CH377018A - Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen in Schutzgasatmosphäre - Google Patents

Description

  Verfahren und Vorrichtung zum Lichtbogenschweissen in Schutzgasatmosphäre    Gewisse Metalle, wie Titan, Tantal, Zirkon, Niob,  Molybdän u.ä. sowie ihre Legierungen verlieren ihre  Zähigkeit und andere vorteilhafte physikalische Eigen  schaften, wie Bearbeitbarkeit und wichtige Eigen  schaften in bezug auf Korrosionsbeständigkeit, wenn  das Schweissen nicht unter Luftabschluss vorgenommen  wird und die Schweissnähte nicht unter Luftabschluss  abkühlen. Das Schweissen dieser Metalle und ihrer  Legierungen wird deshalb bis heute meist in ab  geschlossenen Kammern unter Vakuum oder unter  Edelgasschutz ausgeführt, gestaltet sich jedoch ausser  ordentlich schwierig. In Kammern, die von aussen  durch Eingriffslöcher zugänglich gemacht werden,  lässt sich das Vakuum bzw. die Reinheit des Schutz  gases nicht oder nur sehr schwer aufrechterhalten.

    Wenn man die Führung der Schweissgeräte in der  Kammer mechanisiert, müssen teure     Hilfsmittel    an  gewendet werden.  



  Es fehlte daher nicht an Versuchen, das Schweissen  dieser Werkstoffe ausserhalb von Kammern auszu  führen; insbesondere wurden solche Versuche an den  weniger empfindlichen Titanlegierungen durchgeführt.  Es ist zwar bereits bekannt, die Abkühlung der Naht  innerhalb eines sogenannten Schleppschutzes vorzu  nehmen, wobei das Schutzgas aus porösen Flächen  ausströmt und die Luft von der noch nicht erkalteten  Naht verdrängt; es kann jedoch auf die bisher übliche  Weise nicht verhindert werden, dass Luft in den  Schleppschutz eindringt, da sowohl der Lichtbogen  wegen seiner örtlichen Wärmeentwicklung als auch der  zusätzlich vorhandene Schutzgasstrom aus einer Düse  eine starke Durchwirbelung des Schleppschutzanfangs  zur Folge haben.

   Ausserdem bleibt zwischen dem  Schweissbrenner und der Schleppschutzvorrichtung  notwendigerweise immer ein Spalt offen, durch den    Luft eingesaugt und an die     unmittelbare    Umgebung  der Schweissstelle herangebracht wird. Eine ausrei  chende Schutzwirkung     kommt    infolgedessen nur am  Ende des bekannten Schleppschutzes zustande, wäh  rend gerade die entstehende Naht nicht genügend vor  Luftzutritt geschützt ist.  



  Mit keiner der in der Literatur beschriebenen Vor  richtungen konnten jedoch technisch brauchbare  Schweissungen erzielt werden, da die Wärme des  Lichtbogens eine so starke Wirbelbildung hervorruft,  dass stets etwas Luft an die entstehende Naht heran  geführt wird.  



  Eine andere Ursache für die Wirbelbildung und  das dadurch bedingte Einströmen von Luft ist im  Umstand zu suchen, dass bei den bekannten Schweiss  geräten der Schutzgasstrom stets in derselben Richtung  eingeblasen wird, in der ein Teil des verwendeten Gases  auch wieder     abfliesst,    so dass zwei Ströme in entgegen  gesetzter Richtung aufeinander treffen. Die dadurch  hervorgerufenen Wirbel machen ein     laminares    Zu  strömen bzw. Abziehen unmöglich.

   Ein weiterer  Grund für die üblicherweise auftretende Turbulenz ist  in der     Blaswirkung    selbst zu suchen; wenn nämlich  das Schutzgas mit einer gewissen Geschwindigkeit aus  einer engen Öffnung in einen weiteren Raum eintritt,  so bildet sich ein von der     Öffnung    ausgehender Strahl,  der die angrenzenden Luftschichten mitreisst und an  die Schweissstelle heranführt.  



  Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in der  Umgebung der Schweissstelle eine zusammenhängende       Schutzgasatmosphäre    aufrechtzuerhalten, die ein Ein  strömen von Luft sicher     verhindert.     



  Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass  in ein sowohl die Schweissstelle und mindestens einen  Teil der noch zu schweissenden Zone als auch deren      seitliche Umgebung umfassendes Puffervolumen das  Schutzgas stetig und flächenhaft eingeführt wird.  



  Einige Ausführungsformen der Vorrichtung nach  der     Erfindung    sind in den Zeichnungen beispielsweise  dargestellt.  



  Gemäss Fig. 1 sind zwei parallel zur Schweissnaht  verlaufende, senkrecht zur     Schweissfläche    1 angeord  nete Wände<I>2a</I> und<I>2b</I> etwa zur Hälfte     mit    je einer  Zuführungsfläche 3a bzw. 3b aus porösem Sinterstoff  versehen, die durch die Zuführungen 4a bzw. 4b stetig       mit    Schutzgas gespeist werden. In das durch die  Begrenzungswände<I>2a</I> und<I>2b</I>     mit    den zugehörigen  Gaszuführungsflächen und die Schweissfläche, d. h.  Werkstücktragfläche 1 bzw. das Werkstück 5 begrenzte  Puffervolumen sickert das Schutzgas langsam und  wirbelfrei ein, verdrängt die Luft, steigt in der Mitte  wie in einem Schornstein nach oben und strömt gleich  mässig ab.  



  Die Ausführungsform nach Fig. 1 eignet sich vor  allem zur Herstellung stumpfgestossener Nähte, wobei  sich der Abstand der beiden parallel zur Naht stehen  den Sinterplatten nach dem Platzbedarf des Schweiss  gerätes richtet.  



  Um einen ausreichenden Schutz sowohl für die  entstehende als auch für die abkühlende Naht zu  erzielen, ist es wichtig, dass ein genügend grosser  Bereich des Schweissstückes in das Puffervolumen mit  einbezogen wird, dass also die Gaszuführungsflächen  längs der Schweissnaht in beiden Richtungen von der  Schweissstelle weg genügend lang sind.  



  Die zu schützende Zone wird somit in ein Puffer  volumen einbezogen, welches die Form eines Quaders,  eines Pyramidenstumpfes, eines Zylinders oder eines  Prismas besitzen kann.  



  Bei der Anordnung der     Begrenzungsflächen    zur  Schaffung eines derartigen Puffervolumens ergibt es  sich, dass der Schweisstisch und das zu schweissende  Werkstück stets eine der Begrenzungsflächen darstellen.  Sind nur zwei     Begrenzungsflächen    vorgesehen, so  kann die zweite die erste,     nämlich    die Schweissfläche  von oben überdecken. Die zweite Fläche kann aber  auch im stumpfen Winkel V-förmig gekrümmt sein  und muss dann eine zur Schweissnaht parallele Winkel  kante besitzen.  



  Mindestens eine dieser Begrenzungswände ist als  Zuführungsfläche für das Schutzgas ausgebildet, und  zwar derart, dass das Schutzgas nicht in einzelnen  Strahlen eingeblasen wird, sondern stetig flächenhaft  einsickert, so dass es die gesamte Fläche innerhalb des  Schweissbereiches gleichmässig bestreicht und sich nicht  mit der dort befindlichen Luft     vermischt,    sondern  diese verdrängt. Dabei müssen die Begrenzungswände  des Puffervolumens derart angeordnet sein, dass dem  Schutzgas genügend Raum gelassen ist, um störungs  frei abströmen     zu    können.  



  Das Puffervolumen muss so gross gewählt werden,  dass die Wirbelbildung durch den Lichtbogen sich  innerhalb der Schutzgasatmosphäre abspielt, so dass    die vom Lichtbogen bewirkte thermische Bewegung  des Schutzgases möglichst keine Luft an die ent  stehende Naht heranbringt.  



  Die erforderliche flächenhafte Zuführung des  Schutzgases kann in besonders zweckmässiger Weise  erreicht werden, indem man die Begrenzungswände  des Puffervolumens aus Sinterstoff herstellt.  



  Bläst man nämlich - wie bisher üblich - das Schutz  gas in einzelnen Strahlen gleicher Richtung ein, so  lässt sich - wie bereits erwähnt - eine laminare Strö  mung nicht erreichen. Von den Poren des Sinterstoffes  öffnet sich jedoch jede nach einer anderen Richtung  hin gegen die Umgebung, so dass auch das Gas aus       jeder    Pore in einer anderen Richtung aussickert.  Diese einzelnen, nicht mehr als Strahlen anzusprechen  den Stromfäden verschiedener Richtungen überlagern  sich und es bildet sich ein aus der Oberfläche der  porösen Schicht austretender Gasschwall, der die  Atmosphäre, die vorher den Raum erfüllt hat, ver  drängt und sich     mit    ihr nur in sehr geringem Mass  vermischt.  



  Als Sinterstoff kommen z. B. Keramik, Sinter  metalle und Sintermetallegierungen in Betracht.    Ein an sich bekannter Schleppschutz kann auch  mit der Vorrichtung zu einer einheitlichen Vorrichtung  kombiniert werden. Wie in Fig. 2 schematisch in  Draufsicht gezeigt, ist ausser für den Schleppschutz,  dessen Länge in Fig. 2 durch die Strecke S angedeutet  ist, dafür Sorge zu tragen, dass die durch die Licht  bogenwärme verursachte thermische Bewegung keine  Luft in die Schweissstelle einwirbelt, d. h. es muss auch  die unmittelbar vor der Schweissstelle befindliche  Zone Z mit einer wirbelfreien     Schutzgasatmosphäre     bedeckt sein.  



  Eine weitere Ausführungsform ist in     Fig.    3 dar  gestellt. Hier wird das Puffervolumen lediglich durch  die Schweissfläche 1 bzw. das Werkstück 5 und die       Schutzgaszuführungsflächen        3e    und     3d    begrenzt, die  im stumpfen Winkel V-förmig gegeneinander geneigt  sind. Das von oben einsickernde Schutzgas verdrängt  hier die das Werkstück umgebende Luft und strömt  nach beiden Seiten ab. Die Anordnung wird auf der  Achse senkrecht zur Zeichenfläche in Schweissrichtung  bewegt. Gleichzeitig ist diese Ausführungsform ein  Beispiel für eine freitragend am Schweisselektroden  halter befestigte Anordnung.  



       Fig.    4 zeigt eine andere vorteilhafte Ausgestaltung  der Vorrichtung. Ausser den beiden geneigten Zu  führungsflächen 3a und 3b ist eine zusätzliche Schutz  gaszuführungsfläche 9 mit Zuführung 10 in der Spann  vorrichtung 8 vorgesehen, durch die dem Werkstück 5  auch von unten her Schutzgas zugeführt werden kann,  welches durch den noch nicht verschweissten Spalt  nach oben abströmt. In diesem Fall besitzen drei das  Puffervolumen begrenzende Wände Zuführungsflächen  für das Schutzgas, so dass auf alle Fälle auch bei       angefasten    Schweissstössen ein ausreichendes Ver  drängen der Luft durch das Schutzgas erfolgt. Unter      Umständen reicht bereits das von unten zugeführte  Schutzgas aus, um ein genügend grosses Puffervolumen  aufrechtzuerhalten.  



  Das Verfahren lässt sich sinngemäss auch auf das  Rohrschweissen anwenden. Fig. 5 zeigt eine ringförmig  ausgebildete Schutzgaszuführungsfläche 11 mit der  Zuführleitung 12, die innerhalb der zu verbindenden  Rohre angeordnet ist.  



  Die ausser der Schweissfläche zur Begrenzung des  Puffervolumens nötigen Wände und Filterflächen  können, wie bereits erwähnt, freitragend am Elektro  denhalter befestigt sein. Sie können aber auch auf der  Schweissfläche aufliegen und durch unmittelbare Ver  bindung mit dem Halter oder unabhängig von diesem  von Hand oder durch automatische Steuerung fort  bewegt werden, so dass die Schweissstelle, ein Teil der  noch zu schweissenden Zone und die abkühlende  Naht sich innerhalb eines Raumes befinden, der mit  geführt wird. Dabei können auch Mittel vorgesehen  sein, durch welche die Begrenzungsflächen in ver  schiedener Höhe über der Schweissfläche angeordnet  werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn  diese Höhe selbsttätig der jeweiligen Länge des Licht  bogens angepasst wird.  



  Der Gasstrom lässt sich auch durch engmaschige  Netze gleichmässig auf eine Fläche verteilen. Weiterhin  kann man das Schutzgas durch eine Öffnung zu  führen, die sich zu einer langgestreckten, rechteckigen,  unmittelbar über der Werkstückoberfläche ange  brachten Düse erweitert, wobei der Schutzgasstrom  durch gegebenenfalls mehrere feinmaschige Netze  oder räumliche Verteiler gleichmässig auf die Düsen  austrittsfläche verteilt wird.  



  Ferner ist zu erwähnen, dass die Gaszuführungs  flächen auf den Begrenzungswänden, wenn sie diese  nicht ganz bedecken, verschiedenartig angeordnet  sein können.  



  Um die Grösse der Gaszuführungsflächen zu be  schränken, ist es vorteilhaft, die Abkühlung der Naht  durch Abschreckmittel zu beschleunigen, z. B. durch  eine Flüssigkeitsbrause oder durch Abschreckkokillen.  



  Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens konnten  an hochempfindlichen Werkstoffen Schweissungen er  zielt werden, wie sie für die Beständigkeit und für die  Erhaltung der natürlichen mechanischen Eigenschaften  wünschenswert sind. An Tantal und an Zirkon wurden  mit diesen     Hilfsmitteln    vollkommen blanke Schweiss  nähte erzielt. Die Anlauffarben auf dem Grund  material des Übergangs waren gering und dürften  durch die an der     Oberfläche    der Bleche haftenden  Gasbestandteile erzeugt worden sein.

   Messungen der  Vickershärte an einer Zirkonlegierung mit 1,5% Zinn  (Fig. 6a) und Tantal (Fig. 6b) ergaben, wie die beiden  Kurven B zeigen, keinerlei Härtungen im Grundwerk  stoff 13 und eine durch die Beseitigung der     Walz-          verfestigung    erklärbare Härteverminderung in der  Schweissnaht 14. Zum Vergleich sind die Kurven A,  die bei normaler Schweissung ohne die beschriebene  Schutzgasvorrichtung erhalten wurden, mit aufge-    nommen; sie veranschaulichen das bei der bisher  üblichen Schutzgasschweissung starke Ansteigen der  Vickershärte in der Schweissnaht.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum Lichtbogenschweissen in Schutz gasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass in ein sowohl die Schweissstelle und mindestens einen Teil der noch zu schweissenden Zone als auch deren seitliche Umgebung umfassendes Puffervolumen das Schutzgas stetig und flächenhaft eingeführt wird. II. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Begrenzungsflächen des Puffer volumens derart angeordnet sind, dass sie die Schweiss naht zwischen sich einschliessen und dass gleichzeitig das Schutzgas ungehindert abströmen kann, und dass eine der Begrenzungsflächen stets durch die Schweiss fläche selbst dargestellt ist. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass ein grösserer Bereich (S, Fig. 2) der abzukühlenden Naht in das Puffervolumen mit ein bezogen ist. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass das Puffervolumen so gross gewählt wird, dass der durch die Wärme des Lichtbogens verursachte Wirbel allseitig von wirbelfreien Schutz gasschichten eingehüllt ist. 3. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Begrenzungs fläche des Puffervolumens mindestens teilweise als Zuführungsfläche für das Schutzgas ausgebildet ist. 4. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsflächen für das Schutzgas durch Wände aus gasdurchlässigem Sinter stoff gebildet sind. 5.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unter anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinter stoffe Keramik, Sintermetalle oder Sintermetall- legierungen vorgesehen sind. 6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsflächen für das Schutzgas durch engmaschige Netze gebildet sind. 7.

   Vorrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuführung für das Schutzgas eine unmittelbar über der Werkstückoberfläche an gebrachte, langgestreckte Zuführungsfläche vorge sehen ist, hinter der der Schutzgasstrom durch min destens ein feinmaschiges Netz und/oder räumliche Verteiler gleichmässig verteilt wird. B. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen ausser durch die Schweissfläche selbst durch zwei in Schweissrichtung verlaufende, senkrecht oder im spitzen Winkel zur Schweissfläche angeordnete Zuführungsflächen für das Schutzgas begrenzt ist. 9.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen ausser durch die Schweissfläche selbst durch zwei diese über deckende, im stumpfen Winkel V-förmig gegen einander geneigte Zuführungsflächen für das Schutz gas begrenzt ist. 10. Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweisstisch eine Zuführungs fläche für das Schutzgas besitzt. 11. Vorrichtung nach Patentanspruch II zum Schweissen von Rohren, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgaszuführungsfläche ringförmig ausgebildet und die Zuführleitung innerhalb der zu verbindenden Rohre angeordnet ist. 12. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhreinrichtung frei tragend am Schweisskopf befestigt ist. 13.

   Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhreinrichtung auf der Schweissfläche aufliegt und entweder durch unmittel bare Verbindung mit dem Schweissbrenner oder un abhängig von diesem fortbewegbar ist. 14. Vorrichtung nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Flüssigkeit und/oder Metallkokillen ausgerüstete Kühleinrichtung vorhan den ist zur Kühlung der Länge des Bereiches der heissen Schweissnaht hinter dem Schweisspunkt.