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Elektrisches Schweissverfahren.
Im Hauptpatente Nr. 154350 ist ein Verfahren zur elektrischen Schweissung beschrieben, bei dem die Schweissnaht mit einem gepulverten oder körnigen, bei Schweisstemperatur stabilen, insbe- sondere aus erschmolzenen Silikaten bestehenden Schweissmittel gefüllt wird und der Schweissstrom von der Elektrode durch das Schweissmittel zum Werkstück fliesst. Während der Schweissoperation wird das Schweisspulver örtlich geschmolzen und bildet einen Stromleiter hohen Widerstandes, der der Elektrode und den zu verschweissenden Kanten der Naht Wärme zufuhrt, so dass das von der Elektrode geschmolzene Metall in die Naht hineinfliesst, mit den geschmolzenen Kanten verschmilzt und so eine feste gleichmässige Schweissnaht liefert.
Qualität und Art der Schweissnaht hängen bei den verschiedenen Schweissungen von mehreren
Faktoren ab, so z. B. von der Tiefe und dem Ausmass der Schmelzung der Kanten des zu schmelzenden
Gegenstandes, der Zusammensetzung des Flussmittels oder Schmelze, der verwendeten Spannung und Stromstärke und der Schweissgeschwindigkeit. Bei gleichbleibender Stromstärke und Spannung nimmt die Breite der Naht ab, wenn die Schweissgeschwindigkeit erhöht wird. Die Abnahme der Breite der Schweissnaht infolge Erhöhung der Schweissgeschwindigkeit ist also bei gleichbleibender Spannung und Stromstärke einer der Faktoren, welche die maximale Schweissgeschwindigkeit bestimmen.
Die Schweissgeschwindigkeit lässt sich erhöhen, wenn man den Schweissstrom verstärkt, um in der Schweisszone eine höhere Stromdichte zu erhalten. Hiebei dringt jedoch insbesondere an dem unteren Teil der Ränder der Naht oder am Grunde der Schweissrille die Schweissung viel zu tief ein. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn der Grund der Schweissnaht dicht an der Unterseite des Werkstückes liegt und wenn relativ dünne Platten geschweisst werden sollen.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung der Ablagerung von Metall auf dem Werkstück bei einer elektrischen Schweissung nach dem Hauptpatent. Erfindungsgemäss wird ein magnetisches Feld vorgesehen, welches die Stromlinien des Schweissstromes innerhalb der Schweisszone seitlich zur Schweissrichtung ablenkt, um die Schweissnaht unter Verringerung ihrer Tiefe breiter zu gestalten.
Es ist an sich bekannt, bei elektrischen Schweissverfahren eine magnetische Beeinflussung vorzunehmen. Insbesondere hat man bei der Lichtbogenschweissung Magnetfelder verwendet, z. B. um die verbreiternde Wirkung des Magnetfeldes des Schweissstromes auszugleichen. Man hat in andern Fällen mittels eines Magnetfeldes den Lichtbogen verbreitert oder seinen Ansatz auf dem Werkstück beeinflusst. In allen diesen Fällen erfolgte die Einwirkung des Magnetfeldes auf den Schweissstrom im Lichtbogen, also in dem Gasraum oberhalb der Schweissstelle. Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung wird dagegen der Schweissstrom innerhalb der Schweisszone selbst, also innerhalb der Zone des geschmolzenen Materials beeinflusst.
Hiedurch werden völlig verschiedene Wirkungen erzielt. Bei einer Lichtbogenschweissung konnte man-wie man auch immer das magnetische Feld anwendete-niemals die Breite der Schweissung vergrössern oder ihre Eindringtiefe vermindern, wie es bei dem Verfahren gemäss der Er-
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ersten Beispiel der Beschreibung angegebenen Bedingungen vermindert ein Magnetfeld bei der elektrischen Lichtbogenschweissung mit blanken Sehweissstäben die Breite der Naht von 2 cm auf 1'3 cm
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von 1'85 cm auf 2'4 cm erhöht.
Das neue Verfahren wird nachstehend an Hand der Zeichnungen für einige Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Schweissnaht zwischen den abgeschrägten Kanten zweier zu verschweissender Platten und zeigt schematisch die Schweisszone und den Schweissstrom.
Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch die Naht der Fig. 1 und zeigt schematisch einen Elektromagneten, der über der Naht in der Nähe der Schweisszone angebracht ist.
Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine ähnliche Naht wie in Fig. l und 2, bei der Elektromagnete sowohl vor wie hinter der Schweissstelle angeordnet sind.
Fig. 4 ist ein weiterer Längsschnitt einer Naht, bei der Elektromagnete unterhalb der Platten sowohl vor als hinter der Schweissstelle angeordnet sind.
Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine derartige Schweissnaht, bei der die Elektromagnete oberhalb des Werkstückes zu beiden Seiten der Schweissstelle angeordnet sind.
Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine derartige Schweissnaht, bei welcher die Elektromagnete unterhalb der Platten zu beiden Seiten der Schweissstellen angeordnet sind.
Die Fig. 7 und 8 zeigen schematisch das Aussehen einer fertiggestellten Schweissnaht, diemit und ohne Magnetfeld in der Schweisszone ausgeführt wurde.
In der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche Teile in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Fig. 1 und 2 zeigen das Schweissverfahren nach dem Hauptpatent. Die
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ist mit einem Schweissmittel. M hohen elektrischen Widerstandes in pulveriger oder gekörnter Form gefüllt. Die Elektrode 15 ist in der in Fig. 1 gezeichneten Weise derart in das Schweissmittel eingetaucht, dass sie einen Abstand von den Platten 11 und 12 aufweist. Die Stromquelle 16 ist über 17 und 18 sowohl mit dem Werkstück als auch mit der Elektrode verbunden.
Der zwischen der Elektrode und dem Werkstück fliessende Strom heizt das Schweissmittel 7J an dieser Stelle so, dass es schmilzt und selbst die Stromleitung übernimmt. Hiedurch wird dem Ende der Elektrode 15 und den Kanten der Platten 11 und 12 die zum Schmelzen nötige Wärme zugeführt.
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Das Fortschreiten der Schweissung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Elektrode 15 wird relativ zum Werkstück in der Richtung des Pfeiles A bewegt. Das Schweissmittel13 ist vor der Elektrode 15 in dem noch nicht geschweissten Teil der Naht in pulverigem oder gekörntem Zustand, während in dem schon geschweissten Teil 21 das geschmolzene Schweissmittel in der Schmelze aufgestiegen und oben auf der Schweissnaht bei 22 erstarrt ist.
Der Überschuss 14 an Schweissmittel bleibt ungesehmolzen und bedeckt die erstarrte Schicht 22.
Gemäss der Erfindung wird die Ablagerung des Elektrodenmetalls durch ein magnetisches Feld geregelt, welches die Stromlinien innerhalb der aus geschmolzenem Schweissmittel und geschmolzenem Metall bestehenden Schweisszone 19 seitlich zur Schweissrichtung ablenkt. Hiedurch wird es möglich, die Tiefe des Schmelzvorganges an den unteren Teilen der Kanten der Naht oder am Grund der Schweissrille zu vermindern, so dass höhere Stromdichten und Schweissgeschwindigkeiten ohne Ver- schlechterung der Qualität der Schweissnaht wirksam und sicher angewendet werden können.
Zur Erzielung des magnetischen Feldes ist ein aus der Wicklung 24 und einem Kern 25 be-
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angeordnet (Fig. 2). 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 den Platten 11 und 12 so weit wie möglich nähern zu können, ist sein unteres Ende abgeschrägt.
Die Stromlinien in dem geschmolzenen Schweissmittel und geschmolzenen Metall sind sehematisch durch die punktierte Linien 26 angedeutet und erstrecken sich von der Elektrode 15 nach unten und rückwärts. Die von dem Magneten ausgehenden Kraftlinien, die durch die gestrichelten Linien 27 angedeutet sind, gehen von dem Kern 25 nach unten und schneiden die Stromlinien 26 innerhalb der Schmelzzone annähernd senkrecht. Wird für die Schweissung Wechselstrom verwendet, so wird die Wicklung 24 des Magneten über 28 und 29 mit einer Gleichstromquelle verbunden, damit das praktisch gleichförmige Kraftfeld des Magneten den Wechselstrom in dem flüssigen Material abwechselnd nach beiden Seiten des unbeeinflussten Stromweges ablenkt. Der durch die Ablenkung der Stromlinien bedingte neue Stromweg erhöht dort die Temperatur der Schmelze.
Auf diese Weise wird an beiden Seiten des Stromweges zusätzlich Wärme zugeführt und mit Rücksicht auf den mit steigender Temperatur sinkenden Widerstand des Schweissmittels der Widerstand auf diesem neuen Stromweg vermindert. Gleichzeitig sinkt die Temperatur an der Stelle des unbeeinflussten Stromweges, so dass dort der Widerstand steigt, wodurch die Ablenkung der Stromlinien durch das Magnetfeld erleichtert wird.
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Die Verschiebung der Stromlinien in der Schmelze dürfte ein ähnlicher Effekt wie der HallEffekt sein, bei dem die Stromlinien in einem elektrischen Leiter magnetisch verschoben werden. Aus den oben angegebenen Gründen kann der Stromweg in dem geschmolzenen Schweissmittel und geschmolzenen Metall jedoch leicht magnetisch abgelenkt werden, während diese Verschiebung in einem gewöhnlichen Leiter geringer ist, weil hier der neue Stromweg notwendigerweise der Weg höheren Widerstandes ist und der ursprüngliche Weg geringeren Widerstandes stets offen bleibt.
Der Gesamtwiderstand der Schmelzzone bleibt praktisch unverändert. Trotzdem wird die Tiefe der Schmelzung an den unteren Teilen der Kanten vermindert und die Energiedichte dort im Verhältnis zu denjenigen Teilen der Platten, welche den oberen Rand der Schweissrille begrenzen, vermindert.
Der Grad der Ablenkung der Stromlinien hängt von der Stärke des magnetischen Feldes ab und wird durch Veränderung des durch die Wicklung 24 des Elektromagneten fliessenden Stromes und seine Lage im Verhältnis zum Werkstück geregelt. Die Polarität des Elektromagneten ist hiebei ohne Einfluss. Es wird das gleiche Ergebnis erhalten, wenn das untere Ende des Kernes 25 ein Nord- oder Südpol ist.
Diese Wirkung des Magnetfeldes ist unabhängig von einer bestimmten räumlichen Anordnung des Elektromagneten. Wesentlich ist nur, dass die magnetischen Kraftlinien die Stromlinien innerhalb der Schmelzzone 19 schneiden.
So z. B. sind in Fig. 3 zwei Elektromagnete 30 und-M 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 die Leiter 84, 35 und 36 in Serie mit der Stromquelle verbunden sein.
Man kann auch die Elektromagnete 30 und H, wie in Fig. 4 angedeutet, in gleicher Weise unterhalb des Werkstückes anordnen.
Die Magnete können ausserdem sowohl unterhalb wie oberhalb des Werkstückes angeordnet werden. Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der die Elektromagnete. 0 und-31 oberhalb der Platten 11 und 12 zu beiden Seiten der Schweissnaht 10 nahe der Schweisszone. 19 angeordnet sind.
In manchen Fällen wird unterhalb der Schweissnaht eine Stützstange. ? angewendet. Wird keine derartige Hinterfütterung der Schweissnaht verwendet, so ist es unter Umständen vorteilhaft, die Elektromagnete unterhalb des Werkstückes anzuordnen. Diese Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt. Die Elektromagnete 30 und M sind senkrecht zur Naht 10 beiderseits der Schweisszone 19 vorgesehen. Die Kerne 40 und 41 dieser Elektromagnete können einen gewissen Abstand von den Platten 11 und 12 aufweisen. Man kann jedoch auch die Kerne die Unterseite der Platten lose berühren lassen, wenn kein Stützstab verwendet werden kann.
In diesem Falle kommen die Stromlinien gerade in das Gebiet des stärksten Magnetfeldes, wenn die Schmelzung droht, zu tief in die unteren Teile der Naht einzudringen, so dass es auf diese Weise möglich ist, automatisch die Tiefe der Schmelzung am Boden der Naht zu regeln bzw. zu begrenzen.
Versuche haben eindeutig gezeigt, dass es mittels eines Magnetfeldes tatsächlich in der beschriebenen Weise möglich ist, die Ablagerung von Metall an metallischen Oberflächen zu regeln. Beim Schweissen einer 1'25 cm dicken Platte mit einer Geschwindigkeit von 30 cm min. mit 40 Volt und 880 Amp. Schweissstrom wurde ohne Magnetfeld eine vertikale Tiefe der Schweissnaht von 0'915 cm und eine Breite der Naht von 1'85 cm gefunden. Bei Verwendung eines Gleichstrommagneten nach der in Fig. 2 gezeigten Arbeitsweise liess sich die Tiefe der Schweissnaht auf 0'63 cm verringern und dafür die Breite auf 2-4 cm, erhöhen.
Bei der Schweissung von Stahlplatten von ungefähr 0'48 cm Dicke erzeugt ein Strom von 400 Amp. ohne Magnetfeld eine unzulässige Eindringtiefe am Boden der Naht. Bei Anwendung eines Magnetfeldes ist es jedoch möglich, Schweissströme bis zu 1100 Amp. ohne unzulässig starke Eindringung zu verwenden, wodurch sich die Schweissgesehwindigkeit erheblich vergrössern lässt.
Das charakteristische Aussehen von Schweissnähten, die in der oben beschriebenen Weise einmal mit und einmal ohne ein Magnetfeld erhalten werden, sind schematisch in Fig. 7 und 8 dargestellt.
Die gestrichelten Linien 42 in diesen Figuren deuten die ursprünglichen Kanten 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 erkennen, dass die Seiten relativ steil sind. Die Breite der Schweissnaht ist am oberen 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 dargestellten Schweissnaht.
Die Eindringtiefe am Boden der Naht ist in Fig. 8 geringer als in Fig. 7. Die Ablenkung der Stromlinien während des Schweissprozesses hat bei der in Fig. 8 dargestellten Schweissnaht eine grössere Eindringung in der Nähe der oberen Plattenränder und eine grössere Breite der Schweissnaht in ihrer gesamten Tiefe bewirkt. Ein charakteristisches Merkmal von Schweissnähten, die an flachen oder gekrümmten Platten mittels eines Magnetfeldes erzeugt wurden, ist die deutlich erkennbare Lippenbildung 45 an den Kanten der Schweissnaht in der Nähe der oberen Fläche der Platten 46 und 47.
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