DE69819963T2

DE69819963T2 - Schweissgegenstand und Schweissverfahren

Info

Publication number: DE69819963T2
Application number: DE69819963T
Authority: DE
Inventors: 1 Yawatakaigandori Tatsuo Nakatani; 1 Yawatakaigandori Toru Iwasaki; 1 Yawatakaigandori Mitsuru Komori; 1 Yawatakaigandori Norio Tezuka; 1 Yawatakaigandori Yoshiaki Matsumoto; 6-4 Kazuhiro Fukuda; 1 Yawatakaidandori Toshikazu Inaba
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: DE69819963D1; US6153847A; EP0882543A2; EP0882543B1; EP0882543A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Schweißelemente wie eine Schweißunterlage, einen beschichteten Schweißstab, eine Stoßfläche und dgl. und insbesondere Schweißelemente, die sich zum Schweißen in einer sehr feuchten Umgebung, bei Regen oder im Wasser eignen. Die Erfindung betrifft außerdem ein nasses Unterwasserschweißverfahren, mit dem ein wirksames Durchführen von Schweißarbeiten in einer sehr feuchten oder Unterwasseratmosphäre möglich ist.
Das Schweißelement und das Unterwasserschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können in geeigneter Weise z. B. beim Unterwasserschweißen von Meeresstrukturen, bei im Meer auszuführenden Schweißverbindungen, Unterwasser-Instandsetzungs- und Wartungsarbeiten und dgl. eingesetzt werden. Derartige Meeresstrukturen beinhalten beispielsweise Erdölproduktionsanlagen, Lade- und Entladeanlagen, Speicheranlagen, Seeflughäfen, Seebevorratungsbasen, Brücken, unterseeische Tunnel, Elektrizitätserzeugungsanlagen wie Gezeiten- und Meereswärmekraftwerke, Meeresbecken und dgl.
Außerdem sind das erfindungsgemäße Schweißelement und Schweißverfahren nützlich beim Schweißen an Land von Stahlstrukturen wie Schiffen, Brücken und dgl.
2. Beschreibung der zugehörigen Technik
Beim nassen Unterwasserschweißen ist bisher ein bestimmtes Unterlagenelement verwendet worden, das aus dem gleichen Material (gemeinsamen Material) besteht wie das im zu schweißenden Bereich und das integral mit dem zu schweißenden Bereich verschweißt wird. Hinsichtlich eines Unterlagenelements zur Verwendung beim nassen Unterwasserschweißen, das nach dem Schweißen entfernbar ist, waren bisherige Forschungsarbeiten nur auf ein Verfahren gerichtet, bei dem ein Metallunterlagenelement aus Stahl verwendet wird.
Andererseits ist beispielsweise ein Keramikmaterial zur Verwendung als Unterlagenelement beim Schweißen an Land bekannt. Dieses Keramik-Unterlagenelement hat normalerweise eine kurze Länge, so dass entlang einer Schweißlinie eine Anordnung aus einer Vielzahl solcher Elemente verwendet wird. Vor der Verwendung wird das Unterlagenelement normalerweise in einem Trocknungsofen getrocknet.
Die oben erwähnten herkömmlichen Unterlagenelemente sind mit den folgenden Problemen behaftet:
(1) Fall der Verwendung eines gemeinsamen Metalls als Unterlagenelement beim nassen Unterwasserschweißen:
Da das resultierende Unterlagenelement am Schweißbereich verbleibt, kann die Oberfläche des geschweißten Bereichs mit dem darauf befindlichen Unterlagenelement nicht lackiert oder auf andere Weise behandelt werden. Insbesondere bei einer Meeresstruktur ergibt sich das Problem, dass Spaltkorrosion zwischen dem geschweißten Bereich und dem Unterlagenelement auftritt. In einem solchen Fall sollte die Spaltkorrosion verhindert werden, indem eine Opferanode in der Nähe des Unterlagenelements angeordnet wird, die dann korrodieren kann.
Außerdem weist eine Schweißverbindung mit einem daran verbleibenden Unterlagenelement eine Dauerfestigkeit von ca. 80% auf im Vergleich zum Pendant mit vollständig geschmolzenem Einbrand der Schweißraupe unter Verwendung eines keramischen Unterlagenmaterials oder dgl., das nach dem Schweißen entfernt werden kann. Ist also die Dauerfestigkeit beim zu schweißenden Material zu beachten, muss die Blechdicke groß sein. Dies ist für zusätzliche Materialkosten und höhere Produktionskosten verantwortlich.
(2) Fall der Verwendung eines Kupfer-Unterlagenelements beim nassen Unterwasserschweißen:
Selbst bei Verwendung eines Kupfer-Unterlagenelements, das nach dem Schweißen entfernt werden kann, ist Unterwasserschweißen möglich. Die fertige Gegennaht hat jedoch eine ziemlich raue Oberfläche und führt deshalb zu einer geringeren Dauerfestigkeit des resultierenden geschweißten Bereichs.
Da außerdem das Kupfer-Unterlagenelement über einen darin vorgesehenen Kühlwasserkanal verfügt, hat es im Allgemeinen eine große Länge und ist nicht flexibel. Das Kupfer-Unterlagenelement ist nicht in der Lage, sich geeignet Verbindungsunterschieden oder Verformungen zweier stumpfzuschweißender Passelemente anzupassen, was dazu führt, dass geschmolzenes Material in einen Spalt zwischen dem Unterlagenelement und den zu verschweißenden Elementen eindringt. Die resultierende Gegennaht unterliegt daher häufig einer unzulässigen Verformung. In einem derartigen Fall ist eine hohe Präzision bei der Anordnung der zu verschweißenden Passelemente relativ zueinander für eine genaue Stumpfnaht erforderlich, was mit einem zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand für die Schweißvor bereitung verbunden ist. Das Kupfer-Unterlagenelement ist so konstruiert, dass es wie oben erwähnt im Innern einen Kühlwasserkanal aufweist. Die Verbindung von kurzen Kupfer-Unterlagenelementen aneinander resultiert in einer komplizierten Struktur mit schwieriger Handhabung.
(3) Fall der Verwendung eines Keramik-Unterlagenelements beim normalen Schweißen an Land und beim nassen Unterwasserschweißen:
Handelsübliche Keramik-Unterlagenelemente mit im Allgemeinen quadratischer Form wie Platten mit kurzer Kantenlänge werden in einer Mehrzahl angeordnet. Diese Unterlagenanordnung ist insgesamt flexibel, verträgt sich mit dem geschmolzenen Metall und bildet gute Gegennähte, so dass sie für das Schweißen an Land allgemein akzeptiert wird. Dieses Unterlagenelement wird jedoch bei Verwendung in Wasser hygroskopisch, da es porös ist, und das sich innerhalb des Unterlagenelements angesammelte Wasser wird bei Einwirkung der durch den Schweißlichtbogen entstehenden Hitze gespalten, so dass große Mengen Wasserstoffgas erzeugt werden. Dieses Gas verursacht Störungen des Lichtbogen, so dass ein Schweißen letztendlich unmöglich wird.
Um das oben erwähnte Problem der Hygroskopizität zu überwinden, muss ein dichtes Unterlagenelement mit einer Zusammensetzung hergestellt werden, wie sie derzeit im Stand der Technik üblich ist. Zu diesem Zweck muss das Brennen bei einer extrem hohen Temperatur durchgeführt werden, was den Einsatz kostspieliger Fertigungsausrüstung erfordert.
(4) Unterlagenelement für Schweißen an Land:
Unter feuchten Bedingungen oder bei Benetzung mit Wasser absorbiert ein für Schweißen an Land allgemein übliches Unterlagenelement Wasser und erzeugt während des Schweißens wie in (3) oben erläutert großen Mengen Wasserstoffgas, wodurch Schweißnahtfehler wie Gaseinschlüsse, Risse und dgl. verursacht werden. Das Keramik-Unterlagenelement ist deshalb im Allgemeinen für die Verwendung in einer Umgebung mit hoher Feuchte oder Niederschlägen ungeeignet. Selbst für das Schweißen im Werk muss es vor der Verwendung in einem Trocknungsofen getrocknet werden. Es werden deshalb erhebliche Zusatzkosten erforderlich, um das Keramik-Unterlagenelement so zu behandeln, dass es nicht mehr hygroskopisch ist.
Das Keramik-Unterlagenelement kann in dem Fall nicht verwendet werden, wo die Nahtstelle an Schweißstößen groß ist. Es ist bekannt, dass dieses Problem der Verbindungs-Fehlfluchtungshöhe durch ein Unterlagenverfahren angegangen werden kann, bei dem ein pulverförmiges Flussmittel bei einseitigem Schweißen an Land verwendet wird, oder durch ein Unterlagenverfahren, bei dem ein Glasfaserstreifen verwendet wird. Da das pulverförmige Flussmittel und der Glasfaserstreifen hygroskopisch sind, sind diese bekannten Verfahren zur Verwendung in einer Atmosphäre mit hoher Feuchte oder bei Unterwasserbedingungen nicht geeignet. Die Unterlagenelemente , die bei diesen Verfahren zum Schweißen verwendet werden, absorbieren unter feuchten Bedingungen oder bei Benetzung mit Wasser Feuchtigkeit, wodurch letztendlich beim Schweißen Wasserstoffgas erzeugt wird und Schweißfehler wie Gaseinschlüsse, Risse und dgl. entstehen.
Um zu verhindert, dass das pulverförmige Flussmittel in nachteiliger Weise hygroskopisch wird, offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. 48–49 "ein Unterlagen-Flussmittel für einseitiges Schweißen und ein Verfahren zur Herstellung desselben". Danach wird Kohlenteer in einer Menge von 0,5 bis 8% zu den Flussmittelbestandteilen hinzugefügt, um eine verbesserte Haftung zwischen einem geschmolzenen Metall und einem pulverförmigen Flussmittel zu erzielen. Obwohl dieses Verfahren nach dem Stand der Technik wirksam verhindert, dass das Flussmittel während der Lagerung hygroskopisch wird, ist das Flussmittel weniger Wasser abweisend, sondern verhält sich bei Kontakt mit Wasser bei Niederschlägen oder unter nassen Bedingungen eher hygroskopisch. Das Flussmittel kann erst nach dem Trocknen zum Schweißen verwendet werden.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf die Probleme mit Unterlagenelementen. Weitere Probleme ergeben sich bei Schweißstößen und Schweißstäben unter Umgebungsbedingungen mit hoher Feuchte, Niederschlägen oder in einer Unterwasserumgebung. Genauer gesagt werden zwei zu verschweißende Elemente normalerweise im Werk an den Stoßflächen vorbehandelt, wobei Stahlmaterialien in den meisten Fällen nicht speziell behandelt werden. Das heißt, an diesen Stoßflächen entsteht Rost, der an Ort und Stelle zum Zeitpunkt der Schweißoperation entfernt werden muss. Je nach Art der verwendeten Materialien sind die Stoßflächen oft mit einem darüber angebrachten Klebeband ähnlichen Schutzstreifen geschützt. Dies bedeutet einen weiteren Arbeitsschritt, in dem der Schutzstreifen vor dem Schweißen entfernt werden muss.
Als Ergebnis der seit kurzem üblichen im Wasser montierten großen Bauwerke, der im Wasser schwimmenden großen Bauwerke und dgl, hat sich außerdem und vor allem eine bestimmte Technik einen guten Ruf erworben, mit der qualitativ hochwertige Schweißnähte selbst unter härtesten Unterwasser-Umgebungsbedingungen hergestellt werden können. Um sicherzustellen, das qualitativ hochwertiges Schweißen in einer solchen nassen Umgebung wie beim Unterwasserschweißen möglich ist, müssen Spezialeinrichtungen installiert werden, um einen ideale lokale Umgebung zu begrenzen, die einen Schweißbereich umgibt. Damit sind zusätzliche Kosten verbunden, die ein Hindernis für die praktische Anwendung der oben beschriebenen Technik darstellen.
Da zwei zu verschweißende Elemente aufgrund der Feuchtigkeit oder der durch Kondensation verursachten Feuchtigkeit rosten, ist auf die Rostentfernung, z. B. an den Stoßflächen, größte Aufmerksamkeit verwendet worden, Werden außerdem diese Elemente hygroskopisch oder absorbieren Feuchtigkeit bei Kontakt mit Wasser, spaltet sich der resultierende Wassergehalt unter dem Einfluss der Hitze eines Schweißlichtbogens und erzeugt eine große Menge Wasserstoffgas, das seinerseits Schweißfehler wie Gaseinschlüsse, Risse und dgl. verursacht.
In den vergangenen Jahren galt es als absolut erforderlich, ein Schweißelemente in einwandfreiem Zustand zu halten, indem Fremdmaterial wie Feuchtigkeit oder dgl. so von diesem entfernt werden, dass der resultierende verschweißte Bereich eine große Festigkeit erhält, um ein Fertigprodukt hoher Güte zu erzielen. So wurde beispielsweise ein beschichteter Schweißstab oder ein Flussmittel in einer Kammer mit konstanter Temperatur und Feuchte oder in einem Schutzgasofen aufbewahrt. Das im Schweißbereich vorhandene Fremdmaterial ist mittels geeigneter kombinierter physikalischer und chemischer Methoden entfernt worden. Da die Gefahr oder der Schaden bei einem Unfall aufgrund eines Schweißnahtbruchs z. B. in Maschinen von Atomkraftanlagen und Hochdruck-Gasmaschinen größer ist, ist die Qualitätskontrolle der Schweißerarbeiten strenger.
So wird beispielsweise ein beschichteter Schweißstab handelsüblich beschafft, dessen Außenoberfläche durch Kupferbeschichtung wasserdicht gemacht worden ist. Bei der normalerweise durchgeführten Unterwasser-Instandsetzung ist in vielen Fällen ein handelsüblicher Schweißstab für das Schweißen an Land wasserdicht gemacht worden, indem einfach ein Vinylband um seine Außenoberfläche gewickelt worden ist. Außerdem offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. 1-233093 einen beschichteten Schweißstab des Wasser abweisenden Typs zur Verwendung bei atmosphärischem Schweißen aber nicht für Unterwasserschweißen. Hierbei handelt es sich um einen beschichteten Schweißstab des Typs ohne Wasserstoff oder mit geringem Wasserstoffgehalt, der durch Beschichten eines Kupferkerndrahtes unter Verwendung eines Beschichtungsmittels aus Silikon in einer Menge von 0,05 bis 0,20 Gew.-% hergestellt wird, wobei der Rest aus einem Lichtbogenstabilisator, einem eine Schnecke bildenden Mittel, einem Entsäuerungsmittel, einem organischen Material und einem Fixierungsmittel besteht.
Der verkupferte, wasserdichte, beschichtete Schweißstab ist jedoch teuer und sobald ein Oberflächenfehler auftritt, absorbiert die Kupferschicht Feuchtigkeit und verliert ihre nützlichen Eigenschaften. Bezüglich des beschichteten handelsüblichen Schweißstabs, der mit einem Vinylband umwickelt wird, besteht die Tendenz, dass Wasser in einen Spalt zwischen dem Klebeband und dem Stab eindringt, und das Band ist sehr anfällig gegen Beschädigung und Feuchtigkeitsaufnahme, wenn der Schweißer über längere Zeit taucht und den Schweißstab in einem Gerätekasten unterbringt, aus diesem herausnimmt, oder den Stab an einem Schweißgeräthalter befestigt. Schließlich ist der beschichtete Schweißstab des Typs ohne Wasserstoff oder mit geringem Wasserstoffgehalt mit einem silikonhaltigen Beschichtungsmittel ein Spezialstab aufgrund des Zufügens des Silikons bei der Herstellung des Schweißstabs. Im Wasser ist jedoch ein solcher Schweißstab partiell hygroskopisch und völlig unbrauchbar. Der Schweißstab kann in einer Umgebung mit hoher Feuchte geeignet sein, aber bei Kontakt mit Wasser wie Regen oder dgl. wird er feucht, da er unzureichend Wasser abweisend ist, und muss deshalb vor der Verwendung getrocknet werden.
Die US-A-5,436,428 offenbart eine Schweißstabelektrode, die sich zum Unterwasserschweißen eignet, auf der eine Flussmittelschicht durch Ausbildung eines Schutzüberzugs aus wasserdichtem Material wie flüssiges Dichtungsmaterial mit metallischem Aluminiumpulver, Polyurethan, Harzen und Beschichtungen auf Epoxydbasis vorgesehen ist.
Die WO-A-96/02332 offenbart einen Schweißstab mit einer Wasser beständigen Beschichtung, wobei diese Beschichtung im Wesentlichen metallische Schuppen und ein organisches Bindemittel z. B. hitzehärtendes Phenolharz aufweist.
Die GB-A-2 023 476 betrifft Unterwasser-Lichtbogenschweißverfahren. Gemäß diesem Dokument hat die Oberfläche eines zu schweißenden Werkstücks eine selbstabdichtende hydrophile Substanz wie eine Lösung als Silikonkautschuk in Essigsäure. Dadurch wird die Diffusion der Gasblasen von der Schweißnaht weg verzögert, und diese Verzögerungswirkung kann die Abkühlgeschwindigkeit des Schweißmaterials verringern. Beim Schweißprozess dann Schweißmetall von der Elektrodenspitze über den Lichtbogen übertragen werden und passiert die Kautschukschicht in der Richtung der Schweißnaht.
In DATABASE WPI, Week 198531, Derwent Publications Ltd., London, GB; AN 1985-188452 XP002149667 und SU 1 133 065 A (N-W CORRESPONDENCE POLY), 7. Januar 1985 (1985-01-07) wird das Hinzufügen eines Polyethylens mit niedrigem Molekulargewicht zur Mischung für die Beschichtung von Schweißelektroden offenbart, wodurch ihre Hydrophobizität erhöht wird.
GILATH I: 'WATER REPELLENT COATING FOR WELDING ELECTRODES BASED ON SOL-GEL TECHNOLOGY', JOURNAL OF SOL-GEL SCIENCE AND TECHNOLOGY, NL, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, DORDRECHT, Bd. 10, Nr. 1, 1. Juni 1997 (1997-06-01), S. 101 bis 104, XP000692761 ISSN: 0928-0707, offenbart experimentelle Untersuchungen über Silikonharzbeschichtungen, die nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt und auf Schweißelektroden aufgebracht werden, um sie gegen Wasserabsorption während der Lagerung oder des Transports zu schützen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Schweißelements wie ein Schweißunterlagenmaterial, einen Schweißstoß bzw. Stoßflächen, einen beschichteten Schweißstab oder dgl., mit dem ein einwandfreies Schweißen selbst in einer nassen Arbeitsumgebung wie unter Wasser oder unter Bedingungen mit sehr hoher Feuchte oder dgl. möglich ist.
Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Schweißunterlagenelements, das ausreichend flexibel ist, um sich Verbindungsfehlfluchtungen an Stoßflächen anzupassen, und gute Gegennähte selbst unter Wasser oder in einer Arbeitsumgebung mir sehr hoher Feuchte ermöglicht.
Die dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Schweißverfahrens, das einen Schweißbereich gegen eine Benetzung mit Wasser oder das Anhaften von Fremdstoffen in einer Unterwasserumgebung oder einer Umgebung mit sehr hoher Feuchte schützen kann, so dass ein Schweißbereich mit verbesserter Festigkeit erzeugt wird.
Zur Lösung der obigen Aufgaben ist das Schweißelement der vorliegenden Erfindung so aufgebaut, dass es an seiner Oberfläche einen Wasser abweisenden Film oder eine Wasser abweisende Schicht (im Folgenden Wasser abweisender Film) aufweist. Wird ein solches Schweißelement in Wasser getaucht, hält der Wasser abweisende Film auf seiner Oberfläche eine Luftmembran. Genauer gesagt ist der Wasser abweisende Film auf seiner Oberftläche mit winzigen konkaven und konvexen Formen versehen und wird auf den Oberflächen der Komponenten des Schweißelements angeordnet.
Für einen solchen Wasser abweisenden Film ist charakteristisch, dass er beim Eintauchen in Wasser eine Luftmembran auf seiner Oberfläche hält. Folglich bildet sich selbst in dem Fall, in dem Feuchtigkeit auf dem Schweißmaterial in einer Atmosphäre mit hoher Feuchte kondensiert, oder wenn Regen oder Wasser mit der Oberfläche des Schweißelements in Kontakt kommt, eine Luftmembran zwischen den Wassertropfen oder dgl. und der Oberfläche des Schweißelements, so dass die Wassertropfen nicht am Schweißelemente haften und dieses nicht nass wird. Die auf der Oberfläche des Wasser abweisenden Films gebildete Luftmembran kann nach dem Eintauchen in Wasser gut kontrolliert werden, da sie bei Lichteinfall silbern reflektiert. Wegen dieser Vorteile kann die vorliegende Erfindung z. B, als Schweißunterlagenelement an der Rückseite von Stoßflächen, als Stoßflächen des Schweißgrundelements oder als beschichteter Schweißstab verwirklicht werden, bei dem ein metallischer Kerndraht mit einem Flussmittel beschichtet ist, so dass Schweißen selbst unter Wasser oder in einer Arbeitsumgebung mit sehr hoher Feuchte einwandfrei möglich wird.
Bezüglich des Unterlagenelements kann ein Wasser abweisender Film auf der Oberfläche eines Substrats durch Beschichten mit einem anorganischen pulverfömigen Keramikmaterial oder einem pulverförmigen Flussmittel ausgebildet und dann so behandelt werden, dass er hydrophob wird. Alternativ kann ein Wasser abweisender Film auf der Oberfläche einer Beschichtung aufgebracht werden, der zumindest an seiner Oberfläche hydrophob ist und aus wässrigen Partikeln, die winzige konkave und konvexe Formen bilden können, sowie einem Bindemittel besteht. In diesem Fall dringen Wasser oder Wassertropfen, die mit der Substratoberfläche in Kontakt gekommen sind, nicht in die im Substrat ausgebildeten Poren ein, sondern bleiben auf dieser Oberfläche. Da insbesondere das oben erwähnte pulverförmige Keramikmaterial so behandelt worden ist, dass es auch im Innern hydrophob ist, dringt das Wasser nicht in das Innere des Keramikmaterials ein, selbst wenn dieses in Wasser getaucht ist, mit dem Ergebnis, dass das Keramikmaterial gegen nass werden geschützt ist. Dementsprechend werden die Stoßflächen mit dem obigen Unterlagenelement unter Verwendung einer Unterwasser-Schweißdüse des Wasserschirmtyps verschweißt. Das Wasser kann mit Hilfe eines Schutzgases aus einem örtlich begrenzten Hohlraum unmittelbar unter der Schweißdüse entweichen, so dass Schweißen in wasserfreier Art möglich, wodurch stabile Schweißnähte und Schweißraupen mit gutem Einbrand erzielbar sind. Die hier erwähnte Unterwasser-Schweißdüse des Wasserschirmtyps ist eine Doppeldüsenstruktur, bei der das Wasser aus einer äußeren Düse ausgestoßen wird, um so eine schirmartige Sperrschicht zu bilden, und ein örtlich begrenzter Hohlraum ist unmittelbar unter der Schweißdüse begrenzt.
Als weitere Alternative kann die Schweißunterlage aus einem pulverförmigen Flussmittel und einer mit einem solchen Flussmittel gefüllten hohlen flexiblen Hülle bestehen. Diese Form Unterlagenelement, die zwar nicht Wasser abweisend ist, kann an der Rückseite gegen die Stoßflächen gepresst werden und wechselt leicht seine Form, um sich einer Fehlfluchtung der Stoßflächen oder einer Verformung derselben anzupassen, wie sie während des Schweißens leicht auftreten kann. Bei Verwendung des flexiblen Unterlagenelements kann eine Schweißraupe mit glatter Gegennaht bereitgestellt werden.
Bei der Verwendung der obigen flexiblen Unterlage unter Unterwasser- oder Regenbedingungen ist es wünschenswert, einen Wasser abweisenden Film wie hierin oben beschrieben auf der Oberfläche der flexiblen Hülle oder auf den Oberflächen sowohl des pulverförmigen Flussmittels als auch der flexiblen Hülle anzuordnen. Bei Tauchen in Wasser bildet dieser Wasser abweisende Film auf seiner Oberfläche eine Luftmembran, die das mit der Oberfläche des Unterlagenelements in Kontakt kommende Wasser abweist und ein Eindringen des Wassers in das Element verhindert. Weiterhin und vorzugsweise hat das in der flexiblen Hülle befindliche Flussmittel einen darauf angeordneten Wasser abweisenden Film wie auch die obige Hülle. Selbst wenn die flexible Hülle bei einem Störfall teilweise bricht und somit der Eintritt von Wasser möglich ist, weist das beschichtete Füllmittel des pulverförmigen Flussmittels das Wasser aufgrund seiner Wasser abweisenden Eigenschaft ab, wodurch ein Eindringen von Wasser in dieses Füllmittel verhindert wird.
Zur Anordnung eines derartigen flexiblen Elements an der Rückseite zweier zu verschweißender Elemente kann vorzugsweise ein Klebeband auf den Oberflächenabschnitten der flexiblen Hülle angebracht werden, die mit den rückseitigen Abschnitten der zu verschweißenden Elemente in Kontakt gebracht werden. Anstelle des Klebebandes können vorzugsweise auch Magnete angebracht werden. Als weitere Alternative kann das flexible Unterlagenelement von einem Stützelemente gehaltert werden, das die beiden zu schweißenden Elemente so überspannt, dass das Unterlagenelement gegen die Rückseite der Stoßflächen stößt. In einem solchen Fall kann vorzugsweise ein Klebeband an den Abschnitten des Stützelements angebracht werden, die mit den rückseitigen Abschnitten der zu verschweißenden Elemente in Kontakt kommen. Die flexible Hülle besteht vorzugsweise aus einem Glasfasermaterial.
Hinsichtlich des beschichteten Schweißstabs ist ein Wasser abweisender Film auf der Oberfläche einer Beschichtung durch Oberflächenbehandlung angeordnet, der aus einem Flussmittel und dgl, mit einem eine hydrophobe Gruppe enthaltendem Material besteht. Als Alternative kann der Wasser abweisende Film auf der Oberfläche der Beschichtung angeordnet werden, wobei der alternative Film aus hydrophoben Partikeln, die so behandelt werden, dass zumindest ihre entsprechenden Oberflächen hydrophob sind, und einem Bindemittel besteht.
Ferner werden bei verschiedenen nassen Unterwasserschweißverfahren mindestens entweder das Schweißunterlagenelement oder eine Stoßfläche eines Schweißgrundelements auf ihrer Oberfläche mit einem schlammartigen hydrophoben Behandlungsmittel beschichtet, das aus einer Mischung aus einem hydrophoben Pulver, das zumindest an seiner Oberfläche hydrophob ist, einem Bindemittel und einem Lösungsmittel besteht. Auf diese Weise erfolgt das Schweißen so, dass ein unerwünschtes Anhaften von Wasser und Fremdstoffen in einer Unterwasserumgebung oder einer Umgebung mit sehr hoher Feuchte verhindert werden kann, wodurch eine deutliche Verbesserung der Festigkeit des fertigen Schweißbereichs erzielt wird.
Der Wasser abweisende Film gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr insbesondere im Hinblick auf seine Herstellungsverfahren und seine Funktionsweise beschrieben.
Solche Wasser abweisenden Filme bilden und halten eine Luftmembran beim Tauchen in Wasser. Es ist festgestellt worden, dass zwei nachstehend genannte Anforderungen unbedingt eingehalten werden müssen, um die Luftmembran zu halten:

(1) Die Materialien auf ihren Oberflächen sollten hydrophob sein.
(2) Die Materialien sollten winzige konkave und konvexe Formen auf ihren Oberflächen haben.

Die erstgenannte hydrophobe Beschaffenheit wird vorzugsweise bei einem Kontaktwinkel relativ zum Wasser von über 90° erzielt. Die im zweiten Punkt genannten auf der Oberfläche eines Schweißelements ausgebildeten winzigen konkaven und konvexen Formen definieren zusammen mit der hydrophoben Beschaffenheit einen Raum, der zum Halten einer Luftmembran in Wasser auf dem Schweißelement erforderlich ist. Diese konkaven und konvexen Formen schließen nämlich Luft im Wasser ein, wenn der Wasser abweisende Film in Wasser getaucht wird, und halten so die Luftmembran auf der Oberfläche des Schweißelements, wodurch vermieden wird, dass das Wasser in direkten Kontakt mit dem Schweißelement kommt.
Die auf der Oberfläche des Schweißelements angeordneten konkaven und konvexen Formen können dabei im Querschnitt dreieckig, halbkugelig oder beliebig geformte Vorsprünge und Vertiefungen sein und regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet werden. Die konkaven und konvexen Formen haben eine Größe von vorzugsweise 2 nm bis 200 μm, bestimmt als Abstand zwischen konkaven und als Abstand zwischen konvexen Formen (im Folgenden einfach Abstand konkav zu konvex bezeichnet). Ein Abstand konkav zu konvex von 20 nm bis 50 μm ist mehr bevorzugt. Ein Abstand unter 20 nm resultiert in zu wenig Raum für die Luftrückhaltung, was zu einem verringerten Volumen der Luftmembran im Wasser führt. Über 200 μm ergeben einen zu großen Abstand konkav zu konvex und damit eine schlechte Luftrückhaltung in Wasser.
Die konkaven und konvexen Formen haben eine Höhe von vorzugsweise 20 nm oder größer. Ein kleinerer Wert bedeutet eine verschlechterte Haltefähigkeit der Luftmembran. Für die Bildung der Luftmembran ist der obere Grenzwert der Höhe nicht besonders streng einzuhalten, sollte aber in einem solchen Bereich sein, dass die Schweißoperation nicht erschwert und die Maßgenauigkeit unzulässig unterschritten wird. 1 mm oder darunter ist bevorzugt.
Als Nächstes wird der Wasser abweisende Film mit den oben beschriebenen winzigen Konkaven und konvexen Formen anhand bestimmter Beispiele für seine Herstellungsverfahren beschrieben. Bei einem ersten geeigneten Verfahren wird ein schlammartiges Hydrophobiermittel durch Mischen und Dispergieren eines anorganischen hydrophoben pulverförmigen Oxids und/oder eines pulverförmigen Polytetrafluorethylen als organische hydrophobes Material, eines Harzes und eines Lösungsmittels hergestellt wird, und mit diesem Hydrophobiermittel wird die Oberfläche eines Schweißelements beschichtet. Wird als Schweißelement ein Unterlagenelement mit einem Substrat aus einem Flussmittel und einem keramischen Material oder ein flexibles Unterlagenelement mit einem Substrat aus Glasfasermaterial oder einem Substrat aus Glasfasermaterial gemischt mit einem pulverförmigen Flussmittel verwendet, wird jedes derartige Unterlagenelement zunächst auf seiner Oberfläche mit winzigen konkaven und konvexen Formen versehen. Zusätzlich zur Beschichtung mit dem oben beschriebenen Hydrophobiermittel kann deshalb jedes Unterlagenelement einem zweiten geeigneten Verfahren unterzogen werden, bei dem ein Wasser abweisender Film direkt auf dem Substrat ausgeformt wird, indem eine hydrophobe Gruppe mit der Oberfläche des Substrats durch eine Oberflächenbehandlung mit einem flüssigen Mittel aus hydrophobe Gruppen enthaltenden Verbindungen wie Alkoxysilan, Chlorsilan oder Silazan, Dimethylpolysiloxan, einem eine hydrophobe Gruppe enthaltenden Titanat-Kopplungsmittels oder einem Kopplungsmittel des Aluminiumtyps verbunden wird.
Anorganische hydrophobe pulverförmige Oxide zur Verwendung für die obigen Beschichtungen sind mindestens eines der Pulver wie Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Eisenoxid und dgl., wobei diese Pulver einer Oberflächenbehandlung mit hydrophoben Gruppen unterzogen worden sind. Die Partikelgröße des anorganischen Oxidpulvers beträgt vorzugsweise 0,001 bis 100 μm. Bei einer Partikelgröße unter 0,001 μm lässt sich das Oxidpulver bei der Herstellung des Hydrophobiermittels schwer handhaben. Über 100 μm führen zu einer unzureichenden Imprägnierung des Oxidpulvers in den im Substrat vorhandenen Poren, das als Formprodukt aus pulverförmigem Keramikmaterial erhalten wird. Chemische Mittel, die das anorganische Oxidpulver hydrophob machen, werden aus den oben in Zusammenhang mit der Hydrophobier-Behandlung des Substrats angegebenen ausgewählt, d. h. aus so genannten Silanverbindungen wie Silan mit Alkydgruppen, Silan mit fluorsubstituierten hydrophoben Gruppen, Chlorsilan und Silazan, Dimethylpolysiloxan, Alkydgruppen enthaltende Titanat-Kopplungsmittel und Kopplungsmittel des Aluminiumtyps. Das oben genannten Verfahren ist nicht einschränkend zu verstehen, so dass andere ausgewählte Verfahren in Betracht kommen, sofern sie in der Lage sind, das anorganische Oxidpulver hydrophob zu machen.
Die Silanverbindungen mit Alkylgruppen und die Silanverbindungen mit Methylgruppen enthalten beispielsweise Methyltrimethoxysilan CH₃Si(OCH)₃, Dimethyldimethoxysilan (CH₃)₂Si(OCH)₂, Trimethylmethoxysilan (CH₃)₃Si(OCH), Methyltriethoxysilan CH₃Si(OC₂H₅)₃, Dimethyldiethoxysilan (CH₃)₂Si(OC₂H₅)₂, Trimethylethoxysilan (CH₃)₃Si(OC₂H₅), Hexamethyldisilizan und dgl.
Silanverbindungen mit Ethylgruppen enthalten Ethyltrimethoxysilan C₂H₅Si(OCH₃)₃, Diethyldimethoxysilan (C₂H₅)₂Si(OCH₃)₂, Triethylmethoxysilan (C₂H₅)₃Si(OCH₃), Ethyltriethoxysilan C₂H₅Si(OC₂H₅)₃, Diethyldiethoxysilan (C₂H₅)₂Si(OC₂H₅)₂, Triethylethoxysilan (C₂H₅)₃Si(OC₂H₅) und dgl.
Silanverbindungen mit Propylgruppen enthalten Propyltrimethoxysilan C₃H₇Si(OCH₃), Dipropyldimethoxysilan (C₃H₇)₂Si(OCH₃)₂, Tripropyltrimethoxysilan (C₂H₇)₃Si(OCH₃), Propyltriethoxysilan C₃H₇Si(CO₂HS)₃, Dipropyldiethoxysilan (C₃H₇)₂Si(OC₂H₅)₂, Tripropylethoxysilan (C₃H₇)₃Si(OC₂H₅) und dgl.
Alkylsilane aus langen Ketten enthalten n-Oktadecyltrimethoxysilan, n-Dodecyltriethoxysilan und dgl.
Zu einem oben angegebenen Alkoxysilan mit 1 bis 3 Alkylgruppen aus 1 bis 20 Kohlenstoffatomen können Chlorsilan oder Silazan entweder einzeln oder kombiniert hinzugefügt werden. Die Metallalkoxide gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die aufgeführten Verbindungen beschränkt (wobei die gleichen Gründe gelten wie für die nachstehenden Verbindungen).
Fluorsubstituierte Silanverbindungen mit hydrophoben Gruppen werden z. B. aus Alkoxysilanen mit einer Perfluoralkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis 10, wie Perfluoroctylethyltriethoxysilan CF₃(CF₂)₇(CH₂)₂Si(OC₂H₅)₃, Perfluorisopropylethyltriethoxysilan ausgewählt (CF₃)₂CF(CH₂)₂Si(OC₂H₅)₃, Perfluormethylethyltriemethoxysilan, Perfluorbutylethyltriemethoxysilan, Perfluoroctylethyltriemethoxysilan, Perfluoroctylethylmethyldimethoxysilan und dg. gewählt.
Titanatkopplungsmittel werden aus Isopropyltriisostearoyltitanat, Isopropyl-tris(Dioctylpyrophosphat-Titanat, Tetraisopropyl-bis(Dioctylphosphit)-Titanat, Tetraoctyl-bis(Ditridecylphosphit)-Titanat und dgl. gewählt
Kopplungsmittels des Aluminiumtyps sind durch Acetalkoxyaluminiumdiisopropiat gekennzeichnet.
Als hydrophobe Pulver ist pulverförmiges Tetrafluorethylen ebenfalls geeignet. Die oben genannten hydrophoben Oxidpulver und das Tetrafluorethylenpulver können allein oder kombiniert verwendet werden.
Um ein Schweißmaterial mit einem schlammartigen hydrophoben Behandlungsmittel zu beschichten, das durch Mischen eines hydrophoben Pulvers, eines Harzes und eines Lösungsmittels hergestellt wird, können herkömmliche Verfahren angewendet werden, die Sprühen, Streichen, Tauchen und dgl. umfassen. Das Mischungsverhältnis von hydrophobem Pulver zu Harz beträgt zwischen 100 : 0 und 10 : 90 auf Gewichtsbasis. Dieses Verhältnis ist bevorzugt, aber nicht einschränkend. Zwischen dem Wasser und der Oberfläche eines hydrophob behandelten Schweißmaterials sollte ein Kontaktwinkel von 90° oder darüber erzielt werden.
Der durch jede der oben genannten Oberflächenbehandlungen gebildete Wasser abweisende Film kann nach Tauchen in Wasser eine Luftmembran halten. Diese einzigartige Eigenschaft wird unter Bezugnahme auf 5, 6 und 7 der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Wie in 5 dargestellt wird eine ebene Platte 20 (aus Metall, Keramik oder Kunststoff) mit einem Wasser abweisenden Film 21 auf einem Teil ihrer Oberfläche aus der Atmosphäre in Wasser 23 gebracht, mit dem Ergebnis, dass die mit der Oberfläche des Films 21 in Kontakt stehende Luft in das Wasser mitgenommen wird und sich eine Luftmembran 22 auf der Filmoberfläche bildet. Wird eine begrenzte Menge Luft durch ein Kapillarrohr 24 in die Membran 22 eingespeist, wird die Luft in der Membran 22 eingeschlossen, die ihrerseits gedehnt wird, wie durch die unterbrochene Linie in 5 angedeutet. Der Wasser abweisende Film 21 hält also die dünne Luftmembran 22 auf seiner Oberfläche im Wasser und schließt Luft von außen in der Membran 22 ein.
Diese Fähigkeit des Lufteinschlusses wird nunmehr unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschrieben. Wie in 6A dargestellt wird eine ebene Platte 20 mit einem Wasser abwesenden Film 21 auf ihrer gesamten Oberfläche im Wasser in eine geneigt Stellung gebracht. Bei kontinuierlicher Luftzufuhr über ein Kapillarrohr 24 zur Oberfläche der Platte 20 wird die Luft in einer auf der Oberfläche des Films 21 gehaltenen Luftmembran 22 eingeschlossen und strömt entlang der geneigten Platte 20 nach oben und tritt schließlich in Form von Blasen 27 aus einem Ende der Membran 22 aus. 6B ist eine Ansicht der ebenen Platte 20 von 6A im Aufriss. Wie aus 6B ersichtlich ist, strömt die Luft 25 entlang der geneigten Platte 20 divergierend nach oben, endet in einer Luftansammlung 26 am obersten Ende der Platte 20 und tritt schließlich aus der Luftansammlung 26 in Form von Blasen 27 aus. Im Gegensatz dazu wird eine ebene Platte 20 ohne Wasser abweisenden Film oder bei der z. B. das Unterlagenmaterial sichtbar ist, in leicht geneigter Haltung in Wasser getaucht und Luft über ein Kapillarrohr auf die Metallplatte geleitet. Wie 7 zeigt, verlässt die Luft die Metalloberfläche unmittelbar nachdem sie mit ihr in Berührung gekommen ist und steigt in Form von Blasen nach oben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine beispielhafte Ansicht zur Verdeutlichung des Prinzips eines nassen Unterwasserschweißverfahrens des Wasserschirmtyps.
2 ist eine Ansicht eines nassen Unterwasserschweißverfahrens des Wasserschirmtyps, bei dem ein Schweißunterlagenelement gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist eine Ansicht der Wellenformen des Schweißstroms und der Spannung des Schweißlichtbogens gemessen beim Unterwasserschweißen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißunterlagenelements.
4 ist eine Ansicht der Wellenformen des Schweißstroms und der Spannung des Schweißlichtbogens gemessen beim Unterwasserschweißen, bei dem ein Schweißunterlagenelement für das Schweißen an Land zu Vergleichszwecken verwendet worden ist.
5 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Wasser abweisenden Films, der im Wasser auf seiner Oberfläche eine Luftmembran hält.
6 ist eine Ansicht, die einen auf der Oberfläche einer Platte ausgebildeten und eine Luftmembran haltenden Wasser abweisenden Film sowie in der Luftmembran eingeschlossene Luft, die entlang der Oberfläche des Wasser abweisenden Films strömt, zeigt.
7 ist eine Ansicht, die zeigt, wie die zur Oberfläche einer in Wasser getauchten Platte ohne Wasser abweisende Behandlung gelieferte Luft sofort in Form von Blasen nach oben steigt.
8 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines flexiblen Schweißunterlagenelements gemäß der Erfindung zeigt.
9 ist eine Schnittansicht, in der das flexible Unterlagenelement an zwei zu verschweißenden Passelementen angebracht ist.
10 ist eine Ansicht, die das flexible Unterlagenelement an der Rückseite zweier zu verschweißender Stoßflächen zum Unterwasserschweißen angebracht sowie eine Vorrichtung zum Befestigen des Unterlagenelements zeigt.
11 ist eine Ansicht, die das flexible Unterlagenelement an der Rückseite zweier zu verschweißender Stoßflächen zum Unterwasserschweißen angebracht sowie eine andere Vorrichtung zum Befestigen des Unterlagenelements zeigt.
12 ist eine Prinzipskizze des Lichtbogen-Schutzgasschweißverfahrens mit selbst verzehrender Elektrode, bei dem die Erfindung verwirklicht worden ist.
13 ist eine Ansicht, die das Schutzgas-Unterwasserschweißen gemäß der Erfindung zeigt.
14 ist eine Ansicht, die Lichtbogenschweißen unter atmosphärischen Bedingungen gemäß der Erfindung zeigt.
15 ist eine Ansicht , die die Beschichtung zweier Stoßflächen und eines Unterlagenmetalls beim Unterwasserschweißen gemäß 13 zeigt.
16 ist eine Ansicht , die die Beschichtung zweier Stoßflächen und eines Unterlagenmetalls unter atmosphärischen Bedingungen gemäß 14 zeigt.
17 ist eine Ansicht verschiedener Stöße in einem Schweißbereich, in dem die Erfindung verwirklicht werden kann.
18 ist eine Schnittansicht, die verschiedene Formen eines Flussmittel gefüllten Drahtes gemäß der Erfindung zeigt.
19 ist eine perspektivische Ansicht einer Möglichkeit eines Schweißverfahrens, bei dem ein Wasserschirm gemäß der Erfindung verwendet wird.
20 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Unterwasserschweißverfahrens, bei dem der beschichtete Schweißstab der Erfindung verwendet wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Zunächst wird ein Unterwasserschweißverfahren, bei dem das Unterlagenelement gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, d.h. ein nasses Unterwasserschweißverfahren des Wasserschirmtyps unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das nasse Unterwasserschweißverfahren des Schirmtyps wird nach dem MIG-Schweißlichtbogenverfahren durchgeführt. Im Prinzip wird eine Schweißdüse 3 über zwei Schweißfasen 2 zwischen zwei zu verschweißenden Passelementen 1, 1 angeordnet. Die Schweißdüse 3 ist in Längsrichtung der Fasen 2 beweglich und hat eine Doppelzylinderstruktur. Ein Wasserschirm 4 mit trompetenähnlicher Form wird erzeugt, indem Wasser sowohl auf die zu verschweißenden Elemente 1 als auch auf die Schweißfasen 2 aus einem Spalt zwischen dem äußeren und inneren Zylinder 3a, 3b gesprüht wird. Ein aus dem inneren Zylinder 3a ausströmendes Schutzgas 5 definiert einen Hohlraum 6 im Wasserschirm 4. Durch die Bereitstellung dieses Hohlraums werden ein zwischen den zu verschweißenden Elementen und einem durch einen Kontakt-Chip 3c, der axial auf den inneren Zylinder 3a ausgerichtet ist, zugeführter Schweißdraht 7 sowie ein durch die Hitze des Lichtbogens 8 erzeugtes Metallbad geschützt. Ein Unterlagenelement 9 ist normalerweise an den zu verschweißenden Fasen 2 angebracht wie in 1 dargestellt. Bei diesem Schweißverfahren werden die zu verschweißenden Elemente, selbst wenn ihre Außenoberflächen mit Wasser benetzt werden, mittels des Wasserschirms und des einen örtlich begrenzten Gas gefüllten Hohlraum bildenden Schutzgases wasserfrei gemacht. Der Schweißbereich wird folglich in trockenem Zustand gehalten, so dass stabil geschweißt werden kann. Bei Verwendung des Unterlagenelements zum Schweißen an Land kann ein MIG-Verfahren angewendet werden, das allgemein bekannt ist.
Das Schweißelement gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr detaillierter in einer Anwendung als Schweißunterlagenelement beschrieben.
Ausführungsform 1
Nunmehr wird eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei der das Schweißelement als Unterlagenelement zum Unterwasserschweißen und als Unterlagenelement zum Schweißen an Land, das so behandelt wurde, dass es nicht mehr hygroskopisch war, verwendet wird. Das Unterlagenelement dieser Ausführungsform wurde unter Verwendung des folgenden Ausgangssubstrats, Hydrophobiermittels und Beschichtungsverfahren hergestellt.
Ausgangssubstrat: Schweißunterlagenelement FBB-3T zum Schweißen an Land mit den Abmessungen 32 mm Länge × 28 mm Breite × 9 mm Dicke und mit allgemein bogenförmigen Nuten in der Oberfläche (Produkt der Kobe Steel Corporation).
Hydrophobiermittel: Schlamm, der durch Mischen von 50 Gewichtsteilen Siliziumoxidpulver als hydrophobes Pulver (SiO₂ 99%, Partikelgröße 2 μm), dessen Oberfläche mit Trimethylmethoxysilan hydrophobiert wurde, 50 Gewichtsteilen eines Harzes (Silikonkautschuk, bei Raumtemperatur härtbar, Feststoffanteil 20%) und 200 Gewichtsteilen Isopropylalkohol als Lösungsmittel hergestellt wurde.
Beschichtungsverfahren: Das Substrat wurde etwa eine Minute lang in das Hydrophobiermittel getaucht und dann bei Raumtemperatur getrocknet. Eine in der Mitte der Oberfläche des FBB-3T-Substrats gezogene Tintenlinie (Markierungslinie zum Anbringen des Substrats am zu schweißenden Element) wurde zuvor mit einer Acetonlösung entfernt und der Bereich wurde dann getrocknet.
Der Kontaktwinkel der Oberfläche des Unterlagenelements gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung betrug relativ zum Wasser 160°. Beim Tauchen in Wasser bildete sich auf der Oberfläche dieses Unterlagenelements eine Luftmembran.
Danach wurde Unterwasserschweißen wie in 2 dargestellt unter Verwendung eines gemäß dieser Ausführungsform hergestellten Wasser abweisenden Unterlagenelements 10 durchgeführt. Das hier angewendete Unterwasserschweißverfahren ist grundsätzlich das gleiche wie das in Zusammenhang mit 1 beschriebene Unterwasserschweißverfahren des Wasserschirmtyps, so dass gleiche Komponenten durch identische Bezugszeichen in 1 und 2 gekennzeichnet sind. Als Unterlagenelement 10 wurde jedoch eine Mehrzahl kleiner Unterlagenelemente 10a, von denen ein jedes die Abmessungen 32 mm Länge × 28 mm Breite × 9 mm Dicke hatte, in Längsrichtung nebeneinander angeordnet. Einzelheiten der Schweißoperation sind wie folgt:
Unterwasserschweißen: im Wasserbad mit 30 cm Tiefe.
Schweißmaschine: CO₂-Schweißautomat.
Schutzgas: CO₂, Durchsatzrate 120 bis 140 l/min.
Schweißdraht: 1,2 Ř, Massivdraht (MG-50, Produkt der Kobe Steel Corporation).
Schweißbedingungen: Schweißstrom 200 bis 300 A, Lichtbogenspannung 28 bis 32 V, Schweißgeschwindigkeit 12 bis 15 cm/min.
Zu verschweißende Prüflinge: 2 Platten aus unlegiertem Stahl, 13 mm dick, Fasenwinkel 45°, V-Stoß, Wurzelspalt 5 bis 10 mm, Höhe der Stoßfehlfluchtung 0 bis 2 mm.
Befestigung des Unterlagenelements: Das Unterlagenelement wurde durch Anpressen mit einer Eisenplatte sicher an der Rückseite der zu verschweißenden Prüflinge befestigt, wobei eine flexible Gummizwischenlage vorgesehen war.
Mit dem Unterlagenelement dieser Ausführungsform wurde Unterwasserschweißen auf Basis von automatischem CO₂-Lichtbogenschweißen unter den oben aufgeführten Bedingungen durchgeführt. Die resultierende Schweißraupe hatte an der Vorder- und Rückseite ein einwandfreies Aussehen und ferner war der Verbindungsbereich zwischen der Gegennaht und den Grundelements glatt. Eine zerstörungsfreie Röntgenprüfung ergab keine inneren Fehler oder nachteilige Auswirkungen der Hydrophobierbehandlung. Die Welligkeit des Schweißstroms I und der Lichtbogenspannung V, die beim Unterwasserschweißen gemessen wurde, ist in 3 dargestellt. Die Welligkeit in beiden Fällen schneidet gut gegenüber dem Schweißen an Land ab, was bedeutet, dass ein stabiles Schweißen möglich ist.
Als Nächstes wurde die Prozedur wiederholt, mit der Ausnahme, dass eine MAG-Impulsschweißmaschine an Stelle der CO₂-Schweißmaschine, ein mit Flussmittel gefüllter Draht (DW-100, Produkt der Kobe Steel Corporation) als Schweißdraht und ein Gemisch aus 80% Ar und 20% CO₂ als Schutzgas verwendet wurde. Die beim MAG-Impulsschweißen erzielten Ergebnisse sind gut und denen des CO₂-Lichtbogenschweißens gleichwertig.
Zur Verdeutlichung des Vergleichs zeigt 4 die Welligkeit des Schweißstroms I und der Lichtbogenspannung V, die beim Unterwasserschweißen gemessen wurde, bei dem ein FBB-T3 Unterlagenelemente für Schweißen an Land verwendet wurde. Wie 4 deutlich zeigt, sind sowohl der Schweißstrom I als auch die Lichtbogenspannung V stark instabil und der Schweißlichtbogen ist unterbrochen. Die resultierende Schweißnaht war in der Tat außergewöhnlich rau. Der Grund dafür ist, dass das Unterlagenelement feucht wurde und das darin angesammelte Wasser einen gestörten Lichtbogen verursachte.
Ausführungsform 2
Nunmehr folgt eine Beschreibung bezüglich einer zweiten Ausführungsform des Unterlagenelements zum Unterwasserschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung und eines nicht hygroskopischen Unterlagenelements zum Schweißen an Land.
Ausgangssubstrat: Formteil aus einem pulverförmigen Keramikmaterial, bestehend aus 80% SiO₂ und 20% Al₂O₃, wobei jeder Prozentsatz Gewichtsprozente angibt, und mit den Abmessungen 32 mm Länge × 28 mm Breite × 9 mm Dicke.
Hydrophobierbehandlung und Verfahren: Das Substrat als gesintertes Keramikprodukt wurde eine Minute lang in ein Lösungsgemisch aus 20 Teilen n-Oktadecyltrimethoxysilan und 80 Teilen n-Hexan getaucht, wobei die Anteile Gewichtsanteile angeben, und dann 24 Stunden lang bei 50°C in einer Trockenvorrichtung gehalten, wodurch das Hydrophobiermittel aushärtete und die Hydrophobierbehandlung abgeschlossen wurde. Der Kontaktwinkel der Oberfläche des auf diese Weise hydrophob behandelten Unterlagenelements betrug 140° relativ zum Wasser.
Unter Verwendung des wie oben beschrieben behandelten Unterlagenelements und unter den gleichen Schweißbedingungen wie bei Ausführungsform 1 wurde Unterwasserschweißen nach dem CO₂-Schweißverfahren und dem MAG-Impulsschweißverfahren durchgeführt. Schweißgeschwindigkeit 12 bis 15 cm/min. Bei beiden Schweißverfahren war der resultierende Lichtbogen stabil und die resultierende Schweißnaht hatte an ihrer Vorder- und Rückseite ein einwandfreies Aussehen. Eine zerstörungsfreie Röntgenprüfung ergab keine inneren Fehler.
Ausführungsform 3
Nunmehr folgt eine Beschreibung bezüglich einer dritten Ausführungsform des Unterlagenelements zum Unterwasserschweißen gemäß der vorliegenden Erfindung und des nicht hygroskopischen Unterlagenelements zum Schweißen an Land.
Ausgangssubstrat: Das gleiche Keramikunterlagenelement wie bei Ausführungsform 1 mit den Abmessungen 32 mm Länge × 28 mm Breite × 9 mm Dicke.
Hydrophobiermittel: Schlamm, hergestellt durch Mischen von 60 Teilen feinpulvrigen Tetrafluorethylen (Partikelgröße 5 μm) als hydrophobes Pulver, 40 Teilen Epoxydharz des bis-Phenol-A-Typs (Produkt der Three Bond Co.) als Harz und 200 Teilen Toluol als Lösungsmittel, wobei die Anteile Gewichtsanteile angeben.
Beschichtungsverfahren: Das Substrat wurde etwa eine Minute lang in das Hydrophobiermittel getaucht und dann getrocknet. Eine in der Mitte der Oberfläche des FBB-3T-Substrats gezogene Tintenlinie (Markierungslinie zum Anbringen des Substrats am zu schweißenden Element) wurde zuvor mit einer Acetonlösung entfernt und der Bereich wurde dann getrocknet.
Der Kontaktwinkel der Oberfläche des erfindungsgemäßen Unterlagenelements betrug relativ zum Wasser 160°. Beim Tauchen in Wasser bildete sich auf der Oberfläche dieses Unterlagenelements eine Luftmembran.
Unter Verwendung des wie oben beschrieben behandelten Unterlagenelements und unter den gleichen Schweißbedingungen wie bei Ausführungsform 1 wurde Unterwasserschweißen nach dem CO₂-Schweißverfahren und dem MAG-Impulsschweißverfahren durchgeführt. Bei beiden Schweißverfahren war der resultierende Lichtbogen stabil und die resultierende Schweißnaht hatte an ihrer Vorder- und Rückseite ein einwandfreies Aussehen. Eine zerstörungsfreie Röntgenprüfung ergab keine inneren Fehler.
Weitere Tests wurden unter der Bedingung durchgeführt, dass das Unterlagenelement durch Regen während des Schweißens im Freien nass geworden war. Nach der Befestigung des erfindungsgemäßen Unterlagenelements wurde der resultierende Stoß mit Wasser benetzt, gefolgt von Entfernen des Wassers durch Druckluft und Schweißen nach einem üblichen CO₂-Schweißverfahren unter atmosphärischen Bedingungen. Als Ergebnis wurde das Wasser auf diesem Unterlagenelement durch die Druckluft vollständig entfernt, so dass stabiles Schweißen möglich war. Eine Röntgenprüfung zeigte, dass keine inneren Fehler vorhanden waren, was darauf hinweist, dass einwandfreies Schweißen möglich war.
Das erfindungsgemäße Unterlagenelement ist demnach nicht hygroskopisch und deshalb sowohl für Unterwasserschweißen als auch Schweißen an Land geeignet.
Auch im Fall des Schweißens an Land kann ein hygroskopisches Unterlagenelement zu Schweißfehlern wie Gaseinschlüssen, durch Wasserstoff bedingten Rissen und dgl. führen und muss deshalb streng überwacht werden. Dieser Typ Unterlagenelement wird im Allgemeinen in einem Trocknungsofen geeignet behandelt. Insbesondere beim Schweißen teurer Materialien wie hochfester Stahl und dgl. ist bezüglich des verwendeten Unterlagenelements eine noch strengere Überwachung erforderlich. Im Gegensatz dazu erlaubt das erfindungsgemäße Wasser abweisende Unterlagenelement eine Lockerung der Überwachung und den möglichen Einsatz zum Schweißen speziell in einer Umgebung mit extremer Feuchte (z. B. in einem Ballasttank eines Schiffes, Schweißoperationen im Salzwasser und dgl.).
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Unterlagenelement für Unterwasserschweißen ist so aufgebaut, dass es nach der Hydrophobierbehandlung eine Wasser abweisende Fähigkeit entsprechend einem Kontaktwinkel von mindestens 90° relativ zum Wasser hat. Dieses Unterlagenelement wird also selbst im Wasser nicht feucht, was beim nassen Unterwasserschweißen in einer guten Schweißnaht resultiert. Bei Schweißen an Land erzeugt das Unterlagenelement selbst bei Bedingungen mit sehr hoher Feuchte oder Niederschlag einen Schweißbereich hoher Festigkeit.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Unterlagenelement zum Unterwasserschweißen einfach durch Beschichten eines handelsüblichen Unterlagenelements zum Schweißen an Land mit einem Schlamm erhalten wird, der durch Mischen und Dispergieren eines hydrophoben Pulvers, eines Harzes und eines Lösungsmittels hergestellt wird, oder durch Behandeln eines solchen Unterlagenelements für das Schweißen an Land mit einem eine hydrophobe Gruppe enthaltenden Oberflächenbehandlungsmittel, wodurch die hydrophobe Gruppe mit dem Unterlagenelement verbunden wird.
Ausführungsform 4
8 ist ein Teilschnitt, der den Aufbau eines flexiblen Unterlagenelements als Schweißelement gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. 9 ist eine Schnittansicht, die ein derartiges flexibles Unterlagenelement darstellt, wie es an zwei zu verschweißenden Passteilen angebracht ist. Wie aus 8 ersichtlich besteht das flexible Unterlagenelement 11 aus einem hydrophob behandelten pulverförmigen Flussmittel 12, einer flexiblen Hülle 13 aus hydrophob behandeltem Glasfasermaterial gefüllt mit dem Flussmittel 12 und zwei doppelt beschichteten Bändern 14, die in Längsrichtung auf der Oberfläche der flexiblen Hülle 13 angeordnet sind. Auf der Oberfläche des pulverförmigen Flussmittels 12 und der flexiblen Hülle 13, die beide einer Hydrophobierbehandlung unterzogen worden sind, bildet sich ein Wasser abweisender Film aus, der bei Tauchen in Wasser eine Luftmembran halten kann. Die aus Glasfasermaterial bestehende flexible Hülle 13 hat eine beutelartige Struktur mit zwei geschlossenen Enden. Wie 9 deutlicher zeigt wird das flexible Unterlagenelement 11 mit den doppelt beschichteten Klebebändern 14, 14 an der Rückseite der Schweißfase in einem Abschnitt zur Anlage gebracht, wo die beiden Elemente 15, 15 miteinander zu verschweißen sind. Wegen seiner Flexibilität ist das flexible Unterlagenelement 11 selbst bei einem Stoß mit gekrümmter Rückseite geeignet. Die Länge eines Unterlagenelements und die Abstände der Klebebänder können je nach Größe und Form der zu verschweißenden Strukturen bestimmt werden. Das flexible Unterlagenelement 11 kann so aufgebaut sein, dass es eine hydrophob behandelte flexible Hülle aus Glasfasermaterial hat, das mit einem üblichen pulverförmigen Flussmittel ohne hydrophobe Behandlung gefüllt ist. Es ist allerdings darauf zu achten, dass eine solche flexible Hülle während des Schweißvorgangs nicht reißt.
Unter Verwendung der oben beschriebenen flexiblen Unterlagenelemente kann das in Zusammenhang mit 1 beschriebene nasse Unterwasserschweißverfahren des Wasserschirmtyps angewendet werden. Da in diesem Fall das flexible Unterlagenelement im Wasser auf seiner Oberfläche eine dünne Luftmembran bildet, wird Schutzgas in der Luftmembran eingeschlossen, so dass jegliches Wasser in der Nähe der Oberfläche des flexiblen Unterlagenelements 11 vollständig entfernt wird.
In 10 ist eine Befestigungsvorrichtung dargestellt, die zur Befestigung des flexiblen Unterlagenelements 11 an der Rückseite einer Schweißfase dient. Die Befestigungsvorrichtung 17A hat einen eine Kammer begrenzenden Halter zur Aufnahme des flexiblen Unterlagenelements 11, zwei sich von den oberen distalen Enden des Halters nach außen erstreckende Flansche und doppelt beschichtete Bänder 14 auf den Oberflächen der Flansche. Die Befestigungsvorrichtung 17A wird mittels der doppelt beschichteten Bänder 14 an den zu verschweißenden Elementen 15 befestigt, wobei das in der Kammer aufgenommene flexible Unterlagenelement 11 mit seiner vorderen Oberfläche gegen die Rückseite des angefasten Abschnitts gepresst wird. Das flexible Unterlagenelement 11 gleicht sich gut einem Stoß mit unzureichender Präzision und Abweichungen oder dgl. an, so dass die resultierende Schweißnaht an der Nahtwurzel im Bereich der mit dem geschmolzenen Metall zu verschweißenden Materialien glatt ist. Da ferner das flexible Unterlagenelement 11 durch Umhüllen des hydrophob behandelten pulverförmigen Flussmittels 12 mit der hydrophob behandelten Glasfaserhülle erhalten wird, kann eine Gasschicht 18 durch ein Schutzgas aus der oberen Oberfläche des angefasten Abschnitts gebildet werden, selbst wenn zwischen dem flexiblen Unterlagenelement 11 und den zu verschweißenden Elementen 15 ein kleiner Spalt besteht. Der Grund dafür ist, dass bei Einbringen des flexiblen Unterlagenelements 11 aus der Atmosphäre in Wasser die flexible Glasfaserhülle 13 mit einer auf ihrer Oberfläche gebildeten Gasschicht in das Wasser gelangt, wodurch eine sehr wirksame Schutzschicht erzielt wird, auf der sich die Gasschicht 18 leichter ausbilden kann.
Im Gegensatz zur winkligen Befestigungsvorrichtung 17A von 10 ist eine in 11 gezeigte Befestigungsvorrichtung 17B in Form einer Halbkugel bis zur Form eines flachen Tellers gestaltet, wie im Querschnitt dargestellt. Als Befestigungsvorrichtung 17B kann ein flexibler Balgen aus Gummi oder nicht rostendem Stahl verwendet werden. Das flexible Unterlagenelement 11 kann an der Befestigungsvorrichtung 17B mit einem Kleber angebracht werden, was eine einfache Handhabung sicherstellt, so dass das flexible Unterlagenelement 11 am angefasten Abschnitt zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen angebracht wird.
Die flexible Hülle zur Aufnahme des pulverförmigen Flussmittels kann aus allgemein üblichem Baumwollgewebe bestehen, das aber so zu behandeln ist, dass es sich hydrophob verhält, d. h. das oben angegebene hydrophob behandelte Glasfasermaterial ist nicht zwingend. Eine andere geeignete Wahl kann ein Silikonkautschuk sein. Kohlefaser oder Kohlefaser, die zunächst etwas flexibel gemacht und dann fixiert wird, kann ebenfalls verwendet werden. Zur Befestigung des flexiblen Unterlagenelements an den zu verschweißenden Elementen können bei Stahlstrukturen Magnete verwendet werden, obwohl das doppelt beschichtete Klebeband 14 an alle Materialarten der zu verschweißenden Elemente angebracht werden kann. Die Magnete verbessern die Haftung des Unterlagenelements im Wasser oder in einer Umgebung mit Niederschlägen.
Die für das erfindungsgemäße Unterlagenelement zur Auswahl stehenden Schweißverfahren sind Lichtbogenschweißen mit Mantelelektroden und MIG-Schweißen. Ein solches Unterlagenelement ist nicht hygroskopisch und deshalb sowohl für Unterwasserschweißen als auch Schweißen an Land geeignet. Auch im Fall des Schweißens an Land kann ein hygroskopisches Unterlagenelement zu Schweißfehlern wie Gaseinschlüssen, durch Wasserstoff bedingten Rissen und dgl. führen und muss deshalb streng überwacht werden. Dieser Typ Unterlagenelement wird im Allgemeinen in einem Trocknungsofen geeignet behandelt. Insbesondere beim Schweißen teurer Materialien wie hochfester Stahl und dgl. ist bezüglich des verwendeten Unterlagenelements eine noch strengere Überwachung erforderlich. Im Gegensatz dazu erlaubt das erfindungsgemäße Wasser abweisende Unterlagenelement eine Lockerung der Überwachung und den möglichen Einsatz zum Schweißen speziell in einer Umgebung mit extremer Feuchte (z. B. in einem Ballasttank eines Schiffes, Schweißoperationen im Salzwasser und dgl.). Verbleiben Wassertropfen auf dem erfindungsgemäßen Unterlagenelement bedingt durch Niederschlag beim Schweißen im Freien, können sie entfernt werden, indem die Oberfläche eines solchen Unterlagenelements vor dem anschließenden Schweißen nur mit Druckluft abgeblasen wird.
Wie hierin oben beschrieben ist das Unterlagenelement gemäß der vorliegenden Erfindung ausreichend flexibel, um sich Stoßschwankungen an einem abgefasten Abschnitt anzupassen. Diese Unterlagenelement ist ferner so behandelt, das es hydrophob ist, d. h. einen Wasser abweisenden Film hat, der beim Tauchen in Wasser eine Luftmembran halten kann. Aufgrund der Anwesenheit einer solchen Luftmembran wird das Unterlagenelement selbst im Wasser nicht feucht, was schließlich zu einer guten Schweißnaht beim Unterwasserschweißen nach dem Verfahren des nassen Unterwasserschweißens mit Wasserschirm und zu einem Schweißbereich hoher Festigkeit beim Schweißen an Land selbst unter Umgebungsbedingungen mit sehr hoher Feuchte oder Niederschlägen führt.
Ausführungsform 5
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nunmehr ein Unterwasserschweißverfahren beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklicht wird.
12 ist eine Prinzipskizze des Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahrens, das in der Atmosphäre und in Wasser durchgeführt und bei dem die Erfindung angewendet werden kann. Das hier gezeigte Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren wird gewählt, weil es sowohl unter atmosphärischen als auch Unterwasser-Umgebungsbedingungen durchgeführt werden kann. Schutzgas-Lichtbogenschweißen umfasst Schutzgas-Schweißverfahren, die in einer Gasatmosphäre eines inerten Gases wie Argon, Helium oder dgl. oder einem Gemisch mit einer geringen Menge aktiven Gases (Kohlendioxid, Sauerstoff oder dgl.) durchgeführt werden, sowie ein Kohlenstoffdioxid-Lichtbogenschweißverfahren, das in einer Gasatmosphäre, vorherrschend Kohlendioxid, durchgeführt wird. Enthalten ist auch eine Elektrode des selbst verzehrenden Typs, die beim Schweißen zu einem geschmolzenen Metall schmilzt, und eine Elektrode des nicht verzehrenden Typs (Wolframelektrode), deren Prinzip dem der erstgenannten Elektrode entgegengesetzt ist. Beide Typen kommen für die Erfindung in Frage.
Zunächst werden die Grundlagen des Schutzgasschweißens unter Bezugnahme auf 12 erläutert. In einem Schutzgas 30 wie Argon Kohlendioxid oder dgl. wird ein Lichtbogen 33 zwischen einem Elektrodendraht 31 und zwei Grundelementen 32 erzeugt. Mit dem Schmelzen des Elektrodendrahtes 31 wird das geschmolzene Metall zum Schweißen zugeführt. Als Schutzgas 30 wird ein inertes Gas (einschl. einiger Prozent CO₂ und O₂) wie Argon oder dgl. beim MIG-Schweißen verwendet und Kohlendioxid wird beim CO₂-Lichtbogenschweißen verwendet. Beim MAG-Schweißen wird ein Gemisch aus beiden Gasen in einem gewählten Verhältnis als Schutzgas 30 verwendet. Vorschubrollen 34 dienen zum Vorschub des Elektro dendrahtes 31, während dieser schmilzt. Zur Lichtbogenerzeugung wird elektrische Spannung mittels eines Elektrodenchip 36 zu einer Gasdüse 35 geliefert. Mit 37 ist der geschmolzene Draht, mit 38 ein Schmelzbad und mit 39 geschmolzenes Metall gekennzeichnet.
Zweitens wird die vorliegende Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, bei denen eine erfindungsgemäße Hydrophobierbehandlungstechnik in einem Schweißbereich beim Schutzgasschweißen eingeführt worden ist. Die jeweiligen Ausführungsformen sind in 13 und 14 dargestellt. 13 betrifft Unterwasser-Schutzgasschweißen (das selbstverständlich auch auf atmosphärisches Schweißen anwendbar ist), während 14 Lichtbogenschweißen betrifft, bei dem ein üblicher beschichteter Schweißstab zum atmosphärischen Schweißen verwendet wird. Beide Figuren zeigen Stumpfschweißen der Grundelemente mit V-Abschrägung. Im Fall von 13 sind die Grundelemente 40, das Unterlagenelement 41 und der Elektrodendraht 31 mit einer Beschichtung 42 versehen, die nach Einbringen in Wasser eine Luftmembran halten kann. Das oben beschriebene schlammartige Hydrophobiermittel aus hydrophoben Pulver, harz und Lösungsmittel wird nämlich als die Beschichtung 42 auf beide Oberflächen jedes der Grundelemente 40 und des Unterlagenelements 41 aufgebracht wie in 15 dargestellt. Die Beschichtung 42 kann entweder durch Streichen, Sprühen oder Tauchen aufgebracht werden. Das Ausmaß 46, mit dem jedes der Grundelemente 40 zu beschichten ist, kann beliebig festgelegt werden, wobei die Blechdicke und die Stoßform der Grundelemente sowie andere Parameter einbezogen werden. Das Unterlagenelement 41 ist mittels Heftschweißen 43 fest an den Rückseiten der Grundelemente 40 befestigt, wo das Schweißen durchzuführen ist. Bezugszeichen 47 markiert eine Schweißlinie.
Anschließend wird die Schutzgas-Schweißvorrichtung auf den abgefasten Abschnitt des Schweißbereichs eingestellt und Unterwasserschweißen durchgeführt, indem elektrische Spannung an die Grundelemente 40 und den Elektrodendraht 31 geliefert wird, während das Schutzgas 30 aus der Gasdüse 35 strömt, wobei das Schutzgas einen höheren Druck als das umgebende Wasser hat. Der Schweißbereich hat auf seiner Oberfläche eine durch die Wirkungsweise der Beschichtung 42 gebildete Luftmembran und wird deshalb nicht feucht, so dass dieser Bereich gegen das Anhaften von Wasser und Fremdstoffen sowie gegen Oxidation durch im Wasser gelösten Sauerstoff geschützt werden kann. Außerdem ist Wasser vom Schweißbereich und seiner Umgebung durch den Schutzgasdruck leicht zu entfernen. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass aufgrund des einzigartigen Einschlusses von Luft auf der beschichteten Oberfläche durch die Luftmembran das Schutzgas ebenfalls leicht ein geschlossen werden kann, so dass im Bereich des Lichtbogens eine vollständige Wasserdichtheit erreichbar und stabiles Schweißen im Wasser möglich ist.
Zum Heftschweißen 43 des Unterlagenelements 41 in Wasser kann Unterwasser-Lichtbogenschweißen auf einfache Art durch Verwendung eines Drahtes (sowohl beschichtet als auch nicht beschichtet geeignet), der mit einem Flussmittel 44 wie in 18 dargestellt gefüllt ist, oder einem beschichten Schweißstab, dessen Außenoberfläche mit einem wasserdichten Klebeband oder dgl. umwickelt ist, durchgeführt werden. 18A bis 18D zeigen im Querschnitt verschiedene Formen Flussmittel gefüllter Drähte, wobei ein Mantel 45 jeweils mit dem Flussmittel 44 gefüllt ist. Alternativ aber nicht dargestellt kann ein aus beschichteter Keramik oder dgl. bestehendes Unterlagenelement fest an der Rückseite eines abgefasten Abschnitts angebracht und im Wasser geschweißt werden, worauf das Unterlagenelement entfernt wird, gefolgt vom Schweißen der Welligkeit der Nahtwurzel.
Folglich ist ein erstes Unterwasserschweißen durch Verwendung eines Unterlagenmetalls oder eines Unterlagenelements möglich. Wird eine solche Unterwasser-Schweißnaht mit einer bestimmten Profileinheit komplettiert, kann der resultierende geschweißte Abschnitt eine trockene Umgebung (Tank) bilden, so dass es möglich wird, eine mehrlagige geschweißte Struktur unter Anwendung eines normalen Schweißverfahrens unter atmosphärischen Bedingungen einwandfrei herzustellen.
Im Falle von 14 erzeugt ein Wasser abweisender Film, der durch Hdrophobierbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, im Wesentlichen gleich gute Ergebnisse wie die beim Unterwasserschweißen nach 13, mit der Ausnahme, dass die Schweißumgebungsbedingungen und die Schweißverfahren verschieden sind. In 14 sind nämlich die beiden Grundelemente 40, ein Unterlagenelement 41 und ein beschichteter Schweißstab 51 mit einer Beschichtung 42 für atmosphärisches Lichtbogenschweißen versehen. Die Beschichtung ist wie aus 16 ersichtlich auf beiden Oberflächen jedes der Grundelemente 40 und des Unterlagenelements 41 aufgebracht. Die Beschichtung 42 kann entweder durch Streichen, Sprühen oder Tauchen aufgebracht werden. Das Ausmaß 46, mit dem jedes der Grundelemente 40 zu beschichten ist, kann beliebig festgelegt werden, wobei die Blechdicke und die Stoßform der Grundelemente und dgl. einbezogen werden. Das Unterlagenmetall 41 ist mittels Heftschweißen 43 fest an den Rückseiten der Grundelemente 40 befestigt, wo das Schweißen durchzuführen ist.
17 zeigt verschiedene Stoßformen des Schweißbereichs: (A) I-Naht, (B) U-Naht, (C) X-Naht, (D) H-Naht, (E) K-Naht und (F) T-Naht. Die Erfindung ist grundsätzlich auf Stumpfschweißen, Kehlnahtschweißen und Überlappungsschweißen anwendbar.
Die vorliegende Erfindung wird ferner im Hinblick auf ein Verfahren beschrieben, bei dem das Rosten eines Schweißstoßes verhindert wird, indem der Stoßabschnitt mit dem erfindungsgemäßen Hydrophobiermittel beschichtet wird. Nach dem Abschrägen der Grundelemente wird ein Hydrophobiermittel aufgebracht, so dass Vorbehandlungen wie Rostschutz entfallen können. Die zu verschweißenden Elemente werden nämlich bis im Werk mit Abschrägungen versehen. Stahlwerkstoffe werden in vielen Fällen keiner besonderen Vorbehandlung unterzogen und rosten deshalb, was einen Rostschutz zum Zeitpunkt der Schweißoperation an Ort und Stelle erforderlich macht. Manchmal werden die abgeschrägten Abschnitte zum Schutz mit einem Klebeband oder dgl. versehen, was den zusätzlichen Schritt der Entfernung desselben vor dem Schweißen erforderlich macht. Rost entsteht aufgrund der Kondensation von Feuchtigkeit. Die Oberflächenbeschichtung mit dem erfindungsgemäßen Hydrophobiermittel verhindert das Anhaften von Wasser und die Oxidation an den abgeschrägten Abschnitten. Außerdem hat dieses Mittel keine nachteiligen Einflüsse während der Schweißoperation und braucht anders als das Schutzband vor dem Schweißen nicht entfernt zu werden.
Eine weitere Erläuterung bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem während des Unterwasserschweißens ein Hohlraum in einem Wasserschirm auf einfache Weise gebildet wird. 19 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Schweißverfahren unter Anwendung eines Wasserschirms zeigt. Wie ersichtlich wird das Hydrophobiermittel mittels eines Schweißbrenners mit Wasserschirmdüse 48 auf einen abgeschrägten Abschnitt 49 der beiden Grundelemente 40 und dessen Umgebung in dem Umfang aufgebracht, den der Wasserschirm bereitstellt. Aufgrund der Tendenz der beschichteten Oberfläche, Luft einzuschließen, wird im Wasserschirm ein Hohlraum ausgebildet und gleichzeitig kann die Durchsatzrate des Gases verringert werden.
Wie hierin oben beschrieben worden ist, werden die nachstehend aufgeführten bemerkenswerten Vorteile durch Aufbringen des erfindungsgemäßen Hydrophobiermittels in der Umgebung des Schweißbereichs erzielt.

(1) Wasser kann vollständig entfernt werden, so dass zuverlässiges Schweißen mit hoher Präzision durchführbar ist.
(2) Der Schweißbereich bleibt geschützt, so dass Schweißen an der Arbeitsstelle einfach und rasch durchführbar ist.
(3) Im Wasser oder in einer Umgebung mit sehr hoher Feuchte bzw. Niederschlägen wird eine Luftmembran auf der Beschichtung gebildet, so dass qualitativ hochwertiges Schweißen auf einfache Weise möglich ist und deshalb die Präzision gesteigert und die Schweißkosten verringert werden,

Ausführungsform 6
Nunmehr wird eine Ausführungsform beschrieben, bei der das Schweißelement der vorliegenden Erfindung als beschichteter Schweißstab verwirklicht wird. Die Erfindung ist auf handelsüblich verfügbare beschichtete Schweißstäbe anwendbar, z. B. solche des Ilmenittyps, des Kb-Ti-Mischtyps und des Titanoxidtyps, die häufig erfolgreich im Unterwasserschweißen eingesetzt werden. Die Hydrophobierbehandlung erstreckt sich auf alle Oberflächen solcher beschichteter Schweißstäbe, damit am Schweißbereich eine Luftmembran gebildet werden kann.
Die nachstehend angegeben verschiedenen drei Hydrophobiermittel (A, B und C) wurden verwendet.
Hydrophobiermittel A: Schlamm, der durch Mischen von 50 Teilen Siliziumoxidpulver (SiO₂ 99%, Partikelgröße 2 μm) als hydrophobes Pulver, dessen Oberfläche mit Trimethylmethoxysilan hydrophobiert wurde, 50 Teilen eines Harzes (Silikonkautschuk, bei Raumtemperatur härtbar, Feststoffanteil 20%) und 200 Teilen Isopropylalkohol als Lösungsmittel hergestellt wurde, wobei die Anteile jeweils Gewichtanteile angeben.
Hydrophobiermittel B: Lösung aus 20 Teilen n-Oktadecyltrimethoxysilan und 80 Teilen n-Hexan, wobei die Anteile jeweils Gewichtsanteile angeben.
Hydrophobiermittel C: Schlamm, hergestellt durch Mischen von 60 Teilen feinpulvrigen Tetrafluorethylens (Partikelgröße 5 μm) als hydrophobes Pulver, 40 Teilen Epoxydharz des bis-Phenol-A-Typs (Produkt der Three Bond Co.) als Harz und 200 Teilen Toluol als Lösungsmittel, wobei die Anteile Gewichtsanteile angeben.
Jeder der beschichteten Schweißstäbe des Ilmenittyps, des Kb-Ti-Mischtyps und des Titanoxidtyps wurde eine Minute lang in die Hydrophobiermittel A, B und C getaucht und dann 24 Stunden lang bei 50°C getrocknet.
Die Kontaktwinkel der Oberflächen der so hydrophob behandelten beschichteten Schweißstäbe betrugen relativ zu Wasser ca. 160° im Fall des Hydrophobiermittels A, ca. 140° im Fall des Hydrophobiermittels B und ca. 160° im Fall des Hydrophobiermittels C.
Ein Tauchtest in Wasser wurde durchgeführt, bei dem die mit den Hydrophobiermitteln A, B und C behandelten beschichteten Schweißstäbe 7 Tage lang im Wasser belassen wurden. Das Gewicht der so beschichteten Schweißstäbe wurde vor und nach dem Test bestimmt. Es konnte keine Gewichtsänderung festgestellt werden, was bedeutet, dass jeder der behandelten beschichteten Schweißstäbe kein Wasser aufgenommen hat. Es wurde eine weitere Untersuchung vorgenommen, bei der die Beschichtung jedes behandelten beschichteten Schweißstabs abgeschält wurde, und es wurde festgestellt, dass das Hydrophobiermittel die beschichtete Oberfläche des Schweißstabs bis zu seinem Innern durchdrungen hat. Selbst bei geringfügig verkratzter beschichteter Oberfläche blieb also die Wasser abweisende Fähigkeit der Beschichtung erhalten.
Danach wurden unter Verwendung der mit den Hydrophobiermitteln A, B und C behandelten beschichteten Schweißstäbe Unterwasserschweißtests in einer Tiefe von 30 cm durchgeführt. Beim Tauchen in Wasser bildete jeder Test-Schweißstab eine Luftmembran auf seiner Oberfläche. 20 ist eine schematische Darstellung des Unterwasserschweißens bei Verwendung eines beschichteten Schweißstabs. Das Schweißen erfolgt mit einem beschichteten Schweißstab 61, der in Bewegungsrichtung wie mit einem Pfeil gekennzeichnet geneigt ist, während ein Schmelzbad 66 auf einem Grundelement 62 durch einen zwischen der Spitze des Schweißstabs 61 und dem Grundelement 52 erzeugten Lichtbogen 63 gebildet wird. An der Spitze des Schweißstabs 61 ist die Spitze eines Metallkerndrahts 61a, der den Lichtbogen 63 erzeugt so angeordnet, dass sie normalerweise tiefer liegt als die Spitze einer zylinderförmigen Beschichtung 61b. Die zylindrische Spitze der Beschichtung 61b hat die Aufgabe eines Schutzzylinders für den Lichtbogen 63 gegen das umgebende Wasser 65 mittels eines Gases, das durch die thermische Zersetzung der Beschichtung 61b entsteht. Somit ist stabiles Schweißen möglich. Ein geschweißtes Metall 67 am Grundelement 62 wird durch eine Schnecke 68 geschützt, die durch Schmelzen der Komponenten der Beschichtung 61b entsteht. Das den Lichtbogen 63 umgebende Gas 64 treibt das zur Beschichtung 61b eindringende Wasser aus und strömt schließlich in Form von Blasen 69 nach oben.
Wird die Beschichtung 61b keiner Hydrophobierbehandlung unterzogen und deshalb feucht und blättert ab, verliert sie den Schutzzylinder an ihrer Spitze. Damit kann keine Gasatmosphäre 64 mehr um den Lichtbogen 63 bereitgestellt werden, wodurch der Lichtbogen direkt mit dem Wasser in Kontakt kommt und instabil wird. Ferner kann aufgrund des Abblätterns der Beschichtung 61b das geschweißte Metall 67 nicht durch die Schnecke 68 geschützt werden. Dies bedeutet zahlreiche Schweißfehler wie Risse bedingt durch Oxidation oder Abschrecken des geschweißten Metalls, Gaseinschlüsse im Metall und dgl. Nimmt die Beschichtung 61b Wasser auf, gelangt Wasserstoffgas in das den Lichtbogen 63 schützende Gas 64, wobei dieses Wasserstoffgas durch die thermische Aufspaltung des Wassers unter dem Einfluss der Hitze des Lichtbogens 63 entsteht. Dieses Wasser bedingt Schweißfehler wie Gaseinschlüsse und dgl.
Beim Unterwasserschweißtest unter Verwendung der hydrophob behandelten beschichteten Schweißstäbe gemäß der vorliegenden Erfindung ließ sich mit allen beschichteten Schweißstäben, die mit den Hydrophobiermitteln A, B und C behandelt wurden (Ilmenittyp, Kb-T-Mischtyp und des Titanoxidtyp) stabiles Schweißen erzielen. Im Schweißbereich wurden keine Fehler festgestellt.
Nach dem Tauchen in Wasser wurde der erfindungsgemäße beschichtete Schweißstab aus dem Wasser genommen, mit Druckluft abgeblasen und anschließend zum Schweißen verwendet. Stabile Schweißen wurde erzielt und die Röntgenprüfung des fertiggestellten Schweißbereichs erbrachte gute Ergebnisse. Somit war Schweißen mit hoher Festigkeit möglich.
Der erfindungsgemäße beschichtete Schweißstab ist somit nicht hygroskopisch und eignet sich deshalb sowohl zum Unterwasserschweißen als auch zum Schweißen an Land. Selbst beim Schweißen an Land führt eine feuchte Beschichtung zu Schweißfehlern wie Gaseinschlüssen, wasserstoffinduzierten Rissen und dgl. Aus diesen Gründen erfordert ein beschichteter Schweißstab für das Schweißen an Land eine strikte Überwachung und vor der Verwendung Ofentrocknung zum Entfernen von Feuchtigkeit beim Schweißen teurer Materialien wie hochfester Stahl und dgl. Der erfindungsgemäße oberflächenbehandelte beschichtete Schweißstab ist nicht hygroskopisch, bedarf praktisch keiner Überwachung und eignet sich vor allem in einer Umgebung mit sehr hoher Feuchte (z. B. im Ballasttank eines Schiffes, beim Schweißen im Meer und dgl.).
Der beschichtete Schweißstab der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise erhalten, indem ein handelsüblich verfügbarer beschichteter Schweißstab in das beschriebene Hydrophobiermittel getaucht wird, um die Wasser abweisende Eigenschaft anzunehmen. Dies vereinfacht die Herstellung und Massenfertigung und spart Kosten. Vorteilhafterweise dringt das Hydrophobiermittel außerdem in die poröse Beschichtung ein, so dass der erfindungsgemäße beschichtete Schweißstab selbst bei verkratzter Oberfläche der Beschichtung seine Wasser abweisende Eigenschaft beibehält und eine gute Festigkeit beim Unterwasserschweißen und beim Schweißen an Land, wo Feuchtigkeit schwerwiegende Probleme verursacht, sicherstellt.

Liste der Bezugszeichen

1: Passelement
2: Schweißfase
3: Schweißdüse
3a: innerer Zylinder
3b: äußerer Zylinder
3c: Kontakt-Chip
4: Wasserschirm
5: Schutzgas
6: Hohlraum
7: Schweißdraht
8: Lichtbogen
9: Unterlagenelement
10: Wasser abweisendes Unterlagenelement
11: flexibles Unterlagenelement
12: Flussmittel
13: flexible Hülle
14: Klebeband
15: Element
17A: Befestigungsvorrichtung
17B: Befestigungsvorrichtung
18: Gasschicht
20: Platte
21: Wasser abweisender Film 21
22: Luftmembran
23: Wasser
24: Kapillarrohr
25: Luft
26: Luftansammlung
27: Blasen
30: Schutzgas
31: Elektrodendraht
32: Grundelement
33: Lichtbogen
34: Vorschubrollen
35: Gasdüse
36: Elektrodenchip
37: geschmolzener Draht
38: Schmelzbad
39: geschmolzenes Metall
40: Grundelement
41: Unterlagenelement
42: Beschichtung
43: Heftschweißung
44: Flussmittel
45: Mantel
46: Ausmaß
47: Schweißlinie
48: Wasserschirmdüse
49: abgeschrägter Abschnitt
51: beschichteter Schweißstab
61: beschichteter Schweißstab
61a: Beschichtung
61b: Beschichtung
62: Grundelement
63: Lichtbogen
64: Gas
65: Wasser
67: geschweißtes Metall 67
68: Schnecke
69: Blasen

Claims

Schweißelement mit einem Wasser abweisenden Film auf einem Teil seiner Oberfläche mit winzigen konkaven und konvexen Formen, wobei der Wasser abweisende Film ein hydrophobes Material aufweist und einen Kontaktwinkel von mindestens 90° relativ zum Wasser hat, um eine Luftmembran auf der Oberfläche einzuschließen, wenn der Film in Wasser getaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser abweisende Film aus entweder einem oder beiden eines anorganischen pulverförmigen hydrophoben Oxids und eines pulverförmigen Polytetrafluorethylen als hydrophobes Material und einem Harz besteht.
Schweißelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißelement ursprünglich mit winzigen konkaven und konvexen Formen auf einer Oberfläche versehen ist und dass der Wasser abweisende Film durch eine Oberflächenbehandlung des Schweißelements mit einem eine hydrophobe Gruppe enthaltenden Material gebildet wird.
Schweißelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißelement aus eine Gruppe gewählt wird, die aus einem an der Rückseite eines Schweißstoßabschnitts angeordneten Schweißunterlagenelement, einem Schweißstoßelement eines zu schweißenden Grundelements und einem beschichteten Schweißstab mit Metallkerndraht und Flussmittelbeschichtung besteht.
Schweißelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlagenelement ein durch Fixieren eines keramischen Pulvers gebildetes Substrat hat und der Wasser abweisende Film durch eine Oberflächenbehandlung des Substrats mit einem eine hydrophobe Gruppe enthaltenden Material gebildet wird.
Schweißelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlagenelement ein flexibles Substrat hat und der Wasser abweisende Film aus einem hydrophoben Material gebildet wird.
Schweißelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlagenelement ein Substrat aus einer flexiblen Hülle hat und der Wasser abweisende Film durch eine Oberflächenbehandlung der Hülle mit einem eine hydrophobe Gruppe enthaltenden Material gebildet wird.
Schweißelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle mit einem pulverförmigen Flussmittel gefüllt ist und das pulverförmige Flussmittel einer Oberflächenbehandlung mit einem eine hydrophobe Gruppe enthaltenden Material unterzogen wird.
Schweißelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser abweisende Film auf dem beschichteten Schweißstab durch die Oberflächenbehandlung der Beschichtung des Flussmittels mit einem hydrophoben Material gebildet wird.
Schweißelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser abweisende Film auf dem beschichteten Schweißstab auf der Beschichtung des Flussmittels aufgebracht wird und aus einem hydrophoben Pulver besteht, das zumindest an seiner Oberfläche von hydrophober Beschaffenheit ist, und mit winzigen konkaven und konvexen Formen versehen ist.
Schweißverfahren mit den Schritten: a) Bilden eines Wasser abweisenden Films auf der Oberfläche eines Schweißelements eines Substrats; und b) Durchführen einer Schweißoperation; gekennzeichnet durch den Schritt der Bildung des Wasser abweisenden Films, aufweisend den Schritt: Beschichten der Oberfläche des Schweißelements mittels herkömmlicher Verfahren wie Streichen, Sprühen, Tauchen mit einem schlammartigen hydrophoben Material bestehend aus entweder einem oder beiden eines pulverförmigen hydrophoben Oxids und eines pulverförmigen hydrophoben Polytetrafluorethylen, eines Harzes und eines Lösungsmittels.