DE69414759T2

DE69414759T2 - Schweissverfahren

Info

Publication number: DE69414759T2
Application number: DE69414759T
Authority: DE
Inventors: Jukka Sf-23100 Mynaemaeki Gustafsson; Kalevi Sf-20110 Turku Heino
Original assignee: Kvaerner Masa Yards Oy
Current assignee: Meyer Turku Oy
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1994-06-15
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2014-06-16
Also published as: KR950000285A; FI932780A0; FI98439B; DK0629468T3; FI98439C; KR100318081B1; PL303883A1; JPH0751881A; FI932780A; PL173984B1; NO942280D0; NO942280L; US5493097A; NO307247B1; DE69414759D1; EP0629468A1; EP0629468B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß der Präambel von Anspruch 1 für die Massenfertigung, extrem lange Metallplatten zusammenzuschweißen, und auf Körper, die aus diesen Platten hergestellt sind und durch dieses Verfahren zusammengeschweißt sind.
Im Schiffbau werden große Mengen von Platten zusammengeschweißt, um Montageanordnungen zu fertigen, wie Schiff-Decks, Schilfrümpfe und dergleichen. Da die herzustellenden Montageanordnungen eine extrem große Fläche haben, ist es wirtschaftlich wünschenswert mit so großen Plattenrohlingen wie möglich zu arbeiten, und der Ausdruck "extrem lange Metallplatten" sollte genommen werden, um Platten mit einer Länge von mindestens 10 Metern zu bezeichnen (oder der maximalen Länge, die handelsüblich erhältlich ist, sollten Plattenhersteller nicht längere Materialien verfügbar haben) Ein typischer Plattenrohling, wie er im Schiffbau verwendet wird, ist über 10 Meter lang, oft bis nahe 20 Meter lang. Das gegenseitige Zusammenfügen von Plattenrohlingen dieser Größen durch Schweißen verlangt Arbeit, da die hohen Temperaturen, erzeugt durch das Schweißen, Deformationen in den Plattenrohlingen verursachen, während des Schweißvorgangs selber und/oder nach dem Schweißvorgang, wenn, beispielsweise Schweißschrumpfung Unebenheiten in den Plattenrohlingen verursacht, deren Eliminieren durch beispielsweise Flammen- Ausricht-Verfahren schwer wie auch zeitaufwendig ist.
Desweiteren sind herkömmliche Vorbereitungsaktionen, zum Zusammenschweißen extrem langer Platten schwer, verlangen viel Raum und sind zeitaufwendig. Herkömmlicherweise wird zwischen den zusammenzuschweißenden Platten eine kleine Lücke belassen, um es möglich zu machen, die gesamte Schweißphase von nur einer Seite der Platten auszuführen. Die Ausbildung der Lücke erfordert eine exakte Positionierung der Platten in gegenseitigem Bezug, um die Steuerung der richtigen Breite der Lücke sicherzustellen. Die Steuerung der Einheitlichkeit der Breite der Lücke entlang der gesamten Schweißfuge verlangt eine stabile Befestigung der zu verschweißenden Platten an eine Trägerbasis. Zusätzlich zu der stabilen Unterstützung der Platten durch die Basis, wird herkömmlicherweise Heftgeschweißt, was bedeutet, daß die Platten gegenseitig durch kurze Heftnähte verbunden werden, die in Abständen entlang der Schweißfuge angeordnet sind, was eine zeitaufwendige Arbeit von Hand erfordert. Falls das Nahtschweißen an einer anderen Stelle als der zum Hauptschweißen selber vorgesehenen stattfindet, muß man einen Arbeitsbereich dafür vorsehen, der genauso groß ist wie der, der für den Schweißprozeß benötigt wird, was bedeutet, daß der Schweißprozeß als ganzes zweimal den Arbeitsraum verlangt, der erforderlich ist, wie wenn alle Vorgänge an einer einzigen Arbeitsstation gemacht werden können.
US-A-4075453 beschreibt ein Verfahren des stumpf zusammenschweißens von Stahlplatten, Kante-an-Kante von nur einer Seite gemäß der Präambel von Anspruch 1, das aber eine stählerne Streifenunterlage unter einer Schweißfuge entlang der sich gegenüberstehenden Plattenkanten verwendet, wobei die Streifenunterlage in die Schweißnaht eingeschmolzen wird.
Ein Ziel dieser Erfindung ist es, das Verfahren für die Herstellung einer großen Anzahl von Schweißnähten einer einheitlicher Qualität und Festigkeit zu vereinfachen, insbesondere um eine Reihe von extrem langen Metallplatten zusammenzufü gen, von denen jede mindestens 5 mm dick ist, durch Stumpfstoß- Verbindungsschweißen in einer Schweißfuge von nur einer Seite der Platten, und um die Qualität des Schweißens, genauso wie die der hergestellten Montageanordnung zu verbessern.
Das Ziel der Erfindung ist erreicht in der Art, wie sie in dem Anspruch 1 dargelegt ist. Durch ausreichende Achtgabe der Einheitlichkeit des Umrisses der Schweißfuge über ihre gesamte Länge und der Qualität und Glätte der Oberflächen der Schweißfuge, kann der gesamte Schweißvorgang komplettiert werden, ohne die herkömmliche Lücke zwischen den Platten zu belassen; ein Weglassen dieser Lücke ergibt den Vorteil, daß jede der Platten, die es zusammenzuschweißen gilt, über den Wurzelanteil der Schweißfuge gegenseitige Unterstützung von der anderen Platte erhält, was die Justierarbeit erleichtert und die Anforderungen für ein exaktes Justieren und ein vorangehendes Befestigen der Platten reduziert. Die Platten sind relativ zu einem Bett unter den Platten durch eine Saugvorrichtung befestigt, deren Aktivierung und Freilassen schnell und einfach sein kann. Für die Bildung der Kanten der Platten, die zusammen die Schweißfuge bilden, kann Formfräsen vorteilhaft genutzt werden, doch sind andere Metallverarbeitungsverfahren nicht ausgeschlossen, vorausgesetzt, daß ausreichend glatte Kanten mit ausreichend genauen Umrissen hergestellt werden können.
Man hat herausgefunden, daß bei der Anwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung große Montageanordnungen von verschweißten extrem langen Metallplatten zu beträchtlich geringeren Kosten und viel schneller als bei Anwendung herkömmlicher Verfahren hergestellt werden können. Die erreichbare Schweißgeschwindigkeit kann in vielen Fällen grob verdoppelt werden, verglichen mit bekannten früheren Verfahren. Auch die Kapitalkosten für die notwendige Ausrüstung kann bedeutend reduziert werden. Einsparungen der Größenordnung von ungefähr 200,000.- US Dollar pro Arbeitsstätte sind möglich.
Die Saug-Befestigungsvorrichtung, wie sie in einem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet wird, muß so angeordnet werden, daß die hohe Temperatur, die durch das Schweißen erzeugt wird, keine gravierende Wirkung auf die Abdichtung der Saug- Befestigungsvorrichtung hat. Dafür wünschenswert ist der Teil jeder Saug-Befestigungsvorrichtung, der nächst zu der Schweißfuge ist, räumlich in einem Abstand von mindestens 50 mm von der Schweißfuge entfernt.
Die Steuerung des Schweißprozesses wird einfacher, falls eine Wurzelunterstützung aus einem Material von hoher thermischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Kupfer, unter die Platten angeordnet wird, die es zusammenzuschweißen gilt, welche Wurzelunterstützung sofort unter der Schweißfuge eine Vertiefung hat, die sich in derselben Richtung wie die Fuge erstreckt, um ein Schweißpulver oder Schutzgas aufzunehmen. Wenn Stahl verschweißt wird, kann die Fuge der Wurzelunterstützung mit Schweißpulver gefüllt werden, bevor die Platten in ihrer Schweißposition fixiert werden. Wenn Aluminium oder rostfreier Stahl verschweißt werden sollen, kann ein Schutzgas in die Vertiefung in der Wurzelunterstützung geführt werden. Wenn rostfreier Stahl verschweißt wird, ist es auch möglich ein für diesen Zweck entwickeltes Schweißpulver zu verwenden, doch ist dies recht ungebräuchlich. Es wurde gefunden, daß die Verwendung eines Pulvers oder eines Schutzgases in der Art, wie sie hier diskutiert wird, die Qualität der Schweißnaht verbessert.
Die Wurzelunterstützung kann vorteilhaft gekühlt werden, beispielsweise durch Wasser oder durch ein anderes Kühlfluid. Zweckdienlich ist ein Kühlkanal in der Wurzelunterstützung vorgesehen. Die vorteilhafteste Lösung ist gewöhnlich, daß ein Kühlkreislauf angeordnet ist, in dem die Temperatur des zirku lierenden Kühlmediums angezeigt und justiert wird. Durch das Kühlen der Wurzelunterstützung ist es möglich eine günstige Steuerung der Wärmespannungen, die während des Schweißens verursacht werden, zu erhalten.
Der Wurzelbereich an dem Boden der Schweißfuge, wo die Platten, die es zusammenzuschweißen gilt, in gegenseitigem Kontakt sind, sollte eine relativ geringe Höhe haben, typischerweise zwischen 2 und 4 mm, abhängig von der Dicke der Platten, wobei die kleineren Werte natürlich für die dünneren Platten und die größeren Werte für die dickeren Platten verwendet werden. Wenn die Plattendicke innerhalb des Bereiches von 5 bis 25 mm ist, ist es dennoch selten gerechtfertigt eine Wurzel höher als 3 mm zu verwenden. Eine vorteilhafte Gestalt für die Schweißfuge ist die V-Gestalt, in der der Winkel zwischen den Seitenoberflächen des V von 50º bis 65º ist, vorzugsweise von 55º bis 60º. Die V-Gestalt ist vorteilhaft, da sie einfach zu machen ist. Die genannten Fugenwinkel sind ausgewählt, um die besten Bedingungen für eine erfolgreiche Massenfertigung des Verschweißens von großen Montageanordnungen zu schaffen.
Wenn Stahl verschweißt wird, ist es sehr vorteilhaft das sogenannte Zwillingsbogen- oder Doppeldraht-Verfahren anzuwenden, in denen zwei nahe beieinander angeordnete Schweißdrähte, durch denselben Kontaktstutzen an denselben Schweißpool gebracht werden, wobei die Schweißdrähte Strom aus derselben Schweiß-Spannungsquelle beziehen. Die Schweißdrähte werden vorzugsweise in einer Linie in der Richtung der Schweißfuge an den Pool gebracht. Durch dieses Schweißverfahren kann die Geschwindigkeit des Schweißens bemerkenswert erhöht werden, so daß sie sich einem Wert von 1 Meter/Minute annähert.
Die Erfindung wird nun in größerem Detail mittels Beispiel beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 schematisch im Querschnitt eine Schweißvorrichtung zur Durchführung eines Schweißverfahrens gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 2 einen Querschnitt einer Schweißfuge zeigt, hergestellt für das Verfahren der Erfindung, und
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht der Anordnung des Zwillingsbogen-Schweißens auf das Verfahren der Erfindung ist.
In den Zeichnungen bezeichnet 1 Platten, die stumpf von einer Seite zusammengeschweißt werden, 2 eine Schweißfuge zwischen den Platten 1, 3 eine Unterlage zu der Fuge und 4 eine Vertiefung in der Unterlage, die sich in die Richtung der Fuge 2 erstreckt. In der Unterlage 3 ist ein Kühlungskanal 5 vorgesehen, durch den ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser, zirkuliert werden kann. Die Unterlage 3 ist aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit gemacht, beispielsweise aus Kupfer.
Die Platten 1 sind unterstützt in der erforderten relativen Anordnung durch die Hilfe einer Saugeinrichtung, die ein Bett 19 mit einem steifen (z. B. Stahl) Saugunterstützungselement 20 mit einschließt, versehen mit Saugfugen 6 und Kanten- Abdichtstreifen 7 aus elastischem Material. In jedem Abdichtstreifen 7 kann ein Kanal 21 vorgesehen sein, zu dem zu Beginn des Schweißvorgangs Druckluft gelassen wird, um die Luftdichtigkeit des Saug-Fixierungs-Elements 20 zu verbessern. Die Saugfugen 6 kommunizieren mit einer Vakuumpumpe 9 über zugeordnete Saugkanäle 8, durch deren Hilfe ein ausreichend starkes partielles Vakuum hergestellt wird, wenn dies in den Saugfugen 6 erforderlich ist, um die Platten 1 in Stellung zu halten. Die Kämme 22 zwischen den Saugfugen 6 unterstützen jede Platte 1 in dem jeweiligen Saug-Fixierungs-Bereich. Die Saugfixierung der Platten, die es zu verschweißen gilt, ist an sich bekannt, beispielsweise aus DE-A-22 36 936.
Zumindest der Abdichtstreifen 7 nächst der Schweißfuge 2 muß einiger Temperaturerhöhung widerstehen. Es ist empfohlen, daß jeder Streifen 7 einer Temperatur von mindestens 300º widerstehen kann. Damit die Temperatur an der Einschmelzstelle nicht zu hoch steigt, ist es empfohlen, daß der Abstand L von der Mittellinie der Schweißfuge 2 zu dem nächsten Abdichtstreifen 7 mindestens 50 mm ist.
Die Vertiefung in der Unterlage 3 ist beim Stahl Schweißen mit einem Schweißpulver gefüllt, doch wenn beispielsweise Aluminium verschweißt wird, kann sie als ein Kanal genutzt werden, durch den ein Schutzgas unter die Schweißfuge geführt werden kann. Die Vertiefung 4 muß nicht tief sein, eine Tiefe von einigen Millimetern ist normalerweise ausreichend.
In Fig. 2 ist ein vorzugsweiser Umriß für die Schweißfuge 2 in größerem Detail gezeigt. Die Fuge hat V-Gestalt und ihr V- Winkel m ist in dem Bereich von 50º bis 65º, vorzugsweise von 55º bis 60º. An dem Boden der Fuge 2 ist ein Wurzelteil 10, dessen Höhe k, abhängig von der Dicke der zu verschweißenden Platten 1, zwischen 2 und 4 mm, vorzugsweise nicht mehr als 3 mm ist. Die Plattendicke s ist für das Stahl Schweißen vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 5 bis 25 mm, doch für Aluminium Schweißen kann die Dicke der Platten 1 viel größer sein. An dem Wurzelteil 10 unterstützen sich die Platten gegenseitig, was eine relative Positionierung der Platten 1 einfacher macht, da die exakte Fixierung der Platten in einer bestimmten Position relativ zu der Unterlage 3 nicht wichtig ist und ihre Posi tion relativ zueinander vorbestimmt ist durch die Kontaktoberflächen des Wurzelteils 10.
Ein Abschrägen der Kanten der Platten 1 durch Flammenschneiden wird kaum ausreichend akkurate Kanten hervorbringen, um eine akzeptable Schweißfuge 2 zu bilden, und eine Art der Maschinenbearbeitung (z. B. Fräsen oder Schleifen) wird normalerweise erforderlich sein. Die Einheitlichkeit des Umrisses entlang der Fuge ist wichtig. Höchstens wären Variationen in der Breite (an der breitesten Stelle der Fuge) von 20% und vorzugsweise nicht mehr als 10% tolerierbar. Im allgemeinen gilt, je einheitlicher der Kantenumriß ist, desto besser wird die Qualität der Schweißnaht sein.
Fig. 3 zeigt, wie zwei Stahlplatten 1, 1 zusammengeschweißt werden können gemäß dem Verfahren der Erfindung durch Verwendung der sogenannten Zwillingsbogen- oder Doppeldrahtanordnung. Zwei Schweißdrähte 11, die in Linie sind, hintereinander in Längsrichtung der Schweißfuge 2 sind, werden mit Hilfe von Zufuhrrollen 12 durch einen Kontaktstutzen 13 einem Schweißpool 17 zugeführt. Der Schweißvorgang schreitet voran in der Richtung des Pfeiles 14. Schweißpulver 16 wird durch ein Rohr 15 zu der Fuge 2 geführt, genau stromabwärts des Schweißbeckens 17. Die Teile 11, 12, 13 und 15 bewegen sich mit der selben Geschwindigkeit in der Richtung des Pfeiles 14 entlang der Fuge 2. 18 zeigt die fertiggestellte Schweißnaht.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungen begrenzt, da mehrere Modifizierungen davon innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche durchführbar sind.

Claims

1. Verfahren zum Zusammenfügen von Metallplatten (1), von denen jede mindestens 5 mm dick ist, durch Stumpfstoßschweißen in einer vorgeformten Schweißfuge (2) von nur einer Seite der Platten, welche Schweißfuge (2) so ausgebildet ist, daß sie sich von besagter einen Seite durch nur einen Teil der Dicke der Platten erstreckt, und einen Wurzelbereich (10) beläßt, wo die zu verschweißenden Platten (1) so angeordnet sind, eine gegenseitige Unterstützung ohne einen jeglichen wesentlichen Zwischenraum zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Verfahren zur Massenfertigung von großen Plattenkörpern durch das Zusammenfügen von extrem langen Metallplatten (1) ist, und die die Schritte umfaßt: Ausbilden der Schweißfuge (2) durch die Hilfe eines Metallschneidwerkzeuges, beispielsweise einer Formfräse, mit großer Genauigkeit bezogen auf die Dimensionen und den Umriß der Fuge und mit einer glatten Fugenoberfläche; Zusammenführen der Platten (1), nächst der Fuge (2), aber auf der zur besagten einen Seite gegenüberliegenden Seite, durch ein Bett (19), das eine an sich bekannte Saug- Befestigungsvorrichtung (6, 7, 8, 9) mit einschließt, um die zu verschweißenden Platten (1) in korrekter relativer Anordnung zu halten, und Verwendung des Wurzelbereichs (10) der Schweißfuge (2) als eine Hilfsunterstützungs-Oberfäche, um die korrekte Positionierung der langen und schweren Platten (1) in gegenseitiger Relation zu erleichtern.

2. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (7) jeder Saug- Befestigungsvorrichtung, der nächst zu der Schweißfuge (2) ist, einen Abstand (L) davon mindestens 50 mm hat.

3. Verfahren gemäß dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an den Wurzelbereich (10) das Bett (19) eine Wurzelunterstützung (3) aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit aufweist, die Wurzelunterstützung eine Vertiefung (14) gerade unter der Schweißfuge (2) mit einschließt, um ein Schweißpulver oder Schutzgas aufzunehmen, welche Vertiefung sich in der Längsrichtung der Schweißfuge erstreckt.

4. Verfahren gemäß dem Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens von Stahlplatten (1) die Vertiefung (4) der Wurzelunterstützung (3) mit Schweißpulver gefüllt wird, bevor die Platten (1) in die erforderliche Position zum Schweißen gesetzt werden.

5. Verfahren gemäß dem Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wurzelunterstützung (3) durch ein Kühlfluid gekühlt wird, das zum Durchfließen in einem Kanal (5) der Wurzelunterstützung (3) veranlaßt wird.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (k) des Wurzelbereiches (10) in einem Bereich von 2 bis 4 mm ist, vorzugsweise nicht über 3 mm.

7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißfuge (2) eine V-Gestalt mit einem Winkel (m) zwischen den Oberflächenseiten in einem Bereich von 50º bis 65º hat.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißfuge (2) eine V-Gestalt mit einem Winkel (m) zwischen den Seitenoberflächen in einem Bereich von 55º bis 60º hat.

9. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenn die Platten (1) aus Stahl sind, das Schweißen mit zwei Schweißdrähten (11) bewirkt wird, die nahe beieinander gehalten sind, um in denselben Schweißpool (17) durch denselben Kontaktstutzen (13)einzutreten, wobei die Schweißdrähte (11) den Strom aus derselben Schweiß- Spannungsquelle beziehen.