DE2037349A1

DE2037349A1 - Schweißverfahren

Info

Publication number: DE2037349A1
Application number: DE19702037349
Authority: DE
Inventors: Roy Howard Ashton under Lyne Lancashire Hazelhurst (Großbritannien)
Original assignee: Hawker Siddeley Aviation Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Aviation Ltd
Priority date: 1969-07-23
Filing date: 1970-07-22
Publication date: 1971-02-04
Also published as: FR2060054A1; FR2060054B1; GB1314169A; US3624341A

Description

DR. KURT-RUDOLF ElKENBERG

PATENTANWALT

» HANNOVlIl · SCHACKSTRASSe 1 · TELEFON (0811) Β140Θ8 · KABEL PATENTION HANNOVER

Hawker Siddeley Aviation Ltd. 240/473

Sohweißverfahren

Die Erfindung betrifft ein Schweißverfahren, insbesondere ein Verfahren zum Schweißen von Platten und ähnlich großen Teilen mit verhältnismäßig dünnem Querschnitt, wie sie beim Luftfahrzeug-Bau verwendet werden.

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Gegenwärtige Richtungen bei der Berechnung von Luftfahrzeugkonstruktionen mit größerer Leistungsfähigkeit erfordern den Einsatz von Schweißverfahren zur Verringerung des Gewichtes und zur wirtschaftlicheren Fertigung von Teilen. Ein größeres Problem ist jedoch die dabei auftretende Formänderung, die durch die örtliche Erhitzung und die daraus folgende Schrumpfung des Schweißgutes verursacht wird. Die Schweißschrumpfung kann eine allgemeine Gesamtkrümmung eines Bauteiles oder bei Platten mit Längsversteifungen eine Gesamtkrümmung verbunden,mit örtlicher Falten- oder Riffelbildung der Plattenoberfläche zwischen den Längsversteifungen verursachen.

Ein Weg zur Beseitigung der Verformung nach dem Schweißen besteht darin, das Bauteil durch Aufbringung einer Dehnungsbelastung in Richtung der Schweißnaht auszudehnen und gerade zu richten. Dieses Verfahren wird zwar verwendet, jedoch erfordert es eine plastische Verformung des Materials, die unter gewissen Umständen die Eigenschaften des Materials oder des Schweißgutes beeinträchtigen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu finden, der die durch die Materialverformung beim Schweißen verursachten Schwierigkeiten vermeidet.

Diese Aufgabe wird bei einem Schweißverfahren dadurch gelöst, daß die zu verschweißenden Teile während des Schweißens unter Dehnungsbelastung gehalten sind, die in Richtung der Schweißnaht aufgebracht wird.

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Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß eine MaterialVerformung erfolgreich vermieden wird, und daß die hierfür vorgesehenen Mittel gleichzeitig zum Halten und Ausrichten der zu verschweißenden Teile geeignet sind.

Versuche haben gezeigt, daß für ein Material vorgegebener Dicke und Schweißbedingungen während des Schweißens ein solcher Dehnungsbelastungspegel aufgebracht werden kann, daß, wenn die Last weggenommen ist, die ursprüngliche Metallspannung die Schrumpfspannung ausgleicht und das Bauteil in einem nicht durch Biegekräfte verformten stabilen Zustand läßt.

Das erfindungsgemäße Verschweißen von Teilen unter Dehnungsbelastung ist, soweit zu übersehen, für alle schweißbaren Materialien anwendbar und kann in vorteilhafter Weise zusammen mit vielen bekannten Schweißverfahren verwendet werden, unter anderem beispielsweise bei:

Wolfram-Edelgas-Schweißung Metall-Edelgas-Schweißung Plasma-Bogen-Schweißung'

Metall-Bogen-Schweißung

Schweißung mit verdecktem Lichtbogen Elektronenstrahl-Schweißung Widerstands-Schweißung

Die zu verschweißenden Teile werden auf einen entsprechenden Belastungspegel gedehnt, der während des Schweißvorganges konstant gehalten wird. Das System zur Erzeugung der Belastung sollte in der Lage sein, einen konstanten Belastungspegel aufrechtzuerhalten, d.h., die thermische Ausdehnung der Teilstücke

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während des Schweißvorganges und deren Schrumpfung, während des Abkühlens zu kompensieren. Um dies zu erreichen, können verschiedene Mittel eingesetzt werden; zwei davon sind beispielsweise ein Kompensationsfedersystem oder ein Hydrauliksystem.

Der günstigste Belastungspegel hängt in jedem Einzelfall von den Material- und Schweißparametern ab, also von Wärme-, zufuhr, Geschwindigkeit usw., welche nur durch Versuche ermittelt werden können. Die verwendeten Belastungen betragen bis zu 90 $> der Streckgrenzbelastung des zu schweißenden Materials.

Bei der Herstellung von Schweißnähten in einem automatischen Schmelzschweißverfahren, also bei der Herstellung von Stumpf- und Kehlnähten bei dünnen Materialien ( ca. 6,5 mm und dünner) wird das Werkstück normalerweise auf beiden Seiten der Schweißfuge völlig eingespannt. Die üblicherweise verwendeten Arten der Einspannung sind ziemlich verschiedenartig und sollen für einen innigen, gleichmäßigen Klemmdruck und daraus für eine konstante Wärmeableitung sorgen. Die bei der Auslegung derartiger Einspanneinrichtungen in der Praxis einzuhaltenden Grenzbedingungen sind um so schwieriger einzuhalten, je größer die Länge der Schweißfuge ist. Die größte, bisher bekannte Einspannlänge liegt in der Größenordnung von ca. 7,5 m, Abgesehen vom Halten und Ausrichten der Schweißfuge, lokalisieren derartige Einspannsysteme die zur Erzeugung der Schweißnaht erforderliche Wärme und verringern somit die Gefahr einer

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ORIGINAL WSPECTED

Verformung.

Versuche, bei welchen Einspannsysteme der üblichen, oben beschriebenen Art verwendet wurden, bei welchen jedoch gleichzeitig Dehnungsbelastungen auf das Material ausgeübt wurden, haben bestätigt, daß dabei die bei früheren Versuchen festgestellte Gefahr einer Verformung im wesentlichen beseitigt werden kann.

^Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

Pig. 1 die Vorrichtung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht und

Fig. 3 eine Ansicht auf die Stirnseite eines geschweißten Werkstücks,

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht des Werkstückes im Querschnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 2 und

Fig. 5 einen Einzelteil-Querschnitt, der die Ausbildung eines Schweißkopfes zeigt, der für die Fertigung eines in Fig. 2 bis 4 gezeigten Werkstückes geeignet ist.

Bei der Betrachtung der Fig. 1 wird zunächst angenommen, daß eine Anzahl von Längsversteifungen 11 mit Winkelprofil auf eine

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Seite einer Blechplatte 12 geschweißt werden soll. Die Blechplatte 12 ist zusammen mit den Winkelprofil-Längsversteifungen 11 in einer Haltevorrichtung 13, die aus einem senkrecht angeordneten, rechteckigen Rahmen besteht, derart ausgerichtet und befestigt, daß eine gleichmäßige Längs-Dehnungsspannung auf die Blechplatte und das Winkelprofilmaterial ausgeübt werden kann. Hierfür ist innerhalb de-s Halterahmens eine Reihe von hydraulischen Arbeitszylindern 14 oder ähnlichen zur. Erzeugung einer Dehnungsspannung geeigneten Vorrichtungen vorgesehen, mittels, derer die Dehnungsbelastung aufgebracht . und während des Schweißvorganges aufrechterhalten wird. Die Enden des zu schweißenden Werkstücks sind in querliegenden Klemmschienen 15 gehalten.

Die senkrechten Längskanten des Rahmens IJ sind in ortsfest angeordneten senkrechten Führungen. 16 gehalten, die es ermöglichen, den Rahmen 13 während des Schweißvorganges in Richtung des Pfeiles F nach oben zu verschieben. Wenn das Werkstück in dieser Art bewegt wird, durchquert es ein Joch oder einen Rahmen 17, der die Schweißvorrichtung trägt und auf den Führungen 16 montiert ist. Ein Schweißkopf 18, der eine senkrechte Schweißnaht erzeugt, kann auf eine Schiene 19 horizontal verstellt werden, so daß es möglich ist, an verschiedenen Stellen auf der Breite des Werkstücks Schweißungen durchzuführen.

Die Arbeit kann durchgeführt werden .entweder durch Erzeugen von Kehlnähten auf der gleichen Seite des Blechs 12, auf der die Winkel 11 vorgesehen sind, oder durch Erzeugen von Schweiß-» nähten, die von der entgegengesetzten Seite der Blechplatte

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durchgeschweißt werden.

Ein besonders vorteilhafter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist möglich, wenn es zusammen mit dem Zug-Schweißverfahren verwendet wird. Das Zug-Schweißverfahren besteht darin, vor und während eines Schmelzschweißvorganges Einzelteile zusammenzuhalten, während sie örtlich durch eine Haltevorrichtung gezogen werden. Dabei kann die Haltevorrichtung ortsfest sein und die Einzelteile bewegt werden oder umgekehrt. Eine Kombination des Schweißverfahrens unter Dehnungsbelastung und des Zug-Schweißverfahrens ist in vorteilhafter Weise geeignet zur Ausführung von Schweißungen in jeder geforderte Länge.

Die Einzelteile können in ihrer richtigen Lage zusammengehalten werden, und es kann eine Dehnungsbelastung aufgebracht werden, welche die Teile über ihre gesamte Länge richtig ausgerichtet hält. Im einen Fall soll beim Zug-Schweißen die Haltevorrichtung die Einzelteile örtlich zusammenhalten, mit der Schweißvorrichtung zusammengeführt und auf der Länge der Schweißnaht bewegt werden. Im anderen Fall können die Haltevorrichtung und die Schweißvorrichtung ortsfest angeordnet sein und der Soannrahmen zusammen mit den unter Dehnungsspannung stehenden Einzelteilen bewegt werden.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen ein typisches Beispiel für ein zu schweißendes Werkstück, während in Fig. 5 eine Schweißkopfanordnung dargestellt,ist, die zur Durchführung dieser Schweiß-

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arbeit ,geeignet ist. Das Werkstück ist eine Platte 20 zur Bespannung eines Plugzeugs und besteht aus Titanlegierung. Auf einer Seite dieser Platte sollen Längsversteifungen 21 mit Hohlkehl- oder U-Profil angeschweißt werden. Die Platte ist ca. 1 mm stark und 2,Γ5 m lang. Auf der Breite der Platte sind im Abstand von etwa 7 cm neun parallel angeordnete Längsversteifungen vorgesehen. Die Längsversteifungen bestehen aus ca. 0,6 mm dickem Material, das zu einem U-Profil mit im wesentlichen quadratischen Querschnitt gebogen ist und dessen Seitenlänge ca. 16 mm beträgt. Die geschweißte Länge jeder Längsversteifurg 21 beträgt nur ca. 1,70 m. Die' von der Länge von 2,15 m verbleibende Restlänge ist Materialüberschuß, der dazu benutzt wird, an jedem Ende der Platte einen Rand 22 für Einspannzwecke vorzusehen.

Für den Schweißvorgang wurde das Wolfram-Edelgas-Schweißverfahren verwendet, wobei das Werkstück in Längsrichtung unter einer Dehnungsbelastung von 4400 kg/cm gehalten wurde.

Fig. 5 zeigt, wie das Werkstück durch einen Schweißkopf gezogen wird, der aus einer oberen Einspannblock-Einheit 2j5 und aus einer aus im Abstand parallel angeordneten Blöcken bestehenden unteren Blockeinheit besteht. Die obere Blockeinheit 23 stützt sich auf die den Längsversteifungen 21 abgewandte Seite der Platte 20, während die Blöcke 24 mit der anderen Seite der Platte in Berührung stehen. Die im Abstand parallel angeordneten Blöcke 24 begrenzen einen Kanal 25, in dem eine der Längsversteifungen 21 gleitet. In dem Kanal 25 ist außerdem

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eine gleitende Platte 26 vorgesehen, die durch Federn 27 nach oben geschoben wird, um die Längsversteifung 21 in ihre Stellung gegen die Platte 20 zu drücken. Die Schweißung wird in der Weise durchgeführt, daß mittels eines Elektrodenpaares 28, welches in Kanälen 29 in der oberen Blockeinheit untergebracht ist, Schweißnähte 30 durch die Platte hindurch geschweißt werden« Wie bei 31 zu sehen ist, sind Teile 23 A, 23 B der oberen Blockeinheit vom Klemmbereich und voneinander isoliert und bilden die Schweißbrenner, welche die Elektroden 28 tragen.

Den Schweißbrennern wird Kühlwasser und Argon zugeführt. Sowohl die obere als auch die untere Blockeinheit weisen Kanäle 32 für die Wasserkühlung auf. Argon wird nicht nur

den beiden Schweißbrennern, sondern durch Kanäle 33 auch den unteren Klemmblöcken und ferner dom von der Längsversteifung 21 umschlossenen Innenraum zugeführt.

Das Verfahren ist nicht beschränkt auf das Schweißen von Längsversteifungen (oder andere derartige Versteifungselemente), die parallel zueinander oder zur Mittellinie der Platte verlaufen. Vorausgesetzt, daß die Längsversteifungen gerade sind und einzeln gedehnt werden können, kann der Schweißvorgang in entsprechender Weise ausgeführt werden, wobei die Schweißbrenner und Haltevorrichtungen automatisch gleichzeitig sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung der Blatte bewegt werden. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Quer- und Längsbewegung kann so gesteuert werden, daß die Bewegung dem Winkel der Längsver-

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steifung zur Mittellinie der Platte auf der gesamten
Platte folgt.

Die verschiedenen Schweißverfahren, die erwähnt wurden, können verwendet werden, und die Schweißbewegung kann entweder in horizontalen oder vertikalen Ebenen ausgeführt werden, so daß geschweißte Teile nahezu beliebiger Länge hergestellt werden können.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

( 1.J Schweißverfahren, dadurch gekennzeichnet» daß die zu verschwelßenden Teile während des Schweißens unter Dehnungsbelastung gehalten sind, die in Richtung der Schweißnäht aufgebracht wird.
2. Schweißverfahren nach·Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dehnungsbelastung so gewählt wird, daß sie eine Belastung im Bereich bis zu etwa 90 % der Streckgrenzbelastung des zu schweißenden Materials aufbringt.
5· Schweißverfahren· nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung durdh Mittel, vorzugsweise durch ein Kompensations-Federsystem oder durch ein Hydraulik-System, aufgebracht wird, die die Belastung unabhängig von thermischer Ausdehnung und Schrumpfung eines Werkstücks konstant halten.
4. Schweißverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verschweißenden Teile in einem Rahmen zusammengefügt werden, der Mittel zur Aufbringung der Dehnungsbelastung auf die zu verschweißenden Teile trägt;, und daß der Rahmen relativ zu einem weiteren Rahmen verschoben wird, der einen Schweißkopf oder eine Reihe von Schweißköpfen zur Erzeugung einer Schweißnaht bzw. zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer Schweißnähte trägt.

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BAD ORIGINAL

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5. Schweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ' dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht durch Zug-Schweißen erzeugt wird, wobei die zu verschweißenden Teile im Schweißbereich zusammengehalten werden, während sie örtlich durch eine Halte- oder Einspannvorrichtung gezogen werden.

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