DE2712027C3

DE2712027C3 - Gleichstrom-Lichtbogenschweißen von Rohr-Innenlängsnähten mit mehreren abschmelzenden Elektroden

Info

Publication number: DE2712027C3
Application number: DE19772712027
Authority: DE
Inventors: Osamu Fukuyama Hiroshima Hirano; Hiroyoshi Matsubara; Motoaki Suzuki; Kenji Takeshige; Jinkichi Tanaka
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1976-03-24
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1983-05-19
Also published as: CA1080813A; DE2712027A1; FR2345257B1; GB1554523A; DE2712027B2; FR2345257A1; IT1104776B

Description

Die Erfindung betrifft eine Geräteanordnung zum Gleichstrom-Lichtbogenschweißen von Rohr-Innenlängsnähten mit mehret rn, hintereinander angeordneten abschmelzender. Eleku öden.

Beim Längsnahtschweißen eine in einen kreisrunden Querschnitt gebogenen Stahlblechs wird in der in F i g. 1 schematisch dargestellten Weise im Normalfall eine Innenschweißmaschine verwendet, die mit einem Elektrodenhalter 1 am freien Ende eines Auslegers 2 versehen ist, dessen Länge zumindest derjenigen des zu schweißenden Rohlings entspricht Das Ende des Auslegers 2 ist dabei an einem Schlitten oder Wagen 4 befestigt, und der Ausleger 2 wird im voraus in den Rohrrohling 3 eingeführt. Zum Längsnahtschweißen des Rohlings 3 von seiner Innenseite her längs der Fuge mittels einer durch den Elektrodenhalter 1 zugeführten abschmelzenden Elektrode 5 wird der Ausleger 2 mit dem Wagen 4 zusammen mit einem Schweißkabel 9 zur Zufuhr von Schweißstrom zur Schweißelektrode 5 auf die in F t g. I durch den Pfeil angedeutete Weise aus dem Rohling 3, heraus bewegt. In F i g. 1 ist eine Innenschweißmaschine mit einem vorlaufenden und einem nachlaufenden Elektrodenhalter 1 und zwei Schweißelektroden 5 dargestellt. Die Schweißmaschine kann jedoch auch mehr als zwei Elektrodenhalter mit einer entsprechenden Zahl von Schweißelektroden aufweisen.

Wenn beim geschilderten, bisher üblichen Schweißen eines Rohrrohlings ein in der vergrößerten schematischen Teilansicht von Fig.2 gezeigtes Schweißverfahren angewandt wird, bei dem elektrischer Gleichstrom mit einer abschmelzenden Schweißelektrode als Anode verwendet wird, dann wird der Schweißlichtbogen 6 der Schweißelektrode 5 auf die in Fig.2 durch den Pfeil 8 angedeutete Weise entgegengesetzt zur Schweißrichtung abgelenkt, wobei er eine solche Form annimmt, als würde er in das geschmolzene Metall 7 hineingezogen werden. Hierbei wird der an der Spitze der Elektrode 5

gebildete Plasmastrahl ebenfalls zum geschmolzenen Metall 7 hin abgelenkt, so daß er auf dieses einen dynamischen Druck ausübt. Hierdurch wird die Schmelze 7 entgegengesetzt zur Schweißrichtung zurückgedrückt Infolgedessen bleibt der Bereich unter der Schweißelektrode 5 praktisch unaufgeschmolzen, wodurch die Bindung zwischen den Schmelztröpfchen der Schweißelektrode 5 und dem Grundmetall verschlechtert wird. Dabei treten häufig Schv.eißfehler, z.B. in Form von Unterhöhlung des Schweißwulsts, eines welligen Schweißwulsts und einer mangelhaften oder mangelnden Verschmelzung des Grundmetalls, auf. Außerdem führt das häufige Auftreten von Blasen und Spritzern zu einem beeinträchtigten Aussehen des ·* Schweißwulsts. Wenn der Schweißlichtbogen 6 auf die geschilderte Weise abgelenkt wird, schmilzt zudem die Schweißelektrode 5 nur von einer Seite her ab, wie dies in F i g. 2 gezeigt ist

Unter diesen Bedingungen kann die Übertragung der Schmelztröpfchen von der Schweißelektrode 5 nicht als vorteilhafte Sprühübertragung erfolgen, vielmehr erfolgt sie in einer ungünstigen Mischform zwischen einer Kugelübertragung und einer Kurzschlußübertragung. Infolgedessen werden mit einem knackenden Kurzschlußgeräusch grobe Spritzer verstreut und auf der Schweißwulstoberfläche abgelagert, was zu einem schlechten Aussein des Schweißwulstes führt Noch ungünstiger ist dabei, daß diese Spritzer sich auch an der öffnung in der Spitze der nicht dargestellten Schutzgasdüse am Elektrodenhalter absetzen, wodurch die Schutzgasabschirmung gestört und ein Luftzutritt ermöglicht wird. Unter diesen Bedingungen kann sich die Durchführung der Schweißarbeit als praktisch unmöglich erweisen.

Die erwähnte Ablenkung des Schweißlichtbogens entgegengesetzt zur Schweißrichtung sowie die davon herrührenden Unregelmäßigkeiten des Schweißwulsts und Schweißfehler treten nicht nur beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen, sondern aurh beim Tauchlichtbogenschweißen unter Verwendung von Gleichstrom als Schweißstrom auf. In beiden Fällen hat es sich als schwierig erwiesen, eine saubere, einwandfreie Schweißnaht ohne Schweißfehler zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Anordnung für das von der Rohrinnenseite her längs einer Fuge erfolgende Längsnahtschweißen an einem Rohling für geschweißtes Stahlrohr nach dem Lichtbogenschweißverfahren mit mehreren abschmeJ-zenden Elektroden und mit über mindestens ein Schweißkabel als Schweißstrom zugeführtem elektrischen Gleichstrom, womit eine einwandfreie Schweißnaht herstellbar sein soll.

In diesem Zusammenhang bezweckt die Erfindung die Verhinderung einer Magnetisierung des Rohlings und des resultierenden magnetischen Blasens des Schweißlichtbogens entgegengesetzt zur Schweißrichtung beim Lichtbogenschweißen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anzahl der Elektroden geradzahlig ist, daß die Hin- und Rückleiter des Schweißstromes zueinander benachbart durch das Rohrinnere verlaufen, und daß die eine Hälfte der Elektroden positiv, die andere negativ gepolt ist, so daß die durch den zum Schweißen benutzten, durch die in den Rohrrohling eingeführten Schweißkabel fließenden Gleichstrom erzeugten Magnetkraftlinien einander aufheben und eine Magnetisierung des Rohrrohlings verhindert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele

der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g, 1 eine schematische Seitenansicht zur Veranschaulichung eines bisher angewandten Verfahrens for das vom Rohrinneren her längs einer Fuge erfolgende Längsnahtschweißen bei einem Rohrrohling für geschweißte Stahlrohre sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Fig.2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene, schematische Teilansicht zur Darstellung eines Schweißvorgangs beim bisher angewandten Schutzgaslichtbogenschweißen mit elektrischem Gleichstrom und einer abschmelzbaren Elektrode als Anode,

Fig.3 eine schematische Teilschnittansicht zur Veranschaulichung eines Schweißvorgangs beim von innen her längs einer Fuge erfolgenden Längsnahtschweißen an einem Rohling für geschweißtes Stahlrohr nach dem bisher üblichen Schutzgaslichtbogenschweißen.

Fig.4A und 4B Vektordiagramme zur Darstellung der Beziehung zwischen der Richtung des durch einen Schweißlichtbogen fließenden elektrischen Stroms, der Magnetisierungsrichtung an der Fuge des Rohlings für geschweißtes Stahlrohr und der Richtung der beim erwähnten, bisher angewandten Schweißverfahren auf den Schweißlichtbogen einwirkenden Kraft,

Fig.5 eine schematische Seitenansicht zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 6 eine photographische Darstellung des Zustands eines nach dem genannten, bisher angewandten Schweißvorgang erzielten Schweißwulst,

Fig.7 eine photographische Darstellung des Zustands eines nach der Erfindung erhaltenen Schweißwulst¹;, und

Fig.8 eine photographische Darstellung des Zustands, einer nach einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellten Schweißnaht

Es wurden ausgedehnte Untersuchungen mit dem Ziele der Klärung der grundsätzlichen Ursachen für unregelmäßige Schweißwulste und Schweißfehler, wie Unterhöhlungen des Schweißwulsts, Welligkeit im Schweißwulst, mangelnde Verschmelzung des Grundmetalls und Spritzerbildung, angestellt, wie sie beim eingangs umrissenen, bisher angewandten Schweißverfahren zu beobachten sind. Aufgrund dieser Untersuchungen hat es sich gezeigt, daß diese Mängel der Ablenkung eines Plasmastrahls in Richtung auf das geschmolzene Metall der Aus- oder Ablenkung des Schweißlichtbogens zuzuschreiben sind, und daß die Ablenkung des Schweißlichtbogens durch eine Magnetkraft hervorgeruren wird, die durch den zum Schweißen benutzten, durch ein in den Rohrrohling eingeführtes Schweißkabel fließenden elektrischen Gleichstrom erzeugt wird.

Bei dem erläuterten, bisher angewandten Verfahren fließt auf die in der Teilschnittdarstellung von Fig 3 veranschaulichte Weise ein über ein Schweißkabel 9 in den Rohrrohling 3 eingeführter G'eichstrom entgegengesetzt zur Schweißrichtung. Infolgedessen wird durch den Gleichstrom eine, von der rechten Seite von F i g. 3 her gesehen, im Uhrzeigersinn verlaufende magnetische Kraftlinie 10 erzeugt, so daß sich um das Schweißkabel 9 herum ein starkes magnetisches Feld ausbildet. Durch dieses Magnetfeld wird der Rohrrohling 3 in derselben, im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung wie derjenigen des magnetischen Kraftfelds 10 stark magnetisiert, wobei an der Fuge des Rohlings 3 ein starker magnetischer Streufluß fntsteht und in der Fuge ein starkes Magnetfeld hervorgerufen wird. Beim Verschweißen einer Fuge, in welcher ein derartiges starkes Magnetfeld herrscht, wird der Schweißliehtbogen einer abschmelzenden Elektrode 5, der einen Strom geladener Teilchen darstellt, durch dieses starke Magnetfeld an der Fuge abgelenkt Diese Erscheinung wird als magnetisches Blasen des Lichtbogens bezeichnet

Die Beziehung zwischen der Richtung des durch einen Schweißlichtbogen fließenden elektrischen Stroms, der Magnetisierungsrichtung an der Fuge eines Rohrrohlings und der Richtung der an der Fuge auf den Schweißlichtbogen einwirkenden Kraft ist in den Vektordiagrammen gemäß F i g. 4A und 4B veranschaulicht In diesen Figuren sind mit A die Richtung des elektrischen Stromflusses im Schweißlichtbogen 6 durch die Schweißelektrode, mit B die Magnetisierungsrichtung an der Fuge des Rohlings 3, mit C die Schweißrichtung und mit F die Richtung der auf den Schweißlichtbogen 6 einwirkenden Kraft bezeichnet Gemäß Fig.4A und 4B entspricht die Richtung Fder auf den Schweißlichtbogen 6 einw^: -Lenden Kraft der Richtung des durch das Schweißkube¹ 9 fließenden Gleichstroms (vgl. Fig.3), und diese Richtung liegt entgegengesetzt zur Schweißrichtung C Wie in Verbindung mit Fig.2 beschrieben ist, wird der SchweiOlichtbogen 6 infolgedessen entgegengesetzt zur Schweißrichtung C abgelenkt, wodurch die vorher geschilderten Schweißfehler entstehen.

Die auf der Grundlage der vorgenannten Untersuchungen entwickelte Erfindung ermöglicht es, daß die Magnetisierung des Rohrrohlings und die resultierende magnetische Ablenkung des Schweißlichtbogens verhindert werden.

Wie in der schematischen Darstellung von F i g. 5 gezeigt ist, wird ein Ausleger 2, der eine Länge zumindest entsprechend der Länge eines zu schweißenden Rohrrohlings 3 besitzt, der an seinem freien Ende einen vorlaufenden Elektrodenhalter la und einen diesem nachgeschalteten, nachlaufenden EhktroH.enhalter Xb trägt und dessen gehaltenes Ende an einem nicht dargestellten Wagen oder Schlitten befestigt ist, im vo- aus zusammen mit Schweißkabeln 9a und 9b in den Rohrrohling 3 eingeführt. Eine durch den vorlaufenden Elektrodenhalter la hindurchgeführte vorlaufende Schweißelektrode 5a wird über das Schweißkabel 9a an positive Polarität angelegt, während eine durch den nachlaufenden Elektrodenhalter ib hindurchgeführte nachlaufende Schweißelektrode Sb über das Schweißkabel 9b an negative Polarität angelegt wird. Der Rohrrohling 3 wird dann auf die durch den Pfeil 14 gemäß Fig.5 angedeutete Weise von innen her einer Längsnahtschweißung unterworfen, während der Ausleger 2 zusammen mit den Schweißkabeln 9a und Vb mittels des Wagens aus dem Rohrrohling 3 herausbewegt wird.

Beim erfindungigemäßen Verfahren gemäß F i g. 5 fließt der elektrische Gleichstrom im Schweißkabel 9i>, wie durch den Pfeil 12 angedeutet ist, von rechts nach links zur Schweißelektrode 5a. Hierbei werden durch diesen Gleichstrc.n, von der rechten Seite in F i g. 5 her gesehen, im Uhrzeigersinn verlaufende magnetische Kraftlinien 13 erzeugt. Andererseits fließt der elektrische Gleichstrom im Schweißkabel 9fr, -vie durch den Pfeil 15 angedeutet ist, von links nach rechts von der Schweißelektrode 5b her. Hierdurch werden entgegengesetzt /.u den inagnetischen Kraftlinien 13. d.h. entgegen dem Uhrzeigersinn, verlaufende magnetische Kraftlinien 16 erzeugi. Die beiden Kraftlinien 13 und 16

heben sich also gegenseitig auf, so daß der Rohrrohling 3 kaum magnetisiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, die magnetische Ablenkung des Schweißlichtbogens sowie die davon herrührenden Unregelmäßigkeiten des Schweißwulsts und die Schweißfehler, wie Unterhöhlung und Welligkeit des Schweißwulsts, mangelnde oder mangelhafte Verschmelzung des Grundmetalls und Spritzerbildung, vollständig zu verhindern.

Die Magnetisierung eines Rohrrohlings kann auch verhindert werden, indem (vgl. Fig.5) im Gegensatz zum vorher beschriebenen Verfahren die Schweißelektrode 5a negativ, und die Schweißelektrode 5b positiv gepolt wird. Hierbei erfolgt die Längsnahtschweißung innerhalb des Rohrrohlings 3 mit den Elektroden 5a und 5b entgegengesetzt zum Pfeil 14, wobei der Ausleger 2 zusammen mit den Schweißkabeln 9a und 9b mittels des nicht dargestellten Wagens von der gemäß Fig. 5 rechten Seite hsr in den Rohrrohün** 3 pincn»ftthrt wird. Hierbei ist die Elektrode 5b die vorlaufende und Elektrode 5a die nachlaufende Elektrode.

Wenn die vorlaufende Schweißelektrode positiv und die nachlaufende Elektrode negativ gepolt wird, lassen sich jedoch bessere Ergebnisse erzielen, weil sich dabei der an der Seite der vorlaufenden Elektrode erforderliche tiefere Einbrand leichter erreichen läßt.

Während bei der Anwsndung der ersten Ausführungsform auf das Schutzgaslichtbogenschweißen bezüglich der positiv gepolten Elektrode keinerlei Schwierigkeiten auftreten, werden bei der negativ gepolten Elektrode die Schmelztröpfchen von der Schweißelektrode über ihre Spitze hinaus weggeblasen, wobei sich diese Spritzer an der Schweißwulstfläche und ihrer Umgebung absetzen und dadurch häufig das Aussehen des Schweißwulsts beeinträchtigen. Wenn der Schweißvorgang über einen längeren Zeitraum hinweg ununterbrochen durchgeführt wird, setzen sich die Spritzer zudem an der öffnung der Schutzgasdüse ab, wodurch die gleichmäßigere Strömung des Schutzgases gestört und die Stabilität des Schweißlichtbogens beeinträchtigt wird. Im Extremfall können durch eingeschlossene Luft sogar grobe Blasen im geschmolzenen Metall hervorgerufen werden.

Es wurden daher weitere Untersuchungen mit dem Ziel der Ausschaltung der genannten Schwierigkeiten angestellt. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen hat es sich herausgestellt, daß das Aussehen eines Schweißwulsts beträchtlich verbessert werden kann, wenn als nachlaufende Elektrode eine negativ gepolte Elektrode unter Pulver und als vorlaufende Elektrode eine pos'.^v gepolie Elektrode unter Schutzgas verwendet werden.

Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung werden alle an der negativ gepolten Elektrode verspritzten Schmelztröpfchen von einer Pulverdecke aufgefangen und nicht als Spritzer auf der Oberfläche des Schweißwulsts abgelagert, so daß eine saubere, fehlerfreie Schweißnaht erzielt wird. Bei dieser Ausführungsform kann aber auch an der positiv gepolten, vorlaufenden Schweißelektrode unter Pulver geschweißt werden; ebenso läßt sich mit letzterer Elektrode auch ohne ein Schutzmittel schweißen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel!

Von zwei Rohrrohlingen mit einer Wanddicke von 25,4 mm, einem Außendurchmesser von 122 cm und einer Länge von 12 m wurde der eine Rohrrohling nach der in Verbindung mit F i g. 5 beschriebenen ersten

ίο Ausführungsform der Erfindung geschweißt.

Am anderen Rohrrohling wurde zu Vergleichszwekken das außerhalb des Erfindungsrahmens liegende, bisher übliche Scnutzgaslichtbogenschweißen durchgeführt, welches dieselben Verfuhrensschritte umfaßt, nur i) mit dem Unterschied, daß dabei beide Elektroden parallel geschaltet und positiv gepolt sind. Der Zustand der hierbei erzielten Schweißwülste ist in den F i g. 6 und 7 veranschaulicht.

Bei der nach dem genannten bisher üblichen 2(i Verfahren hergestellten Schweißnaht (vgl. Fig. 6) war nicht nur das Aussehen mangelhaft, vielmehr zeigten Röntgenuntersuchungen auch Schweißmängel, wie fehlende Verschmelzung des Grundmetalls und Unterhöhlung des Schweißwulsts.

.'5 Die nach der ersten Ausfiihrungsform der Erfindung erhaltene Schweißnaht besitzt im Gegensatz dazu (vgl. Fig. 7) ein sauberes, ausgezeichnetes Aussehen, wobei sich ?'.!ch durch Röntgenunter.uchungen und Ultraschall-Werkstoffprüfung keine Spuren von Schweißin mangeln feststellen ließen.

Ähnlich gute Ergebnisse wurden auch mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung erzielt, bei welcher gemäß Fig. 5, im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, die abschmelzende Schweißelektrode 5a negativ J^ gepolt und die Elektrode 5£> positiv gepolt war. Das Längsnahtschweißen erfolgte dabei in einer Richtung entgegengesetzt zum Pfeil 14. Hierbei bildet die Elektrode 5b die vorlaufende und die Elektrode 5a die nachlaufende Schweißelektrode.

Beispiel 2

Ein Rohrrohling mit einer Wanddicke von 25,4 mm, einem Außendurchmesser von 61 cm und einer Länge von 12 m wurde gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung geschweißt. Bei diesem Schweißvorgang wurde an der Seite der negativ gepolten Schweißelektrode unter Pulver und an der positiv gepolten Elektrode unter Schutzgas gearbeitet.
Die dabei hergestellte (vgl. Fig.8) Schweißnaht

so besaß ein ausgezeichnetes Aussehen, ohne — auch bei Röntgenuntersuchung und Ultraschall-Werks' iffprüfung — die geringsten Schweißmängel zu zeigen.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung bezieht sich die Erfindung auf den Fall, in welchem ein Rohrrohling stillsteht, während ein mit hintereinander angeordneten Elektrodenhaltern versehener Ausleger bewegt wird Es kann sich aber auch der Rohrrohling bewegen, während der Ausleger in ortsfester Lage gehalten wird, da es nur auf die relative Bewegung zwischen dem Rohr und den Elektroden ankommt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche;

1. Geräteanordnung zum mechanisierten Gleichstrom-Lichtbogenschweißen von Rohr-Innenlängsnähten mit mehreren, hintereinander angeordneten abschmelzenden Elektroden, dadurch gekennzeichnet,

(a) daß die Anzahl der Elektroden (5a, Sb) geradzahlig ist,

(b) daß die Hin- und Rückleiter (9a, 9b) des Schweißstromes zueinander benachbart durch das Rohrinnere verlaufen, und

(c) daß die eine Hälfte der.Elektroden positiv, die andere negativ gepolt ist.

2. Geräteanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positiv gepolten Elektroden die vorlaufenden, die negativ gepolten die nachlaufenden Elektroden sind.

3. Geräteanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorlaufenden, positiv gepolten Elektroden einem Schweißkopf für die Schutzgasschweißung zugeordnet sind.

4. Geräteanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nachlaufenden, negativ gepolten Elektroden einem Schweißkopf für die Unterpulverschweißung zugeordnet sind.