DE2041749A1

DE2041749A1 - Schweissverfahren zum Verbinden aneinanderliegender Kanten von Metallteilen

Info

Publication number: DE2041749A1
Application number: DE19702041749
Authority: DE
Inventors: Hinrichs John Frederick
Original assignee: AO Smith Corp
Current assignee: AO Smith Corp
Priority date: 1969-08-25
Filing date: 1970-08-22
Publication date: 1971-03-11
Also published as: GB1311173A; FR2059203A5; US3585351A

Description

PATENTANWXLTE DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 2 O A 1 7 4 DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT MÖNCHEN HAMBURG

TELEFON: 395314 2000 HAMBU RG 50, %\\ 8« 70

TELEGRAMME: KARPATENT KDNIGSTRASSE 28

Wc 24 305/70 12/Pl

A. 0. Smith Corporation, Milwaukee, Wisconsin (V.St.A.)

Schweißverfahren zum Verbinden aneinanderliegender Kanten von Metallteilen

Die Erfindung bezieht sich auf 'Schweißverfahren und insbesondere auf das Zusammenschweißen von Kanten von Metallrohlingen durch Elektronenstrahlschweißen.

Elektronenstrahlschweißen, beispielsweise Schweißen in Übereinstimmung mit den Prinzipien und der Vorrichtung gemäß "Welding Handbook" (herausgegeben von Arthur I. Phillips, American Welding Soc.) ist vorteilhaft schnell und führt üblicherweise zu Schweißungen, deren Qualität besser ist als die von Schweißungen, gemäß anderen bekannten Verfahren. Die Leichtigkeit und die Schnelligkeit von Elektronenstrahlschweißen ist insbesondere nützlich bei der Herstellung langer Metallnähte, beispielsweise bei Rohrleitungen und dgl., die oftmals in Längen von etwa 15 Metern und mehr (40 Fuß oder mehr) aus Rohrrohlingen aus geeignetem Kohlenstoffstahl gebildet werden. Bei manchen Rohherstellungsverfahren wird ein aufgespulter Rohling kontinuierlich zu einem Hohrrohling gebildet, und zwar durch eine Pormwalze, und daher werden kontinuierliche

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Nähte, geschweißt. Durch Elektronenstrahlschweißen wird weiterhin daa Faserausbiegeproblem überwunden, welches bei bekannten Warmeschweißverfahren und Druckschweißverfahren vorhanden ist₀

Andererseits ist daa Elektronenstrahlachweißverfahren nicht ao vollständig entwickelt, daß es bei manchen möglichen Anwendungen unter Erzielung sämtlicher Vorteile angewendet werden kann, beispielsweise beim Rohrnahtschweißen, und zwar hauptsächlich zu Folge der Erscheinungen, die als Unterschneiden oder Hinterschneiden bekannt sind. Unterschneiden bewirkt die Bildung von Nuten

P entlang der freigelegten Kanten der Schweißung, was zu sehr schnellem Schmelzen und sehr schnellem Verfestigen des geschmolzenen Metalles führt, bevor die Naht vollständig zu den Kanten gefüllt ist. Wenn der Elektronenstrahl sich zu schnell bewegt, kann das geachmolzene Metall erstarren, bevor der Spalt zwischen den zu verschweißenen Kanten gefüllt ist, wodurch eine Unterschneidung oder Hinterschneidung hervorgerufen wird. Demzufolge wurde das Problem dadurch angegangen, daß die Geschwindigkeit des Elektronenstrahles entlang der Naht begrenzt wurde. Jedoch kann mit dieser Arbeitsweise Unterschneiden nicht vollständig beseitigt werden und der Vorteil der Schnellig-

* keit des Elektronenstrahlschweißen ist vermindert.

Die Verunreinigungen in Stählen bewirken weitere Schwierigkeiten beim Elektronenatrahlachweißen. Wenn ein Elektronenstrahl sich entlang einer Schweißkante bewegt, verdampfen die Verunreinigungen und auch etwas Metall, wodurch Turbulenz hervorgerufen wird, da der Dampf versucht, zu entweichen. Manchmal, und zwar besonders bei sich schnell bewegendem Elektronenstrahl erstarrt das Metall, bevor die Dampfblasen entweichen und es ergeben sich Blasen oder Bisse in der Schweißung. Wiederum besteht gegenwärtig der Gedanke darin, dieses Problem durch Verringern der Geschwindigkeit der Bewegung des Elektronen-

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Strahles teilweise zu !sen, sodaß Verdampfung der Verunreinigungen vervollständigt ist, bevor die ochweiße erstarrt.

Die Dicke der zu verschweißenden Metallstücke, die Länge der pchweißungen und die erwünschte Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit bieten weiterhin Probleme hinsichtlich des Elektronenstrahlscüweitäenso

Die Erfindung schafft eine Lösung für die obengenannten Probleme und sie hat weitere Vorteile, die sich aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung ergeben.

Anstelle daß anfänglich lediglich ein Hochenergiestrahl, beispielsweise ein Elektronenstrahl direkt auf die Nahtkanten der Metallrohlinge fokussiert wird, um diese zusammen^uschweißen, werden die Kanten zuerst auf eine Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur oder Schweißtemperatur erhitzt und es wird Druck an den Rohling angelegt, um die Nahtkanten zusLinmen zudrücken und zusammenzuschmelzen und gleichzeitig Metall auswärts sowohl der Innenfläche eis auch der Außenfläche der Schweißnaht zu extrudieren bzw. zu verdrängen. Der Druck ist ausreichend, um zu bewirken, daß sich Material in der Naht aufbaut, und ausreichend, um Verbinden der Nahtkanten zu erzielen»

Die Erfindung umfaßt erstens das !Schaffen einer Verstärkung an der Schweißnaht aus extrudiertem oder verdrängtem Metall, in dem zuerst die Kanten erhitzt und dann zusammengeschoben werden, oder zweitens das Hinzufügen von Verstärkungsmaterial als Füllmaterial nach dem Metallschweißen und vor dem Elektronenstrahlschweißen. Die Erfindung kann weiterhin verschiedene Kombinationen dieser beiden Ärveitsweisen benutzen. Vorzugsweise wird der Hochenergiestrahl in die Schweißnaht gerichtet, wenn diese noch Wärme von dem anfägnlichen Schweißvorgang hat, um dadurch die endgültige Schweißung des Metallrohlings auszuführenο

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Für Rohrschweißen und ähnliche Anwendungen benutzt die Erfindung eine Schweißvorrichtung, die eine Elektronenstrahlpistole und eine Vorschweißeinrichtung aufweist» Bei der vorteilhaftesten Anwendung ist die Vorschweißeinrichtung eine HochfrequenzwiderstaMsschweißeinrichtung mit Klemmrollen zum Anlegen von Klemmkraft an den Rohling. Der Rohrrohling bewegt sich relativ zu der Schweißvorrichtung und die Rollen bringen die Nahtkanten zu einer Spitze, wenn der Rohling an einer ersten Station vorbeigeht. An dieser Station erhitzt die Hochfrequenzschweißeinrichtung die Kanten, bis sie in plastischem Zustand im Bereich der Spitze gelangen, und, wenn die Rollen angelegt werden, ergibt sich ein Zusammenschmelzen der Naht, wobei Verstärkungsinaterial in plastischem Zustand an der Innenseite und der Außenseite der Schweißnaht extrudiert bzw. verdrängt wird. Die Elektronenstrahlpistole ist an der zweiten Station, die der ersten Station benachbart liegt, und entlang der Naht in dem Rohr angeordnet, sodaß der Elektronenstrahl angelegt werden kann, während die Schweißnaht sich noch von der anfänglichen Schweißung her auf einer hohen Temperatur befindet. Der Elektronenstrahl schweißt in das extrudierte oder verdrängte Material an der Naht.

Durch dieses Verfahren wird ausreichende Verstärkung

ψ aus extrudiertem oder verdrängtem Material geschaffen, so daß, wenn der Elektronenstrahl die Naht wiederum schweißt, irgendeine Unterschneidung oder Hinterschneidung sich in der Verstärkung und nicht zwischen den Nahtkanten befindet. Weiterhin ist durch erneutes Schweißen in die bereits geschweißte Naht nachteiliges Faserausbiegen in der endgültigen Schweißung verhindert.

Andere/ Merkmale der Erfindung umfassen die erreichte erhöhte Schweißgeschwindigkeit, die Tatsache, daß Dampfturbulenz in der tatsächlichen Schweißung durch das Erhitzen und Anlegen von Druck in der Vorschweißatation ver-

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ringert ist, und die Tatsache, daß die -arbeitsweise des E_rhitzens und Vorschweißens ein vollständigeres Entweichen von S chwe ißve run rein igung en ermöglicht,, Die Schweißung ist verhältnismäßig schmal, sodaß Schrumpfbeanspruchungen verringert sind=.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert»

Pig. 1 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Hilfsausrüstung in allgemeiner Darstellung«
Fig» 2 ist eine von oben gesehene Schnittansicht

nach Linie 2-2 der Fig. "I₀ Figo 3 ist eine im vergrößerten Maßstab gehaltene

Teilschnittansicht nach Linie 3-3 der Pig. 1« Pig. 4 ist eine im vergrößerten Maßstab gehaltene

Teilschnittansicht nach Linie 4-4 der Pig. 1. Figo 5 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einer abgewandelten Aus-führungsform der Erfindung.
Fig. 6 ist eine schaubildliche -Ansicht einer anderen

abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.. Gemäß der Zeichnung wird ein Metallrohrrohling 1 zu einem Eohrabschnitt mit einer Schweißnaht 2 gebildet, die durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung gebildet ist.

Der Rohrrohling 1 kann durch geeignetes Walzen eines ebenen Rohlings in einer Formwalze, die in der Zeichnung teilweise dargestellt ist, in Rohrform zugeführt werden,, Die Formwalze treibt weiterhin den Rohling durch die dargestellte Vorrichtung hindurch an derart, daß die benachbarten Längenahtkanten 3 und 4 auf der Oberseite des Rohlings 1 liegen. Ausrüstung zum Abstützen und Handhaben des Rohrrohlings 1 ist nur echematisch dargestellt, da eine Vielzahl von Ausrüstungen verwendet werden kann.

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Gemäß der Darstellung ist der Rohrrohling 1 für Bewegung der benachbarten Kanten 3 und 4 relativ zu einer Vorschweißeinrichtung 5 und einer Elektronenstrahlschweißeinrichtung 6 in geeigneter Weise abgestützt.

Die Einrichtung 5 ist eine Erhitzungs- und Druckschweißeinrichtung und sie ist gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung eine Hochfrequenzerhitzungseinrichtung, die in Übereinstimmung mit bekannten Hochfrequenzschweißausrüstungen ausgeführt sein kann. Allgemein umfaßt die Vorschweißeinrichtung 5 eine Klemmrolleneinrichtung 7 zum Hervorrufen genauer Konvergenz der Kanten 3 und 4 von einer in geringem Abstand voneinander liegenden Anordnung. Die Rollen oder Walzen bringen die Kanten 3 und 4 an einer genau bestimmten Stelle oder Spitze 8 in Eingriff miteinander. Für diesen Zweck weist die Rolleneinrichtung 7 zwei Rollen 9 auf, die an geeigneten Achsen oder Wellen drehbar sind. Die Rollenwellen sind ihrerseits am Boden befestigt und sie können Querteile 10 haben, die dazu dienen, den richtigen Druck an den Wänden des Rohlinges 1 aufrechtzuerhalten»

Hochfrequenzerhitzungselektroden 11 sind so angeordnet, daß sie mit dem Rohrrohling 1 an schmalen Bereichen am Rohrumfang den Kanten 3 und 4 benachbart und im Abstand von der Spitze 8 in Gleitberührung treten. Der ursprüngliche Abstand der Kanten 3 und 4 ist allgemein durch einen geeigneten Abstandsteil 12 bestimmt, der zwischen den gegenüberliegenden Kanten 3, 4 angeordnet ist. Der Abstandsteil 12 kann von irgendeiner geeigneten Ausführung sein und er ist an einer Tragausführung befestigt, beispielsweise an einem Führungsschuh 13, durch welchen der Rohling 1 hindurchgeht. Der Abstandsteil 12, der Schuh und die Rolleneinrichtung 7 stellen zusammen eine geeignete Ausführung dar, um richtiges Konvergieren der Kanten 3 und 4 hervorzurufen«.

Teile der Schweißvorrichtung sind durch ein bestell

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abgestützt, das an dem Boden durch eine Anzahl nicht dargestellter Stützen getragen ist, die mit den Teilen des Gestells 14 verbunden sind,,

Die Vorschweißeinrichtung 5 hat eine Hochfrequenzenergieeinrichtung 15 mit einer Nennleistung, die für Widerstandsschweißverfahren geeignet ist. Die Energieeinrichtung 15 ist an dem Gestell 14 oberhalb des Rohlinges 1 abgestützt und mit den Elektroden 11 mittels Leiterkabeln 16 verbunden, um welche herum sich eine nach unten stehende Abschirmung 17 erstreckt, die oberhalb der Nahtkanten 3 und 4 endigt. Isolierte Elektrodentragteile 18 sind für die beiden Gieitelektroden^ontakte 11 vorgesehen und mit der Abschirmung 17 verbunden, um die Elektroden 11 richtig nahe den Kanten 3 und 4 anzuordnen»

Erregung der Einrichtung 15 führt zur Erzeugung eines Hochfrequenzstromes von der einen Elektrode 11 entlang der Kante 3, über die Spitze 8 und entlang der Kante 4 zu der gegenüberliegenden Elektrode 11. Wenn Strom fließt, bewirkt der elektrische Widerstand das Erzeugen hoher Temperaturen an den Kanten 3 und 4 und an der Spitze 8»

Die Charakteristiken der Spitze 8, der Abstand der Spitze 8 von den Elektrodenkontakten 11 und die anderen variablen Größen sind in einer -«rt und Weist bestimmt, die bei Hochfrequenzwiderstandsschweißen bekannt ist„ Pur die Verwirklichung der Erfindung sollte die Energie ausreichend sein, um den Bereich des Rohlinges 1 an der Spitze 8 schnell auf Schweißtemperatur zu erhitzen.

Wenn die Kanten auf diese Weise prepariert sind, wird Druck an der Spitze 8 quer über den Rohrrohling 1 mittels der Rolleneinrichtung 7 angelegt. Es wird genügend Druck angelegt, sodaß die plastischen Kanten 3 und 4 miteinander in Eingriff treten und Teile geschmolzenen Metalls oder nahezu geschmolzenen Metalls auswärts der im Eingriff stehenden Kanten 3, 4 extrudiert oder verdrängt werden, um Verstärkungsmaterial sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innen-

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seite der Naht hervorzubringen. In Fig. 3 ist die allgemeine Art der teilweise geschmolzenen Rohrnaht hinter der Spitze 8 dargestellt.

•^urch die Klemmrolleneinrichtung 7 wird soviel Druck angelegt, wie benötigt wird, um die Nahtkanten 3, 4 zu verbinden und um ein mäßiges Hervorbringen oder Verdrängen von Verstärkungsmetall an der Naht zu schaffen. Der richtige Druck wird allgemein bestimmt durch den plastischen Zustand der Kanten 3, 4 nach dem Widerstandserhitzen und andere Gesichtspunkte, die die Art des Hervorbringens des Verstärkungsmetalls beeinflussen können» In Übereinstimmung mit der Erfindung wird jedoch genügend Verstärkungsmaterial vorzugsweise geschaffen, so daß irgendein Unterschneiden oder Hinterschneiden durch die ßlektronenstrahleinrichtung 6 bei der gewünschten Schweißgeschwindigkeit in dem Verstärkungsmaterial und nicht in der die Kanten 3 und 4 verbindenden Schweißung auftritt„

Zusammenfassend ist festzustellen, daß der Rohrrohling 1 kontinuierlich unter der Nahtvorbereitungsstation 5 hindurchgeht, zu der die Kombination aus der Vorschweißeinrichtung einschließlich der Einrichtung 15, die Kontakte und die Rolleneinrichtung 7 gehören. Dort wird der Rohling 1 verschweißt und es wird eine Menge an plastischem Metall von gegenüberliegenden Flächen der Naht, die durch das anfängliche Verschweißen der Kanten 3 und 4 geschaffen ist, extrudiert oder verdrängt. Von der ersten Station 5 bewegt sich der Rohrrohling 1 zu der zweiten oder Hochenergiestrahlschweißstation bzw. zur Elektronenstrahleinrichtung 6, die angeordnet ist, um die Naht nochmals zu schweißen, um die Kanten 3 und 4 endgültig miteinander zu verbinden. Die Erfindung sieht vor, daß die Hochenergiestrahls chweißung außerordentlich vorteilhaft und schnell ausgeführt wird, während die Naht erhitzt und in plastischem Zustand verbleibt. Das geschmolzene Material hat nicht das Bestreben zu erstarren, bevor der Raum zwischen den Kanten

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3 und 4 gefüllt iat, wenn der Plektronenstrahl in die heiße Naht schweißt. .Außerdem hat der Elektronenstrahl mehr Zeit, Verunreinigungen aus dem geschmolzenen Material herauszukochenο

Die Elektronenstrahleinrichtung 6 ist allgemein als ohne Vacuum arbeitende -^'lektronenstrahlschweißeinrichtung irgendeiner "bekannten Ausführung dargestellt. Für andere Anwendung als für Rohrherstellung kann es notwendig sein, hohes Vacuum oder mittleres Vacuum zu verwenden, weil die -Elektronenstrahleinrichtung der Schweißung nicht nahe genug angeordnet werden kann. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung weist die Elektronenstrahleinrichtung eine Pistole 19 mit der üblichen -^lektronenstrahlquelle, der Anode, einer Pokussierlinse und einer Strahlaustrittsöffnung 20 auf, die dicht über der Naht angeordnet ist.

Gemäß Pig. 1, in der die ßlektronenstrahlpistole 19 allgemein schematisch dargestellt ist, wird eine Kathodenquelle 21 über ein Hochspannungakabel und Aufnehmer 22 gespeist und sie ruft einen Elektronenstrahl 23 in einer Vacuumumhüllung 24 hervor. Die Spannung zwischen Kathode und Anode schafft das Beschleunigungspotential für den Strahl, der durch kleine Öffnungen in einer Druckstufenumhüllung 26 mittels einer magnetischen Linse 27 fokussiert wird, um s chließlich über die Auatrittsöffnung 20 auf das Werkstück aufzutreffen.

Der Elektronenstrahl schweißt innerhalb der anfänglich geschmolzenen Naht, um die Naht zu schweißen, so daß Faserausbiegen im wesentlichen beseitigt ist und irgendeine Unterachneidung oder Hinterschneidung sich in der Verstärkung befindet, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Da die Naht sich bereits auf hoher Temperatur befindet und plastisch ist, verbraucht der Elektronenstrahl weniger Energie zum Bilden der Schweißung und demgemäß können die

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Rohrranlinge 1 mit größerer Geschwindigkeit durch die

betreffenden Stationen 5, 6 hindurch angetrieben werden. Da jedoch an der Nahtvorbereitungsstation 5 eine Verstärkung oder zusätzliches Material an der Innenseitenfläche und der Außenseitenfläche der anfänglichen Schweissung hervorgebracht wird, führt die erhöhte Geschwindigkeit nicht zu Hinterschneidungen oder Unterschneidungen entlang der Naht. Pur eine gegebene Vorschweißnahttemperatur bestimmen der Abstand zwischen der Spitze 8 und der Elektronenstrahlaustrittsöffnung 20 und die Bewegungsgeschwindigkeit des Rohlings 1 den plastischen Zustand der

w . hervorgebrachten Verstärkung, wenn diese mit der Schweißstation 6 ausgerichtet wird. Wenn die Naht sich auf einer Temperatur nahe der Schweißtemperatur befindet, wenn der Elektronenstrahl in die Naht eindringt, kann die Schweißgeschwindigkeit maximal sein. Demgemäß sollte dieser Abstand kurz sein oder er sollte in der Größenordnung von etwa 0,3 bis 1,2 Meter (1-4 Fuß) liegen, wie es in Verbindung mit den Ausführungsanforderungen der besonderen verwendeten Ausrüstung bestimmt werden muß_o

Die fertiggestellte Naht weist beträchtliches extrudiertes oder verdrängtes Verstärkungsmaterial auf, das oberhalb und unterhalb der Naht ausgebreitet ist, wie es

^ in Fig. 4 dargestellt ist. Solcher Materialüberschuß wird vorzugsweise abgetrimmto

Für Trimmzwecke ist eine Heißtrimmvorrichtung 28 an den Nähten gerade jenseits der Elektronenstrahlschweißstation 6 angeordnet. Gemäß der allgemeinen Darstellung in Fig. 1 kann irgendeine Vorrichtung verwendet werden und die dargestellte Ausführungsform weist ein Außendurchmesse rwerk zeug 29 und ein Innendurchmesaerwerkzeug 30 auf, die beide in geeigneter Weise abgestützt sind, sodaß aie einen Teil des überschüssigen Materials von beiden Seiten der Naht abtrennen. Das Werkzeug 30 kann in dem Rohr in üblicher Weise mittels einer Gegenhalteeinrichtung, bei-

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spielsweise eines freitragenden Armes abgestützt sein, während das '»er^zeug 29 an einem Teil des Gestelles 14 befestigt ist.

Die dargestellte Vorrichtung für die Verwirklichung der Erfindung ajknn abgewandelt werden, um wenigstens einen Teil des Verstärkungsmaterials durch Zugabe von Füllmaterial zu schaffen, und um Deoxydierungsmaterial an der Elektronenstrahlstation 6 zu schaffen. Wenn es als erwünscht angesehen wird, zusätzliches Füllmaterial zu schaffen, kann gemäß der Erfindung eine Hilfsfüllineterialquelle vorgesehen sein, wie sie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, in der eine abgewandelte .Ausführungsform gegenüber den Figuren 1 bis 4 dargestellt ist. Ähnliche Teile sind in den Figuren 1 bis 4 und 5 identisch bezeichnet.

Bei der abgewandelten Ausführungsform wird besonderes Füllermaterial durch eine K&ltdrahtzuführeinrichtung 31 zugegeben, die zwischen der Vorschweißeinrichtung 5 und der JBlektronenstrehleinrichtung 6 angeordnet ist« Die Drahtzufuhreinrichtung 31 ist gemäß der Darstellung mittels geeigneter Tragteile mit der Einrichtung 6 verbunden.

Mittels der Einrichtung 31 wird ein Metallfülldraht einem sogenannten Keilloch zwischen den Kanten 3 und 4 an der Vorderkante des Elektronenstrahles 23 zugeführt« Dort wird das Ende des -^rahtes 32 zu Folge der hohen Temperatur und der Energie des Elektronenstrahles geschmolzen, sodaß Verstärkungsmaterial in der gewünschten Menge geschaffen ist, um Unterschneidungen zu vermeiden. Um Deoxydierungsmaterial zusammen mit dem Füllmaterial zuzugeben, kann der Draht 32 ein Deoxydierungsmittel umfassen, beispielsweise irgend ein bekanntes Mittel, das in dem Draht 32 eingelagert ist.

Der Draht 32 ist demgemäß ein verbrauchbarer Teil und er wird mittels einer geeigneten Drahtzuführeinrichtung zugeführt, die den Draht 32 von einer Spule 33 abzieht

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und durch einen Mantel 34 hindurchführt. Der Draht 32 erstreckt sich zwischen einer motorangetriebenen Antriebsrolle 35, welche den Draht 32 mit gesteuerter Geschwindigkeit von der Spule 33 abzieht» Um das Werkstück zu erreichen, erstreckt sich der Draht 32 von den Antriebsrollen 35 durch eine Düse 36 zu dem Keilloch an der Austrittsöffnung 2Oo

Wenn der Draht 32 Deoxydierungsmittel enthält, wird durch die Drahteufuhreinrichtung 31 auch Deoxydierungsmaterial zu den Kanten 3 und 4 an der Elektronenstrahlstat ion 6 zugeführt. Hauptsächlich jedoch schafft die

) abgewandelte Ausführungsform Verstärkungsmaterial: als Füllermaterial, wenn dies für Zugabe zu dem Verstärkungsmaterial notwendig ist, welches durch Widerstandserhitzung und Druckanlegen an der Vorschweißstation 5 geschaffen ist»

Eine weitere Abwandlung der Erfindung ist allgemein in Fig. 6 dargestellt. Wiederum sind ähnliche Teile wie feei der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 4 mit identischen Bezugszeichen versehen. Bei einigen Anwendungen der Erfindung, beispielsweise bei Anwendung der dargestellten Vorrichtung zum Robrnahtscbweißen bewirkt die Nahtvorbereitungsstation 5 geringe seitliche Abweichungen oder Ablenkungen der !Iaht zu Folge solcher Einflüsse wie Wärmeausdehnung und Verdrehung der Rohrrohlinge 1. Demgemäß

™ können geringfügig/e seitliche Abweichungen der Stellung der teilweise geschmolzenen Naht auftreten, und, wenn Vollkommenheit gewünscht wird, muß die Elektronenstrahlpistole 19 in die richtige ^tellung der Naht genau fokussiert werden.

Um den Elektronenstrahl 23 in der Naht zu halten, wenn die Naht sich ändert, kann in der Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Nachlaufeinrichtung 37 vorgesehen sein. Gemäß der schematischen Darstellung weist die Nachlaufeinrichtung 37 einen Fühlerwandler 38, der mittig über der teilweise geschmolzenen Naht angeordnet ist, und eine

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Servosteuerung 39 auf, welche Signale von dem Fühler 38 empfängt, wenn die Naht abweicht, und welche die Pistole 19 steuert, um den Elektronenstrahl 23 in Übereinstimmung mit den von dem Fühler 38 gelieferten Signalen richtig einzustellen.

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einer Vacuumeinrichtung könnte die Servoeinrichtung 39 eine Linse zum .Ablenken des Strahles 23 in dem gewünschten .Ausmaß steuern. Wenn jedoch eine ohne Yacuum arbeitende Pistole 19 verwendet wird, ist es zweckmäßig, die Elektron enstrahlachweißeinrichtung 6 so auszuführen, daß die Elektronenstrahlpistole 19 selbst seitlich bewqg>ar ist, beispielsweise auf seitlichen Führungen 40, die mittels eines Trägers in geeigneter Weise an dem Gestell 14 befestigt sind. Genau so gut könnte die Elektronenstrahlpistole 19 unanhängig abgestützt werden«

Der Fühler 38 kann von irgend einer bekannten mechanischen oder elektrischen Ausführung sein, und er kann eine Sonde sein, ein Infrarotfühier oder dgl., und er muß immer dann ein Signal schaffen, wenn die Naht sich auf die eine oder andere Weise änderte Dieses Signal wird, wie dargestellt, zur Servosteuerung 39 übertragen, die irgendeine geeignete Servoeinrichtung sein kann, die in der Lage ist, die Pistole 19 in Übereinstimmung mit den Fühlersignalen schnell hin und her bzw. vorwärts und rückwärts anzutreiben.

Die Schaltung und die anderen Elemente der Servosteuerung 39 und dös Fühlers 38 können Standardelemente sein, so daß sie hier nicht im einzelnen beschrieben sind«.

Eine andere Abwandlung der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt., Die Länge der Heißnaht zwischen der Vorschweißeinrichtung 5 und der Elektronenatrahleinrichtung 6 ist vorzugsweise minimal gehalten, jedoch kann die Größe der erforderlichen Einrichtungen engen Abstand der Einrichtungen 5 und 6 gegebenenfalls nicht ermöglichen. Hierdurch wird ein merkbarer .Abstand belassen, in welchem das erhitzte

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Material in der Naht oxydiert oder auf andere Weise verschmutzt oder verunreinigt werden kann.

Aus diesen Gründen ist eine Abschirmung 42 aus inertem Gi-as gemäß der Erfindung vorgesehen. Die Abschirmung 42 kann an der Pistole 19 oder an dem Gestell 14 befestigt werden, je nach dem, -wie es gewünscht wird, und sie hat eine Vorderwand, eine Hinterwand und Seitenwände, die von ihr nach unten vorstehen, wobei die unteren Kanten der Wände in Gleiteingriff mit der äußeren Fläche des Rohres stehen. Die Abschirmung 42 umschließt einen Teil der Heißnaht des Rohrrohlings 1 jenseits der Spitze 8 und sie er-.streckt sich bis zur gegenüberliegenden Seite der Austrittsöffnung 20 des Elektronenstrahles 25. Die Abschirmung 42 kann in ihrer Größe vergrößert oder verkleinert werden, je nach dem, wie es erwünscht oder durch den verfügbaren Raum zugelassen ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird inertes Gas wie Argon oder Helium von einer Druckgasquelle, nicht dargestellt, zu der Abschirmung 42 über eine Leitung 43 zugeführt, die in einer Düsenstrahlöffnung 44 gerade an der Strahlaustrittsöffnung 20 endigt. Das Druckgas spült den Sauerstoff von dem Bereich der erhitzten Naht weg und bläst Schrot bzw. Körnchen od. dgl» und Fremdmaterial von der Schweißung weg. Hierdurch werden die Gleichmäßigkeit und die Qualität der gemäß dem Verfahren nach der Erfindung geschaffenen Schweißungen verbessert.

Bei einer anderen Ausführungsform kann Luft durch die Strahldüse 44 geblasen werden, um Schrot, Körner od. dgl. und Fremdmaterial von der Schweißung wegzublasen. Dies kann ausgeführt werden, wenn eine Einrichtung für Drahtzufuhr und Deoxydierungsmittel verwendet wird, oder dort, wo Oxydation der Schweißung kein besonderes Problem darstellt.

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Arbeitsweise

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung in Verbindung mit der Rohrschweißvorrichtung dargestellt. Ein Werkstück, das in diesem ^aIl ein Rohrrohling 1 ist, wird relativ zu der Nahtherstellungsstation 5 und der Hochenergiestrahlschweißstation 6 bewegt. Bei diesem Beispiel wird der Rohling 1 durch diese Stationen hindurchbewegt, wobei die Nahtkanten 3 und 4 an der Oberseite des Rohlings 1 angeordnet sind.

Wenn der Rohling 1 die Klemmrolleneinrichtung 7 erreicht, klemmen die Rollen 9 die Kanten 3 und 4 an der Spitze 8 zusammen. Gleichzeitig wird Wärme an die Kanten 3, 4 angelegt, beispielsweise durch die Hochfrequenzwiderstandserhitzung, die mittels der Hochfrequenzeinrichtung 15 geliefert wird» Der Rohling 1 gleitet unter den Elektroden 11 hindurch und die Kanten 3, 4 werden, wie oben beschrieben, mittels hochfrecuenten Stromes auf hohe Temperatur bzw. Schmelztemperatur an der Spitze 8 erhitzt. Die Naht ist somit an der Station 5 vorbereitet und sie gelangt zur Station 6, wobei die Kanten 3, 4 miteinander verbunden sind und sich in erhitztem Zustand befinden. Weiterhin haben die Rollen 9 einen Teil des plastischen Metalls von den Kanten 3 und 4 extrudiert bsw» verdrängt, um eine Verstärkung zu schaffen. Die Verstärkung kann auch durch die Drahtzufuhreinrichtung 31 zugefügt werden, wie es zuvor in Verbindung mit Pig. 5 beschrieben ist.

An der Station 6 wird die Naht mit der Verstärkung neu geschweißt durch Aktivieren der Elektronenstrahlpistole und durch Richten eines Hochenergiestrahles 23 in die vorbereitete Naht. Dieses Verfahren schafft eine fertiggestellte Schweißung hoher Qualität.

Wenn der Rohrrohling 1 über die Station 6 hinausgelangt, führt die Heißtrimmeinrichtung 28 Trimmvorgänge an der

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Schweißung 2 aus, wie es zuvor beschrieben worden ist=, Die verschiedenen Abwandlungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung wirken ebenfalls, wenn der Rohling 1 sich durch die Stationen 5, 6 bewegt» Dies ist zuvor vollständig beschrieben worden=

Demgemäß umfaßt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, mittels denen hochqualitative Schweißungen mit erhöhter Arbeitsgeschwindigkeit und einfacheriirbeitsweise geschaffen werden.

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Claims

Patentansprüche

Q /Schweißverfahren zum Verbinden aneinanderanliegenanten von Metallteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten anfänglich unter Wärme und Druck miteinander zu einer Schweißnaht verbunden werden, daß Verstärkungsmaterial an der Naht geschaffen wird, und daß ein Hochenergiestrahl an die Schweißnaht angelegt wird, um die

anfängliche Schweißnaht zu vervollkommenen und das Verschweißen der Kanten zu vervollständigen, wobei irgend welche Unterschneidungsfehler in dem Verstärkungsmaterial und nicht in der vervollständigten Naht erscheinen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des anfänglichen Verbindens der Naht soviel Wärme angelegt wird, daß die Naht in plastischen Zustand gebracht wird, und daß die Elektronenstrahlschweißung vorgenommen wird, während die Naht sich noch in erhitztem Zustand befindet.
3β Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial von Material gebildet wird, das während des anfänglichen Verbindens von den Kanten extrudiert bzw. verdrängt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Veratärkungsmaterial mittels Füllmaterial geschaffen wird, welches zu den Kanten hinzugegeben wird, nachdem die Kanten anfänglich verbunden worden sind und bevor das endgültige Verschweißen ausgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial durch Material, welches von den Kanten während ihres anfänglichen Verbindens extrudiert oder verdrängt wird, und durch Füllmaterial geschaffen wird, welches den Kanten nach ihrem anfänglichen Verbinden und vor dem endgültigen Verschweißen zugegeben wird.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das anfängliche Verbinden der Kanten durch Hochfrequenzwiderstandsschweiüen und das Vervollständigen der Schweißung der Kanten durch Elektronenstrahlschweißen hervorgerufen wird.
7. Vorrichtung zum Verbinden aneinanderanliegender Kanten von Metallteilen, die sich durch die Vorrichtung von vorn nach hinten hindurchbewegen, gekennzeichnet durch eine Energe^erhitzungseinrichtung (15), die über den aneinander anliegenden Kanten (3, 4) des Metallteils (1) angeordnet ist und sich (über 11) in Wärmeverbindung mit den Kanten befindet, um diese auf *>chweißtemperatur zu erhitzen, eine Rolleneinrichtung (9),welche die Metallteile (1) aufnimmt und je eine Bolle (9) auf beiden Seiten des Teiles (1) aufweist, welche die Kanten (3, 4) zusammenklemmen, wenn der Metallteil (1) zwischen ihnen aufgenommen ist, und durch eine Hochenergiestrahlschweißeinrichtung (6) mit einer Strahlaustrittsöffnung (20), welche über den Kanten (3, 4) an der Hinterseite der Rolleneinrichtung (7) von der Energieeinrichtung (15) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieeinrichtung eine Hochfrequenzeinrichtung (15) ist, Gleitkontakte (11) die Energieeinrichtung elektrisch mit den aneinanderanliegenden Kanten (3, 4) verbinden und daß die Hochenergiestrahlschweißeinrichtung

(6) eine Elektronenstrahleinrichtung ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fülldrahtzuführeinrichtung (31) zwischen der Energieeinrichtung (15) und dem Hochenergiestrahl (23) angeordnet ist, um eine Metallschweißverstärkung an den zu verschweißenden Kanten (3, 4) zu schaffen.

10o Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fülldrahtzufuhreinrichtung (31) einen verbrauchbaren Teil (32) hat, der die Schweißverstärkung und ein Deoxydierungsmittel an den zu verschweißenden Kanten (3, 4) schafft.

10981 1/U15

2Ü41749

1lo Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Nachlaufeinrichtung (37), die mit der Hochenergiestrahls chweißeinrichtung (6) verbunden ist, um den Strahl (23) kontinuierlich an der Mitte der zu verschweißenden Kanten (3, 4) anzuordnen, wenn diese durch die Vorrichtung hindurchgehen, und die eine Servoeinrichtung (39) an der Hochenergiestrahlschweißeinrichtung zum Steuern der Stellung des Strahles (23) und eine kühleinrichtung (38) aufweist, die an den zu verschweißenden Kanten (3, 4) angeordnet und in Signalverbindung mit der Servoeinrichtung steht und dazu dient, Abweichungen der seitlichen Stellung der Kanten (3, 4) festzustellen und daraufhin die Servoeinrichtung (39) zu betätigen, um den Strahl (23) kontinuierlich relativ zu den Kanten (3, 4) anzuordnen.

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