Verfahren zum Engspal schweißen mit dem MAG-Schweißverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Engspaltschweißen mit dem MAG-Schweißverfahren, bei dem die Schweißeinrichtung in der Schweißfuge geführt und dabei mindestens eine durch ein Kontaktrohr geleitete abschmelzende Drahtelektrode unter Schutzgas mit einer vorgegebenen Drahtvorschubgeschwindigkeit dem Schweißbereich zugeführt wird, und bei dem die Parameter Schweißstrom, Elektrodendrah -Vorschub und Kontaktrohrabstand derart eingestellt werden, daß sich am Ende der Drahtelektro¬ de ein rotierender Lichtbogen ausbildet.

Das MAG-Schweißen ist aufgrund seiner vielseitigen Einsetz- barkeit, guten Mechanisierbarkeit und hohen Produktivität ei¬ nes der verbreitesten Lichtbogen-Schmelzschweißverfahren. Die Wirtschaftlichkeit dieses bekannten Verfahrens kann dabei noch weiter verbessert werden, wenn der erforderliche Fugen- querschnitt reduziert und zum Engspaltschweißen übergegangen wird. Bei den tiefen und engen Schweißfugen bereitet jedoch das Einführen der Schweißeinrichtung in die Fuge und die Po¬ sitionierung der abschmelzenden Drahtelektrode zu den zu ver¬ bindenden Werkstückflanken Probleme. Die Gefahr von Bindefeh- lern anden Werkstückflanken ist dadurch relativ hoch, insbe¬ sondere bei brenngeschnittenen Werkstückflanken und daraus resultierenden großen Spalttoleranzen.

Beim Engspaltschweißen mit dem MAG-Schweißverfahren sollte sich der zwischen Drahtelektrode und Werkstück erzeugte

Lichtbogen abwechselnd zu beiden Werkstückflanken ausbilden. Dies wird bislang durch eine mechanische Auslenkung der Drah¬ telektrode realisiert, wobei hier zwischen statischen und dy¬ namischen Verfahrensprinzipien unterschieden wird. Bei den statischen Verfahrensprinzipien werden zwei Drahtelektroden derart plastisch verformt oder mechanisch geführt, daß die Enden der Drahtelektroden jeweils zu einer Werkstückflanke

hin ausgelenkt sind. Bei den dynamischen Verfahrensprinzipien pendeln die Enden einer Drahtelektrode zwischen beiden Werk¬ stückflanken hin und her oder es werden zwei verdrillte Drah¬ telektroden zugeführt, die dann beim Abschmelzen verschiedene Lagen bezüglich der Werkstückflanken einnehmen. Aus Narrow Gap Welding-The State-of the-Art in Japan, The Japan Welding Soc, Tokio, 1986, Seiten 65 bis 73 ist eine weitere zu den dynamischen Verfahrensprinzipien zählende Variante bekannt, bei welcher die Drahtelektrode durch einen rotierenden Drah- trichtsatz zu einer Wendel plastisch verformt wird und sich somit durch den AbschmelzVorgang eine Rotationsbewegung des Endes der Drahtelektrode ergibt.

Aus der EP-A-0 557 757 ist ein Verfahren zum Engspaltschwei- ßen der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem ohne eine mechanisch bewirkte Elektrodenbewegung die Parameter Schwei߬ strom, Elektrodendrah -Vorschub und Kontaktrohrabstand derart eingestellt werden, daß der übliche axiale Werkstoffübergang durch einen rotierenden WerkstoffÜbergang mit rotierendem Lichtbogen abgelöst wird.

Sowohl beim Engspaltschweißen mit einer ausgelenkten Drahte¬ lektrode als auch beim Engspaltschweißen mit einer Eigenrota¬ tion des Lichtbogens ist die überbrückbare Schweißfugenbreite begrenzt, so daß bei fertigungsbedingten größeren Spaltbrei¬ ten die Gefahr von Flankenbindefehlern besteht .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Engspaltschweißen mit dem MAG-Schweißverfahren zu schaffen, bei welchem auch bei größeren Spaltbreiten und insbesondere bei fertigungsbedingten Spalttoleranzen eine sichere Flan¬ kenerfassung gewährleistet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Engspaltschweißen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ei¬ genrotation des Lichtbogens eine mechanische Auslenkung des Endes der Drahtelektrode überlagert wird.

Für den Fachmann ist es dabei überraschend, daß trotz der me¬ chanischen Auslenkung des Endes der Drahtelektrode und die dadurch bedingte ständige Lageänderung des Elektrodenendes ein Lichtbogen mit stabiler Eigenrotation ausgebildet weren kann. Die Überlagerung der mechanischen Auslenkung und der Eigenrotation des Lichtbogens führt zu einem breiteren Licht¬ bogenbereich, wodurch die gewünschte und notwendige Auf¬ schmelzung beider Werkstückflanken auch bei größeren Fugen¬ breiten mit Sicherheit gewährleistet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un- teransprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 2 ist es besonders vorteilhaft, der Eigenrota- tion des Lichtbogens eine dynamische Auslenkung des Endes der Drahtelektrode zu überlagern. Gemäß Anspruch 3 kann dabei beispielsweise der Eigenrotation des Lichtbogens eine Pendel¬ bewegung des Endes der Drahtelektrode überlagert werden. Ge¬ mäß Anspruch 4 ist es aber auch möglich, unter Verwendung von zwei abschmelzenden Drahtelektroden der Eigenrotation der Lichtbogen durch eine Verdrillung der Drahtelektroden eine Rotationsbewegung der Drahtelektroden zu überlagern.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs- gemäßen Verfahrens wird gemäß Anspruch 5 der Eigenrotation des Lichtbogens eine Rotationsbewegung des Endes der Drahte¬ lektrode überlagert. Durch die Überlagerung beider Rotationen ergibt sich hier eine zusätzliche Stabilisierung des rotie¬ renden Lichtbogens. Gelegentliche Drehrichtungsumkehrungen, wie sie beim Schweißen ohne mechanische Rotation auftreten, werden hier kaum noch beobachtet. Durch die Überlagerung der beiden Rotationen kann gegenüber dem Schweißen ohne mechani¬ sche Rotation die Leistung sogar deutlich reduziert werden, ohne die Stabilität der Eigenrotation zu gefährden. Die Kom- bination beider Rotationen ermöglicht somit auch bei wär¬ meempfindlichen Werkstoffen eine Anwendung des Engspal - Schweißens nach dem MAG-Schweißvefahren.

Bei der Überlagerung der Eigenrotation des Lichtbogens und einer mechanischen Rotation wird letztere gemäß Anspruch 6 mit geringem Aufwand durch eine Wendelung der Drahtelektrode erzeugt. Dabei hat sich gemäß Anspruch 7 eine Herstellung der Wendelung durch einen rotierenden Drahtrichtsatz als beson¬ ders wirtschaftlich erwiesen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert .

Es zeigen

Figur 1 das Engspaltschweißen mit zwei plastisch verformten Drahtelektroden und einer zusätzlichen Eigenrotation des sich am Ende der Drahtelektroden ausbildenden Lichtbogens.

Figur 2 das Engspaltschweißen mit zwei mechanisch ausgelenk¬ ten Drahtelektroden und einer zusätzlichen Eigenrotation der sich am Ende der Drahtelektroden ausbildenden Lichtbogen,

Figur 3 das Engspaltschweißen mit einer hin- und hergehenden Drahtelektrode und einer zusätzlichen Eigenrotation des sich am Ende der Drahtelektrode ausbildenden Lichtbogens

Figur 4 das Engspaltschweißen mit einer mechanisch ausgelenk- ten, hin- und herpendelnden Drahtelektrode und einer zusätz¬ lichen Eigenrotation des sich am Ende der Drahtelektrode aus¬ bildenden Lichtbogens,

Figur 5 das Engspaltschweißen mit zwei verdrillten Drahtelek- troden und einer zusätzlichen Eigenrotation der sich am Ende der Drahtelektroden ausbildenden Lichtbogen,

Figur 6 das Engspaltschweißen mit einer plastisch zu einer Wendel verformten Drahtelektrode und einer zusätzlichen Ei- genrotation des sich am Ende der Drahtelektrode ausbildenden Lichtbogens und

Figur 7 das Engspaltschweißen gemäß der in Figur 6 darge¬ stellten Variante im Detail.

Die Figuren 1 bis 6 zeigen in stark vereinfachter schemati- scher Darstellung verschiedene Varianten des Engspaltschwei¬ ßens mit dem MAG-Schweißverfahren. Dabei sollen jeweils zwei dicke Bleche BL miteinander verschweißt werden. Unterhalb des zwischen den beiden Blechen BL gebildeten Schweißspaltes SF ist ein Grundblech GB angeordnet. Bei sämtlichen Varianten werden die abschmelzenden Drahtelektroden DE durch ein Kon¬ taktrohr KR unter Schutzgas dem Schweißbereich zugeführt. Durch entsprechende Wahl der Parameter Schweißstrom, Elektro¬ dendraht-Vorschub und Kontaktrohrabstand bildet sich jeweils am Ende einer Drahtelektrode DE ein rotierender Lichtbogen RLB aus. Unter Kontaktrohrabstand wird dabei der Abstand zwi¬ schen dem unteren Ende des Kontaktrohres KR und der obersten Schweißraupe verstanden. Als weitere Parameter, die bei der Ausbildung eines Lichtbogens RLB mit stabiler Eigenrotation eine Rolle spielen können, sind die Art des Schutzgases und der Durchmesser der Drahtelektrode DE zu nennen.

Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei statische Verfahrensprinzipi¬ en, bei welchen jeweils zwei Drahtelektroden DE zugeführt werden. Bei der in Figur 1 dargestellten Variante werden die beiden Drahtelektroden DE über zwei in ^' dem Schweißspalt SF hintereinander angeordnete Kontaktrohre KR zugeführt, wobei die Drahtelektroden DE durch eine plastische Verformung zu den Werkstückflanken hin gekrümmt sind. Bei der in Figur 2 dargestellten Variante werden die Enden der Drahtelektroden DE durch entsprechend abgebogene Kontaktrohre KR zu den Werk¬ stückflanken hin mechanisch ausgelenkt.

Die Figuren 3 bis 6 zeigen verschiedene dynamische Verfahren¬ sprinzipien. Bei der Variante gemäß Figur 3 wird die ge- wünschte abwechselnde Ausbildung des rotierenden Lichtbogens RLB zu beiden Werkstückflanken durch eine hin- und hergehende Pendelbewegung P ermöglicht. Bei der Variante gemäß Figur 4

wird dieser Effekt durch ein abgebogenes Kontaktrohr KR er¬ möglicht, daß ebenfalls pendelnd in Drehrichtung DR hin- und herbewegt wird.

Figur 5 zeigt eine Variante mit zwei verdrillten, durch ein gemeinsames Kontaktrohr KR geführten Draht lektrode DE. Hier wird der Eigenrotation der Lichtbogen RLB eine durch den Ab- schmelzVorgang bewirkte Rotationsbewegung der Enden der Drah¬ telektroden DE überlagert .

Figur 6 zeigt schließlich eine Variante, bei welcher der Ei¬ genrotation des Lichtbogens RLB eine Rotationsbewegung R des Endes der Drahtelektrode DE überlagert wird. Hier wird die Drahtelektrode DE plastisch zu einer Wendel verformt und in dieser Wendelform durch das Kontaktrohr KR geführt. Die me¬ chanische Rotation R ergibt sich dann beim Abschmelzen des Endes der Drahtelektrode DE.

Figur 7 zeigt die Variante gemäß Figur 6 im Detail. Die pla- stische Verformung der Drahtelektrode DE zu einer Wendel er¬ folgt durch einen rotierenden Drahtrichtsatz RD, der drei Um¬ lenkrollen UR aufweist. Die durch die drei Umlenkrollen UR bewirkte ebene plastische Verformung der mit einer vorgegebe¬ nen Drahtvorschubgeschwindigkeit DVG zugeführten Drahtelek- trode DE wird durch die überlagerte Rotation RO des gesamten Drahtrichtsatzes RD zu einer räumlichen Wendelform.

Neben dem rotierenden Drahtrichtsatz RD umfaßt die insgesamt mit SE bezeichnete Schweißeinrichtung eine Schutzgasdüse SGD in welcher das Kontaktrohr KR konzentrisch angeordnet ist.

Durch die Überlagerung der Eigentrotation des Lichtbogens RLB und der durch die Wendelung bewirkten mechanischen Rotation R können beim Aufbau der einzelnen Schweißraupen bzw. Schwei߬ lagen SL in der Schweißfuge SF auch fertigungsbedingte größe- re Spaltbreiten überbrückt werden. Die Überlagerung beider Rotationen führt zu einem breiteren Lichtbogenbereich, wo¬ durch die gewünschte und notwendige Erfassung beider Fugen-

flanken auch bei wechselnden Fugenbreiten mit Sicherheit ge¬ währleistet ist.

Beispiel: Beim MAG-Engspaltschweißen mit der in Figur 7 dargestellten

Anordnung wurden die nachfolgenden Bedingungen und Schweißpa¬ rameter realisiert:

Fugenform: I-Fuge

Blechdicke: 200 mm Spaltbreite: 15 - 18 mm

Schutzgas: 13% C0 ₇ 14%0 ₇ tstAr

Schutzgasmenge: 201/min

Durchmesser der Drahtelektrode: 1, 0 mm

Kontaktrohrabstand: 30 mm Drahtvorschub: 30 m/min

Stromstärke: 325 A

Spannung: 43 V

Schweißgeschwindigkeit: 30 cm/min

Abschmelzleistung: 11,0 Kg/h Streckenenergie: 28 kJ/cm

Raupenzahl: 41

Mit den vorstehend angegebenen Parametern und Bedingungen wurde eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung zwischen den einzelnen Flanschringsegmenten einer Gasturbine reali¬ siert. Durch die Überlagerung der Eigenrotation des Lichtbo¬ gens und der mechanischen Rotation des Elektrodenendes berei¬ teten auch toleranzbedingt wechselnde Fugenbreiten keinerlei Schwierigkeiten. Bei einer anschließenden Untersuchung ließ das Nahtprofil der Schweißverbindung mit 200 mm Nahtdicke keine Unregelmäßigkeiten erkennen. Der gleichmäßige, schalen- förmige Einbrand mit guter Flankenerfassung bestätigte die hohe Qualität der Schweißverbindung. Das vollmechanische kon¬ tinuierliche Mehrlagenschweißen führt gegenüber den bisher bekannten Verfahren zu einer Qualitätsverbesserung und einer Minimierung der Gefahr von Bindefehlern am Nahtanfang. Die Fertigungssicherheit wird erhöht und die physische Belastung

des Schweißers deutlich minimiert.