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Verfahren und Vorrichtung zum Verschweissen von insbesondere Stahlfeinblechen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweissen von insbesondere Feinblechen, vorzugsweise unlegierten Stahlfeinblechen, für Blechdicken ab 0, 7 bis etwa 3 mm. Es ist ein Verfahren zum Stumpfschweissen von vorwiegend hochlegierten Blechen bekannt, welches auf der Anwendung eines Plasmastrahls beruht. Durch die hohe Energiekonzentration dieses Strahles werden die zu verschweissenden Stirnflächen über die ganze Werkstückdicke aufgeschmolzen. Der flüssige Werkstoff wird beiseite geschoben und nach dem Brenner läuft der geschmolzene Werkstoff wieder zusammen.
Dies wird durch die Oberflächenspannung bewirkt. Die durch das Auseinanderschieben des Werkstoffes entstehende Öffnung wird als sogenannter Schlüssellocheffekt bezeichnet.
Ferner ist eine Vorrichtung bekannt, welche zum Stumpfschweissen von legierten Feinblechen verwendet wird. Der Strom wird hiebei über zwei Elektrodemollen, welche oberhalb und unterhalb der zu verschweissenden Bleche entlang geführt werden, zugeführt, wodurch ein entsprechendes Wärmezentrum erzeugt wird. Um eine Erwärmung beider Bleche und damit eine einwandfreie Verschweissung zu gewährleisten, werden auf die Stossstellen Folien aufgelegt, die bei der Stromverteilung auf die Blechkanten als Strombrücke dienen. Voraussetzung ist, dass die Folien unbedingt mittig auf die Naht aufgebracht werden, wozu entsprechende Führungseinrichtungen vorhanden sein müssen. Dazu wird eine sogenannte Leiteinrichtung verwendet.
Der für die Verschweissung nach diesem Verfahren erforderliche Anpressdruck der Blechkanten aneinander wird durch die Ausdehnung bei der Erwärmung bewirkt, indem die Bleche vorzugsweise elektromagnetisch gespannt werden, so dass die Ausdehnung nur in Richtung der Blechkanten zueinander erfolgen kann. Dazu kommt der durch die Elektrodenrollen ausgeübte statische Druck in vertikaler Richtung.
Nachteilig bei dem genannten Verfahren ist, dass es nur für hochlegierte Bleche angewendet werden kann, wobei die Blechstärke nicht unter 3 mm liegen darf.
Bei der erwähnten Vorrichtung ist, bedingt durch den hohen Anpressdruck der Elektrodenrollen, ein grosser Verschleiss derselben zu verzeichnen, so dass eine entsprechende Lagerhaltung an Ersatzteilen notwendig ist. Der durch die Schweissgeschwindigkeit bedingte Wärmeeinfluss auf die Blechkanten bewirkt einen Verzug der Bleche, so dass ein zusätzliches Richten erforderlich ist. Bereits geringe Abweichungen der Folie aus der Mittellage bringen eine Minderung der Schweissnahtgüte mit sich. Ein wesentlicher Nachteil ist das nachträgliche Wärmebehandeln der Nähte, um Rissbildungen zu vermeiden. Eine Dichtschweissung ist nicht möglich, da Porenbildung auftritt. Wenn legierte Bleche verschweisst werden sollen, ist jeweils eine Folie entsprechender Zusammensetzung zu verwenden. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer grossen Lagerhaltung verschiedenartiger Folien.
Zweck der Erfindung ist es, ein Schweissverfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu entwickeln, womit die geschilderten Nachteile beseitigt werden können, indem das Verschweissen von wie bisher unlegierten aber auch legierten Blechen ohne Verwendung von Folien ermöglicht wird, die nachträgliche Wärmebehandlung entfällt und eine Porenbildung vermieden wird, d. h. dass auch solche Schweissnähte hergestellt werden können, die eine Dichtheit gewährleisten, wie dies beispielsweise bei Behältern für Gase oder Flüssigkeiten der Fall ist.
Weiterhin soll erreicht werden, dass Bleche unter 3 mm Stärke unter den genannten Bedingungen miteinander verbunden werden können.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schweissverfahrens und der dazu erforderlichen Vorrichtung, welche geeignet sind, die Stahlfeinbleche unter Anwendung des bereits bekannten Plasma- schweissverfahrens miteinander zu verbinden, wobei gegenüber dem bisher bekannten Stand der Technik
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eine grössere Schweissgeschwindigkeit erreicht werden soll und eine Nachbearbeitung der Schweissnaht nicht mehr erforderlich ist.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei welchem mittels des schräg auf das Werkstück gerichteten Plasmabrenners durch ein magnetisches Feld der Lichtbogen so abgelenkt wird, dass eine im Zentrum des den Lichtbogen umgebenden äusseren Schutzgasmantels liegende Schmelzzone erzeugt wird, das Werkstück mit einer den Lichtbogen im Wesen unbeeinflusst lassenden magnetischen Spannvorrichtung gehalten und die Schweissnaht auch von der Wurzelseite her von Schutzgas umspült wird.
Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung besteht aus der Kombination der folgenden Merkmale : a) einem lichtbogenerzeugenden Brenner, um welchen ein Magnet angeordnet ist, dessen Polschuhe vorzugsweise in Höhe der Düsenöffnung in einer kreisringausschnittähnlichen Grundfläche enden und hier ihren geringsten Abstand aufweisen, wobei zwischen den Polschuhen ein nichtmagnetischer Werkstoff angeordnet ist ; b) einer um die Lichtbogendüse angeordneten Ringdüse, durch welche das das Schmelzbad vor der Atmosphäre schützende Gas derart ausgeblasen wird, dass es kegelförmig auseinanderströmt und eine schützende Glocke über dem Plasmabogen und dem Schmelzbad bildet ;
c) einer elektromagnetischen Spannvorrichtung, deren Magnetspulen 11 und zugehörigen Eisenkerne 12 in nichtmagnetischem Werkstoff 13 eingebettet und vorzugsweise beidseitig des Lichtbogens 3 in dessen Bewegungsrichtung angeordnet sind, wobei der der Oberseite der Spannplatte zugewandte Spulenteil mit einer Platte 14 aus nichtmagnetischem Werkstoff abgedeckt ist ;
d) einer Schweissunterlage, die mit einer schwalbenschwanzförmigen Nut versehen ist, in deren Mitte sich ein vorzugsweise rechteckiger oder quadratischer Stab befindet, welcher an seiner Unterseite eine Rille aufweist, die mittels in der Schweissunterlage angebrachter Bohrungen mit einem ebenfalls in der Schweissunterlage befindlichen Kanal in Verbindung steht und der Stab an seiner Unterseite in bestimmten Abständen Qj. emuten aufweist und an seinen Oberkanten mit schrägen Nuten versehen ist, wobei der Stab aus hitzebeständigem, Dichtleitendem Material besteht ; e) einer Schweissbadsicherung, die von einem mehratomigen Gas, vorzugsweise Wasserstoff in Verbindung mit einem inerten Gas, vorzugsweise Argon, in einem von der Werkstoffdicke abhängigen Mischungsverhältnis gebildet wird, welches auf die Schweissnahtwurzelseite gespült wird ;
f) einer Andrückvorrichtung zur Fixierung des zu verschweissenden Materials im unmittelbaren Bereich der Schweisszone durch die Anordnung von Wälz- oder Gleitkörpern, welche unmittelbar vor bzw. vor und hinter dem Brenner mit dem Werkstoff in kraftschlüssiger Verbindung stehen und denen Federn zugeordnet sind.
Die erfindungsgemässe Ausführung weist gegenüber den bisher bekannten die folgenden Vorteile auf :
Der Energieverbrauch liegt niedriger als beispielsweise beim Folienstumpfnahtschweissverfahren, was sich günstig auf die Kosten auswirkt. Der erforderliche hohe Anpressdruck der Rollenelektroden bei diesem Verfahren bedingt einen grossen Verschleiss der Teile. Dieser Nachteil entfällt bei der erfindunggemässen Ausführung, indem die Übertragung der zur Erwärmung der Bleche notwendigen Energie unter Ausschluss gleitender Teile bzw. auf dem Blech abrollender Elektroden erfolgt. Die Schweissgeschwindigkeit liegt bei den meisten Blechdicken innerhalb des Anwendungsbereiches der Dünnblechschweissmaschine, also bei Blechdicken zwischen 0, 7 und 3 mm, höher als bei den bisher üblichen Verfahren und Vorrichtungen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Möglichkeit der Verschweissung von legierten Stahlfeinblechen ohne zusätzliche Schweissmittel, z. B. in Form von Folien, welche dem jeweiligen Schweissgut in ihrer Zusammensetzung entsprechen müssen. Die Schweissung ist porenfrei, so dass damit auch solche Schweissnähte ausgeführt werden können, von denen Dichtheit gefordert werden muss. Die Nahtüberhöhung ist infolge der glättenden Wirkung des Lichtbogens so gering, dass eine Nachbearbeitung entfallen kann. Die Aufwärmzone ist geringer als beim Folienstumpfschweissverfahren, so dass dadurch nur ein ganz geringer Wärmeverzug entsteht, welcher die sonst erhebliche Schrumpfung sowohl in Längsals auch in Querrichtung auf ein Mindestmass reduziert.
Der Schweissspalt zwischen den zu verbindenden Blechen lässt grössere Toleranzen zu, als dies bisher möglich war, ohne dass die Nahtgüte in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Gegenüber den bekannten Schweissverfahren, welche beispielsweise bei Veränderung der Blechdicke gleichfalls eine Veränderung der entsprechenden Parameter bedingen, ist dies bei der aufgezeigten Erfindung nicht der Fall. Ohne Verstellung am Schweissaggregat können die unterschiedlichen Blechdicken im Anwendungsbereich der Vorrichtung verschweisst werden. Es handelt sich hiebei um Stromstärke, Gaszufuhr, Brennerabstand, Elektrodenabstand, Elektrodendurchmesser, Düsendurchmesser. Lediglich die Regelung der Schweissgeschwindigkeit erfolgt in Abhängigkeit von der Blechdicke.
Diese einfache Bedienungsweise spart Zeit und vermeidet weitestgehend Einstellungsfehler bzw. notwendige langwierige Versuche, um die notwendigen Parameter zu finden. Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens notwendige Vorrichtung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen :
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Fig. l einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Ausführung der Vorrichtung, Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Ausführung, Fig. 3 den Lichtbogen erzeugenden Brenner, Fig. 4 die Andrückvorrichtung in der Seitenansicht.
Die um den Brenner 22 angeordneten Magnete 1, 2 bewirken eine Konzentration des Lichtbogens 3, welcher nach Verlassen der Düse 4 in das etwa senkrecht zum Lichtbogen 3 und zur Aufschmelzrichtung liegende Magnetfeld eintritt. Der stromführende Bogenkern 6 wird dadurch entgegen der Schweissrichtung abgelenkt, wodurch eine bessere und gleichmässigere Nahtausbildung bewirkt wird. Der nichtleitende kalte Bogenmantel 7 wird von dem Magnetfeld nicht beeinflusst und behält seine ursprüngliche Richtung bei. Die Feldstärke des Magnetfeldes muss so stark sein, dass der Bogenkem 6 soweit abgelenkt wird, dass er etwa in der Mitte des Bogenmantels 7 auf den Werkstoff 8 auftrifft und ihn aufschmilzt.
Das Schutzgas 9, welches das Schmelzbad abschirmt, wird aus einer Ringdüse 10 ausgeblasen, welche so ausgestaltet ist, dass das Schutzgas 9, welches das Schmelzbad abschirmt, kegelförmig auseinanderströmt und den Lichtbogen 3 sowie das Schmelzbad überdeckt. Die Festspannung des Werkstoffes 8 erfolgt mittels elektromagnetischer Spannplatten, deren Magnetspulen 11 und Eisenkerne 12 in nichtmagnetischem Werkstoff 13 eingebettet sind. Die Magnetspulen 11 sind vorzugsweise vertikal zur Lichtbogenrichtung angeordnet. Der der Oberseite der Spannplatten zugewandte Spulenteil ist mit einer Platte 14 aus nichtmagnetischem Werkstoff abgedeckt.
Diese Anordnung bewirkt, dass der Lichtbogen nur ganz geringfügig durch das Magnetfeld der Spannvorrichtung beeinflusst wird. Um ein Eindringen von Sauerstoffin das Schmelzbad von unten, d. h. in die Schweissnahtwurzel, zu vermeiden, ist die Schweissunterlage mit einer schwalbenschwanzförmigen Nut 15 versehen, in deren Mitte sich ein vorzugsweise rechteckiger oder quadratischer Stab 16 befindet. Dieser weist an seiner Unterseite eine Rille 17 auf, welche durch Bohrungen 18 mit einem Kanal 19, der in der Schweissunterlage angeordnet ist, in Verbindung steht. Der Stab 16 ist an seiner Unterseite mit Quernuten 20 versehen, während die Oberkanten schräge Nuten 21 aufweisen. Der Stab 16 besteht aus einem nichtleitenden, hitzebeständigen Material.
Das Schutzgas strömt über den Kanal 19 durch die Bohrungen 18 in die Rille 17 ein und fliesst von dort über die Quernuten 20 und die schrägen Nuten 21 zur Unterseite des Werkstoffes und umspült dabei die Schweissnahtwurzelseite.
Als Schutzgas wird ein mehratomiges Gas verwendet, welches vorzugsweise aus einer Mischung von Wasserstoff in Verbindung mit inertem Gas, vorzugsweise Argon, besteht. Das Mischungsverhältnis ist abhängig von der Werkstoffdicke. Die Magnete 1, 2 des den Lichtbogen erzeugenden Brenners 22 sind so angeordnet, dass die Polschuhe 23 in Höhe der Düsenöffnung 24 in einer kreisringausschnitt- ähnlichen Grundfläche 25 enden und hier ihren geringsten Abstand 26 aufweisen. Zwischen den Polschuhen 23 ist vorzugsweise ein nichtmagnetischer Werkstoff 29 angeordnet. Fig. 3 zeigt den Brenner 22 auseinandergezogen dargestellt. Die Düsenöffnung 24 liegt im Betriebszustand in Höhe der Grundfläche 25.
Um ein einwandfreies Aufliegen des Werkstoffes im unmittelbaren Schweissbereich zu erzielen, was zur Erzeugung einer einwandfreien Schweissnaht unerlässlich ist, sind zur Fixierung des zu verschweissenden Materials Wälzkörper 27 angebracht, die mittels Federn 28 gegen den Werkstoff gedrückt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die zu verbindenden Werkstoffteile im unmittelbaren Schweissbereich keinen Versatz gegeneinander aufweisen. Der nachlaufende Wälzkörper verhindert ein Aufreissen des unmittelbar hinter dem Lichtbogen noch nicht erstarrten Schmelzbades infolge auftretender Wärmespannungen bzw. Werkstoffverformungen. Die Wälzkörper 27 können auch durch Gleitschuhe od. ähnl. ersetzt werden. Dergleichen kann der Anpressdruck auch durch eine starre Verbindung, beispielsweise eine Stellschraube, bewirkt werden.
Die Wälzkörper 27 sind in Arbeitsrichtung des Lichtbogens unmittelbar vor bzw. vor und hinter diesem angeordnet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Verschweissen von Blechen, insbesondere legierten Stahlfeinblechen, welche eine Stärke von 0, 7 bis 3 mm aufweisen, mittels eines Plasmalichtbogens, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des schräg auf das Werkstück gerichteten Plasmabrenners durch ein magnetisches Feld der Lichtbogen so abgelenkt wird, dass eine im Zentrum des den Lichtbogen umgebenden äusseren Schutzgasmantels liegende Schmelzzone erzeugt wird, das Werkstück mit einer den Lichtbogen im Wesen unbeeinflusst lassenden magnetischen Spannvorrichtung gehalten und die Schweissnaht auch von der Wurzelseite her von Schutzgas umspült wird.