DE4432550C1 - Hohlbolzen für Hubzündungs-Schweißverfahren - Google Patents

Description

Verbindungs- und Befestigungselemente, vor allem rohr­ förmige Hohlkörper wie Buchsen, Schweißmuttern, Gewindehülsen oder dergleichen, müssen häufig koaxial zu Durchgangsbohrun­ gen an ein Werkstück angeschweißt werden. Zur Erzeugung einer umlaufenden ringförmigen Schweißnaht werden diese Teile zweckmäßig mittels Hubzündungs-Bolzenschweißverfahren unter Anwendung eines magnetisch bewegten elektrischen Lichtbogens angeschweißt.

In DE 42 22 664 C2 ist ein hohler Schweißbolzen für der­ artige Anwendungsfälle beschrieben, der an seiner anzuschwei­ ßenden Stirnfläche einen in Axialrichtung vorstehenden ring­ förmigen Ansatz und innerhalb desselben und konzentrisch dazu eine in das Material des Bolzens einspringende Ringnut auf­ weist. Durch diese Gestaltung soll verhindert werden, daß die Durchgangsbohrung des Schweißbolzens beim Schweißvorgang durch Metallspritzer verunreinigt wird, was insbesondere im Falle eines Innengewindes die Brauchbarkeit erheblich beein­ trächtigt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Schutz gegen ins In­ nere gelangende Metallspritzer bei dem bekannten Schweißbol­ zen unzulänglich ist. Da der ringförmige Ansatz über das Ende der Innenbohrung hinausragt, können die von der Schweißstelle wegspritzenden Metalltröpfchen ungehindert diagonal in das untere Ende und die dort gegebenenfalls vorhandenen Gewinde­ gänge gelangen.

Beim Hubzündungs-Bolzenschweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen lassen sich ferner mit dem bekannten Bolzen keine befriedigenden Ergebnisse hinsichtlich der Qualität der ring­ förmigen Schweißnaht erzielen. Bedingt durch die Gestaltung des Stirnbereichs treten nämlich die magnetischen Feldlinien im wesentlichen axial aus der Stirnfläche aus und durchsetzen den Lichtbogen im Schweißspalt hauptsächlich in axialer Rich­ tung, so daß die für eine Lichtbogenrotation sorgende radiale Magnetfeldkomponente schwach ist. Daraus resultiert eine schlechte Lichtbogenbewegung und eine entsprechend unzurei­ chende Nahtqualität.

Schließlich ist der bekannte Schweißbolzen infolge der komplizierten Geometrie seines Stirnbereichs in der Herstel­ lung als Massenartikel aufwendig und teuer. Wegen der gefor­ derten Ringnut ist diese Geometrie auch nur dann realisier­ bar, wenn der Hohlbolzen ausreichende Wandstärke hat.

Aus US 3,508,028 ist es bekannt, beim Anschweißen eines Hohlbolzens an ein Werkstück mit Bohrung die Innen­ fläche von Bolzen und Bohrung durch eine eingefügte Schutzhülse abzuschirmen, wodurch der Schweißvorgang kompliziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohl­ bolzen zur Verwendung beim Hubzündungs-Bolzenschweißen anzu­ geben, der ein saubereres und genaueres Anschweißen mit einer hoher Schweißnahtqualität gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An­ spruch 1 gekennzeichnet.

Die im wesentlichen kegelstumpfartige Gestalt mindestens eines Teils der Hohlbolzen-Stirnfläche mit den im Anspruch 1 angegebenen Durchmesserverhältnissen bewirkt zunächst eine sehr genaue automatische Positionierung und Zentrierung des Schweißbolzens gegenüber der in dem Werkstück vorhandenen Bohrung, was insbesondere bei der Arbeit mit Handschweißpi­ stolen günstig ist.

Ferner hat die Kegelstumpfform zur Folge, daß nach der Hubzündung des Lichtbogens und dem Zuschalten des Magnetfel­ des die aus der Stirnfläche austretenden Magnetfeldlinien ei­ ne wesentliche Radialkomponente aufweisen, die für eine wirk­ same Lichtbogenrotation sorgt.

Da der kleinste Durchmesser des kegelstumpfförmigen Be­ reichs der Stirnfläche kleiner ist als der Durchmesser der Werkstückbohrung, tritt der Bolzen beim Schweißvorgang in die Bohrung ein, und die Schweißung findet zwischen der Oberkante der Bohrung und dem dieser am nächsten stehenden, etwas wei­ ter hinten gelegenen Bereich der Kegelstumpffläche statt. Dadurch wird der Innenraum die über die Schweißnaht hinaus­ ragende Spitze des Hohlbolzens gegen Metallspritzer wirksam ge­ schützt. Dies ist dann besonders wichtig, wenn es sich um ei­ nen Hohlbolzen mit Innengewinde gemäß Anspruch 7 handelt.

Die in Anspruch 1 angegebene Gestaltung des Stirnberei­ ches ist ferner unaufwendig und eignet sich für die Massen­ fertigung.

Der in Anspruch 2 angegebene Winkelbereich für den im wesentlichen kegelstumpfförmigen Stirnflächenbereich hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen. Kleinere Kegelwinkel be­ günstigen zwar die zentrierende Wirkung bei der Bolzenposi­ tionierung, führen jedoch zu einem tieferen Eintauchen des Schweißteils in die Werkstückbohrung, wodurch die Kurzschluß­ neigung während der Hubzündung des Lichtbogens zunimmt. Bei größeren Kegelwinkeln wird dagegen die Zentrierung erschwert, und der Schutz des Bolzeninnenraums gegen Spritzer nimmt ab.

Die in Anspruch 3 angegebene konkave Gestaltung des im wesentlichen kegelstumpfförmigen Stirnflächenbereichs gestat­ tet ein tieferes Eintauchen des Bolzens in die Werkstückboh­ rung mit entsprechend wirksamerem Schutz gegen Metallspritzer ohne Erhöhung der beschriebenen Gefahr von Kurzschlüssen bei der Lichtbogen-Hubzündung. Der gleiche Vorteil ergibt sich bei den Gestaltungen nach Anspruch 4 und 5.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist in­ sofern von Vorteil, als sich eine für die obigen Zwecke ge­ eignete kegelstumpfförmige Stirnfläche mit ausreichenden Ab­ messungen auch dann verwirklichen läßt, wenn es sich um einen verhältnismäßig dünnwandigen Hohlbolzen handelt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zei­ gen

Fig. 1 bis 4 Hohlbolzen mit unterschiedlichen Formge­ bungen des anzuschweißenden Bolzenendes, und

Fig. 4a bis 4c aufeinanderfolgende Phasen beim Hubzün­ dungs-Schweißverfahren.

Gemäß Fig. 1 besteht der Hohlbolzen aus einem rohrförmigen Hauptteil 10, dessen Bohrung 11 mit einem (nicht näher dargestellten) Innengewinde versehen ist und an dessen anzuschweißendem (in der Zeichnung unteren) Ende ein radial nach außen weisender Ringflansch 12 angeformt ist. Bei dem Hohlbolzen nach Fig. 1 hat die Stirnfläche 13 des Ring­ flansches 12 eine durchgehende Kegelstumpfform mit einem Ke­ gelwinkel α zwischen 90° und 130°.

Der kleinste Durchmesser, den die Stirnfläche 13 an der Stelle hat, an der sie an der Durchgangsbohrung endet, ist kleiner als der Durchmesser der in dem Werkstück 14 vorhande­ nen Bohrung 15. Bei dem Bolzen nach Fig. 1 ist der größte Durchmesser, den die Stirnfläche 13 am Außenrand des Ring­ flansches 12 aufweist, größer als der Durchmesser der Werk­ stückbohrung 15.

Bei der Variante nach Fig. 2 besteht die Stirnfläche 13 des Hohlbolzens aus einem kegelstumpfförmigen Bereich 16 mit einem Kegelwinkel, der wiederum zwischen 90° und 130° liegt und einem an diesen nach außen anschließenden ebenen Flächenbereich 17. Der kleinste Durchmesser des kegelstumpf­ förmigen Bereichs 16 ist kleiner als der Durchmesser der Werkstückbohrung 15. Der größte Durchmesser, der am Über­ gangsbereich zwischen dem kegelstumpfförmigen Bereich 16 und dem ebenen Flächenbereich 17 liegt, hat dagegen einen Wert, der im wesentlichen gleich groß oder nur geringfügig größer ist als der Durchmesser der Werkstückbohrung 15.

Bei der weiteren Ausgestaltung nach Fig. 3 ist die Stirnfläche 13 konkav gekrümmt; im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird auch diese Gestaltung als "im wesentlichen kegelstumpfförmig" bezeichnet. Der Winkel, den diese konkave Fläche mit der Bolzenachse 18 bildet, ändert sich von im we­ sentlichen 0° an der Stelle des kleinsten Durchmessers (der wiederum kleiner ist als der Durchmesser der Werkstückbohrung 15), auf im wesentlichen 90° an der Stelle des größten Durch­ messers (der größer ist als der Durchmesser der Werkstückboh­ rung 15) am Außenrand des Ringflansches 12.

In der weiteren in Fig. 4a bis 4c dargestellten Varian­ te besteht die Stirnfläche 13 aus drei Bereichen, nämlich ei­ nem kegelstumpfförmigen mittleren Bereich 16, einem diesen nach außen fortsetzenden ebenen Flächenbereich 17 und einem an das innere Ende des kegelstumpfförmigen Flächenbereichs 16 anschließenden zylindrischen Flächenbereich 19. Der größte Durchmesser des kegelstumpfförmigen Bereichs 16 an der Über­ gangsstelle zu dem ebenen Flächenbereich 17 ist gleich groß wie oder etwas größer als der Durchmesser der Werkstückboh­ rung 15, während der Durchmesser des zylindrischen Flächenbe­ reichs 19 kleiner ist als der Durchmesser der Werkstückboh­ rung 15.

Fig. 4a zeigt die erste Phase des Hubzündungs-Bolzen­ schweißvorgangs, in der der Schweißbolzen derart in die Boh­ rung 15 des Werkstücks 14 abgesenkt worden ist, daß der ebene Flächenbereich des Ringflansches 12 auf der Oberfläche des Werkstücks 14 aufliegt. Der kegelstumpfförmige Bereich 16 hat beim Absenken des Bolzens diesen automatisch bezüglich der Werkstückbohrung 15 zentriert.

In der in Fig. 4b veranschaulichten eigentlichen Schweißphase ist der Hohlbolzen angehoben und dadurch der Lichtbogen gezündet worden. Wie gezeigt, treten die Magnet­ feldlinien 21 im wesentlichen senkrecht aus dem kegelstumpf­ förmigen Flächenbereich 16 aus und weisen daher eine wesent­ liche Radialkomponente auf. Die Magnetfeldlinien 21 kreuzen den Lichtbogen 20, der sich zuerst an der in Fig. 4b gezeig­ ten linken Stelle zwischen dem Ringflansch 12 und der Ober­ fläche des Werkstücks 14 gebildet hat. Die radiale Magnet­ feldkomponente verläuft senkrecht zum Stromfluß des Lichtbo­ gens 20 und bewirkt daher, daß dieser ringförmig längs des Randes der Werkstückbohrung 15 bewegt wird.

Bei dieser Lichtbogenrotation wird das Material des Hohlbolzens an der Lichtbogenstelle aufgeschmolzen. Der gegenüber dieser Schweißstelle innenliegende und nach unten ragende Teil der Stirnfläche, im Beispiel nach Fig. 4a bis 4c der zylindrische Flächenbereich 19, schützt dabei die Boh­ rung 11 und das dort vorgesehene Innengewinde des Hohlbol­ zens wirksam gegen das Eintreten von Metallspritzern.

Fig. 4c zeigt den endgültigen verschweißten Zustand nach Absenken des Bolzens in die Werkstückbohrung 15. Der im wesentlichen kegelstumpfförmige Flächenbereich 16 bildet da­ bei mit der Wand der Werkstückbohrung 15 eine Ringfuge, die den in die Werkstückbohrung 15 hineingedrückten Teil 22 des Schweißwulstes aufnimmt. Dadurch wird verhindert, daß dieser nach innen über den Innendurchmesser der Bolzenbohrung 11 vorsteht.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Bolzen-Hauptteil 10 verhältnismäßig dünnwandig. Die zur Er­ zielung der erläuterten Funktionen erforderliche Größe der Stirnfläche 13 wird dabei durch Ringflansch 12 erreicht. Ist der Hohlbolzen dickwandig, so kann der Ringflansch 12 entfallen.

Claims (7)

1. Hohlbolzen zum Anschweißen an ein Werkstück (14) in Fluchtung mit einer darin vorhandenen Bohrung (15) mittels Hubzündung, dadurch gekennzeichnet, daß seine anzuschweißende Stirn­ fläche (13) einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen Bereich (16) aufweist, dessen kleinster Durchmesser kleiner ist als und dessen größter Durchmesser mindestens im wesentlichen gleich groß ist wie der Durchmesser der Werkstückbohrung (15).

2. Hohlbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel des kegelstumpfförmigen Flächenbereichs (16) zwischen 90° und 130° liegt.

3. Hohlbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen kegelstumpfförmige Flächenbereich (16) konkav gewölbt ist.

4. Hohlbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (13) einen an den im we­ sentlichen kegelstumpfförmigen Flächenbereich (16) radial nach außen anschließenden ebenen Flächenbereich (17) auf­ weist.

5. Hohlbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (13) einen an den im wesentlichen kegelstumpfförmigen Flächenbereich (16) axial anschließenden zylindrischen Flächenbereich (19) aufweist.

6. Hohlbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (13) an einem das anzu­ schweißende Ende des Hohlbolzens erweiternden Ringflansch (12) ausgebildet ist.

7. Hohlbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ein In­ nengewinde aufweist.