DE1565441C - Verfahren und Vorrichtung zum Schweis sen enger Spalte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Platten, die unter Bildung eines Spaltes aneinandergelegt werden, wobei im Spalt mindestens eine mit einer Stromquelle verbundene Elektrode bewegt wird, über die Schweiße im Spalt angelagert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. In seiner Gesamtheit ist das Verfahren auf alle dicken Platten anwendbar, sowohl für Normalschweißungen als auch für Schweißungen in Zwangslagen. Das Verfahren kann beispielsweise Anwendung bei Stumpfstoßverbindungen oder T-Stücken, an flachen oder gebogenen Platten in allen Schweißstellungen finden. Im Hinblick auf die Vorrichtung bezieht sich die Erfindung aufsein Gerät, das tief in enge Spalt- oder Fugenöffnungen von dicken Platten eingesetzt werden und eine vergleichsweise kontinuierliche, voll- oder halbautomatische Schweißung durchführen kann.

Bisher wurden dicke Platten mit einer abgeschrägten oder U-fönnigen Fugenausbildung von einer oder von beiden Seiten geschweißt. Diese Fugenausbildungen weisen einen Winkel von 30 bis 60° einschließende Abschrägungen auf. Bei diesen Fugenausbildungen oder Abschrägungen davon ist die Querschnittsfläche

Pu

folglich auch der Betrag des erforderlichen Schweißmetalls, das zum Ausfüllen der Fuge oder des Spaltes und zum Erzeugen einer befriedigenden Schweißung erforderlich ist. So ist beispielsweise die Öffnung an der Oberkante der Fuge bei einer etwa 50 mm dicken Platte etwa 25 mm breit. Bei dickeren Platten würde diese Öffnung noch größer. Die Schweißkosten sind bei diesen Fugen wegen der großen Menge des erforderlichen Schweißmetalls zum Ausfüllen der Fuge und wegen des sehr großen Zeitaufwandes zum Ausführen der Arbeit sehr hoch.

Zusätzlich zu diesen Kosten tritt bei herkömmlichen Schweißungen eine erhebliche Verformung auf, da die Verformung von Schweißfugen von der Menge des angelagerten Schweißmetalls abhängt. Die bei einer Schweißung auftretende Schrumpfung bestimmt die durch die Schweißung erzeugte Verformung; ebenfalls wächst die durch Restspannungen eingeführte totale elastische Belastungsenergie mit der Menge des Schweißmetalls. Deshalb läßt bei herkömmlichen Fugenausbildungen und Schweißverfahren die große Menge von Schweißmetall, von Verformung und elastischer Belastungsenergie die Tendenz des Schweißmetalls zu reißen und die Neigung der Schweißung zu Sprödbruch anwachsen.

Derzeit werden automatische Lichtbogenschweißverfahren angewendet, um an dicken Platten Schweißungen hoher Qualität in Wannen- und Überkopflage durchzuführen. Diese Verfahren können jedoch nicht herangezogen werden, um Schweißungen hoher Qualität in Überkopflage zu erzeugen. Gebilde aus dicken Platten werden bisher in Wannenlage unter Verwendung automatischer Lichtbogenschweißung und Fugenausbildungen mit breiten Spalten hergestellt. Automatische Schweißverfahren für Wannenlage machen Gebrauch von Unterpulver- und inertgasgeschützten Lichtbogenverfahren. Die meisten Zwangslagen-Verbindungen an dicken Platten werden manuell oder halbautomatisch geschweißt.

Die Erfindung ist ebenfalls wegen der Zeitersparnis und aus wirtschaftlichen Gründen auf die Flach- oder Normalschweißung von dicken Platten anwendbar. Ein wichtiger Gesichtspunkt besteht darin, daß man mit geringer Wärmezufuhr (so niedrig wie 7500 Joules pro Inch bis etwa 30 000 Joules pro Inch großen Schweißgutmengen) optimale Schweißverbindungseigenschaften von verschiedenen hochfesten, niedriglegierten Stählen (z. B. HY-80 und HY-140) erhält, was ein natürliches Charakteristikum des Engspalt-Schweißverfahrens ist.

Bei herkömmlichen Verfahren bewirkt niedrige Wärmezufuhr in Verbindung mit breiten Fugen eine erhebliche Unterwirtschaftlichkeit, und die Anforderungen an die Qualität der Schweißverbindung werden in der Regel der Zweckmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit geopfert. Mit einer abschmelzenden Elektrode arbeitet das Verfahren gemäß der Erfindung im Bereich des Sprühüberganges, im Gegensatz zu anderen automatischen oder- halbautomatischen gasgeschützten Lichtbogenschweißverfahren, die mit Tropfenübergang oder im Kurzschlußbogenbereich arbeiten, um geringere Wärmeübertragung zu erzielen. Im Sprühübergangsbereich wird Metall in kleinen Partikeln durch den Lichtbogen übertragen. Im Bereich des Tropfenüberganges (mit Spannungen unter etwa 23 Volt) wird das Metall in verhältnismäßig großen Kügelchen übertragen, und im Kurzschlußbogenbereich wird die Elektrode im Schweißmetallbad periodisch eingetaucht, wobei die Spannung augenblicklich auf Null zurückgeht.

Die Aufgabe der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, insbesondere relativ dicke Platten, auch in Zwangslagen, miteinander zu verschweißen, wobei die Schweißnähte und die daran angrenzenden Teile der Platten als gut zu bezeichnende mechanische Eigenschaften haben sollen.

ίο Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Platten mindestens eine Dicke von etwa 2,5 cm haben und so aneinandergelegt werden, daß der Spalt eine Breite von etwa 0,15 bis 1,9 cm erhält, daß in dem Spalt mindestens ein Führungsrohr mit einer darin angeordneten abschmelzenden Elektrode mit einem Maximaldurchmesser von 0,15 cm eingeführt wird, daß Spannung und Stromstärke der Stromquelle so geregelt werden, daß Elektrodenmaterial vornehmlich im Bereich des Sprühübergangs übertragen wird, daß geschmolzenes Elektrodenmaterial im Bereich des Fußes des Spaltes auf einer Unterlage angelagert wird und daß die Leistungsaufnahme der abschmelzenden Elektrode im Bereich des Sprühübergangs und ihre Arbeitsgeschwindigkeit so eingestellt werden, daß die Wärmeaufnahme der Schweißstelle weniger als 1180 Joules pro Millimeter ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Bildung eines sehr engen Spaltes und Einsetzen des Schweißkontaktrohres in den sehr engen Spalt und Ausfüllen der Öffnung ein Verfahren zur voll- oder halbautomatischen Schweißung angegeben wird. Ein anderer Vorteil besteht in der Verringerung des erforderlichen Schweißmetalls und der Schweißzeit.

Andere Vorteile sind der durch die enge Schweißzone schmale wärmebehandelte Bereich, die Erzielung guter mechanischer Eigenschaften durch die geringe Zufuhr von Wärme während der Schweißung und die Anwendbarkeit des Verfahrens in allen Stellungen:

Flach, horizontal (beispielsweise eine horizontale Verbindung in einer vertikalstehenden Platte), vertikal und über Kopf sowie Kombinationen dieser Stellungen.

Ein weiterer Vorteil ist in der Schaffung einer Vorrichtung zu sehen, mit der vergleichsweise dicke Materialien mit einem engen Spalt in sämtlichen Schweißstellungen geschweißt werden können. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß schmale Schweißraupen bei niedriger Temperatur erzeugt werden.

Auch weist das Schweißgerät ein Kontaktrohr auf, das innerhalb eines engen Spaltes in unmittelbarer Nähe (etwa 1,6 mm) an den Seitenflächen des Spaltes angeordnet werden kann, ohne einen Kurzschluß oder eine Schweißung mit den Seitenwänden zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß Mittel zur automatischen Führung des Kontaktrohres oder der Kontaktrohre mit Abstand zu den Seitenflächen des Spaltes unabhängig von Unregelmäßigkeiten längs des Spaltes vorgesehen sind.

■ Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind wie folgt: Die Erzeugung von Schweißungen an dicken Platten von etwa 12,7 mm und mehr in allen Stellungen, die Schweißung eines ungewöhnlich engen Spaltes mit einer derart kleinen Fugenöffnung wie etwa 4,5 mm unabhängig von der Dicke der Platte, die Bildung von Schweißungen mit ungewöhnlicher, jedoch sehr wünschenswerter Schmelzliniengeometrie,

insbesondere bei Mehrlagenschweißungen dicker Platten (bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist die Schmelzzone vom Boden bis an die Oberfläche der Verbindungsstelle im wesentlichen gerade); die Erzielung einer wirksamen und wirtschaftlichen Schweißung durch entsprechende Kombinationen veränderlicher Schweißbedingungen (Arbeitsgeschwindigkeit, Schweißdrahtzuführung, Spaltöffnung, Schutzgasmischung, Spannung und Strom od. dgl.) in einem gut steuerbaren und im wesentlichen automatischen Verfahren, die Anwendbarkeit eines kontinuierlichen Lichtbogenschweißens mit einer vergleichsweise geringen Änderung der Amperezahl während der Herstellung vollständiger Schweißungen in allen Stellungen, wie dies gewünscht wird, und die Bildung von Schweißungen mit enorm vorteilhaften mechanischen Eigenschaften.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann bei geraden Flachschweißungen von Stumpfstößen und 1 -Stücken angewendet werden, d. h., Verbindungstellen oder -nähten an flachen und gebogenen Platten oder Blechen. Flache oder gebogene Platten können in verschiedenen Stellungen und aus verschiedenen Richtungen, vertikal, horizontal, über Kopf od. dgl. geschweißt werden. Mit entsprechenden Änderungen, z. B. dem Fachmann geläufigen Schutzgasen, kann das Verfahren auch für Nichteisenmetalle angewendet werden. Beispielsweise werden Argon-Kohlendioxyd-Schutzgasmischungen vorzugsweise bei Stahl und Argon -Helium -Mischungen "vorzugsweise für Aluminium und Titan verwendet.

Beim herkömmlichen Zwangslagen-Schweißen, d. h., in Stellung mit der Fallrichtung, hat das Metall das Bestreben, infolge der Schwerkraft aus der Fuge herauszufließen. Bei dem Verfahren zum Schweißen enger Spalte werden die Parameter der Fuge oder Verbindungsstelle" so gewählt, daß die Schwerkraft teilweise durch die Oberflächenspannungskräfte überwunden wird, die durch die Fugenkanten des engen Spaltes bewirkt werden; zusätzlich wird die Ausdehnung des Schmelzbades klein gehalten, so daß dieses in dem engen Spalt unabhängig von der Lage verbleibt. Im Vergleich zu dem umgebenden Fugenmetäll gestattet die Größe des Schmelzbartes dem. Fugenmetall, als großer Wärmeableiter zu wirken und so schnell die Temperatur des Schweißmetalls zu reduzieren und eine sehr schnelle Verfestigung des Schmelzbades zu bewirken.

Das Schweißverfahren gemäß der Erfindung kann in einem weiten Bereich angewendet werden. So können ein oder mehrere Schweißdrähte verwendet werden. Der Gebrauch von mehr als einem Schweißdraht läßt die Anpassungsfähigkeit des Verfahrens anwachsen. Zum Beispiel kann bei Gebrauch von zwei Schweißdrähten die Breite des Spaltes stark variieren,

ίο und eine gute Verschmelzung mit den Seitenwänden kann aufrechterhalten werden. Die Schweißdrähte sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten der Längsmittellinie des engen Spaltes angeordnet, wobei ein Schweißdraht mit festem Abstand längs einer Seitenwand und der andere mit festem Abstand längs der gegenüberliegenden Seitenwand geführt wird. Auf Grund dieser Maßnahme kann die Spaltöffnung sich ändern, und doch wird die Verschmelzung mit den Seitenwänden aufrechterhalten.

Sofern zwei Schweißdrähte verwendet werden, können sie mit einer einzigen Gleichstromquelle verbunden sein, oder jede Elektrode mit einer besonderen Gleichstromquelle in Verbindung stehen. Wenn eine einzige Gleichstromquelle für mehr als einen Schweiß- oder Fülldraht verwendet. wird, entsteht abwechselnd an jeder Elektrode ein Lichtbogen. Andere Variationen können zur Anwendung gelangen. Beispielsweise kann ein Schweißdraht mit einer Gleichstromquelle und der andere mit einer Wechselstromquelle verbunden sein. Andererseits können drei oder mehr Füll- oder Schweißdrähte vorgesehen und diese in vielen Kombinationen verbunden sein, z. B. eine Gleichstromquelle mit zwei Schweißdrähten und eine Gleichstromquelle mit dem anderen Schweißdraht oder eine Wechselstromquelle:mit einem Draht und eine Gleichstromquelle mit jedem* der anderen Drähte. Die Benutzung von mehreren Schweißdrähten und vielen verschiedenen Stromquellen hängt ab von der Anwendungsart, der Schweißstellung, dem Material usw.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung, besteht in der integrierten Steuerung der variablen Ärbeitsgrößen. Die Grenzen und bevorzugten Werte dieser variablen Größen für die Art und Weise, in der das Verfahren zur Anwendung gelangen kann, ergeben sich aus der folgenden Tabelle.

Variable Größen beim Schweißen enger Spalte

Wurzelöffnung

mm

Max. I Min. I vorzugsweise Kontaktrohrarbeitsabstand

mm
Max.

Min.

vorzugsweise

Lichtbogenspannung
Max. I Min. I vorzugsweise

Normal- oder Fallnahtschweißung, ein
Schweißdraht

Normal- oder Fallnahtschweißung, mehrere
' Schweißdrähte .....

Zwangslagen-Schweißung, ein Schweißdraht

Zwangslagen-Schweißung,· mehrere
Schweißdrähte

3,2

1,6

3,2

4,8

6,4

9,5

6,4

9,5

3,2 3,2 3,2 3,2

12,7
12,7
12,7
12,7

32.

1.0
10

10
10

26
26
26
26

Variable Größen beim Schweißen enger Spalte

	Lieh Max.	tbogenspannur Min.	ig vorzugsweise	Schwe Max.	ißgeschwindigk mm/pni Min.	eit vorzugsweise
Normal- oder Fallnahtschweißung, ein Schweißdraht	32 32	10 10	26 26	2540 2540	127 127	508 508
Normal- oder Fallnahtschweißung, mehrere Schweißdrähte.........	32	10	26	2540	508	762
Zwangslagen-Schweißung, ein Schweißdraht	32	10	26	2540	636	890
Zwangslagen-Schweißung, mehrere Schweißdrähte

Eine andere wichtige variable Größe ist die Größe des Schweißdrahtes. In der Regel wird ein etwas dünnerer Draht für die Zwangslagen-Schweißung bevorzugt — etwa von 0,9 mm Durchmesser. Größere Durchmesser werden für die Normalschweißung bevorzugt — etwa 1,6 mm. Die Dicke des Drahtes hängt jedoch ab von dem zu schweißenden Material und den gewünschten metallurgischen Eigenschaften. (Für maximale Anlagerung wird ein dicker Draht verwendet; jedoch wird sogar bei Normalschweißung für Metalle, die niedrige Schweißtemperaturen erfordern, ein dünnerer Draht verwendet.) Beispielsweise wird bei der Zwangslagen-Schweißung von Aluminium ein Drahtdurchmesser von 1,1 mm und von Stahl ein solcher von 0,9 mm bevorzugt. Die Schutzgasmischungen variieren mit dem Material; sie werden in Übereinstimmung ihrer Verträglichkeit mit dem zu schweißenden Metall gewählt.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 den Vergleich zwischen einer Schweißfuge gemäß der Erfindung (in ausgezogenen Linien) und einer herkömmlichen, abgeschrägten Fuge (gestrichelt),

Fig. 2, 3, 4 und 5 Beispiele von Fugen-Ausbildungen für das Schweißen enger Spalte, wobei die einzelnen Figuren folgendes zeigen:

F i g. 2 eine Stumpfstoßverbindung mit einer engen Wurzelöffnung und einem Führungsrohr, das auch ein abschmelzendes Führungsrohr sein kann,

F i g. 3 eine gleichartige Fuge wie F i g. 2, mit der Ausnahme, daß die Fugenkanten leicht abgeschrägt sind,

F i g. 4 eine Doppel-U-Fuge,

F i g. 5 eine Fugenausbildung mit engem Spalt zum Schweißen von T-Teilen oder Aussteifungen,

Fig. 6 das Schweißen einer Stumpfstoßverbindung nach einem Verfahren mit einer abschmelzenden Elektrode unter Inertschutzgas,

F i g. 7 einen späteren Zeitpunkt des in F i g. 6 dargestellten Verfahrens sowie die Stellung des Fülldrahtes (Elektrode), des Kontaktrohres und der Schutzhaube, nachdem die letzte Schweißlage aufgetragen wurde,

F i g. 8 das Schweißen einer Stumpfstoßverbindung von einer Seite nach dem Wolfram-Lichtbogenverfahren unter Verwendung eines kalten Fülldrahtes (bei dieser Anordnung ist eine Wolframelektrode mit einem getrennten Fülldraht vorgesehen),

Fig. 9 einen Schnitt nach Linie9-9 der Fig. 8, einen Schnitt nach Linie 14-14 der

F i g. 10 Schutzhauben oder -rohre, die längs der Kontaktrohre in die Fuge eingesetzt sind,

F i g. 11 einen Schnitt nach Linie 11-11 der Fig. 10,

Fig. 12 eine Draufsicht auf Schutzhauben oder -rohre, die längs der Kontaktrohre in die Fuge eingesetzt sind (diese Schutzvorrichtung ist so ausgebildet, daß eine Abdeckung die Schweißfläche abschirmt und ein positiver Druck aufrechterhalten wird),

F i g. 13 eine Seitenansicht des Gegenstandes der F i g. 12,

Fig. 14
Fig. 13,

F i g. 15 eine Draufsicht auf eine Mehrdrahtschweißvorrichtung zur Darstellung der Lage von Fülldraht (Elektrode), Kontaktrohr usw. in bezug auf die Fuge,

F i g. 16 einen Schnitt nach Linie 16-16 der Fig. 15 zur Darstellung der Wirkungsweise und der Folge der Schweißlagen,

F i g. 17 einen Schnitt nach Linie 17-17 der Fig. 15 zur Darstellung der Lage eines Kontaktrohres, welches sich im Bereich einer Fugenkante befindet,

F i g. 18 einen Schnitt nach Linie 18-18 der F i g. 15 zur Darstellung eines weiteren Kontaktrohres, das sich an der gegenüberliegenden Kante der Fuge befindet,

F i g. 19 eine Draufsicht auf einen einzelnen Schweißdraht, zur Darstellung des Weges der in der Fuge hin- und herbewegten Elektrode,

F i g. 20 eine schaubildliche Darstellung einer Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines Abstandes zwischen der Elektrode und den Seitenflächen der Fuge,

F i g. 21 einen Schnitt durch eine Fuge zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Anordnung der Elektrode mit Abstand zu den Seitenflächen der Fugen und

F i g. 22 eine grafische Darstellung zum Vergleich .des Verbrauchs von Schweißmaterial bei verschiedenen herkömmlichen Fugen und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

In der Zeichnung sind bei allen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen, und diese gleich bezeichneten Teile sind im wesentlichen nach Aufbau, Funktion und Wirkungsweise gleich. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Teile, ihre Beziehungen untereinander und ihre Funktion nur in Verbindung mit einem einzigen

9 10

Ausführungsbeispiel beschrieben; diese Beschreibung geraden, etwa parallelen Seitenflächen, gemäß den

trifft auf alle Ausführungsbeispiele zu, in denen diese Beispielen nach F i g. 2 und 5. Nach herkömmlichen

Teile vorgesehen sind. ·: Verfahren sind diese Fugen oder Verbindungsstellen,

Gemäß Fig. 1 ergibt ein Vergleich, der mit . wenn überhaupt, sehr schwierig zu schweißen; nach

durchgezogenen, gegenüber der mit gestrichelten 5 dem erfindungsgemäßen Verfahren können sie jedoch

Linien dargestellten Fuge, daß bei vergleichbaren mit Leichtigkeit geschweißt werden. Gemäß F i g. 6

Fugen viel mehr Schweißmaterial zum Ausfüllen des fluchten die beiden Platten 21 und bilden einen engen

Raums einer herkömmlichen Fuge (gestrichelte Linien) Spalt mit den Seitenflächen 23. Zum Aufbringen der

als zum Ausfüllen des Raums einer Fuge gemäß der ersten Schweißlage wird das Kontaktrohr 25 tief

Erfindung (durchgezogene Linien) erforderlich ist. io im engen Spalt angeordnet.

Ein anderer wichtiger Unterschied in der Vorbereitung Das Kontaktrohr 25 weist geringeren Durchmesser der Fugen besteht darin, daß die vereinfachte Fuge als herkömmliche Kontaktrohre auf. Der Durchmit engem Spalt viel leichter zu präparieren ist, da messer des Kontaktrohres 25 ändert sich mit der die Seiten des Spaltes oder der Fuge nicht zwang- Spaltöffnung und der Stärke des verwendeten Schweißläufig unter einem bestimmten Winkel bezüglich der 15 drahtes. Beispielsweise wird für einen Spalt mit etwa Oberfläche der zu schweißenden Platten gehalten 6,3 mm Breite ein Kontaktrohr mit etwa 3,2 mm werden müssen. Mit anderen Worten: Es sind größere Durchmesser und einem Fülldrahtdurchmesser von Toleranzen möglich, so daß vereinfachte Trennver- etwa 0,9 bis 1,6 mm verwendet. Bei einem 3,2 mm fahren angewendet werden können, wobei aufwendige breiten Spalt wird ein Draht mit etwa 0,25 mm Schleifbehandlungen od. dgl. vermieden werden. 20 Durchmesser und ein Kontaktrohr mit etwa 1,5 mm

F i g. 2 zeigt die zum Schweißen angeordnete Durchmesser vorgesehen werden. Das Kontaktrohr Stumpfstoßverbindung gemäß F i g. 1. Zwei Platten 25 wird so verwendet, wie es ursprünglich hergestellt 21 sind fluchtend angeordnet, um einen engen Spalt 22 wurde, oder wird mit Porzellanemail oder Keramik mit Seitenflächen 23 zu bilden. Ein Kontaktrohr 25 27 beschichtet. Die Schicht 27 verhindert einen Kurzist im Spalt 22 derart vorgesehen, daß die Elektrode 29 25 Schluß zwischen dem Kontaktrohr 25 und den Seiteneine Stützstrebe 41 erreicht. . flächen 22 und 23 in den Öffnungen sehr enger Spalte.

In F i g. 3 ist eine abgeänderte Stumpfstoßver- Der Fülldraht oder die Elektrode 29 ist zentrisch in

bindung dargestellt, wobei die beiden Platten 21 dem Kontaktrohr 25 angeordnet,

fluchtend angeordnet sind, um den engen Spalt 22 Das Schutzgas wird durch das konzentrische,

mit den Seitenflächen 23 zu bilden. Sofern es erwünscht 30 teleskopische Schutzgasrohr 31 zugeführt, welches

ist, kann die offene Seite der Fuge Seitenflächen auf- oberhalb der Verbindungsstelle für jede Schweißlage

weisen, die unter einem leicht abgeschrägten Winkel angeordnet ist. Das Schutzgas, das mittels der Pfeile

angeschnitten sind, wie dies Fig. 3 zeigt. Die 35 angedeutet ist, fließt nach unten in die Fuge und

Seiten 23 der Fuge müssen nicht gerade sein. Die schützt den Lichtbogen und das geschmolzene

Stützstrebe 41 ist an den Platten 21 angeordnet, um 35 Schweißmetall während des Schweißens,

eine Seite oder öffnung des engen Spaltes zu schließen. Nachdem das Kontaktrohr 25 und die Elektrode 29

F i g. 4 zeigt eine Fuge in Form eines Doppel-U. in die Fuge eingesetzt sind, fließt das Schutzgas

Die Platten 21 sind fluchtend angeordnet, um die Sei- (Pfeile 35) durch die Haube 33, und eine elektrische

tenflächen 23 eines I-Stoßes zu bilden; jedoch ist in Schweißstromquelle 37 wird angeschlossen. Die erste

der Mitte des engen Spaltes 22 ein Steg 24 verblieben. 40 Schweißlage 39 a wird hergestellt. Das geschmolzene

Die Seitenflächen 23 des engen Spaltes können im Schweißmetall schmilzt an der Stützstrebe 41 und an

Bedarfsfall abgeschrägt sein. Der Steg 24 nimmt in den Seitenflächen 23 auf. Eine Handhabung der

etwa die gleichen Aufgaben wahr wie die in den Elektrode 29 ist nicht erforderlich (sie kann jedoch

F i g. 2 und 3 gezeigte Stützstrebe 41. gemäß F i g. 19 in einer etwas breiteren Fuge

F i g. 5 zeigt eine einen engen Spalt bildende 45 oszillierend bewegt werden, sofern dies angezeigt

Fuge, wobei die Platten 21 als T-Verbindung ange- erscheint), und der Schweißprozeß wird nun eine

ordnet sind. Ein verzehrbarer Abstandhalter 41 ist Angelegenheit des Führens des Kontaktrohres 25

zwischen den Platten 21 angeordnet, um die Seiten- und der Elektrode 29 längs der engen Wurzelöffnung,

flächen 23 des engen Spaltes 22 getrennt zu halten. Die Elektrode 29 ist auf eine Spule 43 aufgewickelt

Gemäß der Erfindung werden Engspaltschweißun- 50 und wird kontinuierlich mit konstanter Geschwindiggen an Fugenformen gemäß den F i g. 1, 2, 3,4 und 5 keit über das Antriebssystem 45 zugeführt. Ist die und Abwandlungen davon vorgenommen. Die Schwei- Elektrode 29 sachgemäß angeordnet, so wird sie ßungen können ausgeführt werden mit dem Verfahren automatisch längs des engen Spaltes mit einer geunter Verwendung von inertgasgeschützten Verzehr- steuerten Geschwindigkeit geführt. Wenn die erste elektroden (F i g. 6) oder nach dem Wolfram-Licht- 55 Lage aufgebracht ist, wird^ der Rest der Lagen bogenverfahren (Fig. 8). In beiden Fällen sind die ' nacheinander und aufeinander aufgetragen, bis die Arbeitsweisen gleich. F i g. 2 und 3 sind Beispiele Fuge gefüllt ist und die Lage 39m gemäß F i g. 7 von Fugenformen, die benutzt werden, wenn von einer angeordnet ist.

Seite der Fuge geschweißt werden muß. F i g. 4 und 5 In den F i g. 8 und 9 ist ein Ausführungsbeispiel sind Fugenformen, die dann benutzt werden, wenn 60 für die Schweißung eines engen Spaltes unter Verdie Schweißung von beiden Seiten der Fuge ausge- Wendung einer Wolframelektrode dargestellt. Die führt werden kann. In^r F i g. 4 sind die Seitenflächen beiden Platten 21 sind fluchtend angeordnet, um einen gerade, d. h., rechtwinklig zur Oberfläche der Platten engen Spalt 22 mit den Seitenflächen 23 zu bilden. 21, können jedoch abgeschrägt sein. Bei dieser Fuge Eine Stützstrebe 41 ist längs der einen Seite des oder Verbindungsstelle ist ein Steg angearbeitet. 65 Spaltes 22 angeordnet. Eine langgestreckte Wolframin F i g. 5 ist der die beiden zu verschweißenden elektrode 51 mit einem Isolierbelag 53 ist vorgesehen, Teile trennende Absatz ein Verzehrsteg. Die am um einen Lichtbogen auf der Seite des Spaltes 22 einfachsten vorzubereitende Fuge ist eine Fuge mit zu bilden, der mittels der Stützstrebe 41 verschlossen

11 12

ist. Das Schutzgas wird jeder Schweißlage durch Kontaktrohre 81 bis 84 in bezug auf die Seitenteleskopisches, konzentrisches Schutzgasrohr 31 züge- flächen 23 und untereinander. Aus F i g. 16 ist zu führt, welches oberhalb der Fuge angeordnet ist. entnehmen, daß die Elektroden 85 bis 88 aufeinander-Das durch die Pfeile 35 bezeichnete Schutzgas fließt folgen, wobei die Elektrode 85 eine erste Schweißnach unten in die Fuge und schützt den Lichtbogen 5 raupe 39a, die Elektrode 86 eine zweite Schweißraupe und das geschmolzene Schweißmetall während des 39b usw. erzeugt, so daß durch einen Arbeitsgang der Schweißens. Vorrichtung unter Verwendung mehrerer Elektroden

Der Fülldraht 55 läuft durch ein Fülldraht-Füh- mehrere Schweißlagen erhalten werden.
rungsrohr57, welches in dem Spalt22 angeordnet Fig. 17 und 18 sind Schritte durch die Fig. 15

ist und den Fülldraht 55 direkt in einen Lichtbogen 61 io zur Darstellung der lagemäßigen Beziehungen der

führt. Das Fülldraht-Führungsrohr kann eine Schutz- Kontaktrohre innerhalb des engen Spaltes 22, bei

schicht 29 aufweisen. Der Fülldraht 55 ist auf einer Verwendung einer Vorrichtung mit mehreren Elek-

Spule63 aufgewickelt und wird kontinuierlich mit troden.

konstanter Geschwindigkeit über ein Antriebsystem Bei Verwendung von zwei Elektroden können diese 65 zugeführt. Die Wolframelektrode ist mit einer 15 mit einer einzigen Stromquelle verbunden werden, elektrischen Stromquelle 67 verbunden. Die erste oder es kann jede Elektrode an eine separate Strom-Schweißlage 39 a wird erzeugt und verschmilzt mit quelle angeschlossen werden. Im folgenden sind der Stützstrebe 41 und den Seitenflächen 23. Nachdem einige typische Schweißbedingungen angegeben, die die erste Schweißlage fertiggestellt ist, wird nachein- beim Schweißen gemäß der Erfindung mit einer einziander und auf einander der Rest der Schweißlagen 20 gen Stromquelle vorliegen:
erzeugt, bis die Fuge gefüllt ist. 1. Schweißdrahtdurchmesser etwa 0,9 mm,

In den Fig 10 und 11 sind zwei Platten21 ^ _{das Schutzgasgemisch hängt ab von dem zu} gezeigt, die fluchten um den engen Spalt 22 mit den _schweißendem Material,

Seltenwanden 23 zu bilden Der hauptsächliche Unter- . ₃_ _frde ^ _{des Schweißdrahte}s etwa 12,7 mm, schied gegenüber den oben erläuterten Beispielen 25 4. Lichtbogenspannung 25 V,
besteht in der Konstruktion zur Aufbringung des ₅ Amperezahl 380 und

Schutzgases Die durch die Pfeile 35 angezeigte ₆. Arbeitsgeschwindigkeit 40 imp (1016 mm pm).
Strömung des Schutzgases wird dem Schweißbereich

mit Schutzrohren 69 zugeführt, die in den Spalt 22 Diese Bedingungen sind in weiten Bereichen geeingesetzt sind. Diese Konstruktion gibt das Schutzgas 30 bräuchlich und hängen ab von der Schweißstellung sehr nahe am Schweißbereich ab. und von der Art des Materials. Wenn beide Elek-

Eine andere Vorrichtung zur Abgabe von Schutzgas troden von einer einzigen Stromquelle versorgt werden

in sehr geringer Entfernung vom Schweißbereich ist und der Lichtbogen alternativ an den Elektroden

in den F i g. 12, 13 und 14 gezeigt. Das Schutzgas hervorgerufen wird, liegt an dem einen Elektroden-

wird durch Rohre 71 einer Platte 73 zugeführt, die 35 Lichtbogen die maximale Spannung, während die

parallel zur Richtung der Schweißbewegung ange- andere Spannung 0 beträgt. Der »An-Aus-Zeit« einer

ordnet sind. Die Platte 73 bewegt sich mit dem jeden Elektrode folgt ein Verlauf, der von der ver-

Kontaktrohr 25 und dient als Schild, um das Schutzgas wendeten Schutzgasmischung abhängig ist. Wenn

im Schweißbereich zu halten. Zwei andere Schilde 75 beispielsweise eine Schutzgasmischung mit 80%

und 77 sind so angeordnet, daß sie dem Schweißbogen 40 Argon und 20 °/₀ Kohlendioxyd verwendet wird,

vorangehen bzw. folgen. Die drei Schilde 73, 75 und beträgt die Lichtbogenzeit etwa 0,04 Sekunden für

77 bilden somit ein Gehäuse, um das Schutzgas im jede Elektrode. Wenn das Schutzgas aus 60 % Helium

Schweißbereich zu halten. und 40% Argon besteht, beträgt die Lichtbogenzeit

Die F i g. 15,16,17 und 18 zeigen mehrere in einer für jede Elektrode etwa 0,01 Sekunde. Eine der

Engspaltfuge angeordneten Elektroden oder Schweiß- 45 Schwierigkeiten bei der »out-of-positiom-Schweißung

drähte. Jedes Kontaktrohr 81, 82, 83 und 84 mit den besteht in der Überwindung der Gravitationskräfte

Elektroden 85, 86, 87 und 88 ist mit einer keramischen, des geschmolzenen Metalls oder der Schweiße. Bei

isolierenden Schicht 27 beschichtet, um einen Kurz- intermittierendem Lichtbogen hat die Schweiße wäh-

schluß in Richtung auf die Seitenflächen 23 zu ver- rend der »Aus-Zeit« Gelegenheit, sich zu verfestigen,

hindern. Die Kontaktrohre 81 bis 84 können auf 5° Auf diese Weise kann sie leichter gesteuert werden, einem einzigen Träger oder auf voneinander getrennten Es kann auch jede Elektrode mit einer Stromquelle

Trägern vorgesehen sein. Die Kontaktrohre 81 bis verbunden werden. Der Vorteil dieses Vorgehens

84 sind derart in dem engen Spalt 22 angeordnet, daß besteht darin, daß die Spannung und Stromstärke

eine Elektrode der anderen vorangeht. Die Anordnung jedes Schweißdrahtes gesteuert werden können. Die

der Elektroden 29 ist abhängig von der Spaltöffnung, 55 folgenden typischen Bedingungen gelten für Stahl

der Schweißlage, dem Material od. dgl. Zum Schwei- unter Anwendung dieses Verfahrens:
ßen von Stahl mit einer Wurzelöffnung zwischen etwa _{L Schutzgasmischung 80}o/ Argon und 20% Koh-6,3 und etwa 12,7 mm in allen Schweißstellungen lendioxyd

werden die Kontaktrohre etwa 1,6 mm Von jeder 2. Arbeitsgeschwindigkeit 35 ipm (890 mm/Min.),
Sextenflache und etwa 25,4 mm von einander entfernt 60 3 ^ _L| _des |_{chweißdrahtes etwa} '_{12 7} ^
angeordnet sein, oder es werden eine oder mehrere _{4 Licht}bogenspannung (Führungsdraht) 26 V,
der Elektroden automatisch ganz oder teilweise über _{5> Lichtbogenspannung} (Folgedraht) 25 V,
die Fuge bewegt, wie dies m Fig. 19 gezeigt ist. ₆ Amperezahl (Führungsdraht) 230 und ^;

Selbstverständlich sind auch andere Entfernungen _? p^^^ _(Folgedraht) 190.
anwendbar. Abänderungen der Abstande sind ab- 65

hängig von der Wurzelöffnung, der Drahtgröße, In Abhängigkeit von der Schweißstellung und dem

dem Material usw. zu schweißendem Material können diese Bedingungen

Fig. 15 erläutert die lagemäßige Beziehung der in einem weiten Toleranzbereich angewendet werden.

13 14

In F i g. 19 ist ein Verfahren zum Schweißen zweite Kammer zwischen den Kontaktrohren 127 und

eines engen Spaltes mit einer einzigen Elektrode eine dritte Kammer zwischen der Führung 131 und

dargestellt, wobei es üblich ist, zwei Elektroden zu dem nächstliegenden Kontaktrohr 127. Auf diese

verwenden oder längs jeder Seite der Fuge eine Weise ist der gesamte Schweißbereich von einer sich

Schweißlage anzubringen. Zwei Platten 21 sind fluch- 5 bewegenden, geschlossenen Gaskammer abgedeckt,

tend angeordnet, um einen engen Spalt 22 mit den Der Schweißkopf 101 ist mittels einer Stange 145

Seitenflächen 23 zu bilden. Das Kontaktrohr 15 ist neben der Fuge angeordnet, wobei die Stange als

mit der Elektrode 29 im Bereich einer Seitenfläche der Führung für eine Rolle 147 dient. Die Stange 145

Fuge oder Verbindungsstelle angeordnet. Wenn der ist parallel zur Folge oder Verbindungsstelle ange-

Lichtbogen gebildet ist und das Schweißen beginnt, io ordnet und auf einer der Platten aufgespannt. Die

wird das Kontaktrohr, wenn es sich längs des Spaltes Rolle 147 ist drehbar an einer Stange 149 angeordnet.

22 bewegt, derart hin- und herbewegt, daß die Elek- Die Stange 149 ist an einem Träger 151 befestigt,

trode dem durch den Pfeil 91 bezeichneten Weg folgt. der seinerseits verschiebbar an der Platte 103 ange-

Selbstverständlich ist dieses Verfahren langsamer als ordnet ist und gegenüber dieser Platte mittels einer

ein solches unter Verwendung von zwei Elektroden, 15 Stellschraube 119 verstellbar ist. Das Parallelogramm-

jedoch in einigen Fällen wünschenswert. gestell 105 ist mittels einer Feder 153 vorgespannt,

Fig. 20 zeigt einen schwimmendgelagerten Schweiß- um die Rolle 147 gegen die Führungsstange 145 zu

kopf, der zur Durchführung des Verfahrens nach der drücken.

Erfindung besonders zweckmäßig ist. Der Schweiß- Der Schweißkopf 101 wird mitttels eines nicht

kopf 101 weist eine Platte 103 auf, die an der Platte 20 dargestellten, an der Platte 107 angeordneten Wagens

104 eines Parallelogrammgestells 105 angeordnet ist, bewegt und mittels der Rolle 147 und der Führungs-

das seinerseits eine zweite Platte 107 mit einer an einem stange 145 sowie den Führungen 129 und 131 durch

nicht dargestellten Wagen anschließbaren Stange 109 den Spalt 22 geführt. Wenn die Vorrichtung für

aufweist. Auf dem Wagen sind die Schweißspulen Überkopfschweißungen verwendet wird, wird der

angeordnet; er bewegt den Schweißkopf längs der 25 Schweißkopf 101 mittels nicht dargestellter Gegen-

Fuge bzw. des Spaltes. gewichte gegen den »Boden« der Fuge vorgespannt,

Das Parallelogrammgestell 105 weist vier Streben die so bemessen sind, daß die Führungen 129 und 131 111 auf, die zwischen den Platten 104 und 107 ange- mit einem angemessenen Druck auf dem »Boden« ordnet sind; sie weisen an jedem Ende Gelenke 113 der Fuge aufliegen. Außerdem ist es möglich, den auf, um den Platten 104 und 107 eine Horizontal- 30 Schweißkopf 101 so auszubilden, daß jedes Kontaktbewegung gegeneinander zu ermöglichen, sowie Ge- rohr 127 gesondert befestigt und mit einer gesonderten lenke 115, um den Platten 104 und 107 eine Vertikal- Rolle 147 und Führungsstange 145 versehen ist, so bewegung gegeneinander zu gestatten. Infolgedessen daß jedes Kontaktrohr von einer gesonderten Spur kann sich der Schweißkopf 101 in einer zur Platte 107 oder Stange 145 geführt wird, die entsprechend einer parallelen Ebene horizontal oder vertikal bewegen. 35 Seitenfläche23 der Fuge angeordnet ist. In Fig. 21

Der Schweißkopf 101 ist weiterhin mit einem an der ist eine weitere Möglichkeit gezeigt, wie die Kontakt-Platte 103 angeordneten Rahmen 117 versehen. Die rohre bezüglich der Seitenflächen 23 der Fuge geführt Schweißdrähte 121 und das Schutzgasrohr 123 er- werden können. Die Kontaktrohre 127, 127' sind strecken sich durch einen Behälter 125, der an den hängend an gesonderten Trägern 155 und 157 ange-Rahmen 117 angefügt ist. Der Behälter 125 trägt 40 ordnet. Der Träger 155 ist mit einer Feder 159 od. dgl. weiterhin im Spalt 22 angeordnete Kontaktrohre 127. versehen, die das Kontaktrohr 127 gegen die Seiten-Weiterhin sind am Rahmen eine vordere Führung fläche 23 vorspannt. Das Kontaktrohr 127 weist einen 129 und eine hintere Führung 131 vorgesehen, die Federclip 161 auf, welcher an der Seitenfläche 23 in dem Spalt 122 angeordnet sind, um am Boden der anliegt und einen konstanten Abstand zwischen Kon-Fuge entlangzustreichen und den Arbeitsabstand 45 taktrohr 127 und Seitenfläche 23 unabhängig von des Kontaktrohres aufrechtzuerhalten. Die Führun- den Unregelmäßigkeiten der Seitenfläche 23 aufrechtgen 129 und 131 sind jeweils in einem Behälter 133 erhält. Der Träger 157 ist ähnlich mit einer Feder 163 vorgesehen und jeweils mittels einer Stellschraube vorgespannt und das Kontaktrohr 127' ist mit einem 135 verstellbar. Federclip 165 zu versehen, um einen konstanten

Ein Schutzgasbehälter 137 ist mit dem Schweißkopf 50 Abstand zwischen Seitenfläche 23' und Kontaktrohr

101 bewegbar, so daß der Behälter immer auf der 127' aufrechtzuerhalten.

Oberfläche der Platten21 entlanggleitet. Der Schutz- In Fig. 22 ist eine Anzahl von Kurven dargestellt

gasbehälter 137 ist auf einer am Rahmen 117 be- zum Vergleich herkömmlicher Schweißverfahren mit

festigten Stange 139 verschiebbar gelagert. Darüber dem Engspalt-Schweißverfahren gemäß der Erfindung

hinaus steht der Schutzgasbehälter über flexible 55 als Funktion von angelagertem Schweißmetall zu

Rohre 141 mit den Behältern 125,133 in Verbindung. Plattendicke. Es sind die Kurven von drei herkömm-

Auch ist eine flexible Abdeckung 143 rings um das liehen Fugenformen gezeigt (V-Naht, U-Naht und

offene Ende des Behälters 137 vorgesehen. Die vor- I-Naht); es ist zu erkennen, daß der Unterschied des

stehend beschriebene Anordnung von Schutzgasbe- angelagerten oder verbrauchten Schweißmaterials

halter 137, Führungen 129 und' 131 und Kontaktrohr 60 gegenüber dem Engspalt-Schweißverfahren beträcht-

127 sieht drei Schutzgaskammern in der Fuge vor. lieh ist. Somit ergibt das Engspalt-Schweißverfahren

Eine erste Kammer befindet sich zwischen der Führung gemäß der Erfindung eine beträchtliche Ersparnis

129 und dem nächstliegenden Kontaktrohr 127; eine sowohl an Material als auch an Zeit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schweißen von Platten, die unter Bildung eines Spaltes aneinandergelegt werden, wobei im Spalt mindestens eine mit einer Stromquelle verbundene Elektrode bewegt wird, über die Schweiße im Spalt angelagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten

(21) mindestens eine Dicke von etwa 2,5 cm haben und so aneinandergelegt werden, daß der Spalt

(22) eine Breite von etwa 0,15 bis 1,9 cm erhält, daß in dem Spalt (22) mindestens ein Führungsrohr (25, 57, 81 bis 84, 127, 127') mit einer darin angeordneten abschmelzenden Elektrode (29, 55, 85 bis 88, 121) mit einem Maximaldurchmesser von 0,15 cm eingeführt wird, daß Spannung und Stromstärke der Stromquelle (37) so geregelt werden, daß Elektrodenmaterial vornehmlich im ao Bereich des. Sprühübergangs übertragen wird, daß geschmolzenes Elektrodenmaterial im Bereich des Fußes des Spaltes (22) auf einer Unterlage (24, 42) angelagert wird und daß die Leistungsaufnahme der abschmelzenden Elektrode (29, 55, 85 bis 88, 121) im Bereich des Sprühübergangs und ihre Arbeitsgeschwindigkeit so eingestellt werden, daß die Wärmeaufnahme der Schweißstelle weniger als 1180 Joules pro Millimeter ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abschmelzende Elektrode (29, 55, 85 bis 88, 121) einen Durchmesser von etwa 0,075 bis etwa 0,15 cm hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der fertigen Schweißung aufeinanderfolgende Schweißlagen im Spalt (22) angebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zum Schweißen in beliebiger Position¹; dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Spalt (22) angeordnete abschmelzende Elektroden (29,55,85 bis 88,121) mit einer einzigen Stromquelle (37) zur wechselweisen Erzeugung eines Lichtbogens verbunden werden, daß jede Elektrode Schweiße an der Verbindungsstelle anlagert, wobei infolge der intermittierenden Lichtbogen die Schweiße vor einem Abfließen erstarrt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (29, 55, 85 bis 88, 121) mit einer gesonderten Stromquelle so (37) verbunden wird, daß an jeder Elektrode ein Lichtbogen gezündet wird und daß die Spannung und Stromstärke jeder elektrischen Stromquelle (37) gesteuert wird, um ein Abfließen der Schweiße zu verhindern.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (29, 55, 85 bis 88,121) vorgesehen ist, die mit einer Stromquelle (37) verbunden wird, daß die Spannung der Stromquelle etwa 10 bis 32 Volt und die Amperezahl etwa 150 bis 300 Ampere beträgt und daß aufeinanderfolgende Schweißlagen in der Verbindungsstelle mit einer Geschwindigkeit von etwa ^r 127 bis etwa 1900 mm pro Minute angebracht werden, wobei diese Geschwindigkeit mit zunehmender Spannung und Stromstärke gesteigert wird, damit die Wärmezufuhr weniger als II8OJ0Ü-les pro Millimeter beträgt.

7. Verfahren,nach. Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wolfram-Elektrode (51) verwendet wird und das geschmolzene Metall mittels eines getrennten Schweißdrahtes (55) erzeugt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7 · mit einem Schweißkopf und einem Wagen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wagen und dem Schweißkopf ein Parallelogrammgestell (105) zur vertikalen und horizontalen Bewegung des Schweißkopfes (101) bezüglich des Wagens vorgesehen ist, daß zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Elektrodenarbeitsabstandes Führungsmittel im Spalt (22) angeordnet sind und weiterhin Fühleinrichtungen zur Abtastung von Veränderungen der Seitenflächen des engen Spaltes, so daß die Elektroden in einem bestimmten seitlichen Abstand zu den Seitenflächen (23) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein schwimmend gelagerter Schutzgasbehälter (137) zur Abdeckung der Schweißfläche am Schweißkopf (101) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzgasbehälter (137) verschiebbar am Schweißkopf (101) angeordnet und zur Anlage in der Verbindungsstelle vorgespannt ist und daß eine Gaskammer vorgesehen ist, die durch die Seitenflächen (23) des engen Spaltes (22), den Schutzgasbehälter (137) und Gasleitvorrichtungen (75, 77) gebildet ist.