DE1565691B2 - Verfahren und vorrichtung zum unterpulverschweissen dicker stahlbleche - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gerichtung zum Unterpulververschweißen, insbesondere nannten Schwierigkeiten beim Unterpulververschweizum Durchschweißen, von Nähten dicker Stahlbleche ßen dicker Bleche zu überwinden und ein Verfahren zu von einer Seite her, bei dem die Stoßfuge, vor der Zu- entwickeln, mit dem auch Stahlbleche mit mehr als gäbe des Schweißpulvers von unten her durch eine mit 5 8 mm Dicke von einer Seite her sicher durchgeschweißt einem hydraulischen oder pneumatischen Druck- werden können.

system angepreßte temperaturunempfindliche Schicht, Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Stoßinsbesondere aus Pulver oder in Form einer Kupfer- fuge, die im Wurzelbereich einen offenen Wurzelspalt schiene, abgeschlossen wird und die Stoßenden der und ein V-, Y- oder U-förmiges Profil aufweist, vor der Stoßfuge durch zur Stoßfuge parallele Magnetbänder io Zugabe des Schweißpulvers teilweise mit Stahlgranulat in einer Ebene festgehalten werden. gefüllt und nach Zugabe des Schweißpulvers entlang

Das Unterpulververschweißen von Stahlblechen mit ihrer Mittellinie mit einer solchen Stromstärke ge-Wanddicken von mehr als 8 mm, insbesondere bis schweißt wird, daß das 1,0- bis l,4fache der Gewichts-50 mm Dicke, wird häufig ohne Abschrägung der menge des eingebrachten Stahlgranulats vom Elektro-Bleche, dafür jedoch mit einem Luftspalt im Stoß so 15 dendraht pro Zeiteinheit abschmilzt,
ausgeführt, daß die Naht bei horizontaler Lage der Das erfindungsgemäße Schweißverfahren erlaubt Bleche in zwei oder mehr Arbeitsgängen von der einen eine sichere technische Durchführung der DurchSeite der Bleche aus bis auf einen Rest durchgeschweißt schweißung dicker Bleche von einer Seite her. Auch und anschließend, nachdem die teilverschwsißten beim Vorliegen von Maßungenauigkeiten der Stoß-Bleche gewendet worden sind, der Restquerschnitt von 20 fuge, d. h. bei schwankenden Stoßbreiten, kann bei der anderen Seite aus fertiggeschweißt wird. Vor allem gleichzeitiger Beachtung aller Merkmale des erfinim Schiffsbau spielt das Verschweißen von dicken dungsgemäßen Schweißverfahrens stets eine einwand-Blechen eine große Rolle. Besonders auf diesem spe- freie Schweißnaht erzielt werden,
ziellen Anwendungsgebiet hat jedoch das beidseitige Durch das Anpressen der temperaturunempfmd-Schweißverfahren erhebliche Nachteile, da die Werk- 25 liehen Schicht an die Unterseite der Stoßfuge wird ein stücke im allgemeinen sehr groß sind und aufwendige Durchlaufen der Schweißschmelze oder das Entstehen Drehvorrichtungen zum Umwenden der von der einen von stark durchhängenden Unterraupen verhindert. Seite geschweißten Bleche zur Erfassung der Gegen- Die Stoßfuge selbst erhält erfindungsgemäß im Wurzelseite erforderlich werden. bereich ein V- oder Y- oder U-förmiges Profil. Zur

Es besteht demnach schon seit langem der Wunsch 30 Abmilderung der Wirkung des Lichtbogens auf den nach einem Schweißverfahren, mit dem auch Stahl- Wurzelspalt wird die Stoßfuge teilweise mit Stahlbleche mit mehr als 8 mm Dicke von einer Seite her granulat gefüllt. Dieses Stahlgranulat, dessen Zusamvoll durchgeschweißt werden können. Bekannt ist mensetzung unter metallurgischen Gesichtspunkten beispielsweise der Versuch, hierzu beim Schweißen ausgewählt wird, läßt sich kontinuierlich vor der eine Kupferunterlage als Rückdämmung zu verwen- 35 Schweißpulverzugabe in die Stoßfuge einbringen, was den. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auf diese Weise nur bei dem bekannten Verfahren der Einlegedrähte nur selten eine brauchbare Oberfläche der Schweißwurzeln mit komplizierten Vorrichtungen möglich ist.
erzielt werden kann. Außerdem besteht die Gefahr, Erfindungsgemäß soll zwischen der Menge des eindaß der Lichtbogen die Kupferschiene anschmilzt, zubringenden Stahlgranulats und der Menge des abwenn der Spalt zwischen den Stoßkanten zu groß wird. 40 schmelzenden Elektrodendrahtes eine bestimmte Bein jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, zur Abmilde- ziehung bestehen. Für die Ausbildung einwandfreier rung der Bogenwirkung auf den Wurzelspalt die Stoß- Schweißnähte hat es sich als erforderlich erwiesen, fuge teilweise mit lose eingelegten oder eingehefteten daß die Gewichtsmenge des abschmelzenden Elektro-Zusatzdrähten zu füllen. Bei der laboratoriums- dendrahtes das 1,0- bis l,4fache der Gewichtsmenge mäßigen Durchführung dieses Vorschlages konnten 45 des eingebrachten Stahlgranulats beträgt. Dieses Menzwar gewisse Erfolge erzielt werden, doch hat es sich genverhältnis kann durch die richtige Einstellung der in der Praxis gezeigt, daß bei alleiniger Anwendung Schweißstromstärke erreicht werden,
dieses Verfahrens, vor allem bei dicken Blechen und Bei besonders dicken Blechen wird zweckmäßiger-Nähten großer Länge, die im Schiffsbau beispielsweise weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst 12 m und mehr betragen kann, keine zufriedenstellende 50 nur der Wurzelbereich der Naht geschweißt und hier-Qualität der Nähte über ihre ganze Länge erreicht auf die Schweißnaht mit einem oder mehreren weiteren werden konnte. Arbeitsgängen aufgefüllt. Diese Füllagen können ohne

Hierbei haben sich als besonders störend Meß- Schwierigkeiten geschweißt werden, nachdem die

ungenauigkeiten der Stoßvorbereitung und ein Ver- Durchschweißung und damit die Wurzelsicherung

schub der Bleche bemerkbar gemacht. 55 bereits erfolgt ist.

Bekannt ist ferner die Stumpfnahtschweißung auf Die Stoßenden der dicken Bleche werden mit Hilfe

Pulverkissen, wobei der Lichtbogen die Kanten der von zur Stoßfuge parallelen Magnetbändern in einer

zu verschweißenden Bleche in ihrer ganzen Dicke horizontalen Ebene gehalten. Hierdurch und durch

durchschmilzt und dabei flüssig gewordenes Pulver bei die Möglichkeit des Schweißens bei offenen Stoßfugen

der Erstarrung eine Schlackenschicht auf einer Seite 60 ist die Stoßvorbereitung hinsichtlich der Gleichmäßig-

der Naht bildet. Auch dieses Verfahren ist unbefrie- keit der entstehenden Schweißnaht weniger kritisch

digend, da die Qualität der Schweißnaht empfindlich als bei bekannten Verfahren.

vom Anpreßdruck des Pulvers abhängt. Brauchbare Eine besonders gute Form der Wurzelnaht ergibt Nahtausbildungen konnten lediglich unter Laborato- sich, wenn die temperaturunempfindliche Schicht riumsbedingungen und bei relativ dünnen Blechen 65 elastisch ist, d. h. aus einem Gewebe oder einem erzielt werden. Bei dickeren Blechen treten bei diesem Pulver besteht, und mit einem Druck von 0,1 bis Verfahren sehr stark durchhängende Würzelnähte und 0,3 atü, am besten mit ungefähr 0,2 atü, an die Untertiefe Hohlstellen auf. Seite der Stoßfuge angedrückt wird. Bei größeren

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Anpreßdrücken besteht die Gefahr, daß Schweiß- Die Füllung der Stoßfuge 3 mit Stahlgranulat 4

fehler in der Unterraupe auftreten. dient der Kühlung des Schweißlichtbogens und dem

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ausgleich von Unregelmäßigkeiten in der Vorbereitung Verfahrens geeignete Anpreßvorrichtung für die der Stoßfuge 3, die auch bei guter Fugenvorbereitung temperaturunempfindliche Schicht besteht aus einem 3 nicht vollständig zu vermeiden sind. Ohne die Stahlsich über die ganze Länge der Stoßfuge erstreckenden granulatfüllung könnten für die Durchschweißung Gehäuse, welches an seiner oberen, der Stoßfuge gegen eine Unterlage nur geringe Lichtbogenenergien zugewandten Seite offen ist. In diesem Gehäuse sind angesetzt werden. Die entstehenden Nahtwurzeln von oben nach unten nacheinander die temperatur- würden dadurch so schwach ausgebildet werden, daß unempfindliche Schicht, eine Schüttung aus trockerem io sie die nachfolgenden Lagen nicht wirkungsvoll ab-Schweißsand oder Schweißpulver, ein, beispielsweise stützen könnten. Außerdem stellen vor allem wechaus Holz gefertigter Stempel sowie ein Druckschlauch selnde Stoßfugenbreiten ohne die kühlende Wirkung angeordnet. Der Druckschlauch, der z. B. ein Feuer- der Stahlgranulatfüllung eine Behinderung der gleichwehrschlauch sein kann, ermöglicht eine genaue Ein- mäßigen Durchschweißung dar. Da die Einbrennkraft stellung des Anpreßdruckes, der über den Stempel 15 des Lichtbogens nur bis zu einem gewissen Grade und die Schüttung aus Schweißsand oder Schweiß- gemildert werden darf, ist auch eine zu starke Füllung pulver gleichmäßig auf die temperaturunempfindliche der Stoßfuge 3 mit Stahlgranulat 4 ungünstig. Eine Schicht übertragen wird. Diese selbst kann beispiels- Füllung, die über das oben angegebene Maß hinausweise aus einer Kupferunterlagschiene, aus einer geht, würde die Sicherheit des gleichmäßigen Ablaufes Schweißpulverschicht oder auch aus einer Gewebe- 20 der Wurzelschweißung gefährden, ohne für das Fertigschicht aus Glas oder einem anderen Mineralfaserstoff schweißen der Naht Nutzen zu bringen,
bestehen. Die Zugabe des Stahlgranulats 4 kann beispielsweise

An den beiden Längsse^:ten des Gehäuses der An- kontinuierlich mit Hilfe eines Vorratsbehälters mit preßvorrichtung sind die Magnetbänder angebracht, Zugaberohr erfolgen. Der Vorratsbehälter wird in die zur Ausrichtung von Unebenheiten der Bleche vor- 25 einem solchen Falle an der automatischen Schweißgesehen sind und die Unterseite der Bleche in einer einrichtung, in Schweißrichtung gesehen, vor der Vorhorizontalen Ebene halten. richtung für die Zugabe von Schweißpulver angebracht.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der An- Die entstehende Schweißverbindung kann metallurpreßvorrichtung, bei der gegebenenfalls die Kupfer- gisch durch die Wahl der chemischen Zusammenschiene, der Holzklotz und die Magnetbänder segment- 30 Setzung des Stahlgranulats 4 beeinflußt werden,
artig aufgeteilt sind und sich die einzelnen Segmente Das Gehäuse 5 der Anpreßvorrichtung zur Durchdieser Teile parallel zur Stoßfuge aneinanderreihen. führung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist oben, Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Anpreß- d. h. an der der Stoßfuge 3 zugekehrten Seite, offen vorrichtung ist besonders dann günstig, wenn beide und erstreckt sich über die ganze Länge der Stoß-Bleche gemeinsame Unebenheiten in der Richtung der 35 fuge 3. Im Innern des Gehäuses sind von oben nach Stoßfuge aufweisen. unten zunächst als temperaturunempfindliche Schicht

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand des in der eine Kupferschiene 6, die an den Stoßenden der Abbildung schematisch dargestellten Ausführungs- Bleche 1 unten anliegt, anschließend eine Schüttung 7, beispieles beschrieben. Die Abbildung zeigt einen die der Wärmeisolierung und Druckverteilung dient, Querschnitt durch zwei zum Schweißen nach dem 40 ein aus Holz gefertigter Stempel 8 und ein Feuerwehrerfindungsgemäßen Unterpulverschweißverfahren vor- schlauch 9 untergebracht. Der Feuerwehrschlauch 9 bereitete Bleche. kann mit Druckluft oder Wasser unter einen bestimm-

Die beiden, im dargestellten Beispiel mehr als 8 mm ten Druck gesetzt werden, der über den Stempel 8, dicken Stahlbleche 1 sollen mit einem Unterpulver- die Schüttung 7 und die Kupferschiene 6 gleichmäßig schweißkopf2 von einer Seite her miteinander ver- 45 auf die Nahtwurzel übertragen wird,
schweißt werden. Die Stoßfuge 3 ist als unten offener Die Kupferschiene 6 besitzt eine Längsnut 11, deren V-Stoß ausgebildet. Der verbleibende offene Spalt Verhältnis von Breite zu Tiefe 5:1 bis 12:1 beträgt, kann 3 bis 6 mm breit sein. Auch eine Ausbildung der Die im dargestellten Beispiel als Kupferschiene ausge-StoßfugeS als Y- oder U-Stoß ist brauchbar. Andere bildete temperaturunempfindliche Schicht kann auch Formen der Stoßfuge 3 sind jedoch ungünstig und 50 aus einem anderen Material bestehen. Als besonders beeinträchtigen die Qualität der Schweißnaht. Würde vorteilhaft hat sich eine elastische Gewebeschicht aus beispielsweise ein I-Stoß mit Spalt benutzt werden, ohne Gasbildung schmelzenden Glasfasern oder einem so würde, vor allem bei dicken Blechen, der Licht- anderen Mineralfaserstoff erwiesen. Auch Schichten bogen den Wurzelbereich der Stoßfuge nicht genügend aus Schweißpulver, Schamottepulver oder Porzellanerfassen, oder es könnte, wenn, um diesem Nachteil 55 sand sind brauchbar.

zu begegnen, die Stromstärke erhöht würde, die Unter- Die temperaturunempfindliche Schicht, im Falle

lage gefährdet werden. des abgebildeten Ausführungsbeispieles also die

Erfindungsgemäß wird die Stoßfuge 3 mit Stahl- Kupferschiene 6, schließt die Stoßfuge unten dicht

granulat 4 bis zu einer bestimmten Höhe gefüllt. Die ab. Dieser für das erfindungsgemäße Verfahren wich-

Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit abschmelzenden 60 tige Abschluß wird dadurch gesichert, daß der durch

Elektrodendrahtes soll ungefähr das 1,0- bis l,4fache den Feuerwehrschlauch 9 erzeugte Druck gleichmäßig

der Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit einzubringenden auf die temperaturunempfindliche Schicht übertragen

Stahlgranulates 4 sein. Die zur Einhaltung dieses wird. Es ist hierbei äußerst wichtig, daß der Abschluß

Mengenverhältnisses notwendige Schweißstromstärke der Stoßfuge 3 über deren ganze Länge und an ihren

kann berechnet werden. Die Einhaltung der angege- 65 beiden Seiten gleichmäßig erfolgt,

benen Relation zwischen Schweißstromstärke und Für diese Gleichmäßigkeit des Anpreßdruckes sorgt

Stahlgranulatfüllung ist von ausschlaggebender Be- die Schüttung 7, die sich in der erfindungsgemä-

deutung für den Erfolg des Verfahrens in der Praxis. ßen Anpreßvorrichtung unterhalb der temperatur-

unempfindlichen Schicht befindet. Die Schüttung 7 besteht aus trockenem Schweißsand oder Schweißpulver. Die Übertragung des Druckes vom Feuerwehrschlauch 9 auf die Schüttung 7 erfolgt über einen Stempel 8. Dieser Stempel 8 besteht aus einer sich in Richtung der Stoßfuge erstreckenden Reihe von Holzklötzchen, die, neben ihrer Aufgabe der Druckübertragung, zusammen mit der Schüttung 7 dem Wärmeschutz für den Feuerwehrschlauch 9 dienen.

Der Vorteil einer Anpreßvorrichtung mit elastischer temperaturunempfindlicher Schicht liegt in der besonders guten Anschmiegsamkeit einer solchen Unterlage an die Unterseite der Stoßfuge 3. Es hat sich gezeigt, daß besonders gute und fehlerfreie Unterraupen erzielt werden können, wenn der Druck auf die temperaturunempfindliche Schicht, sofern diese elastisch ist, gemessen als Druck im Feuerwehrschlauch 9, zwischen 0,1 und 0,3 atü beträgt. Ein Druck von ungefähr 0,2 atü hat sich als am günstigsten erwiesen.

An den beiden Längsseiten des Gehäuses 5 der Anpreßvorrichtung sind Magnetbänder 10 angebracht, welche die Aufgabe haben, die Unterseiten der Stoßenden der Bleche 1 in einer gemeinsamen horizontalen Ebene zu halten und kleinere Unebenheiten der Bleche 1 auszugleichen. Die einzelnen, parallel zur Stoßfuge 3 aneinandergereihten Magnete dieser Magnetbänder 10, die vorzugsweise Elektromagnete.sind, sind so angeordnet, daß ihre Kraftlinien in sich geschlossen sind und keine Magnetfelder quer zur Stoßfuge auftreten. Sie müssen so weit von der Schweißstelle entfernt sein, daß der Lichtbogen nicht magnetisch beeinflußt wird. Es hat sich gezeigt, daß ein Abstand der Magnetbänder 10 von der Stoßfuge 3 von 50 bis 100 mm ausreicht, um dieser Forderung zu genügen.

Bei einem erfolgreich durchgeführten Beispiel einer Schweißung an Schiffsblechen wurde in eine V-förmige Stoßfuge 3 mit einem Öffnungswinkel von 50° Stahlgranulat in einer Höhe von 0,8 cm eingebracht. Die mittlere Spaltbreite betrug 0,5 cm, die eingestellte Schweißgeschwindigkeit des Schweißkopfes 30 cm/Min. Das Stahlgranulat hatte ein Schüttgewicht von 4,8 g/cm³. Die Abschmelzleitung der Elektrode betrug 0,2 g/Min. · A. Aus diesen Angaben kann die notwendige Schweißstromstärke in Ampere durch folgende empirische Gleichung ermittelt werden:

1,25.

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Hierbei haben die einzelnen Buchstaben folgende Bedeutung:

b mittlere Spaltbreite in cm,

/ Schütthöhe des Stahlgranulats in cm,

oc Öffnungswinkel des V-Stoßes,

ν Schweißgeschwindigkeit in cm/Min.,

5 Schüttgewicht des Stahlgranulats in g/cm³,

L Abschmelzleitung in g/Min. · A.

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Der Faktor 1,25 ist derjenige Faktor, mit dem die Gewichtsmenge des pro Zeiteinheit eingebrachten Stahlgranulats erfindungsgemäß multipliziert werden muß, um die pro Zeiteinheit abschmelzende Gewichtsmenge des Elektrodendrahtes zu erhalten. Dieser Faktor kann bei der Verwendung einer temperaturunempfindlichen Schicht aus einem mineralischen Gewebe kleiner, d.. h. bei ungefähr 1,1 gewählt werden.

Bei dem durchgeführten Beispiel, bei dem eine Kupferschiene verwendet wurde, ergibt sich aus der obigen Gleichung und den genannten Zahlenwerten eine Schweißstromstärke von ungefähr 650 Ampere. Die Durchführung der Schweißung mit dieser Stromstärke ergab eine Schweißnaht mit überdurchschnittlicher Qualität über ihre ganze Länge.

Bei besonders dicken Blechen hat es sich als günstig erwiesen, die Schweißung in zwei oder mehr Arbeitsgängen durchzuführen, da bei einem einzigen Arbeitsgang extrem große Stromstärken notwendig wären und diese die Gefahr einer ungleichmäßigen Ausbildung der Schweißwurzel mit sich bringen. Eine oder mehrere Füllagen können jedoch ohne Schwierigkeiten eingebracht werden, wenn die Wurzelnaht bereits nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zuverlässig geschweißt ist.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren eignet sich besonders für Schweißrabeiten an extrem großen Werkstücken, wie sie beispielsweise im Schiffsbau vorkommen. Auch sehr lange Schweißnähte können mit diesem Verfahren kontinuierlich von einer Seite her zuverlässig geschweißt werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Unterpulverschweißen, insbesondere zum Durchschweißen, von Nähten dicker Stahlbleche von einer Seite her, bei dem die Stoßfuge vor der Zugabe des Schweißpulvers von unten her durch eine mit einem hydraulischen oder pneumatischen Drucksystem angepreßte temperaturunempfindliche Schicht, insbesondere aus Pulver oder in Form einer Kupferschiene, abgeschlossen wird und die Stoßenden der Stoßfuge durch zur Stoßfuge parallele Magnetbänder in einer Ebene festgehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßfuge (3), die im Wurzelbereich einen offenen Wurzelspalt und ein V-, Y- oder U-förmiges Profil aufweist, vor der Zugabe des Schweißpulvers teilweise mit Stahlgranulat (4) gefüllt und nach Zugabe des Schweißpulvers entlang ihrer Mittellinie mit einer solchen Stromstärke geschweißt wird, daß das 1,0- bis l,4fache der Gewichtsmenge des eingebrachten Stahlgranulates (4) vom Elektrodendraht pro Zeiteinheit abschmilzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung einer Kupferschiene, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschiene (6) mit einer konkaven Längsnut (11) verwendet wird, deren Verhältnis von Breite zu Tiefe 5:1 bis 12:1 beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als temperaturunempfindliche Schicht eine Gewebeschicht aus Glasfasern oder einem anderen Mineralfaserstoff oder eine Schicht aus Schweißpulver oder Schamottepulver oder Porzellansand verwendet wird und diese Schicht mit einem Druck zwischen 0,1 und 0,3 atü, vorzugsweise 0,2 atü, an die Unterseite der Stoßfuge (3) angepreßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2. und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Drucksystems über Stempel (8), vorzugsweise aus Holz, und einer darüberliegenden Schicht (7) aus Schweißpulver oder Schweißsand auf die temperaturunempfindliche Schicht (6) übertragen wird.

5. Anpreßvorriehtung zur Durchführung des

Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, mit einem oben offenen, sich über die Länge der Stoßfuge erstreckenden Gehäuse, welches zum Schweißen mit der offenen Seite von unten an die Stoßfuge angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (5) von oben

nach unten nacheinander eine temperaturunempfindliche Schicht (6), eine Schüttung (7) aus trockenem Schweißsand oder Schweißpulver, Stempel (8), vorzugsweise aus Holz, und ein Druckschlauch (9), vorzugsweise ein Feuerwehrschlauch, angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen