DE2700720C2

DE2700720C2 - Verfahren zum Lichtbogen-Verbindungsschweißen

Info

Publication number: DE2700720C2
Application number: DE2700720A
Authority: DE
Inventors: Susumu Ibaraki Osaka Hoshinouchi; Wataru Takarazuka Hyogo Shimada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-01-10
Publication date: 1982-06-24
Also published as: US4258247A; DE2700720A1; DE2759836C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogen-Verbindungsschweißen mit nichtdurchgeschweißten Kehlnähten, insbesondere von T-Stößen mit Doppelkehlnaht.

Bei derartigen nichtdurchgeschweißten Verbindungen treten unter dynamischer Belastung Festigkeitsprobleme auf. Diesen Problemen ist man bisher im wesentlichen dadurch begegnet, daß man auf möglichst weitgehende Durchschweißung geachtet hat (A. Erker: »Die Schweißkonstruktion bei dynamischer Beanspruchung« in der Zeitschrift »Schweißtechnik« 10. Jg. (Wien 1956) Nr. 1 bis 3, Seite 21 bis 31, insbes. Seite 26 in Verbindung mit Abbildung 15),

Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch mit weitgehender Durchschweißung sich die bekannten Festigkeitsprobe me nicht Vollständig lösen lassen. Ferner wird bei einer möglichst weitgehenden Durchschweißung äugen' scheinlich relativ viel Schweißmaterial verbraucht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das zu Schweißverbindungen führt, die sich durch hohe dynamische Festigkeit bei minimalem Schweißmaterialeinsatz auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Schweißen in den Kehlgrund ein Füllstück eingelegt wird, das gegen die Wurzellage der Schweißmenge konvex geformt ist und aus einem Werkstoff besteht, der mit dem Schweißgut nicht verschweißt.

Versuche haben gezeigt, daß sich n&ch dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schweißverbindungen durch eine erheblich höhere Dauerfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) auszeichnen als nach den herkömmlichen Verfahren hergestellte Schweißverbindüngen. Insbesondere sind keine von der Wurzel ausgehenden Haarrisse in der Schweißnaht feststellbar. Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von mehreren Beispielen von Schweißverbindungen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen T-Stoß im Querschnitt zur Veranschaulichung der Verwendung eines Füllstücks aus einem schlackebildenden Material,

Fig.2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1, nur mit dem Unterschied, daß .Jas Stoß-Ende des Stegteiles abgeschrägte Flanken aufweist,

F i g. 3 eine abgewandelte Ausführungsform eines T-Stoßes im Querschnitt, bei welcher das Füllstück jeweils in einer sich längs der Längskanten des stegbildenden Teils angeordneten Ausnehmung eingelegt ist,

F i g. 4 ein Zwischenelement mit an den Längskanten angeordneten Füllstücken im Querschnitt,

F i g. 5 einen T-Stoß im Querschnitt und mit einem zwischen den Stoßflächen angeordneten Zwischenelement gemäß F i g. 4,

F i g. 6 einen T-Stoß im Quer/ ~hnitt, bei dem das Füllstück ein wassergekühltes Kupferrohr ist,

F i g. 7 ein Schliffbild einer erfindungsgemäß hergestellten Schweißverbindung,

F i g. 8 Ermüdungsfestigkeitskurven zur Darstellung der höheren dynamischen Festigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißverbindungen gegenüber den nach dem Stand der Technik hergestellten Schweißverbindungen, und
Fig.9 einen Stumpf-Stoß im Querschnitt und mit

so einem zwischen den Stoßflächen angeordneten Zwischenelement gemäß F i g. 4.

F i g. 1 zeigt einen T-Stoß, wobei die beiden olattenförmigen Teile 10, 12 rechtwinklig (T-förmig) aufeinander stoßen. Die Verschweißung erfolgt durch eine Doppelkehlnaht, wobei in F i g. 1 nur die linke Naht 14 gezeigt ist. Der ungeschweißte Abschnitt zwischen den beiden Stoßflächen ist mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet.

Vor dem Schweißen wird in die Kehlgründe jeweils ein Füllstück 22 eingelegt, derart, daß es gegen die Wurzellage konvex geformt ist. Das Füllstück 22 besteht z. B. aus einem schlackebildenden Material, das mit dem Schweißgut nicht Verschweißt, Das Füllstück dient zur Festlegung einer entsprechenden Aussparung im

Schweißmaterial 14 im Bereich der Wurzel. Durch diese Aussparung werden im Schweißmaterial im Wurzelbereich Spannungskonzentrationen vermieden.
Als schlackebildendes Material dient vorzugsweise

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eine Überzugsmasse von Schweißelektroden für das geschützte Lichtbogenschweißen, Flußmittel für das Unterpulver-LichtbogenschweiBen, massive Flußmittel wie sie als Unterlagen für das einseitige Lichtbogenschweißen verwendet werden, Glasbänder oder dgl.

Gemäß F i g. 1 weisen die Füllstücke 22 jeweils den Querschnitt eines Viertelkreises auf. Diese Konfiguration hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Obgleich sich die Abmessungen des Füllstücks 22 durch die Art des betreffenden Schweißverfahrens und durch den jeweils verwendeten Schweißstrom bestimmen, sollten seine Abmessungen die nötige Mindestgröße besitzen, die für die Festlegung einer ausreichend großen Ausnehmung notwendig ist, ohne dabei die Länge des ungeschweißten Abschnitts unnötig zu vergrößern. Wie unten noch näher dargestellt werden wird, soll der Radius der Ausnehmung 0,5 mm oder mehr betragen.

Wenn vor dem Schweißen in beide Kehlgründe jeweils ein Füllstück 22 eingelegt worden ist, werden mittels eines Schweißbrenners 24 in an sich bekannter Weise die Kehlnähte !4 über die FQlIstücke 22 geschweißt. Bei diesem Schweißvorgang wird das Füllstück 22 teilweise angeschmolzen, während es den auf ihm abgelagerten Schweißwulst trägt Der Schweißwulst besitzt daher nach dem Erstarren an seinem wurzelseitigen Ende eine Ausnehmung mit Viertelkreisquerschnitt, wie in F i g. 1 links erkennbar ist. Der Schweißwulst ist dabei durch wiederholte Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt worden. Aufgrund der Ausnehmung im Bereich des Kehlgrundes nimmt die Spannungskonzentration am Wurzelteil des stegbildenden Werkstücks 10 stark ab.

Es hat sich gezeigt, daß der Radius der durch das Füllstück 22 gebildeten Ausnehmung im Schweißmaterial eine Größe von mindestens 0,5 mm und vorzugsweise von 1,0 bis 2,0 mm besitzen sollte. Bei einem Radius von weniger als 0,5 mm kann die Spannungskonzentration im Bereich der Wurzel der Schweißnaht 14 nicht vermindert werden. Wenn der Radius der Ausnehmung dagegen z_ groß ist, vergrößert sich die Länge des Schweißmaterials bei gleichzeitiger unnötiger Zunahme eines ungeschweißten Teils im Bereich des Kehlgrundes.

Gemäß Fi g. 2 ist der stegbildende Teil 10 zu beiden Seiten im Stoßbereich nach innen abgeschrägt. Auf diese Weise wird zu beiden Seiten des stegbildenden Teils 10 je eine V-förmige Nut geschaffen. Jede dieser V-förmigen Nuten ist mit einem Füllstück 22 ausgefüllt, das einen keilförmigen, in einem Kreisbogen auslaufenden Querschnitt besitzt. Im übrigen entspricht die Anordnung derjenigen gemäß Fig. 1.

Die in Fi g. 3 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 lediglich darin, daß bei ihr der stegbildende Teil 10 längs seiner Stirn-Längskanten jeweils mit einer Ausnehmung versehen ist, die praktisch vollständig durch die Füllstücke 22 ausgefüllt sind. Diese Ausführungsform ist deshalb vorteilhaft, weil bei ihr unabhängig von einer etwaigen Abweichung der Anschmelztiefe ein bestimmter, zweckmäßiger Radius der wurzelseitigen Ausnehmung im Schweißwulst 14 gewährleistet wird-

In Fig.4 ist ein Zwischenelement 26 mit einem Tragteil 28 aus einem geeigneten metallischen Werkstoff, wie Eisen oder Kupfer, dargestellt, Wobei dieser Tragteil an seinen beiden Längskanten mit je einer Profilnut versehen ist, in die je ein Füllstück 22 aus einem schlackebildenden Material oder dgl. eingesetzt ist Die Füllstücke 21 sind außen abgerundet. Der Tragteil kann z, B. eine Dicke von 3 mm besitzen und in seinen übrigen Abmessungen im wesentlichen der Stirnfläche des stegbildenden Teils 10 entsprechen.

Gemäß F i g. 5 wird der stegbildende Teil 10 unter Zwischenfügung des Zwischenelementes 26 auf den anderen Teil 12 aufgesetzt, worauf auf die vorher in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Weise die Kehlnaht geschweißt wird.

Durch Anwendung des Zwischenelements 26 wird die Arbeitsweise erheblich verbessert, wobei ähnliche Ergebnisse erzielt werden, wie sie mit den vorher in Verbindung mit den F i g. 1 —3 beschriebenen Verfahren gewährleistet werden.

Statt eines schlackebildenden Materials können für die Füllstücke auch hochschmelzende Werkstoffe, wie Wolfram, Molybdän, etc., verwendet werden, die durch einen Schweißlichtbogen nicht angeschmolzen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.6 dient als

Füllstück 22 ein wassergekühltes Kupferrohr, wobei der stegbildende Teil 10 längs seiner Längskanten jeweils mit einer Ausnehmung versehe ist, in die das wassergekühlte Kunferrohr einge<°tzt werden kann. Dadurch ist gewährleistet daß der ungeschweißte Abschnitt im Bereich des Kehlgrundes nicht allzu groß wird. Nach Einlegen des wassergekühlten Kupf^rrohres wird die Kehle mittels des Schweißbrenners 24 vollgeschweißt Der Außendurchmesser des wassergekühlten Kupferrohres beträgt vorzugsweise 4 mm, während der Innendurchmesser etwa 2 mm beträgt Aus der fertiggestellten Schweißnaht 14 wird das wassergekühlte Kupferrohr herausgezogen, so daß ein entsprechender Hohlraum 30 (linke Seite in Fig.6) zurückbleibt der im Wurzelbereich die Entstehung hoher Spannungskonzentrationen verhindert Statt eines wassergekühlten Kupferrohres kann auch ein andersartig gekühltes Kupferelement verwendet werden.

Das anhand der F i g. 6 beschriebene Verfahren ist zwar etwas aufwendiger als die oben beschriebenen Verfahren, bielet aber den Vorteil, daß äußerst genaue Ausnehmungen im Wurzelbereich der Kehlnähte 14 erhalten werden.

Die Schweißnaht gemäß F i g. 7 wurde in der Weise hergestellt, daß zwischen den Stoßflächen der Teile 10 und 12 ein 3 mm dickes Glas(faser)band aus gewebten Glasfasern angeordnet wurde, wobei die Längskanten des Glas(faser)bandes halbkreisförmig abgerundet waren. Die so gebildete Anordnung wurde daraufhin einer Kehlnahtschweißung unterworfen, wonach die Glasbänder aus der fertiggestellten Schweißung herausgezogen wurden. Gemäß F i g. 7 weist der Schweißwulst 14 im Bereich der Wurzel eine Ausnehmung mit im wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt auf. Die Ausnehmung besitzt einen Radius von 1,5 mm.

In F i g. 8 sind zwei Ermüdungsfestigkeitskurven dargestellt, wobei die Abszisse die Zahl N der wiederholt ausgeübten Beanspruchunger in logarithmischem Maßstab und die Ordinate die Belastungs- oder Spannungsamplitude 5 in ebenfalls logarithmischem Maßstab angeben. Die Kurve a bezieht sich auf einen nach einem bisl· .r üblichen Lichtbogenschweißverfahren ohne Verwendung eines Füllstücks im Kehlgrund hergestellten Doppel-T-Stoß. Die Kurve b gilt dagegen für einen Doppel-T-Stoß, der unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend Fig.7 hergestellt worden ist. F i g. 8 zeigt deutlich, daß die Ermüdungsbruchgranze bei einem nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Doppel-T-Stoß etwa 32 N/mm² beträgt, während diese Grenze bei

einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Doppel-T-Stoß etwa 60 N/mm² beträgt, also nahezu doppell so hoch liegt wie im ersl;genännteri Fall.

Es hat sich auch gezeigt, daß man bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine höhere Festigkeit gegenüber Sprödbruch erhält.

Obgleich das erfindungsgemäße Veirfahren anhand von T-Stößen mit Doppeikehlnaht beschrieben worden ist, ist darauf hinzuweisen, daß es gleichermaßen auch auf Stumpfschweißungen oder andere Schweißverbindungen anwendbar ist. F i g. 9 zeigt eine Stumpfschweißung zwischen zwei plattenförmigen Teilen 12, deren Stoßflächen jeweils durch eine Siegflanke und zwei Fugenflanken gebildet sind. Zwischen den Stegfianken ist ein Zwischenelemenl entsprechend Fig.4 angeordnet. Der Raum zwischen zwei einander gegenüberliegenden Fugenflanken wird durch Schweißmetall 14 ausgefüllt.

Hierzu 5 BIaU Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 27 OO 720

1. Verfahren zum Lichtbogen-Verbindungsschweißen mit nichtdurchgeschweißten Kehlnähten, insbesondere von T-Stößen mit Doppelkehlnaht, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schweißen in den Kehlgrund ein Füllstück (22) eingelegt wird, das gegen die Wurzellage der Schweißraupe (14) konvex geformt ist und aus einem Werkstoff besteht, der mit dem Schweißgut nicht verschweißt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Füllstück ein schlackebilden des Material verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als schlackebildendes Material eine Oberzugsmasse für getauchte oder dicker umhüllte Schweißelektroden, ein Flußmittel für das Unterpulver-Lichtbogenschweißen ein Unterlagsflußmittel für das einseitige Lichtbogenschweißen oder ein Glas(faset>band verwendet wird.

4. Verfsnren nach ARsⁿruch 1 dadurch ^sksnnzeichnet, daß für das Füllstück ein hochschmelzendes Material, wie Molybdän oder Wolfram, verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstück ein wassergekühltes Kupferrohr verwendet wird (F i g. 6).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllstück in einen durch eine Ausnehmung längs der Stirnlängskante des stegbü'icnden Teils erweiterten Kehlgrund eingelegt wird (F i g. 3).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem T-Stoß mit Doppelkehlnaht zwischen dei, Stoßflächen ein an seinen beiden Längskanten je ein Füllstück tragendes Zwischenelement (26) eingesetzt wird, derart, daß die Füllstücke jeweils im Kehlgrund liegen (F ig. 5).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 — 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Füllstück verwendet wird, dessen konvexer Teil einen Radius von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise von 1,0 bis 2,0 mm hat.