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Schlackenleitkörper zum elektrischen Lichtbogen-Schweißen mit ein-
oder aufgelegter, ummantelter Elektrode Die Erfindung bezieht sich auf das elektrische
Lichtbogen-Schweißen mit in die Schweißnaht eingelegter bzw. auf diese aufgelegter
ummantelter, selbsttätig abschmelzender Elektrode. Bei den hierbei benutzten bekannten
Vorrichtungen wird die ummantelte Elektrode entweder durch einen sie voll umschließenden
Abdeckkörper eingehüllt, so daß das Abbrennen der Elektrode innerhalb eines geschlossenen
Kanals erfolgt (Elin-Hafergut), oder es wird ein Haltekörper benutzt, dessen Aufgabe
nur darin besteht, die Elektrode an das Werkstück anzudrücken, und der mittels einer
auf seiner Stirnfläche angebrachten Rille auf der Elektrode zentriert ist. Die Erfindung
bezieht sich auf Vorrichtungen der letztgenannten Art.
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Bei solchen Einlegeschweißverfahren ist oft der Einfluß der Schwerkraft
auf die flüssige Schlacke störend, und zwar vor allem beim Schweißen in Zwangslage.
Insbesondere bei stark umhüllten Schweißelektroden mit entsprechend starkem Schlackenanfall
kann dadurch die Erzielung einwandfreier Nähte erschwert, wenn nicht gar unmöglich
gemacht werden. Wird z. B. b°i Rundnähten von oben nach unten geschweißt, dann hat
die flüssige Schlacke das Bestreben, gegen das abbrennende Elektrodenende vorzulaufen.
Dadurch
wird der Lichtbogenfußpunkt in unregelmäßiger Weise nach
allen Richtungen abgelenkt und gelegentlich so stark gegen das Elektro.denende gedrückt,
daß der Lichtbogen infolge Kurzschluß durch das Schmelzbad erlischt. Wenn auch durch
den nach oben blasenden Lichtbogen das Schlackenbad in gewisser Hinsicht am Vorlaufen
gehindert wird, so genügt dieser Einfluß in vielen Fällen doch nicht, und das Ergebnis
ist eine über die Gesamtlänge der Rundnaht ungleichmäßige Schweißraupe.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis dieser Zusammenhänge und hat
eine Vorrichtung zum Gegenstand, mit deren Hilfe es möglich ist, den Schlackenfluß
zu beherrschen, und zwar mit Hilfe mechanischer Mittel. Der Schlackenleitkörper
gemäß der Erfindung, der dieses ermöglicht, ist durch, eine solche stoffliche Zusammensetzung
und/oder Ausbildung der dem Werkstück und der Elektrode zugewandten Fläche des Druckkörpers
gekennzeichnet, daß die mit dieser in Berührung kommende Grenzschicht der flüssigen
Schlacke festgehalten wird, so daß das Schlackenbad sich auf dieser Fläche symmetrisch
zur Nahtachse vorwiegend seitlich ausbreitet und so bei. geneigter Naht am Vorlaufen
gehindert wird.
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Für die Verwirklichung dieses Grundgedankens der Erfindung kommen
in erster Linie zwei Lösungen in Frage. Die eine Lösung besteht darin, dem Schlackenleitkörper
an seiner der Elektrode zugekehrten Fläche eine große Adhäsion in bezug auf die
Schlacke zu geben, d. h. also vorzugsweise den Schlackenleitkörper aus einem Werkstoff
herzustellen, der in bezug auf die Schlackengrenzschicht eine große Adhäsion besitzt,
.die gleichzeitig infolge der benetzenden Wirkung kontinuierlich für die seitliche
Ausbreitung sorgt. Die zweite Möglichkeit besteht in einer solchen Formgebung der
Stirnfläche, daß die Verhinderung des Vorlaufgins und die seitliche Ableitung der
flüssigen Schlacke durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen auch bei nicht benetzender
oder gar das Schlackenbad abstoßender Oberfläche erzwungen werden. Diese beiden
Möglichkeiten können je für sich allein oder auch in Verbindung miteinander benutzt
werden.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens sind in der Zeichnung
mehrere Ausführungsbeispiele für solche Schlackenleitkörper dargestellt, und zwar
in rein schematischer Form, unter Fortlassung aller sonstigen Elemente der Schweißvorrichtung.
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Fig. i und 2 zeigen im Querschnitt und in raumbildlicher Darstellung
das erste Ausführungsbeispiel, Fig. 3 und q. in ,entsprechenden Darstellungen ein
zweites; Fig. 5 bis 8 stellen in Schnitten, Aufsicht und raumbildlicher Darstellung
ein drittes, Fig. 9 bis ii ein viertes, Fig. 12 und 13 ein fünftes, Fig. 14 ein
sechstes und Fig. 15 und. 16 einsiebentes Ausführungsbeispiel dar-Das Ausführungsbeispiel
nach Fig. i und 2 ist eine sehr einfache Form eines als Schlackenleitkörper dienenden
Andruckkörpers, wie sie in vielen Fällen genügt, wenn durch Wahl eines geeigneten
Werkstoffes auf das Schlackenbad eine genügend starke Adhäsionskraft ausgeübt wird,
wie es beispielsweise bei manchen Keramikarten der Fall ist. Zwecks Zentrierung
auf der Elektrode ist, auf der Stirnfläche des Körpers eine Rille i vorhanden, welche
die einfache Querschnittsform eines stumpfen Winkels aufweist. Die Breite :2 der
Rille liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung von o,6 bis o,8 D, wobei D der
Außendurchmesser der Elektrodenumhüllung ist. Die günstigste Tiefe 3 liegt hierbei
in der Größenordnung von etwa o, i 5 bis o;2o D. Die für .die Herbeiführung der
seitliehen Ausbreitung des Schlackenbades günstigste Neigung der seitlichen Flächen
beträgt etwa a = io°. Die gesamte Breite q. des Leitkörpers kann in der Größenordnung
von 3 bis q. D liegen. Wie dieses Ausführungsbeispiel zeigen soll, genügt es bei
Vorhandensein einer ausreichend starken Adhäsionskraft, die von den Kanten der Rille
i sich nach beiden Seiten erstreckenden Leitflächen 5 einfach eben auszuführen.
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Die Länge oder Teilung t der Leitkörper soll, wenn de Leitflächen
5 und die Rille i in Nahtrichtung gerade ausgeführt werden, nicht mehr ass ioo/o
des Außendurchmessers der Rundnaht betragen. Wenn man dagegen die Rille und die
Seitenflächen, d. h. also die gesamte Schlackenleitfläche, derart gekrümmt ausführt,
daß der Halbmesser demjenigen der betreffenden Rundnaht entspricht, so kann man
die Teilung t natürlich beliebig groß wählen.
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Wird für die Herstellung des Leitkörpers ein Werkstoff benutzt, der
vom Schlackenbad weniger gut benetzt wird, also eine geringere Haftwirkung auf -die
flüssige Schlacke ausübt, wie z. B. Hartkohle oder Graphit, oder handelt es sich
um Schlackenbäder geringerer Viskosität, so erweisen sich andere Formen als günstiger,
beispielsweise diejenige nach Fig. 3 und q., die auch für Schlackenbäder mittlerer
Viskosität genügt. Bei dieser Ausführungsform ist die Elektrodenführungsrille 6
wesentlich tiefer .und besitzt einen rechteckigen Querschnitt. Die Breite 7 dieser
Rille beträgt zweckmäßig wieder etwa o,6 bis o,8 D, während die Tiefe am günstigsten
zu 0,4 bis o,6 D bemessen wird. Die flüssige Schlacke füllt dann bei jeder Nahtneigung
den Rillenquerschnitt vollständig aus, wodurch das Schlackenbad im ganzen noch gehalten
und am Vorlauf gehindert wird. Ebensö wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird
auch hier die gleichmäßige Verteilung der flüssigen Schlacke in seitlicher Richtung
durch die oberen Rillenkanten bewirkt, welche die entsprechende Aufteilung und seitliche
Ablenkung des Schlackenflusses hervorrufen.
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Während dieses Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und q. nicht nur bei
Herstellung aus keramischen Stoffen, sondern auch bei Herstellung aus Stoffen geringerer
Haftwirkung, wie also beispielsweise
Kohle, noch zu sehr guten Ergebnissen
führt, wenn die Viskosität des Schlackenbades nicht zu klein ist, ist das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5 bis 8 für auch ungünstiger gelagerte Fälle geeignet, d. h. für solche
Fälle, bei denen für- die Herstellung des Leitkörpers eine Kohlezusammensetzung
mit noch,geringerer Haftfähigkeit benutzt werden muß bzw. bei Verwendung von ummantelten
Elektroden mit sehr kleiner Viskosität des Schlackenbades. Fig. 5 zeigt hierbei
wieder einen Schnitt quer zur Nahtrichtung, Fig.6 die Aufsicht, Fig.7 den Schnitt
in Richtung der Nahtachse und Fig. 8 eine raumbildliche Ansicht. Die aus den Figuren
ersichtlichen Profile entstehen dadurch, daß, die Leitflächen des Körpers nach Fig.
3 und ¢ etwa senkrecht zur Nahtachse sägezahnförmige Einfräsungen 9 von etwa o,2
D Tiefe erhalten. Der Abstand i i der so gebildeten mehr oder weniger scharfkantigen
Zacken beträgt etwa o,6 bis i,2 D, und zwar je nach der Viskosität bzw. Haftfähigkeit
des Schlackenbades. Durch diese sägezahnförmigen Einfräsungen 9 wird auf das Schlackenbad
eine zusätzlich haltende Kraft ausgeübt, und es wird periodisch fortlaufend in seitlicher
Richtung ausgebreitet.
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Liegen die Verhältnisse noch ungünstiger, so daß also an den Leitkörper
noch höhere Anforderungen gestellt werden müssen, so kommt die Ausführungsform nach
Fig. 9 bis i i in Frage. Von diesen Darstellungen zeigt Fig. 9 wieder einen Schnitt
quer zur Nahtrichtung, Fig. io die Aufsicht und Fig. i i den Schnitt längs der Linie
A-A in Fig. io. Bei diesem Leitkörper sind in die Schlackenleitfläche Leitrillen
12 eingefräst, und zwar verlaufen diese schräg in Richtung zur Nahtachse, mit der
sie einen Winkel in der Größenordnung von ß = 6o° einschließen. Die Leitkörper sind
beim Schweißen so anzuordnen, daß die Spitzen der Pfeilwinkel nach oben gerichtet
sind, so daß also das Schlackenbad beim Herabfließen von den senkrechten Rändern
13 der Rillen erfaßt und gleichmäßig nach rechts und links abgeleitet wird. Die
Tiefe 14 dieser Leitrillen 12 beträgt in der Regel etwa o,2 D. Die Rillentiefe kann
aber für Auftragsschweißungen bis auf etwa o,6 D erhöht werden. Der aus Fig. i i
besonders deutlich ersichtliche senkrechte Abstand 15 der Rillenränder, gemessen
also in Richtung der Linie A-A in Fig. io, beträgt etwa o,8 bis 2 D. Der Winkel
der Abschrägung kann etwa y = 6o° betragen. Zweckmäßig ist es, bei diesem Ausführungsbeispiel
mit pfeilförmigen Leitrillen 12 die Zentrierungsrille gemäß Fig. i und 2 auszubilden,
wie es aus Fig. 9 und io ersichtlich ist, jedoch können auch andere Ouerschnittsformen
für die Zentri@erungsrille in Frage kommen, z. B. kreisförmig dem Umhüllungsdurchmesser
der Elektrode angepaßt bei Auftragsschweißung mit besonders tiefen Rillen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 und 13 ist für das Schweißen
von etwa waagerechten Nähten an etwa senkrechten Wänden bestimmt, insbesondere von
Rundnähten in waagerechter Nahtebene, d. h. also bei senkrechter Rohrachse. Es kommt
vor allem auch in Verbindung mit der Verwendung magnetischer Hilfsfelder in Frage.
Wie die Darstellungen zeigen, sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Leitflächen
in bezug auf die Elektrodenachse bzw. Nahtebene um den Betrag 16 nach unten versetzt.
Auch in diesem Fall wirkt es sich, vor allem bei Körpern mit geringer Adhäsionskraft,
auf die Gleichmäßigkeit der Schweißraupe günstig aus, wenn die Schlacke durch weitere
konstruktive Maßnahmen zusätzlich gehalten wird. Dieses geschieht dadurch, daß nach
Fig. 13 die Leitfläche zumindest unterhalb, gegebenenfalls auch oberhalb der Schweißnaht
mit etwa waagerecht verlaufenden Einfräsungen 17 versehen wird, für die sich eine
sägezahnartige Querschnittsform als besonders günstig erwiesen hat.
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Bei schräger Nahtebene ist es zweckmäßig, diese Einschnitte nicht
parallel zur Nahtebene, sondern schräg zu dieser unter einem Winkel ö auszuführen,
um die dann auch in Nahtrichtung fließende Schlacke zusätzlich zu halten. Dieser
Winkel richtet sich nach der Neigung der Rohrachse bzw. Nahtebene, und zwar derart,
daß die Einschnitte am senkrechten Wandteil einen Winkel von o bis io° zur Waagerechten
aufweisen. Wird der Winkel, den die Nahtebene mit der Waagerechten einschließt,
mit a bezeichnet, dann ist also 8 = a -I- o bis io°, wie Fig. 14 zeigt, in der der
Pfeil die Schweißrichtung andeutet. Auch der Abstand zwischen Leitflächenmitte'
und Nahtebene ändert sich mit der Neigung der Nahtebene, und zwar nach der Beziehung
a = ao cos a, wobei a den betreffenden Abstand 16 und ao den maximalen
Wert bei waagerechter Nahtebene bedeutet. Für die Ausbildung des Profils bei diesen
Ausführungsformen nach Fig. 12 und 13 sowie 14 gelten sinngemäß die gleichen Überlegungen
wie zu den beiden Ausführungsbeispielen nach Fig. 5 bis 8 und Fig. 9 bis i i.
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Die bisher erläuterten Ausführungsbeispiele eignen sich für alle Nahtneigungen
von o bis i8o°, und zwar sowohl für Wurzelschweißungen als auch für Decklagenschweißungen,
sofern es sich um Nahtschweißungen an Werkstücken mit Wanddicken bis zu 7 mm bei
Verwendung von Elektroden mit 3,25 mm Kerndrahtdurchmesser handelt. Bei Werkstücken
mit über 7 mm Wanddicke sind für die Wurzellage wie auch für die ersten Decklagen,
bei denen die Oberseite der eingelegten Elektrode noch unterhalb der Werkstücksoberfläche
liegt, Abänderungen erforderlich, und zwar ist für diese Zwecke das Ausführungsbeispiel
nach Fig. z5 und 16 bestimmt. Dieser Andrück- und Leitkörper ist mit einem
verhältnismäßig schmalen Steg 18 ausgestattet, der ein Einführen der wirksamen Stirnfläche
in die Nahtfuge ermöglicht. Die Stege 18 werden im Querschnitt zweckmäßig schwach
keilförmig ausgebildet, und zwar mögen sie an der Basis etwa o,8 bis 1,2 D, an der
Rille etwa 0,5 bis o,6 D breit sein. Die Höhe hängt von der Wanddicke ab
sowie davon, um welche Decklage es sich jeweils handelt. Um das Vorlaufen des Schlackenbades
mit Sicherheit zu verhindern, können die
Stegwände i9 bei sehr dünnflüssiger
Schlacke noch mit Einfräsungen etwa senkrecht zur Nahtrichtung versehen werden,
oder sie können einfach. aufgerauht werden. Im allgemeinen kommt man jedoch mit
glatten bzw. unbearbeiteten Stegwänden aus, da das Schlackenbad auch noch von den
Rändern der Nahtfuge gehalten wird.
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Da die Darstellungen nur das Grundsätzliche der Erfindung an Hand
verschiedener Beispiele. veranschaulichen sollen, sind alle übrigen Einzelheiten
der Schweißvorrichtung, die damit nicht zusammenhängen, fortgelassen, wie beispielsweise
die Halterung der Abdeck- und Leitkörper sowie etwaige Stützorgane, die das Abkippen
der Leitkörper auf die Naht bei teilweise abgeschmolzener Elektrode verhindern.
In der Regel sind solche Stützorgane allerdings nicht erforderlich, weil die Schlacke
eine ausreichende Abstützung ergibt. Es dringt nämlich beim Abschmelzen der Elektrode
die flüssige Schlacke in den Spalt zwischen Leitkörper und Werkstück ein, erstarrt
dort unter beträchtlicher Volumenvergrößerung zu einer porösen, genügend festen
Schicht, füllt diesen Zwischenraum vollständig aus und stützt somit den Leitkörper
fest und unverrückbar in dem ursprünglichen Abstand vom Werkstück ab; wie es zuvor
die Elektrode getan hatte.
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Ebenfalls auf Grund der Überlegung, daß die Zeichnung nur das Grundsätzliche
deutlich machen soll, ist eine einfache schematische Darstellung gewählt.
So sind beispielsweise die an die Leitflächen anschließenden Endflächen der
Körper einfach keilförmig dargestellt, wie sie etwa in Frage kommen, wenn es sich
um Schweißvorrichtungen mit Vorrichtungen zur Erzeugung magnetischer Hilfsfelder
handelt. SelbstverStLldllch können die- Seitenflächen, die ja auf die erfindungsgemäße
Wirkung der Leitflächen ohne Einfluß sind, auch beliebig anders ausgeführt werden,
etwa so, daß sie ein rechteckiges oder ein irgendwie anders geartetes Profil aufweisen.
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Der Schlackenleitkörper gemäß der Erfindung bewirkt jedenfalls bei
sämtlichen Einlegeverfahren, bei denen flüssige Schlacke vorkommt, eine wesentliche
Verbesserung der Schweißraupe, und zwar wirkt sich diese Verbesserung vor allem
bei geneigten Nähten aus. Diese Schläckenleitkörper sind also auch in den Fällen
von Nutzen, in denen ohne zusätzliche magnetische Hilfsfelder gearbeitet wird. Sie'
lassen sich aber in sehr vorteilhafter Weise auch bei Vorrichtungen verwenden, die
den Lichtbogen und damit in gewissem Maße auch den Schlackenfluß durch magnetische
Hilfsfelder beeinflussen. So ist die Erfindung insbesondere zur Verwendung in Verbindung
mit allen Merkmalen der Patente 896097, 92:2902 (K i5232 VIIId/2ih) geeignet.
Die Vorteile des Schlackenleitkörpers gemäß der Erfindung treten besonders bei Schweißungen
mit stetigem Wechsel der Nahtneigung in Erscheinung, wie z. B. bei Rundnahtschweißungen
in jeder Lage zwischen o und i8o°, sowohl von oben nach unten als auch sinngemäß
in umgekehrter Richtung. Was die Wahl geeigneter Werkstoffe für dii - Herstellung
des Leitkörpers anbelangt, läßt sicl diese nach den angegebenen: Richtlinien Teich
empirisch treffen. Als besonders geeignet hat siel eine keramische Masse mit Graphitzusatz
erwiesen Bei einer solchen Masse verhindert der Kohlenstoffgehalt die bei reiner
Keramik oft störend in Erscheinung tretende Reaktion mit der flüssigen Schlacke.
Infolgedessen läßt sich die Schlacke nach Erkalten von einem solchen Leitkörper
aus kohlenstoffhaltiger Keramik leicht ablösen, ohne daß dabei die an sich empfindlichen
keramischen Oberflächen angegriffen oder beim Ablösen verletzt werden.
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Die Verwendung von Schlackenleitkörpern gemäß der Erfindung bringt
jedenfalls eine Reihe von Vorteilen mit sich: Der Schlackenvorlauf wird bei jeder
Nahtneigung von o bis i8o° verhindert, und zwar dadurch, daß sich die flüssige Schlacke
gleichmäßig auf beide Seiten, d. h. symmetrisch zur Nahtachse, verteilt. Dadurch
braucht nämlich nur eine verhältnismäßig dünne Schicht bei entsprechend vergrößerter
Adhäsionsfläche gehalten zu werden. Diese seitliche Ausbreitung des Schlackenflusses
macht sich darüber hinaus durch Verbreiterung der Schweißraupe bei Deck- und Auftragslagen,
insbesondere beim Schweißen in Überkopflage; sehr vorteilhaft bemerkbar.
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Für die Wahl des Werkstoffes ist außer dem Erfordernis, daß eine stoffliche
Bindung der Oberfläche mit der Schlacke nicht eintreten soll, auch eine ausreichende
Wärme- und Temperaturwechselbeständigkeit .des Leitkörpers zu beachten. Anzustreben
sind weiterhin bei Verwendung magnetischer Hilfsfelder eine geringe Stromleitfähigkeit,
um die durch diese Hilfsfelder verursachten Wirbelstromverluste möglichst niedrig
zu halten. Angestrebt werden soll auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, damit die
Ausbreitung des Schlackenbades nicht durch vorzeitiges Erstarren behindert wird.
Außerdem wird durch den Wärmestau die Lichtbogenhitze besser zusammengehalten und
mehr auf das Schmelzbad konzentriert, was nicht nur die metallurgischen Eigenschaften
der Schweißung verbessert, sondern auch die an sich schädliche Erwärmung der Schweißvorrichtung
wesentlich verringert, -so daß auf eine künstliche Kühlung verzichtet werden kann.
Selbstverständlich ist auch das Erfordernis einer ausreichenden Verschleißfestigkeit
zu beachten, damit eine genügend lange Lebensdauer erzielt werden kann. Nach diesen
Richtlinien ist es möglich, unter den verschiedenen in Frage kommenden Materialien
für den. jeweils vorliegenden Fall die richtige Wahl zu treffen. Die erwähnte Keramik
mit Graphitzusatz genügt in der Regel allen diesen Anforderungen.
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Darüber hinaus wird aus Wirtschaftlichkeitsgründen angestrebt werden,
für eine bestimmte Elektrodentype möglichst mit einem einzigen Profil auszukommen,
und zwar sowohl für die Wurzelals auch für die Decklagen bei waagerechter Rohrachse.
Das Profil soll einfach herstellbar sein, und die.Leitkörper sollen auch leicht
auszuwechseln
sein. Auch diese Erfordernisse sind bei den in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in vollem Umfange verwirklicht.
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Unter den verschiedenen möglichen Profilen ist das für den Einzelfall
jeweils am besten geeignete nach folgenden Gesichtspunkten auzuwählen: Es sind für
die Profilwahl die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Viskosität bzw. Zähflüssigkeit
des Schlackenbades entsprechend der Art der Elektrodenumhüllungsmasse mitbestimmend.
Ferner sind, wie schon an Hand der Ausführungsbeispiele dargelegt, für die Wahl
des Profils die Eigenschaften der Leitflächen (insbesondere Haftfähigkeit) bzw.
des Materials maßgebend, aus dem der Körper hergestellt ist. Bei Rundschweißungen
an Rohren spielt dann auch die Neigung der Rohrachse - nicht jedoch die Neigung
der Naht in den verschiedenen Punkten ihres Verlaufs - eine Rolle.