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Verfahren zum Schweißen dicker Stahlquerschnitte Das Ellira-Verfahren
(s. Patent 744 r55), in den USA. als Union-melt-process oder Submergedarc-welding
bekannt, bietet den Vorteil, große Schweißdrahtmengen in der Zeiteinheit niederschmelzen
zu können. Man kann also in wesentlich kürzerer Zeit als bei der Handschmelzung
Werkstoffquerschnitte in einer oder, wie bei Kesselschweißun gen vorgeschrieben,
in zwei Lagen sch«@eißen. Bei Beachtung der für das Ellira-Verfahren notwendigen
Maßnahmen lassen sich auf diese Weise auch Bleche mit einer Dicke bis etwa 55 mm
einwandfrei verbinden. Üblicherweise wird als Schweißfugenform eine unsymmetrische
X-Naht gewählt, wobei die kleinere Fuge in die Innenseite des Kesselschusses gelegt
und mit einem dem Kesseldurchmesser entsprechenden, meist kleinen Innenkopf zuerst
verschweißt wird. Sodann wird von der Gegenseite mit einem großen Schweißkopf und
mit entsprechend hoher Stromstärke die Hauptlage gelegt, die so tief eindringen
muß, daß eine Überkragung der beiden Lagen eintritt und damit eine vollständige
Durchschweißung gewährleistet ist. Die Anwendung von symmetrischen X-Nähten ist
begrenzt, da heute noch keine Schweißköpfe für die Innenschweißung von Hohlkörpern
normaler Durchmesser zur Verfügung stehen, die es gestatten würden, daß man ein
6o mm dickes Blech mit Sicherheit bis zur Hälfte durchschweißen könnte.
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Bei der Ellira-Schweißung größerer Blechdicken treten Schwierigkeiten
auf. Man kann wohl große Schweißfugen schließen, die Erstarrungsbedingungen
des
.sehr groß werdenden Schmelzbades werden aber insofern ungünstig, als bei der für
das Verfahren typischen stengelförmigen Kristallausbildung der durch die Mitte der
Schweiße verlaufende Kristallisationsstamm so ausgeprägt wird, _daß er die mechanischen
Eigenschaften der Schweiße auch , nach einwandfreier Normalisierungsglühung ungünstig
beeinflußt. Im Verlauf der während und nach der Erstarrung vor sich gehenden Schrumpfung
können auch leicht Risse in der großen Schweiße auftreten. Schließlich wird die
Oberfläche solch großer Schweißen sehr grätig und unregelmäßig, so daß beträchtliche
Nacharbeiten notwendig werden. Außerdem tritt eine starke örtliche Überhitzung ein,
die -den Erstarrungsvorgang ungünstig beeinflußt, und die aus dem Pulver entstehende
flüssige Schlacke ist bei sehr hohen Stromstärken richt 'mehr in der Lage, ein ruhiges
Entgasen der Schweiße zu gewährleisten, so daß durch däs stoßweise Kochen des Bades
sehr unregelmäßige schuppige Erstarrungsformen der Oberfläche auftreten. Dies ist
besonders bei Pulvern weniger saueren Charakters der Fall. Diese Pulversorten haben
aber gerade den Vorzug, einen geringeren bzw. keinen Mangan-.abbrand zu verursachen,
somit also die Verwendung manganärmerer Zusatzdrähte zu ermöglichen und die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens zu erhöhen.
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Versuche, diese Schwierigkeiten zu beheben, hatten bisher keinen Erfolg.
Man hat z. B. versucht, solche großen Schweißen in mehreren Lagen herzustellen.
Schweißt man aber eine Lage, die die Fuge nicht bis oben ausfüllt, und überdeckt
man. sie mit zwei oder drei Decklagen, so stellt man fest, daß leicht Risse entlang
den Transkristallisationsästen der Hauptlage auftreten, die gefährlich sind, da
sie durch Röntgendurchstrahlung nicht gefunden werden können. Ebenso ist der Weg,
dicke Bleche in vielen Einzellagen nach dem Ellira-Verfahren zu schweißen, z. B.
ein 8o-mm-Blech in 15 Lagen, nicht befriedigend. Zunächst ist es schwierig, die
ersten Lagen rissefrei einzubringen. Vor allem aber wird mit der Viellagenschweißung
einer der Hauptvorteile der Ellira-Schweißung, nämlich die Möglichkeit, schnell
schweißen zu können, ganz wesentlich vermindert.
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Erfindungsgemäß werden nun dicke Nähte, und zwar auch-solclie an Vierschnitten
von 55 mm und darüber, mit Hilfe des Ellira-Verfahrens metallurgisch völlig einwandfrei
geschweißt. Das geschieht dadurch, daß man mit mindestens zwei einander folgenden
Schweißköpfen derart in einem Zuge schweißt, däß das von der vorauslaufenden Elektrode
in der Tiefe der Schweißfuge erzeugte Stahlbad mindestens zum größeren Teil bereits
erstarrt ist, bevor die folgende Elektrode in der noch flüssigen Schlacke und gegebenenfalls
der noch flüssigen Restschmelze der vorauslaufenden Elektrode abgebrannt wird. In
dieser Weise wird die Schweißfuge in einem Zuge gefüllt. Voraussetzung für die günstige
metallurgische Wirkung ist demnach, es unbedingt zu vermeiden, daß bei der Anwendung
mehrerer Elektroden ein einheitliches großes Schmelzbad erzeugt wird, wie es der
"Fall ist, wenn mehrere Elektroden nebeneinander oder in ungenügendem Abstand hintereinander
abgebrannt werden.
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Durch die Arbeitsweise gemäß der Erfindung ;.wird der Erstarrungsvorgang
des ganzen Schweißgutes so beeinflußt, daß kein durch die Mitte der Schweiße verlaufender
ausgeprägter Kristallisationsstamm entstehen kann. Damit werden günstigere mechanische
Eigenschaften des Schweißgutes erzielt und die Voraussetzungen für das Auf--treten
von Rissen infolge von Schrumpfvorgängen im wesentlichen unterdrückt. Außerdem erhält
man eine viel glattere Oberfläche der Schweißraupe. Die Mehrkopfschweißung bietet
den Vorteil, die zur Schweißung dicker Bleche notwendige, sehr große Energiemenge
so auf zwei oder mehrere Elektroden zu verteilen, daß starke örtliche Überhitzungen
vermieden werden und die Entgasung ruhig verläuft, wodurch eine glatte Oberfläche,
wie sie bei der Ellira-Schweißung dünner Bleche die Regel ist, entsteht. Man kann
daher zu dem Dickblechschweißen gemäß der Erfindung auch Pulversorten weniger sauren
Charakters verwenden. Der metallurgische Vorteil des Verfahrens besteht also darin,
daß kein sehr großes Schweißbad mit seinem gesamten Volumen gleichmäßig zur Erstarrung
kommt. Vielmehr wird dieser Vorgang durch die zweite bzw. die weiteren Elektroden
so unterteilt, daß das Schweißgut der vorherlaufenden Elektrode vor der völligen
Erstarrung vom Schweißgut der nachlaufenden Elektrode ergänzt wird, nachdem mindestens
der größere Teil des vorher gebildeten Metallbades erstarrt ist. Der Erstarrungsvorgang
wird so kontinuierlich fortgesetzt, bis die Fuge gefüllt ist. Dabei wird eine Überhitzung
soweit vermieden, daß die Kristallausbildung wesentlich günstiger wird. Für die
Anwendung des Verfahrens ist es von Bedeutung, Stromstärke und Spannungen bei den
einzelnen Elektroden zweckentsprechend abzustimmen und die Entfernung zwischen den
Elektroden in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit richtig einzustellen.
Als Schweißfugenform kann eine der bisher üblichen gewählt werden.
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Man kann auch symmetrische X-Fugen wählen, insbesondere in Fällen,
in denen man von beiden Seiten erfindungsgemäß schweißt.
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Bei Anwendung der Zwei- oder Mehrkopfschweißung wird zweckmäßig jeder
der Köpfe mit einer von den der anderen unabhängigen Strom- und Spannungsreguliermöglichkeitversehen.
DadasVerfähren grundsätzlich mit Gleichstrom oder Wechselstrom betrieben werden
kann, können die normalen Stromquellen, d. h. Umformer oder Transformatoren, verwendet
werden. Zweckmäßig benutzt man bei Wechselstrom, vorzugsweise bei allen Elektroden,
die üblichen Zwei- oder Mehrphasenschaltungen. Bei Gleichstromschweißung kann die
Schaltung so gewählt -werden, daß die verschiedenen Elektroden gleiche oder verschiedene
Polarität haben.
Die Ellira-Schweißung mit zwei und mehr Köpfen
in änderer Weise und für andere Zwecke ist bereits durchgeführt worden. Sie wurde
z. B. für die Auftragsschweißung angewandt, wobei sie aber den Zweck hatte, große
Schweißgutmengen niederzuschmelzen und dabei einen möglichst geringen Einbrand zu
erzielen. Mitunter wurde der zweite Draht stromlos in den Lichtbogen der ersten
Elektrode eingeführt. Ein metallurgischer Vorteil bzw. Fortschritt wurde damit nicht
erzielt und war auch nicht beabsichtigt, da für die Auftragsschweißung andere Voraussetzungen
bestehen als für die Dickblechschweißung.
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Weiter wurden relativ dünne Querschnitte, bis etwa 15 mm, mit zwei
hintereinanderlaufenden Schweißköpfen geschweißt mit dem Ziel, besonders hohe Schweißgeschwindigkeiten
zu erreichen. Dabei hat es sich als notwendig erwiesen, zumindest eine Elektrode
mit Gleichstrom abzuschmelzen, da bei sehr hohen Geschwindigkeiten der WechselstronTlichtbogen
zu leicht abreißt. Eine metallurgische Verbesserung ist auch mit diesem Verfahren
nicht verbunden, da die Kristallausbildung des Schweißgutes bei diesen kleinen Querschnitten
ohnehin zu keinerlei Besorgnis Anlaß gibt. Derart hohe Geschwindigkeiten sind aber
bei dem Verfahren gemäß der Erfindung nicht anzuwenden.
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Als Beispiel für die Anwendung vorliegender Erfindung sei die Schweißung
eines 8o mm dicken Kesselschusses beschrieben: Als Fugenform wurde eine unsymmetrische
X-\ aht gewählt, bei der die kleinere, innere Fugenbreite etwa 25 mm, der Steg io
mm und die Breite der großen Außennaht etwa 4o min betrugen. Zunächst wurde mit
einemInnenkopf und beispielsweise 7 mm dickem Draht die kleinere Fuge mit etwa 17oo
Ampere, 37 Volt und einer Geschwindigkeit von etwa 20 cm/min so zugeschweißt, daß
der io-mm-Steg bis etwa zur Hälfte aufschmolz. Da der Steg etwa 20 mm von der Innenseite
aus beginnt, waren also etwa 25 mm Tiefe aufzuschweißen. Um eine sichere Durchschweißung
des gesamten Blechquerschnittes zu erreichen, waren von der Gegenseite also etwa
6o mm zuzuschweißen. Zur Schweißung dieser großen Außenlage verwendete man nun zwei
Schweißköpfe, deren erster eine 8 mm dicke und deren zweiter eine 7 mm dicke 1?lektrode
führten. Die Entfernung beider Elektroden voneinander betrug bei einer Schweißgeschwrindigkeit
von etwa 15 cm/min etwa 17 cm. Zunächst wurde nun der Lichtbogen der 8-mm-Elektrode
mit etwa 2doo Ampere und etwa .48 Volt auf die übliche Weise gezündet. Sobald die
zweite 7-mm-Elektrode das Bad der ersten Elektrode erreicht hatte und in dieses
eintauchen konnte, wurde die zweite Elektrode mit etwa 1250 Ampere und 45 Volt belastet,
worauf die Lichtbogenzündung von selbst eintrat und den Draht abschmolz. Die Schweißnaht
wies eine günstige Kristallausbildung auf und hatte keine Risse.
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Man kann natürlich auch mit zwei gleich dicken oder einer io-nun-
und einer zweiten 8-mm-Elektrode usw. schweißen. Es ist dabei nur darauf zu achten,
daß die Stromdaten (Stromstärke und Spannung) so gewählt werden, daß die erste Elektrode
entsprechend tief, auf mindestens 20 mm Entfernung von der Innenseite, einschmilzt
und die zweite Elektrode den restlichen Fugenquerschnitt so ausfüllt, daß das z.
B. etwa dreiviertel erstarrte Bad der ersten Elektrode zum Teil wiederaufgeschmolzen
wird, daß sich der starke Kristallisationsstamm nicht bilden kann, womit auch die
Gefahr der Rißbildung in der großen Schweiße vermieden wird. Man kann nun noch weitere
Köpfe, z. B. einen dritten Schweißkopf, einschalten und so den Erstarrungsvorgang
noch weiter unterteilen. Die Wahl der Strombedingungen wird dabei einem mit dem
Ellira-Verfahren vertrauten Fachmann, gegebenenfalls nach einem kleinen Vorversuch,
ohne weiteres möglich sein. Die Entfernung der einzelnen Elektroden voneinander
ist dabei insofern abhängig von der Schweißgeschwindigkeit, als je größer die Schweißgeschwindigkeit
ist, um so schneller die Erstarrung des Bades erfolgt und dementsprechend die Entfernung
der Elektroden voneinander sein soll. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Schweißgeschwindigkeit
gegenüber der Einkopfschweißung nur dann zu erhöhen, wenn die gewählten Bedingungen
dies mit Rücksicht auf die metallurgischen Verhältnisse gestatten. Für die Durchführung
der Zwei- und Mehrkbpfschweißung ist es meistens erwünscht, die Entfernung der einzelnen
Elektroden voneinander im Bereich von 5o bis 250 mm regeln zu können. Die
apparative Durchbildung von Doppel- bzw. Mehrfachschweißköpfen und die anzuwendenden
elektrischen Schaltungen sind nicht Gegenstand der Erfindung und ergeben sich für
den Fachmann von selbst.
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Wie eingangs erwähnt, können die Schwierigkeiten, die durch vorliegende
Erfindung behoben werden, vor allem bei der Ellira-Schweißung von Blechen von mehr
als etwa 55 mm Dicke auftreten. Es ist aber klar, daß man das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei der Schweißung weniger dicker Bleche erfolgreich anwenden kann. Die Kristallisationsbedingungen
werden nämlich auch bei der Schweißung eines z. B. 30 mm dicken Bleches günstiger.