DE2339552A1

DE2339552A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen von schweissungen

Info

Publication number: DE2339552A1
Application number: DE19732339552
Authority: DE
Inventors: Franco Bonomo; Fernando Caldarelli
Original assignee: Centro Sperimentale Metallurgico SpA
Current assignee: Centro Sperimentale Metallurgico SpA
Priority date: 1972-08-07
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1974-02-21
Also published as: DE2339552C3; DE2339552B2; NO142610C; IT961901B; BE802892A; CA988333A; NO142610B; FR2195503B1; SE413636B; GB1441302A; CS189614B2; JPS5129991B2; FR2195503A1; JPS4945856A; US3948428A

Description

Centro Sperimentale Metallurgicο S.p.Α., « ο ^q r cο Via Castel Romano, Rom / Italien

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von Schweißungen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von mittels großer Wärmezufuhr erzeugter Schweißungen unter gleichzeitiger Zufuhr von Wasser und Gas.

Schweißverfahren mit großer Wärmezufuhr wie Elektro-Schlacken-, Elektro-Gas-, Lichtbogenschweißung mit abgedeckten Lichtbogen, Schweißungen mit mehreren Elektroden usw. sind bekanntlich für die Erzielung großer Leistungen von Vorteil und werden insbesondere zum Verschweißen von Teilen sehr großer Dicke verwandt. Ihrer Verwendung in größerem Umfang stehen jedoch sowohl die hohe Wärmez.ufuhrrate (ca. 10 Joule/cm bei Elektro-Schlacken-Schweißung und 50 mm dickem Stahlblech) als auch die große Masse des bei dem Prozeß verflüssigten Materials und dessen relativ niedrige Leitfähigkeit hindernd entgegen. In der Tat lassen sich nur sehr geringe Abkühlungsgeschwindigkeiten der Schweißung erreichen, die die Ausbildung einer ausgedehnten, thermisch veränderten Zone mit grobkörniger Struktur zur Folge haben, gekennzeichnet durch niedrige Bruchfestigkeit, geringe Dehnbarkeit und niedrige Streckgrenze. Es ist deshalb erforderlich, nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung vorzunehmen, die aufgrund der Abmessungen der Schweißkonstruktionen in den meisten Fällen sehr teuer und in manchen Fällen praktisch undurchführbar ist.

Zur Vermeidung dieser Nachteile sind einige Lösungen vorgeschlagen worden, von denen die erste das Aufsprühen von Wasser auf die Schweißzone ist, um die Kühlverhältnisse zu verbessern. Dabei kann jedoch der frei werdende Dampf in das Schmelzbad eindringen und Risse und Löcher in der Schweißnaht verursachen. In letzter Zeit ist eine Vor-

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richtung vorgeschlagen worden, mittels der diese Nachteile sich vermeiden lassen sollen und die aus einem Schweißschuh besteht, dessen untere Zone von der Fläche der Platte schräg nach außen verläuft. In dieser unteren Zone sind zwei Reihen von Löchern übereinander angeordnet, aus deren unteren VJasser gesprüht wird, während aus deren oberen ein inertes Gas geblasen wird, dem die Aufgabe zufällt, den Dampf zu entfernen und ihn daran zu hindern, zwischen die Schweißung und den Schweißschuh zu gelangen. Der zunächst durch das Gas nach unten in eine relativ kalte Zone geblasene Dampf steigt jedoch kurz darauf aufwärts, umströmt die zu schweißenden Teile und kondensiert an dem oberen Teil der Platte und der Elektrode, erreicht schließlich das Schmelzbad, bewirkt in diesem ein Kochen und fördert die Bildung von Einschlüssen, Lunkern und Rissen.

Darüber hinaus hat eine solche Art der Kühlung Bewegungen der Kanten der zu verschweißenden Stücke gegeneinander zur Folge, wobei sich oft der Spalt zwischen denselben verringert, manchmal aber auch unvorsehbarerwexse vergrößert.

Es ist unmöglich, das Ausmaß dieser Bewegungen genau vorauszusagen, da diese von einer ganzen Reihe von Paktoren abhängen, nämlich der Menge der zugeführten Wärme, der Schweißgeschwindigkeit, der Abkühlungsrate, der Wärmeleitfähigkeit der zu verschweißenden Teile usw.; die Verhältnisse sind also viel zu komplex, um sich praktisch erfolgreich untersuchen und festlegen zu lassen. Als Ergebnis davon muß ein hinsichtlich seiner Schweißleistung vorteilhafter Schweißvorgang öfter unterbrochen werden, um ein Verklemmen des Schweißgerätes durch die sich einander nähernden Kanten der Schweißstücke zu verhindern und die Gleitstücke, die das Schmelzbad halten, wieder auszurichten.

Die Bemühungen, die zu verschweißenden Teile mittels

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Klemmbacken oder anderer Vorrichtungen in ihrer Lage zu halten, sind oft zwecklos, wenn nicht sogar gefährlich, da durch die bei der Bewegung erzeugten enormen Kräfte sich entweder die Klemmbacken lösen oder gefährliche Restspannungen in dem Schweißstück entstehen, die Risse in der Schweißnaht zur Folge haben können.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die erwähnten Nachteile vermieden und ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, mittels derer die Schweißzone wirksam gekühlt, damit die thermisch beeinflußte Zone verringert und deren mechanische Eigenschaften verbessert werden können.

Im einzelnen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kühlwasser mit der heißen Schweißung in einer begrenzten Kühlzone unmittelbar unterhalb der flüssigen Schmelze in Verbindung gebracht wird, wobei das Verhältnis zwischen der Erstreckung der Kühlzone quer zu der Schweißnaht und ihrer Erstreckung in Längsrichtung derselben 10 : 1 bis 1 : 1 ist, und daß der sich bei der Kühlung entwickelnde Dampf sowie das nicht verdampfte Wasser sofort von der Schweißnahmt entfernt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß eine wirksame Kühlung der Schweißzone sicher erzielt· wird. Damit ist eine Verringerung der thermisch beeinflußten Zone und eine Verbesserung deren mechanischer Eigenschaften verbunden. Erstaunlicherweise wurde gefunden, daß neben der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schweißunj;, ihrer ϊ-iaßhaltigkeit, die Möglichkeit der Vermeidung von Rissen und Lunkern und von Restspannungen bemerkenswert verbessert ist. Es wird verhindert, daß der beim Kühlen entwickelte Dampf oder das durch dessen Kondensation entstandene Wasser die flüssige Schmelze erreicht

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und Spannungen entstehen, die die vorerwähnten Bewegungen der zu verschweißenden Kanten verursachen. Es hat sich erstaurilicherweise ergeben, daß die mechanischen Eigenschaften der Schweißung, ihre Stabilität, die Möglichkeit des Vermeidens von Rissen und Lunkern sowie von Restspannungen sich wesentlich verbessern lassen, wenn man die der Wirkung des Kühlwassers ausgesetzte Fläche verringert, ganz im Gegensatz zu den aufgrund der Theorie und früherer Versuche zu erwartenden Ergebnissen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die mit dem Wasser in Verbindung gebrachte Kühlfläche durch einen sie völlig umschließenden Gasvorhang bestimmt, der unter einem Winkel zwischen 15° und 50° auf die Schweißung aufgeblasen wird. Mit dieser Bestimmung der Kühlfläche kann die Kühlwirkung wesentlich verbessert werden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird der bei der Kühlung entstehende" Dampf und das nicht verdampfte Wasser mittels des aufgeblasenen Gases von der Schweißnaht entfernt und durch die Vorrichtung zum Kühlen abgeführt. Damit ist die Verhinderung der Beeinflussung des Schmelzbades durch den Dampf und das Wasser gewährleistet.

Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist in einem Gleitschuh eine der Schweißung zugewandte Fläche mit einer Hauptöffnung versehen, in der eine oder mehrere Wasserdüsen vorgesehen sind und die von einem oder mehreren Kränzen (Gruppen) von Gasdüsen umgeben und von einem oder mehreren Schlitzen flankiert ist, die innerhalb der Gasdüsen parallel zu den Kanten der Hauptöffnung angeordnet sind. Damit ist eine Vorrichtung angegeben, die die Durchführung der Erfindung auf einfache und wirksame Weise ermöglicht.

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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bestimmen die Gasdüsen die Kühlzone, deren Verhältnis der Erstreckung quer zu der Schweißung zu ihrer Erstreckung in Längsrichtung derselben 10 : 1 bis 1 : 1 ist. Durch Wahl eines zwischen diesen Bereichen liegenden Verhältnisses lassen sich optimale Kühlverhältnisse für die Schweißnaht erzielen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Achsen der Gasdüsen gegen die Hauptöffnung gerichtet, zu der der Schweißung zugewandten Fläche hin geneigt und unter einem Winkel zwischen 15 und 50 angeordnet. Damit ist die Trennung des Dampfes und des Wassers von der Schweißung besonders gut gewährleistet.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Hauptöffnung und die Schlitze mit einer im Inneren des Gleitschuhes befindlichen Kammer verbunden, die an ihrem oberen Ende mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht und mit ihrem unteren Ende an eine Saugleitung angeschlossen ist« Damit ist eine Trennung des Dampfes und des Wassers im genügenden Abstand zu der Schweißung möglich.

Die Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazu benutzten Vorrichtung werden anhand eines schematised in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels besehrieben. Es zeigt

Pig. 1 eine axonometrische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Pig. 2 eine Ansicht auf die der Schweißung zugewandte Fläche und

Fig. 3 einen Schnitt durch, die Schweißung und die während des Schweißens paarweise auf beiden Seiten der Schweißung angeordnete Vorrichtung gemäß Linie II - II der Fig. 2.

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Die Vorrichtung besteht aus einem Gleitschuh I₅ der paarweise beiderseits der Schweißung so zur Anwendung kommt, daß das Schmelzbad dazwischen eingeschlossen ist. Seine der Schweißung zugewandte Fläche 12 hat eine Hauptöffnung 2, durch die eine Viasserdüse 3 oder äquivalente Mittel reichen, mittels derer das in einer Zuführleitung 10 zugeführte Kühlwasser auf die heiße Oberfläche der Schweißung gespritzt wird, um diese zu kühlen.

Rings um die Hauptöffnung 2 herum sind Gasdüsen ft angeordnet, von denen sich mindestens·eine Reihe oder Gruppe an der Oberkante der Hauptöffnung 2 befindet. Die Achsen der Gasdüsen ft sind gegen die Hauptöffnung 2 selbst geneigt, und sie sind gegen die Fläche 12 unter einem Winkel zwischen 15° und 50° geneigt. Durch diese Gasdüsen ft wird ein Gas mit einem Druck von 2 bis 8 atm. geblasen, das eine Sperre für das mittels der Wasserdüse 3 aufgespritzte Wasser und den von einem Teil desselben beim Auf treffen auf die heiße Schweißnahtζone gebildeten Dampf bildet. Der Dampf und das nicht verdampfte Wasser werden durch die Hauptöffnung 2 und in der Fläche 12 zwischen den Gasdüsen ft und der Hauptöffnung 2 parallel zu deren Seiten befindliche Schlitze 5 in den Gleitschuh 1 hinein geführt, nämlich in eine Kammer 6, die an ihrer Oberseite mittels einer Öffnung 11 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Aus dieser werden der Dampf und das Wasser durch eine Saugleitung 7 abgesogen.

Das Gas wird dem Gleitschuh 1 durch ein. Rohr 8 zugeführt und mittels einer Verteilerleitung 9 auf die einzelnen Gasdüsen ft verteilt. Die Gasdüsen ft umschließen dabei eine der Kühlzone entsprechende Fläche, für die das Verhältnis ihrer Erstreckung quer zu der Schweißung zu ihrer Erstreckung in Längsrichtung 10 : 1 bis 1 : 1 ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Kühlen von mittels großer Wärmezufuhr erzeugter Schweißungen unter gleichzeitiger Zufuhr von Wasser und Gas,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Kühlwasser mit der heißen Schweißung in einer begrenzten Kühlzone unmittelbar unterhalb der flüssigen Schmelze in Verbindung gebracht wird, xfobei das Verhältnis zwischen der Erstreckung der Kühlzone quer zu der Schweißnaht und ihrer Erstreckung in Längsrichtung derselben 10 : 1 bis 1 : 1 ist, und daß der bei der Kühlung sich entwickelnde Dampf sowie das nicht verdampfte Wasser sofort von der Schweißnaht entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Kühlfläche durch einen sie völlig umschließenden Gasvorhang bestimmt wird, der unter einen Winkel zwischen 15° und 50° auf die Schweißung aufgeblasen wird,

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der bei der Kühlung entstandene Dampf und das nicht verdampfte Wasser mittels des aufgeblasenen Gases von der Schweißung entfernt und in die Vorrichtung zum Kühlen abgeführt werden.

4. Vorrichtung zum Kühlen von mittels großer Wärmezufuhr erzeugter Schweißungen unter gleichzeitiger Zufuhr von Wasser und Gas,

dadurch gekennzeichnet,

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daß in einem Gleitschuh (1) eine der Schweißung zugewandte Fläche (12) mit einer Hauptöffnung (2) versehen ist, in der eine oder mehrere Wasserdüsen (3) vorgesehen sind und die von einem oder mehreren Kränzen (Gruppen) von Gasdüsen (4) umgeben und von einem oder mehreren Schlitzen (5) flankiert ist, die innerhalb der Gasdüsen (4) parallel zu den Kanten der Hauptöffnung (2) angeordnet sind.

Vorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gasdüsen (4) eine Kühlzone bestimmen, deren Verhältnis der Erstreckung quer zu der Schweißung zu ihrer Erstreckung in Längsrichtung derselben 10 : 1 bis 1 : 1 ist.

Vorrichtung nach einer der Ansprüche 4 oder 5 ? dadurch gekennzeichnet,

daß die Achsen der Gasdüsen (4) gegen die Hauptöffnung (2) gerichtet, zu der der Schweißung zugewandten Fläche (12) geneigt und unter einem Winkel zwischen 15 und 50° angeordnet sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hauptöffnung (2) und die Schlitze (5) mit einer im Inneren des Gleitschuhes (1) befindlichen Kammer (6) verbunden sind, die an ihrem oberen Ende mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht und mit ihrem unteren Ende an eine Saugleitung. (7) angeschlossen ist.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß zwei Gleitschuhe (1) paarweise gegenüberliegend angeordnet sind .

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