DE2342648A1 - Schweissbrenner und verfahren zum unterwasserschweissen - Google Patents
Schweissbrenner und verfahren zum unterwasserschweissenInfo
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Description
HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER
DR. PHIL. DIPL-ING. DR. RER. NAT. DIPL.-ING. DIPL.-ING.
™5»ιη9««?ι2β·,1Γ«ί;. « EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 bayerische Hypotheken- und
^86- 'monchen D-8000 MÜNCHEN 90
Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha
Tokio, Japan
2 3. AUG. 1973
Schweißbrenner und Verfahren zum
Unterwasserschweißen
Die Erfindung betrifft einen Schweißbrenner und ein Verfahren zum Unterwasserschweißen.
Die derzeit bekannten Unterwasserschweißverfahren umfassen ein Trockenverfahren, bei dem eine Kammer,
die vom Wasser leergepumpt wird, im Wasser angeordnet und das Schweißen in dieser Kammer durchgeführt wird,
sowie ein sog. Naßverfahren, bei dem die Schweißarbeiten unmittelbar im Wasser durchgeführt werden. Für
das Naßverfahren ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Gas am Außenumfang des Vorderendes
einer Schweißelektrode ausgeblasen wird, mit welcher eine Lichtbogenschweißung innerhalb der Atmosphäre des
ausströmenden Gases durchgeführt wird (vergl. die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 45-32139).
Für denselben Zweck ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem eine Abschirmung mittels einer viskosen
Flüssigkeit gewährleistet und eine Plasmaschweissung innerhalb dieser Abschirmung durchgeführt wird.
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infolge der neueren Fortschritte auf dem Gebiet der ileereskultivierung sind Bauplatz-Schweißarbeiten für
große (Unter)Wasserkonstruktionen nötig, so daß sich
ein Bedarf für ein ünterwasserschweißverfahren ergeben hat. I'Iit Ausnahme des sog. Trockenverfahrens wurde die
Unterwasserschweißung in der Praxis nur selten angewandt. Das Naßverfahren ist jedoch aus wirtschaftlichen
Gründen und speziell für das Schweißen komplex zusammengesetzter Konstruktionen vorzuziehen, so daß seine
praktische Weiterentwicklung angestrebt wurde. Obgleich bereits gewisse Forschungsarbeiten bezüglich des Naßverfahrens
in Japan auf Laboratoriurasebene vorangetrieben worden sind, kann die Verschlechterung der Schweiß-(ungs)eigenschaften
nicht ausgeschaltet werden, da beim genannten Verfahren ein Schweißen innerhalb einer Wasseratmosphäre
erforderlich ist, so daß das Naßverfahren noch keinen praktischen Erfolg gezeitigt hat.
Der Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schweißbrenner und ein Verfahren
zum Unterwasserschweißen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Schweißbrenner zum Unterwasserschweißen
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er eine um sein Vorderende herum angeordnete Düse, aus welcher ein
Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl schräg auf ein oder mehrere
zu schweißende (s) Werkstück(e) richtbar ist, so dciß er einen
sich nach außen erweiternden Wasservorhang bildet, und eine Einrichtung (Rohr 1) zum Einblasen von Gas in den vom Wasservorhang
um^schlossenen Raum aufweist, um eine Gasatmosphäre zu bilden, in welcher der Schweißvorgang durchführbar ist.
Gemäß einem v/eiteren Merkmal wird mit der Erfindung ein Ver-
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fahren zum Unterwasserschweißen unter Verwendung eines Schweißbrenners der vorgenannten Art geschaffen, dessen
Besonderheit darin besteht, daß ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl
unter Bildung eines sich nach außen erweiternden Wasservorhangs aus einer Düse schräg auf ein
oder mehrere zu schweißende(s) Werkstück(e) gerichtet wird,
daß in den durch den sich erweiternden "Wasservorhang gebildeten Raum ein Gas eingeblasen wird, um eine Gasatmosphäre
zu bilden, und daß der Schweißvorgang innerhalb
dieser Gasatmosphäre durchgeführt wird. Im Betrieb wird somit ein die Spitze bzw. das Vorderende des Schweißbrenners
umgebender Wasservorhang gebildet, indem ein Hochgeschwindigkeitsstrahl aus einer Spritzdüse schräg
abwärts um den ganzen Umfang herum ausgestoßen wird, derart, daß dieser Strahl auf die Oberfläche der zu verschweißenden
Werkstücke auftrifft, wobei ein Eindringen von Wasser in die Spitze des Schweißbrenners durch den
viskosen Flüssigkeitswiderstand des Wasservorhangs verhindert wird. Das im Bereich unter der Spitze des Schweißbrenners
befindliche Wasser wird verdrängt und durch das aus dem Schweißbrenner ausgestoßene Schutzgas ersetzt, so
daß ein mit dem Schutzgas gefüllter lokaler Hohlraum gebildet wird. In diesem Hohlraum kann ein Lichtbogen zur
Durchführung der Schweißarbeiten gezündet werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Schweißbrenner gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung,
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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Düsenkonstruktion bei einer anderen Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Düsenkonstruktion
bei einer weiter abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners
und
Fig. 5a und 5b schematische Darstellungen noch weiter abgewandelter
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Schweißbrenners, wobei Fig. 5a eine Seitenansicht von der Schweißrichtung her gesehen und
Fig. 5b einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 5a darstellt.
Der in Fig. 1 dargestellte Schweißbrenner T ist in der
Mitte mit einem zylindrischen Glied bzw. Rohr 1 versehen, das einen Gaskanal zum Ausblasen eines Schutzgases bildet.
Das Vorderende 1a des zylindrischen Glieds ist konisch erweitert. Um den gesamten Umfang des Glieds 1 herum ist
ein Strömungs- oder Strahlzylinder 2 vorgesehen, mit dessen
Hilfe ein Wasservorhang um den Gesamtumfang des zylindrischen Glieds bzw. Rohrs 1 herum ausgebildet v/erden kann
und der ebenfalls einen konisch erweiterten vorderen Endabschnitt 2a aufweist. Der Endabschnitt 2a des Zylinders
2 und das konzentrisch dazu angeordnete Vorderende 1a des Rohrs 1 bilden eine Spritzdüse 3, die schräg abwärts
und auswärts gerichtet ist.
Obgleich nicht näher veranschaulicht, kann beim Schweißbrenner T mit Hilfe von Drahtklemmen ein Schweißdraht bzw.
eine Schweißelektrode durch das Innere des zylindrischen Glieds bzw. Rohrs 1 hindurchgeführt werden.
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Bei der Durchführung des Unterwasserschweißens rait Hilfe
des dargestellten Schweißbrenners T wird ein von einer nicht dargestellten Pumpe gelieferter Hochgeschwindigkeitsstrahl
einer Flüssigkeit derart durch den Strahlzylinder 2 geleitet, daß die Flüssigkeit als Hochgeschwindigkeitsstrahl
j schräg abwärts und auswärts aus der vorderseitigen Düse 3 austritt. Sodann trifft der
Strahl j auf die Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks M auf und wird um den gesamten Umfang herum längs
der Oberfläche des Werkstücks Il abgelenkt. Infolgedessen werden das Wasser Λ außerhalb des Schweißbrenners und
das Wasser B im Bereich unter dem Vorderende des Schweißbrenners durch den vom austretenden Strahl gebildeten
Wasservorhang voneinander getrennt bzw. gegeneinander abgeschirmt, wobei das Wasser aus dem Bereich B infolge des
Flüssigkeitswiderstands und der Zentrifugalkraft des Strahls sowie der Ansaugwirkung zwischen dem Schweißwerkstück und
der Strahldüse zum Außenumfang bewegt und verdrängt wird. Gleichzeitig wird a±ttzgas g durch das in der Mitte des
Schweißbrenners befindliche Rohr 1 hindurchgeleitet, und das im Bereich B befindliche Wasser wird durch das Schutzgas
g ersetzt, so daß im Bereich B eine Gasatmosphäre entsteht. Die Zufuhr von Schutzgas g wird fortgesetzt, so
daß das überschußgas durch den Spalt zwischen der öffnung der Düse 3 und der Oberfläche des Werkstücks M zum Außenumfang
ausströmt und dabei, wenn es durch den Strahl j weggeblasen wird, die Form eines Gas/Wasser-Geraisches annimmt,
wobei das verdrängte Gas in Form kleiner Blasen ausgestoßen wird. Auf diese Weise wird im Bereich B ein
stabiler Hohlraum gebildet, und der Schweißvorgang kann in dem so gebildeten Hohlraum durch Zündung eines Lichtbogens
eingeleitet werden. Somit kann das Schweißen in einer stabilisierten Gasatmosphäre erfolgen, so daß die
Schweißarbeiten ebenso stabil durchführbar sind wie auf
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dem Land und stabile Schweißnähte guter Qualität erzielt werden können.
Fig. 2 zeigt einen scheraatischen Längsschnitt durch einen
Schweißbrenner, der nach Grundlagenforschung bezüglich der Form, der Abmessungen und ähnlichen Faktoren eines Schweißbrenners
zur Bildung eines stabilen Hohlraums zur Realisierung der Erfindung aufgrund von Versuchsergebnissen angefertigt
wurde. Dabei sind die den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Bauteile in Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Schweißbrenner gemäß Fig. 2 weist
ein zylindrisches Glied bzw. Rohr 1, einen Strahlzylinder 2, eine Düse 3, einen Verteiler 4 für den Strahlzylinder
sowie am Verteiler 4 vorgesehene Strahlzulässe 5 und 5r
auf. Die Zulasse 5 und 5f sind dabei mit dem Druckauslaß
einer nicht dargestellten Pumpe verbunden. Weiterhin sind eine Draht- oder Elektroden-Spitze 6, ein Schweißdraht
bzw. eine Schweißelektrode 7, ein Hohlraum 3, der infolge des durch das Rohr 1 zugeordneten Schutzgases unter dem
Vorderende des Rohrs 1 gebildet wird, ein im Bereich B
gebildeter Licübogen C und das Schutzgas d angedeutet, das
in Form von kleinen Blasen aus dem Hohlraumbereich B in das im Außenbereich A befindliche Wasser abgeführt wird,
indem es durch den aus der Düse 3 des Strahlzylinders 2 ausströmenden Hochgeschwindigkeitsstrahl mitgerissen wird.
Durch Versuche, die unter Verwendung des auf vorstehend erläuterte Weise ausgebildeten Schweißbrenners beim Unterwasserschweißen
durchgeführt wurden, wurde bestätigt, daß der im Bereich B gebildete Hohlraum weitgehend durch die
Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases, die Geschwindigkeit und die Strömungsrichtung des Hochgeschwindigkeitsstrahls,
den Abstand zwischen dem Schweißbrenner und dem zu schweißenden Werkstück M usw. beeinflußt wird. Im Ver-
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such konnte ein stabiler Hohlraum von etwa 5o mm Durchmesser
erzielt werden, und bei der Durchführung des Schweißvorgangs durch Zündung eines Lichtbogens in diesem
Hohlraum konnte eine ziemlich stabilisierte Schweißung durchgeführt werden, die,wie im Hinblick auf das erfindungsgemäße
Grundprinzip zu erwarten war, keinerlei Nachteile gegenüber dem üblichen Schweißen am Land mit
sich brachte.
Gemäß Fig. 3 kann der Düsenteil 3 des StrahlZylinders 2
um den Umfang herum mit auf gleiche abstände verteilten Leitschaufeln 3a versehen sein, um die Strömungsrichtung
des aus der Düse 3 austretenden Strahls hierdurch so zu modifizieren, daß dem Strahl eine Zentrifugalkraft(komponente)
erteilt wird. Auf diese Weise wird die Bildung des WasserVorhangs durch den Strahl weiter stabilisiert,
wodurch der zusätzliche Vorteil geboten wird, daß sich im Inneren des Wasservorhangs durch das aus dem Rohr 1
austretende Schutzgas ein weiter stabilisierter Hohlraum bildet.
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher
das Rohr 1 und der Strahlzylinder 2 des Schweißbrenners elliptischen Querschnitt besitzen, wobei der Strahlzylinder
jedoch nicht näher dargestellt ist. Bei dieser Ausbildung des Schweißbrenners ist der Hohlraumbereich B,
wie dargestellt, elliptisch. Aus diesem Grund liegen beim praktischen Schweißen, wobei sich bei Weiterführung des
Schweißbrenners eine Schmelzlache m nach hinten erstreckt, die Schmelzlache m sowie der Schweißwulst unmittelbar
nach dem Erstarren noch innerhalb des Hohlraumbereichs B, wenn die Längsrichtung des elliptischen Hohlraumbereichs
B parallel zur Schweißrichtung angeordnet wird, woraus sich der Vorteil der Erzielung einer stabilisierten Schweißnaht
guter Qualität ergibt.
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Der vorstehend beschriebene Schweißbrenner eignet sich vorteilhaft
zur Verwendung beim Verbindungs- bzw. Überlappungsschweißen im Fall einer I-förmig ausgebildeten
Kante. Im Fall von V- oder ü-förinig ausgebildeten Schweißkanten
(der Werkstücke) ist es jedoch schwierig, mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Schweißbrenners einen Wasservorhang
auszubilden, der bis zur Innensohle der abgeschrägten Kante reicht. Inden: jedoch allein der Düsen-Randabschnitt
3' in Schweißrichtung längs der Schrägkantenlinie nach unten verlängert wird, bis er die Sohle
der Schrägkante erreicht, und indem zusätzlich der Strahl an diesem /Abschnitt unabhängig von den anderen ürafangsabschnitten
verstärkt wird, wie dies in den Fig. 5a und 5b dargestellt ist, kann der /Jasservorhang so ausgebildet
werden, daß er sich bis zur Sohle der abgeschrägten Kante erstreckt, wodurch innerhalb des r.\'asservorhangs ein
stabilisierter Hohlraum gebildet werden kann.
Außerdem kann der Vorderendabschnitt des Schweißbrenners in Abhängigkeit von den Konfigurationen der Schweißnähte
entsprechend festgelegt v/erden, so daß innerhalb des Wasservorhangs ein stabilisierter Hohlraum gewährleistet
wird.
Zusammenfassend werden mit der Erfindung somit ein Schweißbrenner für das Unterwasserschweißen und ein Unterwasserschweißverfahren
unter Verwendung eines solchen Schweißbrenners geschaffen. Dabei wird ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl
aus einer am Schweißbrenner angeordneten Düse schräg auf das oder die zu schweißenden Werkstück(e)
gerichtet, so daß er einen sich erweiternden Wasservorhang bildet. In den vom Wasservorhang umschlossenen Raum
wird zur Erzeugung einer Gasatmosphäre ein Gas eingeblasen, so daß das Schweißen in dieser Gasatmosphäre erfolgen kann.
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Claims (5)
1. Schweißbrenner zum Unterwasserschweißen, dadurch gekennzeichnet,
daß er eine um sein Vorderenae heruni angeordnete
Düse (3), aus welcher ein Hochgeschwindigkeits -Wasserstrahl schräg auf ein oder mehrere zu
schweißende(s) Werkstück(e) richtbar ist, so daß er einen
sich nach außen erweiternden Wasservorhang bildet, und eine Einrichtung (Rohr 1) zum Einblasen von Gas in den
vom VJasservorhang um, .schlossenen Raum aufweist, um
eine Gasatmosphäre zu bilden, in welcher der Schweißvorgang durchführbar ist.
2. Schweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düse (3) Leitschaufeln (3a) vorgesehen sind,
welche den Hochgeschwindigkeitsstrahl aus Wasser oder einer anderen Flüssigkeit unter Erzeugung einer Zentrifugalkraft
(komponente) in ihm ablenken.
3. Schweißbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) elliptischen Querschnitt besitzt.
4. Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Düse (3) zum Schweißen
von V- oder U-förmig ausgebildeten Werkstücken nach unten absteht bzw. verlängert ist.
5. Verfahren zum Unterwasserschweißen unter Verwendung eines Schweißbrenners nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl unter Bildung eines sich nach außen erweiternden Wasser-
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- 1ο -
Vorhangs aus einer Düse schräg auf ein oder mehrere zu 3chvjeißende(s) Werkstück (e) gerichtet wird, daß
in den durch den sich erweiternden Wasservorhang gebildeten Raum ein Gas eingeblasen wird, um eine Gasatmosphäre
zu bilden, und daß der Schweißvorgang innerhalb dieser Gasatmosphäre durchgeführt wird.
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