DE3613706C1 - Method of welding a stud to a metallic parent body, apparatus for carrying out the method, and stud for use during the method - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Aufschweißen eines Bolzens auf einen metallischen Grundkörper mittels mindestens eines Lichtbogens, bei dem an der Schweißstelle ein Schmelzbad erzeugt und der Bolzen in das Schmelzbad getaucht wird.

Es ist ein solches Verfahren bekannt (Cyc-Arc-Verfahren), bei dem durch Abheben des Bolzens an der Schweißstelle bei gleichzeitig eingeschaltetem Stromkreis ein offener Lichtbogen gezündet wird. Dadurch wird gleichzeitig der Bolzen an seiner Spitze schmelzflüssig und bildet sich an der Schweißstelle das Schmelzbad aus. Nach Ablauf einer vorgegebenen Lichtbogenbrennzeit wird der Bolzen nach unten in das Schmelzbad getaucht und danach der Strom abgeschaltet. Das Schmelzbad erstarrt unmittelbar danach. Dieser Schweißvorgang läuft in Sekundenbruchteilen ab und hat aufgrund der schnellen Erstarrung des Schmelzbades gewisse Nachteile aufzuweisen, insbesondere können Poreneinschlüsse und Bindefehler auftreten. Weiterhin kann bei den bekannten Verfahren der Schweißvorgang nur mit großem technischen Aufwand und nur unvollständig reproduziert werden. (vgl. F. Eichhorn und A. R. Shaheeb: "Untersuchungen zum Lichtbogen-Bolzenschweißen von hochlegierten, zunderbeständigen Stahlstiften; in Mitteilungen der VGB 50, Heft 6, S. 504-516, insbesondere S. 507, Nr. 4.3.1.2.).

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem Poreneinschlüsse und Bindefehler weitgehendst vermieden werden, und die Reproduzierbarkeit des Schweißvorganges verbessert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst im Bereich der Schweißstelle mittels mindestens eines WIG-Brenners oder davon abgeleiteten Brenners mit zur Oberfläche des Grundkörpers geneigt ausgerichteten Lichtbogen das Schweißbad erzeugt wird und danach der Bolzen unter Anschmelzung durch den Lichtbogen hindurch mit vorgegebener Geschwindigkeit bis zu einer vorgegebenen Eintauchtiefe in das Schweißbad eingetaucht wird.

Bezüglich der Einzelheiten des Wolfram-Inertgas-Schweißens (WIG-Schweißen, im englischen Sprachraum TIG-Welding) verweist die Anmelderin beispielsweise auf Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie (1981) Band 20, Seiten 702, 701 und Band 21, Seiten 185-187. Aus dieser Literaturstelle geht auch hervor, daß ein von dem WIG-Schweißen abgeleitetes Schweißverfahren das Plasma-Schweißen ist, und daß beide Schweißverfahren mit oder ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung wird eine homogene Verbindung unter Erreichen eines hundertprozentigen Nahtanschlusses erzielt, und es wurde festgestellt, daß reproduzierbare Schweißparameter eingehalten werden können. Es wird vermutet, daß dies dadurch erreicht wird, daß zunächst auf der Oberfläche des Grundkörpers ein Schweißbad aufgebaut wird, das an die Querschnittsgeometrie des Bolzens angepaßt wird und danach der Bolzen mit einer solchen Geschwindigkeit und mit einer solchen Tauchtiefe in das Schweißbad eingeführt wird, daß zum einen keine Poreneinschlüsse und zum anderen keine Bindefehler auftreten können.

In der vorliegenden Anmeldung und in den Ansprüchen werden unter Bolzen nicht nur Rundbolzen sondern stabförmige Bauteile mit beliebiger Querschnittskonfiguration verstanden. Mit besonderem Vorteil kann das erfindungsgemäße Verfahren z. B. beim Aufschweißen von Kopfdübelbolzen größeren Durchmessers eingesetzt werden, die als Befestigungselemente von Behältern oder dgl. in Beton dienen oder als Halteelemente für aufzubringende Isolierungen.

Eine besonders gute Anpassung des Schweißbades an den Bolzenquerschnitt wird erreicht, wenn mehrere WIG-Brenner in gleichmäßiger Umfangsverteilung auf die Schweißstelle ausgerichtet sind.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Bolzen beim Absenken in den Bereich des Lichtbogens hinein und durch diesen hindurch und gegebenenfalls auch noch beim Eintauchen um seine Achse gedreht wird.

Für das Anschmelzen des Bolzens ist es weiterhin von Vorteil, wenn in an sich bekannter Weise ein angespitzter Bolzen verwendet wird.

In Abhängigkeit von den Werkstoffen von Bolzen und/oder Grundkörpern und in Abhängigkeit vom Bolzenquerschnitt kann es weiterhin zweckmäßig sein, wenn die Bolzenschweißverbindung mittels mindestens einer Schweißfüllage aufgefüllt wird. Eine solche Füllschweißung führt gleichzeitig zu einer Wärmebehandlung der WIG-Schweißverbindung, wodurch diese weiterhin vergütet wird. Das Aufschweißen erfolgt vorzugsweise in der Aufbaulagentechnik.

Schließlich kann auch ein Schleifen der WIG-Schweißverbindungen bzw. der Füllschweißung erfolgen.

Die Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und geht dabei von einer Vorrichtung mit mindestens einem Brenner und einem längs seiner Achse beweglichen Bolzenhalter aus, die zusammen in einem Vorrichtungsgestell gehalten sind.

Erfindungsgemäß ist der Brenner ein WIG-Brenner oder ein davon abgeleiteter Brenner, der in dem Gestell senkrecht zur Achse des Bolzenhalters geneigt angeordnet ist.

Aus den bereits angesprochenen Beaufschlagungsgründen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß in dem Gestell mindestens zwei, vorzugsweise drei WIG-Brenner in gleichmäßiger Verteilung um die Achse des Bolzenhalters angeordnet sind.

Weiterhin ist es zweckmäßig, den Bolzenhalter im Vorrichtungsgestell um seine Achse drehbar zu lagern.

Um die thermische Beaufschlagung der Schweißstelle einstellen zu können und das erfindungsgemäße Verfahren auch in den verschiedensten Schweißpositionen (Ü, S, W, Q) anwenden zu können, ist es von Vorteil, wenn mindestens ein Brenner bezüglich der Achse des Bolzenhalters in Umfangsrichtung und/oder radial zur Achse des Bolzenhalters einstellbar ist.

Zum Aufbringen der Füllagen weist die Vorrichtung vorzugsweise einen um die Achse des Bolzenhalters umlaufenden Orbitalschweißkopf auf.

Die vorgegebene Eintauchtiefe kann manuell eingehalten werden, jedoch ist es zweckmäßiger, wenn das Vorrichtungsgestell einen Anschlag für die Begrenzung der Bewegung des Bolzenhalters auf den Grundkörper zu aufweist.

Die Erfindung richtet sich auch auf einen Bolzen, der in bevorzugter Weise bei Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden kann. Dieser Bolzen ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß er an seinem mit dem Grundkörper zu verschweißenden Ende mindestens eine konische Spitze und einen daran anschließenden im Durchmesser gegenüber dem Bolzenschaft reduzierten zylindrischen Abschnitt aufweist.

In weiter bevorzugter Ausführungsform folgt auf den im Durchmesser reduzierten Abschnitt ein konischer Übergangsabschnitt.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht mit zwei einander gegenüber angeordneten WIG-Brennern,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine fertige Schweißverbindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung in Aufsicht mit drei um 120° versetzten WIG-Brennern und

Fig. 4 eine Teilseitenansicht einer anderen Ausführungsform des Bolzens.

Gemäß Fig. 1 weist die Schweißvorrichtung (2) zwei diametral einander gegenüber angeordnete WIG-Brenner (3) und (4) auf, die jeweils einen Brennerkopf (5) und einen biegsamen Anschluß (6) aufweisen. Die Elektroden (7) sind auf einem gemeinsamen Mittelpunkt (M) ausgerichtet, der bei der Darstellung gemäß Fig. 1 etwas oberhalb der Oberfläche des metallischen Grundkörpers (8) liegt, um die Darstellung klarer zu gestalten.

Es ist jedoch auch möglich, daß der Mittelpunkt (M) in der Oberfläche des Grundkörpers oder um einen vorgegebenen Betrag im Grundkörper (8) selbst liegt. Die Elektroden (7) weisen einen vorgegebenen Abstand von der Oberfläche des Grundkörpers (8) auf. Die Brenner (3) und (4) sind untereinander gleichgeschaltet und werden von dem Bedienungsmann durch eine Einknopfbedienung gleichzeitig gezündet und werden unter Ansteuerung durch eine Zeituhr gleichzeitig abgeschaltet.

Bei gezündeten Lichtbogen bewirken die unter einem vorgegebenen Winkel zur Oberfläche des Grundkörpers (8) geneigten Lichtbögen (9) und (10) der Brenner (3) bzw. (4) auf dem Bauteil (8) ein Schmelzbad (S).

Die Brenner (3) und (4) sind in einem Vorrichtungsgestell (11) gehalten. In einer bevorzugten Ausführungsform sind sie auf einem Tragring (11 a) angeordnet, der sich mittels Tragfüßen (11 b) auf der Oberfläche des Grundkörpers abstützt. Die konische Innenfläche des Tragringes (11 a) bestimmt den Neigungswinkel der Brenner. Die Brennerköpfe (5) sind in nicht näher gezeigter Weise durch eine Schlittenführung in radialer Richtung und in Umfangsrichtung auf dem Tragring (11 a) einstellbar. Die Konstruktion derartiger Schlittenführungen liegen im Bereich fachmännischen Könnens und sind daher nicht näher beschrieben. Durch geeignete Verbindungselemente (11 c) ist ein Führungs- und Anschlagsbauteil (11 d) mit dem Tragring (11 a) verbunden. In dem Führungs- und Anschlagbauteil ist ein Bolzenhalter (12) in Richtung des Pfeiles (A) axial gelagert. Die Absenkung des Bolzenhalters (12) und die Drehung kann manuell erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, hierfür entsprechende Antriebe vorzusehen. Die Ausbildung derartiger Antriebe gehört ebenfalls zum fachmännischen Können.

In dem Bolzenhalter (12) ist ein Bolzen (13) gehalten, der aus einer konischen Spitze (13 a) mit einem bevorzugten Konuswinkel von 150° einen im Durchmesser reduzierten zylindrischen Abschnitt (13 b) einem konischen Übergangsabschnitt (13 c) und dem eigentlichen Bolzenabschnitt (13 d) besteht. Der zylindrische Abschnitt (13 b) weist beispielsweise einen Durchmesser von 10 mm auf, während der Abschnitt (13 d) einen Durchmesser von 20 mm aufweist. Der Übergangswinkel im Übergangsabschnitt (13 c) ist so gestaltet, daß der Übergang zum größeren Durchmesser des Bolzens hin unter einem Winkel von ca 40° erfolgt.

Nach dem Aufbau des Schmelzbades (S) auf dem Bauteil wird nun der Bolzen (13) unter Drehung langsam von oben in das Schmelzbad eingetaucht, wobei beim Durchgang durch die Lichtbögen (9) und (10) zunächst eine Vorwärmung und Anschmelzung der Bolzenoberfläche an den Flankenwinkeln des angearbeiteten konischen Bolzens erfolgt, ehe der Abschnitt (13 a) und ein Teil des Abschnittes (13 b) in das Schmelzbad (S) eintauchen und eine homogene Verbindung bilden.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, kann um die gemäß der bisherigen Beschreibung der Fig. 1 aufgebaute Schweißverbindung eine Füllung gelegt werden, indem eine Reihe von Füllagen (FL) um die Schweißverbindung (V) gelegt werden. Das Auffüllen der Bolzenschweißverbindung kann mechanisiert mit einem Orbitalkopf oder von Hand mit Schweißzusatzwerkstoff erfolgen.

Der Aufbau der Schweißverbindung (V) kann in weniger als zehn Sekunden Lichtbogenbrennzeit ohne vorheriges Heften auf einem Durchmesser von z. B. 10 mm als voller Nahtanschluß hergestellt werden. Eine Zwischenprüfung ist nicht erforderlich. Bei größeren Durchmessern ist es aber zweckmäßig, Füllagen (FL) aufzubringen.

Bei der schematischen Darstellung gemäß Fig. 3 sind auf dem Tragring (11 a) mittels nicht näher erläuterten Schlittenführungen (14) drei WIG-Brenner angeordnet, deren Nadeln auf einen Mittelpunkt gerichtet sind. Mittels der Schlittenführungen (14) kann die Winkelstellung und die radiale Lage eingestellt werden, um das Schweißverfahren an verschiedene Schweißpositionen anzupassen, z. B. an die S-Position, wobei die Einwirkungen der Schwerkraft auf das Schweißbad durch die Schutzgasströmungen ausgeglichen werden können.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Bolzens, der keinen Übergangsbereich (13 c) aufweist. In den Fig. 1 und 3 ist die radiale Einstellbarkeit durch die Doppelpfeile (R) und die Einstellbarkeit in Umfangsrichtung durch den Doppelpfeil (U) schematisch gekennzeichnet,

Zum Halten des Vorrichtungsgestelles (11) auf dem metallischen Grundkörper (8) können die Füße (11 b) an ihren unteren Enden in an sich bekannter Weise als Magnetfüße oder Saugfüße ausgebildet sein.

Claims (13)

1. Verfahren zum Aufschweißen eines Bolzens auf einen metallischen Grundkörper mittels mindestens eines Lichtbogens, bei dem an der Schweißstelle ein Schmelzbad erzeugt und der Bolzen in das Schmelzbad getaucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst im Bereich der Schweißstelle (S) mittels mindestens eines WIG-Brenners (3, 4) oder davon abgeleiteten Brenners mit zur Oberfläche des Grundkörpers geneigt ausgerichteten Lichtbogen (9; 10) das Schweißbad (S) erzeugt wird und danach der Bolzen (13) unter Anschmelzung durch den Lichtbogen hindurch mit vorgegebener Geschwindigkeit bis zu einer vorgegebenen Eintauchtiefe in das Schweißbad eingetaucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere WIG-Brenner (3, 4) in gleichmäßiger Umfangsverteilung auf die Schweißstelle (S) ausgerichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (13) beim Absenken (A) in den Bereich des Lichtbogens (9; 10) hinein und durch diesen hindurch und gegebenenfalls auch noch beim Eintauchen in die Schweißstelle (S) um seine Achse gedreht (A) wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein angespitzter Bolzen verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzenschweißverbindung (V) mittels mindestens einer Schweißfüllage (FL) aufgefüllt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mindestens einem Brenner und einem längs seiner Achse beweglichen Bolzenhalter, die zusammen in einem Vorrichtungsgestell gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner ein WIG-Brenner (3; 4) oder ein davon abgeleiteter Brenner ist, der in dem Gestell (11) senkrecht zur Achse des Bolzenhalters (13) geneigt angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gestell (11) mindestens zwei, vorzugsweise drei WIG-Brenner in gleichmäßiger Verteilung um die Achse des Bolzenhalters (12) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzenhalter (12) im Vorrichtungsgestell (11) um seine Achse drehbar (B) gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Brenner bezüglich der Achse des Bolzenhalters (12) in Umfangsrichtung (U) und/oder radial (R) einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen um die Achse des Bolzenhalters (12) umlaufenden Orbitalschweißkopf aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorrichtungsgestell einen Anschlag für die Begrenzung der Bewegung des Bolzenhalters (12) auf den Grundkörper (8) zu aufweist.

12. Schweißbolzen zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er an seinem mit dem Grundkörper (8) zu verschweißenden Ende mindestens eine konische Spitze (13 a) und einen daran anschließenden im Durchmesser gegenüber dem Bolzenschaft (13 d) reduzierten zylindrischen Abschnitt (13 b) aufweist.

13. Schweißbolzen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf den im Durchmesser reduzierten Abschnitt (13 b) ein konischer Übergangsabschnitt (13 c) folgt.