DE69735520T2

DE69735520T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen mit mehreren Zusatzwerkstoffen

Info

Publication number: DE69735520T2
Application number: DE69735520T
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: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2017-06-21
Also published as: JPH1080776A; ES2260777T3; EP0816001A2; EP0816001A3; MX9704676A; EP0816001B1; DE69735520D1; JP3331148B2; US5714735A; TW338737B; US5994659A

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Fügen von Bauteilen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein automatisches Schweißen in einer Fuge von kleiner Breite zum Fügen von Metallbauteilen.
Die herkömmliche Praktik mechanisierten und automatischen Schweißens (und zu einem geringeren Maß Hartlötens) hat sich auf Verfahren zur Verbesserung des Stoßmikrogefügezustands und Restspannungsniveaus konzentriert, insbesondere für Materialien, die für eine spannungsinduzierte Rissbildung, wie z.B. Spannungskorrosionsrissbildung (SCC), anfällig sind. Zusätzlich ist insbesondere für Materialien von dickerem Querschnitt eine Betonung auf eine Verbesserung der Fügeproduktivität gelegt worden, während die Stoßqualität aufrechterhalten oder verbessert wird. Eine von diesen Modifikationen in Bezug zu herkömmlichen V-Fugen-Stößen ist gewesen, das Volumen des Schweißzusatzwerkstoffs zu verringern, der abgeschmolzen wird, indem die Breite des Schweißstoßes reduziert wird. Diese Technik ist im Stand der Technik als "Engfugen"- (oder Engspalt-) Schweißen bekannt. Da die Stöße dünner gemacht werden, mit steileren Seitenwandwinkeln, sind Breiten- und Tiefe-Breite-Verhältnis-Beschränkungen für die Stoßkonstruktion vorhanden, die zuverlässig fertiggestellt werden kann, selbst wenn nur ein einziger Schweißzusatzwerkstoff verwendet wird. Da die technischen und praktischen Erfordernisse, die Stöße sogar dünner zu machen, ansteigen, wird die Schwierigkeit einer Anordnung und präzisen Steuerung der Zufuhr von mehreren nichtparallelen Schweißzusatzwerkstoffen in diese engen und verhältnismäßig tiefen Stöße unter Verwendung von herkömmlicher Ausrüstung und Prozeduren sogar größer, oder sie ist für viele Anwendungen unpraktisch.
Ein zusätzliches Problem für dünne Stöße von hohem Tiefe-Breite-Verhältnis ist die Beschränkung der Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung und entsprechenden Stoßfertigstellungsgeschwindigkeit, die durch die maximale praktische Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung stark gesteuert werden, die nicht zu einer Gefahr mangelnder Verschmel zung oder anderen Fehlern führt. Die Praktik einer Zufuhr von nur einem einzigen Schweißzusatzwerkstoff in das Schmelzbad zu jedem Zeitpunkt während der Abschmelzung einer Schweißzusatzwerkstoffraupe ist in ihrem thermischen Wirkungsgrad im Hinblick auf eine Verwendung des größten Teils der Energie der Wärmequelle von Natur aus beschränkt (Siehe die US-A-S 373 139). Die gleichzeitige Zufuhr von zwei Schweißzusatzwerkstoffen, von denen einer in das Schweißbad zugeführt, aber absichtlich nicht in den heißesten oder wirkungsvollsten Schmelzteil der Wärmequelle angeordnet wird, ist im thermischen Wirkungsgrad auch von Natur aus beschränkt. Diese Praktiken führen zu unerwünschten Beschränkungen für die Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung und -produktivität.
Gewerbliche Systeme sind zur Zufuhr von Mehrfachschweißdrähten erhältlich. Der allgemeine Lösungsansatz, der in der Schweißindustrie zur Mehrfachschweißzusatzwerkstoffzugabe verwendet wird, besteht darin, unter Verwendung von zwei Düsen zuzuführen, wobei jede zu unterschiedlichen Zeiten zuführt. Die Düsen zielen von unterschiedlichen Richtungen bezüglich der Richtung der Brennerbewegung, typischerweise von der Vorlauf- und Nachlaufseite des Brenners (oder einer anderen Wärmequelle). Ein Plan besteht darin, von den zwei entgegengesetzten nichtparallelen Düsen alternierend zuzuführen, wenn die Richtung einer Brennerbewegung periodisch von einer Vorwärts- zu einer Rückwärtsrichtung geändert wird, wie z.B. um eine Orbitalfügeanwendung fortzusetzen, während Kabel wiederaufgerollt werden, die während der Abschmelzung von Mehrfachfüllraupen bei Fortbewegung in der Vorwärtsrichtung um ein Bauteil herumgewickelt worden waren. Diese im Handel erhältliche Systemkonfiguration wird üblicherweise "Zweidrahtzuführung" genannt und ermöglicht eine Produktivitätsverbesserung für einige Mehrraupen-Zweirichtungsbewegungsanwendungen.
Ein anderer bekannter Plan besteht, typischerweise bei einem Versuch, die Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung zu verbessern, darin, von zwei entgegengesetzten nichtparallelen Düsen gleichzeitig zuzuführen, während in entweder der Vorwärts-, Rückwärts- oder beiden Richtungen geschweißt wird. Eine Variation dieses Schemas ist es, zu versuchen, beide Schweißzusatzwerkstoffdüsen und deshalb die Zielpunkte von beiden Drähten auf den gewünschten Teil des Schmelzbads (unter der Wärmequelle) auszurichten.
Eine andere Variation, die mit seitlicher Brenner- und Schweißzusatzwerkstoffoszillation verwendet wird, besteht darin, in einer Anstrengung, etwas von der Überschuss/Rest-Wärme zu nutzen, die im Bad zurückbleibt, das Zielen von einer Schweißzusatzwerkstoffdüse auf die augenblickliche Position der Wärmequelle zu synchronisieren und die andere Düse zu synchronisieren, die in den Teil des Schmelzbads gezielt werden soll, von dem die Wärmequelle sich gerade bewegt hat. In dieser letztgenannten Konfiguration ist die "Abschreck"-Schweißzusatzwerkstoffzufuhrgeschwindigkeit typischerweise nur ein kleiner Bruchteil der primären Zufuhrgeschwindigkeit. Dieses System erhebt den Anspruch, eine Produktivität durch die Verwendung der zusätzlichen phasenverschobenen Nachlaufseiten-Abschreckdrahtzufuhr zu verbessern.
Eine Anzahl von Schweißsystemen ist im Handel erhältlich, die ein Pulsieren eines einzigen Schweißzusatzwerkstoffs zwischen zwei Zufuhrgeschwindigkeiten ermöglichen, die mit einem Pulsieren des Bogens zwischen zwei Energieniveaus synchronisiert sind. Bei höheren Impulsfrequenzen bewirkt jedoch die Kombination von mechanischem Schlupf im Antriebsmechanismus (Motorgetriebeköpfe usw.) und dem Spiel zwischen der Innenabmessung des Schweißzusatzwerkstoffkanals und der Außenabmessung des Schweißzusatzwerkstoffs, dass die einzelnen Zufuhrgeschwindigkeiten in einen Mittelwert verschmiert werden, wenn der Schweißzusatzwerkstoff das Austrittsende der Zufuhrdüse verlässt. Effektiv wird diese mittelwertbildende Bedingung durch die mechanische Trägheit des Antriebsmechanismus verschlechtert und führt zu einer ineffizienten Verwendung des signifikant größeren Schweißzusatzwerkstoffheiz- und -schmelzvermögens des höheren Energieniveaus. Das Heiz- und Schmelzvermögen z.B. eines Elektroschweißbogens ist proportional zum Quadrat des Stroms, so dass hohe Stromniveaus beim Schmelzen von Schweißzusatzwerkstoff signifikant wirkungsvoller sind als niedrigere Stromniveaus.
Herkömmliche Schweißzusatzwerkstoffdüsen sind steif und können aufgrund ihrer großen Breite nicht in einen sehr dünnen Stoß eingesetzt werden. Der Standard-Lösungsansatz, das Herausstehen des Schweißzusatzwerkstoffs über das Ende der Düse hinaus zu erhöhen, so dass er sich in einen dünnen Stoß erstreckt, ist durch das Fehlen einer Schweißzusatzwerkstoff-Positionssteuerung in der Nähe des Bodens von solchen Stößen begrenzt, wenn sie tief sind, wie es bei dickeren Materialien der Fall ist. Diese fehlende Positionssteuerung führt nicht nur zu Schweißzusatzwerkstoffschmelzineffizienzen, wenn das Zielen zum heißesten Teil des Bogens verschlechtert ist, sondern führt auch zu einer Elektrodenverunreinigung, Verschmelzungsfehlern und Prozessabbrüchen, wenn der Schweißzusatzwerkstoff unbeabsichtigterweise die (nichtselbstverzehrende) Elektrode berührt und die Bogengeometrie und thermischen Eigenschaften beeinträchtigt.
Mehrfachschweißzusatzwerkstoffausrüstungskonstruktionen, die einzelne Düsen für Mehrfachzufuhranwendungen verwenden, verwenden gerade Führungsrohre, die die Tatsache nicht automatisch kompensieren, dass die nicht unterstützte Schweißzusatzwerkstoffform nicht gerade ist und dass das Ende nach Verlassen der Düse keinem geraden Pfad folgt. Diese Konstruktion weist den Nachteil auf, keine zielende Steuerung der Drahtposition bereitzustellen, nachdem er das Austrittsende der Düse verlässt, um die Tatsache zu kompensieren, dass der Draht eine "Cast-" oder Helixkonfiguration aufweist, die von dem dauernden Biegen zurückbleibt, das auftritt, wenn er auf kreisförmigen Spulen aufgewickelt ist. Der zuvor gebogene Draht springt in die gekrümmte Konfiguration zurück, was einen Teil der Biegedehnung wiedergibt, die er hatte, als er sich auf der Spule befand. Diese Krümmung wird typischerweise berücksichtigt, wenn der Schweißzusatzwerkstoff anfänglich in Bezug zur Wärmequelle (wie z.B. der Spitze einer nichtselbstverzehrenden Elektrode) positioniert wird, und kann in einigen Fällen während des Verlaufs des Fügens beim Gebrauch von motorisierten Mehrachsenschweißzusatzwerkstoffdüsen-Positioniervorrichtungen von Hand aufgehoben werden. Dieses Verfahren ist auf eine Bedienperson für periodische zielende Einstellungen angewiesen und würde sehr umständlich sein, wenn mehr als ein Schweißzusatzwerkstoff zur selben Zeit zugeführt wird, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsfügepraktiken.
Die JP-A-01 306 073 stellt ein System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch l und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10 dar.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zufuhr von Mehrfachschweißzusatzwerkstoffen in breitenreduzierte Schweiß- oder Hartlötstöße von hohem Tiefe-Breite-Verhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Breite). Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung erleichtern ein Fügen mit verbesserter Steuerung und Stabilität der Schweißzusatzwerkstoffposition, wenn er in die Wärmequelle und den benachbarten Schmelzbadbereich eintritt. Das Verfahren und die Vorrichtung liefern auch einen höheren Schweißzusatzwerkstoffschmelzwärmewirkungsgrad und entsprechende Abschmelzleistungen (Abschmelzraten), die zu Stoßmaterialeigenschaften und Fügeproduktivitätsvorteilen führen, die signifikant über herkömmlichen komplizierteren Praktiken liegen. Diese Verbesserungen werden am besten verwirklicht, wenn ein Mehrfachschweißzusatzwerkstoffverfahren mit einer Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenvorrichtung verwendet wird.
Die Verwendung einer Düse, die mehrere im Allgemeinen parallele Schweißzusatzwerkstoffe zuführen kann, kann eine Fügeproduktivität signifikant verbessern, während gleichzeitig die Wärmezufuhr bei einem Minimum gehalten wird, was ein Hauptmerkmal der neuen Konfiguration ist. Der Unterschied zwischen der vorhandenen industriellen Praktik einer Zweidrahtzufuhr und dem hier offenbarten Verfahren besteht darin, dass die standardmäßige Zweidrahtzufuhr alternierend von unterschiedlichen Düsen erfolgt, wenn sich der Brenner vorwärts- und rückwärtsbewegt oder seitlich über den Stoß oszilliert, wohingegen bei diesem neuen Verfahren mehrere im Wesentlichen parallele Schweißzusatzwerkstoffe, wie z.B. in der Form von Drähten, von derselben Düse gleichzeitig in entweder der Vorlauf- oder der Nachlaufrichtung (oder in beiden Richtungen) zugeführt werden. Die hauptsächlichen technischen Merkmale, die für eine effizientere Wärmeübertragung zu und durch den Schweißzusatzwerkstoff von einer externen Wärmequelle, wie z.B. einem Bogen oder Energiestrahl, sorgen, sind die folgenden:

1. Der Oberflächenkonvektionsbereich für eine Wärmeübertragung in eine gegebene Länge von Mehrfachdrähten ist im Vergleich mit dem Bereich eines einzelnen Drahts mit derselben Länge und Volumen (aber entsprechend größeren Dicke) signifikant erhöht.
2. Die Dicke für eine nichtkreisförmige Form (oder der kleinere Radius und Durchmesser für eine kreisförmige Form) des schlankeren Drahts, durch den die extern zugeführte Wärme hindurchgeleitet werden muss, bevor der Draht bis zu seiner Mitte und dann über seinen vollen Durchmesser ganz geschmolzen ist, ist signifikant verringert.
3. Die Zeit, die dieser Mehrfachschweißzusatzwerkstoffoberflächenbereich der Wärmequelle ausgesetzt ist, ist signifikant erhöht und ist proportional größer als diejenige eines einzelnen schlankeren Drahts, der mit einer schnelleren Lineargeschwindigkeit zugeführt wird.
4. Die Position von Mehrfachschweißzusatzwerkstoffen, wenn sie sich dem Schweiß- oder Hartlotbad nähern, kann in Bezug zur bevorzugten Position in der Temperaturverteilung über die Wärmequelle günstig ausgewählt werden, was eine bessere Wärmeübertragung und deshalb einen höheren thermischen Wirkungsgrad für den Fügeprozess ermöglicht. Der vorbestimmte Austrittswinkel und Zwischenraum zwischen den Düsenöffnungen bestimmt die Schweißzusatzwerkstoffkonvergenzposition.
5. Die Mehrfachschweißzusatzwerkstoffe können in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet werden, was ein besseres Mischen und chemische Homogenität der Abschmelzung ermöglicht, wenn Drähte von unterschiedlichen Zusammensetzungen geschmolzen werden, so dass sich eine Verbund- oder abgestimmte Legierung ergibt.
6. Die Redundanz der Mehrfachschweißzusatzwerkstoffe ermöglicht, dass Variationen in der Zufuhrgeschwindigkeit von einem oder mehreren der Schweißzusatzwerkstoffe mit weniger Beeinträchtigung des Schmelzprozesses aufgenommen werden, da jeder Schweißzusatzwerkstoff nur einen Bruchteil der gesamten Abschmelzleistung darstellt.
7. Der Zwischenraum des Endes des Schweißzusatzwerkstoffs in Bezug zur nichtselbstverzehrenden Elektrode, wenn vorhanden, ist aufgrund der von Natur aus größeren Steifigkeit der offenbarten Konstruktion einer Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüse signifikant verbessert. Eine Variation der Düsenkonstruktion ergibt sich mit der Elektrode, die als ein mechanisch integraler Teil der Düsenanordnung hergestellt ist, was ein exaktes und konstantes Zielen für den Schweißzusatzwerkstoff in Bezug zur Wärmequelle liefert.
8. Die Zielausrichtungsbeständigkeit für jeden der Mehrfachschweißzusatzwerkstoffe kann selbst mit wesentlichen Mengen von "Cast" in der Schweißzusatzwerkstoffform (nach Abwickeln von einer Spule) gesteuert werden, was auf das selbstausrichtende fakultative Merkmal von Düsenöffnungen mit einer gekrümmten Form zurückgeführt werden kann, was erzwingt, dass der Schweißzusatzwerkstoff von gekrümmter Form der vorbestimmten Orientierung der gekrümmten Form der Düse beständig folgt. Jeder von den vorhergehenden Effekten (
1–8) ermöglicht, dass die minimale erforderliche Energie der Schweiß- oder Hartlöt-Wärmequelle verringert wird, wenn die feineren Mehrfachdrähte verwendet werden, und verbessert wiederum den thermischen Wirkungsgrad des Schweiß- oder Hartlotstoßes. Zusammen sorgen sie für eine sogar größere Verbesserung beim thermischen Schmelzwirkungsgrad. Der thermische Wirkungsgrad ist verbessert, da mit einer geringeren Energiezufuhr zum Füllen eines Stoßes mit einem festen Volumen weniger Energie beim Schmelzen von überschüssigem Basismaterial vergeudet wird. Zusätzlich tritt weniger thermische Schädigung in den Bauteilen, die verbunden werden, auf (wie z.B. örtliche Schrumpfung, Gesamtverzerrung und Mikrogefügeschädigung in der Wärmeeinflusszone).
9. Die Zufuhrgeschwindigkeiten der Mehrfachdrähte können fakultativ einzeln mit dem periodischen Pulsieren der Bogenenergie impulssynchronisiert sein, wenn verwendet. Dieses Merkmal ermöglicht mehr thermisch wirkungsvolles Schmelzen von Mehrfachschweißzusatzwerkstoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten, wobei die Schweißzusatzwerkstoffe von höherer Schmelztemperatur mit einer proportional größeren Geschwindigkeit während des Hochenergieteils des Zyklus zugeführt werden und die Schweißzusatzwerkstoffe von niedrigerer Schmelztemperatur mit einer größeren Geschwindigkeit während des Niedrigenergieimpulses zugeführt werden.

Zusätzliche technische Vorteile, die nicht direkt mit dem thermischem Wirkungsgrad der Erfindung in Beziehung stehen, umfassen das Folgende:

1. Die Mehrfachdüsen können verwendet werden, um Schweißverdünnungseffekte durch Legierungsbildung zu kompensieren, um günstigere gleichförmige, gradientenförmige oder gestufte Zusammensetzungen in Stößen oder einer Plattierung zu erzeugen. Diese verschiedenen Zusammensetzungskonfigurationen können durch Zufuhr von variablen Geschwindigkeiten von zwei oder mehr unterschiedlichen Legierungen in den Stoß erzielt werden. Dieser Vorteil wird z.B. an den freien Oberflächen, die Prozessfluiden ausgesetzt sind, oder an den Muttermetallgrenzflächen bevorzugt, wenn sie von einer anderen Zusammensetzung als der Schweißzusatzwerkstoff sind.
2. Die Mehrfachdüsen können auch verwendet werden, um Zusatzstoffe an das Schweißbad abzugeben, wie z.B. Pulver für Legierungsbildungseffekte, einschließlich Insitu-Legierungsbildung mit katalytischen Edelmetallelementen (z.B. Palladium) oder Anreicherung mit SCC-beständigen Elementen (z.B. Chrom). Wie hierin verwendet, bedeutet der Term "Edelmetall" ein Metall aus der Gruppe, die aus Platin, Palladium, Osmium, Ruthenium, Iridium, Rhodium und Mischungen von Elementen aus dieser Gruppe besteht. Zusatzstoffe können auch eingeführt werden, die mit dem Schweißmaterial keine Legierung bilden, die aber stattdessen eine Verbundstruktur bilden. Die Erfindung kann auch verwendet werden, um Plattierungen mit kundenspezifisch legierten Zusammensetzungen unter Verwendung des In-situ-Legierungsbildungsverfahrens und von Standardlegierungsschweißzusatzwerkstoffen abzuschmelzen.
3. Zusätzlich können die Mehrfachdüsen zur örtlichen Abgabe von mindestens einem der Schweißzusatzwerkstoffe verwendet werden, das Schweißflussmitteltenside und/oder Schweißeinbrandmittel enthält, um die Leistungsfähigkeit der anderen Schweißzusatzwerkstoffe zu steigern, die aus Standardzusammensetzungslegierungen hergestellt sein können, oder um die Schweißbakeit von schwierigen "hochreinen" Legierungen zu erhöhen, wobei sie mit einer akzeptablen Schweißbarkeit versehen werden.
4. Mehrfachdüsen können verwendet werden, um Stöße von funktionellem Gradientenwerkstoff (FGM) durch Schweißen oder Hartlöten zu erzeugen, mit dem Vorteil, dass die Steigung der Gradientenzusammensetzung durch die Tiefe des Stoßes (typischerweise die Dicke des Materials) besser eingestellt werden kann, um sich einer Anwendung anzupassen. Als ein Beispiel kann der Gradient nach Bedarf gleichförmiger sein oder eine verringerte Steigung aufweisen, um die Vorteile bei Eigenschaften eines Gradientenstoßes zu verwirklichen. Eine Konfiguration der Düsen, die dieses Ergebnis erzeugen kann, ist eine vertikale Anordnung der einzelnen Düsen in der Anordnung.
5. Die Verwendung von Mehrfachdüsen kann die Gesamtschweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung verbessern, indem einzelne abgestimmte Zufuhrgeschwindigkeiten verwendet werden, die jeweils auf einen maximalen Wert gemäß seiner präzisen Position im Temperaturgradienten des Bogens (oder einer anderen Wärmequelle) eingestellt sind. Wenn einer oder mehrere Schweißzusatzwerkstoffe im heißesten Teil des Bogens positioniert sind und mit einer höheren Geschwindigkeit zugeführt werden als die restlichen Schweißzusatzwerkstoffe, die an einem kälteren Teil des Bogens positioniert sind und mit einer entsprechend niedrigeren (aber einzeln maximierten) Geschwindigkeit zugeführt werden, kann die maximale Gesamtzufuhrgeschwindigkeit dann höher eingestellt werden, als wenn nur ein Schweißzusatzwerkstoff von größerem Durchmesser, der schwieriger zu schmelzen ist, verwendet würde.

Andere gewerbliche oder praktische Vorteile der offenbarten Erfindungen umfassen das Folgende:

1. Ein Zuführen von Mehrfachdrähten kleinen Durchmessers (die aber metallurgisch hart und steif sind) mit einer niedrigeren Linearzufuhrgeschwindigkeit, statt Zuführen eines sogar feineren einzelnen Drahtes mit einer schnelleren Lineargeschwindigkeit (entsprechend derselben Volumenzufuhrgeschwindigkeit) ist insofern vorteilhaft, als der sehr feine Draht anfälliger für Buckeln und Kollabieren in axialer Kompression als die dickeren Drähte ist, wenn sie durch das typischerweise in Schlangenlinien verlaufende Kanalsystem zur Leitdüse geschoben werden. Für eine konstante Schweißzusatzwerkstoffvolumenzufuhrgeschwindigkeit und eine konstante Linearzufuhrgeschwindigkeit wird eine Änderung von einer Menge von einem stärkeren zylindrischen Schweißzusatzwerkstoff zu einer willkürlichen Menge von N schlankeren zylindrischen Schweißzusatzwerkstoffen gleichen Radius durch die Beziehung:
bestimmt, wobei R₁ der Radius des stärkeren einzelnen Schweißzusatzwerkstoffs ist und R_N der Radius von jedem der schlankeren Mehrfachschweißzusatzwerkstoffe ist. Deshalb ist der Anstieg im Flächeninhalt von N Mehrfachschweißzusatzwerkstoffen N^1/2mal größer als für einen einzelnen Schweißzusatzwerkstoff, der mit einer gleichen Zufuhrgeschwindigkeit zugeführt wird.
2. Ein anderer praktischer Vorteil von Mehrfachdrähten, die von einer einzigen Mehrbohrungsdüse statt mehreren Mehrfachdüsen zugeführt werden, besteht darin, dass die Stabilität von ihrem Zielpunkten) exakter aufrechterhalten werden kann. Dieser Vorteil ist für entweder monolithische oder gefertigte Düsenkonstruktionen vorhanden.
3. Ein gewerblicher Vorteil, feine Mehrfachdrähte statt eines sogar feineren Einzeldrahts zu verwenden, der mit proportional höherer Lineargeschwindigkeit zugeführt würde, besteht darin, dass die sehr feinen Drähte mehr pro Volumeneinheit (oder Gewichtseinheit) zur Fertigung kosten.

Zusätzlich zur Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung ist ein anderer signifikanter begrenzender Faktor bei einer Schweißproduktivität typischerweise die maximale Größe des Schweißbads, das auf eine stabile Weise aufrechterhalten werden kann, während die konkurrierenden Kräfte von Schwerkraft und Oberflächenspannung ausbalanciert werden. Eine Verwendung von thermisch effizienten Mehrfachschweißdräten von schlankerer Größe, die direkt unter dem Bogen zugeführt werden, wie durch die Flachdrahtzufuhrmehrfachdüsenkonfiguration ermöglicht, liefert eine höhere Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung im Vergleich zu den phasenverschobenen Nachlaufseiten-Abschreckdrahtzufuhr- oder Einzeldrahtzufuhrverfahren nach dem Stand der Technik). Dieser Effekt ist möglich, da das Volumen von Basismaterial, das entsprechend mit dieser Praktik geschmolzen wird, verringert ist, und hält wiederum das Gesamtvolumen von Metall zu jedem Zeitpunkt innerhalb praktischer Grenzen geschmolzen. Die Verwendung von Mehrfachdrähten, die mit einer niedrigeren Lineargeschwindigkeit zugeführt werden, statt eines Drahts, der mit einer höheren Geschwindigkeit mit einer volumenmäßig gleichen Zufuhrgeschwindigkeit zugeführt wird, ermöglicht auch, dass Trägheitsttoleranzen für den Drahtspulenantrieb während Starts und Stopps gelockert werden. Diese Überlegung ist wichtig, wenn mit sehr hohen Geschwindigkeiten oder von massiven Drahtspulen oder beidem zugeführt wird.
Folglich ermöglicht die Erfindung, dass ein praktisches Gleichgewicht zwischen dem höheren thermischem Wirkungsgrad und Abschmelzleistung von sehr feinem Schweißzusatzwerkstoff, der schlechte Handhabungscharakteristika aufweist, und dem schlechten thermischen Wirkungsgrad und Abschmelzleistung von gröberem Schweißzusatzwerkstoff, der tolerantere Handhabungscharakteristika aufweist, erzielt wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung sind geeignet, um viele bekannte automatische und mechanisierte Bogen- und Energiestrahlschweiß- oder Hartlötpraktiken zu verbessern und kann zur Abschmelzung eines Drahts angewandt werden, der entweder eine kombinierte selbstverzehrende Elektrode und Schweißzusatzwerkstoff oder nur ein Schweißzusatzwerkstoff ist. Die Vorteile der Erfindung sind auf ein Fügen von nichtmetallischen Materialien sowie metallischen Materialien oder Kombinationen davon anwendbar, obwohl die primäre Anwendung für Ganzmetallstöße sein mag.
Andere technische Vorteile umfassen die Option für multifunktionelle Vermögen, um den thermischen Wirkungsgrad und andere Charakteristika des Schweiß- oder Hartlötprozesses und den fertiggestellten Stoß zu verbessern, indem Variationen verwendet werden, wie z.B. gleichzeitiges Zuführen von Mehrfachdrähten derselben oder unterschiedlicher Legierungen und elektrisches Vorheizen von einem oder mehreren der Schweißdrähte.
Ein praktischer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie eine verbesserte Direktsicht- oder Kamerafernbeobachtung des inneren Teils des Stoßes ermöglicht, ohne dass die Sicht durch die Drahtzufuhrleitdüse signifikant versperrt wird. Gemäß der Erfindung ist jegliche Versperrung der Sicht auf nur eine Seite des Schweiß- oder Hartlötbads beschränkt, im Vergleich zum Stand der Technik von gleichzeitiger Zufuhr von mehreren unterschiedlichen Seiten. Während eines Fügens mit breitenreduzierten Fugen unter Verwendung des Standes der Technik werden Mehrfachmaterialien von sowohl der vorlaufenden als auch nachlaufenden Seite des Stoßes zugeführt, was zu einer signifikanten Versperrung des möglichen Sichtfelds für die augenblicklichen und früheren Fügeraupen führt. Auch liefert die Erfindung eine bessere Sicht der Schweißraupen aufgrund der dünnen Breite der Düse, selbst für eine einseitige Schweißzusatzwerkstoffzufuhrausrüstung.
Zusammengefasst gesagt, umfassen Schweiß- und Hartlötproduktivitätsvorteile das Vermögen, die Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung zu erhöhen, indem die Schweißzusatzwerkstoffzufuhrgeschwindigkeit erhöht wird, ohne dass die Stoffwärmezufuhr erhöht wird (oder alternativ, die Wärmezufuhr für eine feste Schweißzusatzwerkstoffzufuhrgeschwindigkeit verringert wird), die Anzahl von Füllraupen, die erforderlich ist, zu verringern und deshalb die Gesamtschweiß- oder -hartlötzeit und -kosten zu verringern. Zusätzliche Produktivitätsvorteile umfassen einen Einschluss von Merkmalen, die sonst zu einer größeren Gefahr von Schweiß- oder Hartlötfehlern führen würden, wie z.B. Fügen mit höheren Fortbewegungsgeschwindigkeiten oder mit Legierungen, die ein geringeres Benetzungsvermögen aufweisen, während eine feste Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung und Stoffwärmezufuhr aufrechterhalten wird. Kurz gesagt, umfassen die technischen Vorteile für die kombinierte Verwendung des Mehrfachschweißzusatzwerkstoffverfahrens und -vorrichtung das Folgende: (1) höherer Schweißzusatzwerkstoffschmelzwärmewirkungsgrad; (2) größere Schweißzusatzwerkstoffabschmelzraten (-abschmelzleistungen); (3) Vermögen zum In-situ-Legierungsbilden und -Dotieren; (4) verringerte Wärmezufuhr für vorbestimmte Füllraten; und (5) verbesserte Synchronisation eines Schweißzusatzwerkstoff- und Energiepulsierens. Die praktischen Vorteile umfassen: (1) verbesserte Positionssteuerung des Schweißzusatzwerkstoffs; (2) verringerte Versperrung der Schmelzbadsicht; (3) Integration von komplementären Fügefunktionen; (4) erhöhte Toleranz gegen verschiedene Stoßfehler; (5) vereinfachte Schweißzusatzwerkstoffausrüstung und -steuerungen; und (6) höhere Stoßgesamtproduktion(füll)raten.
Ausführungsformen der Erfindung und veranschaulichende nicht durch die Ansprüche abgedeckte Beispiele werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
1A ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Mehrfachparalldraht-Zufuhrvorrichtung/Mischvorrichtung gemäß einem ersten veranschaulichenden Beispiel darstellt.
1B ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Mehrfachparallelpulver-Zufuhrvorrichtung/Mischvorrichtung gemäß einem zweiten veranschaulichenden Beispiel darstellt.
2 ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung mit zylindrischen Versteifern gemäß dem ersten veranschaulichenden Beispiel darstellt;
3A ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung mit einer segmentierten Konstruktion mit einem konvergenten Abstandshalter und Versteifer gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform darstellt.
3B ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung mit einer monolithischen Konstruktion mit konvergenten Schweißzusatzwerkstoffleitdüsen gemäß einem dritten veranschaulichenden Beispiel darstellt.
4 ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung darstellt, die durch eine nichtselbstverzehrende Elektrode getragen wird, gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
5A ist eine schematische Darstellung, die eine Vorderansicht der Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung von 4 darstellt.
5B ist eine schematische Darstellung, die eine Seitenansicht der nichtselbstverzehrenden Elektrode darstellt, die in der Verbundstruktur, die in 5A wiedergegeben ist, eingeschlossen ist.
5C ist eine detaillierte Draufsicht auf eine weitere Variation der Verbundstruktur, die in 5A wiedergegeben ist, in der der Schweißdraht vorgeheizt ist.
6 ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Zufuhrvorrichtung/Mischvorrichtung von drei parallelen Drähten darstellt, gemäß einem vierten veranschaulichenden Beispiel.
7 ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer Dreischweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung mit einer segmentierten Konstruktion mit konvergentem Abstandshalter und Versteifer darstellt, gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
Die 8A–8C sind Diagramme, die drei Beispiele für alternative polygonale Anordnungen von kontinuierlichen Mehrfachschweißzusatzwerkstoffen wiedergeben, gemäß veranschaulichenden Beispielen.
9 ist eine schematische Darstellung, die eine isometrische Ansicht einer gekrümmten Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung darstellt, die eine Schweißzusatzwerkstoffcaststeuerung und konvergente Zielkonstruktion aufweist, gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
9A ist eine detaillierte Ansicht der distalen Enden von drei Schweißdrähten, die durch die gekrümmte Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung von 9 in den Schweißbogen geführt werden.
10A ist eine Vorderansicht einer Verbundschweißzusatzwerkstoffdüse und nichtselbstverzehrenden Elektrode gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
10B ist eine Schnittansicht, aufgenommen entlang der in 10A dargestellten Linie 10B-10B.
10C ist eine Vorderansicht eines keramischen Kugelisolators/Führung, die in einer gekräuselten Rückhalterhülse lose zurückgehalten wird.
11A ist eine schematische Darstellung, die eine Vorderansicht einer Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung mit einem zweifachen konvexen Rand mit Randwalzendistanzeinrichtungen darstellt, gemäß noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Die 11B und 11C sind detaillierte Draufsichten auf weitere Variationen der in 11A wiedergegebenen Verbundstruktur, in der der Schweißdraht vorgeheizt ist.
Gemäß einem veranschaulichenden Beispiel der Erfindung, das in 1A dargestellt ist, können ein erster und zweiter Draht 10a, 10b in dieselbe Mehrbohrungsdüsenführungsanordnung 12A zugeführt werden, indem sie mit einem gestapelten Satz von respektiven Einrillenantriebsrollenpaaren 20a, 20b angetrieben werden, die auf wechselseitig parallelen Wellen 22 drehbar montiert sind. Alternativ können die Mehrfachschweißdrähte mit einem einzigen Paar von Antriebsrollen (nicht dargestellt), die Mehrfachrillen aufweisen, zugeführt werden. Obwohl nur zwei Drähte in 1A dargestellt sind, ist auch ein Zuführen von zwei oder mehr Drähten durch eine einzige Mehrbohrungsdüsenführungsanordnung möglich. Um die Relativgeschwindigkeit von nur einigen von den Mehrfachdrähten zu variieren, können sie nach Bedarf mit zusätzlichen unabhängig angetriebenen oder synchron angetriebenen und gesteuerten Sätzen von Rollen zugeführt werden.
Die Mehrbohrungsdüsenanordnung kann aus Stücken von schlankem kreisförmigem oder nichtkreisförmigem Rohrmaterial 16a und 16b gefertigt sein, von denen mindestens die Spitzen mit einem Paar von hochfesten Stangen- oder Stabmaterialversteifern 18 verbunden sind (siehe 1A), die auf entgegengesetzten Seiten derselben angeordnet sind. In der Alternativen kann nur ein Versteifer verwendet werden. Die Schweißdrähte 10a und 10b werden respektive durch das Rohrmaterial 16a und 16b zugeführt, wobei die Düsenanordnung 12A so positioniert ist, dass die Enden der Schweißdrähte 10a und 10b am Ort der zu bildenden Schweißraupe angeordnet sind.
Das Rohrmaterial 16a und 16b (nachstehend "Schweißzusatzwerkstoffleitdüse") kann aus Wolfram hergestellt sein (wie es z.B. durch die chemische Dampfabscheidungstechnik erzeugt wird) oder aus einem anderen hochfesten verschleißfesten Material, wie z.B. Metallkarbid. Die Versteifer 18 sowie die Schweißzusatzwerkstoffleitdüsen 16 können aus Karbid, Wolfram usw. hergestellt sein, um die steifste, wärmebeständigste und verschleißfesteste Düsenanordnung zu erzeugen, die praktisch ist, oder aus hochfestem vergütetem Stahl, um die widerstandsfähigste (bruchfeste) Anordnung zu erzeugen.
Alternativ können Trichter 24a und 24b verwendet werden, um respektive aus Teilchen bestehende Schweißzusatzwerkstoffe 25a und 25b in das Rohrmaterial 16a und 16b der Mehrbohrungsdüsenanordnung, die in 1B dargestellt ist, einzuspeisen. Andere mechanische Mechanismen können wie gewünscht verwendet werden, um die Mehrbohrungsdüsenanordnung mit entweder kontinuierlichen Feststoffen, aus Teilchen bestehenden Schweißzusatzwerkstoffen, gasfluidisierten Pulvern oder separaten Gasen zu speisen.
Die Mehrfachschweißzusatzwerkstoffrohre können im Wesentlichen entlang ihrer Länge parallel zueinander oder alternativ unter einem kleinen Winkel zueinander verbunden werden, so dass sich der Schweißzusatzwerkstoff, der aus den Düsen austritt, in Richtungen bewegt, die in der Nähe oder am Brennpunkt (Teil höchster Energiedichte/Temperatur) der Wärmequelle konvergieren, um thermisch effizienter und schneller schmelzen zu können. Ein Beispiel für diese Konfiguration ist schematisch in 2 für einen Bogenschweißstoß sehr reduzierter Breite und hohem Tiefe-Breite-Verhältnis dargestellt, wobei eine Flachelektrodenkonfiguration verwendet wird. Insbesondere kann die Schweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung als Teil eines Wolfram-Inertgas-Bogenschweiß (GTAW)-Systems verwendet werden, das angepasst ist, um eine Fuge 2 reduzierter Breite zu schweißen, um einen geschweißten Stoß 4 zwischen den Teilen 6a und 6b zu bilden. Das GTAW-System weist eine mechanisierte Brennerbewegung und eine Wolframelektrode 8 mit einer Geometrie auf, die konstruiert ist, um in die Fuge 2 reduzierter Breite zu passen. Die Seitenwände der Fuge 2 weisen vorzugsweise einen spitzen Winkel von weniger als 5° auf. Das Blatt der Elektrode 8 weist einen nichtkreisförmigen Querschnitt auf. Insbesondere weist der Blattquerschnitt eine langgestreckte Abmessung, die parallel zur Länge des Schweißstoßes orientiert ist, und eine verkürzte Abmessung, die senkrecht zur Länge des Stoßes orientiert ist, z.B. einen Zylinder mit einem im Allgemeinen rechteckigem Querschnitt, auf.
Die Schweißraupen 4 werden im Innern der Fuge 2 unter Verwendung der dünnen langgestreckten Wolframlegierungselektrode 8 abgeschmolzen, um die Schweißdrähte 10a und 10b, die durch eine Schweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung 12A in die Fuge zugeführt werden, abzuschmelzen. Die Elektrode 8 passt ins Innere der Fuge 2 mit einem Spiel zwischen der Elektrode und den Seitenwänden. Das Blatt der Elektrode 8 ist fakultativ mit einer Keramikschicht bedeckt, um eine Bogenbildung zu den Seitenwänden der Fuge 2 zu verhindern. Die Schweißelektrode 8 wird durch eine herkömmliche Bogenenergieversorgung (nicht dargestellt) mit Energie versorgt, um einen primären Bogen zu erzeugen. Die Flachelektrode 8 und die flache Schweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung 12A in Verbindung mit dem kleinen Öffnungswinkel und ausgewählten Schweißparametern erzeugen einen sehr dünnen Schweißstoß. Während eines Schweißens wird der Bogen vorzugsweise unter Verwendung von mindestens einer Fernbeobachtungskamera 14 beobachtet.
Gemäß einem veranschaulichenden Beispiel weist die Schweißzusatzwerkstoffdüsenvorrichtung (z.B. 12A in 2) einen nichtkreisförmigen Querschnitt auf. Insbesondere ist die Querschnittsform der Schweißzusatzwerkstoffleitdüsenanordnung so konstruiert, dass sie in einer zur Tiefe und Länge der Schweißnaht senkrechten Richtung dünn ist, und in einer zur Naht parallelen Richtung weit ist. Auch kann die Höhe und/oder Breite entlang der Länge der Düsenanordnung konisch verlaufen, um möglichst viel Steifigkeit in Richtung auf das (montierte) Einlassende bereitzustellen, und um möglichst eng und dünn in Richtung auf das Austrittsende zu sein. Alternativ kann ein Schweißdraht oder -streifen von nichtkreisförmigem Querschnitt verwendet werden, um den Flächeninhalt zu erhöhen und deshalb den Wärmeübertragungsbereich und Schmelzwirkungsgrad zu verbessern.
Die Gründe für eine Verwendung einer nichtkreisförmigen (z.B. blattförmigen) Düsenvorrichtung umfassen das Folgende: A) um eine seitliche Steifigkeit zur Düse zu liefern, die ausreicht, um eine angemessene Schweißzusatzwerkstoffpositionsführung aufrechtzuerhalten, während nur die minimale praktische Breite (in einer zu den Wänden senkrechten Richtung) bereitgestellt wird, wenn sie in Stößen von reduzierter Breite verwendet wird, die ansonsten zu eng sein würden, um gefüllt zu werden; B) um eine erhöhte Düsenbiegesteifigkeit sowohl parallel als auch senkrecht zur Stoßtiefe zu liefern, so dass die gewünschte Schweißzusatzwerkstoffführung aufrechterhalten wird, trotz unbeabsichtigten physischen Handhabens oder verkehrter mechanisierter Düsensteuerung; C) um eine minimale Düsenbreite (in einer zur Schweißnaht senkrechten Richtung) bereitzustellen, so dass die Sicht in den Stoß von einer entfernt angeordneten Schweißbeobachtungskamera nicht durch den Teil der Düse versperrt wird, der durch die Sicht hindurchgeht; D) um eine ausreichende Düsenhöhe (in einer zur Stoßtiefe parallelen Richtung) bereitzustellen, um zu ermöglichen, dass Mehrfachfügen-verwandte Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden oder spezifische einzelne Funktionen effizienter und produktiver mit derselben wie für den Fügeprozess verwendeten Düsenanordnung ausgeführt werden; und E) um zu ermöglichen, dass sich die Düse in der Nähe des Bodens eines stark breitenreduzierten Stoßes für Pulverzufuhrzugaben direkt in das Schweißzusatzwerkstoffschmelzbad erstreckt. Fluidisiertes Pulver würde, wenn es von einer größeren Düse nicht innerhalb des Stoßes zugeführt wird, übermäßig im Stoß divergieren und zu einem signifikanten Verlust einer Schweißzusatzwerkstoffabschmelzleistung im Bad führen.
Gemäß der Erfindung können die Mehrfachrohre auch mit einem dünnen konisch verlaufenden Versteifer entlang ihrer Länge und unter einem kleinen Winkel miteinander verbunden werden, wobei das Versteiferstück vorzugsweise aus einem Material von hoher Formänderungsfestigkeit hergestellt ist (wie z.B. Wolframlegierung oder Edelstahl, die in eine lange dünne Form geschnitten sind), so dass der Schweißzusatzwerkstoff an einer vorbestimmten Stelle zu einem Nahpunkt konvergiert. Eine effiziente Form eines solchen konvergenten Abstandshalters und Versteifers ist eine kegelstumpfartige dreieckige Platte 18A mit einer Basisabmessung, die kleiner als diejenige ihrer benachbarten Seiten ist, wie in der Düsenanordnung 12B von 3A dargestellt. Ähnliche Formen mit gekrümmten Seiten werden unten erörtert. Zusätzliche Düsen können an das Rohr 16a oder das Rohr 16b oder beiden angebracht werden, um einen Düsenstapel in der Ebene der Versteiferplatte zu bilden.
Eine Konfiguration eines Versteifers ist ein langes dünnes dreieckiges Stück von Wolframlegierungsplattenmaterial (oder einem anderen Material von hoher Formänderungsfestigkeit, wie z.B. Karbid), das an das Schweißzusatzwerkstoffdüsenrohr mit der schmalen Spitze des Dreiecks am Austrittsende des Rohrs hartgelötet, geschweißt, mechanisch befestigt oder sonst verbunden ist. Diese Konfiguration liefert den größten Widerstand gegen ein Biegen, wenn die Düsenanordnung auf einem Befestigungsbügel (nicht dargestellt) als ein Ausleger am weiten Ende des Dreiecks montiert ist. Der Befestigungsbügel ist mit einer Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden, um die Schweißzusatzwerkstoffdüsenanordnung hochzuheben und abzusenken.
3B stellt eine monolithische Schweißzusatzwerkstoffdüse 12C eines veranschaulichenden Beispiels mit einer ovalen Form mit zwei (26a, 26b) oder mehr (26c) Bohrungsöffnungen für Schweißzusatzwerkstoffe (10a, 10b, 10c) und mit der Option von zusätzlichen Bohrungen 26d und 26e dar, um Prozess-erforderliche Gase, Beleuchtung, Heizung, Sensor/Steuer-Laserlichtstrahlen, elektrische Leiter usw. zuzuführen. Die Leitdüse, die durch einen Befestigungsbügel 24 getragen wird, führt den Schweißzusatzwerkstoff von Punkten außerhalb der Schweißfuge zu einer gewünschten Stelle im Innern der Schweißfuge, d.h. in die Nähe des Schweißbads. Der Schweißzusatzwerkstoff wird in die Düse mittels eines respektiven Kanals 20 geführt. Alternativ kann der Querschnitt der monolithischen Anordnung ein Rechteck statt eines Ovals sein.
Die Bohrungen 26a–26c können auch verwendet werden, um feste Zusatzstoffe zum Schweißbad abzugeben, wie z.B. Pulver für Legierungsbildungseffekte einschließlich In-situ-Legierungsbildung mit katalytischen Edelmetallelementen (z.B. Palladium), Anreicherung mit SCC-beständigen Elementen (z.B. Chrom) oder Flussmitteln und Tensiden, um einen Schweißeinbrand und/oder Benetzung zu verbessern. Zusatzstoffe können auch eingeführt werden, die keine Legierung mit dem Schweißmaterial bilden, sondern vielmehr eine Verbundstruktur bilden.
Die fakultativen Bohrungen 26d und 26e der monolithischen Düse 12C können auch verwendet werden, um die Hauptquelle oder eine Hilfsschmelzwärmequelle für den Fügeprozess zu liefern, wie z.B. Laserlicht, das durch eine Faseroptik in den Düsen hindurchgeht. Diese Variation kann besonders zur Arbeit in sehr breitenreduzierten Stößen bei Lasersystemen mit einer höheren Strahlqualität nützlich sein, die ermöglichen, dass ausreichend fokussierte Wärme faseroptisch an das Schweißbad abgegeben wird, ohne dass raumeinnehmende Objektivlinsen am Ende der Faser benötigt werden.
Eine signifikant unterschiedliche Variation der Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüse gemäß der Erfindung besteht darin, die Schweißzusatzwerkstoffdüsen auf den geraden oder gekrümmten Rändern eines Dreiecks breiterer Basis aus mechanisch starkem wärmebeständigem elektrisch leitfähigem dünnen Material, z.B. der Flachelektrode 28, zu montieren, um die Schweißzusatzwerkstoffleitdüsenanordnung 12D zu bilden, die in den 4, 5A und 5B dargestellt ist. Die Flachelektrode 28 liefert die Funktionen eines monolithischen Versteifers für die Schweißzusatzwerkstoffdüsen 16a und 16b und eine nichtselbstverzehrende Elektrode. Alternativ dient die dreieckige Platte der Düsenanordnung als eine Kombination aus Versteifer für die Düsen und Halter für eine Spitze einer nichtselbstverzehrenden Elektrode (in den Zeichnungen nicht dargestellt). Die Konstruktion einer bevorzugten Kombination weist eine Spitze auf, die mit dem Versteifer elektrisch und mechanisch verbunden ist, die doch noch entfernbar ist. An den Rändern müssen die Schweißzusatzwerkstoffzufuhrrohre von der Elektrodenspitze und -körper elektrisch isoliert sein.
Die Variation eines Dreiecks von breiterer Basis weist den Vorteil auf, eine relative Positionsstabilität zwischen der Elektrodenspitze und dem Schmelzende der kontinuierlichen Schweißzusatzwerkstoffe oder Ströme von Schweißzusatzwerkstoff bei Zuführung als ein gasfluidisiertes Produkt bereitzustellen. Andere Bohrungsöffnungen können für Prozesserforderliche oder Unterstützungszwecke wie gewünscht verwendet werden, wie z.B. Bereitstellen einer Abschirmung oder von Plasma-bildenden Gasen oder Laserlichtstrahlen zur Beleuchtung, Heizung, Verfolgung usw. Gerade Ränder sind in 4 dargestellt, jedoch gelten die Vorteile von gekrümmten Rändern, die denjenigen ähneln, die in 10A dargestellt sind, für diese Dreiecksform von breiter Basis.
Die 5A–5C stellen die Einzelheiten der in 4 wiedergegebenen Ausführungsform dar. Eine nichtkreisförmige Düsenanordnung kann hergestellt werden, wobei ein dreieckiger (oder stangenförmiger) Versteifer 28 aus Wolfram oder einer anderen geeigneten Hochtemperaturlegierung gefertigt ist, der sowohl als eine nichtselbstverzehrende Schweißelektrode als auch als ein Düsenversteifer wirkt. Eine dreiecksförmige Elektrode/Versteifer, die aus Wolframlegierungsplattenmaterial hergestellt ist; kann einen ausreichenden Querschnittsbereich an ihrem (weiten) Basisende bereitstellen, so dass sie einer unakzeptable Biegung erfolgreich widerstehen sowie einen außergewöhnlich hohen Bogenstrom führen kann, trotz ihrer minimalen Dicke. Die Basis des Dreiecks wird durch einen Elektrodenhalter 30 festgeklemmt oder sonst gehalten. Der Elektrodenhalter 30 ist vorzugsweise aus einem leitfähigen, oxidationsbeständigen Material hergestellt, wie z.B. Kupferlegierung (z.B. Beryllium-Kupfer-Legierung), das fakultativ mit Silber oder Nickel galvanisiert ist. Der Elektrodenhalter nimmt vorzugsweise die Form eines T-förmigen Metallkörpers an, umfassend einen Schaft 30a und ein Querstück 30b. Der Schaft 30a ist mit einem herkömmlichen Schweißbrenner (nicht dargestellt) verbunden. Das Querstück 30b weist einen Längsschlitz auf, der zur Aufnahme der dreieckigen Blattbasis mit ausreichend Spiel geformt ist, um eine leichte Einsetzung und Entfernung zu ermöglichen. Die Blattbasis wird sicher in dem Querstückschlitz gehalten, indem ein Paar von Stellschrauben 32 in einem entsprechenden Paar von Gewindelöchern angezogen wird, die im Querstück gebildet sind. Das Blatt kann leicht aus dem Halter entfernt werden, nachdem die Schrauben gelockert worden sind. Dies ermöglicht eine leichte Ersetzung eines beschädigten Elektroden/Versteifer-Blatts. Statt Schrauben zu verwenden, könnte alternativ das Blatt im Halter durch Hartlöten gesichert werden, um eine monolithische Blattanordnung zu erzeugen, d.h. die Blätter würden nicht leicht ersetzbar sein. Der Blattkörper 28 ist vorzugsweise mit einer isolierenden Schicht, z.B. Al₂O₃ oder Y₂O₃, bedeckt, um eine Bogenbildung zu den Schweißfugenseitenwänden zu verhindern. Auch sind alle rauhen Ränder auf dem gestanzten oder geschnittenen Blatt entgratet, um ein Bogenbilden zu verhindern. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform enthält das flache dreieckige Blatt einen oder mehrere isolierende Distanzeinrichtungen 34. Jede Distanzeinrichtung 34 besteht aus einem Pfropfen von isolierendem Material, z.B. Al₂O₃ oder Y₂O₃, mit einer zylindrischen peripheren Wand und einem Paar von etwas konvexen entgegengesetzten Oberflächen oder gerundeten Rändern an jedem Ende des Zylinders. Wie am besten aus 5B ersichtlich ist, steht jede isolierende Distanzeinrichtung 34 auf beiden flachen Seiten des Elektrodenblatts 28 über die Ebene der Blattoberfläche vor. Diese Distanzeinrichtungen dienen dazu, einen minimalen Spalt zwischen den Seitenwänden der Schweißfuge und den flachen Seiten des Elektroden/Versteifer-Blatts aufrechtzuerhalten, wodurch ein Kratzen oder übermäßiger Verschleiß der Keramikschicht während einer Elektrodenbewegung in der Schweißfuge verhindert wird. Ein ausreichend tiefer Kratzer auf der bedeckten Oberfläche des Blatts entfernt die Keramikschicht, wobei das Blatt anfällig für eine Bogenbildung entlang dem nichtbedeckten Ort zurückgelassen wird.
Wenn eine der Schweißzusatzwerkstoffleitdüsen 16a oder 16b mit dem Versteifer 28 elektrisch gemeinsam ist, dann wird der Schweißdraht die selbstverzehrende Elektrode, wie beim Metall-Inertgas (MIG)-Schweißen. In diesem Fall kann die ersetzbare Spitze 25 (siehe 5A) entfernt werden. Alternativ, wenn die Düsen 16a und 16b vom Versteifer 28 elektrisch isoliert sind, dann ist der Versteifer auch eine nichtselbstverzehrende Elektrode, wie beim Wolfram-Inertgas (TIG)-Schweißen. Fakultative Hilfsdüsen 36, z.B. zum Transportieren von Inert-Schutzgas, sind in 5A durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Schutzgasdüsen verringern die Tendenz für eine Verunreinigung – wie sie auftreten würde, wenn Schutzgas in eine tiefe Fuge von enger Breite von außerhalb der Fuge geblasen würde – durch örtliches Bereitstellen von Schutzgas in reiner Form, wo benötigt, d.h. Schutzabdecken des Schweißbads.
Gemäß einer anderen Variation, die in 5C dargestellt ist, wird eine Schweißzusatzwerkstoffleitdüse 16c an den Versteifer 28 angeschweißt, und eine Düse 38 zur Aufnahme von Temperatursensoreinrichtungen (nicht dargestellt) wird an die Schweißzusatzwerkstoffleitdüse 16c angeschweißt. Für den Fall, in dem der Schweißdraht sowohl eine selbstverzehrende Elektrode als auch ein Schweißzusatzwerkstoff ist, wie z.B. beim MIG-Schweißen und Bogenschweißen mit Flussmittel-gefüllten Elektroden, ist die Düse so konstruiert, dass sie elektrisch zum Schweißdraht leitet, um einen Bogen vom Schmelzende des Drahts zum Werkstück zu erstellen und aufrechtzuerhalten. In dieser Variation ist die Düse vom Rest des Schweißbrenners elektrisch isoliert. Die Schweißzusatzwerkstoffleitdüse 16c umfasst in diesem Fall einen elektrischen Leiter 40, der von einem elektrischen Isolator 42 umgeben wird, der wiederum von Strukturrohrmaterial 44 umgeben wird.
Der (die) Versteifer kann (können) mit der Schweißzusatzwerkstoffleitdüsenvorrichtung durch Hochtemperaturhartlöten, Präzisionsschweißen (z.B. Laser, Elektronenstrahl, elektrischer Widerstand) oder andere Mittel verbunden werden und elektrisch gemeinsam gemacht werden, ohne Gefahr von Überhitzung und Schmelzen des Stoßes (der Stöße) der Anordnung während einer Verwendung.
Eine Variation des Düsenaustrittsöffnungsmusters,das eine erhöhte Nutzung der nichtlinearen Temperaturverteilung über die Wärmequelle ermöglicht, ist ein Muster, das zwei oder mehr unterschiedliche Schweißzusatzwerkstoffe und/oder Größen aufweist. Dieses thermisch vorgespannte Muster kann mit einem Schweißzusatzwerkstoff von stärkerer Größe/höherer Schmelztemperatur, der ungefähr auf dem heißesten Teil der Wärmequelle zentriert ist, und mit einem Schweißzusatzwerkstoff von schlankerer Größe/niedrigerer Schmelztemperatur, der unter oder an jeder Seite des stärkeren positioniert ist und deshalb im kühleren Teil der Wärmequelle angeordnet ist, konfiguriert sein. Ein Beispiel für einen Zufuhrmechanismus, der zu individuellen Zufuhrgeschwindigkeiten für drei kontinuierliche Schweißzusatzwerkstoffe imstande ist, ist in 6 dargestellt. Jeder Schweißdraht 10a–10c wird durch eine respektive Schweißzusatzwerkstoffleitdüse 16a–16c durch respektive Einrillenantriebsrollenpaare 20a–20c, die auf getriebenen Wellen 22 drehbar montiert sind, zugeführt. Die drei Schweißdrähte können so gezielt werden, dass sich ihre distalen Enden aufreihen oder an den Spitzen eines Dreiecks liegen, wie in der in 7 dargestellten Schweißzusatzwerkstoffleitdüsenanordnung 12E. Als ein Beispiel sind bei einem Bogen als die Wärmequelle die Anoden (Werkstück)-vorgespannten Stellen der Schweißdrähte effektiv kühler, was auf sowohl die abnehmende axiale und radiale Temperaturverteilung des Bogens in Richtung auf die Anode, die abnehmende Energiedichte des Bogens mit Abstand von der Elektrodenspitze, sowie das "Abschatten" des Schweißdrahts, der der Elektrodenspitze am nächsten ist, zurückzuführen ist.
In einer bevorzugten Konstruktion des thermisch vorgespannten Musters sind die Schweißzusatzwerkstoffgrößen zuvor ausgewählt, um die Abschmelzleistung gemäß der Temperaturverteilung zu maximieren. Die ausgewählten Größen sollten den schlanksten Schweißdraht, der ohne Buckeln oder andere praktische Probleme zugeführt werden kann, und den stärksten Schweißdraht, der in die sehr dünne Düse passt, die für die bevorzugte breitenreduzierte Stoßkonstruktion erforderlich ist, berücksichtigen. Für die gewählten Schweißdrahtgrößen können die Abschmelzleistungen anschließend für die tatsächliche Wärmequellen- und Wärmesenkenbedingungen des Fügeprozesses optimiert werden, indem verhältnismäßig kleine Änderungen an ihren respektiven Zufuhrgeschwindigkeiten vorgenommen werden, ohne dass der einzigartige Wärmewirkungsgrad für ein Zusatzwerkstoffschmelzen, das mit der Kombination der Anzahl von Mehrfachschweißzusatzwerkstoffen, der Schweißzusatzwerkstoffposition und der Schweißzusatzwerkstoffgröße erhalten wird, signifikant verschlechtert wird.
Ein fakultatives Verfahren zur Verwendung des dreieckigen Musters von 7 sorgt für eine individuelle Einstellung der Zufuhrgeschwindigkeiten der schlankeren Schweißzusatzwerkstoffe in Bezug zueinander, sowie in Bezug zum stärkeren Schweißzusatzwerkstoff. Diese Option nutzt die Vorteile des höheren Flächeninhalts und der kleineren Dicke von feineren Schweißzusatzwerkstoffen mit dem bevorzugten geometrischen Schweißzusatzwerkstoffmuster für verbessern Wärmenutzung für ein Schweißzusatzwerkstoffschmelzen. Zusätzlich umfassen die kombinierten Vorteile das Vermögen, den Legierungsgehalt des primären (typischerweise stärkeren) Schweißzusatzwerkstoffs mit den sekundären und/oder tertiären (typischerweise schlankeren) Schweißzusatzwerkstoffen abzustimmen, sowie Charakteristika des Schmelzbads zu steuern, wie z.B. Oberflächenbenetzung und Stoßeinbrand des primären Schweißzusatzwerkstoffs mit aktiven Elementen, die in den zusätzlichen Schweißzusatzwerkstoffen enthalten sind. Die Stellen der primären und sekundären Schweißzusatzwerkstoffe können umgruppiert werden, abhängig von dem relativen Schmelzpunkten und Größen der Schweißzusatzwerkstoffe.
Zusätzliche dreieckige/polygonale Muster, wie in den 8A–8C dargestellt, können zum Vorteil verwendet werden, um die Abschmelzleistung bei vorbestimmten Wärmezufuhrniveaus zu verbessern, und deshalb die Fügeproduktivität zu erhöhen. Die 8A und 8B zeigen dreieckige Schweißzusatzwerkstoffkonfigurationen, die aus einem starken Schweißdraht 10c und zwei schlanken Schweißdrähten 10a und 10b bestehen, wobei ein fakultativer dritter schlanker Schweißdraht 10d durch gestrichelte Kreise angezeigt ist. In 8c besteht die Schweißzusatzwerkstoffkonfiguration aus zwei starken Schweißdrähten 10c und 10d und zwei schlanken Schweißdrähten 10a und 10b, die an den Spitzen eines Parallelogramms angeordnet sind, und einem fakultativen dritten und vierten schlanken Schweißdraht 10e und 10f und einem dritten starken Schweißdraht 10g, angezeigt durch gestrichelte Kreise. Diese Muster mit mehr als drei Schweißzusatzwerkstoffen können einfache Schweißzusatzwerkstoffantriebsmechanismen vom Paralleltyp verwenden, wobei jeder mehr als ein Schweißzusatzwerkstoffstück zuführt. Alternativ können sie mit einzelnen Zufuhrantrieben betrieben werden, um die Zufuhrgeschwindigkeit von einem oder mehreren Schweißzusatzwerkstoffen bei einer komplizierteren Konstruktion abzustimmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Randkonfiguration der konvergenten Abstandshalter/Versteifer-Platte gekrümmt oder gerade sein. Für die in den 9 und 9A dargestellte Düsenanordnung 12F ist die bevorzugte Randform des Abstandshalters/Versteifers 18B in der Ebene der Düse gekrümmt. Diese Krümmung ermöglicht leicht, dass das angebrachte flexible Rohrmaterial 16a–16c gekrümmt wird. Gekrümmte Öffnungen für den Schweißzusatzwerkstoffführungspfad werden gegenüber geraden Öffnungen aus den folgenden funktionellen Gründen bevorzugt:

a) Ein Vorteil von gekrümmten Öffnungen besteht darin, dass sie eine planares Ausrichtung und Konvergenz der typischerweise gekrümmten Schweißzusatzwerkstoffe aufrechterhalten, wenn sie die Düsen verlassen (siehe 9A). Die Restkrümmung ("Cast") der Schweißzusatzwerkstoffe, nachdem sie von einer Spule abgewickelt worden sind, kann zu einer signifikanten Abweichung von ihren respektiven Zielpositionen führen, wenn ermöglicht wird, dass die Richtung der Krümmung ihre eigene azimutale Position in Bezug zur Achse der Düsenöffnung findet.
b) Ein zweiter Vorteil der gekrümmten Düse ist die signifikant kürzere Düsenlänge, die erforderlich ist, um sich von der Außenseite eines Stoßes zum Wurzelbereich zu erstrecken. Dieses Merkmal wird wichtiger, wenn entweder die Dicke der Materialien, die gefügt werden, ansteigt oder wenn der Schweißzusatzwerkstoffeintrittswinkel (in Bezug zur Oberfläche der Wurzel) abnimmt. Eine Düsenanordnung 18A, die eine konvergente Zielpunktkonstruktion aufweist, ist zum Vergleich mit einer Düsenanordnung 18B, die eine Schweißzusatzwerkstoffcaststeuerungs- und -konvergenzzielkonstruktion aufweist, in 9 in gestrichelten Linien dargestellt.
c) Ein dritter Vorteil besteht darin, dass, wenn sich die Krümmung der Düse der ungefähren Krümmung des Schweißzusatzwerkstoffs annähert (statt den Schweißzusatzwerkstoff zu einer geraden Konfiguration in der Düse zu zwingen), sich die Gleitreibung zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und der Schweißzusatzwerkstoffdüse vermindert. Diese Verringerung in der Reibung ermöglicht die zuverlässige Zufuhr von feineren (thermisch effizienter schmelzenden) Schweißzusatzwerkstoffen, ohne die von Natur aus erhöhte Gefahr eines Buckels an nicht unterstützten Teilen der Länge bei axialer Kompression, wie sie z.B. stromabwärts des Zufuhrvorrichtungsmechanismus auftritt.
d) Ein vierter Vorteil besteht darin, dass die bevorzugte kürzere Düse, wie in
b) oben beschrieben, für eine vorbestimmte Querschnittsform leichter ist, was wiederum die Lasterfordernisse für eine stabile Positionierung für andere Manipulatoren der Brenneranordnung verringert, wie z.B. Oszillations- und Spannungssteuerungsaktuatoren.
e) Ein fünfter Vorteil für gekrümmte kürzere Düsen besteht darin, dass sie steifer sind und deshalb für eine vorbestimmte Querschnittsform der Düse während einer rauhen Handhabung oder Gebrauch einen verbesserten Schweißzusatzwerkstoffzielpunkt aufrechterhalten können.
f) Ein sechster Vorteil, der für Düsen vom Mehrfachschweißzusatzwerkstofftyp anwendbar ist, besteht darin, dass, wenn die Schweißzusatzwerkstofföffnungen auf entgegengesetzten Rändern eines flachen Versteifers mit einem unterschiedlichen Krümmungsradius auf jedem Rand angeordnet sind, Schweißzusatzwerkstoffe mit unterschiedlichen Krümmungs("Cast")graden durch die Öffnung mit der am nächsten kommenden Entsprechung bei der Krümmung selektiv zugeführt werden können, wobei wiederum der Vorteil erhalten wird, der in
c) angegeben ist.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den 10A und 10B wiedergegeben. Im Gegensatz zur dreieckigen Elektrode/Versteifer 28, die in 5A dargestellt ist, weist die Elektrode/Versteifer 50 konvexe Ränder 50 und 52' entlang ihres untersten Teils auf. Die Elektrode/Versteifer 50 umfasst ein Blatt 54 und einen Schaft 56, von denen jedes separat ersetzbar ist. Das Blatt weist eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 58 auf, die respektive gekräuselte Rückhaltehülsen 60 aufnehmen. Jede Hülse ist gekräuselt (siehe 10C), um die Hülse in einer respektiven Öffnung zurückzuhalten und um eine respektive Keramikkugel 62 in der Hülse zurückzuhalten. In der in 10B dargestellten Ausführungsform weist die Keramikkugel 62 einen Durchmesser auf, der größer als die Dicke der Elektrode/Versteifer 50 ist. Alternativ können die Rückhaltehülsen asymmetrisch gebildet sein, um kleinere Kugel zu halten, so dass einige Kugeln auf nur einer Seite der Elektrode/Versteifer vorstehen und die anderen Kugeln auf nur der anderen Seite der Elektrode/Versteifer vorstehen. In jedem Fall wirken die Kugeln als rollende isolierende Distanzeinrichtungen. Die Kugeln müssen so positioniert und dimensioniert sein, dass die Kugeln auf jeder Seite der Elektrode/Versteifer die entgegengesetzte Fugenseitenwand berühren, während die Elektrode/Versteifer selbst von der Fugenseitenwand durch einen Trennspalt separiert ist, der ausreicht, um ein Seitenwandbogenbilden zu verhindern.
Gemäß der in 10A dargestellten Ausführungsform sind ein Paar Düsen 64 und 64', die z.B. verwendet werden können, um örtliches Schutzgas zuzuführen, an die respektiven konvexen Ränder 52 und 52' der Elektrode/Versteifer 50 geschweißt. Ein Paar Hitzedrahtleitdüsen 66 und 66' sind wiederum mit den Gasdüsen 64 und 64' verbunden. Wie in 10B dargestellt, weist die Hitzedrahtleitdüse 66 einen elektrischen Leiter 68 auf, der den Schweißzusatzwerkstoffdraht 10a umgibt und wiederum durch einen elektrischen Isolator 70 umgeben wird. Der Isolator 70 ist in einem Strukturrohrmaterial 72 eingeschlossen, das an der Gasdüse 64 angeschweißt ist. Der Leiter 68 wird verwendet, um den Schweißdraht 10a vorzuheizen, bevor er durch den Bogen von der Elektrode/Versteifer 50 geschmolzen wird. Die Düse 66' ist ähnlich konstruiert, um den Schweißdraht 10b vorzuheizen. Vorheizen des Schweißdrahts verringert den Betrag an Wärmezufuhr in den Schweißstoß und wärmebeeinflusste Zonen desselben durch den Elektrodenbogen, was wiederum das Niveau von Restspannung in der Schweißung verringert.
11A stellt eine Variation bei der Ausführungsform von 10A dar, in der die keramischen Kugeldistanzeinrichtungen durch keramische Walzendistanzeinrichtungen 74 ersetzt sind, die auf gebogenen Drähten 76 drehbar montiert sind, die an den Rändern z.B. durch Schweißen angebracht sind. Die durch gestrichelte Linien wiedergegebenen Distanzeinrichtungen sind fakultativ. Die Ränder der Walzen sind gerundet, um zu verhindern, dass die Walzen auf rauhen Oberflächen hängenbleiben. In den in den 11B und 11C dargestellten Ausführungsformen weist jede Walze 74 einen Durchmesser auf, der größer als die Dicke der Elektrode/Versteifer 50 ist, und ist in Bezug zur Mittelebene der Elektrode/Versteifer 50 symmetrisch angeordnet. Alternativ kann eine Mehrzahl von gebogenen Drähten 76 aus der Ebene der Elektrode/Versteifer auf ihren beiden Seiten und auf beiden Rändern weggekippt werden. Jeder gebogene Draht trägt eine Walzendistanzeinrichtung, die einen Durchmesser aufweisen kann, der geringer als die Dicke der Elektrode/Versteifer ist. Ein Satz von Walzen erstreckt sich auf einer Seite der Elektrode/Versteifer, und die anderen Walzen erstrecken sich auf der anderen Seite der Elektrode/Versteifer. In jedem Fall wirken die Walzen als isolierende Distanzeinrichtungen. Die Walzen müssen so positioniert und dimensioniert sein, dass die Walzen auf jeder Seite der Elektrode/Versteifer die entgegengesetzte Fugenseitenwand berühren, während die Elektrode/Versteifer selbst von der Fugenseitenwand durch einen Trennspalt separiert ist, der ausreicht, um ein Seitenwandbogenbilden zu verhindern.
11B stellt eine Walzendistanzeinrichtung dar, die an einer Hitzedrahtdüse von dem Typ angebracht ist, der zuvor in 10B dargestellt ist. 11C stellt eine Walzendistanzeinrichtung dar, die an einer alternativen Hitzedrahtdüse angebracht ist, die ein leitendes Rohr 68' umfasst, das an der Gasdüse 64 angeschweißt ist. Das leitende Rohr 68' ist von der Elektrode/Versteifer 50 mittels eines elektrischen Isolators 80 elektrisch isoliert, der zwischen der Gasdüse 64 und der Elektrode/Versteifer 50 angeordnet ist.
Viele von den Vorteilen der Erfindung zur Fügeanwendung können auch für eine Plattierungsanwendung verwirklicht werden, wo die Dicke der Schweißzusatzwerkstoffdüse nicht von großem Interesse ist. Diese umfassen sämtliche technischen und Produktivitätsvorteile zum Fügen, außer denjenigen, die sich spezifisch auf die sehr dünne Form der Düsenvorrichtung beziehen.
Funktionelle Prototypen voller Größe von Mehrfachschweißzusatzwerkstoffdüsenanordnungen, wie in den 2, 3A, 7 und 9 dargestellt, sind gefertigt worden. Verschiedene Materialkombinationen, die zur Produktion von Fügeanwendungen geeignet sind, wurden verwendet, um diese Prototypeinheiten zu fertigen. Diese Kombinationen umfassen Metallkarbidrohrmaterial mit Karbidversteifern (Düse vom Zweiöffnungstyp), Hartedelstahlrohrmaterial mit Werkzeugstahlversteifern (Düsen vom Zweiöffnungs- und Dreiöffnungs-, Dreiecksmustertyp), Hartedelstahlrohrmaterial ohne Versteifer (Düse vom Dreiöffnungs-, In-Line-Muster-Typ, wobei das mittlere Rohr den Ort des Versteifers einnimmt) und Edelstahlrohrmaterial mit einem Karbidversteifer (Düse vom Dreiöffnungs-, Dreiecksmuster-Typ).
Die Mehrfachöffnungsdüsen sind mit Edelstahldraht vom Typ ER 347 mit Durchmessern von 0,015, 0,016 und 0,017 Inch, Edelstahldraht vom Typ ER 308L mit Durchmessern von 0,020, 0,023 und 0,025 Inch, Draht vom Inconeltyp ER 82 mit Durchmessern von 0,020, 0,025 und 0,030 Inch und Kohlenstoffstahl vom Typ ER 7056 mit einem Durchmesser von 0,023 Inch ausgewertet worden. Zur GTAW-Verwendung wurden die Dreiöffungsdüsen zusammengebaut, wobei sich die Öffnung größeren Durchmessers zur geplanten Stelle der nichtselbstverzehrenden Elektrode am nächsten befand (was der Teil der Wärmequelle ist, der am heißesten und von höchster Energiedichte ist, wenn der Bogen vorhanden ist) und wobei sich die Öffnung kleineren Durchmessers am weitesten von der Elektrode entfernt befand. Diese Muster wurden in sowohl der geraden als auch der bevorzugten gekrümmten Konstruktion gefertigt. Die Zweiöffnungsdüsen wurden mit entweder zwei Schweißzusatzwerkstoffen gleichen Durchmessers oder mit Schweißzusatzwerkstoffen stärkerer und schlankerer Größe zusammengebaut, wobei der stärkere so ausgewählt war, dass er der Wärmequelle am nächsten war. Diese Öffnungsgrößenpositionsanordnung kann für Schweißzusatzwerkstoffe mit signifikant unterschiedlichen Schmelzeigenschaften umgekehrt sein, so dass sich der schwerer zu schmelzende Schweißzusatzwerkstoff in engerer Nachbarschaft zur Wärmequelle befindet, ungeachtet seiner relativen Größe.
Zusammenbauverfahren, die für die Prototypen verwendet wurden, umfassten Direkthartlöten oder Widerstandspunktschweißen von Edelstahlfolienbändern (Ganzkarbidtyp), Direktwiderstandspunktschweißen oder Widerstandspunktschweißen von Edelstahlfolienbändern (Edelstahlrohr-, Werkzeugstahl- und Karbidversteifer-Typen) und Hochtemperaturlöten (Ganzedelstahlrohrtyp). Ein Zuführen von Schweißdraht durch jede von diesen Düsenanordnungen demonstrierte, dass sie die benötigte Steifigkeit in dem bevorzugten dünnen Profil für eine verbesserte Positionssteuerung und Fernbeobachtungsvermögen und die richtige Winkelkonvergenz der Drahtziehlpositionen liefern.
Zur Anpassung der Basiskonstruktionen und der meisten der Optionen und Variationen der Mehrfachschweißzusatzwerkstofferfindung benötigt man sehr wenig Ausrüstungsmodifikation, da im Handel erhältliche Stromversorgungen und Schweißköpfe ein Vermögen zur Parallelausrichtungs-Doppeldrahtzuführung wechselnder Periode aufweisen (statt Gegenausrichtungszuführung simultaner Periode). Diese Systeme können leicht neuverdrahtet werden, um in einem elektrisch parallelen Motorkreis zu laufen, der durch den vorhandenen einzigen Controller betrieben wird. Bei dieser Konfiguration würden die gegenwärtig verfügbaren Motoren gleichzeitig die Mehrfachöfnungen einer einzigen Düse speisen, statt der vorhandenen Konstruktion, zwei Einfachbohrungsdüsen alternierend zu speisen.
Die Relativgeschwindigkeiten von jeder Zufuhrvorrichtung in einem Parallelsystem kann mit einem serienverdrahteten Trimmerwiderstand einfach eingestellt werden, wobei die Motorspannung (und deshalb die Geschwindigkeit) einer "Slave"-Einheit in Bezug zur progammierten "Master"-Einheit verringert wird. Da jede Zufuhrvorrichtung in dem vorhandenen Parallelsystem identisch ist, kann jede von den Einheiten als der "Slave" gewählt werden, wobei die andere als die "Master"-Einheit dient, oder sie können mit gleichen Geschwindigkeiten mit einem wählbaren Verhältnis zwischen ihren respektiven Antriebsrädern betrieben werden.
Zusätzlich zur Bereitstellung eines Vermögens, die Zusammensetzung des abgeschmolzenen Schweißzusatzwerkstoffs in Stößen mit gefüllten Fugen unter Materialien abzustimmen, kann die Erfindung auch verwendet werden, um Plattierungen mit kundenspezifisch legierten Zusammensetzungen unter Verwendung des In-situ-Legierungsverfahrens mit standardmäßigen Legierungsschweißzusatzwerkstoffinaterial abzuschmelzen.
Die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind zwecks Veranschaulichung offenbart worden. Variationen und Modifikationen des offenbarten Verfahrens sind Fachleuten in der Fügetechnik leicht ersichtlich. Z.B. können die Mehrfachdüsen so montiert werden, dass die respektiven Schweißzusatzwerkstoffe die Düsenauslässe parallel oder unter einem spitzen Winkel in Bezug zueinander verlassen. Wie in den Ansprüchen verwendet, bedeutet der Term "spitzer Winkel" einen Winkel <90°, umfassend 0° (d.h. parallel). Zusätzlich können die Walzendistanzeinrichtungen der Erfindung direkt an die Ränder einer Flachelektrode montiert sein, die die Doppelfunktion, Gas- und Schweißdrahtdüsen zu tragen, nicht ausführt.

Claims

System zum Schweißen in einer Schweißfuge sehr reduzierter Breite, umfassend: einen Schweißbrenner; eine Schweißelektrode (8, 28, 50 oder 54), die sich von dem Schweißbrenner erstreckt und so angepasst ist, dass sie in die Schweißfuge passt; und eine Mehrfachschweißzusatzwerkstoff-Leitdüsenanordnung mit einer nicht kreisförmigen Querschnittsform, die so angepasst ist, dass sie in die Schweißfuge passt, umfassend: eine erste Düse (16a) zum Leiten eines ersten Schweißzusatzwerkstoffs zu einer ersten gewünschten Stelle im Innern der Schweißfuge, wobei die erste Düse an ihrem distalen Ende einen ersten Auslass für den ersten Schweißzusatzwerkstoff aufweist; eine zweite Düse (16b) zum Leiten eines zweiten Schweißzusatzwerkstoffs zu einer zweiten gewünschten Stelle im Innern der Schweißfuge, wobei die zweite Düse an ihrem distalen Ende einen zweiten Auslass für den zweiten Schweißzusatzwerkstoff aufweist; und eine Einrichtung (18A, 18B oder 12C), um eine feste Positionsbeziehung zwischen einem Teil des ersten und zweiten Auslasses der ersten und zweiten Düse aufrechtzuerhalten, so dass der erste und zweite Schweißzusatzwerkstoff den ersten bzw. zweiten Auslass unter einem vorbestimmten Winkel in Bezug zueinander verlässt, und dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein planes Element mit einem ersten und zweiten Rand umfasst, wobei die erste Düse mit dem ersten Rand und die zweite Düse mit dem zweiten Rand verbunden ist.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtungen zur Aufrechterhaltung einer festen Positionsbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Auslass der ersten und zweiten Düse Einrichtungen zum Verbinden der ersten Düse mit der zweiten Düse umfassen.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtungen zur Aufrechterhaltung einer festen Positionsbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Auslass der ersten und zweiten Düse einen Abstandshalter (18A oder 18B), der aus steifem Material hergestellt ist, umfassen.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, bei der die Einrichtungen zur Aufrechterhaltung einer festen Positionsbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Auslass der ersten und zweiten Düse Einrichtungen zur Anbringung der ersten und zweiten Düse an der Elektrode umfassen.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, bei der jede der ersten und zweiten Düse gekrümmt ist.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, bei der die erste Düse einen Kanal mit einem ersten Durchmesser aufweist und die zweite Düse einen Kanal mit einem zweiten Durchmesser aufweist, wobei der erste Durchmesser von dem zweiten Durchmesser verschieden ist.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, bei der die erste Düse mit einer Energieversorgung elektrisch verbunden ist.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, bei der das System umfasst: eine plane Elektrode (50), ein geradlinig ausgerichtetes Element (76), das durch die Elektrode getragen wird, und eine Rollendistanzeinrichtung (74), die auf dem geradlinig ausgerichteten Element drehbar montiert ist, wobei die Rolle eine kreisförmige zylindrische Oberfläche aufweist und aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.
Schweißsystemanordnung nach Anspruch 1, umfassend eine plane Elektrode (28 oder 50), eine Schweißhitzedrahtdüse (16C, 68 oder 68'), die durch die Elektrode getragen wird und in einer Ebene der Elektrode liegt, und einen elektrischen Isolator (42, 70 oder 80), wobei die Schweißhitzedrahtdüse einen elektrischen Leiter (40, 68 oder 68') umfasst und der elektrische Isolator so angeordnet ist, dass der elektrische Leiter von der Elektrode elektrisch isoliert ist.
Verfahren zum Schweißen in einer Schweißfuge sehr reduzierter Breite mit einem Boden, umfassend die Schritte: Einsetzen einer Schweißelektrode (8) in die Schweißfuge (2), wobei die Schweißelektrode eine Spitze aufweist, die von dem Boden der Schweißfuge durch einen Spalt getrennt ist; Erzeugen eines Lichtbogens über dem Spalt; Zuführen eines ersten Schweißzusatzwerkstoffs (10a) zu einem ersten Ort in der Schweißfuge, wobei der erste Schweißzusatzwerkstoff an dem ersten Ort durch Wärme von dem Bogen geschmolzen wird; Zuführen eines zweiten Schweißzusatzwerkstoffs (10b) zu einem zweiten Ort in der Schweißfuge, wobei der zweite Schweißzusatzwerkstoff an dem zweiten Ort durch Wärme von dem Bogen geschmolzen wird, wobei der erste und zweite Ort so angeordnet sind, dass der geschmolzene erste und zweite Schweißzusatzwerkstoff ein Schweißbad bilden; und Ermöglichen, dass das Schweißbad von geschmolzenem erstem und zweitem Schweißzusatzwerkstoff verschmilzt; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste und zweite Schweißzusatzwerkstoff durch ein respektives erstes und zweites Düsenelement zugeführt werden, die entlang einem respektiven ersten und zweiten Rand einer planen Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer festen Positionsbeziehung zwischen der ersten und zweiten Düse fest angeordnet sind.