Elektrisches Schweissverfahren. Gegenstand der Erfindung ist ein elek trisches Schweissverfahren, bei dem der Schweissstrom von einer in ein Flussmittel tauchenden Elektrode durch das geschmol zene Flussmittel zum Werkstück fliesst. Die zur Schweissung erforderliche Wärme wird der Elektrode und dem Werkstück durch die überhitzte Flussmittelschmelze zugeführt.
Qualität und Art der Schweissnaht hän gen von mehreren Faktoren ab, so z. B. von der Tiefe und dem Ausmass der Schmelzung der Kanten des Werkstückes, der Zusammen setzung des Flussmittels oder Schmelze, der verwendeten Spannung und Stromstärke und der Schweissgeschwindigkeit. Wenn die ge wünschte Schweissgeschwindigkeit für eine spezielle Schweissung bestimmt ist, wird eine Schweissnaht der gewünschten Breite erzeugt. Bei gleichbleibender Stromstärke und Span nung nimmt die Breite der Naht ab, wenn die Schweissgeschwindigkeit erhöht wird.
Die Abnahme der Breite der Schweissnaht bei Er höhung der Schweissgeschwindigkeit bei gleichbleibender Spannung und Stromstärke ist also einer der Faktoren, welche die maxi male Schweissgeschwindigkeit bestimmen.
Um die Schweissgeschwindigkeit zu er höhen, muss man also den Schweissstrom ver stärken, um in der Schweisszone eine höhere Stromdichte zu erhalten. Im allgemeinen ist es jedoch nicht immer vorteilhaft, die Strom dichte zu erhöhen, weil dann insbesondere in den untern Rändern der Naht oder am Grunde der Schweissrille die Schweissung viel zu tief eindringt.
Dies ist vor allem der Fall, wenn der Grund der Schweissnaht dicht an der Unterseite des Werkstückes liegt und ebenso, wenn. relativ dünne Platten ge schweisst werden sollen, bei denen ebenfalls die Schweissung am Grunde der Naht bei hohen Stromdichten viel zu weit eindringt. Zur Vermeidung dieser Nachteile wird der Strom beim Verfahren gemäss vorliegen der Erfindung innerhalb des in der Schweiss zone geschmolzenen Materials durch mag netische Einwirkungen seitlich zur Schweiss richtung abgelenkt, um die Schweissnaht unter Verringerung ihrer Tiefe breiter zu gestalten.
Im folgenden wird die Erfitidcmg anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Schweissnaht zwischen zwei abgeschrägten Kanten zu verschweissender Platten und zeigt schematisch die Schweisseinrichtung ohne Magnet; Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die Naht nach der Linie 2-2 der Fig. 1 und zeigt schematisch einen Elektromag neten. der über der Naht in der Nähe der Schweisszone angebracht ist; Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine ähnliche Naht wie in Fig. 1 und 2, bei der Elektromagnete so wohl vor wie hinter der Schweissstelle an geordnet sind;
Fig. 4 ist ein weiterer Längs schnitt einer Naht, bei der Elektromagnete unterhalb der Platten sowohl vor als hinter der Schweissstelle angeordnet sind; Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine derartige Schweiss naht, bei welcher die Elektromagnete ober halb des Werkstückes zu beiden Seiten der Schweissstelle angeordnet sind; Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine derartige Schweiss naht, bei welcher die Elektromagnete unter halb der Platten zu beiden Seiten der Schweissstellen angeordnet sind;
Fig. 7 und 8 zeigen schematisch das Aussehen einer fertig gestellten Schweissnaht. die ohne respektive mit Magnetfeld in der Schweisszone ausge führt wurde.
In der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Teile in allen Figuren mit den glei chen Bezugszeichen bezeichnet. Die Schweiss naht 10, welche durch die beiden abgeschräg- ten Kanten der Platten 11 und 12 gebildet wird, ist mit einem Flussmittel 13 hohen elektrischen Widerstandes in pulveriger oder gekörnter Form gefüllt. Vorzugsweise wird eine derartige Menge dieses Materials ver wendet, dass es längs der Naht bei 14 auf gehäuft ist. Die Elektrode 15 ist derart in das Flussmittel eingetaucht, dass sie von den Platten 11 und 12 im Abstand ist.
Die Stromquelle 16 ist über 17 und 18 sowohl mit dem Werkstück, als auch mit der Elektrode verbunden. L in den Stromkreis bei Beginn der Schweisseng zu schliessen, wird geeignetes Material, wie Stahlspäne, zwischen die Elek troden 15 und die Platten 11 und 12 ge bracht.
Der zwischen der Elektrode und dem Werkstück fliessende Strom heizt das Lena.ch- barte Flussmittel 13 so. dass es schmilzt und selbst die Stromleitung übernimmt. Hier durch wird dem Ende der Elektrode 15 und den Kanten der Platten 11 und 12 die zum Schmelzen nötige Wärme zugeführt. Das von der Elektrode abgeschmolzene Metall ver schmilzt mit den Kanten der Platten.
h) dem Umfang, in dem die Elektrode 15 abschmilzt, wird sie nachgeliefert und nach einer bestimmten Zeit längs der Naht 10 durch tLs Flussmittel 13 mit gleichförmiger Ge schwindigkeit be\vegt. Auf diese Weise wird das Flussmittel 13 an aufeinander folgen den Stellen der Naht geschmolzen, wird über hitzt und leichtflüssig, wie bei 19 in Fig. 2 angedeutet,
wobei die Flüssigkeitsströmung eine wirksame Durchmischung des geschmol zenen Metalles mit dem Flussmittel auslöst und Verunreinigungen aus dem Metall aus- w7ischt, bevor es sich verfestigt und die bei den Platten miteinander verbindet.
Das Fort schreiten der Schweisseng ist in Fig. 2 da.r- @resIellt. Die Elektrode<B>1.5</B> wird relativ zum h Werkstück in Richtung des Pfeils _4 bewegt.
Das Flussmittel 1:3 ist vor der -Elektrode 15 in dem noch nicht geschweissten Teil der Naht in pulverigem oder gekörntem Zu stande, während in dem schon geschweissten Teil 21 das gescbniolzene Flussmittel in der Schmelze aufgestiegen und oben auf der Schweissnaht bei 22 erstarrt ist. Der L\ber- schuss 14 an Flussmittel bleibt ungeschmol- zen und bedeckt die erstarrte Schicht 22.
Durch ein magnetisches Feld wird der Strom in der Schweisszone 19 gelenkt. Hier durch wird es möglich, die Tiefe des Schmelzvorganges an den untern Kanten der Naht oder am Grund der durch die ge genüberliegenden Kanten der Platten gebil deten Rille zu vermindern, so da,ss höhere Stromdichten und Schweissgeschwindigkeiten ohne Verschlechterung der Qualität der Schweissnaht wirksam und sicher angewen det werden können.
In Fig. 2 ist ein aus .der Wicklung 24 und einem Kern 25 bestehender Elektromag net in der Nähe der Elektrode 15 an der schon geschweissten Seite 21 der Naht an geordnet. Der Kern 25 ist oberhalb der Schweisszone 19 angeordnet und mit einem spitzen Winkel in bezug auf die Platten 11 und 12: ,gegen die Elektrode 15 geneigt. Um den Magneten so dicht wie möglich an die Platten 11 und 12 heran zu bekommen, ist sein unteres Ende abgesollrägt.
Die Stromlinien in dem geschmolzenen Flussmittel und ,geschmolzenem Metall sind durch die :gepunkteten Linien 2!6 angedeutet und erstrecken sich von der Elektrode 15 nach unten und rückwä;
rts.. Die von dem Magneten ausgehenden Kraftlinien, die durch die ge strichelten Linien<B>2,7</B> angedeutet sind, gehen ,von dem Kern. 25 nach unten und schneiden annähernd senkrecht die Stromlinien: 26. Wenn für die Schweissung Wechselstrom verwendet wird, die Wicklung 24 des Magnetes dagegen über 28 und 29 mit einer Gleichstromquelle verbunden ist, verschiebt das praktisch gleichförmige Kraftfeld des Magnetes den Wechselstrom in dem flüssigen Material ab wechselnd nach beiden Seiten.
Die Verschie bung der Stromlinien bedingt eine Erhöhung der Temperatur an den betreffenden Stellen der Schmelze. Auf diese Weise wird an den Stellen des Stromweges, wo zusätzlich Wärme zugeführt wird, der Widerstand ver mindert. Gleichzeitig sinkt die Temperatur an den Stellen, wo der Strom ohne Beeinflus sung durch den Magnet fliessen würde, so dass dort der Widerstand steigt. Da -die Leit fähigkeit durch die Wärmeentwicklung steigt, wird die Verschiebung der Strom linien durch das Magnetfeld erleichtert.
Durch die abwechselnde Verschiebung der Stromlinien nach beiden Seiten wird der Stromweg beträchtlich verbreitert. Der Ge samtwiderstand der Schmelzzone bleibt prak tisch unverändert. Trotzdem wird die Er wärmung innerhalb der Schmelzzone derart verändert, dass die Tiefe der Schmelzung an den untern Teilen der Kanten vermindert wird und die Energiedichte dort im Verhält nis zu denjenigen Teilen der Platten, welche die Schweissrille umgeben, geringer ist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Arbeits weise, bei welcher der Elektromagnet in der Nähe der Elektrode 15 über der schon fer tigen Schweissnaht angeordnet ist, bewirkt sein Feld eine Verminderung der Schweiss nahttiefe an dem untern Teil der Platten kanten und dafür wird die Schweissnaht an den übrigen Teilen der Kanten gegen die Oberfläche der Naht hin verbreitert.
Auf diese Weise lässt sich die Tiefe der Schweissnaht wirksam regeln und ihre Breite vergrössern. Die von der Stärke des magne tischen Feldes abhängige Verschiebung der Stromlinien wird durch Veränderung des durch die Wicklung 24 des Elektromagnetes fliessenden Stromes und seine Lage im Ver hältnis zum Werkstück geregelt. Die Polari tät des Elektromagnetes ist ohne Einfluss, es wird das gleiche Ergebnis erhalten, wenn das untere Ende des Kernes 25 ein Nord- öder Südpol ist.
Der Elektromagnet ist so angeordnet, dass die magnetischen Kraftlinien die Stromlinien in der Schmelzzone 19 schneiden.
So zum Beispiel sind in Fig. 3 zwei Elektromagnete 30 und 31 dargestellt, welche oberhalb der Naht und parallel zu ihr an der schon geschweissten Seite 21 wie an der noch nicht geschweissten Seite 20 angeordnet sind. Die Elektromagnete 30 und 31 können über den Leiter 34 in Serie mit der Stromquelle durch die Leiter 35 und 36 verbinden sein.
Man kann auch die Elektromagnete 30 und 31, wie in Eig. 4 aalgedeutet, in ;glei cher Weise unterhalb des Werkstückes an ordnen.
Der gleiche Erfolg wird erreicht durch ein Magnetfeld, welches senkrecht zur Schweissrichtung steht. Die Magnete können hierbei isowohl unterhalb wie oberhalb des Werkstückes angeordnet werden. Fig. 5 zeigt eine derartige Anordnung, bei der die Elek tromagnete 30 und 31 oberhalb der Platten 11 und 12 zu beiden Seiten der Schweissnaht 10 nahe der Schweisszone 19 angeordnet sind. 39 ist eine Stützstange, die unterhalb der Schweissnaht angeordnet ist.
Oft. ist es vorteilhaft, die Elektromagnete unterhalb des MTerkstricl@es anzuordnen. Diese Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. Die Elektromagnete 30 und 31. sind senk recht zur Naht 10 beiderseits der Schweiss zone 19 vorgesehen. Obwohl die Kerne 40 und 41 dieser Elektromagnele einen gewis sen Abstand von den Platten 11 und 1? auf v: eisen, kann es mitunter vorteilhaft sein, dass die Kerne die Unterseite der Platten lose be rühren.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn kein Stützstab verwendet werden kann, weil die Stromlinien in das. Gebiet des stärksten 3lla-net.feldes kommen-, weint die Schmelzung droht, zu tief in die untern Teile der Naht einzudringen. Auf diese Weise ist es mög lich, automatisch die Tiefe der Schmelzung am Boden der Naht zu regeln bezw. zu be grenzen.
Beim Schweissen einer<B>1,27</B> ein dicken Platte mit einer Geschwindigkeit von 30 cmrmin. wurde bei 40 Volt und 880 Amp. des Schweissstromes ohne 'Magnetfeld eine vertikale Tiefe der Schweissnaht von 0,913 ein und eine Breite der Naht von 1,8:i ein gefunden.' Bei Verwendung eines Gleichstrommagnetes nach der in Fig. \? ge zeigten Arbeitsweise liess sich die Tiefe der Schweissnaht auf 0,36 cm verringern und da für die Breite auf 2.4 ein erhöhen.
Bei der Seliweissung von Stahlplatten von ungefähr 0,48 ein Dicke erzeugte ein Strom von 400 Amp. eine Eindringtiefe ain Boden der Naht, welche für Platten dieser Dicke schon zu gross ist.
Bei Anwendung eines Mag netfeldes, welches die Eindringtiefe der Sehweissung an der untern Seite der Platten verringert, ist es ,jedoch möglich, Schweiss ströme bis- zu 1100 Amp. ohne unzulässig starke Eindringitng ztt verwenden; finit die sen hohen Schweissstromstärken lässt sich die Schweissgeschwindigkeit erheblich vergrössern.
Die Wirkung, welche durch ein Magnet feld bei dem oben beschriebenen Schweissver fahren eintritt, ist vollständig von derjenigen verschieden, die ein Magnetfeld bei der Licht bogenschweissung ausübt. Wie auch immer das magnetische Feld bei einer Lichtbogen schweissung angewendet wurde, niemals konnte man auf diese Weise die Breite einer Lichtbogenschweissung vergrössern oder die Eindringtiefe in den untern Teilen der Schweissnaht verringern. Bei der elektrischen Lichtbogensehweissung siieht man mittels eines Magnetfeldes die Breite der entstehen den Schweissnaht zu vermindern und ihre Tiefe am Grunde der Schweissnaht zu er höhen.
Unter den in dem ersten Beispiel an gegebenen Bedingungen vermindert die Ver wendung eines Magnetfeldes bei elektrischer Lichtbogenschweissung mit blanken Schweiss stäben die Breite der Schweissnaht von 2 cm auf 1.3 ein und erhöht die Eindringtiefe der Schweissnaht in das Material von 0,71 auf 0,74 cm. Anderseits ist es unmöglich ge wesen bei einem Schweissverfahren, bei dem die zum Schweissen erforderliche Wärme durch ein überhitztes Flussmittel der Schweiss zone zugeführt wird, mittels eines Magnet feldes die Eindringtiefe am Grunde der Schweissnaht zu erhöhen oder ihre Breite zu vermindern.
Es ist selbstverständlich. da.ss ein Fluss mittel verwendet wird, in welchem die bei hohen Temperaturen zwischen den Bestand teilen möglichen chemischen Reaktionen schon so weit vollendet sind, da,ss es - che- iniseh inert ist und während des Schweiss prozesses keine schädlichen Gase entwickelt. Weiterhin soll die Leichtflüssigkeit des ge schmolzenen Flussmittels bei der Schweiss temperatur derart sein. dass es nicht vom ge schmolzenen Metall mitgerissen wird.
Die Hauptbestandteile des Flussmittels sind vor- zugSweise Kieselsäure und ein oder mehrere Silikate der Erdalkalimetalle und Alumi- niumoxyd, welche in geeigneter Weise, z. B. in einem elektrischen Ofen. vorher zusain- mengeselimolzen worden sind. Ein Halogen salz, wie Calciumfluorid, kann der l1ischung vor oder nach der Schmelzung der übrigen Bestandteile zugegeben werden.
Die ge schmolzene Mischung wird möglichst schnell abgekühlt, so dass das Material glasigen Bruch aufweist. Ferner soll das Material nach dem Kühlen und Mahlen praktisch frei von Eisenoxyd sein, welches nicht mit Be standteilen der Mischung verbunden ist und frei von anderem Material, wie Karbonaten oder Feuchtigkeit, welche schädliche Gase oder Dämpfe bei Schweisstemperaturen ent wickeln.
Die Zusammensetzung in Gewichts prozent eines Flussmittels, das bei der Durch führung des Verfahrens mit Erfolg verwen det worden ist, war folgende:
EMI0005.0008
I <SEP> II <SEP> III <SEP> IV
<tb> Ca0 <SEP> 29,5 <SEP> 31,24 <SEP> 29,18 <SEP> 40,12
<tb> %Mg0 <SEP> 8,7 <SEP> 11,01 <SEP> 8,26 <SEP> 0,89
<tb> Si02 <SEP> 56,4 <SEP> 52,40 <SEP> 57,48 <SEP> 52,94
<tb> %A120, <SEP> 5,4 <SEP> 4,11 <SEP> 4,86 <SEP> 5,80
<tb> r' <SEP> e@0, <SEP> niedrig <SEP> 0,13 <SEP> 0,24 <SEP> 0,23 Vor Gebrauch wurde je ein Teil Calcium- fluorid auf 16 Gewichtsteile eines der ge nannten Flussmittel zugefügt.
Das charakteristische Aussehen von Schweissnähten, die in der oben beschriebenen Weise einmal mit und einmal ohne ein Mag netfeld erhalten werden, sind schematisch in Fig. 7 und 8 dargestellt. Die gestrichelten Linien 42 in diesen Figuren deuten die ur sprünglichen ganten der Platten 11 und 12 an, welche zur Vorbereitung der Schweissung abgeschrägt worden waren. Bei der in Fig. 7 dargestellten Schweissnaht 43, welche ohne Magnetfeld hergestellt wurde, kann man er kennen, dass die Seiten relativ steil sind.
Die Breite der Schweissnaht ist am obern Rande der Platten 11 und 12 nur wenig grösser als die Breite der ursprünglichen Rinne. Bei der mit einem Magnetfeld hergestellten Schweiss naht 44 in Fig. 8 sind die Seitenränder weniger steil als bei der in Fig. 7 dargestell ten Schweissnaht. Die Eindringtiefe am Bo den der Naht ist in Fig. 8 geringer als in Fi. 7.
Die Ablenkung der Stromlinien wäh rend des Schweässprozeisses hat bei der in Fig. 8 dargestellten Schweissnaht eine grö ssere Eindringung in der Nähe der obern Plattenränder und eine grössere Breite der Schweissnaht in ihrer gesamten Tiefe be- wirkt.
Ein charakteristisches Merkmal von Schweissnähten, die an flachen oder ge krümmten Platten mittels eines Magnetfeldes erzeugt wurden, ist die deutlich erkennbare Lippenbildung 45 an den ganten der Schweissnaht in der Nähe der obern Fläche der Platten 46 und 47.
An Stelle von Elektromagneten lassen sich auch starke permanente Magnete ver senden, um die Stromlinien des Wechsel stromes in der Schmelze abzulenken. Ein per manenter Magnet aus Kobaltstahl wird bei spielsweise in vielen Fällen ein genügend starkes Feld erzeugen, um die Eindringtiefe der Schweissnaht im untern Teil der Schweiss rille zu regeln. Die Feldstärke eines per- manenten Magnetes wird; durch .die Ver- ändierung @seiner Lagegeregelt.
Bei Verwendung von Wechselstrom zur Schweissung kann die Regelung der Ein dringtiefe der Schweissnaht in den untern Teil auch mittels eines mit Wechselstrom ge speisten Elektromagnetes erfolgen. Die Wick lung des Elektromagnetes kann unmittelbar mit dem Schweissstrom verbunden werden. Ebenso kann ein gleichförmiges oder wech selndes Magnetfeld bei der Verwendung von Gleichstrom zum Schweissen benutzt werden.