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Widerstands-Schweisswerkstoff
Der vorliegende Vorschlag bezieht sich auf
Sonderwerkstoffe zur Herstellung von Gegen- ständen mit Hilfe der verschiedenen Verfahren der Widerstandsschweissung. Er gibt eine all- gemeine technische Regel, sowie spezielle Legie- rungszusätze für die Herstellung von Alumi- niumlegierungen und Stählen für diesen Zweck bekannt.
Die Technik kennt schon lange die Anwendung von Spezialwerkstoffen, deren Zusammensetzung auf die Gebrauchsbeanspruchung der hergestellten
Gegenstände abgestellt ist. So gibt es verschleiss- feste, zunderfeste und säurebeständige Stähle.
Weiters sind Sonderwerkstoffe für technologische
Zwecke, z. B. Tiefziehbleche, bekannt. Das
Gebiet der Schweisstechnik kennt den Begriff "gut schweissbare Legierung". Dieser bezieht sich allgemein auf die verschiedenen Methoden der Schmelzschweissung, vor allem der Autogen- schweissung. Die Anforderungen der Wider- standsschweissung an den Werkstoff sind jedoch grundlegend andere, als die der Schmelzschwei- sung. So ist es zu erklären, dass z. B. die als "gut schweissbar" bezeichnete Aluminiumlegie- rung des Typs AI-Mg-Si der Widerstandsschweissung grössere Schwierigkeiten bietet, als die als schlecht schweissbar"bekannten Legie- rungen des Typs Al-Mg mit hohen Mg-Gehalten.
Bei den Stählen liegen die Verhältnisse ebenfalls so, dass die Eignung zur Gasschmelz-oder Lichtbogenschweissung keine Schlüsse auf die Eignung zur Widerstandsschweissung zulässt.
Diese ist für die bekannten Metalle und deren Legierungen eine sehr beschränkte. Besonders schlecht eignen sich die überragende Mehrzahl der legierten Stähle, sowie Aluminium und seine Legierungen. So ist es überhaupt unmöglich, die sogenannte verquetschte Naht oder die Projektionsschweissung mit den genannten Werkstoffen auszuführen.
Die Ursachen der Schwierigkeiten sind, neben solchen, welche nicht Gegenstand dieser Erfindung sind, die auf den betreffenden Metallen und Legierungen an deren Oberfläche sich bildenden Fremdschichten. Meist handelt es sich um Metalloxyde, ausnahmsweise auch um Nitride, welche als dichte Häute die zu verbindenden Teile überziehen. Liegt deren Schmelzpunkt wesentlich über dem des Werkstoffes, so bilden sie in dem Temperaturintervall, in dem die Schweissung vor sich gehen soll, eine Trennschicht, welche die Verbindung verhindert. Bei einzelnen Verfahren der Widerstandsschweissung, beispielsweise der normalen Punktschweissung, kann trotzdem eine Schweissung erreicht werden, wenn die Schweissstelle derart überhitzt wird, dass entweder auch das Oxyd schmilzt oder durch das Aufschmelzen und die damit einsetzende magnetische Rührwirkung mechanisch zertrennt wird.
Es ist klar, dass durch eine solche Überhitzung die Eigenschaften des Ausgangswerkstoffes, insbesondere seine Wechselfestigkeit, ausserordentlich verschlechtert werden. So ist bekannt, dass die Schwingungsfestigkeit von Schweisspunkten der Aluminiumlegierung Al-Cu-Mg unzureichende Werte aufweist.
Dies wird verständlich, wenn man sich vor Augen hält, dass dieser Standardwerkstoff des Leichtbaues keinesfalls über 5150 C erhitzt werden soll. Nun hat aber das auf Aluminium und seinen Legierungen sich bildende Oxyd
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Legierungszusätze nur unwesentlich erniedrigt wird.
Die Vorgänge beim Schweissen von Stählen werden ebenfalls durch die Betrachtung der Schmelzpunkte derselben und ihrer Oxyde beleuchtet. Auf reinem Eisen (Schmelzpunkt 1528 C) treten der Reihe nach von innen nach
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überwiegende FeO hat also einen Schmelzpunkt, der um 151 C unter dem des Eisens liegt. Es lässt sich abschätzen, dass die Schweissung nach Wegquetschen des flüssigen Oxydes einsetzt und durch dieses keine entscheidende Störung erfährt. Sie findet jedoch bei Temperaturen über 1400 C statt. Im Vergleich dazu haben andererseits Pressschweissversuche im Vakuum gezeigt, dass ein Verschweissen von reinem Eisen bereits ab 900 C möglich ist und bei 1100 C einen Festigkeitsbestwert ergibt.
Bei legierten Stählen sind die Verhältnisse wesentlich anders als bei reinem Eisen. Die Soliduspunkte liegen meist bei bedeutend tieferen Temperaturen, während der Oxydschmelzpunkt ungleich höher liegt. Die auf Legierungen sich
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bildenden Oxyde werden nämlich, in Abhängigkeit von der Bildungswärme und dem Zersetzungsdruck, vielfach durch die Legierungskomponenten und nicht durch das Basismetall bestimmt. So bildet sich auf Chromstählen in
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um mindestens 7500 über den Solidus-bzw.
Liquiduspunkten der Chromstähle liegt. Alumi- niumstähle bilden das bereits erwähnte Ale03 (2050 ). Bei den genannten u. a. Störschichten handelt es sich um äusserst zähe und dichte
Häute, welche bis zu ihrer Zerstörung eine
Schweissung durch Rekristallisation oder Zu- sammenschmelzen verhindern. Im Falle ihrer
Zertrennung bleiben sie als Verunreinigung im aufgeschmolzenen Schweisskern zurück.
Man hat versucht, diese Schwierigkeiten durch schweisstechnische Mittel zu bekämpfen. So ist es bekannt, bei Aluminium und seinen Legierun- gen und bei den meisten legierten Stählen mit hohen Stromstärken und kurzen Schweisszeiten zu arbeiten. Dies erfordert z. B. zur Punkt- schweissung von 3 mm starken Aluminiumblechen
Schweissmaschinen mit einem Anschlusswert von
450 kVA und komplizierte Zeitsteuergeräte. Die durch solche Mittel erzeugten Schweisspunkte weisen infolge der verringerten Überhitzungs- dauer und der verkleinerten Wärmeeinflusszonen bessere Eigenschaften auf, als mit gewöhnlichen
Schweissmaschinen erzielte. Trotzdem sind mit diesen Spezialgeräten weder die Projektions- schweissung noch die sogenannte Quetschnaht zu erzwingen.
In beiden Fällen liegt die Ursache wohl daran, dass die Warzen bzw. der Quetschsaum bereits völlig flachgedrückt werden, bevor der Werkstoff eine Temperatur erreicht, die zur Zerstörung der Oxydhaut führt.
Diese Umstände haben in Fachkreisen zur Ansicht geführt, dass die Widerstandsschweissung von Aluminium und seinen Legierungen und der legierten Stähle nur über den schmelzflüssigen Zustand möglich ist und die geschlossene Einbettung des flüssigen Schweisskernes in kaltem Werkstoff erfordert. Daher wird auch allgemein die Ansicht vertreten, dass Projektionsschweissung und Quetschnaht bei den fraglichen Metallen und Legierungen überhaupt undurchführbar sind.
Die vorliegende Erfindung schlägt nun vor, das geschilderte Problem mit Hilfe der Legierungstechnik zu lösen. Sie stellt die technische Regel auf, den Basismetallen solche Komponenten zuzulegieren, welche den Schmelzpunkt der Deckschichten ausreichend erniedrigen. Dieser soll durch die Massnahmen der Erfindung mindestens tiefer als der Soliduspunkt des Schweisswerkstoffes, vorzugsweise unterhalb dessen Rekristalli- sations-Temperaturschwelle liegen. Als Komponenten kommen vorwiegend Metalle in Betracht, deren Oxyd einen ausreichend tiefen Schmelzpunkt aufweist. Mit Vorzug sind Komponenten zu wählen, deren Oxyde den Schmelzpunkt des entstehenden Oxydgemisches stärker absenken, als dem mengenmässigen Anteil entspricht.
Um die Erfindung wirksam zu machen, genügt es, wenn eine Plattier-oder Zementierschicht die vorgeschlagenen Komponenten aufweist.
Für die Herstellung von Stählen mit besonderer Eignung für die Widerstandsschweissung kommen die nachstehenden Zusätze in Anwendung : Bor in Zusätzen bis zu 0-1% setzt infolge des ungewöhnlich tiefliegenden Schmelzpunktes seines Oxydes B2Og (294 C) den Schmelzpunkt der auf Stählen sich bildenden Deckschichten energisch herab. Höhere Borzusätze können sogar Stähle mit ausgesprochen feuerfesten Oxyden schweissbar machen. Als weitere Zusätze werden vorge-
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654-8 C) und Arsen (As2Oa sub !., 321 0 C). An Stelle oder in Kombination mit den angeführten Zusätzen können auch solche Anwendung finden, deren Oxyde sich bereits unterhalb der für die Pressschweissung massgebenden RekristallisationsTemperaturschwelle zersetzen.
Da es sich hiebei um Platin und die Platinbegleitmetalle handelt, kommen diese Zusätze nur dort in Frage, wo die dadurch bedingte Preisbelastung gerechtfertigt erscheint.
Zur Herstellung von Aluminium-und unter Umständen Magnesiumlegierungen werden ebenfalls Borzusätze vorgeschlagen. Im Gegensatz zu Eisen nimmt jedoch Aluminium davon grössere Mengen in fester Lösung auf, so dass Zusätze bis 1. 7% zu Knetwerkstoffen und höhere für Guss angewendet werden können. Bor wurde als Zusatzwerkstoff für Aluminiumlegierungen bereits verwendet, um entweder das Korn zu verfeinern oder die Festigkeit zu erhöhen. Diese Absichten konnten jedoch auch mit Komponenten erreicht werden, deren Einbringung ungleich leichter ist, als die von Bor. Aluminiumlegierungen mit Borzusätzen konnten sich daher in der Praxis nicht durchsetzen. Im vorliegenden Fall geht es auch nicht um die Wirkung von Bor auf die entstehende Legierung, sondern auf deren Deckschicht. Neben Bor kommen vorzugsweise kleine Mengen von Alkali-bzw.
Erdalkalimetallen als Zusätze zu Aluminium in Betracht. Es handelt
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380 C, und CS204) 4320 C) und Rubidium, dessen verschiedene Oxyde ebenfalls tiefliegende Schmelzpunkte aufweisen. Weiter kommen geringe Zusätze von Antimon, Arsen und Blei in Frage, wobei letzteres eine koagulierende Wirkung auf Alios ausübt. Als Zusatzmetall, dessen Oxyd sich unterhalb der Schweisstemperatur zersetzt, kommt Silber mit Gehalten bis zu 0-75% zu Knetlegierungen in Vorschlag.
Die meisten dieser Zusätze werden selbstverständlich in der Legierungstechnik bereits verwendet. Die vorliegende Erfindung schlägt dagegen vor, diese Zusätze allein oder in Kombinationen zur Erniedrigung des Schmelzpunktes der entstehenden Deckschichten anzuwenden. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, die Zusätze so aus-
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wird der Fertigungsausschuss verringert und die Ermittlung brauchbarer Schweisseinstellungen erleichtert. Es können daher ohne hochwertige Spezialarbeitskräfte mit einfachen Schweisseinrichtungen rationelle Fertigungsziele erreicht werden.
Die vorgeschlagenen Sonderwerkstoffe für
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angewendet werden. Sie sind besonders für die Herstellung druckdichter Aluminiumbehälter, zur Fertigung geschweisster Rohre sowie zur Vergrösserung von Blechformaten durch Quetschnähte vorgesehen.
PATENTANSPRÜCHE : l. Widerstandsschweisswerkstoff, gekennzeichnet durch an sich bekannte Legierungszusätze, welche niedrig schmelzende Oxyde bilden, die den Schmelzpunkt der vor dem Schweissen vorhandenen oder sich während der Schweissung bildenden Deckschicht so weit herabsetzen, dass dieser mindestens unterhalb des Soliduspunktes, vorzugsweise unterhalb der RekristallisationsTemperaturschwelle der Legierung liegt.