an, welcher einen Schaft (58a) und ein Querteil (58b) aufweist. Der Schaft 58a ist mit einem (nicht dargestellten) herkömmlichen Schweißbrenner verbunden. Das Querteil 58b besitzt einen Längsschlitz, der für die Aufnahme der dreieckigen Klingenbasis mit einem ausreichenden Spiel ausgebildet ist, um ein leichtes Einsetzen und Entfernen zu ermöglichen. Die Klingenbasis wird fest in dem Querstückschlitz durch Anziehen eines Paares von Einstellschrauben 60 in einem entsprechenden Paar von und in dem Querstück ausgebildeten Gewindelöchern festgehalten. Die Klinge kann leicht aus dem Halter entnommen werden, nachdem die Schrauben gelöst worden sind. Dieses ermöglicht den einfachen Austausch einer beschädigten Elektroden/Versteifungselement-Klinge. Alternativ kann die Klinge statt mit Schrauben in dem Halter durch Hartverlöten befestigt werden, um eine monolithische Klingenanordnung zu erzeugen, das heißt, die Klinge wäre nicht ohne weiteres austauschbar. Der Klingenkörper 56 ist bevorzugt mit einer isolierenden Beschichtung, zum Beispiel Al₂O₃ oder Y₂O₃ bedeckt, um eine Lichtbogenbildung zu den Seitenwänden der Schweißfuge zu verhindern. Ferner sind alle rauhen Kanten auf der gestanzten oder gefrästen Klinge entgratet, um eine Lichtbogenbildung zu verhindern. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform enthält die flache dreieckige Klinge einen oder mehrere isolierende Abstandshalter 62. Jeder Abstandshalter 62 besteht aus einem Stangenabschnitt eines isolierenden Materials, zum Beispiel Al₂O₃ oder Y₂O₃ mit einer zylindrischen Umfangswand und einem Paar leicht konvexer gegenüberliegender Oberflächen oder abgerundeter Kanten an jedem Ende des Zylinders. Wie es am Besten in 12B zu sehen ist, steht jeder isolierende Abstandshalter 62 auf beiden flachen Seiten der Elektrodenklinge über die Ebene der Klingenoberfläche hinaus. Diese Abstandshalter dienen dazu, eine minimale Verbindungsstelle zwischen den Seitenwänden der Schweißfuge und den flachen Seiten der Klinge des Elektroden/Versteifungs-Elementes aufrecht zu erhalten, um somit ein Verkratzen oder einen übermäßigen Verschleiß der Keramikbeschichtung während der Elektrodenbewegung in der Schweißfuge zu verhindern. Ein ausreichend tiefer Kratzer auf der beschichteten Oberfläche der Klinge entfernt die Keramikbeschichtung, was die Klinge für eine Funkenbildung entlang der unbeschichteten Stelle empfindlich macht.
Wenn die Füllerführungsdüse 16 elektrisch mit dem Versteifungselement 56 verbunden ist, wird der Füllerdraht 10 zu einer Verzehrelektrode, wie bei dem Metallinertgas-(MIG)-Schweißen. In diesem Falle kann die ersetzbare Spitze 55 (siehe 12A) entfernt werden. Alternativ ist, wenn die Düse 12 elektrisch von dem Versteifungselement 56 getrennt ist, dann das Versteifungselement auch eine nichtverzehrbare Elektrode, wie bei dem Wolframschutzgas-(TIG)-Schweißen. Optionale Hilfsdüsen 64 (zum Beispiel für den Transport von Inertschutzgas sind durch gestrichelte Linien in 12A dargestellt.
Gemäß einer weiteren in 12C dargestellten Variante ist die Füllerführungsdüse 16 mit dem Versteifungselement 56 verschweißt und eine Düse 66 für eine Temperaturerfassungseinrichtung (nicht dargestellt) ist mit der anderen Seite der Füllerführungsdüse 16 verbunden. Für den Fall, in welchem der Füllerdraht sowohl eine Verzehrelektrode, als auch ein Füllermaterial ist, wie zum Beispiel bei dem MIG-Schweißen und Lichtbogenschweißen mit Fülldrahtelektroden, ist die Düse so ausgelegt, dass sie elektrisch zu dem Draht hin leitet, um einen Lichtbogen von dem Schmelzende des Drahtes zu dem Werkstück aufzubauen und zu erhalten. In dieser Variante ist die Düse elektrisch von dem Rest des Schweißbrenners isoliert. Die Füllerführungsdüse 16 weist in diesem Falle einen elektrischen Leiter 68 auf, der von einem elektrischen Isolator 70 umgeben ist, welcher wiederum von dem Strukturrohr 72 umgeben ist.
Das bzw. die Versteifungselement(e) können mit der Füllerführungsdüsenvorrichtung verbunden und elektrisch gemeinsam durch Hochtemperatur-Hartlösen, Präzisionsschweißen (zum Beispiel Laser-, Elektronenstrahl-, Elektrowiderstandsschweißen) oder andere Mittel ohne Risiko einer Überhitzung und Schmelzung der Verbindung(en) der Anordnung während des Einsatzes ausgeführt sein.
Bezüglich der vorstehend erwähnten Schweißprozess-Mess- und Steuervorrichtung können die optionalen Düsen dazu verwendet werden, sichtbares Licht in den lokalen Schweißbereich zu führen, im ihn für visuelle oder maschinelle Inspektionszwecke zu beleuchten. Die Lichtquelle für diesen Zweck kann effektiv durch eine optische Faser oder ein Faserbündel geliefert werden, das durch eine oder mehrere Düsen verläuft. "Strukturiertes Licht" kann ebenfalls verwendet werden, um Information zur Beobachtung oder Steuerung der Schweißgeometrie zu liefern.
Die optionalen Düsen können auch verwendet werden, um nicht sichtbares Licht (wie zum Beispiel eine Infrarotwellenlänge) an den lokalen Schweißbereich zu liefern, um ihn für eine maschinelle Steuerung, Beobachtung oder andere Überwachungszwecke entweder vor, während oder nach jedem Schweißdurchgang zu "beleuchten". Die Lichtquelle für diesen Zweck kann ebenfalls über eine optische Faser oder ein Faserbündel geliefert werden, das durch eine oder mehrere Düsen verlaufen.
Eine bzw. mehrere zusätzliche Düse(n) können auch als Miniatur-Industrieendoskop verwendet werden, welches in den Schweißverbindungsstelle blickt, während es die lokale Geometrie der Schweißraupe und des Substrates überwacht. Diese Konfiguration kann genutzt werden, um eine ausreichende Weitwinkel- oder Vergrößerungsansicht des Schweißbades und des benachbarten Bereiches innerhalb der Verbindungsstelle zu erhalten. Für Verbindungsstellen mit sehr stark reduzierter Breite kann dieses Betrachtungsverfahren dem vorgezogen wer den, das mit einer außerhalb der Verbindungsstelle angeordneten Kameraobjektivlinse erhalten wird, da mit der externen Betrachtungskonfiguration das Sichtfeld durch den Seitenwandbeschneidungseffekt der bevorzugten schmalen Verbindungsstellenbreite begrenzt wird.
Weitere Düsen können eine Schweißprozess-Positionsmessung oder Steuerung von Schweißbrenner-Bewegungsmerkmalen, wie zum Beispiel eine Schweißbrenner-Lateralposition in der Verbindungsstelle oder eine Höhenposition über der Schweißraupe, wie zum Beispiel eine Höhenmessung bereitstellen, um die ausgewählte Lichtbogenlänge/Spannung wie in automatischen Spannungssteuerungs-(AVC)-Systemen zu erzeugen. In diesen Fällen basiert die Messung nicht auf den Wert der Lichtbogenspannung, sondern statt dessen auf einer unabhängigen Einrichtung, wie zum Beispiel entweder auf berührenden leitenden oder berührungslosen Annäherungssensoren.
Bei mit Faseroptik ausgestatteten Düsen kann die gelieferte Laserhitze auch für andere Zwecke als das Schmelzen von Schweißmetall verwendet werden. Beispiele für die Anwendung derartiger nicht schmelzender Wärmequellen sind Vorreinigung, Vorheizung, Zwischendurchlaufreinigung und/oder Nachschweißungswärmebehandlung (PWHT) des Schweißbereichs, um entweder den Mikrostruktur- oder Restspannungszustand der Verbindung zu verbessern oder das Risiko einer Heißrißbildung oder verschiedener Formen verzögerter Rissbildung zu reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Füllerdraht mit nicht runder Querschnittsform verwendet werden, um die Oberfläche des Füllermetalls zu vergrößern, bevor es in die Wärmequelle eingeführt wird, und dadurch die Konvektionswärmeübertragung in das Material verbes sern. Für eine vorgegebene Querschnittsfläche des Füllermaterials weist eine nicht runde Form eine Dickenabmessung auf, welche kleiner als der Durchmesser einer runden Form gleicher Fläche ist, und daher eine niedrigere Zeitkonstante für eine Leitungswärmeübertragung quer über diese reduzierte Dicke besitzt. Die bevorzugte Orientierung für eine nicht runde Form ist die mit der der Wärmequelle gegenüberliegenden Breitendimension.
Für extrem dünne Verbindungsstellen sollte die nicht runde Drahtform mit ihrer Hauptquerschnittsabmessung parallel zu der Verbindungsstellentiefe orientiert sein. Diese Orientierung sorgt für die kombinierten Vorteile der größten Fülleroberfläche, der geringsten Verbindungsstellenbreite und der vergrößerten Lichtbogenlänge, welcher über dessen breitere Oberfläche (nach dem Auftreffen auf dessen Kante) verläuft. Die Füllererwärmungs- und Schmelzperiode kann dadurch effizient zum größeren Vorteil in dieser Orientierung genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil in der Verringerung der effektiven Dicke und/oder Vergrößerung der Oberfläche des Füllerdrahtes (und der entsprechenden Leitungswärme-Übertragungsstrecke zu dessen Mittelpunkt) ist eine Verbesserung in dem thermischen Schmelzwirkungsgrad und kann direkt auf die gewünschte Verringerung in der Gesamtschweißwärmeeingabe und/oder der gewünschten Zunahme in der Fülleraufbringungsrate für eine gegebene Wärmeeingabe bezogen werden. Mittels derselben Prinzipien kann die Verbindungsproduktivität für jede Gesamtwärmeeingabe gesteigert werden, indem der zum Schmelzen des Füllers verwendete Anteil der Wärme erhöht und der entsprechende Anteil der Wärme, welche zu einer überschüssigen Schmelzung von Grundmaterial beiträgt, verringert wird.
Alternativ kann das Loch in der Füllerführungsdüse nicht rund sein und kann (falls gewünscht) zusammenhängende Formen von nicht rundem Füllermaterial aufnehmen und beibehalten. Beispiele solcher Formen sind Flachdraht, Band- oder Draht mit texturierter Oberfläche. Eine spezielle Auslegung der nicht runden Düse ermöglicht nur die Einführung eines nicht runden Füllerdrahtes in die Verbindungsstelle, um das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen des Drahtes zu maximieren, und dessen effektive thermische Dicke zu minimieren. Diese Merkmale lösen das Problem der Abschmelzungsrate des Drahtes, welche typisch der zeitbegrenzende Schritt in Bezug auf die Notwendigkeit der Erhöhung der Gesamtfüllermetall-Aufbringungsrate ist.
Die nicht runde Füllermaterialform oder texturierte Füllermaterialoberfläche kann der vorliegende Zustand sein, welcher zu einem vorhergehenden Zeitpunkt für eine Verbindungsanwendung erzeugt wurde, oder sie kann direkt in den Draht unmittelbar erzeugt werden, bevor er in die Führungsdüse eingeführt wird (wie zum Beispiel durch Oberflächenrändern oder Formwalzen).
Eine Variante in der Füllerdrahtform, welche entweder auf einen Draht mit rundem oder nicht rundem Querschnitt anwendbar ist, ist ein gebogener oder verdrehter Draht (wie zum Beispiel in einer Serpentinen- oder Schraubenform), welcher eine erhöhte Erwärmungszeit und Schmelzwirkungsgrad erzeugt. Für eine gegebene volumetrische Zuführungsrate des Füllers ist die Länge eines Biegedrahtes effektiv kürzer als die entsprechende Länge des geraden Drahtes. Daher ist die effektive geradlinige Zuführungsrate in die Wärmequelle langsamer (was mehr Zeit für die Erwärmung auf dessen Schmelztemperatur bereitstellt) als die geradlinige Rate vor dem Biegen.
In den nachstehenden Absätzen (1–10) werden Varianten der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

(1) Die nicht runde Querschnittsform der Düsenanordnung kann verschiedene "abgeflachte" Formen, einschließlich elliptischer, linsenförmiger, ovaler, rechteckiger, usw. annehmen. Der Durchtritt für den Draht (beispielsweise ein Loch kann zentral angeordnet sein oder kann versetzt sein, um die Anbringung weiterer Vorrichtungen und/oder Löcher für andere Funktionen auf den verlängerten Kanten der Düse zu ermöglichen.
(2) Die Düse kann nach Bedarf entlang ihrer Achse geradlinig oder nicht geradlinig sein, um eine optimale Betrachtung zu ermöglichen, während gleichzeitig der bzw. die bevorzugte(n) Drahteintrittswinkel in das Schweißbad aufrecht erhalten bleiben. Für sehr tiefe Verbindungsstellen und niedrige Drahteintrittswinkel kann es zu bevorzugen sein, die Düsenanordnung nach oben (zu der Öffnung der Verbindungsstelle hin) an dessen Einlassende zu krümmen, um deren Länge kürzer und ihre entsprechende Steifigkeit höher zu halten.
(3) Die Düse kann als Verbund verschiedener einfacherer Komponentenformen hergestellt werden, um die gewünschte, insgesamt abgeflachte (nicht runde) Form, Düsenlochposition und die elektrischen Leitungs- oder Isolations- und andere Eigenschaften ausgewählter Bereiche der Anordnung zu erhalten.
(4) Die Düse kann aus verschiedenen Materialien hergestellt oder mit diesen verstärkt werden (zum Beispiel einem "Klavier/Musik-Draht", Werkzeugstahl usw.), um sowohl die höchste Zugfestigkeit, als auch den höchsten Elastizitätsmodul und Steifigkeit, insbesondere senkrecht zu dessen Dicke aufrecht zu erhalten. Eine zusammengesetzte Konfiguration kann ebenfalls verwendet werden, um eine angemessene Beständigkeit gegen thermische Beschädigung oder mechanischen Verschleiß zu erzeugen.
(5) Die Düse kann mittels mechanischer oder anderer Mittel geführt werden, um sie in der bevorzugten Lage in der Verbindungsstelle, wie zum Beispiel in der Mittenposition, zu halten. Das Führungsmittel kann ein passives sein, wie zum Beispiel ein mechanischer Folgestab, der die Seiten der Schweißverbindungsstelle berührt, oder ein aktives, wie zum Beispiel ein Mess- und Steuersystem.
(6) Die Düse(n) kann bzw. können mechanisch (jedoch nicht elektrisch) mit dem Rand bzw. Rändern einer nichtverzehrbaren Elektrode verbunden sein, um die Steifigkeit der dünnen Anordnung zu verbessern, sowie leicht die erforderliche Ausrichtung zwischen diesen sicherzustellen. Die Wärme in der Elektrode kann auch dazu beitragen, dass Füllermaterial vorzuheizen, um so den thermischen Schmelzwirkungsgrad zu verbessern.
(7) Für den Fall, in dem der Füllerdraht nur ein Füllermaterial (und nicht auch eine Verzehrelektrode ist), wie zum Beispiel bei dem Gaswolfram-Lichtbogenschweißen (auch als Wolframinertgasschweißen (TIG) bekannt) kann die Düse so ausgelegt sein, dass sie elektrisch zu dem Draht hin leitet, um den Draht vor der Schmelzung in dem Lichtbogen vorzuwärmen.

Dieses Verfahren ist in der Industrie als "Heißdraht-TIG-Schweißen" bekannt. Wenn der Draht elektrisch vorgeheizt wird, ist die Düsenanordnung bevorzugt mit einer elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Außenoberflächenbeschichtung oder Strukturschicht ausgeführt, um einen möglichen Kurzschluss zu dem Werkstück zu verhindern. Diese Isolationsbeschichtung, welche eine hohe mechanische und Wärmeschockbeständigkeit aufweisen muss, kann auf den Düsenkomponenten durch thermisches Aufsprühen einer starken Hochtemperaturkeramik, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Yttriumoxid oder Gemischen davon erzeugt werden.
Das Loch für den Füllerdraht kann mit einem zusätzlichen Material mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit (wie zum Beispiel Legierungen aus Beryllium, Kupfer und Silber) in Bezug auf den Rest der Anordnung ausgekleidet sein. Alle bekannten Konstruktionen von Heißdraht-TIG-Düsen besitzen eine deutlich größere Abmessung und Form, welche verhindert, dass sie in eine Schweißverbindungsstelle mit extrem verringerter Breite passen, wie es mit den Düsenkonfigurationen der vorliegenden Erfindung möglich ist.

(8) Die optionalen Düsen können zum Vorheizen des Füllermaterials vor dessen Eintritt in das Schmelzbad mit einem faseroptisch zugeführten Laserstrahl in einem Laser-Heißdraht-TIG-Aufbau verwendet werden. Diese Konfiguration kombiniert die Lichtbogenverteilungseigenschaft eines elektrischen Lichtbogens, die erforderlich ist, um die volle Breite und die Seitenwände einer Verbindungsstelle und eine möglicherweise variable Raupenoberflächengeometrie mit den stärker fokussierten Erhitzungseigenschaften mit höherer Energiedichte einer faserzugeführten Laserquelle zu erwärmen. Ein derartiges Laser-Heißdraht-Vorheizverfahren erwärmt effizienter ei nen Draht mit gleichförmiger Geometrie (gerade oder nur moderat gebogen), welcher deutlich dünner als die Verbindungsstelle und die Breite des elektrischen Lichtbogens wäre.
(9) Noch weitere Längslöcher in der Düsenanordnung können zur Temperaturmessung oder Steuerung verwendet werden, indem dünne Temperatursensoren, wie zum Beispiel Thermoelemente oder Widerstandstemperaturvorrichtungen eingebaut werden, welche die Vorerhitzungs- und/oder Zwischendurchlauftemperaturen nach Bedarf messen. Diese Konfiguration erlaubt eine genauere Messung der lokalen Temperaturen an dem heißesten Abschnitt der Raupe in der Verbindungsstelle statt der typischerweise überwachten Durchschnittstemperaturen, welche entfernt von der Schweißraupe außerhalb der Verbindungsstelle gemessen werden. Wenn mehrere Sensoren verwendet werden, kann die Temperaturverteilung entlang oder quer zu der Verbindungsstelle erhalten werden.
(10) Die optionalen Düsen können auch für eine lokale Zuführung von Schweißnaht verflüssigenden oberflächenaktiven Stoffen und/oder Schweißnahtdurchdringungsmitteln verwendet werden, um das Verhalten von Legierungen mit Standardzusammensetzung zu verbessern. Diese Mittel können auch verwendet werden, um für eine akzeptable Schweißbarkeit schwieriger (hochreiner) Legierungen bezüglich Benetzung- und Durchdringungssteuerung zu sorgen.

Die Füllermaterial-Führungsdüse der Erfindung stellt eine genauere Positionierung des Füllermetalls in der Verbindungsstelle in der bevorzugten Position der Wärmequelle, eine verringerte Sichtbehinderung in das Innere der Verbindungsstelle und die entsprechende Fähigkeit zum Verbessern der volumetrischen und thermischen Wirkungsgrade der Verbindungsstelle durch Ermöglichen einer weiteren Reduzierung der Verbindungsstellenbreite bereit. Diese Verbesserungen können zu weniger Defekten in der dem Schmelzgut, geringeren Restspannungen, verringerter thermischer Beschädigung in den wärmebeeinflußten Zonen (HAZ), höherer Verbindungsproduktivität und verlängerter Schweißbrenner-Lebensdauer führen.
Zusätzlich kann die eine Gasverteilerlanze enthaltende Füllermaterial-Düsenanordnung effizient das erforderliche Schweißgas lokal näher an die Schweißraupe und die Elektrodenspitze innerhalb der Verbindungsstelle liefern. Dieses ist eine Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Verfahren einer ineffizienten Anordnung einer Gasverteilungsglocke außerhalb der Verbindungsstelle oder der Erzeugung einer Gasglocke um die Elektrode herum innerhalb der Verbindungsstelle, welche dann deutlich breiter sein muss als sie in dem Falle für die Düsenkonfiguration der vorliegenden Erfindung ist.
Die Füllermaterial-Führungsdüse der Erfindung hat den Vorteil, dass sie dafür verwendbar ist, weitere verbindungsbezogene Prozesse, wie zum Beispiel lokale Legierungshinzufügung und Dotierung, Hilfsbeleuchtung, maschinelle und visuelle Inspektion oder Bildgebung, Schweißraupen- und Verbindungsstellen-Größenmessung und Schweißbrenner- oder Füllermaterialpositionssteuerung liefern kann. Noch weitere Varianten umfassen Vorheizen und Zwischendurchlauf-Temperaturmessung, Vor-/Nacherwärmen der Verbindung, Vorwärmen des Füllermaterials, Schweißgasdämme für Atmosphäreneinschluß innerhalb der Verbindungsstelle in der Nähe des Lichtbogens und weitere.
Die Vorteile der hierin beschriebenen Füllermaterial-Führungsdüse können bei den meisten Schweiß- und einigen Hartlötanwendungen unter Verwendung mechanisierter Geräte mit einer lokalen Wärmequelle in der Verbindungsstelle, wie zum Beispiel mit einem elektrischen Lichtbogen oder einem über Faseroptik zugeführten Laser, oder alternativ mit einer entfernten Wärmequelle, wie zum Beispiel einem mittels Linsenoptik zugeführten Laserstrahl, Elektronenstrahl usw. realisiert werden. Die größten Vorteile können erzielt werden, wenn die Verbindungsstelle so volumetrisch klein und effizient (schmale Breite für eine gegebene Tiefe) ist, dass herkömmliche Düsen entweder zu breit sind, um in die Verbindungsstelle mit einem ausreichenden Freiraum für eine seitliche Einstellung und Vorwärtsbewegung sind, oder zu nachgiebig sind, um in angemessener Weise eine genaue Füllermaterial-Positionsteuerung sicherzustellen.
Die Variante einer Füllermetall-Führungsdüse, welche vom Aufbau her mit einer Schweißgasverteilungslanze integriert ist, ermöglicht, dass die Tiefe der Verbindungsstellen, welche erfolgreich gefüllt werden können, erheblich über die praktische Grenze herkömmlicher Praktiken hinaus unter Verwendung eines abgeflachten Schweißbrenners innerhalb der Verbindungsstelle, oder einer abgeflachten Gasglocke um den sich innerhalb der Verbindungsstelle erstreckenden Abschnitt der Elektrode vergrößert werden kann. Dieser Vorteil kann ohne Rückgriff auf die unerwünschte Praxis der Vergrößerung der Breite und des entsprechenden Volumens der Verbindungsstelle erzielt werden. Die Gaslanze kann auch mit einem nachgiebigen Schweißungs/Abdeckungs-Gasdamm integriert werden, um eine stabile Schweißung in sehr dünnen Verbindungsstellenausführungen mit hohem Aspektverhältnis auszuführen.
Die verschiedenen Ausführungen der Füllermaterial-Düsenanordnung der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, um die herkömmliche Form eines Runddrahtfüllers, sowie andere Formen mit höherem Schmelzwirkungsgrad, wie zum Beispiel Flachdraht, texturierten Draht, gebogenen oder verdrillten Draht und Pulver oder Pulvergemische zuzuführen.
Die offenbarten Vorrichtungen und Verfahren können effektiv sowohl für Schweißprozesse mit verzehrbarer als auch nichtverzehrbarer Elektrode verwendet werden. Für Schweißprozesse mit nichtverzehrbarer Elektrode kann die Füllermaterialdüse vom Aufbau her mit der Elektrode integriert werden, um die Ausrichtungs-, Stabilitäts- und Vorerwärmungs- und Produktivitätsvorteile zu erzielen.

Claims

Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung mit einer nicht kreisförmigen Querschnittsform, die geeignet ist, in eine Schweissvertiefung mit einer sehr verminderten Breite zu passen, enthaltend: eine rohrförmige Düse (16) zum Führen von Drahtfüllmaterial zu einer gewünschten Stelle innerhalb der Schweissvertiefung von einer Stelle ausserhalb der Schweissvertiefung, wobei die Düse einen kreisförmigen Auslass für den Draht an seinem entfernten Ende aufweist und einen Kanal mit einem konstanten kreisförmigen Querschnitt mit dem gleichen Durchmesser wie der Auslass hat, der mit dem Auslass in Verbindung steht, und ein Versteifungsteil (18, 22, 36, 38, 40 oder 56), das mit der Düse verbunden ist, wobei die Düse und das Versteifungsteil im allgemeinen in einer Ebene liegen und eine Struktur bilden, die stabiler ist als die Düse allein, wobei das Versteifungsteil mit der rohrförmigen Düse an ihrem entfernten Ende verbunden ist und sich von dort weiter erstreckt, und wobei der äussere Durchmesser des Drahtes im wesentlichen der gleiche ist wie der innere Durchmesser des Kanals.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Versteifungsteil einen Stab (18) oder ein Blech oder eine Platte (22 oder 56), die einen mit der Düse verbunden Rand aufweist, oder eine Leitung (36, 38 oder 40) aufweist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 2, wobei das Versteifungsteil eine Leitung ist, die einen entfernten Abschnitt (38a), der aus einem gasdurchlässigen Material hergestellt ist, und einen Abschnitt aufweist, der mit dem entfernten Abschnitt verbunden ist, der aus einem gasundurchlässigen Material (38b) hergestellt ist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düse einen elektrischen Leiter (68) aufweist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 2, wobei das Versteifungsteil eine Leitung ist und ferner einen Lichtleiter aufweist, der innerhalb der Leitung angeordnet ist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung mit einer nicht kreisförmigen Querschnittsform, die geeignet ist, in eine Schweissvertiefung mit einer sehr verminderten Breite zu passen, enthaltend: eine Drahtfüllmaterial-Führungsdüse (16), die einen Kanal mit einem konstanten Querschnitt und einen Auslass mit dem gleichen Querschnitt wie der Kanal hat, und eine Gasverteilungsleitung (36, 38 oder 40), die mit der Düse verbunden ist, wobei die Drahtführungsdüse und die Gasverteilungsleitung im allgemeinen in einer Ebene liegen, wobei die äusseren Abmessungen des Drahtes im wesentlichen die gleichen sind wie die inneren Abmessungen des Drahtes, und die Gasverteilungsleitung einen entfernten Abschnitt (38a), der aus gasdurchlässigem Material hergestellt ist, und einen Abschnitt (38b) aufweist, der mit dem entfernten Abschnitt verbunden ist, der aus gasundurchlässigem Material hergestellt ist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 6, wobei ferner ein Blech oder eine Platte (22 oder 56) vorgesehen ist, die einen Rand hat, der mit der Füllmaterial-Führungsdüse oder der Gasverteilungsleitung verbunden ist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Gasverteilungsleitung eine erste poröse Wand (50), die eine relativ grobe Porösität hat, und eine zweite poröse Wand (52) aufweist, die eine relativ feine Porösität hat, wobei die erste poröse Wand innerhalb der zweiten porösen Wand verschachtelt ist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 6, wobei ein entfernter Abschnitt von der Gasverteilungsleitung eine spulenförmige Feder (76) aufweist.
Füllmaterial-Führungsdüseneinrichtung nach Anspruch 6, wobei ferner ein nachgiebiger Gasdamm (52) vorgesehen ist.