DE2342648C3 - Schweißbrenner und Verfahren zum Unterwasserschweißen - Google Patents
Schweißbrenner und Verfahren zum UnterwasserschweißenInfo
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Description
45
Die Erfindung betrifft einen Schweißbrenner und ein Verfahren zum Unterwasserschweißen.
Die derzeit bekannten Unterwasserschweißverfahren umfassen ein Trockenverfahren, bei dem eine Kammer,
die vom Wasser leergepumpt wird, im Wasser angeordnet und das Schweißen in dieser Kammer durchgeführt
wird, sowie ein sogenanntes Naßverfahren, bei dem die Schweißarbeiten unmittelbar im Wasser
durchgeführt werden. Für das Naßverfahren ist bereits pin Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Gas
am Außenumfang des Vorderendes einer Schweißelektrode ausgeblasen wird, mit welcher eine Lichtbogenschweißung
innerhalb der Atmosphäre des ausströmenden Gases durchgeführt wird (vgl. die veröffentlichte
japanische Patentanmeldung 45-32 139). Für denselben Zweck ist auch ein Verfahren vorgeschlagen worden,
bei dem eine Abschirmung mittels einer viskosen Flüssigkeit gewährleistet und eine Plasmaschwcißung innerhalb
dieser Abschirmung durchgeführt wird.
Infolge der neueren Fortschritte auf dem Gebiet der Meereskultivierung sind Bauplatz-Schweißarbeiten für
große (Unter-)Wasserkonstruktionen nötig, so daß sich ein Bedarf für ein Unterwasserschweißverfahren ergeben
hat Mit Ausnahme des sogenannten Trockenverfahrens wurde die Unterwasserschweißung in der Praxis
nur selten angewandt. Das Naßverfahren ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen und speziell für das
Schweißen komplex zusammengesetzter Konstruktionen vorzuziehen, so daß seine praktische Weiterentwicklung
angestrebt wurde. Obgleich bereits gewisse Forschungsarbeiten bezüglich des Naßverfahrens in Japan
auf Laboratoriumsebene vorangetrieben worden sind, kann die Verschlechterung der
Schweiß(ungs}eigenschaften nicht ausgeschaltet werden, da beim genannten Verfahren ein Schweißen innerhalb
einer Wasseratmosphäre erforderlich ist, so daß das Naßverfahren noch keinen praktischen Erfolg
gezeitigt hat.
Der Erfindung liegt daher in erster Linie die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schweißbrenner und ein
Verfahren zum Unterwasserschweißen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einem Schweißbrenner zum Unterwasserschweißen erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dsß er eine um sein Vorderende herum angeordne'e Düse, aus welcher ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl
schräg auf ein oder mehrere zu schweißende^) Werkstück(e) richtbar ist, so daß er einen sich
nach a-ißen erweiternden Wasservorhang bildet, und ein? Einrichtung (Rohr 1) zum Einblasen von Gas in
den vom Wasservorhang umschlossenen Raum aufweist, um eine Gasatmosphäre zu bilden, in welcher der
Schweißvorgang durchführbar ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Unterwasserschweißen unter
Verwendung eines Schweißbrenners der vorgenannten Art geschaffen, dessen Besonderheit darin besteht, daß
ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl unter Bildung eines sich nach außen erweiternden Wasservorhangs
aus einer Düse schräg auf ein oder mehrere zu schweißenoe(s) Werkstück(e) gerichtet wird, daß in den durch
den sich erweiternden Wasservorhang gebildeten Raum ein Gas eingeblasen wird, um eine Gasatmosphäre
zu bilden, und daß der Schweißvorgang innerhalb dieser Gasatmopshäre durchgeführt wird. Im Betrieb
wird somit ein die Spitze bzw. das Vorderende des Schweißbrenners umgebender Wasservorhang gebildet,
indem ein Hochgeschwindipkeitsstrahl aus einer Spritzdüse schräg abwärts um den ganzen Umfang herum
ausgestoßen wird, derart, daß dieser Strahl auf die Oberfläche der zu verschweißenden Werkstücke auftrifft,
wobei ein Eindringen von Wasser in die Spitze des Schweißbrenners durch den viskosen Flüssigkeitswiderstand
des Wasservorhangs verhindert wird. Das im Bereich unter der Spitze des Schweißbrenners befindliche
Wasser wird verdrängt und durch das aus dem Schweißbrenner ausgestoßene Schutzgas ersetzt, so
daß ein mit dem Schutzgas gefüllter lokaler Hohlraum gebildet wird. In diesem Hohlraum kann ein Lichtbogen
zur Durchführung der Schweißarbeiten gezündet werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung,
F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen Schweißbrenner gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Düsenkonstruktion bei einer anderen Ausführungsform der
Erfindung,
F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Düsenkonstruktion bei einer weiter abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schweißbrenners
und
F i g. 5a und 5b schematische Darstellungen noch weiter abgewandelter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schweißbrenners, wobei F i g. 5a eine
Seitenansicht von der Schweißrichtung her gesehen und Fig.5b einen Schnitt längs der Linie X-X in
F i g. 5a darstellt
Der in f i g. 1 dargestellte Schweißbrenner T ist in der Mitte mit einem zylindrischen Glied bzw. Rohr 1
versehen, das einen Gaskanal zum Ausblasen eines Schutzgases bildet Das Vorderende la des zylindrischen Glieds ist konisch erweitert. Um den gesamten ;s
Umfang des Glieds 1 herum ist ein Strömungs- oder Strahlzylinder 2 vorgesehen, mit dessen Hilfe ein Was
servorhang um den Gesamtumfang des zylindrischen Glieds bzw. Rohrs 1 herum ausgebildet werden kann
und der ebenfalls einen konisch erweiterten vorderen la
Endabschnitt 2a aufweist. Der Endabschnitt 2a des Zylinders 2 und das konzentrisch dazu angeordnete Vorderende
la des Rohrs 1 bilden eine Spritzdüse 3, die schräg abwärts und auswärts gerichtet ist.
Obgleich nicht näher veranschaulicht, kann beim Schweißbrenner T mit Hilfe von Drahtklemmen ein
Schweißdraht bzw. eine Schweißelektrode durch das innere des zylindrischen Glieds bzw. Rohrs I hindurchgeführt
werden.
Bei der Durchführung des Unterwasserschweißen
mit Hilfe des dargestellten Schweißbrenners Twird ein von einer nicht dargestellten Pumpe gelieferter Hochgeschwindigkeitsstrahl
einer Flüssigkeit derart durch den Strahlzylinder 2 geleitet, daß die Flüssigkeit als
Hochgeschwindigkeitsstrahl j schräg abwärts und auswärts aus der vorderseitigen Düse 3 austritt. Sodann
trifft der Strahl j auf die Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks Maufund wird um den gesamten Umfang
herum längs der Oberfläche des Werkstücks M abgelenkt. Infolgedessen werden das Wasser A außerhalb
des Schweißbrenners und das Wasser B im Bereich unter dem Vorderende des Schweißbrenners
durch den vom austretenden Strahl gebildeten Wasservorhang voneinander getrennt bzw. gegeneinander abgeschirmt,
wobei das Wasser aus dem Bereich B infolge des Flüssigkeitswiderstands und der Zentrifugalkraft
des Strahls sowie der Ansaugwirkung zwischen dem Schweißwerkstück und der Strahldüse zum Außenumfang
bewegt und verdrängt wird. Gleichzeitig wird Schutzgas g durch das in der Mitte des Schweißbrenners
befindliche Rohr 1 hindurchgcleitet, und das im Bereich ß befindliche Wasser wird durch das Schutzgas
g ersetzt, so daß im Bereich ßeine Gasatmosphäre entsteht.
Die Zufuhr von Schutzgas g wird fortgesetzt, so daß das Überschußgas durch den Spalt zwischen der
Öffnung der Düse 3 und der Oberfläche des Werkstücks M zum Außenumfang ausströmt und dabei,
wenn es durch den Strahl j weggeblasen wird, die Form eines Gas/Wasser-Gemisches annimmt, wobei das verdrängte
Gas in Form kleiner Blasen ausgestoßen wird. Auf diese Weise wird im Bereich ß ein stabiler Hohlraum
gebildet, und der Schweißvorgang kann in dem so gebildeten Hohlraum durch Zündung eines Lichtbogens
eingeleitet werden. Somit kann das Schweißen in einer stabilisierten Gasaimosphäre erfolgen, so daß die
Schweißarbeiten ebenso stabil durchführbar sind wie auf dem Land und stabile Schweißnähte guter Qualität
er/ielt werden können.
F i g. 2 zeigt einen scheinatischen Längsschnitt durch
einen Schweißbrenner, der nach Grundlagenforschung bezüglich der Form, der Abmessungen und ähnlichen
Faktoren eines Schweißbrenners zur Bildung eines stabilen Hohlraums zur Realisierung der Erfindung auf
G.und von Versuehsergebnisscn angefertigt wurde.
Dabei sind die den Teilen von F i g. 1 entsprechenden Bauteile in F i g. 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Schweißbrenner gemäß F i g. 2 weist ein
zylindrisches Glied bzw. Rohr I1 einen Strahlzylinder 2,
eine Düse 3, einen Verteiler 4 für den Strahlzylinder sowie am Verteiler 4 vorgesehene Strahlzulässe 5 und
5' auf. Die Zulasse 5 und 5' sind dabei mit dem Druckausiaß einer nicht dargestellten Pumpe verbunden.
Weiterhin sind eine Draht- oder Elektroden-Spitze 6, ein Schweißdraht bzw. eine Schweißelektrode 7," ein
Hohlraum ß, der infolge des durch das Rohr 1 zugeordneten Schutzgases unter dem Vorderende des Rohrs 1
gebildet wird, ein im Bereich B gebildeter Lichtbogen C und das Schutzgas ^angedeutet, das in Form von klei
nen Blasen aus dem Hohlraumbereich B in das im Außenbereich A befindliche Wasser abgeführt wird, indem
es durch den aus der Düse 3 des Strahlzylinders 2 ausströmenden Hochgeschwindigkeitsstrahl mitgerissen
wird.
Durch Versuche, die unter Verwendung des auf vorstehend erläuterte Weise ausgebildeten Schweißbrenneis
beim Unterwasserschweißen durchgeführt wurden, wurde bestätigt, daß der im Bereich B gebildete
Hohlraum weitgehend durch die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases, die Geschwindigkeit und die
Strömungsrichtung des Hochgeschwindigkeitsstrahls, den Abstand zwischen dem Schweißbrenner und dem
zu schweißenden Werkstück M usw. beeinflußt wird. Im Versuch konnte ein stabiler Hohlraum von etwa
50 mm Durchmesser erzielt werden, und bei der Durchführung des Schweißvorgangs durch Zündung eines
Lichtbogens in diesem Hohlraum konnte eine ziemlich stabilisierte Schweißung durchgeführt werden, die, wie
im Hinblick auf das erfindungsgemäße Grundprinzip zu erwarten war, keinerlei Nachteile gegenüber dem üblichen
Schweißen am Land mit sich brachte.
Gemäß F i g. 3 kann der Düsenteil 3 des Strahlzylinders 2 um den Umfang herum mit auf gleiche Abstände
verteilten Leitschaufeln 3a versehen sein, um die Strömungsrichtung
des aus der Düse 3 austretenden Strahls hierdurch so zu modifizieren, daß dem Strahl eine Zentrifugalkraft(komponente)
erteilt wird. Auf diese Weise wird die Bildung des Wasservorhangs durch den Strahl
weiter stabilisiert, wodurch der zusätzliche Vorteil geboten wird, daß sich im Inneren des Wasservorhang
durch das aus dem Rohr 1 austretende Schutzgas ein weiter stabilisierter Hohlraum bildet.
F i g. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher das Rohr 1 und der Strahl/.ylinder 2 des
Schweißbrenners elliptischen Querschnitt besitzen, wobei der Strahlzylinder jedoch nicht näher dargestellt ist.
Bei dieser Ausbildung des Schweißbrenners ist der Hohlraumbereich ß, wie dargestellt, elliptisch. Aus diesem
Grund liegen beim praktischen Schweißen, wobei sich bei Weiterführung des Schv/eißbrcnners eine
Schmclzlache m nach hinten erstreckt, die Schmelzlache m sowie der Schweißwulst unmittelbar nach dem
Erstarren noch innerhalb des Hohlraumbereichs ß, wenn die Längsrichtung des elliptischen Hohlraumbereichs
B parallel zur Schweißrichtung angeordnet wird, woraus sich der Vorteil der Erzielung einer stabilisierten
Schweißnaht guter Qualität ergibt.
Der vorstehend beschriebene Schweißbrenner eignet ich vorteilhaft zur Verwendung beim Verbindungs-5ZW.
Überlappungsschweißen im Fall einer I-förmig ausgebildeten Kante. Im Fall von V- oder U-förmig
ausgebildeten Schweißkanten (der Werkstücke) ist es S jedoch schwierig, mit Hilfe des vorstehend beschriebenen
Schweißbrenners einen Wasservorhang auszubilden, der bis zur Innensohle der abgeschrägten Kante
reicht. Indem jedoch allein der Düsen-Randabschnitt 3' in Schweißrichtung längs der Schrägkantenlinie nach
unten verlängert wird, bis er die Sohle der Schrägkante erreicht, und indem zusätzlich der Strahl an diesem Abschnitt
unabhängig von den anderen Umfangsabschnitten verstärkt wird, wie dies in den F i g. 5a und 5b dargestellt
ist, kann der Wasservorhang so ausgebildet 1S
werden, daß er sich bis zur Sohle der abgeschrägten Kante erstreckt, wodurch innerhalb des Wasservorhangs
ein stabilsierter Hohlraum gebildet werden kann. Außerdem kann der Vorderendabschnitt des
Schweißbrenners in Abhängigkeit von den Konfigurationen der Schweißnähte entsprechend festgelegt werden,
so daß innerhalb des Wasservorhangs ein stabilisierter Hohlraum gewährleistet wird.
Zusammenfassend werden mit der Erfindung somit ein Schweißbrenner für das Unterwasserschweißen und
ein Unterwasserschweißverfahren unter Verwendung eines solchen Schweißbrenners geschaffen. Dabei wird
ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl aus einer am Schweißbrenner angeordneten Düse schräg auf das
oder die zu schweißenden Werkstück(e) gerichtet, so daß er einen sich erweiternden Wasservorhang bildet.
In den vom Wasservorhang umschlossenen Raum wird zur Erzeugung einer Gasatmosphäre ein Gas eingeblasen,
so daß das Schweißen in dieser Gasatmosphäre erfolgen kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Schweißbrenner zum Unterwasserschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß er eine um
sein Vorderende herum angeordnete Düse (3), aus welcher ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl
schräg auf ein oder mehrere zu schweißende^) Werkstücke) richtbar ist, so daß er einen sich nach
außen erweiternden Wasservorhang bildet, und eine Einrichtung (Rohr t) zum Einblasen von Gas in den
vom Wasservorhang umschlossenen Raum aufweist, um eine Gasatmosphäre zu bilden, in welcher der
Schweißvorgang durchführbar ist.
2. Schweißbrenner nach Anspruch 1, dadurch ge- ls
kennzeichnet, daß in der Düs* (3) Leitschaufeln (3a)
vorgesehen sind, welche den Hochgeschwindigkeitsstrahl aus Wasser oder einer anderen Flüssigkeit
unter Erzeugung einer Zentrifugalkraft(komponente) in ihm ablenken.
3. Schweißbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) elliptischen
Querschnitt besitzt.
4. Schweißbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der
Düse (3) zum Schweißen von V- oder U-förmig ausgebildeten Werkstücken nach unten absteht bzw.
verlängert ist.
5. Verfahren zum Unterwasserschweißen unter Verwendung eines Schweißbrenners nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl
unter Bildung eines sich nach außen erweiternden Wasservorhangs aus einer Düse schräg auf ein oder mehrere zu schweißende^)
Werkstück(e) gerichtet wird, daß in den durch den sich erweiternden Wasservorhang gebildeten
Raum ein Gas eingeblasen wird, um eine Gasatmosphäre zu bilden, und daß der Schweißvorgang innerhalb
dieser Gasatmosphäre durchgeführt wird.
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