DE1765706C - Verfahren zum Formschweißen mit einer Stromzufuhrenden, sich wahrend des Schwel ßens aufbrauchenden Düse - Google Patents

Description

Dl« Erfindung betrifft ein Verfahren zum Form-,./ schweißen mit einer stromzufUhrenden, sich wahrend ' ,des Schweißens aufbrauchenden Düse. Ein derartiges Verfahren ist in der Broschüre »Electroslag Welding« . von P a t ο η, Welding Society Inc., New York, vom Mai 1962 beschrieben.

' 7 Bei diesem bekannten Verfahren wird die Schweißeinrichtung nicht entlang der zu schweißenden Verbindung bewogt, sondern ist gegenüber dem Werkstück stationär, Der Schweißdraht wird der Schweißstelle durch einen hohlen Leiter bzw. eine hohle Düse zugeführt, dio sieh vertikal abwärts über die Länge der zu schweißenden Naht erstreckt, Eine Stromzuführung der Stromquelle ist mit der hohlen Dlise und die andere mit dem WerkstllcK verbunden. Dadurch wird beim Schutzgas-Lichtbogenschweißen oder beim »ElectroslagÄ-Schweißverfahren der Lichtbogen bzw. das Schlackebad zwischen dem Schweißdraht und den unterhalb des unteren Endes der Düse liegenden Werkstücken erzeugt. Beim Schweißen ao schmilzt die Düse zusammen mit dem Schweißdraht, und der geschmolzene Werkstoff der Düse wird der Schweißstelle zugeführt.

Da die Lichtbogenspannung oder die Spannung durch das Schlackebad sehr stark auf die Form und die Qualität der Schweißung einwirkt, wird bevorzugt, mit einer konstanten Schweißdrahtzuführung zu schweißen und eine Stromquelle mit einer flachen Spannung-Strom-Charakteristik zu verwenden. Solche Stromquellen haben einen Spannungsabfall von 1 bis 2 Volt bei einem Anstieg des Schweißstromes von 100 A. Bei den bekannten Lichtbogen-Schweißvcrfahren und'den bekannten »Electroslaga-Schweißverfahrcn mit sich aufbrauchenden Düsen ist die Länge der Verbindung durch den Spannungsabfall über die Länge der Düse begrenzt.

Wenn längere Verbindungen nach dem bekannten Vorfahren geschweißt werden, kann eine unzulässige Abweichung der Lichtbogenspannung durch den elektrischen Widerstand der Düse hervorgerufen werden, was Fehler in der Schweißverbindung ergibt. Diese Spannungsdifferenz ergibt sich auch schnell durch einen Temperaturanstieg der Düse zu Beginn des Schweißvorganges, bis ausgewogene Verhältnisse eingetreten sind, wobei die Spannungsdifferenz langsam zusammen mit dem Wegschmelzen der Düse abnimmt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß dann, wenn das Schweißpulver, das beim Schweißen langer Verbindungen nicht in die Naht eingebracht werden kann, in Form einer Schicht auf der Düse zugeführt wird, diese Schicht die Wärmeleitung verhindert. Durch die hohe Temperatur kann dann der Spannungsabfall über die Düse sehr stark variieren.

Beim Schweißen von Platten mit einer Dicke von 19 mm mit einer bedeckten Düse, die einen Durchmesser von 12 mm und eine Bohrung von 3 mm hat, und mit einem Schweißstrom von 550A, fällt die Spannung etwa um 2,5 Volt pro Meter über die Länge der Düse ab. Die Temperatur der Düse steigt dann auf (·>()()'' C an. Da in der Schweißung bereits Fehler auftreten, wenn die Lichtbogcnspannung 2,5 Volt oberhalb oder unterhalb des genauen Wertes liegt, kann die gesamte Länge von dünnen Platten (Stärke 10 mm), die nach dem bekannten Verfahren noch geschweißt werden können, etwa I m und für dickere Platten (35 bis 40 mm) etwa 3 m sein.

Dennoch wird dieses Verfahren verwendet, wenn

Platten größerer Lange,
20 m, zusammengesohwei«
Schweißen solcher langen Nähte
der Form aus separaten Teilen
Teilen mit einer Lunge von 0,5 bis 3 m.

Die Lichlbogenspannung wird am oberen Ende der Form aemessen, so daß die Stromquelle entsprechend gesteuert wird. Die Verbindung zwischen der Düse und der Stromquelle kann euch direkt am oberen Ende der Form angelegt werden. Wird der nächsthöhere Damm an das obere Ende des vorher verwendeten angelegt, wird die Verbindung mit der Stromquelle am höheren Verbindungspunkt der Düse niwii<iih des neuen Dammes vorgenommen. Die Länge der gewählten Teile ist so kurz, daß es nicht absolut erforderlich ist, die Stromquelle einzustellen. ^T-doch verringern die vorbeschriebenen Maßstäbe die Vorteile der bekannten Schweißverfahren mit sich aufbrauchender Düse.

Weitere Methoden zum Messen der Spannung im Schlackebad sind in der vorerwähnten Broschüre »Electroslag Welding« von P a t ο η, erläutert. Diese Meßmethoden werden zur Regelung des Vorschubes der am Schweißkopf befestigten gleitbaren Kühlschuhe verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, cm Verfahren zum Formschweißen mit Zwangsformung der Naht durch Spannungssteuerung der Schweiß-Stromquelle zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß während des Schweißens das Potential am Ende der Düse mittels einer Meßsonde gemessen wird, die aus einem mit der Düse gleichlaufenden elektrisch leitenden und isolierten Draht bestellt, dessen geschmolzenes Ende ständig in elektrischem Kontakt mit dem geschmolzenen Ende d.-r Düse steht. Diese erfindungsgemäße technische Lehre ermöglicht das Schweißen von viel größeren Plattenlängen ohne jede Korrektur. Die Form kann über die gesamte Länge der zu schweißenden Naht gelegt werden. Dabei wird die Durchschnittsschweißspannung durch selbständiges Steuern der Stromquellenspannung konstant gehalten.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die von der Meßsonde gemessene Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen und die Differenz zwischen der Sondenspannung und der Bezugsspannung zur Steuerung der Schweißstromquelle verwendet. Das Steuersystem hat dabei vorzugsweise eine solche Zeitkonstante, daß das System nicht auf vorübergehende Schwankungen der Schweißspannung reagiert. Vorübergehende Änderungen im Schweißstrom bewirken Schwankungen der Spannung über die Düse. Die vorübergehenden Spannungsschwankungen über die Düse erzeugen Schwankungen in der Lichtbogenspannung um den konstant zu haltenden Mittelwert herum. Aus diesem Grunde wird bei einer vorteilhaften Ausführungsart des erfindungsgemiißen Verfahrens mit einer abfallenden Spannungs-Strom-Charakteristik im Arbeitsbereich gearbeitet. Bei eineni genauen Neigungsgradienten dieser Charakteristik ist es möglich, die besagten vorübergehenden Änderungen in der Lichtbogenspannung fast vollständig zu vermeiden.

Bei einem Schutzgas-Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem beispielsweise CO₂-GaS benutzt wird, kann eine nicht umhüllte Düse verwendet werden. Diese Düse kann vom Werkstück durch einen Fiberglasmaiilel isoliert werden, der nur schlackcbildende

Elemente enthtilt, die die Scliwoißung nicht nachteilig die Platten 6 zusammen mit den Dummen 1 die Form

beeinflussen. für die Schweißung. Dabei sind jedoch die Dumme 1

Gemüß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ohne Unterbrechung Über die gesamte Lllnge dar

weist eine Dllse zur Ausübung des Verfahrens eine Schweißnaht gelegt. Die DUmme 1 sind durch zwei

zur Aufnahme der Meßsonde dienende Nut auf. 5 Kühlrohre 10 gekühlt, die über die gesamte LUnge

Bei einem »Electroslage-Sühweißverfa'hren wird es der DUmme 1. auf diese aufgeschweißt sind,

bevorzugt, das Schweißpulver für d'as Schlackebnd Die Schweißnaht 2 umfaßt in diesem Fall eine

als eine Hülle um die sich aufbrauchende Düse zu- isolierte Meßsonde 12, die von der Düse 4 durch

zuführen. In dwsem Falle wird es gemUß einer Wei- eine Schicht Isolierwerkstolf 13 ,getrennt ist. Die

terbildung vorgezogen, die Meßsonde in den aus io Meßsonde 12 ist durch dun Isoliermantcl 14 gegen die

Schweißpulver bestehenden Mantel einzubetten, so Düse 4 gepreßt, der gleichzeitig die Düse 4 gegenüber

daß der Mantel die Meßsonde von der Düse und die dem Platten 6 und der DUmme 1 isoliert. Der elek-

DUse vom Werkstück isoliert. Irische Kontakt zwischhen den Enden der Meßsonde

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von und der Düse wird dadurch sichergestellt, daß diese Zeichnungen nUlier beschrieben, die Schweißanord- 15 Enden so dicht wie möglich nebeneinander angeordnungen zur Ausführung des erfindungsgemUßen Ver- net sind. Die Meßsonde schmilzt durch die Hitze der fahrens darstellen. In dieser Zeichnung zeigt Düse, die durch die Düse geleitet wird. Die Düse

Fig. 1 eine bekannte Anordnung zum Form- selbst, vorgeheizt durch den Schweißstrom, schmilzt

schweißen mit sich aufbrauchender Düse, unter dem Einfluß der Strahlung des Lichtbogens

Fig. 2 den Einfluß der Lichtbogenspannung auf »0 und der Schmelze bzw. durch die Hitze des

die Schweißung, Schlackebades.

F i g. 3 eine Anordnung zum Formschweißen mit Der Schweißdraht 5 wird der Schmelze durch die

sich aufbrauchender Düse zur Ausübung des erfin- hohle, sich aufbrauchende Dlise 4 zugeführt, wie dies

dungsgemäßen Verfahrens, auch in der in Fig. 1 veranschaulichten Anordnung

F i g. 4 ein Spannungsdiagramm für eine Anord- 25 der Fall ist.

nung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfall- Die Meßsonde 12 tritt am oberen Ende der

rens und Schweißnaht aus und ist elektrisch mit einer Steuer-

Fig. 5 und 6 die Spannungs-Strom-Charaktemti- einrichtung 11 verbunden. Auf diese Weise ist es

ken der Stromquellen, die zur Ausübung des erfin· möglich, auch unter Wasser vollständige Schiffsteil

dungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. 30 zu schweißen, wobei die Schweißnähte Längen bis

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung werden zu 20 m haben. Durch die Meßsonde kann die Lichtzwei Platten 6 zusammengeschweißt. Fig. la zeigt bogenspannung praktisch auf einem konstanten Wert einen horizontalen Querschnitt durch die Schweißung, (beispielsweise 30 Volt) für die gesamte Länge der senkrecht zu den zu schweißenden Platten 6, und Schweißnaht ohne Unterbrechung des Schweißvor-F i g. Ib zeigt einen horizontalen Querschnitt durch 35 ganges gehalten werden,
die Ebene der Platten 6. F i g. 4 zeigt ein Spannungsdiagramm einer Anord-

Wassergekühlte Dämme 1 bilden eine Form für nung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahdie Schweißnaht 2 zwischen den Platten 6. Die sich rens. Das Rechteck 15 stellt einen üblichen Dreiaufbrauchende Düse 4 erstreckt sich zentral abwärts phasenschweißgleichrichtcr dar, der über einen Umüber die Länge der Schweißnaht 2, und die Schweiß- 40 wandler mit dem Transformator verbunden ist. Die maschine 3 ist stationär am oberen Ende der zu sich aufbrauchende Düse ist schematisch durch einen schweißenden Naht angeordnet. Eine Stromzufüh- Widerstand 4 dargestellt. Der Widerstand 16 verrung 8 verbindet die Stromquelle 7 mit der sich a>uf- anschaulicht den Schweißlichtbogen im Falle eines brauchenden Düse 4, und eine Stromzuführung 9 ver- Schutzgasschweißverfahrens, oder das Schlackebad bindet die Stromquelle mit dem Werkstück. Der 45 bei einem »Electroslagw-Schweißverfahren.
Schweißdraht 5 wird nach unten zur Schweißstelle Die Durchschnittsspannung über dem Widerstund zugeführt. 16 (den Schweißlichtbogen) wird durch die Meß-

F i g. 1 a zeigt ferner den bekannten Weg, die sonde 12 gemessen. Den Kontakt 17 zwischen der Schweißbogenspannung zu steuern, wobei jeweils eine Düse 4 und der Sonde 12 bildet der geschmolzene Form gefüllt und dann ein neuer Damm auf das 50 Werkstoff an der Unterseite der Düse. Dieser Konobere Ende des anderen aufgesetzt wird und ein takt 17 bewegt sich zusammen mit dem Schmelzen höherer Befestigungspunkt an der Düse 4 in Entfer- fler Sonde aufwärts. Im Endzustand hat der Widernungen von etwa 3 m durch Schalter 25 gewählt wer- stand 4 aufgehört zu existieren,
den muß. Die Spannung über die Drossel und die Die Sonde 12 ist von einer Schicht 8 aus Isolier-Schmelze zum Steuern der Stromquelle kann durch 55 werkstoff umgeben. Die Sonde und die Düse sind zuein Voltmeter 26 gemessen werden, sammen von dem Isoliermantel 19 umgeben. Die

Fi g. 2 zeigt die Wirkung der Schweißspannung auf Lichtbogenspannung (die Bartspannung beim »Elec-

die Form der Schweißung. F ig. 2 a zeigt dabei das troslag<<-Schweißen) Vl wird einem Vergleiehsglied

Ergebnis von zu geringer Schweißbogenspannung und 20 zugeführt, das diese Spannung mit einer konstan-

Fig. 2c das Ergebnis von zu hoher Schweißbogen- 60 ten Bezugsspannung V_R vergleicht. Die Differenz

spannung, während Fig. 2b das Ergebnis bei ge- zwischen den Spannungen 17 und V_K wird in eine

nauer Schweißbogenspannung darstellt. Fehlcrspannung Vf umgewandt, um den beweglichen

Eine Anordnung, mit der das crfindungsgemäße Kontakt 24 des Potentiometers 21 durch ein Steuer-Verfahren ausgeübt werden kann, ist in F i g. 3 dar- system zu bringen, das beispielsweise aus einem Vergestellt. Fig. 3 a zeigt dabei einen Teilschnitt durch 65 stärker 22 und einem Stellmotor 23 besteht. Der Umdie Ebene der zu schweißenden Platte, und F i g. 3 b former kann mehr oder weniger durch Verändern des zeigt einen Schnitt senkrecht zu dieser Ebene und Widerstandes 21 gesättigt werden, so daß die ge- «»nkrecht zur Schweißnaht. In diesem Falle bilden wünschte Spanmmgs-Stroin-C'harakteiislik erreicht

werden kann. Es kann selbstverständlich auch eine vollständige elektronische Steuerung des Umformers verwendet werden. Die Charakteristiken des Umformers können ferner durch Verwendung einer zusätzlichen Hilfswindung und einer daran angelegten Steuerspannung verbessert werden.

F i g. 5 und 6 zeigen die Spannungs-Strom-Charakteristiken. Die graphischen Darstellungen zeigen den Schweißstrom zur Lichtbogenspannung beim erfindungsgemäßen Verfahren. Die übliche Bedingung beim Stoßschweißen zweier Platten hegt in Punkt B der F i g. 5 und 6, wo ein Durchschnittsschweißstrom von 500 A und eine Lichtbogenspannung von 30 Volt verwendet werden. Der Spannungsabfall entlang der Düse von 2 Volt pro Meter Düse ergibt eine gesamte Spannungsdifferenz von 20VoIt bei einer Gesamtlänge der Düse und des Saumes von 10 m. Daher liegt die Spannung an den Stromzuführungen der Schweißmaschine zu Beginn des Schweißvorganges etwa bei 50 Volt (Punkt A in F i g. 5 und 6), wäh- ao rend die Spannung am Ende des Schweißvorganges etwa auf 30VoIt verringert ist.

Die graphische Darstellung der F i g. 5 zeigt absinkende Spannungs-Strom-Charakteristiken (Abfall 1,5 Volt pro 100 A Stromanstieg) und Chharakteristi- as ken für einen sogenannten Konstantespannungsschweißgleichrichter. Kurve 1 zeigt das Verhältnis zwischen Strom und Spannung in den Ausgangsstromzuführungen des Gleichrichters zu Beginn des Schweißvorganges. Die zugehörige Kurve 3, die das Verhältnis zwischen Strom und Spannung im Lichtbogen angibt, hat einen größeren Abfall, der durch den Widerstand der Düse hervorgerufen wird. Bei dem gewählten Beispiel ist der Abfall der Kurve am Arbcilspunkt B 5,5VoIt pro 100 A Stromänderung. kurve 2 zeigt die Situation am Ende des Schweißvorganges, nach dem die Düse vollständig geschmolzen ist. In den Ausgangsstromzuführungen sind alle Kurven zwischen den Kurven 1 und 2 durchgeführt, während am Lichtbogen die Kurven zwischen den Kurven 3 und 2 hindurchgeführt sind.

Da beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren mit konstanter Schweißdrahtzuführung der Vorgang günstiger verläuft, wenn der Abfall der Spannungs-Strom-Charakteristik abnimmt, kann das vorliegende Verfahren wesentlich verbessert werden, in dem im Arbeitspunkt der Spannungsquelle eine geneigte Spannungs-Strom-Charakteristik verwendet wird, wie F i g. 6 zeigt. Wenn die Neigung der Kurve 1 durch Punkt A zu Beginn des Schweißvorganges etwa 4VoIt pro 100 A Stromänderung beträgt, wird die entsprechende Kurve 3 durch den Arbeitspunkt B am Schweißlichtbogen horizontal sein, derart, daß die Lichtbogenspannung bei Änderung des SchweißstTomes etwa konstant sein wird.

In den Ausgangsstromzuführungen werden alle Kurven zwischen den Kurven 1 und 2 durchlaufen, während am Ende des Schweißdrahtes alle Kurven zwischen den Kurven 2 und 3 hindurchlaufen, RO daß vorübergehende Schwankungen in der Lichtbogenspannung im wesentlichen vermieden werden, was eine bessere Steuerung der Stromquelle durch die Meßsonde ergibt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Formschweißen mit einer stromzuführenden, sich während des Schweißens aufbrauchenden Düse, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens das Potential am Ende der Düse mittels einer Meßsonde gemessen wird, die aus einem mit der Düse gleichlaufenden, elektrisch leitenden und isolierten Draht besteht, dessen geschmolzenes Ende ständig in elektrischem Kontakt mit dem geschmolzenen Ende der Düse steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Meßsonde pemessene Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird und daß die Differenz zwischen der Sondenspannung und der Bezugsspannung zur Steuerung der Schweißstromquelle verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem der Spannungsquelle mit einer nicht auf vorübergehende Schwankungen der Lichtbogenspannung ansprechenden Zeitverzögerung wirkt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle mit abfallender Spannungs-Strom-Charakteristik im Arbeitsbereich der Charakteristik verwendet wird.

5. Düse zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sic eine zur Aufnahme der Meßsonde dienende Nut aufweist.

6. Düse zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer die Meßsonde einbettenden Hülle versehen ist.

Hierzu 2 Blau Zeichnungen