DE2923401A1

DE2923401A1 - Doppelt genutete schweissunterlage

Info

Publication number: DE2923401A1
Application number: DE19792923401
Authority: DE
Inventors: John B Snell
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1978-06-07
Filing date: 1979-06-06
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE7916627U1; US4205219A; GB2022487B; GB2022487A; CA1122282A; NL7904346A; JPS558398A

Description

M 41o6

Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota, V. St. A.

Doppelt genutete Schweißunterlage

Die vorliegende Erfindung betrifft Schweißverfahren und eine neuartige Unterlage für die Verwendung beim Schweißen. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf das einlagige Hochtemperatur- und Hochstromschweißen von bspw. schweren Blechen.

Bei der Herstellung großer Tanks, Schiffe usw. werden die Bleche oft miteinander verbunden, indem man ihre Kanten stumpf anein-

anderlegt und sie mit einer Schweißnaht verbindet. Es ist sehr wünschenswert, wenn nicht absolut notwendig, daß die Schweißnaht _;

vollständig von der Oberfläche zur Wurzel (d.h. von der Oberfläche zur gegenüberliegenden Seite des Blechs) verläuft. Um zu gewährleisten, daß man eine loo%ige Schweißnaht erhält (bei der das Schweißmaterial das Blech von der Oberfläche zur Wurzel durchdringt), hat man nach einem herkömmlichen Verfahren die Schweißnaht in mehreren Lagen von beiden Seiten der zu verbin-

denden Bleche her gezogen. Auf diese Weise erhält man zwar feste Schweißnähte, muß aber einen hohen Zeit- und Kostenaufwand hinnehmen, da die Naht von beiden Seiten der Bleche her ausgebildet werden muß.

Man hat verschiedene Verfahren vorgeschlagen, die erlauben, B/eche von nur einer Seite her zu verschweißen. Bspw. hat man rechteckige, quadratische bzw. stabartige Schweißunterlagen verwendet. Eine Schweißunterlage wird dabei mittig hinter die zu verschweißenden Bleche gelegt, um das beim Schweißen entstehende geschmolzene Material zu halten. Während das geschmolzene Material sich abkühlt, verfestigt es zu einer Schweißnaht oder Raupe, die dann kein weiteres Schweißen von der anderen Blechseite her erfordert. Metallische Unterlagestäbe stellt man aus einem Kupfer oder einem dem zu verschweißenden Blech ähnlichen Werkstoff her und versieht sie mit einer anorganischen Ablöseschicht. Diese Kombination verhindert, daß die Unterlage mit der Naht verschweißt wird.

Nichtmetallische Schweißunterlagen sind besonders vorteilhaft, wie von R. H. Keith in "Weld Backings Come of Age" in Welding Journal Juni 1975, S. 422, beschrieben, da sie frei von vielen der Nachteile metallischer Unterlagen hinsichtlich der Kosten t und der Anwendung sind. Beispielhafte nichtmetallische Schweiß- j Unterlagematerialien sind wärnöoeständige Bänder, wie bspw. in j

i US-PS 3 ool o57 beschrieben, und die starren wärmebeständigen

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Keramikkachel- oder Glasmaterialien bspw. der US-PS 2 82o 427. Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein nichtmetallische (bspw. keramische) Schweißunterlagen.

Die herkömmlichen keramischen Schweißunterlagen weisen allgemein Arbeitsflächen auf, die entweder flach sind oder eine einzige längsverlaufende Nut aufweisen. Wie die Pig. 1 zeigt, sind zwei verhältnismäßig dicke Grundmetallbleche Io (bspw. 12 mm oder dicker) geringfügig beabstandet angeordnet, so daß sie von oben verschweißt werden können. Eine keramische Schweißunterlage 12 nach dem Stand der Technik, die eine im wesentlichen flache Arbeitsfläche 14 aufweist, ist unter den Blechen Io angeordnet und nimmt das geschmolzene Schweißmaterial 11 (aus Blechmetall, Füllmetall und Flußmittel) auf, das in dem "V" der angeschrägten Blechkanten 16 entsteht. Die beim Schweißen entstehende Wärme schmilzt das Schweißmaterial und dieses die Keramikkachel 12 (die geschmolzenen Teile der Bleche Io und der Unterlage 12 sind gestrichelt gezeigt), so daß in der Kachel eine zentrale Zone aus Keramikschmelze entsteht. Beim Schmelzen der Keramik verdrängt das dichtere Schweißmaterial sie und erzeugt auf der Arbeitsfläche der Kachel eine konkave Vertiefung 18. Das verdrängte heiße Keramikmaterial verdrängt seinerseits geschmolzenes Blechmetall, so daß in den Blechen Vertiefungen bzw. Einschnitte!

2o entstehen. Während das geschmolzene Metall und die Keramik- ί schmelze dann abkühlen, bleiben nach dem Abnehmen der kerami- ;

sehen Unterlage in der Schweißung höchst unerwünschte Einschnitte! 2o zurück.

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In dem Versuch, die Bildung dieser eingeschnittenen Schweißnähte zu verhindern, da sie die Festigkeit der Schweißnaht beeinträchtigen, hat man keramische Unterlagekacheln mit einer einzigen längsverlaufenden Nut verwendet. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine keramische Unterlagekachel 22 unter den beabstandeten Blechen Io angeordnet; sie enthält in ihrer Arbeitsfläche 24 eine einzige Nut 26 (gestrichelt gezeigt), die die Schmelzmaterialraupe 11 aufnehmen soll. Wie oben beschrieben, schmilzt die Schweißmaterialschmelze die Keramikunterlage an. Es bilden sich jedoch kaum Einschnitte, da das geschmolzene Schweißmaterial und die Keramikschmelze in die Nut 26 einfließen und daher nicht gegen die Bleche Io gedrückt werden, wo sie Schaden anrichten können. Herkömmliche Unterlagekacheln, die tief und breit genutet sind, um die Bildung eingeschnittener Schweißnähte zu verhindern, entwickeln aber auch große und ebenso un-

erwünschte rückseitige Schweißwülste. Wenn diese zu kräftig ; sind, müssen sie abgearbeitet werden, so daß zusätzlicher Ar- j beits- und Kostenaufwand entsteht. I

Die vorliegende Erfindung schafft eine genutete und Vorzugs- ' weise keramische Schweißunterlage, die die Neigung zur Bildung j eingeschnittener Schweißnähte reduziert und bei der die rückseitigen Wülste verhältnismäßig flach sind. Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung Schweißunterlagen, die erlauben, die Unterlage mit der maximalen Dicke an den heißesten Teil der Schweißstelle heranzubringen, so daß das Durchbrennen der Unterlage (das Durchbrennen des Schweißmaterials durch die

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_ 8 Unterlage) minimal bleibt.

Die vorliegende Erfindung schafft wärmebeständige Schweißunterlagen (vorzugsweise aus einem starren Keramikmaterial), die im Querschnitt im wesentlichen W-förmig sind. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung in einem Aspekt eine wärmebeständige Schweißunterlage mit einer breiten, allgemein ebenen Arbeitsfläche, die parallele Nuten enthält, zwischen denen mittig eine Leiste vorsteht, wobei Abflachungen seitlich der Nuten verlaufen. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der vorliegenden Schweißunterlage um eine Keramikkachel mit zwei allgemein ebenen parallelen Flächen, von denen eine die Arbeitsfläche ist. In einer weiteren Ausführungsform lassen die vorgeschlagenen Schweißunterlagen sich mit entsprechend angepaßten Unterlagen zu einem kontinuierlichen biegsamen Zug zusammensetzen, den man konkaven, konvexen und unregelmäßigen Flächen anpassen kann, die mit einer einseitigen Schweißung miteinander verbunden werden sollen.

Die vorliegende Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.

Fig. 1 und 2 stellen repräsentative Schweißunterlagen nach dem Stand der Technik dar, wie oben diskutiert}

Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Schweißunterlage nachäer vor- liegenden.-Erfindung f

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Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine fertige einlagige einseitige Schweißnaht, die unter Verwendung der Schweißunterlage nach Fig. 3 hergestellt wurde.

Die Fig. 3 zeigt als Schnitt eine bevorzugte keramische Schweißunterlage nach der vorliegenden Erfindung. Die Unterlage 3o weist eine allgemein ebene Arbeitsfläche 32, in der allgemein parallele Nuten 34 ausgebildet sind, die die Nutenseiten 34a, 34b und der Boden 34c der Nut 34 festlegen, sowie eine in der Mitte liegende Leiste 36 zwischen den Nuten und den im wesentlichen flachen Seitenflächen 38 seitlich der Nuten auf. Diese Ausführungsfrom der Schweißunterlage hat eine zweite ebene Fläche 39, die allgemein parallel zur Arbeitsfläche 32 verläuft. Wie unten erläutert, ist das Gesamtvolumen der Nuten unter dem Scheitel 37 der Leiste 36 gleich dem oder größer als das Gesamtvolumen der Mittelleiste über dem Boden 34c. In dieser Ausführungsform ist das Gesamtvolumen der Nuten das Produkt der Gesamtlänge beider Nuten und der Fläche des Vielecks, das die Seiten 34a, 34b, der Boden 34c und die gepunktete Linie 4o bilden, die vom Scheitel 37 der Leiste 36 zu der Seite 34a extrapoliert ist. Die "Tiefe der Nut" ist die vertikale Strecke vom Boden 34c der Nut zu den Abflachungen 38. Das Volumen der Mittel-r

ι leiste ist das Produkt der Länge der Mittelleiste und der Fläche)

des Vielecks, das die rechte und die linke Seite 34b, die ge- !

strichelte Linie 42 (die vom Boden 34c extrapoliert ist) und j der Scheitel 37 der Leiste 36 aufspannen. Die "Höhe der Leiste" ;

ist die vertikale Strecke von der gestrichelten Linie 42 zum \

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-lo-Scheitel 37 der Leiste 36.

Die Fig. 4 zeigt eine fertige Wurzelschweißung (einlagige Schweißnaht von einer Seite der Platte, die mit einer zweiten Lage von der gleichen Seite aus verdickt werden kann), die mit der Schweißunterlage 3o der Fig. 3 hergestellt worden ist. Zwei verhältnismäßig dicke (bspw. mehr als 12 mm dicke) Grundmetall-Bleche 5o mit geschrägten Kanten 52 wurden dabei geringfügig beabstandet angeordnet und mit einer Schweißunterlage (wie in Fig. 3) mittig hinter den Blechen hinterlegt, wobei die zentrale Leiste 36 der Unterlage auf den Zwischenraum der Bleche ausgerichtet war. Bei einer herkömmlichen UP-Schweißung entstand dann eine Masse 54 aus geschmolzenem Schweißmaterial, die von der Unterlage 3o und den Blechen 5o festgehalten wurde. Während die Schweißmaterialschmelze zwischen die Bleche fließt und die Keramikunterlage berührt, schmilzt die dickere Mitteileiste 36 und fließt in die Nuten 34 hinein. Wie oben bereits erwähnt, ist das Gesamtvolumen der beiden Nuten vorzugsweise gleich dem oder größer als das Volumen der Mittelleiste. Ist das Gesamtvolumen der Nuten gleich dem oder größer als das Volumen der Mittelleiste, kann die Leiste vollständig schmelzen und in die Nuten fließen, ohne daß Keramikschmelze nachteiligerweise die Bleche 5o berührt und dort Einschnitte verursacht. Weiterhin entsteht kein übermäßig starker rückseitiger Wulst, da das Volumen der Schweißmaterialschmelze, die zur Rückseite der Bleche fließt, durch das von der Mittelleiste eingenommene Volumen geringgehalten wird. Die Keramikunterlage hält die Masse 54 aus

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Schweißmaterial zusammen und schmilzt selbst so, daß beim Abkühlen eine gleichmäßig gerundete Naht mit einem flachen rückseitigen Wulst 54a und einer gleichmäßigen Vorderfläche 54b entsteht. Zwischen der Unterlage und dem Wulst 54a entsteht eine Zone aus wiederverfestigter glasiger Keramik (zur klareren Darstellung ist diese Zone aus wiederverfestigter Keramik aus den Fig. 1 und 2 fortgelassen). Mit der hier vorgeschlagenen neuartigen Unterlage erhält man eine einwandfreie Wurzelschweißnaht, die kaum oder gar nicht nachgearbeitet werden muß, und dies in einer einzigen Lage.

Die Schweißunterlage nach der vorliegenden Erfindung kann an den zu verbindenden Blechen extern abgestützt werden - bspw. mit magnetischen oder Saugkleramen; weiterhin kann die Unterlage selbsttragend ausgeführt sein. Ein bevorzugtes Mittel zum Abstützen der Unterlage ist eine flexible wärmebeständige Unterlage 6o mit einem druckempfindlichen Kleber 62, mit dem die Kacheln auf die Unterlage und die Unterlage auf die Bleche geklebt ist. Beim Versand und während der Lagerung kann man einen druckempfindlichen Kleber 62, der die Unterlage am Blech befestigen soll, gegen Verschmutzung durch Abdecken mit einem schwach haftenden Abdeckfolie schützen. Für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete flexible Unterlagen und Kleber sind ausführlich in der US-PS 3 372 852 erörtert, auf deren Lehre hier Bezug genommen wird.

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Die Schweißunterlagen nach der vorliegenden Erfindung lassen sich aus irgendeinem wärmebeständigen Werkstoff herstellen bspw. wärmebeständigen Materialien wie Glasfasergewebe oder körniges Material (bspw. Sand) in verschiedenen Bindemitteln. Bevorzugte Werkstoffe für die Durchführung der vorliegenden Erfindung sind u.a. starre Magnesiumoxid-Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Keramiken (insbesondere Keramikkacheln) bspw. aus Forsterite Cordierit oder Steatit. Zur Herstellung der vorgeschlagenen Schweißunterlagen aus dem bevorzugten Materialien läßt sich eine Vielzahl von Verfahren einsetzen - bspw. die maschinelle mate- '

rialabhebende Bearbeitung, das Gießen, das Trockenpressen oder das Extrudieren; diese Verfahren sind der Fachwelt bekannt. Vorzugsweise stellt man die Schweißunterlagen nach der vorliegenden Erfindung durch Trockenpressen oder Extrudieren her. i

In einer bevorzugten Anordnung richtet man eine Vielzahl von Schweißunterlagen nach der vorliegenden Erfindung auf einer flexiblen wärmebeständigen Unterlage zu einer Kette bzw. einem Zug aus. Die Enden der Unterlagen können so ausgeführt sein, daß sie sich zu einer flexiblen Kette auf der Unterlage ineinander verschränken lassen, die man auf flache, konkave, konvexe und unregelmäßige Oberflächen von zu verschweißenden Blechen auflegen kann. Bezug wird genommen auf die US-PSn ........ und 9o5.153 vom 12.5. 1978, die Verfahren zur Herstellung starrer keramischer Schweißunterlagen in flexiblen Ketten offenbaren.

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Auf die Offenbarung dieser beiden Anmeldungen wird hier ausdrücklich Bezug genommen.

Die Durchführung der vorliegenden Erfindung sei im folgenden Beispiel weiter erläutert, das den Umfang der Erfindung jedoch nicht einschränken soll.

Beispiel

Die Schweißunterlage 3o der Pig. 3 wurde aus quadratischen keramischen Cordierit-Kacheln mit 33 mm Breite und 7,9 mm Dicke hergestellt; zwei parallele Nuten 34 wurden 2,4 mm tief zu einer ; Breite von 5,6 mm an der Oberkante und einer Breite von 4,ο mm ' am Boden eingesägt. Die Mjttelleiste war oben 6,4 mm, an der ' Basis 9,5 mm breit; ihr Scheitel lag 1,6 mm über den Böden der

Nuten. Diese Unterlagen wurden zum UP-Verschweißen von 19 mm !

dicken Flußstahlblechen verwendet. Dabei entstand eine fast |

perfekte Schweißnaht; es waren nur Spuren von Einschnitten zu ι erkennen und die rückseitige Wulst war 1,6 mm bis 3,2 mm stark, j was als ideal befunden wurde. Demgegenüber wurde auch eine entsprechende Schweißnaht mit einer Kachel nach dem Stand der Technik ausgeführt, die eine rechteckige gleichmäßige Nut in einer Breite von 1,6 mm und einer Tiefe von 2,ο mm (vergl. Fig. 2) ι enthielt} der dabei entstehende rückseitige Wulst war 3,2 bis \ 4,8 ram stark. Bei einer entsprechenden Schweißnaht mit einer Kachel nach dem Stand der Technik mit einer flacheren gleich mäßigen rechteckigen Nut von 16 mm Breite und o,8 mm Tiefe ent standen tiefe und ausgedehnte Einschnitte.

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Claims

BERLIN MÜNCHEN DMng^HansRuschke Dl*. RUSCHKE & PARTNER Dipl.-lng. Hans E. Ruschke Dipl.-fng. Olaf Ruschke PATENTANWÄLTE Dipl.-lng. Jürgen Rost Auguata-Viktoria-SiraBe 65 PienzenauerstraBe 2 1000Betlin33 BERLIN - MÖNCHEN 8000 München 80 Telefon: (0 30) 8 26 38 95 Telefon: (0 89) 98 03 24 fc) 30 82644 81 SB »23 Telex: 1MW (089)988800 Kabel: Quadratur Berlin Ll, η 7. u: . Kabel: Quadratur München M 41o6 Patentansprüche

1. Wärmebeständige Schweißunterlage mit einer breiten, allge-

mein ebenen Arbeitsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (32) parallele Nuten (34), eine zwischen den Nuten (34) verlaufende mittig liegende Leiste (36) sowie Abflachungen (38) seitlich der Nuten aufweist.

2. Schweißunterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage zwei allgemein ebene Flächen (32, 39), aufweist, die allgemein parallel verlaufen und von denen eine (32) die Arbeitsfläche ist.

3. Schweißunterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen gleichmäßigen und symmetrischen Querschnitt aufweist.

4. Schweißunterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Leiste größer als ein Drittel der Tiefe der Nuten ist.

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5. Schweißunterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der unter dem Scheitel der Leiste liegenden Teile der Nut gleich dem oder größer als das Volumen der Leiste ist.

6. Schweißunterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus einer starren Keramik besteht.

7. Schweißunterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus Glas besteht.

8. Starre wärmebeständige keramische Schweißunterlage mit einer breiten, allgemein ebenen Arbeitsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (32) parallele Nuten (34) enthält, zwischen den Nuten eine Mjttelleiste (36) verläuft und daß sich beiderseits der Nuten Abflachungen 38 befinden.

9. Schweißunterlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch zwei allgemein ebene Flächen (32, 39), die allgemo^ parallel verlaufen und von denen eine (32) die Arbeitsfläche ist.

10. Schweißunterlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtvolumen der unterhalb des Scheitels der Leiste liegenden Nutenteile gleich dem oder größer als das Volumen der Leiste ist.

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11. Schweißunterlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Glas besteht.

12. Vielzahl von Schweißunterlagen nach Anspruch 8, deren Enden so ausgestaltet sind, daß sie sich zu einer kontinuierlichen Kette miteinander verbinden lassen.

13. Starre wärmebeständige keramische Schweißunterlage, gekennzeichnet durch zwei allgemein ebene Flächen (32, 39), die allgemein parallel verlaufen und von denen eine (32) eine Arbeitsfläche ist und parallele Nuten enthält, zwischen denen eine Mittelleiste (36) verläuft und seitlich deren Abflachungen (38) verlaufen, wobei das Gesamtvolumen der Nuten unterhalb des Scheitels der Leiste gleich dem oder größer als das Volumen der Leiste ist.

14. Schweißunterlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Unterlage so ausgestaltet sind, daß sie sich mit entsprechend angepaßten Schweißunterlagen zu einer flexiblen Kette verbinden läßt.

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