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.
Method and device for arc welding in a protective gas atmosphere Certain metals such as titanium, tantalum, zircon, niobium, molybdenum and the like. and their alloys lose their toughness and other advantageous physical properties, such as machinability and important properties with regard to corrosion resistance, if the welding is not carried out in the absence of air and the welds do not cool down under the exclusion of air. The welding of these metals and their alloys is therefore mostly carried out in closed chambers under vacuum or under inert gas protection, but it is extremely difficult. In chambers that are made accessible from the outside through access holes, the vacuum or the purity of the protective gas cannot be maintained, or only with great difficulty.
If you mechanize the guidance of the welding equipment in the chamber, expensive aids must be used.
There was therefore no lack of attempts to weld these materials out of chambers; In particular, such tests were carried out on the less sensitive titanium alloys. It is already known to vorzu take the cooling of the seam within a so-called drag protection, the protective gas flowing out of porous surfaces and displacing the air from the seam that has not yet cooled down; However, it cannot be prevented in the usual way that air penetrates the anti-drag protection, since both the arc due to its local heat generation and the additional protective gas flow from a nozzle result in a strong turbulence at the beginning of the anti-drag protection.
In addition, a gap always remains open between the welding torch and the anti-drag device, through which air is sucked in and brought to the immediate vicinity of the welding point. As a result, a sufficient protective effect is only achieved at the end of the known towing protection, while the resulting seam is not sufficiently protected against the ingress of air.
However, technically useful welds could not be achieved with any of the devices described in the literature, since the heat of the arc causes such a strong vortex formation that some air is always brought up to the seam being created.
Another cause of the vortex formation and the resulting influx of air is to be found in the fact that with the known welding devices the shielding gas flow is always blown in in the same direction in which part of the gas used also flows off again, so that two flows in meet in opposite directions. The resulting eddies make a laminar flow or withdrawal impossible.
Another reason for the turbulence that usually occurs is to be found in the blowing effect itself; if the protective gas enters a further space from a narrow opening at a certain speed, a jet emerges from the opening, which entrains the adjacent layers of air and brings it to the welding point.
The object of the invention is to maintain a coherent protective gas atmosphere in the vicinity of the welding point, which reliably prevents air from flowing in.
According to the invention, this is achieved in that the protective gas is continuously and extensively introduced into a buffer volume that encompasses both the welding point and at least part of the zone still to be welded and its lateral surroundings.
Some embodiments of the device according to the invention are shown in the drawings, for example.
According to FIG. 1, two walls <I> 2a </I> and <I> 2b </I> which run parallel to the weld seam and are arranged perpendicular to the welding surface 1 are each provided approximately half with a feed surface 3a and 3b made of porous sintered material , which are continuously fed with protective gas through the feed lines 4a and 4b. In the area through the boundary walls <I> 2a </I> and <I> 2b </I> with the associated gas supply surfaces and the welding surface, d. H. Workpiece support surface 1 or the workpiece 5 limited buffer volume, the protective gas seeps in slowly and without eddies, displaces the air, rises in the middle like in a chimney and flows off evenly.
The embodiment of Fig. 1 is particularly suitable for the production of butt-butted seams, the distance between the two parallel to the seam, the sintered plates depend on the space required by the welding device.
In order to achieve adequate protection both for the seam that is being formed and for the seam that cools down, it is important that a sufficiently large area of the welding piece is included in the buffer volume, i.e. that the gas supply surfaces along the welding seam are sufficient in both directions away from the welding point are long.
The zone to be protected is thus included in a buffer volume, which can have the shape of a cuboid, a truncated pyramid, a cylinder or a prism.
When the boundary surfaces are arranged to create such a buffer volume, the result is that the welding table and the workpiece to be welded always represent one of the boundary surfaces. If only two boundary surfaces are provided, the second can cover the first, namely the welding surface, from above. The second surface can, however, also be curved in a V-shape at an obtuse angle and must then have an angular edge parallel to the weld seam.
At least one of these boundary walls is designed as a supply surface for the protective gas, in such a way that the protective gas is not blown in in individual jets, but steadily seeps in over a large area, so that it evenly spreads over the entire surface within the welding area and does not get caught in the air located there mixed, but displaced it. The boundary walls of the buffer volume must be arranged in such a way that sufficient space is left for the protective gas to be able to flow off without interference.
The buffer volume must be chosen so large that the vortex formation by the arc takes place within the protective gas atmosphere, so that the thermal movement of the protective gas caused by the arc does not bring any air to the seam.
The required areal supply of the protective gas can be achieved in a particularly expedient manner by making the boundary walls of the buffer volume from sintered material.
If you blow in the protective gas in individual jets in the same direction - as has been the case up to now - then - as already mentioned - a laminar flow cannot be achieved. However, each of the pores of the sintered material opens in a different direction towards the surroundings, so that the gas also seeps out of each pore in a different direction. These individual streams in different directions, which can no longer be addressed as rays, are superimposed and a gas surge is formed emerging from the surface of the porous layer, which displaces the atmosphere that previously filled the room and only interferes with it to a very small extent mixed.
As sintered material, for. B. ceramics, sintered metals and sintered metal alloys into consideration. A tow guard known per se can also be combined with the device to form a uniform device. As shown schematically in plan view in Fig. 2, care must be taken, except for the tow guard, the length of which is indicated in Fig. 2 by the distance S, that the thermal movement caused by the arc heat does not swirl any air into the welding point, d. H. Zone Z located immediately in front of the welding point must also be covered with an eddy-free protective gas atmosphere.
Another embodiment is shown in Fig. 3 represents. Here, the buffer volume is limited only by the welding surface 1 or the workpiece 5 and the protective gas supply surfaces 3e and 3d, which are inclined to one another in an obtuse V-shape. The protective gas seeping in from above displaces the air surrounding the workpiece and flows off to both sides. The arrangement is moved on the axis perpendicular to the drawing surface in the welding direction. At the same time, this embodiment is an example of a self-supporting arrangement attached to the welding electrode holder.
Fig. 4 shows another advantageous embodiment of the device. In addition to the two inclined feed surfaces 3a and 3b, an additional protective gas feed surface 9 with feed 10 in the clamping device 8 is provided through which the workpiece 5 can also be fed with protective gas from below, which gas flows up through the not yet welded gap. In this case, three walls delimiting the buffer volume have feed surfaces for the protective gas, so that in all cases, even with chamfered weld joints, sufficient displacement of the air by the protective gas takes place. Under certain circumstances, the protective gas supplied from below is already sufficient to maintain a sufficiently large buffer volume.
The process can also be applied to pipe welding. 5 shows a ring-shaped protective gas supply surface 11 with the supply line 12, which is arranged within the pipes to be connected.
The walls and filter surfaces required in addition to the welding surface to limit the buffer volume can, as already mentioned, be attached to the electrical holder in a self-supporting manner. But they can also rest on the welding surface and be moved by direct connection with the holder or independently of this by hand or by automatic control, so that the welding point, part of the zone to be welded and the cooling seam are within one room which is carried with. Means can also be provided, by means of which the boundary surfaces can be arranged at different heights above the welding surface. It when this height is automatically adapted to the respective length of the light arc is particularly advantageous.
The gas flow can also be evenly distributed over an area through close-meshed networks. In addition, the protective gas can be passed through an opening which expands to form an elongated, rectangular nozzle placed directly above the workpiece surface, the protective gas flow being evenly distributed over the nozzle outlet surface through, if necessary, several fine-meshed nets or spatial distributors.
It should also be mentioned that the gas supply surfaces on the boundary walls, if they do not completely cover them, can be arranged in different ways.
In order to limit the size of the gas supply surfaces, it is advantageous to accelerate the cooling of the seam by means of quenching agents, e.g. B. by a liquid shower or by quenching molds.
With the help of the process described, it was possible to achieve welds on highly sensitive materials as they are desirable for durability and for maintaining the natural mechanical properties. On tantalum and on zirconium, completely bright weld seams were achieved with these tools. The annealing colors on the base material of the transition were slight and must have been caused by the gas components adhering to the surface of the metal sheets.
Measurements of the Vickers hardness on a zirconium alloy with 1.5% tin (FIG. 6a) and tantalum (FIG. 6b) showed, as the two curves B show, no hardening in the base material 13 and a reduction in hardness which can be explained by the elimination of the rolling hardening in the weld seam 14. For comparison, curves A, which were obtained with normal welding without the protective gas device described, are also included; they illustrate the sharp increase in the Vickers hardness in the weld seam in the case of inert gas welding that has been common up to now.