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Verfahren und Stahlleiste zur Verbindung eines Teiles aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit einem Stahlteil durch Schweissen
Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, einen Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit einem Stahlteil durch Schweissen zu verbinden.
Diese Aufgabe besteht, seit Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Konstruktionswerkstoff in die
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Praxis hinsichtlich Festigkeit der Schweissnähte, Einfachheit der Durchführung und Wirtschaftlichkeit genügt.
Es ist bekannt, dass die Schutzgas-Lichtbogenschweissung (Argonarc-Schweissung) z. B. die stumpfgeschweisste Verbindung zwischen Aluminium und Stahl unter Einschweissen einer Zwischenschicht aus Reinsilber ermöglicht. Dieses Verfahren ist jedoch wegen des Einschweissens einer besonderen Zwischenschicht umständlich in der Durchführung und wegen des hohen Preises von Reinsilber, aus der die Zwischenschicht besteht, höchstens für Sonderfälle wirtschaftlich tragbar.
Ferner ist einVerfahren zumPressschweissenvonMagnesium und seinenLegierungen unter Einschweissen einer Zinkfolie beschrieben worden. Abgesehen davon, dass bei diesem Verfahren der Schweissvorgang. unter hohem Druck erfolgt und zu seiner Durchführung ebenfalls eine besondere Zwischenschicht erforderlich ist, ermöglicht es nur das Verschweissen von Teilen aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen untereinander, nicht aber solcher Teile mit Stahlteilen.
Die Erfindung bringt eine vorteilhafte Lösung der Aufgabe, ein Verfahren zur Verbindung eines Teiles aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit einem Stahlteil durch Schutzgas-Lichtbogenschweissung zu schaffen, das, wie sich gezeigt hat, den Anforderungen der Praxis gerecht wird. Die Lösung besteht darin, dass der Stahlteil mindestens an der Verbindungsstelle mit dem Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung verzinkt wird und die Schutzgas-Lichtbogenschweissverbindung belderTeile mit blankem Schweiss- draht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung erfolgt, wobei der Lichtbogen mit dem Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung aufrecht erhalten wird.
Die auf diese Weise hergestellte Verbindung ist insofern als eine echte Lichtbogen-Schweissverbindung anzusehen, als einmal hiefür kein Flussmittel benötigt wird und zum andern blanker Schweissdraht entsprechend dem Grundmaterial des Leichtmetallteiles verwendet werden kann. Dabei legieren sich die Komponenten des Schweissdrahtes offenbar den Komponenten der miteinander zu verbindenden Teile an.
Für die erfindungsgemässe Verbindung eignen sich sowohl Aluminium als auch alle unter dem Sammelbegriff"Leichtmetall"bekannten Aluminiumlegierungen und als Stahl alle verzinkbaren Arten des Eisens. Hiezu gehört beispielsweise auch der durch Glühfrischen oder Tempern erzeugte schmiedbare Guss oder Temperguss.
Vorteilhaft erfolgt die Verzinkung des Stahlteiles nach dem Tauchverfahren (Feuerverzinkung), und es hat sich gezeigt, dass bei einer auf diese Weise hergestellten Verzinkung eine besonders gute Haftung der Schweissnaht an dem Stahlteil erzielt wird.
Bei s piel l : Stumpfschweissung eines Stahlbleches mit einem Leichtmetallblech (Fig. l und 2).
Verwendet wurden ein 2 mm starkes, feuerverzinktes Stahlblech (Kesselblech) 1 in der Grösse 100 x 100 mm und ein Leichtmetallblech 2 gleicher Grösse und Stärke in der Legierung Al Mg 3 (halbhart). Das Kesselblech 1 wurde mit der verzinkten Kante 3 im Abstand a von etwa 2 mm parallel an die
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Kante 4 des Leichtmetallbleches angelegt. Die Verbindung der beiden Bleche erfolgte durch Schutzgas-
Lichtbogenschweissung nach dem Argonarc-Verfahren. Der Schweissbrenner war mit einer Düse Nr. 6 be- stückt und der Schweisstransformator auf etwa 70 A eingestellt. Als Schweissdraht wurde Al Si 5 mit 3 mm
Durchmesser benutzt. Der Argonverbrauch betrug konstant 6 l/min. Die Brenndüse wurde so entlang der
Naht geführt, dass der Lichtbogen nur mit dem Leichtmetallblech gebildet wurde.
Die Breite b der I-för- migen Schweissnaht 5 betrug etwa 8 mm und ihre Höhe h beiderseits je etwa 1 mm. Die Oberfläche der
Schweissnaht glich im Aussehen der einer normalen Lichtbogenschweissnaht.
Die zusammengeschweissten Bleche wurden nach dem Erkalten einer Biegeprobe unterworfen und da- bei', wie in Fig. l strichpunktiert wiedergegeben, um etwa 1800 umgebogen. Irgendwelche Bruch- bzw.
Rissbildungen oder Ablöseerscheinungen an der Schweissnaht wurden nicht festgestellt.
Beispiel 2 : Kehlnahtschweissung eines Stahlbleches mit einem Leichtmetallblech (Fig. 3).
DieKehlnahtschweissung wurde mit Blechen 1 und 2 durchgeführt, welche die gleichen Eigenschaften und Abmessungen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel besassen. Dabei wurde das feuerverzinkt Stahl- oder Kesselblech 1 durch eine doppelseitige leichte Kehlnaht 6 mit je einem Radius r von etwa 8 mm senkrecht und mittig stossend auf das Leichtmetallblech 2 aufgebracht. Der Schweissvorgang selbst erfolgte sinngemäss in der oben beschriebenen und in Fig. 3 veranschaulichten Weise. In dieser Figur ist der
Schweissbrenner 7 in der Zündstellung wiedergegeben.
Bei dem eigentlichen Schweissvorgang wurde der Brenner näher an die Stossstelle der Bleche gerückt, jedoch immer noch in einem so grossen Abstand entlang dem Kesselblech geführt, dass der Lichtbogen nur mit dem Leichtmetallblech aufrecht erhalten blieb.
Die so hergestellte Kehlnaht entsprach in ihrem Aussehen ebenfalls einer normalen Leichtmetallschweissnaht.
Nach dem Erkalten wurde eine Hälfte des Leichtmetallblechs 2 eingespannt und das Stahlblech 1 dann, wie in Fig. 3 strichpunktiert angedeutet, um 900 umgebogen. Auch hiebei wurden weder Bruch- oder Rissbildungen noch Ablöseerscheinungen der Schweissnaht festgestellt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch dahingehend abgeändert werden, dass zwischen den Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und den mit diesem zu verbindenden Stahlteil eine Stahlleiste gelegt wird, die mindestens an dem demTeil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung zugewandtenRand verzinkt ist, und dass die Leiste mit diesem Rand an den Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung angeschweisst und mit dem andern Rand, vorzugsweise ebenfalls durch Schweissung, mit dem Stahlteil verbunden wird. In diesem Fall braucht nur die Stahlleiste, nicht jedoch der Stahlteil selbst verzinkt zu werden. Dies ist insofern von Vorteil, als sich die Leiste in vielen Fällen leichter und mit geringerem Zinkaufwand als der Stahlteil verzinken lässt.
Bei Verbindung der Stahlleiste mit dem Teil aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung durch eine doppelseitige Schweissnaht ist die Leiste vorteilhaft so ausgebildet, dass sie einen schmalen, rechteckigen Querschnitt besitzt und an der Schweisskante Löcher oder Aussparungen aufweist, die einen so grossenquer- schnitt haben und in so geringem Abstand voneinander angeordnet sind, dass sowohl das Zink als auch das Aluminium bzw. die Aluminiumlegierung auf der dieser Schweissnaht gegenüberliegenden Seite gegen Oxydation geschützt sind. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich die beiderseitigen Schweissnähte fest und homogen mit der Stahlleiste verbinden.
Weitere Merkmale und Vorteilebei der erfindungsgemässen Verbindung eines Teiles aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit einem Stahlteil unter Zwischenschaltung einer Stahlleiste ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Zeichnung. Diese gibt in den Fig. 4-9 mehrere Beispiele für eine solche Verbindung wieder, u. zw. zeigt Fig. 4 und 5 ein Aluminiumrohr in Schweissverbindung mit einem Winkelstahl, Fig. 6 ein mit einem Aluminiumblech verschweisstes Stahlblech in Ansicht und Fig. 7-9 Querschnitte einer solchen Schweissverbindung bei Verwendung verschiedenartiger Stahlleisten.
In Fig. 4 und 5 stellen 8 ein Aluminiumrohr und 9 einen Winkelstahl aus normalem Walzprofil dar.
Zwischen diesen Teilen ist eine im Querschnitt rechteckige Stahlleiste 10 angeordnet, die ebenfalls aus normalem Walzprofil besteht und, wie in Fig. 4 durch die dick ausgezogene Linie 11 angedeutet, an dem dem Aluminiumrohr zugewandten Rand verzinkt ist. An diesem Rand ist die Stahlleiste nach dem erfindungsgemässen Verfahren durch eine doppelseitige Kehlnaht 12 an das Aluminiumrohr angeschweisst. An dem ändern Rand ist die Stahlleiste ebenfalls durch eine doppelseitige Kehlnaht 13 mit dem Winkelstahl verschweisst. Da es sich hier um die Verschweissung zweier Stahlteile handelt, erfolgt die Herstellung der Kehlnähte 13 in herkömmlicher Weise, z. B. durch Lichtbogenschweissung.
Die Stahlleiste kann z. B. durch Walzen oder Ziehen hergestellt und durch entsprechende Profilgebung leicht den jeweiligen Verhältnissen angepasst werden. So ist beispielsweise für die Verbindung eines Aluminiumbleches mit einem Stahlblech eine Stahlleiste 14 geeignet, wie sie in den Fig. 6 und 7 in Ansicht
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und im Querscnnitt wiedergegeben ist. Diese Leiste ist einerseits durch eine X-Naht 15 mit dem Stahlblech 16 und anderseits durch eine mittels Schutzgas-Lichtbogenschweissung hergestellte I-Stumpfnaht 17 mit dem Aluminiumblech verbunden. Zu diesem Zweck ist die Leiste 14 im Bereich 18, der von der I-Naht 17 bedeckt wird. verzinkt. Weiterhin ist die Leiste derart ausgebildet, dass sie an dem dem Aluminiumblech zugewandten Rand einen etwa W-förmigen Querschnitt besitzt.
Durch diese Querschnittsform ist sehr vorteilhaft dafür gesorgt, dass die Leiste der I-Naht eine grosse Oberfläche bietet. Schliesslich weist die Leiste in der durch den W-förmigen Querschnitt gebildeten Zunge 19 eine Reihe von Löchern 20 auf. Diese besitzen einen so grossen Durchmesser und sind in einem so geringen Abstand voneinder angeordnet, dass beim Aufbringen des ersten Wulstes der I-Naht 17 ständig eine derartige Menge Schutzgas, wie z. B. Argon, durch die Löcher hindurchtritt, dass das Zink und das Aluminiumblech 21 auf der rückwärtigen Seite gegen Oxydation geschützt sind. Hiedurch ist insbesondere gewährleistet, dass die Zinkschicht auf dieser Seite der Leiste vollständig erhalten bleibt und unbeschädigt für das Aufbringen des zweiten Wulstes derI-Naht zur Verfügung steht.
Man erhält dadurch eine I-Naht 17, die beiderseits innig mit der Stahlleiste verbunden ist. Dabei ist durch die Löcher 20 noch der weitere Vorteil gegeben, dass durch diese hindurch die beiderseitigen Wülste der I-Naht miteinander verschmelzen und so ihrerseits einen guten Zusammenhang aufweisen.
Das Verschmelzen der beiderseitigen Wülste durch die Löcher 20 hindurch bringt ausserdem den Vorteil mit sich, dass die Schweissverbindung der Leiste 14 mit dem Aluminiumblech 21 eine hohe Zugfestigkeit besitzt. Unter der Einwirkung von Zugkräften werden nämlich die einzelnen Zapfen, welche die Löcher 20 ausfüllen und die beiden Wülste der I-Naht miteinander verbinden, auf Abscheren beansprucht, und diese Scherbeanspruchung trägt mit dazu bei, dass die Schweissnaht 17 hohe Zugkräfte aufnehmen kann. Damit sich das Schweissmaterial auch innerhalb der Löcher fest mit der Leiste verbindet, erfolgt das Verzinken der Leiste vorteilhaft erst, nachdem sie mit den Löchern versehen worden ist.
Die Grösse der Löcher richtet sich vor allem nach der Breite des von der I-Naht 17 bedeckten Bereiches 18 der Stahlleiste. Beträgt die Breite dieses Bereiches beispielsweise 10 mm, so wählt man den Durchmesser der Löcher zweckmässig etwa 3 - 6 mm. Bei grösseren Breiten des erwähnten Bereiches 18 kann man den Durchmesser der Löcher entsprechend vergrössern. Anderseits empfiehlt es sich jedoch, auch bei kleineren Breiten des Bereiches 18 als etwa 10 mm, den Durchmesser der Löcher nicht kleiner als etwa 2 mm zu wählen. Den gegenseitigen Abstand 22 der Löcher bemisst man zweckmässig ungefähr gleich deren Durchmesser.
Durch den W-förmigen Querschnitt der Stahlleiste an dem dem Aluminiumblech zugewandten Rand
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dünn ist und die Löcher somit nur eine geringe Länge aufweisen. Beim Ziehen der ersten Schweissnaht bieten die Löcher daher dem Durchtritt des Schutzgases nur wenig Widerstand. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei einer verhältnismässig dicken Stahlleiste genügend Schutzgas durch die Löcher auf die gegenüberliegende Seite der Stahlleiste gelangt, um hier das Zink und das Aluminiumblech gegen Oxydation zu schützen.
AnStelle der Löcher 20 können, wie Fig. 6 zeigt, an der Kante der Stahlleiste, die dem Aluminiumblech zugewandt ist, auch Aussparungen 23 vorgesehen sein. In den Fällen, In denen die Schweissverbin- dung auf Zug beansprucht ist, erhalten die Aussparungen vorteilhaft einen sich zur Schweisskante hin verjüngenden, beispielsweise, wie gezeichnet, schwalbenschwanzförmigen Querschnitt. Unter der Einwirkung von Zugkräften treten dann an den schrägen Flanken der Aussparungen ebenfalls Scherkräfte auf, wodurch die Schweissverbindung eine erhöhte Zugfestigkeit erhält. Wo es auf eine besonders hohe Zugfestigkeit nicht so sehr ankommt, können die Aussparungen auch einen rechteckigen, z. B. quadratischen oder einen sich zur Schweisskante hin erweiternden Querschnitt haben.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 8 ist zwischen dem Aluminiumblech 21 und dem Stahlblech 16 eine Stahlleiste 24 angeordnet. die sich von der vorbeschriebenen lediglich dadurch unterscheidet, dass sie zum Zwecke der Oberflächenvergrösserung in dem Bereich 18 stufenförmig abgesetzt ist. Auch hiemit ist der Vorteil verbunden, dass die Löcher 20 (oder die Aussparungen 23) nur eine kurze Länge besitzen und demgemäss dem Durchtritt des Schutzgases einen geringen Widerstand bieten.
Eine für viele Fälle hinreichende Oberflächenvergrösserung der Stahlleiste im Bereich 18 kann auch schon dadurch erzielt werden, dass die Stahlleiste hier schneidenartig abgeschrägt ist. Insbesondere bei einer solchen Abschrägung ist es nützlich, die an sich ebenen Schrägflächen mit Riefen zu versehen.
Durch derartige Riefen, die leicht mit Hilfe von Rändel-oder Kordelrädern eingedrückt werden können, erhält man eine zusätzliche Oberflächenvergrösserung. Ausserdem werden auf diese Weise die Schrägflä-
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chen aufgerauht und zerklüftet. Dies ist insofern vorteilhaft. als dadurch die Zugfestigkeit der Schweissverbindung gesteigert wird.
Während es sich bei den oben beschriebenenStahlleisten um gewalzte oder gezogene Profile handelt, zeigt Fig. 9 eine Stahlleiste, die aus einem U-förmigen Grundkörper, insbesondere einem U-förmig gebogenen Blechstreifen 20 und einem zwischen dessen Schenkeln durch Schweisspunkte 26 befestigten Flachstahl 27 zusammengesetzt ist. Statt durch Punktschweissen kann die Befestigung des Flachstahles auch auf andere Weise, z. B. durch Nieten erfolgen. Das Flacheisen ist so bemessen, dass es etwas über die Schenkel des Blechstreifens vorsteht, und weist in dem vorstehenden Teil eine Reihe von Löchern 28 auf. Nach dem Zusammenbau der Leiste wird sie in dem durch die dick ausgezogene Linie angedeuteten Bereich 29 verzinkt.
Auf diese Weise erhält man eine Stahlleiste, die leicht hergestellt werden kann und ausserdem den Vorteil aufweist, dass sie an dem Rand, mit dem sie an das Aluminiumblech angeschweisst ist, stufenförmig abgesetzt ist und somit hier eine grosse Oberfläche besitzt.
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undverbindenden Bleche zu haben, sondern können auch etwas dicker oder dünner als diese sein. Dies ist insofern von Vorteil, als man nicht für jede Blechstärke eine entsprechend dicke Leiste auf Lager zu halten braucht, vielmehr ein und dieselbe Leiste für verschieden starke Bleche verwenden kann.
Wenn ein Aluminium- oder Leichtmetallblech unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung einer Stahlleiste, mit einem Stahlblech verbunden werden soll, empfiehlt es sich, insbesondere wenn höhere Anforderungen an die Festigkeit der Schweissverbindung gestellt werden, die Schweisskante des Stahlbleches entsprechend den Fig. 7 und 8 auszubilden und mit Löchern zu versehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verbindung eines Teiles aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit einem Stahlteil durch Schutzgas-Lichtbogenschweissung, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlteil mindestens an der Verbindungsstelle mit dem Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung verzinkt wird und die Schutz- gas-Lichtbogenschweissverbindung beider Teile mit blankem Aluminium oder Aluminiumlegierungs- schweissdraht erfolgt, wobei der Lichtbogen mit dem Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung aufrecht erhalten wird.