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Bogenschweißverfabren und Vorrichtung hierfür
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BOGENSCHWEISSVERFAHREN UND VORRICHTUNG HIERFÜR Die Erfindung bezieht
sich auf ein Schweißverfahren mit einer schmelzbaren Elektrode und eine Vorrichtung
hierfür; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren gemäß der im
Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung sowie eine Vorrichtung gemäß der
im Oberbegriff des Anspruches 6 angegebenen Gattung. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise Schweißtechniken wie das
GMA' (Gas-Metall-Bogen) -Schweißen, das Schweißen mit verdeckter Elektrode und ein
Seelendraht-Elektrodenschweißen durchgeführt werden.
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Vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft beim Schweißen von
Rohrleitungen; hierauf jedoch nicht beschränkt. Im folgenden wird die Erfindung
im wesentlichen anhand der Verschweißung einer Rohrleitung beschrieben. Es sei jedoch
nochmals betont, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
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Beim Schweißen von Rohrleitungen wurden bereits verschiedene Techniken
unter Verwendung automatischer Schweißanordnungen
verwendet. Beispielsweise
wurde das CRC-Verfahren verwendet, welches ein GMA-Verfahren ist, wobei eine besondere
Vorbereitung der Verbindungsstelle einschließlich der Abschrägung der Innenkanten
der miteinander zu verschweißenden Rohrabschnitte notwendig ist. Bei diesem Verfahren
wird die Grundschweißspur von innen hergestellt, und zwar mit Schweißbrennern, welche
auf der Innenseite der Rohrabschnitte angeordnet sind.
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Beim sogenannten"ESSO'1 (Warenzeichen)- Verfahren werden die miteinander
zu verbindenen Rohrabschnitte aneinandergelegt.
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Ein unmittelbar vor dem Schweißbrenner angeordnetes Sägeblatt schneidet
eine Rinne von etwa 1,52 mm (0,060") an der Berührungsnaht. Eine etwa 1,02 mm (0,040")
starke abschmelzbare Elektrode wird in die Rinne eingeführt. Die Elektrode muß direkt
in der Mitte dea Rinne gehalten werden, wenn man eine bleibende bzw. dichte Schweißnaht
erhalten will. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß es schwierig ist, die
Elektrode stets genau auf die Mitte hin ausgerichtet zu halten,so daß sich des "ESSO"-Verfahren
nicht recht durchsetzen konnte.
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Das TIG (Wolfram-Inert-Gas)-Schweißverfahren wird in großem laße für
Schweißarbeiten in der Raumfahrt- und Nuklearindustrie verwendet; zum Verschweißen
von Rohrleitungen wird es relativ selten verwendet. Die erfix;dungsgemSße Lehre
ist auch auf das TIG-Schweißen anwendbar. Beim TIG-Schweißen wird ein Bogen zwischen
einer Wolframelektrode und einem zu verschweißenden Grundmaterial gezündet. Das
Grundmaterial schmilzt und ein Füllstab wird in das Bad von geschmolzenem Metall
hineingeführt und schmilzt dort. Das TiG-Verfahren ist ein relativ langsames Verfahren
mit einer Schweißnahtherstellung von etwa 50 bis 300 mm (2" bis 12") pro Minute
Andere üblicherweise beim Schweißen von Rohrleitungen verwendete Techniken arbeiten
mit einer Stabelektrode, die mit einem Flußmittel überzogen ist. Bekanntlich führen
jedoch
flußmittelüberzogene Stabelektroden zu einer ganzen Reihe
von Problemen.
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Beim GMA-SchweiBen schmelzen sowohl große als auch kleine Metalltropfen
von der SchweiBelektrode statistisch verteilt ab. Das Auftreten von großen Tropfen
kann sich nachteilig auf die Stabilität des Bogens auswirken und insoweit zu Fehlern
führen. Ein unstabiler Bogen führt häufig dazu, daß die eine Seite des zu verschweißenden
Werkstückes (Grundmaterial) heißer als die andere wird. In diesem Zusammenhang sei
darauf hingewiesen, daß in der Fachwelt allgemein angenommen wird, daß eine schlechte
Wärmeverteilung zu einer relativ geringen Belastbarkeit der fertiggestellten Schweißnaht
führt.
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Ein weiterer wesentlicher Faktor beim Schweißen ist die Eindringtiefe.
Die Eindringtiefe hängt von der Wärmezufuhr ab.
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Wenn der Bogen nicht stabil ist, ist es notwendig, die Schweißgeschwindigkeit
zu verlangsamen um eine ausreichende Eindringtiefe zu erzielen. Deswegen verlangsamen
Schweißer häufig die Vorschubgeschwindigkeit, so daß dem Grundmaterial zwangsläufig
mehr Wärme zugeführt wird als benötigt. Ein derartiger Wärmeüberschuß für das Grundmaterial
ist jedoch nicht erwünscht, da hierdurch die metallurgischen und physikalischen
Eigenschaften des Grundmaterials in der Regel schlechter werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäß Verfahren
und die gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzuverbessern,daß unter weitestgehender
Beibehaltung deren bisheriger Vorteile ein effektiveres Schweißen möglich wird.
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Diese Aufgabe wird dadprch gelöst, daß erfindungsgemäß die abschmelzbare
Schweißelektrode zu einer Oszillation bzw.
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Schwingung in der zwischen den zu verschweißenden Stücken verlaufenden
Rinne veranlaßt und ferner der Schweißbrenner
(oder ein mit der
abschmelzbaren Elektrode verbundenes bzw.
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dieser zugeordnetes Bauteil) hierbei gegen Begrenzungen zu beiden
Seiten der Bewegungsbahn der Schweißelektrode anschlägt, derart, daß geschmolzenes
Metall von der abschmelzbaren Elektrode gegen die die Rinne begrenzenden Seitenwandungen
geschleudert wird.
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Zwar bezieht sich die folgende Beschreibung auf ein Schweißverfahren,
bei welchem eine Schweißnaht in einer Rinne hergestellt wird; die Erfindung ist
jedoch nicht auf ein derartiges Schweißverfahren beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße
Verfahren einschließlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zur Oberflächenhärtung
verwendet werden, wobei beispielsweise diejenige Oberfläche der Schrapperklinge
eines Bulldozers oder der Zähne eines Löffelbaggers, die in die Erde eindringt,
mit einer Schweißschicht überzogen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung
können auch dazu verwendet werden, den Brennstab in der rohrförmigen Ummantelung
eines Kernreaktors dicht einzuschweißen. In diesem Fall wird die abschmelzbare Elektrode
einfach in Schwingungen versetzt und über die Oberfläche oder die dicht zu verschweißende
Rinne geführt und an den Begrenzungen der Bewegungsbahn Stößen unterworfen. Das
erfindungsqem;iRc Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind insbuondere
von großen Vorteil bei dem vorstehend genannten Verschweißen des Brennstabes eines
Kernreaktors, da die resultierende Schweißschicht auf die Schweißoberfläche gespritzt
und hierdurch eine zu tiefe Eindringung bzw. ein entsprechender Einbrand vermieden
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
haben auch wegen der geringen Eindringung besondere Vorteile beider Oberflachenhärtung.
Demgemäß wird bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sTß: Oberflächenhärtung die grete Oberfläche
beispielsweise
der oben genannten Klinge oder Zähne, im wesentlichen aus hartem Schweißmaterial
und nicht aus einer Legierung des Grundmaterials mit dem Schweißmaterial bestehen.
Letzteres würde der Fall sein, wenn beispielsweise das übliche MIG-Verschweißen
zur Oberflächenhärtung herangezogen würde.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht in einer Rinne zwischen den
Wänden bzw. Seitenwandungen von zwei miteinander zu verschweißenden Metallstücken,
bei welchem eine abschmelzbare Elektrode mit einem freien Ende durch einen Schweißbrenner
und dann in die Rinne geführt wird, wobei die beiden Metallstücke und der Schweißbrenner
relativ zueinander bewegt werden, derart'daß der Schweißbrenner längs der Rinne
bewegt wird oder vice Versa, Ferner wird hierbei ein ausreichendes Potential, genauer
eine ausreichende Potentialdifferenz, zwischen die miteinander zu verschweißenden
beiden Metallstücke und die abschmelzbare Elektrode angelegt, um einen Schweißbogen
zwischen diesen Teilen zu zünden.Der Schweißbogen schmilzt dann die abschmelzbare
Elektrode und wenigstens einen Teil der Seitenwandungen der miteinander zu verschweißenden
Metallstücke. Während des Schweißvorganges wird die abschmelzbare Elektrode einer
Hin- und Herschwingung quer zur Schweißrinne unterworfen. Erfindungsgemäßwird hierbei
der abschmelzbaren Elektrode eine Schwingungsfrequenz von wenigstens 6 Hz aufgeprägt
und während des Schweißens das freie Ende der abschmelzbaren Elektrode in der Rinne
gehalten. An jedem Ende jedes Haltzyklus der Oszillation der abschmelzbaren Elektrode
wird diese einer stoßartigen Kraft unterworfen, so daß sie ihre Bewegung gegen diejenige
Seitenwandung der miteinander zu verschweißenden Metallstücke unterbricht, gegen
die sie sich vor der Stoßbelastung bewegte. Unmittelbar nach der Stoßbelastung wird
die abschmelzbare Elektrode weg von der vorstehend genannten Seitenwandu« und in
Richtung der gegenüberliegenden Seitenwandung der MetalstUoke bewegt. Hierdurch
wird das am
freien Ende der abschmelzbaren Elektrode geschmolzene
Metall gegen die erstgenannte Seitenwandung gespritzt.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel bezieht sich
die Erfindung auf eine Schweißanordnung mit einer abschmelzbaren Elektrode zur Herstellung
einer Schweißnaht zwischen Metalloberflächen, die durch einen Spalt bzw. eine Rinne
voneinander getrennt sind. Die erfindungsgemäße Anordnung weist hierbei einen Schweißbrenner,
eine Einrichtung zur Bewegung der abschmelzbaren Elektrode durch den Schweißbrenner
und in die Rinne, eine Einrichtung zur Bewegung der Spitze der Schweißelektrode
längs einer vorgegebenen, in Längsrichtung durch die Rinne führenden Bahn, eine
Einrichtung zur Hin- und Heroszillation der Elektrode quer zur vorgegebenen Bewegungsbahn
und eine Einrichtung zur Beaufschlagung der Elektrode mit einer Stoßkraft am Ende
jedes Halbzyklus der Oszillation, um hierdurch die Bewegung der Elektrode zu unterbrechen
und geschmolzenes Metall an diejenige Oberfläche zu spritzen, gegen die sich die
Elektrode vor der Stoßbelastung bewegt hat. Der Schweißbrenner weist bei der erfindungsgemäßen
Anordnung eine schwenkbar angeordnete Elektrodenhalterung für die Elektrode auf.
Die Elektrode ist in Berührungskontakt durch die Elektrodenhalterung geführt. Die
Einrichtung zur Hin- und Herschwingung der Elektrode quer zur vorgegebenen Bahn
weist eine Einrichtung zur J3(w(qung der Elektrodcnha Itc ru ng auf, wobei die Einrichtung
zur Bewegung der Elektrodenhalterung eine elektromagnetische Einrichtung und eine
mit letzterer gekoppelte Ausrüstung aufweist, welche von der elektromagnetischen
Einrichtung angezogen wird, sobald die elektromagnetische Einrichtung erregt wird.
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Hierbei sind eine elektromagnetische Einrichtung und eine Ausrüstung
jeweils wirkungsmäßig mit der Elektrodenhalterung verbunden. Schließlich weist die
erfindungsgemäße Anordnung auch noch eine Einrichtung zur Erregung der elektromagnetischen
Einrichtung auf.
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Der erfindungsgemäße Gedanke hebt sich deutlich von der bekannten
Technik, insbesondere dem Hand- oder GMA-Schweißen ab, bei welchem die Stabelektrode
langsam in der Schweißrinne hin- und herbewegt wird, um die Rinne aufzufüllen. Die
Frequenz dieser Hin- und Herbewegung ist jedoch erheblich langsamer als die erfindungsgemäße
Mindestfrequenz. Darüberhinaus ist bei den bekannten Schweißtechniken keine Stoßbeanspruchung
der Elektrode vorgesehen.
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Die vorstehend geschilderte Hand-Bewegung der Stabelektrode ist automatisiert
worden,beispielsweise gemäß der Lehre der US-PS 1 667 585 vom 24.April 1928 (V.J.
Chapman). Sowohl die automatisierte als auch die von Hand betriebene Version obigen
Schweißverfahrens arbeitet mit einer niedrigen Frequenz und üben keinen Stoß auf
die Elektrode aus. In allen bekannten Fällen, in denen eine Hin- und Herbewegung
der Elektrode ausgeführt wurde, diente diese Hin-und Herbewegung lediglich dem Auffüllen
der Rinne. Demgegenüber werden in vorliegender Erfindung eine Schwingung und eine
Stoßbelastung ausgeführt, um eine bislang einzigartige Schweißnaht zu erzielen,
bei welcher das Metall an den Seitenwandungen der Verbindungsrinne bzw. -naht aufgetragen
wird und ein Verschmelzen kurz danach stattfindet.
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Gemäß dem Vorstehenden umfaßt die Frfindung ein Schweißverfahren und
eine Schweißanordnung hierfür, beispielsweise ein GMA-Schweißverfahren, bei welchem
eine abschmelzbare Elektrode verwendet und zu Hin- und Herschwingungen über die
Oberfläche des mit dem Schweißrnaterial zu beschichtenden Objektes oder quer zu
einer Rinne zwischen zwei miteinander zu verschweissenden Metalistücken veranlai?t
wird. An den Schwingllngsenden der abschmelzbaren Elektrode wird diese einem Stoß
unten?orfe; Der Stoß unterbricht die Bewegung der Elektrode uns veranlaßt, daß das
an den Enden der abschmelzbaren Elektrode von welcher der Schweißbogen gezündet
ist - geschmolzene Metall von der Elektrode fortg4schlewdert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 5 und 7 bis 9 dargestellt.
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Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Ausführungsbeispiele unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine schematische Vorderansicht
eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Schweißbrenners; Figur 2 eine
Schnittansicht längs der Linie 2-2 in Figur 1; Figur 3 eine mit einem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schweißanordnung geschweißte Rohrleitung; Figuren 4 jeweils
zwei miteinander zu verschweißende Ab-und 9 schnittea und Figuren 5 bis 8 u.10 unterschiedliche
Schweißnähte, wobei die in Figur 6 dargestellte Schweißnaht durch bekannte Einrichtungen
bzw Verfahren hergestellt worden ist.
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Figur 1 ist eine schamatische Darstellung eines Ausführungsbeispieles
des erfindungsgemäßen Schweißbrenners. Der Schweißbrenner weist eine drehbare Haspel
10 für einen Elektrodendraht 11 auf, der über einen elektrischen Antriebsmotor 12
durch dan Schweißbrenner gefördert wird und durch die Kontaktspitze 13 das Wchweißbrenners
xagt bzw. geführt wie bei einem @@@@@schweißer @@lich - jedech in der Fichr nicht
dargen
misch strömt aus einer Gaskalotte des Schweißbrenners rund
um den Elektrodendraht 11 und dient zur Vergrößerung bzw.
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Verlängerung des Schweißbogens sowie zur Verhütung von Oxydation im
geschweißten Bereich. Ferner ist eine (nicht dargestellte) Einrichtung zur Steuerung
der Geschwindigkeit des Antriebsmotors 12 vorgesehen. Hiermit ist die Austrittsgeschwindigkeit
des Elektrodendrahtes 11 aus der Kontaktspitze 13 steuerbar.
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Bei dem insoweit geschilderten Schweißbrenner handelt es sich um einen
üblichen Schweißbrenner. Der Schweißbrenner ist jedoch dahingehend abgeändert, daß
ein elektrisch leitendes Führungsrohr 14 vorgesehen ist, welches den Elektrodendraht
11 zwischen dem Antriebsmotor 12 und der Kontaktspitze 13 führt derart, daß es um
eine horizontale Achse schwenkbar - nicht jedoch stationär - angeordnet ist. Die
für das Führungsrohr 14 vorgesehanen Schwenkstutzen 15 sind insbesondere in Figur
2 dargestellt.
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An einem am Führungsrghr 14 befestigten Träger 16 sind Lamellen 17
aus Eisen angebracht. Jeweils an einer Seite der Lamellen 17 sind Elektromagnete
18 vorgesehen, denen im wesentlichen Rechteck-Spannungswellen von einer geeigneten
(nicht dargestellten) Versorgungsquelle zugeführt werden Die Signal-Ausgangsfrequenz
der Versorgungsquelle bzw. der Rechteckwellen ist verändalich. Die Elektromagneten
18 ziehen im erregten zusiand jeweils die ihnen benachbarten Lamellen 17 an. Hierdurch
werden des Führungsrohr 14 und der Elektrodendraht 11 zu @in- and Herschwingungen
veranlaßt.
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Diesist durch den Doppelpfeil dargeistellt, Die Frequenz der Hin-
und Herschwingung ist durch die Frequenz des Ausgangssignales der Versorgungsquelle
festgelegt.
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Die Demellen 17 siod st ange@@@@nst @@@ @@@ gegen deren zugeordnete
Elektromagneten @ stoßen@ Dieses Aufprallen der Lamellen 17 auf die Elektromagneten
18 stellt ein wichtiges
Merkmal der Erfindung dar.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auch der Antriebsmotor
12 an den Lamellen 17 befestigt. Dies führt zu einer Schwingung mit größerem Trägheitsmoment
und demgemäß zu einem stärkeren Aufprallen.
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In Figur 4 sind zwei miteinander zu verschweißende Abschnitte 19
und 20 dargestellt, Diese beiden Abschnitte 19 und 20 können beispielsweise die
beiden miteinander zu verschweißenden Teile eines Rohres sein. Die Seitenwandungen
21 und 22 der beiden Rohrabschnitte 19 und 18 sind jeweils um 60 gegenüber der Vertikalen
abgeschrägt. Sie haben an derjenigen Stelle, an der sie einander am nächsten sind,
einen gegenseitigen Abstand von etwa 3,18 mm (0,125"). Die Werte für den vorstehend
genannten Winkel und den Abstand sind nicht von entscheidender Bedeutung. Gute Ergebnisse
wurden jedoch dann erhalten,wenn die miteinander zu verbindenden Abschnitte 19 und
20 127 mm (1/2") dick sind. Gegenüber dem "ESSO"-Verfahren muß hervorgehoben werden,
daß gute Schweißergebnisse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dann erhalten wurden,
wenn die Minimalabstände zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Abschnitten
19 und 20 (Figur 4) zwischen etwa 1,52 mm (0,060't) und 4,06 mm (0,160") liegen.
Hierbei muß die Amplitude der Elektrodendrahtschwingung 11 richtig eingestellt sein.
Im Hinblick auf die Gleichförmigkeit der Schweißnaht ist es vorteilhaft, daß die
Abstände zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Abschnitten 19 und 20
längs des Rohrumfanges gleich sind. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
jedoch - im Gegensatz zum "Esso"-verfahren -auch bei Schwankungen des Abstandes
gute Schweißergehnises erzielbar.
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Die Verbindungsstelle der miteinander zu verschweißenden Abschnitte
19 und 20 kann dem Be Darstellungen in Figur 4 ausgestaltet sein. vorzugsweise wird
jedoch eine Verbindungsstelle
gemäß den Darstellungen in Figur
9 verwendet. Bei dieser Verbindungsstelle sind die Seitenwände 21a und 22a (12,7
mm bzw. 1/2" dick) jeweils um 70 gegenüber der Vertikalen gencigt. Nach außen von
den zugeordneten Seitenwanden 21a und 22a abstehende Vorkragungen 24 haben jeweils
eine Stärke bzw. Tiefe von etwa 0,76 mm (0,030") und einen Abstand von der zugeordneten
Seitenwand von ebenfalls etwa 0,76 mm (0,030"). Der Abstand zwischen den einander
gegenüberliegenden Stirnflächen der Vorkragungen 24 beträgt etwa 1,27 mm (0,050").
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Zufriedenstellende Schweißergebnisse wurden allerdings auch bei Abständen
von 0;76 mm (0,030") bis 3,18 mm (0,125") und einer Drahtstärke von 0,9 mm erzielt.
Bei größeren gegenseiten Abständen der Schweißabschnitte 19 und 20 kann ein Rücksaugen
(stuck back") auftreten. Wenn der Abstand zwischen den miteinander zu verschweißenden
Abschnitten 19 und 20 vergrößert oder verkleinert wird, dann müssen auch die Schwingungsamplitude
und die Fördergeschwindigkeit des Drahtes in gleicher Weise vergrößert oder verkleinert
werden.
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Beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren wird vorzugsweise der Schweißbrenner
entweder auf eine Vorrichtung montiert, die ihn rund um die Rohrabschnitte 19 und
20 führt oder der Schweißbrenner ortsfest gehalten und das Rohr gedreht. Bei dem
in Figur 3 dargestellen Ausführungsbeispiel der Erfindunc ist ein Rohrgürtel 30
an dem eineb Rohrabschnitt 20 festgeklammert, und zwar mit gleichem Abstand von
der Rinne 23 zwischen den beiden Rohrabschnitten 19 und 20. Der Rohruürtel 30 bildet
eine Führungsspur für einen Schlitten cüer Wagen 31.
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Die beiden Rohrabschnitte 19 und 20 sind mittels einer Innenklammer
( nicht dargestellt) Stoß auf Stoß und dicht aneinandergrenzend ausgerichtet. Die
Inrenklammer kann in üblic:he Weise aufgebaut und pneumatisch betätigbar sein.
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Der Schlitten 31 trägt die Haspel 10 und den Schwelßbrenner.
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Letzterer ist schwenkbar an einer horizontalen Welle 32 angelenkt
und kann an dieser Welle festgestellt werden.
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Der Schlitten 31 ist mit Rädern 33 bestückt, die über den Rohrgürtel
30 bzw. die Führungsbahn rollen. Die Räder 33 werden von einem Elektromotor 34 über
Ketten (nicht dargestellt) und Zahnräder (nicht dargestellt) angetrieben. Der Schlitten
31 ist ferner mit vier Tragbeinen 35 bestückt. Die Tragbeine 35 sind jeweils mit
Rollen ausgestattet, die an der Oberwand, der Bodenwand und den Seitenwänden des
Rohrgürtels 30 eingreifen und den Schlitten 31 auf dem Rohrgürtel 30 halten.
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Der dargestellte Schlitten 31 und der Rohrgürtel 30 sind an sich bekannt.
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Mittels einer Justierschraube 35a läßt sich der Anstellwinkel des
Schweißbrenners verändern. Gute Schweißergebnisse wurden insbesondere dann erzielt,
wenn entweder die LEngsachse des Schweißbrenners radial zu den Rohrabschnitten 19
und 20 ausgerichtet oder die Kontaktspitze 13 um 20 bis 6° in Vorwärts richtung
des Schweißbrenners vorgeneigt ist. Eine Neigung nach hinten kann ein Durchblasen
fördern.
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Der Elektrodendraht 11 wird in die Rinne 23 zwischen die Seitenwandungen
21 und 22 eingeführt. Der Elektrodendraht 11 wird über das Führungsrohr 14 von liner
üblichen Versorgungsquelle mit Spannung bzw Strom versorgt und dadurch der Bogen
gezündet Hierbei werden der Elektrodendraht 11 mit steuerbarer Vorschubrate vom
Antriebzmoter 12 vorgeschoben und der Schweißbrenner relativ zu den Rohrabschnitten
19 und 20 (oder vice veraa) länge der Einne 21 @wegt. Gleichzeitig werden die Elektromagneten
10 exregt, um der Elektrodsendraht 11 guer über die Rinne 23 hin-und herzuschwingen.
Die Schwingungsamplitude des Elektrodendrchtes 11 ist so eingestellt, daß er nicht
gegen die Seitenwände 21 oder 12 schlägt. Allerdinge findet zwischen den Lameliazu
17 und den #@ektromagneten 18 ein Stoß statt. Ummittelher nawh dem stol wind die
Bewegungsrichtung des Ekektrodendrahtes
11 umgekehrt, so daß er
sich von den Seitenwandungen, zu denen er sich vor dem Stoß bewegt hat, fortbewegt.
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Mittels Hochgeschwindigkeitsphotographie wurde der Effekt dieses Bewegungszusammenspiels
beobachtet. Hierbei zeigte sich, daß geschmolzenes Metall von den Enden des Elektrodendrahtes
11 weg und gegen die Seitenwände 21 und 22 geschleudert wurde. Gleichzeitig wurde
ein Bad geschmolzenen Metalles zwischen den beiden Rohrabschnitten 19 und 20 im
unteren Teil der Rinne 23 hinter dem Bogen gefunden. Die Form der resultierenden
Grundschweißspur ist in Figur 5 dargestellt. Demgegenüber erhält man mit bekannten
Techniken die in Figur 6 dargestellte Grundschweißspur. Die in Figur 6 dargestellte
Schweißspur hat den Nachteil des sogenannten Wölbungs-Effektes.
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Infolge des Wölbungseffektes trifft während der zweiten oder heißen
Schweißspur der Bogen auf den Punkt der Grundschweißspur, der am nächsten zur Elektrode
liegt. Dieser Punkt ist die Wölbungsspitze. Hierdurch wird insbesondere im Wölbungsscheitel
geschweißt, während diejenigen Bereiche, die unmittelbar an den Seitenwandungen
21 und 22 der zueinander verschweissenden Abschnitte 19 und 20 liegen, relativ dürftig
aufgefüllt werden. Die relativ schlechte Verschweißung oder Verschmelzung an den
Seitenwandungen ist unerwünscht und wird bekanntlich "Wagenspur" genannt. Diese
Effekte kommen besonders deutlich heraus, wenn man zwischen 3 und 9h- schweißt.
Sie sind als "Einschüren" ("roping") bekannt.
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Eine erfindungsgemäß n"crgestellte Schweißspur hat nicht die nachteiligen
Eigenschaften bekannter Schweißspuren. Demgemäß werten di Effekte des "Einschnürens"
und der "Wagenspur" bei ei Schweißspur vermieden.
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Bei der erfindungsgemäß hergestellten Grundschweißspur bestehl allerdings
bei eine Verfegtigung die Gefahr einer Rißbildung länq.s der mMittellinie. Diese
Gefahr kann reicht dadurch besei t werden, dz eine heie Schweißspur unmittelbar
nach
der Grundschweißspur aufgetragen wird, und zwar bevor letztere
Zeit hat abzukühlen und einzureißen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
daß ein zweiter Schweißbrenner nur wenige cm bzw. Zoll hinter demjenigen Schweißbrenner
angeordnet wird, mit welchem die Grundschweißspur gelegt wird Bei einem 121a mm
(1/2") Material werden die heiße Schweißspur von einer dritten und eine Abschlußschweißspur,
die Deckschweißspur genannt wird, bedeckt. Die resultierende Schweißnaht ist in
Figur 7 dargestellt. Der Schweißdraht 11 kann auch während der heißen und der Deckschweißspur
sowie während Füll-Schweißspuren Schwingungen unterworfen werden; dies ist jedoch
nicht notwendig. dann man diese Folge-Schweißspuren unter Schwingungen des Elektrodendrahtes
11 aufträgt, dann kann dessen Frequenz kleiner als die kleinste zulässige Frequenz
für die Grundschweißspur sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die Verbindungsstelle
zwischen zwei Stahlrohren mit jeweile einer wand stärke von 12,7 mm (1/2') gemäß
Figur 4 hergerichtet (6° Neigungswinkel und 3,17 mm (0,12511) Abstand). Für die
Grundschweißspur wurde der Elektrodendraht 11 von einer Hobart (Warenzeichen) Modell
M40O-Versorgungsquelle von der Firma Hobart Bros. Company, Troy, Ohio, U.S.A. mit
elektrischer Enerm gie beaufschlagt, und zwar mit 230 A und 23 Volt Bogenspannung.
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Der Elektrodendraht 11 wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 16510
mm (650") pro Minute und der Schweißbrenner mit einer Dineargeschwindigkeit von
ca. 508 mm. (20") pro Minute vorgeschoben. Ein Hobart HB 18 0,89 mm (0,035") - Drhat
der 12,7 mm (1/2") herausragte (statischer Zustand (stick-out (static set))) wurde
hierbei verwendet. Ferner wurde ein Inertgasgemisch von etwa 0,142 m3 pro Stunde
5 cu.ft./hr.) CO2 und ungefähr 0,991 m³ [tp Dyimfr (35 ci/ ft/hr) Argon zugeführt.
Der Elektrodendraht 11 wurde mit einer Frequenz von 19,4 hin-und herbewegt, wobei
38,8 Stöße pro Sekunde stattfanden.
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Der Schweißvorgang wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera
beobachtet.
Hierbei wurden 4000 Bilder pro Sekunde geschossen.
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Wie bereits vorstehend ausgeführt, strich bzw. spritzte" der hin-
und herschwingende Elektrodendraht 11 die Seitenwandungen 21 und 22 der beiden miteinander
zu verschweißenden Abschnitte 19 und 20 mit geschmolzenem Metall" an". Hierbei wurden
drei unterschiedliche Arten der Verschweißung beobachtet, nämlich eine Tupf- bzw.
Tauchübertragung, eine Tropfübertragung und eine Sprühübertragung, wobei die beiden
letzteren vorherrschend waren. Insgesamt wurde hierbei eine vollständig zufriedenstellende
Grundschweißspur des in Figur 5 dargestellten Typs erhalten.
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Ein Schweißen der Grundschweißspur wurde entsprechend dem vorstehend
geschilderten Schweißverfahren durchgeführt, wobei jedoch die Schwingungsfrequenz
des Elektrodendrahtes 11 geändert wurde. Unter den im vorstehenden Ausführungsbeispiel
angegebenen besonderen Bedingungen war es nicht möglich, eine zufriedenstellende
Schweiß spur mit einer Schwingungsfrequenz des Elektrodendrahtes 11 von weniger
als 6 Hz zu erzielen.
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Dies heißt jedoch nicht, daß unter anderen Voraussetzungen auch mit
geringeren Schwingungsfrequenzen eine zufriedenstellende Shweißspur erzielbar ist.
Bei niedrigen Frequenzen kann es häufig passieren, daß das yeschmolzene Metall einfach
durchfällt oder aus der Rinne 23 ausgeblasen wird. Es wurde auch ein Schweißen der
Grundscflweißspur entsprechend den Angaben im vorstehenden AusfUhrungsbeiipiel durchgeführt,
wobei allerdings die Schwingungsfrequenzen des Elektrodendrahtes erhöht wurden.
vollständig zufriedenstellende Schweißnähte wurden bei einer Frequenz von 40 Hz
erhalten. Bei einer Frequenz von etwa 114 Hz konnte featgestellt werden, daß der
Bogen in der Rinne 23 sozusagen nach oben kletterte und eine Ausnehmung im Boden
der SchweSnaht übrig ließ. Diese Verhältnisse sind in Figur 8 dargeste1t. Sine solche
Einkerbung bzw. Ausnehmung ist bei einer Rehrleitung neranachtw da an dieser Stelle
Turbulenzen ii 4 ode Gas auf treten kannen. Derartig Turbu-
Lenzen
führen zu unerwünschten physikalischen-metallurgischen Veränderungen, beispielsweise
zu Spannungskorrosionen. Derartige Schweißnähte sind auch in Druckkesseln unerwünscht,
da eine Kerbe zu einer Spannungserhöhung und damit zu einer Kesselfehlfunktion führen
kann. Das bedeutet nicht, daß bei anderen Verfahrensbedingungen Frequenzen der oben
angegebenen Größenordnung oder gar noch höher verwendbar sind In Fällen, in denen
ein derartiger Kerb-Effekt keine nachteiligen Folgen hat, sind höhere Frequenzen
selbstverständlich verwendbar.
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Höhere Frequenzen können beispielsweise auch dann verwendet werden,
wenn die Grundschweißspur durch internes Verschweißen herbeigeführt wird. Die im
vorstehenden Ausführungsbeispiel genannteversorgungsquelle ist eine für Standard-Schweißverfahren
und automatisches MIG-Schweißen übliche Hoch-Reaktanz-Versorgungsquelle. Versorgungsquellen,
die in automatischen Schweißausrüstungen verwendet werden, haben gewöhnlich eine
geringere Reaktanz. Obwohl die im vorstehenden Ausführungsbei spiel geschilderte
Verschweißung eine automatische Verschweißung darstellt, hat sich gezeigt, daß die
Verwendung einer Hoch-Reaktanz-Versorgungsquelle, wenigstens für die Grundschweißspur,
zu einem "weichen" Bogen führt und sich als äußerst vorteilhaft erwiesen hat Ferner
hat sich gezeigt, daß sich für die "Füll-Schweißspuren übliche Versorgungsquellen
für ein automatisches Schweißen eignen. Hierbei wurde ein gutes Eindringen der Füll-Schweißspuren
in die vorangehenden Schweißspuren beobachtet.
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Die Bedeutung des Stoßes konnte dadurch gezeigt werden, daß eine Schweißpistole,
die mittels eines sich drehen Führungskörpers in Schwingungen versetzt wurde und
mittels einer Feder gegen den Führungshörper vorgespannt war, hergestellt und betrie
ben wurde. Bei einer derartigen Anordnung fand kein Stoß statt und selbat bei Frequenzen
oberhalb von 6 Hz konnten nur unzureichende Ergebnisse ermielt werden, die Verschweißung
brannte durch,
Unter den Bedingungen des vorstehend genannten Ausführungsbeispiels
spielt die Bogenspannung eine beachtliche Rolle zur Erzielung der gewünschten Resultate.
Bei einer Bogenspannung von 21 Volt oder weniger wurde das geschmolzene Metall bisweilen
aus der Rinne 23 ausgeblasen. Wurde dagegen die Bogenspannung auf oder über 25V
gehalten, dann bestand die Gefahr, daß der Bogen in der Rinne 23 "kletterte" und
ein geringeres Eindringvermögen aufwies. Das bedeutet nicht, daß eine Bogenspannung
von 23 Volt für vorliegende Erfindung von wesentlicher Bedeutung ist. Die Bogenspannung
ändert sich mit der Drahtgröße, dem Abstand zum Werkstück und der Art des verwendeten
Inertgasgemisches. Die Bogenspannung ändert sich auch mit dem Grad des Elektrodenvorstandes,
d.h. , der Länge, mit welcher der Draht aus der Kontaktspitze 13 vorsteht. Demnach
können bei anderen Bedingungen als denjenigen, die vorstehend beschrieben wurden,
andere Bogenspannungen zu ausgezeichneten Ergebnissen führen. Beispielsweise könnte
beim Scweißverfahren mit verdecktem Bogen ein schwererer Draht verwendet und eine
höhere Bogenspannung erwartet werden Bezüglich der Grundschweißspur und der heißen
Schweißspuren wird vorzugsweise ein Inertgasgemisch von 95 Vol.% Argon und und 5
Vol.-% C02 verwendet. Jedoch sind auch bei diesen Verfahrensparametern deutliche
Variationen bei hervorragenden Ergebnissen möglich. So wurde beispielsweise ein
80/20-Velhältnis mit Erfolg verwendet. Die alleinige Verwendung von CO2 ollte jedoch
vermieden werden, da dies dazu führt, daß der Sprüh-Übertragungs-Mode nicht erreicht
wird. Dies wiederum führt zu einem ungenügenden Eindringen und zu einem Mangel an
Verschmelzen. Andererseits kann die alleinige Verwendung von Argon zu einem zu heißen
Bogen und einem Durchblasen führen Für die Füll-Schweißapuren und die Deck-Schweißspur
wird ein
Gasgemisch bevorzugt, welches ein möglichst geringes Verspritzen
gewährleistet, beispielsweise ein Gemisch Argon zu CO, von 80 zu 20.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Verbindung
zwischen Stahlrohren mit einer Dicke von mm (1/2") gemäß der Darskellung und der
Erläuterung in bzw. zu Figur 9 verwendet. Der Abstand zwischen den Vorkragungen
24 betrug 1,27 mm (0,050"). Für die Grundschweißspur wurde dem Elektrodendraht 11
Energie von einer Hobart (Warenzeichen) Modell MC5OO-Versorgungsquelle zugeführt,
und zwar mit 230 A und 23 Volt Bogenspannung. Der Draht, nämlich ein Union (Warenzeichen}
K5 Nickeldraht (0,9 mm), wurde mit einer Geschwindigkeit von 16510 mm (650") pro
Minute, und der Schweißbrenner mit einer linearen Geschwindigkeit von 7 62 mm (30")pro
Minute vorgeschoben. Ein Drahtvorstand von etwa 1 2,7 mm (1/2")-statischer Zustand-
wurde vorgegeben.
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in Inertgasgemisch von etwa 1,699 m3pro Stunde (60 cu.ft./hr.
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mit einem Verhältnis von 95 ZU 5 von Argon zu C02 wurde zugeführt.
Der Draht wurde mit einer bevorzugten Frequenz von 30 Hz hin- und herbewegt, s obet
60 Stöße pro Sekunde erzielt wurden. Hierdurch konnte eine vollständig zufriedenstellende
crundschweißspur der in Figur 10 dargestellten Art erzielt werden.
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L e e r s e i t e