Verfahren zum Stumpfschweissen aus Nichteisenmetall oder Nichteisenmetallegierung bestehender Werkstückteile Das Patent betrifft ein Verfahren zum Stumpf schweissen aus Nichteisenmetall oder Nichteisenme tallegierung bestehender Werkstückteile, eine Stumpf schweissmaschine zur Durchführung des Verfahrens und ein Werkstück aus Nichteisenmetall, mit durch Stumpfschweissung vereinigten Werkstückteilen.
Bei dem Verfahren werden beide Werkstückteile in die Spannvorrichtung einer Wideratandsstumpfschweiss- maschine eingespannt, durch Stromdurchgang an den zu vereinigenden Stirnflächen auf Schweisstemperatur erhitzt, durch Vorschub einer der Spannvorrichtungen zusammengestaucht und danach nachgestaucht. Da bei kann die Stumpfschweissung eine reine Stumpf schweissung oder eine Abbrennschweissung mit oder ohne Vorwärmen sein. Als Nichteisenmetall und Nichteisenmetahegierung kommen insbesondere Kup fer und Kupferlegierungen in Frage.
Beim reinen Stumpfschweissen müssen die Stoss flächen der Werkstückteile vorher genau aufeinander passend bearbeitet werden. Beim Abbrennschweissen werden die vorher nicht bearbeiteten Stossflächen der Werkstückteile zuerst elektrisch abgebrannt. Zu die sem Zwecke werden die Stossflächen zunächst in. lo sen Kontakt miteinander gebracht. Dabei berühren sie sich auf kleinen Flächenteilen, die von einem hindurchgeleiteten Strom (Abbrennstrom) infolge der bei den kleinen Kontaktflächen grossen Stromdichte sehr schnell erwärmt werden.
An dien: Kontaktstehlen entstehen; dann Strombrücken aus flüssigem Metell, :die schliesslich unter Bildung eines Abschaltfeuers zerstört und aus der Stossfuge herausgeschleudert werden.
Die Stossflächen überziehen sich dabei mit einer Haut aus flüssigem Metall. Eines der Werk stücke wird laufend nachgeschoben, bis die Stoss flächen nach einer gewissen Zeit gleichmässig er- wärmt sind. Daraufhin erfolgt das Zusammenstau chen, wobei der Schweissstrom kurz nach dem Stauch einsatz ausgeschaltet wird.
Beim Schweissen mit Vor- wärmung werden die Stossflächen vor dem Abbren nen durch Vorwärmatromimpulse auf Rotglut er hitzt, nach dem vorangehend beschriebenen Verfah ren abgebrannt und dann zusammengestaucht. Beim bekannten Nachsbauchen wurde davon aus gegangen, dass unmittelbar nach dem Zusammen- stauchen eine schmale Zone der Schweissstelle eine wesentlich oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungs punktes liegende Temperatur hat und dass dann eine Wärmeausbreitung erfolgt, so dass die Temperatur einer breiteren Zone dien Schmelz- oder Erweichungs punkt erreicht.
Das Material dieser Zone wurde dann beim Nachstauchen herausgepresst. Nach einem neue ren Stand der Technik wird das stark erweichte Ma terial bereits beim Zusammenstauchen praktisch voll ständig herausgepresst. Dabei erschien ein Nachsbau- chen überflüssig.
Der Zweck des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, nicht nur das beim Schweissen er weichte, sondern das ganze beim Schweissen ther misch veränderte Material aus der Schweissstelle her auszupressen, um an der Vereinigungsstelle der Werk stückteile :ein Gefüge (Struktur, Korngrösse) des Me talls zu erzielen, welches vollständig oder möglichst. weitgehend mit dem ursprünglichen Gefüge über einstimmt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wer den die Werkstückteile vor dem Nächstauchen in die nach dem Zusammenstauchen gelösten und ausein- andergefährenen Spannvorrichtungen erneut einge- spannt, und beim Nachstauchen wird das Material der Bindezone aus der Vereinigungsstelle der Werk stückteile herausgepresst.
Auf diese Weise kann das ganze an der Schwei ssung beteiligt gewesene Material durch Kaltver formung (plastische Verformung unterhalb der Um- wandlungstemperatur) durch eine Art Fliesspressen aus dem Werkstück herausgepresst (und in der Regel danach entfernt) werden.
Indem vor dem Nachstauchen die Spannvor richtungen gelöst, auseinandergefahren und die Werk stückteile erneut eingespannt werden, können die Werkstückteile beim Zusammenstauchen hinreichend kurz eingespannt werden, und trotzdem wird beim Nachstauchen der Stauchweg ermöglicht, welcher er forderlich ist, um das Material der Bindezone aus der Vereinigungsstelle der Werkstückteile herauszupres sen.
Das nach dem erneuten Einspannen der Werk stückteile durchzuführende Herauspressen des Ma terials der Bindezone aus der Vereinigungsstelle kann unmittelbar nach dem oben beschriebenen Zusam menstauchen, während die Bindezone noch heiss ist, oder nach Abkühlung der Bindezone in kaltem Zu stand, oder nach nochmaliger Erwärmung der Binde zone unter Stromdurchgang ausgeführt werden.
Welche dieser Ausführungsformen des erfindungsge- mässen Verfahrens anzuwenden ist, hängt vom Ma terial der Werkstücke und von dem angestrebten Gefüge ab und kann durch Versuche ermittelt wer den. , Um auf Maschinen kleiner elektrischer Leistung Werkstücke mit verhältnismässig grossem Querschnitt nach diesem Verfahren zu schweissen, können die miteinander zu vereinigenden Enden der Werkstück teile vor dem Schweissen (gegebenenfalls vor dem Abbrennen bzw. Vorwärmen) verjüngt werden.
Da bei wird Rundmaterial zweckmässig zur Bildung eines abgestumpften Konus mit 'einem zylindrischen Ansatz, dessen Durchmesser und Länge ungefähr das mindestens 0,4fache dies Durchmessers des Rund materials beträgt, abgedreht. Beim Zusammenstau chen der durch den Schweissstrom auf Schweisstem peratur erhitzten Stossflächen der Werkstückteile wird die verjüngte Stossstelle dann zweckmässig bis nahezu auf den Durchmesser des Rundmaterials ver grössert.
Beim Herauspressen dies Materials der Bindezone entsteht dann ein! über den Umfang des Rundmaterials vorstehender Wulst, welcher schliess lich entfernt werden kann.
Das Verfahren nach der Erfindung wird zweck mässig mittels der erfindungsgemässen Stumpf- schweissmaschine ausgeführt, bei welcher die Klemm- oder Spannbacken der Spannvorrichtungen in Rich tung auf die Schweissstelle verjüngt sind.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens unter Bezug nahme auf die Zeichnung beschrieben. Im Zusam- menhang damit wird auch das erfindungsgemässe Merkmal der Maschine zur Durchführung dieses Ver fahrens erläutert. Es zeigen:. - - Fig. 1 eine schematische teilweise Frontansicht einer Widerstands-Stumpfschweissmaschine mit zwei eingespannten Werkstückteilen, Fig. 2 eine teilweise Ansicht eines Schnittes nach der Linie II-II in Fig. 1, in grösserem Massstab, Fig. 3 bis. 6 verschiedene Phasen des Schweiss vorganges nach dem ersten Ausführungsbeispiel, und zwar .
Fig. 3 zwei zum Stumpfschweissern eingespannte Werkstückteile, Fig. 4 das durch Vereinigung dieser Werkstück teile gebildete Werkstück nach dem Zusammenstau chen derselben, Fig. 5 das zum Herauspressen des Materials der Bindezone erneut eingespannte Werkstück, Fig. 6 das Werkstück nach dem Herauspressen des Materials der Bindezone.
Fig. 7 bis 10 zeigen den Fig. 3 bis 6 entspre chende Phasen des Schweissvorgangs nach dem zwei ten Ausführungsbeispiel.
Die Widerstands-Stumpfschweissmaschine nach Fig. 1 hat eine Spannrvorrichtung 1 mit Spannbacken 11, 12 und, eine Spannvorrichtung 2 mit Spannbacken 21, 22. Die Spannvorrichtung- 1 ist feststehend. Die Spannvorrichtung. 2 ist in Richtung des Doppel pfeiles 3 verschiebbar und mit einem hydraulischen Antrieb 4 verbunden. Der Schweisstransformator ist mit 5 bezeichnet. Die Spannbacken 11, 12 und 21, 22 sind Vierkantbacken mit einem auf die Schweiss stelle gerichteten, abgestumpft konischen Ansatz. In Fig. 2 und 3 sind die Ansätze der Spannbacken 11, 12 mit 111 und 121 bezeichnet.
Die Spannbacken dieser Art dienen; zum Einspannen von Rundmate rial. Für anders geformte Werkstückteile sind na türlich entsprechend anders geformte Spannbacken zu verwenden, wobei anstelle der abgestumpft koni- scheu Ansätze der Form der Werkstückteile- ent sprechend geformte, zur Schweissstelle hin verjüngte Ansätze treten, beispielsweise keilförmige Ansätze für Werkstückteile mit ebenen Oberflächen. Zwei miteinander zu verschweissende, aus Rundmaterial bestehende Werkstückteile sind mit 61 und 62 be zeichnet.
Als erstes Ausführungsbeispiel dies erfindungsge mässen Verfahrens wird im folgenden dias Abbrenn- schweissen mit Vorwärmen von zwei runden Stäben mit; 19 mm Durchmesser aus Kupfer mit einer Zer- reissfestigkeit von 24 kg/mm2 und einer Streck grenze von 12,5 kg/mm2 (gemessen in. kaltem Zu stand) beschrieben.
Die nicht vorbearbeiteten Stossflächen der nach Fig.3 je in eine der Spannvorrichtungen 1, 2 der Maschine nach Fig. 1 eingespannten Werkstückteile 61, 62 werden zusammengedrückt und durch einen Strom vorgewärmt, welcher aus 10 Impulsen von je 0,3 Sekunden Dauer mit einem zeitlichen Abstand von 0,15 Sekunden -besteht, wobei die Stromstärke 150 Ampere/mm2 bezogen auf dien Querschnitt der Stäbe beträgt. Anschliessend erfolgt das oben beschriebene Abbrennen, wobei der Werkstückteil 62 in 0,5 Sekunden 20 mm Vorschub - erhält.
Dabei ist die Stromstärke infolge der Zufälligkeiten der Strombrücken aus flüssigem Metall und des Ab schaltfeuers sehr unregelmässig, sie ist ungefähr. halb so gross wie beim Vorwärmen. Das unmittelbar an schliessende Zusammenstauchen der abgebrannten Stossflächen erfolgt mit einer Kraft von 25 kg/mm2 längs eines Weges von 16 mm mit einem Schweiss strom von, 200 Ampere/mm2. -Fis. 4 zeigt den Zu stand nach dem Zusammenstauchen, wobei der ent standene Schweissgrat mit 63 bezeichnet ist. - .
Da die Stäbe 61, 62 mit Rücksicht auf die Knickbeanspruchung, welche der Druck von 25 kg/mm2 beim Zusammenstauchen hervorruft, so eingespannt werden müssen,- dass sie nur verhältnis mässig kurz aus den Spannbackenpaaren 11, 12 und 21, 22 herausragen (Fig.3), und da der gesamte Vorschubweg beim Abbrennen und beim Zusam menstauchen der abgebrannten Stossflächen 36 mm beträgt, sind die beiden Spannbackenpaare 11, 12 und 21, 22 nach dem Zusammenstauchen verhältnis mässig dicht zusammengerückt, wie Fig. 4 zeigt.
Um das Material der Bindezone" durch nochmaligen Vor schub der Spannvorrichtung 2 aus der Vereinigungs- stelle der Stäbe 61, 62 herauszupressen, werden die Spannvorrichtungen 1 und 2 zunächst gelöst, die ver schiebbare Spannvorrichtung 2 wird ca. 10 mm zu rückgefahren, und die miteinander vereinigten Stäbe 61, 62 werden erneut in die Spannvorrichtungen 1, 2 der Maschine (wie Fig. 5 zeigt) eingespannt, und einem Strom von ca.
200 Ampere/mm2 während etwa 3,5 Sekunden aufgesetzt, wobei die Spannvor- richtung 2 etwa 10 bis 12 mm vorgeschoben wird. Während dieses Vorschubes. nimmt der Strom (nicht aber die Stromdichte) zu, weil der Querschnitt an. der Vereinigungsstelle grösser und die Impedanz-der Ma schine durch das Zusammenfahren der Spannvor richtungen 1, 2 kleiner werden.
Die Erwärmung bleibt jedoch weit unterhalb der Schweisstemperatur, denn der elektrische Widerstand der Vereinigungs stelle ist bedeutend kleiner als der Übergangswider stand beim Zusammenstauchen." Durch den Vor schub wird das Material der Bindezone aus der Ver einigungsstelle der Stäbe herausgepresst, und es ent steht eine neue Bindezone, deren Material nur -einer plastischen Verformung und der mit dieser verbun denen Erwärmung, nicht aber -dem eigentlichen Schweissvorgang unterworfen war und deshalb prak tisch dasselbe Gefüge hat wie das ursprüngliche Ma terial.
Fig. 6 zeigt den Zustand des Werkstückes nach diesem Herauspressen des Materials der Binde zone. Der Wulst 64 an der Vereinigungsstelle, wel cher teilweise beim Zusammenstauchen der abge brannten Stossflächen und teilweise beim Heraus pressen des Materials der Bindezone entstanden ist, wird schliesslich entfernt, beispielsweise abgedreht oder abgeschert.
Das beschriebene Herauspressen des Materials der Bindezone kann auch mit einer kleineren Strom- dichte,- beispielsweise- 100-Ampere/mm2 -erfolgen, er fordert aber dann :eine entsprechend längere. -Zeit.
Wenn die elektrische Leistung der Maschine nicht ausreicht, um die angegebenen Stromdichten zu erzielen, könnten die zu verschweissenden .Enden. der Werkstückteile .zuerst verjüngt, werden. -Fis. 7 -bis 10 zeigen den Fig. 3: bis -6 entsprechende Zustände der Werkstückteile 71., 72 und Stellungen der Spann . backen 11, 12 und 21, 22 bei dieser Ausführungs form des Verfahrens.
Jedes der zu verschweissenden Enden der Werkstückteile (runde Stäbe) 71, 72 wird vor dem Einspannen zu .einem abgestumpften. -Konus 711, 721 mit zylindrischem Ansatz -712;r 713-- abge dreht. Bei. einem Stabdurchmesser. von 19 mm kön nen beispielsweise der Winkel des Konus- 90 und der Durchmesser und die Länge dies zylindrischen Ansatzes je 8 bis 10 mm betregen. Das Zusammen=-, schweissen der verjüngten Enden erfolgt dann ent sprechend' dem oben im Zusammenhang mit Fig. 3 bis,. 6 beschriebenen Verfahren. Dabei erreicht der -Durchmesser. der Vereinigungsstelle -nach dem Zu-. sammenstauchen annähernd den Durchmesser der Rundstäbe, wie Fig. 8 zeigt.
Danach wird dm Ma terial der Bindezone, wie oben beschrieben, nach erneutem Einspannen aus -der- Vereinigungsstelle der Werkstückteile herausgepresst und der dadurch. ge bildete Wulst 74- schliesslich entfernt. - - - Der Vorschubweg, welcher erforderlich -ist, um das Material der Bindezone aus der Vereinigungs stelle herauszupressen, ist bei kreisförmigem Quer schnitt der zusammenzuschweissenden Enden , der Werkstückteile zweckmässig mindestens etwa das 0,4fache des Durchmessers.
Wenn die Form des Querschnitts der- Werkstücke von der Kreisform nicht sehr erheblich abweicht, gibt das 1,6fache des- Ver- hältnisses der Fläche -zu deren Umfang einen An haltspunkt für den. erforderlichen . Vorschübweg.
Durch Gefüge-Untersuchung von Probeschweissungen kann festgestellt werden; welcher Vorschubweg von Fall zu Fall erforderlich ist, damit das gesamte Ma terial der Bindezone aus der Vereinigungsstelle der Werkstücke herausgepresst wird. Entsprechend! kann auch festgestellt werden, ob -es -bei einem gegebenen Material günstiger ist,
das Material der Bindezone im kalten oder warmen .Zustand der Vereinigungs- stelle herauszupressen., und- welche Temperatur bzw. :welcher Ström-und welche Dauer des_-Stromes ge gebenenfalls, zum-'Wärmen am günsfiggen ist.
.-- Damit- beim Herauspressen des -Materials der Bindezone im erwärmten ,Zustand derselben die Er wärmung möglichst auf dien Teil der miteinander vereinigten Werkstückteile beschränkt bleibt, wel cher an der zum Herauspressen des Materials der Bindezone nötigen Verformung beteiligt ist, ist eine gute Wärmeableitung durch die Spannbacken der Ma schine vorteilhaft.
Zu diesem Zwecke sind die Spann backen und die in Wärmekontakt mit diesen stehen den Teile der Maschine zweckmässig zu kühlen.
Beim Herauspressen des Materials der Binde- zone sind die miteinander vereinigten Werkstücke zur Begrenzung der Knickbeanspruchung in kleinem Abstand beiderseits der Vereinigungsstelle einzu- spannen. Dieser Abstand muss jedoch so gross sein, dass der erforderliche Vorschubweg der Spannvor richtung 2 ausgeführt werden kann, ohne dass das herausgepresste Material den Vorschub des verschieb baren Spannbackenpaares hindert oder übermässig erschwert.
Deshalb sind die Spannbacken an ihrer der Schweissstelle zugewandten Seite zweckmässig verjüngt (z. B. keilförmig oder konisch), so dass sie bis dicht an die Bindestelle heranreichen können und trotzdem Raum für den im Querschnitt pilz- förmigen Wulst 64 bzw. 74 bieten. Das gilt für das Herauspressen des Materials der Bindezone, sowohl im kalten als auch im warmen Zustand.