DE69721783T2

DE69721783T2 - Schweissverfahren

Info

Publication number: DE69721783T2
Application number: DE69721783T
Authority: DE
Inventors: A. Flood; R. Porter
Original assignee: Tri Tool Inc
Current assignee: Tri Tool Inc
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1997-08-12
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2017-08-13
Also published as: JP2011067872A; NO990690L; AU3828997A; KR100504296B1; NO990690D0; NO316163B1; US5686002A; WO1998006529A1; JP2000516148A; ATE239573T1; CN1227516A; EP0921890B1; EP0921890A1; KR20000029905A; DE69721783D1; EP0921890A4; CN1082411C; AU719174B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stumpfschweißen von Schrägstößen mit offenem Grund zwischen Werkstücken mit mittlerer bis dicker Wandstärke, beispielsweise von Kohlenstoffstahl-Rohren und -Anschlußstücken unter Verwendung einer automatischen Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißanlage (GTAW; gas tungsten arc welding).

Diskussion des einschlägigen Standes der Technik

Nahezu sämtliche derzeit ausgeführten Fertigungs- oder kommerziellen Schweißarbeiten werden gemäß verschiedenen Normen und Richtlinien durchgeführt, die von anerkannten Berufsverbänden, Regierungsstellen und industriellen Körperschaften und Organisationen, Handelsvereinigungen und Prüf- und Zertifizierungsstellen aufgestellt wurden. Ein solches "richtliniengemäßes" Schweißen ist anspruchsvoll und wird im Zuge von Inspektionen, die an Schweißarbeitsorten und Fertigungsstellen durchgeführt werden, streng überwacht.
Das Verfahren zum Stumpfschweißen von vorbereiteten Enden von Werkstücken, beispielsweise einer Rohrleitung, ist für sich genommen in großem Umfang standardisiert und Gegenstand von zahlreichen Richtlinien-Spezifikationen. Beim Stoßschweißen von vorbereiteten Endabschnitten von Werkstücken, beispielsweise von Rohren, Flanschen und Anschlußstücken wird in starkem Umfang vom Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen, abgekürzt GTAW, Gebrauch gemacht, wobei Industrie-Normen die Art der bei unterschiedlich dicken Werkstücken vorzunehmenden Endbearbeitung ebenso vorgeben wie weitere Schweißparameter.
Bei einer GTAW-Anlage wird ein geeignetes Schutzgas der Schweißzone während des Schweißvorgangs zugeleitet, um einen gewünschten Schweißeffekt durch die Ionisierung des Gases zu erzielen und gleichzeitig das Schmelzbad vor Sauerstoff und anderen aktiven Gasen sowie Verunreinigungen zu schützen, die ansonsten das schmelzflüssige Schweißmetall bis zu dessen Verfestigung abträglich beeinflussen würden. Eine aus Wolfram bestehende (nicht verbrauchte) Elektrode dient zur Schaffung und Erhaltung eines Schweißlichtbogens zwischen der Elektrode und dem Grundmetall dese Werkstücks, indem elektrische Energie durch die Elektrodenspitze in bekannter Weise in das Werkstück hinein und aus ihm heraus übertragen wird. Die Gasabschirmung wird für die Schweißzone während des gesamten Schweißvorgangs aufrecht erhalten, indem ein Strom des Gases in die Schweißzone geleitet wird, üblicherweise durch einen Schutzgasbecher oder eine andere Leitung, die der Elektrode benachbart ist oder diese umgibt, so daß der gesamte Schmelzbadbereich durch eine geeignete Schutzgasatmosphäre bedeckt ist. Typische Schutzgase enthalten Argon und Helium, die inert sind, und zwar allein oder in verschiedenen Gemischen mit Gasen, die etwas reaktiv sind, beispielsweise Kohlendioxid, Stickstoff und Sauerstoff. Mit einem inerten Gas wie zum Beispiel Argon vermischter Wasserstoff wird ebenfalls dann in einigen Anwendungsfällen eingesetzt, wenn durch Sauerstoff hervorgerufene Probleme (zum Beispiel Porosität der Schweißung oder wasserstoffinduzierte Rißbildung von Kohlenstoffstahl) keine Rolle spielen, und wenn die für einen gegebenen Lichtbogenstrom erreichbare gesteigerte Schweiß-Eindringtiefe erwünscht ist. Ein typisches Argon/Wasserstoff-Gemisch besteht aus 95% Argon und 5% Wasserstoff, und es wird für das GTAW-Schweißen von dünnwandigem Edelstahl eingesetzt. Eine Mischung aus 95% Argon und 5% Wasserstoff ("95/5") ist typischerweise als standardisiertes Schutzgas für die GTAW in Behältern verfügbar.
Im allgemeinen sind Argon/Wasserstoff-Gemische beschränkt auf die GTAW- Bearbeitung von Edelstahl, Nickel-Kupfer-Legierungen und Legierungen auf Nickelbasis, nicht empfohlen werden sie für Schweißungen von Kohlenstoffstahl, zumindest in den Vereinigten Staaten, bedingt durch Besorgnis im Hinblick auf wasserstoffinduzierte Rißbildung in der Schweißzone. Andererseits ist es bekannt, Kohlenstoffstahl-Schweißungen einem Erwärmungsprozeß auszusetzen, um restliches Wasserstoff zu beseitigen, welches möglicherweise in die Schweißung eingedrungen ist, entweder aufgrund des Vorhandenseins von Wasserstoff in dem Schutzgas oder aufgrund des Umstands, daß sich aus anderen Quellen stammendes Wasserstoff in der Schweißzone befand. Das Beseitigen von Wasserstoff aus einer Schweißung ist eine kostspielige und zeitraubende Prozedur aufgrund des erforderlichen Zeitaufwands, der aufgebracht werden muß, um die Schweißung im aufgeheizten Zustand zu halten. Unerwünscht ist der Vorgang häufig aus metallurgischen Gesichtspunkten, die sich aus dem Aufheizvorgang ergeben. Bei richtliniengemäßen Schweißprozeduren ist Porosität in der Schweißung, hervorgerufen durch das Vorhandensein von Wasserstoff in dem Schutzgas ebenso streng zu vermeiden wie Effekte, die durch Wasserstoff induzierte Rißbildungen entstehen.
Das GTAW-Verfahren beinhaltet üblicherweise den Einsatz eines Füllstoffs, der der Schweißzone in Form eines Drahts zugeführt wird, der verschiedene Durchmesser und metallurgische Zusammensetzungen aufweisen kann, passend zu dem Basismetall und entsprechend den Richtlinien.
Derzeit ist eine automatische GTAW-Anlage verfügbar, die den GTAW-Prozeß nach Maßgabe von Rechnerprogrammen nahezu automatisiert, wobei die Programme speziell für besondere Stumpfschweiß-Stöße geschrieben sind und die Geometrie der Werkstücke, die betroffene Metallurgie und die verwendete Vorbereitung der Enden, den spezifischen durchzuführenden Schweißvorgang (entweder Grund- oder Füllschweißen), das Schutzgas, das Füllmetall und andere Variable wie zum Beispiel die Schweißorientierung, berücksichtigen. Die Programme regulieren typischerweise die Spannung, den Strom, die Vorschubgeschwindigkeit, das eingebrachte Füllmaterial, den Schutzgasstrom und die Oszillation der Elektrode bei jedem Schweißdurchgang, um dadurch wiederholte, den Richtlinien entsprechende Schweißungen zu garantieren, die sämtlichen Spezifikationen entsprechen, ohne daß es eines Eingreifens von Hand in den Schweißprozeß bedarf Damit aber eine automatische GTAW-Anlage ordnungsgemäß arbeitet, müssen die Enden der Stumpfschweißung gleichförmig vorbereitet werden, so daß das Programm eingestellt werden kann zum Durchführen aufeinanderfolgender Schweißroutinen ohne die Einbringung von nicht vorhersehbaren Parametern zwischen der einen Schweißroutine und der nachfolgenden Routine. Derzeit gibt es eine ganze Industrie, die automatische GTAW- Anlagen sowie vorgespeicherte oder Standardprogramme vermarktet, die für die meisten GTAW-Prozeduren einsetzbar sind.
Ungeachtet des hochentwickelten Zustands automatischer GTAW-Anlagen bestand aber vor der hier offenbarten Erfindung immer noch ein störendes und zu lösendes Problem. Die Rohr- und Anschlußstück-Industrie hat eine genormte Schräg-Endverarbeitung unter einem Winkel von 37,5º an jedem für die Stumpfschweißung vorgesehenen Ende festgelegt, was bei einer vollständigen Schweißung einen Stoßwinkel von 75º ausmacht. Dieser Typ von Endbearbeitung, der in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, eignet sich gut bei den meisten Gas- und Lichtbogenschweißungen, wirft jedoch ein spezielles Problem bei automatischen GTAW-Anwendungen in Verbindung mit mittel- bis dickwandigen Rohren und Anschlußstücken auf, insbesondere solchen aus Kohlenstoffstählen.
Die Industrie-Spezifikationen für GTAW-Prozeduren bei derartigen Werkstücken erfordern eine sogenannte "J-prep"-Konfiguration, die eine gute Grundschweißdurchgang- Eindringung in den Grund- oder Wurzelbereich der Schweißung garantieren soll, die korrekte Schweißraupen ohne "Zurücksaugen" des Schmelzbads garantieren, was zu einer schwachen Schweißverstärkung des Grundschweißdurchgangs führt, und außerdem eine Gesamt-Wärmeeinbringung in die Schweißung garantiert, die mit der Metallurgie des Grundmetalls kompatibel ist.
In einigen Fällen werden die aneinander anliegenden Enden geschweißt, während sie miteinander in Berührung stehen (geschlossener Schweißnahtgrund), oder es bleibt, wenn durch Schweißschrumpfung Spannung oder Belastung in der Schweißung oder in dem Basismetall hervorgerufen wird, ein passender Zwischenraum oder ein Spalt zwischen den axial vorstehenden Anschlußflächen des J-prep's freigelassen. Eine typische spezifizierte J-prep-Konfiguration für ein mittel- bis dickwandiges Rohr ist zum Beispiel in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellt.
Das sich damit stellende Problem besteht darin, wie man mittlere bis dicke Stoßschweißungen zwischen normgemäßen 'Schräg-Endverarbeitungen an Werkstücken unter Verwendung einer automatischen GTAW-Anlage schweißt, um von dem Erfordernis befreit zu sein, die normgemäßen und stumpf zu verschweißenden Schrägenden neu zu konfigurieren, wobei die Einsatzfähigkeit der automatischen GTAW-Anlage vergrößert werden soll.
Es wurde nun festgestellt, daß Versuche, eine automatische GTAW-Anlage bei. Schrägstößen mit einem Winkel von 37,5º zwischen mittleren und dicken Nenn-Wandstärken von Edelstahl- oder Kohlenstoffstahl-Rohren (das heißt mit mehr als 0,38 Zoll oder 10 mm) und Durchmessern von mehr als 2 Zoll (5 cm) unter Einsatz typischer GTAW- Programme, Schutzgase und Füllstoffe zu verwenden, nicht zu akzeptierbaren Grundschweißungen führten, und zwar aus verschiedenen Gründen, insbesondere der Nicht- Erreichung einer angemessenen Schweißraupen-Verstärkung im Inneren des Rohrs aufgrund einer schlechten Eindringung oder eines "Zurücksaugens" des Schweißmetalls in den Grundbereich, als sich das Schmelzbad verfestigte, während ein offener Grund zur Vermeidung von Schrumpfspannungen verwendet wurde. Natürlich führte das vollständige Verschließen des Grunds typischerweise zu Problemen der Schweißschrumpfspannung bei solchen Werkstücken, so daß praktisch eine Schweißung mit offenem Grund erforderlich ist, um dieses Problem zumindest bei Rohren mit größerem Durchmesser zu vermeiden.
Beim Schweißen von Metallen, insbesondere von Legierungen ist es immer wünschenswert, eine gute Schweiß-Eindringung und eine gute Schmelzung des Basis- und des Füllmetalls bei gleichzeitigem Einsatz minimaler Gesamt-Schweißwärme (ausgedrückt in "Joule") zu erreichen, um den Schweißvorgang auszuführen. Üblicherweise ist es auch ein Erfordernis eines richtliniengemäßen Schweißens, daß die innere oder Rückseite einer Grundschweißnaht eine positive oder konvexe Form erhaben bezüglich der Basismetall- Oberfläche aufweist, um eine gute Schweiß-"Verstärkung" zu erhalten. Das Rücksaugen, ein schlechtes Eindringen und andere Schweißdefekte haben abträglichen Einfluß auf die Schweiß-Verstärkung im Grundbereich. Eine automatische GTAW-Anlage eignet sich gut zum Erzielen von zufriedenstellenden, wiederholbaren und den Richtlinien entsprechenden Grundschweißnahten bei guter Durchdringung und Verstärkung unter Einsatz von J-prep-Enden, allerdings wurde eine solche Anlage noch nicht bei abgeschrägten Enden von mittelstarken bis dicken Werkstücken eingesetzt, und zwar aus den genannten Gründen. Was gebraucht wird, ist also eine Lösung dieses Problems.

Kurze Offenbarung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist das Durchführen einer Stoßschweißung unter Verwendung einer Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißprozedur (GTAW-Prozedur) bei im wesentlichen mit gerader Abschrägung versehenen, mittel bis starkwandigen Werkstücken, insbesondere die Durchführung einer den Richtlinien genügenden Grundschweißung an einer Konfiguration der Werkstücke mit offenem Schweißgrund (das heißt mit einer Lücke zwischen den abgeschrägten Enden).
Die Erfindung ist ein Verfahren zum Durchführen solcher Schweißungen, wobei der GTAW-Grundschweißdurchgang unter Verwendung eines Gemisches aus Wasserstoff und inertem Schutzgas wie zum Beispiel Argon durchgeführt und anschließend Füllschweißungen unter Einsatz von wasserstofffreiem Schutzgas, beispielsweise ausschließlich Argon, durchgeführt werden. Ein 95/5-Gemisch aus Argon/Wasserstoff hat sich als am wirksamsten erwiesen bei der Durchführung des Verfahrens, wenngleich eine gewisse Abwandlung des Gemisches von jeder Seite des Zahlenverhältnisses 95/5 her wahrscheinlich tolerierbar ist, beispielsweise Gemische im Bereich von 99/1 bis 90/10 Argon/Wasserstoff. Entsprechend der Theorie wird jeglicher Wasserstoff, der möglicherweise in der Schweißung eingeschlossen ist, durch den nachfolgenden Füllschweißvorgang oder mehrere derartige Füllschweißvorgänge unter dem Schutz eines inerten Gases wie Argon ausgetrieben. Damit verhindert die Beibehaltung eines relativ geringen Wasserstoffanteils in dem Schutzgas, kombiniert mit einem nachfolgenden Schweißdurchgang oder mehreren Schweißdurchgängen über den Grund-Schweißdurchgang unter Verwendung eines wasserstofffreien Schutzgases jegliche Probleme der wasserstoffinduzierten Rißbildung, die ansonsten auftreten könnten, wobei vorteilhaft die Effekte des Wasserstoffs in dem Schutzgas während des Grundschweißdurchgangs genutzt werden.
Das Verfahren arbeitet am wirksamsten bei minimalen Endanschlußflächen-Dicken in dem Schrägstoßbereich (die "Anschlußfläche" bedeutet einfach die Dicke des Metalls am Ende der Schräge, gemessen in radialer Richtung, wenn der Schweißpartner ringförmig ist, oder parallel zur Quer-Dickenrichtung des zu schweißenden Objekts), beispielsweise im Bereich von 0,000-0,010 Zoll (0,000-0,254 mm) für ein Kohlenstoffstahl-Kesselrohr mit einem Durchmesser von 4 Zoll (10,16 cm). Anschlußflächen mit größerer Dicke können toleriert werden, vorausgesetzt, daß die gesamte Joul'sche Wärmeeingabe, die für eine vollständige Eindringung erforderlich ist, nicht zerstörend oder beschädigend für die Legierungsbestandteile oder andere metallurgische Eigenschaften des Basismetalls oder des Fülldrahts sind.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Spalt zwischen den Enden der Werkstücke vorgesehen, um Schrumpfspannungen an dem Schweißstoß zu vermeiden ohne abträglichen Einfluß auf die Qualität des mit einer automatischen GTAW-Anlage, einem Fülldraht und 95/5-Schutzgas erfolgenden Grundschweißdurchgangs. Schweißgrund-Lücken sollten nicht größer sein, als es zur Vermeidung von Schrumpfspannungen zwischen den stoßgeschweißten Abschnitten erforderlich ist, insbesondere nach dem Grundschweißdurchgang des Systems. Außerdem sollte der Spalt nicht, den Durchmesser des in Verbindung mit dem GTAW-System verwendeten Fülldrahts überschreiten, um ein Eindringen des Fülldrahts in den Spalt zu vermeiden.
Es folgt eine weitere detaillierte Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den begleitenden Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Paar rohrförmiger, einer Stoßschweißung zu unterziehender Werkstücke mit abgeschrägten Endstoßvorbereitungen sowie einem offenen Grundspalt, bereit zum Durchführen der erfindungsgemäßen Schweißprozedur;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der Schrägstoß-Zone zwischen den in Fig. 1 gezeigten rohrförmigen Werkstücken;
Fig. 3 eine Stoßvorbereitung vom "J-Typ", wie sie üblicherweise für das Stumpfschweißen mit einer automatischen GTAW-Anlage eingesetzt wird; und
Fig. 4 schematisch ein Schweißverfahren gemäß der Erfindung, ausgeführt unter Verwendung einer automatischen Kreisumlauf-GTAW-Anlage, die mit Fülldraht und sowohl einem Argon-Wasserstoff-Schutzgasgemisch als auch mit nur Argongas gespeist wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) der Erfindung

Erfindungsgemäß werden miteinander einer Stumpfschweißung zu unterziehende Metall- Werkstücke 10 und 12 derart vorbereitet, daß die zu verschweißenden Werkstück-Enden abgeschrägt sind, so daß sie einen Gesamt-Einschlußwinkel B bilden, wobei jeder Endabschnitt der Werkstücke 10 und 12 unter einem Winkel von B/2 abgeschrägt ist. Die Werkstücke 10 und 12 sind dargestellt als rohrförmige Metallschüsse, allerdings kann das erfindungsgemäße Prinzip auch bei plattenförmigen Werkstücken eingesetzt werden, in welchem Fall die aneinander anliegenden Abschnitte der Werkstücke 10 und 12 so vorbereitet werden, daß sie einen passenden Gesamt-Schrägwinkel B zwischen den Werkstükken bilden.
Erfindungsgemäß werden die Endabschnitte der Werkstücke 10 und 12 derart abgeschrägt, daß eine Anschlußflächen-Dicke L (Fig. 2) stehen bleibt, die derart bemessen ist, daß sich ein gleichförmiger Spalt G einstellt zwischen den Schweißgrund-Enden der Werkstücke, vorzugsweise eine Minimum-Dicke, die eine Schweiß-Eindringung guter Qualität zwischen den Werkstücken bei passender Wärmezufuhr (Amperezahl) von dem automatischen GTAW-Schweißer für die Schweißkonfiguration und Werkstück-Metalle erreicht wird, die von dem Schweißvorgang betroffen sind. Typischerweise ist eine minimale Anschlußflächen-Dicke wünschenswert, damit der erste oder Grundschweißdurchgang zwischen den Werkstücken in dem Schweißgrundbereich des Stoßes mit Hilfe einer kleinstmöglichen erforderlichen Einstell-Amperezahl für die automatische GTAW- Anlage durchgeführt werden kann, um dadurch abträgliche thermische Effekte auf die Grundmetallegierungen während des Schweißvorgangs zu minimieren.
Nachdem die Werkstück-Stöße vorbereitet sind, werden die Werkstücke 10 und 12 dann nahe zusammengeführt, so daß ein Schweißgrund-Spalt G (Fig. 2) verbleibt, der so konfiguriert ist, daß unerwünschte thermische Druckspannungen des verfestigten Schweißmetalls vermieden werden, nachdem mindestens der Grundschweißdurchgang zwischen den Werkstücken abgeschlossen ist. Außerdem ist der Spalt G größer als der Durchmesser des Fülldrahts, um zu vermeiden, daß während des Schweißvorgangs das Füllmaterial durch den offenen Spalt gelangt. Die Abmessung des Spalts G hängt folglich ab von metallurgischen Gesichtspunkten des Grundmetalls und des Fülldrahts, der Wandstärke des Werkstücks und der möglichen Schrumpfung zwischen den Werkstückenden im Verlauf des Schweißvorgangs.
Die erfindungsgemäße Schweißprozedur macht Gebrauch von einem herkömmlichen automatischen Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißgerät oder einem "GTAW"-Schweißer, der mit einem Fülldraht und einem Schutzgas gespeist wird. Gemäß den zum Stand der Technik gehörigen Prozeduren wurde die Verwendung eines automatischen GTAW- Schweißgeräts nicht empfohlen zum Schweißen von Schrägstößen mit offenem Schweißgrund, die statt dessen empfohlene Prozedur war die Verwendung einer Endvorbereitung vom "J"-Typ, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, falls eine automatische GTAW- Schweißanlage verwendet werden sollte.
Es entsteht das Problem der Durchführung der ersten Schweißung oder des "Grundschweiß"-Durchgangs zwischen den Werkstücken im Schweißgrundbereich der vorbereiteten Endabschnitte der Werkstücke. Gemäß früherer Schweißpraxis wurde herausgefunden, daß die Grundschweißdurchgänge mit einer automatisierten GTAW-Schweißanlage einen engeren Schweißgrund oder einen "Blockierstoß" mit einer definierten Anschlußflächendicke L' gemäß Fig. 3 zwischen benachbarten Werkstücken erfordern, um ein gleichmäßiges gutes Eindringen und eine gute Verstärkung der Schweißung zu erhalten. Wenn ein Schrägstoß, wie er in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, verschlossen wird, um einen offenen Schweißgrund zu beseitigen, bewirken durch die Schweißmetall- Schrumpfung zwischen den Enden der abgeschrägten Werkstücke induzierte Spannungen, daß es zu Schweißungen minderer Qualität im Schweißgrundbereich kommt, insbesondere zwischen Kohlenstoffstahl-Werkstücken. Diese Probleme lassen sich überwinden durch Einsatz von "J-preps" für die Schweißzone; wie in Fig. 3 dargestellt ist. Diese "Jpreps" sorgen für einen geschlossenen Schweißgrund-Stoß 14 zwischen den Werkstücken 16 und 18, die abgeschrägte Oberflächen mit einem eingeschlossenen Winkel a zwischen sich aufweisen. Außerdem wird eine exakte Schweißgrund-Anschlußflächendicke und -konfiguration geschaffen, die den Erfordernissen automatischer Schweißgeräte entspricht, die empfindlich sind für jegliche Veränderungen innerhalb der Schweißstoß- Zone.
Allerdings ist es in gewissen Segmenten der Metalleitungs- und -Armaturenindustrie üblich, Leitungs- und Armaturen-Querschnitte zu liefern, die mit vorab angeschrägten Endabschnitten versehen sind, bereits vorbereitet für das Schweißen mit Schrägen von 37,5º. Nicht üblich ist es, J-preps 14 gemäß Fig. 3 an den Endabschnitten 16 und 18 von Leitungen und Armaturen vorzusehen. Solche J-preps werden üblicherweise vor Ort direkt vor dem Schweißvorgang ausgebildet, der Vorgang ist sowohl anspruchsvoll als auch kostspielig. Tatsächlich ist es nicht unüblich, geradlinig abgeschrägte Endabschnitte umzugestalten in J-preps, damit automatische Schweißgeräte für umfangreiche Produktionsvorhaben eingesetzt werden können.
Es wurde festgestellt, daß ein Schrägstoß mit offenem Schweißgrund unter Einsatz automatischer GTAW-Schweißgeräte geschweißt werden kann, denen Fülldraht und ein Schutzgas zugeführt werden, falls von folgender Prozedur Gebrauch gemacht wird:
Die Werkstücke werden mit geraden Schrägstößen vorbereitet, die einen Winkel B/2 gemäß Fig. 2 aufweisen, so daß ein eingeschlossener Gesamtwinkel B zwischen den Enden der Werkstücken vorhanden ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Schrägen werden derart vorbereitet, daß sie gewünschte vorbestimmte End-Anschlußflächen 1 haben, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind und wie sie oben erläutert wurden. Das Ziel besteht darin, die stirnseitigen Anschlußflächen möglichst gleichförmig und möglichst klein zu halten, damit ein automatisches Schweißgerät passend so programmiert werden kann, daß ein Grundschweißdurchgang zwischen den Werkstücken in einem Schweißgrundbereich des Stoßes vorgenommen werden kann, während gleichzeitig die Wärmezuführung (Amperezahl-Einstellung des Schweißgeräts) auf einem Wert gehalten werden kann, der ein gutes Eindringen des Grundmetalls garantiert, ohne jedoch dabei einen abträglichen metallurgischen Einfluß auf das Basis- und Füllmetall in der Schweißzone zu haben.
Anschließend werden die Werkstücke zusammengeführt, so daß ein Spalt G zwischen den einander benachbarten Schweißgrund-Enden der Werkstücke verbleibt, wobei die Bemessung von G so gewählt ist, daß Spannungen oder Beanspruchungen zwischen den Werkstückenden aufgrund einer Wärmeschrumpfung des Schweißmetalls vermieden werden, wodurch sich der kleinste Wert von G ergibt, wobei außerdem vermieden wird, daß der Füllmetalldraht während des automatischen Schweißvorgangs durch den Spalt zwischen den Werkstücken gelangt, wodurch der maximale Wert für den Spalt G festgelegt ist.
Nach der Vorbereitung der Stoß-Zone gemäß Fig. 2 wird die Schweißung mit Hilfe einer automatischen GTAW-Schweißanlage ausgeführt, wie aus Fig. 4 hervorgeht. In Fig. 4 ist schematisch ein automatisches Kreisumlauf-GTAW-Schweißgerät 20 für die Durchführung einer Schweißprozedur in einer Schrägstoß-Zone zwischen den Werkstücken 10 und 12 dargestellt (in Fig. 4 ist nur das Werkstück 12 sichtbar). Das GTAW- Schweißgerät 20 ist konventionell, es enthält eine nicht verbrauchte Wolframelektrode 22, die über eine Leitung 23 von einer Spannungsversorgung 24 mit elektrischer Leistung gespeist wird, um zwischen den Werkstücken 10, 12 und der Elektrode einen Schweißlichtbogen entstehen zu lassen und aufrecht zu erhalten. Die Spannungsversorgung enthält verschiedene Steuersysteme, die nach Maßgabe eines Rechnerprogramms für jeden Schweißdurchgang zwischen spezifischen Werkstücken gemäß herkömmlichen automatischen GTAW-Anwendungen betrieben werden.
Das GTAW-Schweißgerät 20 enthält ein Gehäuse 26, welches über eine Einlaßleitung 28 aus einer Leitung 30 unter Steuerung durch die Spannungsversorgungseinheit 24 in diesem Beispiel Schutzgas erhält. Das Schutzgas ist typischerweise Argon, welches ein inertes Gas ist und in einem geeigneten, in Fig. 4 dargestellten Behältnis A gespeichert werden kann. Es können andere Schutzgase bei dem Schweißverfahren gemäß bekannten Prinzipien eingesetzt werden, wobei sich die Zuführ solcher weiterer Gase direkt über die Spannungsversorgung 24 nach Fig. 4 oder unabhängig von außerhalb des Spannungsversorgungssystems steuern läßt.
Erfindungsgemäß wird dem GTAW-Schweißgerät 20 ein handelsübliches Gemisch aus Argon- und Wasserstoff-Schutzgas über die Spannungsversorgung 24 aus einem Gemischvorratsbehälter M zugeführt, und die Spannungsversorgung kann darüber hinaus die Zufuhr von ausschließlich Argon-Schutzgas aus der Quelle A steuern.
Fülldraht 32 wird der Schweißzone automatisch von einer Vorratshaspel 34 unter der Steuerung der Spannungsversorgung 24 zugeführt, die den Betrieb des Motors 36 steuert, der die Vorratshaspel 34 antreibt, abhängig von den Erfordernissen des Schweißprogramms.
Das GTAW-Schweißgerät 20 wird beim vorliegenden Beispiel in einer Kreisumlaufbahn um die Schweißzone mit Hilfe eines geeigneten Drehantriebsmechanismus 38 unter der Steuerung der Spannungsversorgung 24 angetrieben, wobei ein Ring 40 als Führungsschiene für das Schweißgerät 20 fungiert.
Ein kritisches Element der Erfindung ist der Einsatz von Wasserstoff, der in dem Schutzgas enthalten ist, wenn der bei offenem Spalt erfolgende Grundschweißdurchgang gemäß der Erfindung vorgenommen wird. Während des Schweißens wird also das GTAW- Schweißgerät mit einem Wasserstoff enthaltenden Schutzgasgemisch unter der Steuerung der Spannungsversorgung 24 für den bei offenem Spalt erfolgenden Schweißgrund- Durchgang zwischen den Werkstücken 10 und 12 zugeführt, während Schweißdraht 32 in die Schweißzone eingebracht wird. Die Zusammensetzung des Schweißdrahts 32 entspricht natürlich metallurgisch der Zusammensetzung der Werkatücke oder entspricht einer passenden Zusammensetzung für die gerade durchgeführte Schweißung. Außerdem bildet gemäß bekannten Prinzipien und Normen für die automatische GTAW- Schweißung das über den Einlaß 28 eingeführte und in die Schweißzone von der Abschirmung 26 eingeleitete Schutzgas eine Schutzatmosphäre innerhalb der Schweißzone, um das schmelzflüssige Schweißmetall daran zu hindern, mit in der Luft befindlichem Sauerstoff oder anderen Verunreinigungen oder Kontaminierungen zu reagieren, die in der Umgebungsatmosphäre enthalten sind.
Vorzugsweise hat sich ein Gemisch aus 95% Argon und 5% Wasserstoffgas ("95/5") als effektiv arbeitend bei Verwendung einer automatischen Kreisumlauf-GTAW-Anlage des Typs Astro Arc Polysoude erwiesen, hier in Verbindung mit einem Kohlenstoffstahl- Kesselrohr mit einem Durchmesser von 4" mittlerer Dicke, welches eine Schräg- Endvorbereitung mit einem Winkel von 37,5º, einer Anschlußflächendicke von 0,000 bis 0,010 Zoll (0,000 bis 0,254 mm) und einem Spalt von 0,035 Zoll (0,889 mm) an den Rohrenden innerhalb der Wurzelzone. Während das 95/5-Gemisch derzeit bevorzugt wird, kann auch ein Mischungsbereich von etwa 99% Argon und 1% Wasserstoff bis hin zu 90% Argon und 10% Wasserstoff ("99/1 bis 90/10") wirksam eingesetzt werden, wahrscheinlich allerdings mit minderen Ergebnissen bezüglich der Schweiß- Einbrandtiefe und der Verstärkung der Schweißung, soweit der Bereich des Gemisches von der bevorzugten 95/5-Mischung abweicht. Es wird angenommen, daß eine ähnliche Schweißprozedur Grundschweißdurchgärlge guter Qualität bei mittleren und dicken Edelstahlrohren mit einem Durchmesser von über 2 Zoll (0,5 mm) liefert. Die Anlage Astro Are Polysoude enthielt eine 30-PC-TR-Spannungsversorgung mit automatischer Spannungsregelung und einen MUIII-Schweißkopf. Der Schweißgrund-Durchgang erfolgte ohne Elektroden-Oszillation bei einer geeigneten Strom/Spannungs-Einstellung für ein 95/5-Gasgemisch.
Es wurde beobachtet, daß das Vorhandensein von Sauerstoff innerhalb der Lichtbogenzone die Neigung hatte, das Schmelzbad zu stabilisieren und es in dem Spaltbereich zu zentrieren, wodurch eine gute Einbrandtiefe und Ausfüllung des Schweißgrundbereichs der Schweißung erreicht wurde, verglichen mit einer ähnlichen automatischen GTAW- Schweißprozedur ohne ein wassersfoffhaltiges Schutzgas. Der Grund hierfür wird nicht vollständig verstanden, allerdings war der Effekt unerwartet. Darüber hinaus soll die Verwendung von Wasserstoff grundsätzlich vermieden werden, wenn Kohlenstoffstahl geschweißt wird, und zwar wegen des Einschlusses von Wasserstoff in der Schweißung.
Nachdem der Grundschweißdurchgang abgeschlossen ist, wird das GTAW-Schweißgerät von dem Motor 38 in die Startposition zurückgestellt, und es wird mindestens ein nachfolgender "Füll"-Schweißdurchgang unmittelbar im Anschluß unter Verwendung eines wasserstofffreien Schutzgases, beispielsweise mit ausschließlich Argon, gemäß bekannten automatischen Kreisumlauf-GTAW-Schweißprozeduren durchgeführt, vorzugsweise, solange die Grundschweißung noch heiß ist.
Die Verwendung von wasserstoffhaltigem Schutzgas bei Kohlenstoffstahl- Schweißprozeduren wird in der herkömmlichen Schweißpraxis tunlichst vermieden, zumindest in den Vereinigten Staaten, um den Einschluß von Wasserstoff in der Schweißnaht zu vermeiden, da dieser eine Schwächung der Schweißung bewirkt, hervorgerufen durch das als "Wasserstoffinduzierte Rißbildung" bezeichnete Phänomen. Wie allerdings bereits oben angemerkt wurde, hat sich die Verwendung von wasserstoffhaltigem Schutzgas, vorzugsweise eines Gemischs aus 95% Argon und 5% Wasserstoff, als geeignet erwiesen bei der Bildung von Grundschweißnähten guter Qualität bei offenem Spalt zwischen angeschrägten Werkstückenden aufgrund der vorteilhaften Effekte des Wasserstoffs innerhalb der Schweißzone. Die erfindungsgemäße Lösung des Problems der wasserstoffinduzierten Rißbildung besteht darin, anschließend über die Grundschweißnaht mit ausschließlich Argon Schweißnähte zu ziehen, damit die Grundschweißung ausreichend erhitzt wird, so daß jeglicher Restwasserstoff eliminiert wird, der möglicherweise innerhalb der Schweißung vorhanden ist.
Während für die überlagernden oder Füll-Schweißdurchläufe Argon bevorzugt wird, ist es lediglich wesentlich, daß das Füll-Schutzgas wasserstofffrei ist.
Die in den Zeichnungen enthaltenden Darstellungen sollen Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen, allerdings nicht den Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränken, der durch die beigefügten Patentansprüche definiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Stumpfschweißen von Metall-Werkstücken (10, 12) mit Schrägstoß-Vorbereitungen unter Einsatz eines automatischen GTAW- Schweißers (GTAW = gas tungsten arc welding; Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißung) unter Verwendung eines Fülldrahts, umfassend:

Vorbereiten von abgeschrägten Werkstücken mit Schrägstoßbereichen, die minimale Anschlußflächen-Dicken (L) an ihren Grundenden besitzen;

Zusammenführen der vorbereiteten Werkstück-Stoßabschnitte mit einem offenen Spalt (G) zwischen ihren einander benachbarten Grundenden, wobei der Spalt eine minimale Abmessung besitzt, die schädliche Druckspannung zwischen den Werkstücken (10, 12) aufgrund von Schweißschrumpfung vermeidet, und eine maximale Abmessung besitzt, die ein Fülldraht-Eindringen in den Spalts vermeidet;

dadurch gekennzeichnet, daß der offene Grundbereich der einander benachbarten Werkstücke mit einem Grundschweißdurchgang unter Einsatz eines automatischen GTAW-Schweißers (20), der mit einem Fülldraht (32) und einem 1 bis 10% Wasserstoff und im übrigen inertes Gas enthaltenden Schutzgas beschickt wird, einer Schmelzschweißung unterzogen wird, und anschließend

der Grundschweißdurchgang mit mindestens einem zusätzlichen Füllschweißdurchgang unter Einsatz eines automatischen GTAW-Schweißers (20) überzogen wird, der mit Fülldraht (32) und mit wasserstofffreiem Schutzgas gespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schrägstoßbereich jedes Werkstücks unter einem Winkel von 37,5º abgeschrägt ist und die endseitige Anschlußflächendicke der Stoßenden im Bereich von etwa 0,000 bis 0,010 Zoll (0,000 bis 0,254 mm) liegt, die Abmessungen des Spalts etwa 0,035 Zoll (0,889 mm) betragen, und die Werkstücke Kohlenstoffstahl-Rohre mit einer mittleren bis dicken Wandstärke sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das inerte Gas Argon ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schutzgas 95% Argon und 5% Wasserstoff enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Werkstück rohrförmig ist, während die Grundschweiß- und Überlagerungsschweißdurchgänge unter Verwendung eines automatischen Kreisumlauf-GTAW-Schweißers durchgeführt werden, der mit Fülldraht und Schutzgas gespeist wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die an den Grundschweißdurchlauf anschließende Überlagerungsschweißung durchgeführt wird unter Verwendung von Argon-Schutzgas.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zu schweißenden Metall-Werkstücke aus Kohlenstoffstahl bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Metall-Werkstücke Rohrleitungen und Anschlußstücke für solche Rohrleitungen sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend den Einsatz eines automatischen Kreisumlauf-GTAW-Schweißers für die Schweißdurchgänge.