DE2152658C3

DE2152658C3 - Verfahren zum maschinellen Lichtbogenschweißen von Kehlnähten mittels mehrerer hintereinander angeordneter Lichtbogen in einem einzigen Schweiflgang

Info

Publication number: DE2152658C3
Application number: DE2152658A
Authority: DE
Inventors: Giovanni Venedig-Mestre Giardina; Giovanni Genua Lombardo
Original assignee: ITALSIDER SpA GENUA (ITALIEN)
Current assignee: ITALSIDER SpA GENUA (ITALIEN)
Priority date: 1970-10-31
Filing date: 1971-10-22
Publication date: 1980-10-23
Also published as: NL7114616A; DE2152658A1; FR2117065A5; DE2152658B2; CA940202A; US3752953A; LU64038A1; BE774203A

Description

Wärmezufuhr des ersten

Bogens (Gleichstrom)

Durchmesser der ersten 4 mm

Elektrode

Abstand zwischen erster und 40 mm zweiter Elektrode

Wärmezufuhr des zweiten

Bogens (Wechselstrom)

Durchmesser der zweiten

Elektrode

Abstand zwischen zweiter und 65 mm dritter Elektrode

Wärmezufuhr des dritten

Bogens (Wechselstrom)

Durchmesser der dritten

Elektrode

9 700 Joule/cm

35

40

7 200 Joule/cm 3,2 mm

7 450 Joule/cm 3,2 mm

Wärmezufuhr des ersten
Bogens (Gleichstrom)
Durchmesser der ersten
Elektrode

Abstand zwischen erster und zweiter Elektrode
Wärmezufuhr des zweiten
Bogens (Wechselstrom)
Durchmesser der zweiten
Elektrode

13 100 Joule/cm

4 mm

40 mm

9500 Joule/cm 3,2 mm

Abstand zwischen zweiter und 85 nun
dritter Elektrode

Wärmezufuhr des dritten
Bogens (Wechselstrom)
Durchmesser der dritten
Elektrode

10 100 Joule/cm 3,2 mm

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Schweißnaht mit Schenkeln von 13 mm folgende Parameter verwendet werden:

Wärmezufuhr des ersten
Bogens (Gleichstrom)
Durchmesser der ersten
Elektrode

Abstand zwischen der ersten
und zweiten Elektrode
Wärmezufuhr des zweiten
Bogens (Wechselstrom)
Durchmesser der zweiten
Elektrode

Abstand zwischen zweiter
und dritter Elektrode
Wärmezufuhr des dritten
Bogens (Wechselstrom)
Durchmesser der dritten
Elektrode

22 300 Joule/cm

4 mm

50 mm

14 400 Joule/cm

3,2 mm

85 mm

14 400 Joule/cm

3,2 mm

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der ersten Elektrode etwa 2 mm nach unten von der durch den Fuß der Innenseite des vertikalen Bleches verlaufenden und gegenüber der Senkrechten um 22° geneigten Ebene entfernt ist und die Achsen der zweiten und dritten Elektrode in dieser Ebene liegen (F i g. 5 bis 7).

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der ersten Elektrode etwa um 2 mm nach unten von der durch den Fuß der Innenfläche des vertikalen Bleches verlaufenden und gegenüber der Senkrechten um 22° geneigten Ebene entfernt ist und die zweite sowie die dritte Elektrode 3,5 mm nach unten bzw. 3,5 mm nach oben von dieser Ebene entfernt sind (F i g. 5a bis 7a).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Schweißnaht mit Schenkeln von 10 mm folgende Parameter verwendet werden:

_b0 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum maschinellen Lichtbogenschweißen von Kehlnähten an T-Stößen stählener Bauteile mittels mehr als zwei hintereinander angeordneter Lichtbogen, von denen zumindest einer mit Gleichstrom gespeist wird und deren Elektroden gegenüber der Senkrechten geneigt sind, wobei der Neigungswinkel höchstens 35° beträgt.

Es ist bereits bekannt, mehrere hintereinander angeordnete Lichtbogen für einen einzigen SchweiOgang gleichzeitig anzuwenden, vgl. DD-PS 46 034 und DE-AS 02 697. Durch die DE-AS 12 08 433 ist es außerdem bekannt, dabei in der eingangs genannten Art und Weise zu verfahren, also zumindest einen der Lichtbogen mit Gleichstrom zu speisen und die Elektroden der Lichtbogen zur Senkrechten geneigt anzuordnen.

Bei den bekannten Verfahren ist nachteilig, daß sie wegen zu geringer Einbrandtiefe und zu geringer erreichbarer Schweißgeschwindigkeit nicht für eine Verwendung bei Hochleistungsanlagen geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren der in Rede stehenden Art anzugeben, bei dem die Betriebsgrenzen der bekannten vergleichbaren Schweißverfahren dahingehend erweitert sind, daß bei einer beträchtlichen Erhöhung der Schweißgesdiwindigkeit Schweißnähte erheblich größerer Abmessungen mit entsprechender Einbrandtiefe erzeugt werden können.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß drei Lichtbogen vorgesehen sind, deren Elektroden gegenüber der Senkrechten um etwa 14° bis 30° geneigt sind, und daß der Abstand zwischen der ersten und der zweiten etwa 30 bis 60 mm, zwischen der zweiten und dritten etwa doppelt so groß ist, v.obei nur der erste Lichtbogen mit Gleichstrom, dagegen der zweite sowie der dritte mit Wechselstrom gespeist werden. Durch diese Art der Speisung, der gegenseitigen Lageanordnung und Neigung gegenüber der Senkrechten ergeben sich optimale Bedingungen für den Schweißvorgang.

Zusammengefaßt ergeben sich beim erfindungsgemäßen Verfahren u. a. die folgenden wesentlichen Vorteile:

1. Bei gleicher Schweißnahtgröße lassen sich Schweißgeschwindigkeiten erreichen, die, verglichen mit bekannten Verfahren, um 20% für eine Schweißnaht mit 8 mm χ 8 mm und um etwa 45% für eine Schweißnaht mit 10 mm χ 10 mm größer sind. Hieraus ergibt sich eine erhebliche Produktionszunahme.

2. Statt Schweißnähten mit einer Schenkellänge von maximal 10 mm können Schweißnähte mit einer Schenkellänge bis zu 15 mm hergestellt werden, ohne daß dadurch die Einbrandtiefe beeinträchtigt wird. Daher läßt sich ein Zuwachs des Schweißnahtquerschnitts von etwa 35 bis 40% erreichen.

3. Es werden bessere mechanische und metallurgische Eigenschaften erzielt, und zwar dadurch, daß die Schweißnaht dank eines Glühens mittels des dritten Bogens eine Erstarrungsstruktur mit einem feineren Korn erhält. Auch wird hierdurch eine größere Gleichförmigkeit der Härte und damit der mechanischen Eigenschaften der Naht bewirkt. Schließlich trägt der dritte Lichtbogen auch dazu bei, einen besonders günstigen Erstarrungsprozeß zu verwirklichen. Die Dendriten ordnen sich nämlich in korrekter Weise und neigen dazu, in regelmäßiger Anordnung in die Oberfläche zu münden, wodurch das Entstehen von Warmrissen in hohem Maße unterbunden wird.

werden, nicht so gute Ergebnisse erreicht wie beim Anmeldungsgegenstand.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird im Gegensatz hierzu eine große Einbrandtiefe der ersten Schweißnaht und damit auch eine große Hefe der Endschweißnaht erreicht, was Voraussetzung für einen verhältnismäßig großen Querschnitt der Schweißnaht ist. Erreicht wird dies neben einer wesentlichen größeren Stromstärke für die erste Elektrode im Vergleich zur Stromstärke der beiden übrigen Elektroden durch die Speisung der ersten Elektrode mit Gleichstrom, da dieser eine größere Einbrandtiefe als Wechselstrom ergibt Ferner führt die Speisung mit Gleichstrom dazu, daß eine große Turbulenz des Metallbades unter der ersten Elektrode bewirkt wird, was die Befreiung von Gaseinschlüssen fördert Hinzu kommt noch, daß wegen der großen Einbrandtiefe der ersten Schweißnaht der Anteil an Gaseinschlüssen im Metallbad abnimmt, wodurch die Gefahr großer Einschlüsse ebenfalls vermindert wird. Die Speisung der zweiten und dritten Elektrode mit Wechselstrom ergibt den Vorteil einer geringeren Einbrandtiefe. Dadurch wird verhindert, daß die erste Schweißnaht während der Erstarrungsphase wieder vollständig schmilzt was bei einem verhältnismäßig großen Querschnitt der Schweißnaht Voraussetzung für eine symmetrische Ausbildung derselben ist Würde nämlich die erste Schweißnaht vollständig schmelzen, dann würde die Oberflächenspannung des Metallbades nicht mehr ausreichen, um den Einfluß der Schwerkraft zu kompensieren. Die Endschweißnaht erhielte dadurch eine zu große Breite und eine zu geringe Höhe.

Die erzielbare Arbeitsgeschwindigkeit liegt beim erfindungsgemäßen Verfahren für Schweißnähte mit Schenkellängen von 6 bis 15 mm zwischen 120 cm pro Minute bei 6 mm und 50 cm/min bei 15 mm.

Der Durchmesser der ersten Elektrode ist dabei vorzugsweise 3,5 bzw. 4,5 mm, während die zweite und dritte Elektrode zweckmäßigerweise einen Durchmesser von 2,7 bzw. 3,7 mm haben.

Der erste Lichtbogen wird bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Spannung von 28 bis 32 V und einer Stromstärke von 600 bis 650 A Gleichstrom, der zweite und dritte Lichtbogen mit Wechselstrom von 380 bis 450 A und einer Spannung von 28 bis 35 V gespeist. Zur Durchführung einer Schweißnaht von 8 mm Schenkellänge empfehlen sich folgende Wärmezufuhr- und Arbeitsdaten:

Bei dem Verfahren gemäß der DE-AS 12 08 433 ist die Einbrandtiefe der Schweißnaht demgegenüber verhältnismäßig gering. Außerdem muß wegen der nahezu gleichgroßen Stromstärke der Elektroden bei diesem Verfahren damit gerechnet λ. den, daß die Schweißnaht nicht symmetrisch wird. Auch bei dem Verfahren gemäß der DD-PS 46 034, das mit einer anderen Neigung der Elektroden arbeitet, sind die Ergebnisse, verglichen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, weitaus ungünstiger. Auch bei dem bekannten Verfahren gemäß der DE-AS 19 02 697 werden, da sämtliche drei verwendeten Elektroden mit Wechselstrom gespeist

55

60

b5 Wärmezufuhr des ersten Bogens (Gleichstrom) Durchmesser der ersten Elektrode

Abstand zwischen erster und zweiter Elektrode Wärmezufuhr des zweiten Bogens (Wechselstrom) Durchmesser der zweiten Elektrode

Abstand zwischen zweiter und dritter Elektrode Wärmezufuhr des dritten Bogens (Wechselstrom) Durchmesser der dritten Elektrode

9700 Joule/cm

4 mm

40inm

7200 Joule/cm

3,2 mm

65 mm

7450 Joule/cm

3,2 mm

Zur Durchführung einer Schweißnaht mit einer Schenkellänge von 10 mm kommen zweckmäßigerweise folgende Parameter zur Anwendung:

Wärmezufuhr des ersten
Lichtbogens (Gleichstrom)
Durchmesser der ersten
Elektrode

Abstand τ »zischen erster und
zweiter Elektrode
Wärmezufuhr des zweiten
Bogens (Wechselstrom)
Durchmesser der zweiten
Elektrode

13 100 Joule/cm

4 mm

40 mm

9500 Joule/cm

3,2 mm

85 mm

10 100 Joule/cm

3,2 mm

Für das Verfahren zur Durchführung einer Schweißnaht mit einer Schenkellänge von 13 mm kommen vorzugsweise folgende Parameter zur Anwendung:

22 300 Joule/cm

4 mm

50 mm

14 400 Joule/cm 3,2 mm

85 mm

14 400 Joule/cm 3,2 mm

Die Achse der ersten Elektrode ist etwa 2 mm nach unten von der durch den Fuß der Innenseite des vertikalen Bleches verlaufenden und gegenüber der Vertikalen um 22° geneigten Ebene entfernt. Die Achsen der zweiten und dritten Elektrode liegen dabei in dieser Ebene. Die zweite und die dritte Elektrode können aber auch 3,5 mm nach unten bzw. 3,5 mm von dieser Ebene entfernt sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele und der in der Beschreibung enthaltenen Tabellen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den Grundriß eines Η-Trägers, dessen zwei Gurtplatten mit dem Steg gleichzeitig geschweißt werden,

F i g. 2, 3 und 4 je einen Schnitt nach den Linien H-II bzw. III-III bzw. IV-IV der Fi g. 1,

F i g. 5,6 und 7 je einen vergrößert dargestellten Ausschnitt der F i g. 2 bzw. 3 bzw. 4 für den Fall, daß die Seitenlänge einer Endnaht 8 oder 10 mm beträgt,

F i g. 5a, 6a und 7a je einen vergrößert dargestellten Ausschnitt der F i g. 2 bzw. 3 bzw. 4 für den Fall einer Schweißnaht mit einer Schenkellänge von 13 mm,

F i g. 8, 9 und 10 je eine schematisch und vergrößert dargestellte Stirnansicht von zwei Doppelschweißnähten mit Schenkellängen von 8 bzw. 10 bzw. 13 mm,

F i g. 11 eine weitere schematisch dargestellte Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Schweißnaht mit Darstellung des Verhältnisses zwischen der Schweißnahtschenkellänge und der erforderlichen Eindringtiefe. Der aus den Gurtplatten 2 und 3 und aus dem Steg 1 gebildete Η-Träger bewegt sich dem Schweißkopl gegenüber in Richtung des Pfeils 4. Jeder Schweißkopl umfaßt, wie in F i g. 1 schematisch mittels der Elektro· den 5, 6 und 7 dargestellt, einen ersten, einen zweiten und einen dritten Lichtbogen. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, müssen die Elektroden, um auf ihrem unteren Tei Einschlüsse zu vermeiden, in der Vorschubrichtung de; zu schweißenden Stückes leicht geneigt sein. Es muC darauf hingewiesen werden, daß die Darstellung dei Elektroden in den Figuren nur der Bestimmung dei Achsenlage der verschiedenen elektrischen Lichtboger dient.

Gemäß den F i g. 2 und 4 müssen die Elektroden 5 bis 7 alle etwa 22° zur Senkrechten geneigt werden. Bei der Festlegung ihres Abstandes D1 von der Schnittlinie c zwischen den Orthogonalflächen der zwei Schweißstücke muß die Größe der Schenkellänge 1 der Schweißnaht berücksichtigt werden. Entsprechend isi für den Abstand D 12 und D 23 zwischen der Achse dei ersten und der zweiten Elektrode und zwischen dei Achse der zweiten und der dritten Elektrode die Länge des Schenkels 1 der Schweißnaht zu berücksichtigen:

Schweißnaht 8x8 mm

DX =2 mm

D2 = 0mm

D3 = 0mm

D12 = 40 mm
D23 = 65 mm

Schweißnaht 10 χ 10 mm
DX =2 mm
D2 = 0mm
D3 = 0 mm

D12 = 40 mm
Ο23 = 85 mm

Schweißnaht 13 χ 13 mm

DX =

D2 =

D3 =

D12 =

D23 =

2 mm
3,5 mm
— 3,5 mm
50 mm
85 mm

In allen drei oben angeführten Beispielen werden die erste Elektrode 5 mit Gleichstrom und die zweite unc dritte Elektrode 6 bzw. 7 mit Wechselstrom gespeist

Die Wärmezufuhr- und Arbeitsbedingungsdaten sine in den Tabellen 1, 2 und 3 zusammengefaßt, und zwai für Schweißnähte mit einer Seitenlange von B, iö unc 13 mm.

Tabelle 1
Schweißnaht 8x8 mm

Wärmezufuhr Durchmesser Joule/cm mm

1. Elektrode (=)	9700	4
2. Elektrode (~)	7200	3a
3. Elektrode (~)	7450	3,2

Abstand zwischen der 1. und 2. Elektrode 40 mm Abstand zwischen der 2. und 3. Elektrode 65 mm

Tabelle 2	1Ox 10mm	~)	zwischen	Wärmezufuhr	Wärmezufuhr	Durchmesser	40 mm	50 mm
Schweißnaht		3. Elektrode (~)	zwischen	Joule/cm	Joule/cm	mm	85 mm	85 mm
		Abstand		13 100	22 300	4
	1. Elektrode ( = )	Abstand	9 500	14 400	3,2
	2. Elektrode (	Tabelle 3	10100	14 400	3,2	Durchmesser
	Schweißnaht	1. und 2. Elektrode	1. und 2. Elektrode	mm
	2. und 3. Elektrode	2. und 3. Elektrode	4
			3,2
1. Elektrode (	13x 13mm		3,2
2. Elektrode (
3. Elektrode (
Abstand
Abstand	~)
:~)
zwischen
zwischen

Zur Kontrolle der mechanischen und metallurgischen Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Schweißnaht wurden systematische Versuche durchgeführt. Die Ergebnisse an der Schweißnaht mit 8 mm χ 8 mm werden beispielsweise mitgeteilt:

Schweißnaht 8x8 mm
a) Untersuchung von Brüchen an einigen Probestücken

Der Prüfbefund war positiv; die Nähte waren fehlerfrei.

b) Makrographische Untersuchung

Auch hier war das Ergebnis, das eine gute Geometrie der Naht zeigte, befriedigend. Das Verhältnis zwischen der Rillentiefe und der Hypotenuse der Naht liegt innerhalb dem festen Bereich von 0,75—0,80, der das Optimum für die Herstellung von einwandfreien Schweißungen darstellt.

Wie die zur Oberfläche tendierenden Dendriten beweisen, ist die Erstarrung gut.

Schließlich wurde eine Kornverfeinerungswirkung und demzufolge eine Verbesserung in metallurgischer Hinsicht festgestellt

Diese günstige Auswirkung wurde von an Frobestäben durchgeführten Makrographien bestätigt, auf welchen nur zwei Lagen, d. h. die erste und die zweite, deutlich sichtbar erscheinen, weil die zweite Lage von der darauffolgenden normalgeglüht worden war.

c) Härteprobe

Die mit der Skala »B« des Rockwellgerätes gemessenen Härten waren befriedigend. Die Werte liegen τ nicht nur innerhalb der Standardgrenzen, sondern sie erscheinen auch sehr homogen, was der Normalglühwirkung des Stoffauftrags durch die dritte Elektrode zuzuschreiben ist.

Die Versuche mit Schweißnähten 1Ox 10 mm und lu 13x13 mm ergaben entsprechende günstige Werte.

Abschließend kann man behaupten, daß das erfindungsgemäße Schweißverfahren folgende Vorteile bietet:

a) Bei gleichem Schweißnahtumfang werden Schweißgeschwindigkeiten erreicht, die gegenüber dem Tandemverfahren bei einer Naht von 8x8 mm 20% und bei einer Naht von 10x10 mm 25% höher sind. Das führt natürlich zu einer entsprechenden Produktionssteigerung.

b) Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Schweißnähten bis 13 χ 13 mm, wodurch eine Leistungssteigerung erzielt wird, da mit dem Tandemverfahren eine Naht von höchstens 1Ox 10 mm durchgeführt werden kann. Dabei werden die Eindringeigenschaften der bisher hergestellten Nähte durchaus nicht beeinträchtigt. Die Zunahme des Querschnitts ist folglich 35 bis 40%.

c) Durch die Wärmezufuhr des dritten Lichtbogens wird eine Verbesserung der metallurgischen Eigenschaften erzielt; die Erstarrungsstruktur ist feinkörniger dank der Normalglühbehandlung durch den dritten Lichtbogen. Das führt ferner zu einer größeren Gleichmäßigkeit der Härte und folglich der mechanischen Eigenschaften in der Naht und in der warmbehandelten Zone. Schließlich ist der dritte Bogen ausschlaggebend zur Erzielung eines ausgezeichneten Erstarrungsvorganges. In der Tat ordnen sich die Dendriten in korrekter Weise und neigen dazu, gegen die Oberfläche zu münden, wodurch die Bildung von Warmrissen oder von zwischendentritischen Rissen in höchstem Grad beschränkt wird.

Die in F i g. 11 aufgeführten Symbole bedeuten:

/ = Nahtschenkel

/ = Nahtbreite (Hypotenuse)

e = Wurzeleinbrand

P = Schweißlage

a = Nahtdicke

5 = rechnerischer Querschnitt

Die verwendeten Verhältnisse sind:

PIi = 0,75... 0,80 und S = (a + e/2) L

Hierzu 3 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum maschinellen Lichtbogenschweißen von Kehlnähten an T-Stößen stählerner Bauteile mittels mehr als zwei hintereinander angeordneter Lichtbogen, von denen zumindest einer mit Gleichstrom gespeist wird und deren Elektroden gegenüber der Senkrechten geneigt sind, wobei der Neigungswinkel höchstens 35° beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß drei Lichtbogen vorgesehen sind, deren Elektroden gegenüber der Senkrechten um etwa 14° bis 30° geneigt sind, und daß der Abstand zwischen der ersten und der zweiten etwa 30 bis 60 mm, zwischen der zweiten und dritten Elektrode etwa doppelt so groß ist, wobei nur der erste Lichtbogen mit Gleichstrom, dagegen der zweite sowie der dritte mit Wechselstrom gespeist werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die erste Elektrode ein Durchmesser von 3,5 bis 4,5 mm, für die zweite und die dritte Elektrode ein Durchmesser von 2,7 bis 3,7 mm gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtbogen mit einer Spannung von 28 bis 32 V und einer Stromstärke von 600 bis 650 A Gleichstrom, und der zweite sowie der dritte Lichtbogen mit Wechselstrom von 380 bis 450 A und einer Spannung von 28 bis 35 V gespeist werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Schweißnaht mit Schenkellängen von 8 mm folgende Parameter verwendet werden: