DE1803291B2

DE1803291B2 - Vorrichtung zum stumpfschweissen

Info

Publication number: DE1803291B2
Application number: DE19681803291
Authority: DE
Inventors: Harold Edward Thornburg; Cable Herbert Edward Mount Lebanon; Pa. Cable (V.St A.). B23k 11-06
Original assignee: Weld Tooling Corp., Pittsburgh, Pa. (V.StA.)
Priority date: 1967-11-21
Filing date: 1968-10-16
Publication date: 1972-06-08
Also published as: NL6806941A; FR1570122A; US3535490A; SE369049B; GB1194635A; CH486950A; NL141111B; DE1803291A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stumpfschweißen von zwei metallischen Werkstücken mit einer bandförmigen Schweißelektrode mit einer Einrichtung zum stetigen Zuführen der Schweißelektrode zur Schweißstelle, mit zwei die Naht formenden und von beiden Seitein an den zu verschweißenden Gegenständen anliegenden Backen.

Bekannt ist eine Vorrichtung zum Elektro-SchlackerSchweißen mit abschmelzender Drahtführung. Bei dieser Vorrichtung wird der Schweißdraht in eine zwischen den beiden zu verbindenden Werkstuckteilen ausgebildete Fuge eingeschoben, die an ihren beiden von den Werkstückteüen offengelassenen Seiten durch Kupferbacken abgeschlossen wird. Dieser Abschluß ist nicht hermetisch. Die Fuge ist weiter nach oben vollständig und nach unten teilweise offen. Ein Schweißen unter Vakuum ist nicht möglich (deutsche Patentschrift 1 203 893).

Bekannt ist weiter ein Verfahren zum Herstellen von senkrechten Schweißnähten, bei dem eine selbstzehrende Elektrode von oben in eine zwischen den beiden zu verbindenden Werkstückteüen ausgebildete Fuge eingeschoben wird. Diese Fuge ist nach zwei Seiten und nach oben offen (USA.-Patentschrift 2 868 951).

Bei diesen bekannten Schweißanordnungen werden die miteinander zu verschweißenden Werkstückteile durch die Schweißhitze stark aufgewärmt und behalten, die hierbei entstehenden hohen Temperaturen so lange bei, bis sie sich durch Strahlung und insbesondere Leitung wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt haben. Insbesondere beim Schweißen von empfindlichen und kleinen Teilen ist eine solche Erhitzung nicht zulässig, und die Schweißhitze muß unbedingt und sofort abgeführt werden.

Bestimmte Metalle müssen weiter unter Vakuum verschweißt werden. Anderenfalls verschlechtert eine beim Schweißen auftretende Oxydation die Güte und Festigkeit der Schweißverbindung.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die technische Aufgabe zugrunde, eine Schweißvorrichtung zu schaffen, mit der mit geringem Aufwand unter Vakuumbedingungen und bei gleichzeitiger Kühlung geschweißt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung vor, daß die Backen als Kühlschienen ausgebildet sind und in elektrisch und thermisch leitenden Eingriff und hermetisch abdichtend an den Werkstücken anliegen, die Elektrode die Schweißfuge vollständig ausfüllt und eine Vakuumpumpe an den von den Kühlschienen und Werkstücken umschlossenen Raum angeschlossen ist.

Der mit dieser Vorrichtung erzielbare Fortschritt liegt darin, daß besondere und viel Raum erfordernde Vakuumkammern, die die vollständige Schweißvorrichtung einschließlich ihrer Zusatzagregate aufnehmen, überflüssig sind. Die gleichzeitige Kühlung durch die Kühlschienen verlängert die Lebensdauer der Vorrichtung und verbessert die Schweißqualität. Überhitzung von an der Schweißstelle befindlichen Einrichtungsteilen wird vermieden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Kleinheit des zu evakuierenden Raumes, so daß eine Vakuumpumpe geringer Leistung ausreicht. Weiter ist die Kühlung intensiv, da die Kühlschienen unmittelbar auf den Werkstücken aufliegen.

Eine zweckmäßige Weiterbildung ist gekennzeichnet durch Einrichtungen zur regelbaren Zufuhr von Kühlmittel zu den Kühlschienen. Damit läßt sich die Intensität der Kühlung an die jeweiligen Bedingungen anpassen.

Zum Verbessern der Abdichtung der Schweißzone

gegenüber der Atmosphäre insbesondere bei rauhen Werkstücken ist eine weitere Ausbildung vorgesehen, die gekennzeichnet ist durch Dichtstreifen zum Abdichten der Kühlschienen gegenüber den Werkstücken, .

Eine weitere Ausbildung sieht vor, daß die Einrichtung zum Zufuhren der Schweißelektrode aus einem elektrischen Motor besteht, der mit einer Schweißstromquelle verbunden ist, um die Elektrode in die Stoßfuge mit einer der Lichtbogenspannung proportionalen Geschwindigkeit einzuführen. Damit erreicht man einen gleichmäßigen Abbrand der Elek» trode und einen kontinuierlichen Aufbau der Schweißverbindung.

Eine andere Ausbildung sieht hierzu vor, daß die Einrichtung zum Zuführen der Schweißelektrode aus einer pneumatischen Antriebseinrichtung besteht.

Vor dem eigentlichen Schweißvorgang müssen die beiden zu verbindenden Werkstücke auf ein Maß entsprechend der Stärke der Stoßfuge aneinandergebracht und in dieser Lage während des gesamten Schweißvorganges festgehalten werden. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung in einer Weiterbildung vor, daß eine Einstelleinrichtung aus einem Paar U-förmiger Teile besteht, welche an den zu verbindenden Werkstücken starr befestigt sind und die gleiche Ausdehnung wie die Stoßfuge aufweisen, daß die U-förmigen Teile auf entgegengesetzten Seiten der Stoßfuge angeordnet sind und daß Mittel zum Abdichten der U-förmigen Teile gegenüber den Werkstücken vorgesehen sind.

Beim Schweißen werden die Werkstücke besonders dann gut gekühlt, wenn die Kühlschienen unmittelbar und eng auf ihnen aufliegen. Hierzu sieht die Erfindung in einer Weiterbildung vor, daß auf jeder Seite der Stoßfuge eine Kühlschiene angeordnet ist, daß die Kühlschienen innen im Abstand von den U-förmigen Teilen liegen und daß Druckmittel zwischen den U-förmigen Teilen und der zugehörigen Kühlschiene angeordnet sind, um die Kühlschienen in thermisch und elektrisch leitenden Eingriff mit den Werkstükken zu drücken.

Schließlich sieht die Erfindung noch vor, daß die Dichtungsmittel aus einer leitenden Endplatte bestehen, welche an den Kühlschienen an, enzend an das eine Ende der Stoßfuge abgedichtet wird.

Im folgenden wird die Erfindung am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung ist

F i g. 1 schematisch eine Vorderansicht einer Ausführungsform,

F i g. 2 in größerem Maßstab ein Teilschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

F i g. 3 in größerem Maßstab eine teilweise Untersicht der Ausführungsform gemäß Fig. 1,

F i g. 4 in größerem Maßstab ein Teilschnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 1,

Fig. 5 ein Fig. 2 ähnlicher Schnitt einer abgeänderten Ausführungsform,

F i g. 6 ein ähnlicher Schnitt einer anderen Ausführungsform,

F i g. 7 ein Schnitt einer weiteren Ausführungsform, die für Γ-Verbindungen angewendet wird,

F i g. 8 ein Schnitt einer Ausführungsform, die für eine, winklige Stoßverbindung angewendet wird, und.','.

"Fig. 9 ein Schnitt einer Ausführungsform, die für eine Kantenstoßverbindung angewendet wird.

In der Schweißvorrichtung 10 werden zwei Werk-■> stücke 12, 14 ,in Form dicker Stahlplatten^: verschweißt. Diese werden für den Schweillvorgang durch mehrere Stahlbügel 16 auf Abstand gehalten:·'

Die Stahlbügel 16 können vorübergehend mit den Werkstücken verschweißt oder auf andere Weise.starc> an ihnen befestigt werden. Dadurch werden- die Werkstücke 12, 14 so eingestellt, daß zwischen'ihren Kanten 18, 20 ein Spalt von vorherbestimmter Breite

ίο gebildet wird (F i g, 2).

Zwei Kühlschienen 22 und 24 sind auf beiden Seiten der Stoßfuge zwischen den Platten 12 und 14 angeordnet, wie F i g, 2 zeigt. Die Kühlschienen 22, 24 sind genauso lang wie die Stoßfuge, wie F i g, 1 zeigt.

is Die KUhlschienen 22, 24 sind.aus einem elektrisch und thermisch gut leitenden Material hergestellt, wie z. B. Kupfer, so daß sie überschüssige Hitze von den Werkstücken 12 und 14 ableiten, um die Erstarrung zu fördern und eine Verformung zu verrin-

ao gern. Auf diese Weise wird durch die KUhlschienen 22, 24 zwischen den Werkstücken 12 und 14 ein Weg hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Während des Schweißvorganges werden die Werkstücke 12, 14 im wesentlichen auf dem gleichen

as Potential gehalten.

Selbstverständlich braucht nur eine der Kühlschienen 22, 24 verwendet zu werden, wenn ohne Vakuum gearbeitet wird.
Die auf die Kühlschienen 22, 24 übertragene Wärme wird in diesen durch einen oder mehrere in Längsrichtung verlaufende Kühlmittelkanäle 26 verteilt, welche an den Enden der Kühlschienen 22, 24 mit Zuführungs- und Rücklaufbehältern 28 und 30 (Fig. 3) verbunden sind. Während des ganzen Schweißvorganges wird in den Kühlmittelkanälen 26 eine Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser, in Umlauf gesetzt. Ein Thermostat regelt die Temperatur der Kühlschiene oder der Kühlschienen.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, ist jede Kühlschiene 22 und 24 mit einem Paar seitlicher Dichtstreifen 32 versehen, welche die gleiche Ausdehnung aufweisen und an den betreffenden Seiten jeder Kühlschiene 22 oder 24 befestigt sind. Wie F i g. 2 zeigt, ist jeder Dichtstreifen 32 mit einer ebenen Oberfläche versehen, welche mit dem angrenzenden Werkstück 12 oder 14 darüber- oder darunterliegend in Eingriff kommt. Wie ebenfalls Fig. 2 zeigt, ist jede Kühlschiene 22, 24 mit einer verhältnismäßig flachen Nut 34 versehen, die sich längs zwischen den Seitenkanten

der Innenseite der Kühlschiene 22 oder 24 erstreckt. Wie nachstehend beschrieben wird, bilden die Nuten 34 einen Raum zum Sammeln des geschmolzenen Flußmittels in dem Maß, in dem die Schweißnaht längs der gegenüberliegenden Kanten 18, 20 der

Werkstücke 12, 14 fortschreitet, sowie einen Weg für die Evakuierung der Verbindungsstelle vor dem Versehweißen. Wenn die Luft aus den Nuten 34 und aus dem Spalt zwischen den Kanten 18, 20 durch die Vakuumpumpe 36 (F i g. I) abgesaugt wird, werden die

Dichtstreifen 32 durch den stärkeren atmosphärischen Druck in Dichtungseingriff mit dia angrenzenden Oberflächen der Werkstücke 12, 14, gedrückt. Zur Förderung dieses Zwecks bestehen die Streifen 32 aus Gummi oder einem elastischen synthetischen

Elastomer. Wenn erhöhte Temperaturen auftreten, wird ein siliciumhaltiges Elastonner_%vecwendet üeypr mit der Evakuierung begonnÄj, werden die Enden der Kühlschienen 22, 24 abgedichtet, wie in den

Fig. 1, 3 und 4 gezeigt ist. Die unteren Enden der Ausnahme der oben erwähnten lObis25°/o, die oben Kühlschienen 22, 24 (Fig. 1) werden durch eine aus dem Spalt herausragen, wie Fig. 1 zeigt. Um eine Endplatte 38 abgedichtet, deren Außenkanten am richtige Breite des Spalts zu gewährleisten, wird die Umfang mit einem Dichtstreifen 40 versehen sind. Elektrode 44 in leichtem Paßeingriff zwischen den Wie Fig. 3 zeigt, sind Endplatte 38 und Dichtstreifen 5 Kanten 18 eingeführt, bevor die Stahlbügel 16 starr 40 von den Enden der Kühlschienen 22, 24 und den an den Werkstücken befestigt werden. Nach diesem angrenzenden Kanten der Werkstücke 12, 14 um- Vorgang werden die Kühlschienen 22, 24 und die schlossen. Im dargestellten Beispiel hat die Endplatte Endplatten 38, 46 aufgesetzt. Wenn nicht evakuiert 38 achteckige Form, um Platz für die Kühlmittelka- wird, wird ein entsprechender Teil aus leitendem Manäle 26 und deren Verbindungsleitungen 42 zu las- io terial an Stelle der unteren Endplatte 38 (Fig. 1) sen. Die Innenseite der Endplatte 38 steht in enger z. B. durch Heftschweißung befestigt, um das AufBerührung mit wenigstens einer der nebeneinander- treffen eines Lichtbogens auf den Boden der Verbinliegenden Oberflächen. dung zu unterstützen.

Die oberen Enden der Kühlschienen 22, 24 sind in Das untere Ende 72 (Fig. 1) der Schweißelektrode

ähnlicher Weise durch eine Endplatte 46 abgedichtet, 15 44 ist nicht mit isolierendem Material überzogen, um die mit einem ähnlichen Dichtstreifen 48 versehen ist. das Auftreffen des Lichtbogens auf die untere End-Die obere Endplatte 46 weist eine mittlere öffnung platte 38 und damit die elektrische Verbindung mit 50 auf für den Durchgang der Schweißelektrode 44 dem Generator 62 über die Kontakte 78 und den Lei- und eine seitliche öffnung 52 für den Gewindeeiti- ter 80 zu ermöglichen.

griff mit einer Leitung 54, welche mit der Vakuum- »o Die Lichtbogenspannung wird so geregelt, daß sie pumpe 36 verbunden werden kann, wenn die durch vereinbar ist mit der Zusammensetzung der zu verdie Kühlschienen 22, 24 und die Endplatten 38, 46 bindenden Metalle, der Dicke und Temperatur der abgebildete Kammer evakuiert werden soll. Für die Werkstücke 12, 14, der Ausbildung der Schweißelek-Vakuumschweißung ist die obere Endplatte 46 auf trode 44 und der Flußverbindung, die für die Uberder beweglichen Schweißelektrode 44 mittels eines »5 züge 68, 70 verwendet wird. Die Temperatur der Balges 53 oder einer Gleitdichtung abgedichtet. durch die KUhlschienen 22, 24 hindurchgehenden

Die Schweißelektrode 44 tritt zwischen zwei Füh- Kühlflüssigkeit wird thermostatisch geregelt, um eine rungsrollen 58 durch und wird parallel zu den neben- angemessene Geschwindigkeit der Erstarrung der einanderliegenden Kanten 18, 20 durch einen elektri- Schlacke und eine zweckmäßige Schmelzung des sehen Motor 60 vorgeschoben. Dieser wird von einer 30 Schweißmetalls ohne Unterschneidung der Kanten Schweißstromquclle geschweißt, die beispielsweise 18,20 zu erzielen.

aus dem eine veränderliche Spannung aufweisenden Ausführungsformen zum Evakuieren der zu

Generator 62 mit der Steuerung 64 besteht. Die Ge- schweißenden Verbindungsstelle während des schwindigkeit der Einführung der Schweißelektrode Schweißvorganges sind in den Fig.5 bis 9 darge-44 wird auf diese Weise proportional zur Spannung 35 stellt. Bei der in den F i g. 5 und 6 gezeigten Ausfühdes Schweißlichtbogens gemacht, so daß die Elek- rungsform können die Stahlbügel 16 entfallen. U-förtrode 44 mehr oder weniger rasch zugeführt wird, Biige Teile 82 oder 84 sind starr, aber vorübergehend entsprechend der Anforderung des Zusatzmetalls. an den Werkstücken 12' und 14' befestigt, um sie

Wie F i g. 2 zeigt, enthält die Schweißelektrode 44 hochkant oder in Nebeneinanderstellung mit der einen mittleren Streifen 66 aus üblichem Zusatzme- 40 Schweißelektrode 44' auszurichten. Die U-förmigeh tall, welcher auf beiden Seitenflächen mit einer Teile 82 oder 84 weisen Dichtstreifen 86 oder SS auf, Schicht 68 und 70 aus elektrisch isolierendem kera- die den Streifen 36 der Fig. 1 und 2 ähnlich sind, mischen Material, zum Beispiel Fiberglas oder festem Für die U-förmigen Teile 82 oder 84 sind entspre-Glas, überzogen ist. Die isolierenden keramischen chende nicht dargestellte Endplatten vorgesehen, Schichten 68, 70 enthalten auch die gewünschten 45 welche den Endplatten 46, 38 ähnlich sind. GemäÖ Flußmittel, z. B. Kalk, Magnesia und Silica. Diese den F i g. 7 bis 9 können in ähnlicher Weise U-för-Schichten können die erforderliche Dicke aufweisen, mige Teile oder Winkeleisen 100, 101, 102 starr, welche durch die Schweißbedingungen bestimmt aber vorübergehend an den Werkstücken befestigt wird, wie z. B. die Schweißspannung, die Dicke der werden. Die Kühlschienen und andere Zubehörteile Werkstücke 12, 14 und des Streifens 66. Die Dicke 50 werden in der vorstehend beschriebenen Weise verder Schichten kann 0,25 bis 1,25 mm betragen. Die wendet.

Dicke des mittleren Streifens 66 schwankt z. B. zwi- Zwei U-fönnige Teile 82 oder 84 umschließen da-

schen etwa 1,56 und 6,25 mm. Die Breiten des her zwischen sich einen Raum 90 oder 92, der durch Streifens 66 und der Schichten 68,70 sind annähernd eine entsprechende Pumpe evakuiert wird. Die Kühlgleich der Dicke der zu verbindenden Werkstücke 55 schienen 22', 24' werden entweder durch Federn 94 12, 14. Bei den meisten Anwendungen ist die Länge oder 96 oder durch ein biegsames Schlauchstück beder Elektrode 44 um etwa 10 bis 25 °/o größer als die weglich festgehalten. Das gegen die Atmosphäre of-Länge der Verbindungsstelle zwischen den zu ver- fene Schlauchende ermöglicht dem atmosphärischen schweißenden Werkstücken 12, 14, um das erforder- Druck, den Schlauch aufzublasen und die Kühlliche Schweißmetall zuzuführen. 60 schiene gegen die zu verschweißenden Teile zu drük-' Beim Verschweißen der Werkstücke 12, 14, welche ken. Dem Schlauch kann selbstverständlich auch Zuin der angegebenen Weise durch die Stahlbügel 16 satzluft zugeführt werden. Die Kühlschienen 22' und eingestellt werden, ist der Spalt zwischen ihren Kan- 24' können abwechselnd in thermisch und elektrisch ten 18, 20 so bemessen, daß dieser die Schweißclek- leitendem Eingriff mit den Werkstücken 12' und 14' trode 44 in der vollständig eingeführten Stellung 65 mittels der Federn 94 oder 96 gehalten werden. Diese dicht umschließt, wie F i g. 1 zeigt. Die Schweißelek- sind zwischen den U-förmigen Teilen 82 oder 84 und trode 44 ist daher nahezu vollständig im Spalt zwi- U-förmigen Teile 82 oder 84 starr an den Werkschcn den Werkstücken 12, 14 eingeschlossen mit stücken 12', 14' anliegen, z. B. durch aimosnhSri-

sehen Druck. Gewünschtenfalls können die U-förmigen Teile 82 oder 84 mit die Federn haltenden Ansätzen versehen werden, oder Stütznocken 98 (Fig. 6) können die Verschiebung der Druckfedern von den Kühlschienen 22', 24' regehi.

Bei der in den F i g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform können ähnliche Federn oder nicht dargestellte Stützschienen gewünschtenfalls zwischen einem oder mehreren der Stahlbügel 16 und der angrenzenden Kühlschiene 22 oder 24 auf jeder Seite des durch die Kühlschiene oder -schienen überbrück ten Spalts angeordnet werden. Bei dieser Ausf üb.-rungsform können die Kühlschienen oder die Kühl· schiene vollständig durch die Federn oder Schienei gehalten werden, wenn die Verbindungsstelle nich evakuiert wird, oder die Kühlschienen 22, 24 könnet durch die Federn eingestellt werden, bis ein Vakuum erzeugt ist, um die Schienen durch die Kraft des um gebenden atmosphärischen Drucks zu halten und abzudichten.

Hierzu !BlattZeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Stumpfschweißen von zwei metallischen Werkstücken mit einer bandförmigen Schweißelektrode mit einer Einrichtung zum stetigen Zufuhren der Schweißelektrode zur Schweißstelle, mit zwei die Naht formenden und von beiden Seiten an den zu verschweißenden Gegenständen anliegenden Backen, dadurch gekennzeichnet, daß die Backen als Kühlschienen (22, 22', 24, 24') ausgebildet sindtind in jib elektrisch und thermisch leitenden Eingriff und ; hermetisch abdichtend an den Werkstücken (12, 12', 14, 14') anliegen, die Elektrode.(44; 44') die ; Schweißfuge vollständig ausfüllt, und eine Vakuumpumpe (36) an den von den Kühlschienen (22, 22'; 24, 24') und Werkstücken (12, 12', 14, 14') umschlossenen Kaum angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (28, 30, 42) zur regelbaren Zufuhr von Kühlmittel zu den Kühlschienen (22, 22', 24, 24').

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch Dichtstreifen (32) zum Abdichten der Kühlschienen (22, 22', 24, 24') gegenüber den Werkstücken (12,12', 14, 14'). a₅

4. Vorrichtung nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen der Schweißelektrode (44) aus einem elektrischen Motor (60) besteht, der mit einer Schweißstromquelle (62) verbunden ist, um die Elektrode in die Stoßfuge mit einer der Lichtbogenspannung proportionalen Geschwindigkeit einzuführen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen der Schweißelektrode (44) aus einer pneumatischen Antriebseinrichtung besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstelleinrichtung aus einem Paar U-förmiger Teile (16, 82, 84) besteht, welche an den zu verbindenden Werkstücken (12, 14) starr befestigt sind und die gleiche Ausdehnung wie die Stoßfuge aufweisen, daß die U-förmigen Teile (16, 82, 84) auf entgegengesetzten Seiten der Stoßfuge angeordnet sind und daß Mittel (88) zum Abdichten der U-förmigen Teile gegenübcr den Werkstücken vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite der Stoßfuge eine Kühlschiene (22, 24) angeordnet ist, daß die Kühlschienen (22, 24) innen im Abstand von den U-förmigen Teilen (82,84) liegen und daß Druckmittel (94, 96) zwischen den U-förmigen Teilen und der zugehörigen Kühlschiene (22, 24) angeordnet sind, um die Kühlschienen in thermisch und elektrisch leitenden Eingriff mit den Werkstücken zu drücken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmittel aus einer leitenden Endplatte (38) bestehen, welche an den Kühlschienen (22, 24) angrenzend an das eine Ende der Stoßfuge abgedichtet wird.