DE2702889A1

DE2702889A1 - Verfahren zur herstellung einer waagerechten stumpfnaht zwischen zwei senkrecht uebereinander angebrachten werkstuecken

Info

Publication number: DE2702889A1
Application number: DE19772702889
Authority: DE
Inventors: Bror Henry Andersson; Karl-Erik Knipstroem; Anders Lennart Malm
Original assignee: KJELLBERG ESAB GmbH; KJELLBERG-ESAB GmbH
Current assignee: ESAB GmbH
Priority date: 1976-02-06
Filing date: 1977-01-25
Publication date: 1977-08-11
Also published as: FR2340165B1; FR2340165A1; SE396898B; SE7601302L; BE851083A; GB1558584A; US4142085A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer waagrechten Stumpfnaht ohne wurzelseitige Schweissunterlage zwischen zwei senkrecht übereinander angebrachten, dickwandigen Werkstücken, insbesondere Rohren, aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mittels Schutzgasschweissen mit abschmelzender Elektrode, bei welchem die Fugenflanken durch Abschrägung zur Bildung einer nach einer Werkstückseite sich öffnenden Fuge bearbeitet werden, und die Werkstücke durch Einbringen einer Wurzellage und einer Anzahl weiterer nacheinander eingebrachter Lagen miteinander verschweisst werden. Als dickwandige Werkstücke werden hier solche bezeichnet, deren Wandstärke mindestens 12 mm beträgt.

Bei der Herstellung von Bohrlöchern, insbesondere für Ölbohrtürme, kommen Rohre von beachtlicher Länge zur Verwendung. Die Rohre werden an Ort und Stelle aus Rohrstössen in senkrechter Lage zusammengeschweisst. Die Schweissverbindungen müssen den höchsten mechanischen Anforderungen gewachsen sein, da eine Kontrolle und Reparationen der Schweissstellen nach Einführen der Rohre in die Bohrlöcher nicht durchgeführt werden können. Die Schweisstellen dürfen keine wurzelseitige Nahtüberhöhung aufweisen, da der gesamte Rohrinnenquerschnitt zur Verfügung stehen muss.

Bisher sind Schweissungen dieser Art meist manuell ausgeführt worden. Die Schweissqualität weist bei manueller Schweissung stets bedeutende Qualitätsunterschiede auf, benötigt viel Zeit und erfordert hochqualifizierte Arbeitskräfte. Man hat daher Vorschläge gemacht diese Schweissarbeiten automatisch durchzuführen.

Ein solches Schweissverfahren ist aus der GB-PS 1 312 954 bekannt. Die Fugenflanke des oberen Rohres ist zu einem Flankenwinkel von 45 - 60° abgeschrägt. Die Fugenflanke des unteren Rohres ist mit einer Abschrägung versehen, dessen Flankenwinkel zwischen + 30° und -15° beträgt. Eine Stegflanke ist nicht vorgesehen. Die Schweissung wird mit einer wurzelseitigen Schweissunterlage durchgeführt, die an der Innenseite der Rohre angeschweisst wird, wodurch der Innenquerschnitt des Rohres an der Schweissstelle eingeengt wird. Das Anbringen von Schweissunterlagen ist zudem bei senkrecht übereinander angeordneten Rohren, und insbesondere bei solchen mit kleinem Innendurchmesser, ein zeitraubendes und beschwerliches Verfahren.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt ein Verfahren zu schaffen, das Schweissungen hervorragender Qualität liefert und die Verwendung von Schweissunterlagen ausschliesst. Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, dass jedes Werkstück mit einer sich an die Wurzelseite des Werkstückes anschliessenden

Stegflanke mit einer Steghöhe zwischen 0,5 und 3,0 mm und mit einer an die Stegflanke sich anschliessenden Abschrägung mit einem Flankenwinkel zwischen 40° und 50° versehen wird, dass die Werkstücke mit einem Stegabstand von höchstens 1,5 mm übereinander angebracht werden und dass beim Schweissen der Wurzellage folgende Bedingungen eingehalten werden:

a) Die zugeführte Schweisselektrode hat einen Durchmesser von höchstens 1,0 mm.

b) Die Elektrodenspitze wird während des Schweissens in der Ebene der Stegflanke gehalten.

c) Das zugeführte Schutzgas besteht aus 0 bis 40 % Kohlendioxyd und Rest Argon.

d) Der Elektrode wird wechselweise eine hohe und niedrige positive Schweissgleichspannung zugeführt, wobei die Periodendauer 0,5 bis 2,0 Sekunden beträgt und der hohe Spannungswert derart eingestellt wird, dass der Materialtransport von der Elektrode zum Werkstück sprühregenartig erfolgt, und die niedrige Spannung so eingestellt wird, dass der Materialtransport zwischen Elektrode und Werkstück tropfenförmig während periodisch auftretender Kurzschlüsse erfolgt.

e) Die Zuführungsgeschwindigkeit der Elektrode und die Schweissgeschwindigkeit werden so eingestellt, dass die eingebrachte Schweissgutmenge 0,15 bis 0,35 g/mm Raupenlänge beträgt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fugenflanke im Anschluss an die Abschrägung mit einem Fugenwinkel zwischen 40° und 50° steiler abgeschrägt, wobei ein Flankenwinkel von mindestens 10° vorgesehen wird und der Abstand von der Übergangsstelle zwischen den beiden Abschrägungen zu der durch die Stegflanke definierten Ebene mindestens 3,5 mm beträgt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in welcher die einzelnen Verfahrensschritte des Schweissverfahrens in beispielsweiser Ausführung dargestellt sind.

Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine entsprechend der Erfindung vorbereiteten Fuge,

Fig. 2-4 zeigen die Fuge nach Einbringung der ersten, zweiten und dritten Schweissraupe,

Fig. 5 zeigt schematisch zwei zu verschweissende Rohre zusammen mit einer Schweisseinrichtung.

Die in Fig. 1 gezeigte Schweissfuge zwischen zwei senkrecht übereinander angebrachten Rohren 1, 2 ist symmetrisch und besitzt eine Stegflanke 3 mit einer Steghöhe c. An die Stegflanke schliesst sich eine stark abgeschrägte Fugenflanke 4 an, die einen Fugenwinkel v besitzt. Diese Fugenflanke geht in eine steilere Fugenflanke 5 über mit einem Fugenwinkel u. Der Abstand von der Übergangsstelle zwischen den beiden Fugenflanken 4, 5 und der Ebene, die durch die Stegflanke definiert ist, ist hier mit d bezeichnet. Eine flache Abschrägung 6 an der Wurzelseite der Fuge erleichtert die Ausrichtung der Werkstücke. Insbesondere lassen sich beim Schweissen von Rohren dadurch Ausrichtungsschwierigkeiten bei etwas unrunden Rohren oder Rohren mit abweichenden Durchmessertoleranzen vermeiden. Die Stegflanken der beiden übereinander angebrachten Rohre werden so nahe aneinander gebracht, dass der Stegabstand höchstens 1,5 mm beträgt.

Eine Elektrode 14 wird von einer Vorschubeinrichtung 15 durch einen Schweisskopf 16 in die Fuge vorgeschoben. Wenn die Wurzellage eingebracht wird, wird die Elektrodenspitze 17 in der Ebene gehalten, die durch die Stegflanke 3 definiert ist. Die Schweissenergie wird der Schweissstelle über ein Schweisskabel 18 und eine Masseleitung 19 von einer Schweisstromquelle zugeführt. Die Schweisstromquelle 20 ist vorzugsweise mit steuerbaren Ventilen, z.B. Thyristoren, ausgerüstet. Schutzgas wird dem Schweisskopf und der Schweissfuge durch Leitungen 21, 22 zugeführt, die mittels Ventilen 26, 27 an hier nicht gezeigte Gasbehälter für Kohlendioxyd bzw. Argon angeschlossen sind. Die Rohre 1, 2 werden mittels eines hier schematisch gezeigten Reibungsrades 23 gedreht, das von einem Motor 24 angetrieben wird. Können die Rohre aus praktischen Gründen nicht gedreht werden, so wird der Schweissapparat längs der Fuge bewegt.

Die Höhe der Schweissspannung wird abwechselnd mit Hilfe einer die Zündpunkte der Thyristoren steuernden Impulseinrichtung 25 auf einen hohen und einen niedrigen Wert eingestellt. Die Periodendauer für eine Folge von einer hohen und einer niedrigen Spannung beträgt zwischen 0,5 und 2,0 Sekunden, entsprechend einer Frequenz von 2,0 bis 0,5 Hz. Die hohe Spannung wird dabei so gewählt, dass der Materialtransport von der Elektrode zum Werkstück sprühregenartig erfolgt, während die niedrige Spannung so eingestellt wird, dass tropfenförmiger Materialtransport während periodisch auftretender Kurzschlüsse stattfindet. Mit diesen Schweissbedingungen wird eine Wurzellage von ausgezeichneter Qualität erhalten. Die Wurzeleinbrand ist gerade so gross, dass auf der Wurzelseite eine flache Nahtoberfläche entsteht, die praktisch in Linie mit der Innenseite der Rohre liegt und daher den Innenquerschnitt der Rohre nicht verringert.

Eine zweite Raupe 7 und dritte Raupe 8 werden danach eingebracht. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, beim Schweissen dieser beiden Raupen als Schutzgas lediglich Kohlendioxyd zu verwenden, wobei die Spannung im gleichen Masse geändert wird, wie beim Einbringen der Wurzellage.

Weitere Raupen 10, 11, 12, 13 werden zur Füllung der Fuge in der genannten Reihenfolge mittels Schutzgasschweissung ohne Spannungsänderungen eingebracht.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Schweissverfahren gemäss vorliegender Erfindung ohne diese einzuschränken:

Abmessungen der Fuge:

c: 0,5 - 3,0 mm

d: mindestens 3,5 mm

u: 40 - 50°

v: mindestens 10°, doch nicht grösser als u.

Stegabstand: höchstens 1,5 mm.

Schweissparameter für die Wurzellage:

Frequenz der Spannungsschwankungen: 0,5 - 2,0 Hz

Bereich für die niedrige Spannung: 22-26 V

Bereich für die hohe Spannung: 36 - 40 V

Dauer des Anliegen der hohen Spannung

während einer Spannungswechselperiode

Dauer der Spannungswechselperiode 0,3 - 0,4

Schutzgas: 0 - 40% CO[tief]2, Rest Ar

Elektrodendiameter höchst. 1,0 mm

eingebrachte Schweissgutmenge: 0,15 - 0,35 g/mm Raupenlänge.

Für die Raupen, die an die Wurzellage angrenzen, werden die gleichen Schweissparameter wie oben gewählt mit Ausnahme des Schutzgases, das vorzugsweise nur aus Kohlendioxyd besteht.

Beim Schweissen von Stahlrohren mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Wanddicke von 17 mm ist mit folgenden Schweissdaten gearbeitet worden:

Abmessungen der Fuge: c = 1,5 mm, d = 4,5 mm, u = 45°, v = 15°. Keine Spaltöffnung.

Wurzellage:

Frequenz der Spannungsschwankungen: 1,25 Hz

Niedrige Spannung: 24 V

Hohe Spannung: 38 V

Schweissstrom: 190 A

Dauer der Spannungswechselperiode: 0,8 s

Dauer des Anliegers der hohen

Spannung während der Spannungs-

wechselperiode: 0,3 s

Schutzgas 20 % CO[tief]2 + 80 % Ar

Elektrodendiameter: 0,8 mm

Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode: 17,5 m/min.

Schweissgeschwindigkeit: 350 mm/min.

eingebrachte Schweissgutmenge: 0,20 g/mm Raupenlänge

Zweite und dritte Raupe:

Die gleichen Schweissdaten wie oben,

jedoch Schutzgas: CO[tief]2

Decklage:

Kurzschlusslichtbogenschweissung.

Schweisspannung 24 V

Schutzgas 20 % CO[tief]2 + 80 % Ar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer waagrechten Stumpfnaht ohne wurzelseitige Schweissunterlage zwischen zwei senkrecht übereinander angebrachten, dickwändigen Werkstücken, insbesondere Rohren, aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mittels Schutzgasschweissen mit abschmelzender Elektrode, bei welchem die Fugenflanken durch Abschrägung zur Bildung einer nach einer Werkstückseite sich öffnenden Fuge bearbeitet werden, und die Werkstücke durch Einbringen einer Wurzellage und einer Anzahl weiterer, nacheinander eingebrachter Lagen miteinander verschweisst werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Werkstück mit einer sich an die Wurzelseite des Werkstückes anschliessenden Stegflanke mit einer Steghöhe zwischen 0,5 und 3,0 mm und mit einer an die Stegflanke sich anschliessenden Abschrägung mit einem Flankenwinkel zwischen 40° und 50° versehen wird, dass die Werkstücke mit einem Stegabstand von höchstens 1,5 mm übereinander angebracht werden und dass beim Schweissen der Wurzellage folgende Bedingungen eingehalten werden:

a) Die zugeführte Schweisselektrode hat einen Durchmesser von höchstens 1,0 mm,

b) die Elektrodenspitze wird während des Schweissens in der Ebene der Stegflanke gehalten,

c) das zugeführte Schutzgas besteht aus 0-40 % Kohlendioxyd und Rest Argon,

d) der Elektrode wird wechselweise eine hohe und eine niedrige positive Schweissgleichspannung zugeführt, wobei die Periodendauer 0,5 - 2,0 Sekunden beträgt und der hohe Spannungs- wert derart eingestellt wird, dass der Materialtransport von der Elektrode zum Werkstück sprühregenartig erfolgt, und die niedrige Spannung so eingestellt wird, dass der Materialtransport zwischen Elektrode und Werkstück tropfenförmig während periodisch auftretender Kurzschlüsse erfolgt,

e) die Zuführungsgeschwindigkeit der Elektrode und die Schweissgeschwindigkeit werden so eingestellt, dass die eingebrachte Schweissgutmenge 0,15 - 0,35 g/mm Raupenlänge beträgt.

2. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fugenflanke im Anschluss an die Abschrägung mit einem Flankenwinkel zwischen 40° und 50° steiler abgeschrägt wird, wobei ein Flankenwinkel von mindestens 10° vorgesehen wird und der Abstand von der Übergangstelle zwischen den beiden Abschrägungen zu der durch die Stegflanke definierten Ebene mindestens 3,5 mm beträgt.

3. Verfahren gemäss Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Spannungswechselperiode, die Schweissgeschwindigkeit und die Zuführungsgeschwindigkeit der Elektrode so eingestellt werden, dass die Länge der Wurzelraupe während einer solchen Periode zwischen 4 und 7 mm beträgt.

4. Verfahren gemäss Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hohe Spannung während 30 bis 40 % der Dauer der Spannungswechselperiode angelegt wird.

5. Verfahren gemäss Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswechselperiode
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Sekunden beträgt und die hohe Spannung während 0,3 Sekunden dieser Periode anliegt.

6. Verfahren gemäss Patentanspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas während des Einbringens der Wurzellage aus 5 bis 40 % Kohlendioxyd und Rest Argon besteht.

7. Verfahren gemäss Patentanspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrige Spannung 22 - 26 und die hohe Spannung 36 - 40 V beträgt.

8. Verfahren gemäss Patentanspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Wurzellage angrenzenden Raupen mit einer Schweissspannung entsprechend der Bedingung d im Patentanspruch 1 eingebracht werden.

9. Verfahren gemäss Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Wurzellage angrenzenden Raupen in einer Schutzgasatmosphäre eingebracht werden, die im wesentlichen nur aus Kohlendioxyd besteht.