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WO1998000265A1 - Verfahren zum engspaltschweissen mit dem mag-schweissverfahren - Google Patents

Verfahren zum engspaltschweissen mit dem mag-schweissverfahren Download PDF

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WO1998000265A1
WO1998000265A1 PCT/DE1997/001195 DE9701195W WO9800265A1 WO 1998000265 A1 WO1998000265 A1 WO 1998000265A1 DE 9701195 W DE9701195 W DE 9701195W WO 9800265 A1 WO9800265 A1 WO 9800265A1
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wire electrode
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arc
wire
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Karl-Heinz Gunzelmann
Wolfgang Schlenk
Dieter Steinbichler
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
    • B23K9/0213—Narrow gap welding

Definitions

  • the invention relates to a method for narrow gap welding using the MAG welding method, in which the welding device is guided in the weld joint and at least one melting wire electrode passed through a contact tube is supplied to the welding area under protective gas at a predetermined wire feed rate, and in which the parameters welding current, electrode wire -Adjust the feed and contact tube distance such that a rotating arc forms at the end of the wire electrode.
  • MAG welding is one of the most common arc fusion welding processes due to its versatility, good mechanizability and high productivity.
  • the economy of this known method can be further improved if the required joint cross-section is reduced and the narrow gap welding is started.
  • the introduction of the welding device into the joint and the positioning of the melting wire electrode to the workpiece flanks to be connected are problematic.
  • the risk of binding errors on the workpiece flanks is relatively high, especially with flame-cut workpiece flanks and the resulting large gap tolerances.
  • EP-A-0 557 757 discloses a method for narrow-gap welding of the type mentioned at the outset, in which the parameters welding current, electrode wire feed and contact tube spacing are set in such a way that the usual axial material transfer is performed by a rotating one without a mechanically effected electrode movement Material transfer is replaced with a rotating arc.
  • the bridging gap width is limited, so that there is a risk of flank binding errors in the case of larger gap widths due to production.
  • the invention has for its object to provide a method for narrow gap welding with the MAG welding method, in which a reliable edge detection can be ensured even with larger gap widths and in particular with gap tolerances due to production.
  • This object is achieved according to the invention in a generic method for narrow gap welding in that the self-rotation of the arc is superimposed on a mechanical deflection of the end of the wire electrode. It is surprising for the person skilled in the art that, despite the mechanical deflection of the end of the wire electrode and the consequent constant change in position of the electrode end, an arc can be formed with stable self-rotation. The superimposition of the mechanical deflection and the self-rotation of the arc leads to a wider arc area, which ensures the desired and necessary melting of both workpiece flanks with certainty even with larger joint widths.
  • a rotational movement of the end of the wire electrode is superimposed on the self-rotation of the arc.
  • the superposition of both rotations results in additional stabilization of the rotating arc. Occasional reversals of the direction of rotation, such as occur when welding without mechanical rotation, are hardly observed here.
  • the performance can be significantly reduced compared to welding without mechanical rotation, without endangering the stability of the self-rotation.
  • the combination of both rotations thus enables narrow-gap welding to be used even with heat-sensitive materials according to the MAG welding process.
  • the self-rotation of the arc and a mechanical rotation the latter is produced with little effort by winding the wire electrode. It has proven to be particularly economical to manufacture the coil by means of a rotating wire straightening set.
  • Figure 1 shows the narrow gap welding with two plastically deformed wire electrodes and an additional self-rotation of the arc forming at the end of the wire electrodes.
  • Figure 3 shows the narrow gap welding with a reciprocating wire electrode and an additional self-rotation of the arc forming at the end of the wire electrode
  • FIG. 4 shows the narrow gap welding with a mechanically deflected, oscillating wire electrode and an additional self-rotation of the arc that forms at the end of the wire electrode
  • FIG. 6 shows the narrow gap welding with a wire electrode plastically deformed into a coil and an additional internal rotation of the arc and at the end of the wire electrode
  • Figure 7 shows the narrow gap welding according to the variant shown in Figure 6 in detail.
  • FIGS 1 to 6 show a highly simplified schematic representation of different variants of narrow-gap welding using the MAG welding process.
  • Two thick sheets BL are to be welded together.
  • a base plate GB is arranged below the welding gap SF formed between the two sheets BL.
  • the melting wire electrodes DE are fed to the welding area through a contact tube KR under protective gas.
  • a rotating arc RLB is formed at the end of a wire electrode DE.
  • Contact tube distance is understood to mean the distance between the lower end of the contact tube KR and the uppermost welding bead.
  • the type of shielding gas and the diameter of the wire electrode DE are further parameters that can play a role in the formation of an arc RLB with stable self-rotation.
  • Figures 1 and 2 show two static process principles, in each of which two wire electrodes DE are supplied.
  • the two wire electrodes DE are supplied via two contact tubes KR arranged one behind the other in the welding gap SF, the wire electrodes DE being curved toward the workpiece flanks by a plastic deformation.
  • the ends of the wire electrodes DE are mechanically deflected toward the workpiece flanks by correspondingly bent contact tubes KR.
  • Figures 3 to 6 show different dynamic process principles.
  • the desired alternating design of the rotating arc RLB to both workpiece flanks is made possible by a reciprocating pendulum movement P.
  • This effect is made possible by a bent contact tube KR, which is also reciprocated in the direction of rotation DR.
  • FIG. 5 shows a variant with two twisted wire electrodes DE guided through a common contact tube KR.
  • the self-rotation of the arcs RLB is superimposed on a rotational movement of the ends of the wire electrodes DE caused by the melting process.
  • FIG. 6 finally shows a variant in which the self-rotation of the arc RLB is superimposed on a rotational movement R of the end of the wire electrode DE.
  • the wire electrode DE is plastically deformed into a helix and passed through the contact tube KR in this helical shape.
  • the mechanical rotation R then results when the end of the wire electrode DE is melted.
  • FIG. 7 shows the variant according to FIG. 6 in detail.
  • the plastic deformation of the wire electrode DE into a coil is carried out by a rotating wire straightening set RD which has three deflection rollers UR.
  • the plane plastic deformation of the wire electrode DE supplied with a predetermined wire feed speed DVG caused by the three deflection rollers UR becomes a spatial helix shape due to the superimposed rotation RO of the entire wire straightening set RD.
  • the welding device In addition to the rotating wire straightening set RD, the welding device, designated overall by SE, includes a protective gas nozzle SGD in which the contact tube KR is arranged concentrically.
  • Sheet thickness 200 mm gap width: 15 - 18 mm

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Arc Welding In General (AREA)

Abstract

Beim Engspaltschweißen wird die Schweißeinrichtung (SE) in der Schweißfuge geführt und dabei mindestens eine, durch ein Kontaktrohr (KR) geleitete, abschmelzende Drahtelektrode (DE) unter Schutzgas mit einer vorgegebenen Drahtvorschubgeschwindigkeit (DVG) dem Schweißbereich zugeführt. Zur Gewährleistung einer guten Schweißnahtqualität sollte sich der zwischen Drahtelektrode (DE) und Werkstück erzeugte Lichtbogen (RLB) abwechselnd zu beiden Werkstückflanken ausbilden. Dies wurde bislang entweder durch eine mechanische Auslenkung der Drahtelektrode (DE) oder durch eine sich unter bestimmten Schweißparametern einstellende Eigenrotation des Lichtbogens (RLB) realisiert. Beide Varianten sind jedoch in der überbrückbaren Schweißfugenbreite begrenzt. Um auch fertigungsbedingt größere Breiten der Schweißfugen (SF) überbrücken zu können, wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Eigenrotation des Lichtbogens (RLB) eine mechanische Auslenkung des Endes der Drahtelektrode (DE), insbesondere eine mechanische Rotationsbewegung (RO) des Endes der Drahtelektrode (DE), überlagert. Trotz der ständigen Lageänderungen des Endes der Drahtelektrode (DE) ist hierbei überraschenderweise eine stabile Eigenrotation des Lichtbogens (RLB) möglich.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Engspaltschweißen mit dem MAG-Schweißverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Engspaltschweißen mit dem MAG-Schweißverfahren, bei dem die Schweißeinrichtung in der Schweißfuge geführt und dabei mindestens eine durch ein Kontaktrohr geleitete abschmelzende Drahtelektrode unter Schutzgas mit einer vorgegebenen Drahtvorschubgeschwindigkeit dem Schweißbereich zugeführt wird, und bei dem die Parameter Schweißstrom, Elektrodendraht-Vorschub und Kontaktrohrabstand derart eingestellt werden, daß sich am Ende der Drahtelektrode ein rotierender Lichtbogen ausbildet.
Das MAG-Schweißen ist aufgrund seiner vielseitigen Einsetz- barkeit, guten Mechanisierbarkeit und hohen Produktivität eines der verbreitesten Lichtbogen-Schmelzschweißverfahren. Die Wirtschaftlichkeit dieses bekannten Verfahrens kann dabei noch weiter verbessert werden, wenn der erforderliche Fugen- querschnitt reduziert und zum Engspaltschweißen übergegangen wird. Bei den tiefen und engen Schweißfugen bereitet jedoch das Einführen der Schweißeinrichtung in die Fuge und die Positionierung der abschmelzenden Drahtelektrode zu den zu verbindenden Werkstückflanken Probleme. Die Gefahr von Bindefeh- lern anden Werkstückflanken ist dadurch relativ hoch, insbesondere bei brenngeschnittenen Werkstückflanken und daraus resultierenden großen Spalttoleranzen.
Beim Engspaltschweißen mit dem MAG-Schweißverfahren sollte sich der zwischen Drahtelektrode und Werkstück erzeugte
Lichtbogen abwechselnd zu beiden Werkstύckflanken ausbilden. Dies wird bislang durch eine mechanische Auslenkung der Drahtelektrode realisiert, wobei hier zwischen statischen und dynamischen Verfahrensprinzipien unterschieden wird. Bei den statischen Verfahrensprinzipien werden zwei Drahtelektroden derart plastisch verformt oder mechanisch geführt, daß die Enden der Drahtelektroden jeweils zu einer Werkstückflanke hin ausgelenkt sind. Bei den dynamischen Verfahrensprinzipien pendeln die Enden einer Drahtelektrode zwischen beiden Werkstückflanken hin und her oder es werden zwei verdrillte Drahtelektroden zugeführt, die dann beim Abschmelzen verschiedene Lagen bezüglich der Werkstückflanken einnehmen. Aus Narrow Gap Welding-The State-of the-Art in Japan, The Japan Welding Soc, Tokio, 1986, Seiten 65 bis 73 ist eine weitere zu den dynamischen Verfahrensprinzipien zählende Variante bekannt, bei welcher die Drahtelektrode durch einen rotierenden Drah- trichtsatz zu einer Wendel plastisch verformt wird und sich somit durch den Abschmelzvorgang eine Rotationsbewegung des Endes der Drahtelektrode ergibt .
Aus der EP-A-0 557 757 ist ein Verfahren zum Engspaltschwei- ßen der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem ohne eine mechanisch bewirkte Elektrodenbewegung die Parameter Schweißstrom, Elektrodendraht-Vorschub und Kontaktrohrabstand derart eingestellt werden, daß der übliche axiale Werkstoffübergang durch einen rotierenden Werkstoffübergang mit rotierendem Lichtbogen abgelöst wird.
Sowohl beim Engspal schweißen mit einer ausgelenkten Drahtelektrode als auch beim Engspaltschweißen mit einer Eigenrotation des Lichtbogens ist die überbrückbare Schweißfugenbreite begrenzt, so daß bei fertigungsbedingten größeren Spaltbreiten die Gefahr von Flankenbindefehlern besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Engspaltschweißen mit dem MAG-Schweißverfahren zu schaffen, bei welchem auch bei größeren Spaltbreiten und insbesondere bei fertigungsbedingten Spalttoleranzen eine sichere Flankenerfassung gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Engspaltschweißen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Eigenrotation des Lichtbogens eine mechanische Auslenkung des Endes der Drahtelektrode überlagert wird. Für den Fachmann ist es dabei überraschend, daß trotz der mechanischen Auslenkung des Endes der Drahtelektrode und die dadurch bedingte ständige Lageänderung des Elektrodenendes ein Lichtbogen mit stabiler Eigenrotation ausgebildet weren kann. Die Überlagerung der mechanischen Auslenkung und der Eigenrotation des Lichtbogens führt zu einem breiteren Lichtbogenbereich, wodurch die gewünschte und notwendige Aufschmelzung beider Werkstückflanken auch bei größeren Fugenbreiten mit Sicherheit gewährleistet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un- teransprüchen angegeben.
Gemäß Anspruch 2 ist es besonders vorteilhaft, der Eigenrota- tion des Lichtbogens eine dynamische Auslenkung des Endes der Drahtelektrode zu überlagern. Gemäß Anspruch 3 kann dabei beispielsweise der Eigenrotation des Lichtbogens eine Pendelbewegung des Endes der Drahtelektrode überlagert werden. Gemäß Anspruch 4 ist es aber auch möglich, unter Verwendung von zwei abschmelzenden Drahtelektroden der Eigenrotation der Lichtbogen durch eine Verdrillung der Drahtelektroden eine Rotationsbewegung der Drahtelektroden zu überlagern.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs- gemäßen Verfahrens wird gemäß Anspruch 5 der Eigenrotation des Lichtbogens eine Rotationsbewegung des Endes der Drahtelektrode überlagert . Durch die Überlagerung beider Rotationen ergibt sich hier eine zusätzliche Stabilisierung des rotierenden Lichtbogens. Gelegentliche Drehrichtungsumkehrungen, wie sie beim Schweißen ohne mechanische Rotation auftreten, werden hier kaum noch beobachtet. Durch die Überlagerung der beiden Rotationen kann gegenüber dem Schweißen ohne mechanische Rotation die Leistung sogar deutlich reduziert werden, ohne die Stabilität der Eigenrotation zu gefährden. Die Ko - bination beider Rotationen ermöglicht somit auch bei wärmeempfindlichen Werkstoffen eine Anwendung des Engspaltschweißens nach dem MAG-Schweißvefahren. Bei der Überlagerung der Eigenrotation des Lichtbogens und einer mechanischen Rotation wird letztere gemäß Anspruch 6 mit geringem Aufwand durch eine Wendelung der Drahtelektrode erzeugt. Dabei hat sich gemäß Anspruch 7 eine Herstellung der Wendelung durch einen rotierenden Drahtrichtsatz als besonders wirtschaftlich erwiesen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert .
Es zeigen
Figur 1 das Engspaltschweißen mit zwei plastisch verformten Drahtelektroden und einer zusätzlichen Eigenrotation des sich am Ende der Drahtelektroden ausbildenden Lichtbogens.
Figur 2 das Engspaltschweißen mit zwei mechanisch ausgelenkten Drahtelektroden und einer zusätzlichen Eigenrotation der sich am Ende der Drahtelektroden ausbildenden Lichtbogen,
Figur 3 das Engspaltschweißen mit einer hin- und hergehenden Drahtelektrode und einer zusätzlichen Eigenrotation des sich am Ende der Drahtelektrode ausbildenden Lichtbogens
Figur 4 das Engspaltschweißen mit einer mechanisch ausgelenk- ten, hin- und herpendelnden Drahtelektrode und einer zusätzlichen Eigenrotation des sich am Ende der Drahtelektrode ausbildenden Lichtbogens,
Figur 5 das Engspaltschweißen mit zwei verdrillten Drahtelek- troden und einer zusätzlichen Eigenrotation der sich am Ende der Drahtelektroden ausbildenden Lichtbogen,
Figur 6 das Engspaltschweißen mit einer plastisch zu einer Wendel verformten Drahtelektrode und einer zusätzlichen Ei- genrotation des sich am Ende der Drahtelektrode ausbildenden Lichtbogens und Figur 7 das Engspaltschweißen gemäß der in Figur 6 dargestellten Variante im Detail.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen in stark vereinfachter schemati- scher Darstellung verschiedene Varianten des EngspaltSchweißens mit dem MAG-Schweißverfahren. Dabei sollen jeweils zwei dicke Bleche BL miteinander verschweißt werden. Unterhalb des zwischen den beiden Blechen BL gebildeten Schweißspaltes SF ist ein Grundblech GB angeordnet. Bei sämtlichen Varianten werden die abschmelzenden Drahtelektroden DE durch ein Kontaktrohr KR unter Schutzgas dem Schweißbereich zugeführt. Durch entsprechende Wahl der Parameter Schweißstrom, Elektrodendraht-Vorschub und Kontaktrohrabstand bildet sich jeweils am Ende einer Drahtelektrode DE ein rotierender Lichtbogen RLB aus. Unter Kontaktrohrabstand wird dabei der Abstand zwischen dem unteren Ende des Kontaktrohres KR und der obersten Schweißraupe verstanden. Als weitere Parameter, die bei der Ausbildung eines Lichtbogens RLB mit stabiler Eigenrotation eine Rolle spielen können, sind die Art des Schutzgases und der Durchmesser der Drahtelektrode DE zu nennen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei statische Verfahrensprinzipien, bei welchen jeweils zwei Drahtelektroden DE zugeführt werden. Bei der in Figur 1 dargestellten Variante werden die beiden Drahtelektroden DE über zwei in dem Schweißspalt SF hintereinander angeordnete Kontaktrohre KR zugeführt, wobei die Drahtelektroden DE durch eine plastische Verformung zu den Werkstückflanken hin gekrümmt sind. Bei der in Figur 2 dargestellten Variante werden die Enden der Drahtelektroden DE durch entsprechend abgebogene Kontaktrohre KR zu den Werkstückflanken hin mechanisch ausgelenkt.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen verschiedene dynamische Verfahrensprinzipien. Bei der Variante gemäß Figur 3 wird die ge- wünschte abwechselnde Ausbildung des rotierenden Lichtbogens RLB zu beiden Werkstückflanken durch eine hin- und hergehende Pendelbewegung P ermöglicht. Bei der Variante gemäß Figur 4 wird dieser Effekt durch ein abgebogenes Kontaktröhr KR ermöglicht, daß ebenfalls pendelnd in Drehrichtung DR hin- und herbewegt wird.
Figur 5 zeigt eine Variante mit zwei verdrillten, durch ein gemeinsames Kontaktrohr KR geführten Drahtelektrode DE. Hier wird der Eigenrotation der Lichtbogen RLB eine durch den Ab- schmelzvorgang bewirkte Rotationsbewegung der Enden der Drahtelektroden DE überlagert .
Figur 6 zeigt schließlich eine Variante, bei welcher der Eigenrotation des Lichtbogens RLB eine Rotationsbewegung R des Endes der Drahtelektrode DE überlagert wird. Hier wird die Drahtelektrode DE plastisch zu einer Wendel verformt und in dieser Wendelform durch das Kontaktrohr KR geführt. Die mechanische Rotation R ergibt sich dann beim Abschmelzen des Endes der Drahtelektrode DE.
Figur 7 zeigt die Variante gemäß Figur 6 im Detail. Die pla- stische Verformung der Drahtelektrode DE zu einer Wendel erfolgt durch einen rotierenden Drahtrichtsatz RD, der drei Umlenkrollen UR aufweist. Die durch die drei Umlenkrollen UR bewirkte ebene plastische Verformung der mit einer vorgegebenen Drahtvorschubgeschwindigkeit DVG zugeführten Drahtelek- trode DE wird durch die überlagerte Rotation RO des gesamten Drahtrichtsatzes RD zu einer räumlichen Wendelform.
Neben dem rotierenden Drahtrichtsatz RD umfaßt die insgesamt mit SE bezeichnete Schweißeinrichtung eine Schutzgasdüse SGD in welcher das Kontaktrohr KR konzentrisch angeordnet ist.
Durch die Überlagerung der Eigentrotation des Lichtbogens RLB und der durch die Wendelung bewirkten mechanischen Rotation R können beim Aufbau der einzelnen Schweißraupen bzw. Schweißlagen SL in der Schweißfuge SF auch fertigungsbedingte größe- re Spaltbreiten überbrückt werden. Die Überlagerung beider Rotationen führt zu einem breiteren Lichtbogenbereich, wodurch die gewünschte und notwendige Erfassung beider Fugen- flanken auch bei wechselnden Fugenbreiten mit Sicherheit gewährleistet ist.
Beispiel : Beim MAG-Engspaltschweißen mit der in Figur 7 dargestellten
Anordnung wurden die nachfolgenden Bedingungen und Schweißparameter realisiert:
Fugenform: I-Fuge
Blechdicke: 200 mm Spaltbreite: 15 - 18 mm
Schutzgas: 13% C02 / %07 RestAr
Schutzgasmenge: 201/min
Durchmesser der Drahtelektrode: 1,0 mm
Kontaktrohrabstand: 30 mm Drahtvorschub: 30 m/min
Stromstärke: 325 A
Spannung: 43 V
Schweißgeschwindigkeit: 30 cm/min
Abschmelzleistung: 11,0 Kg/h Streckenenergie: 28 kJ/cm
Raupenzahl : 41
Mit den vorstehend angegebenen Parametern und Bedingungen wurde eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung zwischen den einzelnen Flanschringsegmenten einer Gasturbine realisiert . Durch die Überlagerung der Eigenrotation des Lichtbogens und der mechanischen Rotation des Elektrodenendes bereiteten auch toleranzbedingt wechselnde Fugenbreiten keinerlei Schwierigkeiten. Bei einer anschließenden Untersuchung ließ das Nahtprofil der Schweißverbindung mit 200 mm Nahtdicke keine Unregelmäßigkeiten erkennen. Der gleichmäßige, schalen- förmige Einbrand mit guter Flankenerfassung bestätigte die hohe Qualität der Schweißverbindung. Das vollmechanische kontinuierliche Mehrlagenschweißen führt gegenüber den bisher bekannten Verfahren zu einer Qualitätsverbesserung und einer Minimierung der Gefahr von Bindefehlern am Nahtanfang. Die Fertigungssicherheit wird erhöht und die physische Belastung des Schweißers deutlich minimiert.
PCT/DE1997/001195 1996-07-02 1997-06-12 Verfahren zum engspaltschweissen mit dem mag-schweissverfahren Ceased WO1998000265A1 (de)

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