DE102009022846B3

DE102009022846B3 - Verfahren und Vorrichtungen zur optimalen Schutzgasbeaufschlagung sowie zur Überwachung der Schutzgaszusammensetzungen und der Abkühltemperaturen der Werkstoffe beim Schweißen von Zirkonium

Info

Publication number: DE102009022846B3
Application number: DE102009022846A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl.-Ing. EWE Hofmann; Jürgen Dr.-Ing. Krüger; Sabine Dipl.-Ing. Hofmann; Frank Dipl.-Ing. EWE Köstler; Friedhold Lappöhn
Original assignee: ASE APPARATEBAU GmbH; ASE APPBAU GmbH
Current assignee: ASE APPARATEBAU GmbH; ASE APPBAU GmbH
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-05-28

Abstract

Beim Schweißen von Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen werden äußerst präzise Schutzgasbeaufschlagungen sowie sorgfältige Überwachungen der Schutzgassituationen erforderlich, um metallurgisch einwandfreie, dem Grundwerkstoff entsprechende Schweißnähte und Wärmeeinflusszonen zu gewährleisten. In den Schweißbereichen sind minimierte Restsauerstoffgehalte einzuhalten. Während der Schweißabläufe müssen die abkühlenden Nahtzonen bis etwa 200°C mit Schutzgas abgeschirmt werden, um die mechanisch technologischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit der geschweißten Werkstoffe zu gewährleisten. Für eine optimale Schutzgasbeaufschlagung erfolgt in die Schleppdüse (1) hinter dem Brenner (2) in den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht eine zusätzliche Schutzgaszuführung (4) ergänzend zur Schutzgaszuführung in die Schweißnahtoberseite durch den Brenner (2) und zur Schutzgaszuführung in die Schweißnahtunterseite (3). Zusätzlich zu den Restsauerstoffgehaltsmessungen in der Schweißnahtunterseite (6) mit dem Sauerstoffmessgerät (7) und Datenrecorder (14) erfolgen ergänzende kontinuierliche Restsauerstoffgehaltsmessungen im oberen Abkühlbereich der Schweißnaht (8) mit dem Sauerstoffmessgerät (10) und Datenrecorder (14). Die Materialtemperaturen der abkühlenden Schweißnahtbereiche werden jeweils mit einem außerhalb an der Schleppdüse installierten Kupferschleifkontakt mit Oberflächensensor (11) mit Thermosteckverbindung (12) und Trennverstärker (13) sowie mit Datenrecorder ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur automatisierten Erreichung, Sicherung und Dokumentation der Qualitätsdaten insbesondere beim Schweißen von Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen im Apparatebau.
Damit im Zusammenhang betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur optimalen Schutzgasbeaufschlagung sowie zur Überwachung der Schutzgaszusammensetzungen und der Abkühltemperaturen der Werkstoffe beim Schweißen von Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen im Apparatebau.
Die Erfindung kann analog bei anderen Schweißprozessen bei denen der Einsatz von Schutzgas erforderlich wird, wie zum Beispiel beim Schweißen Titan und Tantal im Apparatebau, mit entsprechend konfigurierten Überwachungsparametern zur Anwendung gebracht werden.
In der chemischen Industrie werden für Anlagen und Apparate, z. B. für Reaktionstürme, Ventile, Pumpen, Rohre und Wärmeübertrager, bzw. für Verfahren mit Schwefel-, Salz-, Salpeter- und Phosphorsäure, Chloriden (außer Eisen-III- und Kupfer-II-chlorid), Alkalien, Harnstoff, Wasserstoffsuperoxid, Milchsäure infolge der Beständigkeit unter reduzierenden und alkalischen Bedingungen verstärkt Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen eingesetzt. (besser als Titan, z. B. passives Verhalten bei heißer Schwefelsäure, Beständigkeit gegen heiße Laugen)
Das Sondermetall Zirkonium, das insbesondere als Substitutionswerkstoff zu Titan zu sehen ist, erfüllt hierbei eine Reihe von speziellen Anforderungen, erfordert aber in der Verarbeitung, speziell beim Schweißen, erhebliche zusätzliche Aufwände, um metallurgisch einwandfreie, dem Grundwerkstoff entsprechende Schweißnähte und Wärmeeinflusszonen zu gewährleisten.
Im Vergleich zu Titan werden bei Zirkonium eine wesentlich präzisere Schutzgasabschirmungen mit trockenen Schutz- bzw. Inertgasen (Argon, Helium oder Argon-Heliumgemisch) und sorgfältigere Überwachungen der Schutzgassituationen erforderlich.
Es ist zu gewährleisten, dass die Elemente Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff oder Kohlenstoff nicht vom erhitzten bzw. schmelzflüssigen Zirkonium aufgenommen werden können.
Sauerstoff und im stärkeren Maße Stickstoff führen zu Härte- und Festigkeitsanstiegen sowie zur Verringerung der Dehnungskennwerte. Eine Wasserstoffaufnahme führt zur Versprödung des Zirkoniums.
Während des Schweißablaufes muss bei Zirkonium bzw. Zirkoniumverbindungen die abkühlende Nahtzone bis etwa 200°C mit Schutzgas abgeschirmt werden, um die mechanisch technologischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit des geschweißten Werkstoffes zu gewährleisten.
Bei Zirkonium bzw. Zirkoniumverbindungen muss die Argon-Schutzgasreinheit im Schweißnahtbereich mindestens 99,998 Vol.-% betragen.
Entscheidend für die Schweißnahtgüte beim Schweißen von Sondermetallen ist die Überwachung und Einhaltung des zulässigen Restsauerstoffgehaltes in der Schutzgasatmosphäre.
Bei der für Zirkonium und Zirkoniumverbindungen geforderten Schutzgasqualität von ≥ 99,998 Vol.-% (Argon 4.8) darf somit der Sauerstoffgehalt nicht mehr als 2 ppm betragen. Bei einer Schutzgasreinheit von ≥ 99,999 Vol.-% (Argon 5.0) beträgt der zulässige Sauerstoffgehalt ≤ 1 ppm.
Sichtbares Zeichen einer unzureichenden Schutzgasatmosphäre ist das Auftreten von Anlauffarben.
Trotz überdurchschnittlicher Aufwendungen im Vergleich zu den sonstigen Sondermetall-Schweißungen konnten mit den herkömmlichen Schweißvorrichtungen des Fachhandels und der Sonderausrüster für Schweißtechnik Fehler wie z. B. zulässige und unzulässige Anlauffarben beim Schweißen von Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen nicht 100-prozentig ausgeschlossen werden.
Bisher zum Einsatz kommende Schweißvorrichtungen sind mit einer Schutzgaszuführung durch den Brenner und im Schweißnahtunterbereich ausgerüstet. Diese gewährleisten aber nicht die komplexen Anforderungen hinsichtlich Einhaltung bzw. den sicheren Nachweis der Einhaltung der zulässigen Restsauerstoffgehalte in den Schweißnahtbereichen sowie der zulässigen Abkühltemperaturen der Schweißnahtbereiche nach Beendigung der Schutzgasbeschlagung. Lösungen zur Realisierung dieser komplexen Anforderungen sind nicht bekannt.
Aus keiner der nachfolgenden Druckschriften gehen Verfahren und Vorrichtungen hervor, wie sie mit der Aufgabenstellung, der Erfindung und den Patentansprüchen formuliert werden.
In der ASE-Dokumentation Zirkonium und Zirkoniumlegierungen, http://www.ase-chemnitz.de/pdf/Zirkonium.pdf wird allgemein und ohne erkennbare Details über strömungstechnisch optimierte Schleppdüsen mit neuen technischen Lösungen für Restsauerstoffgehalts- und Materialtemperaturmessungen in den abkühlenden Schweißnahtbereichen sowie zur Erfassung und Dokumentation der Überwachungsdaten informiert.
In DE 93 06 578 U1 wird eine Vorrichtung zur Schutzgasbeaufschlagung der Schweißnaht unmittelbar im Anschluss an ihre Erzeugung beschrieben. Diese Vorrichtung besteht aus Segmenten und ermöglicht die Realisierung von gekrümmten Schweißnähten mit unterschiedlichen Schweißnaht-Krümmungsradien bei minimierten Schutzgasverbräuchen. Die Überwachung der Schutzgaszusammensetzungen und der Abkühltemperaturen der Werkstoffe ist nicht vorgesehen.
EP 04 81 839 A1 beschreibt ein Verfahren zur Beseitigung von oxidierenden Gasen in Temperaturbereichen von 50°C bis 1.600°C bei der Wärmebehandlung von Metallen. Dieses Verfahren kann aus technologischen Gründen beim Schweißen von Zirkonium und Zirkoniumverbindungen nicht zum Einsatz kommen.
US 29 85 129 A beschreibt den kontrollierten Einsatz von Schutzgas wie Helium und Argon in einer Schweißkammer für Sondermetalle wie Titan, Zirkonium und Molybdän. Durch Herstellung eines Vakuums vor der Schutzgaszuführung wird der Restsauerstoffgehalt minimiert. Verfahren und Anordnungen zur durchgängigen Erfassung, Bewertung und Dokumentation der Restsauerstoffgehalte und Materialtemperaturen in den abkühlenden Bereichen der Schweißnaht sind nicht vorgesehen.
US 28 04 885 A beschreibt eine Lichtbogenschweißvorrichtung für das kontinuierliche Schweißen von Tantal mit Komponenten zur Sicherung der Schutzgasbeaufschlagung von Tantal bei Materialtemperaturengröße 400°C. Verfahren und Anordnungen zur durchgängigen Erfassung, Bewertung und Dokumentation der Restsauerstoffgehalte und Materialtemperaturen in den abkühlenden Bereichen der Schweißnaht sind nicht vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen

– zur Realisierung anlauffarbenfreier Schweißungen von Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen durch
• strömungstechnisch optimierte Schutzgaszuführung
• kontinuierliche Schutzgasüberwachung
• kontinuierliche Überwachung der zulässigen Abkühltemperaturen der Schweißnahtbereiche nach Beendigung der Schutzgasbeschlagung und
– zur durchgängigen Erfassung, Bewertung und Dokumentation der Daten der Schutzgaszuführung und -überwachung sowie der relevanten Materialtemperaturen im Rahmen des Qualitätsmanagements und zur Gewährleistung der Rückverfolgbarkeit

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Wichtig dabei ist:

– eine zusätzliche Schutzgaszuführung in den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht hinter dem Brenner; Die zusätzliche Schutzgaszuführung erfolgt in Abhängigkeit von der Spezifik und der Größe der Schleppdüse (z. B. für ebene oder gewölbte Flächen mit unterschiedlichen Radien) räumlich im ersten Drittel bis zum zweiten Drittel der Schleppdüse durch einen Strömungsverteiler aus hochporösem Sintermetall.
– eine zusätzliche Schutzgasabführung für ergänzende kontinuierliche Restsauerstoffgehaltsmessungen im oberen Abkühlbereich der Schweißnaht; Die zusätzliche Schutzgasabführung erfolgt jeweils räumlich im dritten Drittel der Schleppdüse.
– eine Vorrichtung für die kontinuierliche Überwachung der Materialtemperaturen der abkühlenden Schweißnahtbereiche außerhalb der Schleppdüsen nach Beendigung der Schutzgasbeaufschlagung zur Sicherung angepasster bzw. optimierter Vorschubgeschwindigkeiten der Schleppdüsen in Abhängigkeit von den Materialtemperaturen; Diese Vorrichtung ist ein außerhalb an der Schleppdüse installierter Kupferschleifkontakt mit Oberflächensensor, der mit einer an der Schleppdüse befindlichen Thermosteckverbindung mit einem Trennverstärker gekoppelt ist.
– Verfahren und Anordnungen zur durchgängigen Erfassung, Bewertung und Dokumentation der Daten der Schutzgaszuführung und -überwachung sowie der relevanten Materialtemperaturen; Die Daten zur Schutzgaszuführung wie Gasmengen und Schutzgasüberwachung wie Restsauerstoffgehalte sowie die Materialtemperaturen werden kontinuierlich rechnergestützt im Sinne des Qualitätsmanagements erfasst, bewertet und dokumentiert. Unzulässige Betriebszustände wie Schutzgasausfall, Grenzwert überschreitende Restsauerstoffgehalte und Materialtemperaturen werden mit einer Warnvorrichtung nach folgendem Schema optisch und akustisch signalisiert:

Sauerstoffrestgehalte	O_2i > O_2isoll: Rote Signallampe/Signalton Nr. 1
	O_2i ≤ O_2isoll: Grüne Signallampe Nr. 1
Temperaturen der abkühlenden Schweißnahtbereiche	T_ai > T_aisoll: Rote Signallampe/Signalton Nr. 2
	T_ai ≤ T_aisoll: Grüne Signallampe Nr. 2
Schutzgasvolumenströme	V_i ≠ V_isoll: Rote Signallampe/Signalton Nr. 3
	V_i ≠ V_isoll: Grüne Signallampe Nr. 3

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass

– durch anlauffarbenfreie Schweißungen der effektive Einsatz von Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen im Apparatebau,
– systematische Erfassungen, Bewertungen und Dokumentationen der relevanten Prozessdaten im Sinne des Qualitätsmanagements sowie
– deutliche Verkürzungen der Schweißzeiten und die Senkung der Nacharbeitskosten beim Einsatz von Zirkonium bzw. Zirkoniumlegierungen im Apparatebau

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in allen formulierten Unteransprüchen gegeben. Das betrifft insbesondere:

– die Anwendung und Konfiguration für Schleppdüsen mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen, z. B. für ebene oder gewölbte Flachen mit unterschiedlichen Radien sowie
– die analoge Anwendung und Konfiguration für andere Schweißprozesse bei denen der Einsatz von Schutzgas erforderlich wird, wie zum Beispiel beim Schweißen Titan und Tantal im Apparatebau

Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel ist in den 1 und 2 dargestellt.
1 zeigt den Funktionsablauf der Erfindung bzw. das neue Verfahren mir den erforderlichen Anordnungen und Vorrichtungen. 2 zeigt die relevanten Details der neuen Schleppdüse.
Für eine optimale Schutzgasbeaufschlagung erfolgt in die Schleppdüse (1) hinter dem Brenner (2) in den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht eine zusätzliche Schutzgaszuführung (4) ergänzend zur Schutzgas zuführung in die Schweißnahtoberseite durch den Brenner (2) und zur Schutzgaszuführung in die Schweißnahtunterseite (3).
Die zusätzliche Schutzgaszuführung (4) erfolgt in Abhängigkeit von der Spezifik und der Größe der Schleppdüse (1), z. B. für ebene oder gewölbte Flächen mit unterschiedlichen Radien, räumlich im ersten Drittel bis zum zweiten Drittel der Schleppdüse (1) durch einen Strömungsverteiler aus hochporösem Sintermetall (5).
Zusätzlich zu den Restsauerstoffgehaltsmessungen in der Schweißnahtunterseite (6) mit dem Sauerstoffmessgerät (7) und Datenrecorder (14) erfolgen ergänzende kontinuierliche Restsauerstoffgehaltsmessungen im oberen Abkühlbereich der Schweißnaht (8) mit dem Sauerstoffmessgerät (10) und Datenrecorder (14). Die zusätzliche Schutzgasabführung (9) erfolgt jeweils räumlich im dritten Drittel der Schleppdüse (1).
Die Materialtemperaturen der abkühlenden Schweißnahtbereiche werden jeweils mit einem außerhalb an der Schleppdüse installierten Kupferschleifkontakt mit Oberflächensensor (11) mit Thermosteckverbindung (12) und Trennverstärker (13) sowie mit Datenrecorder (14) erfasst.
Die Daten zur Schutzgaszuführung (Gasmengen) und Schutzgasüberwachung (Restsauerstoffgehalte) sowie die Materialtemperaturen werden kontinuierlich mit PC/Laptop (15) im Sinne des Qualitätsmanagements bewertet und dokumentiert sowie bei Bedarf mit dem Drucker (17) ausgedruckt.
Unzulässige Betriebszustände wie Schutzgasausfall, Grenzwert überschreitende Restsauerstoffgehalte und Materialtemperaturen werden mit der Warnvorrichtung (16) optisch und akustisch signalisiert und/oder mit dem Drucker (17) ausgedruckt.
Bezugszeichenliste

1: Schleppdüse
2: Brenner, Schutzgaszuführung durch den Brenner
3: Schutzgaszuführung in die Schweißnahtunterseite
4: zusätzliche Schutzgaszuführung in den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht
5: Strömungsverteiler aus hochporösem Sintermetall
6: Restsauerstoffgehaltsmessungen in der Schweißnahtunterseite
7: Sauerstoffmessgerät für die Schweißnahtunterseite
8: Restsauerstoffmessungen im oberen Abkühlbereich der Schweißnaht
9: zusätzliche Schutzgasabführung
10: Sauerstoffmessgerät für den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht
11: Kupferschleifkontakt mit Oberflächensensor an der Schleppdüse
12: Thermosteckverbindung an der Schleppdüse
13: Trennverstärker für Temperaturmessungen
14: Datenrecorder
15: PC/Laptop
16: Warnvorrichtung/optische und akustische Signalisation
17: Drucker

Claims

Verfahren zur optimalen Schutzgasbeaufschlagung sowie zur Überwachung der Schutzgaszusammensetzungen und der Abkühltemperaturen der Werkstoffe beim Schweißen von Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen, das zwei Sauerstoffmessgeräte (7) und (10), einen Trennverstärker für Temperaturmessungen (13), einen Datenrecorder (14), einen PC oder Laptop (15) eine Vorrichtung für die optische und akustische Signalisation (16) einen Drucker (17) und eine Schleppdüse (1) mit – Schutzgaszuführung in die Schweißnahtunterseite (3) – zusätzlicher Schutzgaszuführung in den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht (4) – Restsauerstoffgehaltsmessungen in der Schweißnahtunterseite (6) – zusätzliche Restsauerstoffgehaltsmessungen im oberen Abkühlbereich der Schweißnaht (8) – zusätzliche Schutzgasabführung (9) – Kupferschleifkontakt mit Oberflächensensor an der Schleppdüse (11) einschließlich – Thermosteckverbindung (12) verwendet, wobei – die Daten zur Schutzgaszuführung wie Gasmengen und Schutzgasüberwachung wie Restsauerstoffgehalte sowie die Materialtemperaturen kontinuierlich mit PC/Laptop (15) im Sinne des Qualitätsmanagements bewertet und dokumentiert sowie bei Bedarf mit dem Drucker (17) ausgedruckt werden und – unzulässige Betriebszustände wie Schutzgasausfall, Grenzwert überschreitende Restsauerstoffgehalte und Materialtemperaturen mit der Warnvorrichtung (16) optisch und akustisch signalisiert und/oder mit dem Drucker (17) ausgedruckt werden.
Vorrichtung zur optimalen Schutzgasbeaufschlagung sowie zur Überwachung der Schutzgaszusammensetzungen und der Abkühltemperaturen der Werkstoffe beim Schweißen von Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen, die zwei Sauerstoffmessgeräte (7) und (10), einen Trennverstärker für Temperaturmessungen (13), einen Datenrecorder (14), einen PC oder Laptop (15) eine Vorrichtung für die optische und akustische Signalisation (16) einen Drucker (17) und eine Schleppdüse (1) mit – Schutzgaszuführung in die Schweißnahtunterseite (3) – zusätzlicher Schutzgaszuführung in den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht (4) – Restsauerstoffgehaltsmessungen in der Schweißnahtunterseite (6) – zusätzliche Restsauerstoffgehaltsmessungen im oberen Abkühlbereich der Schweißnaht (8) – zusätzliche Schutzgasabführung (9) – Kupferschleifkontakt mit Oberflächensensor an der Schleppdüse (11) einschließlich – Thermosteckverbindung (12) aufweist, wobei – die Daten zur Schutzgaszuführung wie Gasmengen und Schutzgasüberwachung wie Restsauerstoffgehalte, sowie die Materialtemperaturen kontinuierlich mit PC/Laptop (15) im Sinne des Qualitätsmanagements bewertbar und dokumentierbar sowie mit dem Drucker (17) audruckbar sind und – unzulässige Betriebszustände wie Schutzgasausfall, Grenzwert überschreitende Restsauerstoffgehalte und Materialtemperaturen mit der Warnvorrichtung (16) optisch und akustisch signalisierbar und/oder mit dem Drucker (17) ausdruckbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – hinter dem Brenner (2) in den oberen Abkühlbereich der Schweißnaht eine zusätzliche Schutzgaszuführung (4) ergänzend zur Schutzgaszuführung in die Schweißnahtoberseite durch den Brenner (2) und zur Schutzgaszuführung in die Schweißnahtunterseite (3) erfolgt und – die zusätzliche Schutzgaszuführung (4) in Abhängigkeit von der Spezifik und der Größe der Schleppdüse (1) räumlich im ersten Drittel bis zum zweiten Drittel der Schleppdüse (1) durch einen Strömungsverteiler aus hochporösem Sintermetall (5) realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – mittels einer zusätzlichen Schutzgasabführung (9) zusätzlich zu den Restsauerstoffgehaltsmessungen in der Schweißnahtunterseite (6) mit dem Sauerstoffmessgerät (7) und Datenrecorder (14) ergänzende kontinuierliche Restsauerstoffgehaltsmessungen im oberen Abkühlbereich der Schweißnaht (8) mit dem Sauerstoffmessgerät (10) und Datenrecorder (14) erfolgen und – die zusätzliche Schutzgasabführung (9) jeweils räumlich im dritten Drittel der Schleppdüse (1) realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialtemperaturen der abkühlenden Schweißnahtbereiche jeweils mit einem außerhalb an der Schleppdüse installierten Kupferschleifkontakt mit Oberflächensensor (11) einschließlich Thermosteckverbindung (12) und Trennverstärker (13) sowie mit Datenrecorder (14) erfasst werden.