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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Schmelzschweissbarkeit von Metallwerkstoffen auf Grund ihrer Neigung zur Warmrissbildung.
Die Schweissbarkeit eines Grundwerkstoffes kommt bei solchen Schweissverfahren zur vollen Geltung, wo kein Zusatzmaterial verwendet wird und wo deshalb das Schweissgut nur durch Schweissumschmelzung aus dem Grundwerkstoff zustandekommt. Auf diesem Prinzip beruhen mehrere bekannte Schweissbarkeitsprüfungen. Bei diesen wird der Grundwerkstoff einem Schweissprozess unterzogen und nach dessen Beendigung geprüft, ob und in welchem Masse das Schweissgut Warmrisse aufweist.
So ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift Nr. 864160 ein Prüfverfahren bekannt, bei welchem der Grundwerkstoff mit einer gewissen Energie punktförmig angeschweisst wird und die Anschweissung hernach auf Warmrisse untersucht wird. Zeigt die Anschmelzung keine Warmrisse, so wird der einzelne Versuch mit immer höherer Energie bis zur Rissbildung wiederholt, und jene Energiemenge, die gerade noch zu Warmrissen führt, dient als Mass für die Schweissrissigkeit des Werkstoffes. Nachteilig an diesem Verfahren ist vor allem, dass in der Regel zahlreiche Versuche erforderlich sind, bis das Prüfergebnis vorliegt.
Bei andern bekannten Verfahren wieder wird der Grundwerkstoff mit Schweissnähten versehen und geprüft, in welchem Masse die Schweissnähte Warmrisse zeigen. Bei all diesen Verfahren wird während des einzelnen Versuches immer sowohl die Schweissgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit des Schweissbrenners) als auch die Wärmezufuhr (Wärmemenge pro Zeiteinheit) konstant gehalten.
Vielfach ist bei diesen Verfahren jedoch eine erhebliche Werkstoffmenge (bis zu einigen Kilogramm) für einen Prüfversuch erforderlich und die Prüfungen sind meist sehr mühsam, u. zw. in bezug auf die Vorbereitung (Bearbeitung durch Werkzeugmaschinen) und Durchführung (umfangreiche Schweissarbeiten) als auch in bezug auf die Auswertung selbst, weil es nötig ist, die Schweissnähte zu zerschneiden, in der Werkstatt herzurichten und die metallographischen Schliffe zu untersuchen. Bei einigen dieser Prüfverfahren sind kostspielige Kraftmechanismen notwendig, welche dazu dienen, das Probestück während des Schweissens zu deformieren, und die Bedienung einer solchen Vorrichtung setzt besondere Fachkenntnisse voraus. Trotz all dieser Nachteile sind die Prüfungen vielfach nicht genügend beweiskräftig.
Zwischen der Entnahme des Prüfmaterials und der Auswertung liegt oft ein so grosser Zeitraum, dass das Prüfergebnis der Produktionspraxis schliesslich keinen Nutzen bringt.
Aufgabe der Erfindung ist daher, diese Nachteile zu vermeiden und ein Prüfverfahren anzugeben, das einfach und rasch durchführbar ist, nur eine geringe Werkstoffmenge erfordert und überdies zuverlässige Ergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zum Prüfen der Schmelzschweissbarkeit von Metallwerkstoffen auf Grund ihrer Neigung zur Warmrissbildung, bei dem das Probestück zwecks Bildung einer Schweissraupe mittels eines Lichtbogens oder einer andern Wärmequelle angeschmolzen wird, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Schweissgeschwindigkeit während der Bildung einer einzigen Schweissraupe mit Bedacht geändert wird, während die Wärmeabgabe der Wärmequelle konstant gehalten wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung verfügt demnach über eine zur Schweissraupenbildung nötige Wärmequelle und ausserdem über einen Antriebsmechanismus, dessen Aufgabe es ist, die Wärmequelle während der Bildung der Schweissraupe mit veränderlicher Geschwindigkeit zu bewegen. Das Verhältnis der grössten zur kleinsten Schweissgeschwindigkeit, die der Antriebsmechanismus während der Bildung einer Schweissraupe entwickelt, ist dabei grösser als 1, 01.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass zur Erreichung des Prüfungszweckes gewöhnlich nur ein einziger Versuch und nur an einem einzigen Probestück einfachster Form, kleiner Abmessungen und daher auch geringen Gewichts ausreicht.
Das Prüfverfahren erfordert somit nur eine geringe Werkstoffmenge, da das Probestück z. B. nur die Form eines rechteckigen Prismas von 5 X 35 X 80 mm Grösse aufweisen muss. Die Vorbereitungsarbeiten beschränken sich auf ein Minimum, u. zw. nur darauf, dass eine der Oberflächen sauber und eben herzurichten ist. Probestücke aus Blech beispielsweise sind bereits hinreichend eben, so dass nur eine der Flächen zu reinigen ist und eine Bearbeitung entfällt. Die Durchführung der eigentlichen Prüfarbeit, das Auftragsschweissen der Raupe, erfordert nur 10 bis 20 sec. Zur Auswertung ist keine Bearbeitung notwendig, da das Probestück nur mit einer Lupe untersucht wird.
Die Untersuchung des Probestückes und damit die Ermittlung des Ergebnisses kann vorgenommen werden, sobald sich das Stück nach der Auftragsschweissung abgekühlt hat und es sind auch keinerlei Kraftmechanismen zur Erzwingung einer Deformation des Prüfstückes erforderlich.
Für die zur Brennerführung nötigen Antriebe reichen Kleinmotoren völlig aus, z. B. ein Motor, dessen Leistung nur einige Watt beträgt. Mit Hilfe von Schweissparametern, die durch Vorversuche ermittelt wurden, erzielt man, dass bei der Prüfung die Neigung des Probestückes zur Warmrissbildung in einem grossen Bereich zutagetritt und gut reproduzierbare Ergebnisse liefert.
Das Verfahren ist auch für die Prüfung von Halbfarbikaten grösserer Dimensionen unmittelbar anwendbar, z. B. von Rohren oder Schmiedestücken. Von diesen müssen nicht unbedingt spezielle Prüfstücke hergestellt werden, man muss nur auf dem zu untersuchenden Stück eine für die Schweissraupenbildung geeignete Stelle wählen, diese entsprechend errichten und das Werkstück so anordnen, dass die gewählte Stelle waagrecht zu
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liegen kommt. Natürlich ist es vorteilhaft, die für die Schweissraupe bestimmte Stelle so zu wählen, dass die Raupe späteren Arbeiten nicht im Wege ist und sich nötigenfalls leicht entfernen lässt, etwa durch Abschleifen.
Da die Bildung der Schweissraupe automatisch und daher immer auf die selbe Art erfolgt, kommen bei der Prüfung keine subjektiven Einflüsse zur Geltung, wie Qualifikation und Disposition des Schweissers.
Ein einzelner Versuch gemäss der Erfindung verläuft folgendermassen : Auf dem zu untersuchenden Grundwerkstoff wird, zweckmässig mittels eines zwischen diesem und einer unschmelzbaren Wolframelektrode aufrechterhaltenen Lichtbogens und ohne Verwendung eines Zusatzmaterials, eine Schweissraupe aufgeschweisst.
Zweckmässig wird der Lichtbogen dabei in geeigneter Weise, z. B. durch eine inerte Argonatmosphäre, geschützt.
Vor Beginn des Versuches ist zwischen der Elektrode und dem Grundwerkstoff eine geeignete Entfernung, die Länge des Lichtbogens, einzustellen. Sodann wird der Boden gezündet, z. B. mittels eines Hochfrequenz-Funkens, und zugleich wird der Schweissbrenner in Bewegung gesetzt.
Selbstverständlich kann zum Anschmelzen des Grundwerkstoffes zwecks Bildung der Schweissraupe auch eine andere Wärmequelle verwendet werden als ein elektrischer Lichtbogen, z. B. eine Flamme oder Plasma.
Erfindungsgemäss wird die Schweissgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit mit welcher der Schweissbrenner an dem Probestück entlanggeführt wird, in Abhängigkeit von der vom Brenner zurückgelegten Strecke geändert. Dadurch wird die Schweissgeschwindigkeit auch zeitabhängig. Für die Änderung der Schweissgeschwindigkeit während des Versuches haben sich folgende Gesetzmässigkeiten als geeignet erwiesen : Der Ausgangswert der Schweissgeschwindigkeit nimmt zunächst ab, und nachdem er auf ein Minimum, das auch Null sein kann, abgesunken ist, nimmt er bis zum Erreichen eines Maximums wieder zu, wo der Versuch mit dem Auslöschen des Bogens und zumeist auch mit dem gleichzeitigen Anhalten des Brenners endet. Man kann auch so vorgehen, dass die Geschwindigkeit des Schweissbrenners von einem Anfangswert bis zu einem Maximum erhöht wird, wo der Versuch beendigt wird.
Die Anfangsgeschwindigkeit kann dabei auch Null sein.
Eine auf diese Weise entstandene Schweissraupe weist ihrer Länge nach verschiedene Breiten und Tiefen auf, u. zw. ist der Querschnitt der Raupe dort am grössten, wo die Schweissgeschwindigkeit am kleinsten war und umgekehrt. Infolge der beträchtlichen Veränderlichkeit der Verhältnisse in den einzelnen aufeinanderfolgenden Querschnitten ein und derselben Schweissraupe, ändern sich in weiten Grenzen auch die Bedingungen, welche imstande sind, während der Bildung der Raupe eine Warmrissigkeit hervorzurufen.
Die Neigung zur Warmrissbildung, die gleichbedeutend ist mit schlechter Schweissbarkeit, macht sich durch einen in der Längsrichtung der Raupe verlaufenden Riss bemerkbar, wobei die Länge dieses Risses ein Mass für die Neigung des untersuchten Werkstoffes zur Warmrissbildung darstellt. Die Risslänge wird durch Beobachtung mit einer Lupe ermittelt, die beispielsweise eine zehn- bis fünfzigfache Vergrösserung haben kann. Es ist aber natürlich möglich, zur Feststellung von Haarrissen im metallischen Material auch andere Methoden anzuwenden. Hat der untersuchte Werkstoff eine starke Neigung zur Warmrissbildung, so können in der Auftragsschweissung auch quer verlaufende Risse vorkommen.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden im weiteren an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer gesamten erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Antriebsmechanismus der Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 ein Schema der geometrischen und kinematischen Verhältnisse im Antriebsmechanismus, Fig. 4 eine Form einer Schweissraupe mit Riss, Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Antriebsmechanismus, Fig. 6 bis 9 einzelne Bewegungsphasen des Antriebsmechanismus nach Fig. 5, Fig. 10 die Abhängigkeit der Brennerbahn von der Zeit, Fig. 11 eine weitere Form einer Schweissraupe mit Riss, und Fig.
12 bis 19 in einzelnen aufeinanderfolgenden Stellungen ein drittes Ausführungsbeispiel für den Antriebsmechanismus.
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der Schweissbahn verschiebbar ist. Eine Führungsbüchse--6--verhindert eine Drehung des Stabes--4--und damit auch ein Ausweichen des Brenners aus der geraden Bahn.
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--4-- erhält- werden von einem Paar von Armen --10-- getragen, die um die Achse des Gleitstabes-4schwenkbar sind und die dem Reibrad--7--entnommene geradlinige Bewegung auf den Gleitstab--4-- übertragen.
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ausreicht, um die nötige Reibkraft zu entwickeln. Das Rad--7--wird von einem Motor--12--mit einer konstanten Drehzahl angetrieben.
Der Motor--12--samt dem Rad --7-- können in der zur Längsachse des
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Anpressstabes --8-- senkrechten Richtung verschoben werden, wodurch es möglich wird, den wirksamen Angriffsradius von dem die Vorschubgeschwindigkeit des Anpressstabes abhängt, zu ändern. Dementsprechend
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--8-- ändertangetrieben werden.
Wird jedoch der Gleitstab --13-- in den Führungsbüchsen --14-- verschoben, so nähert sich die Mitte des Rades --7-- der Achse des Anpressstabes --8-- bzw. entfernt sich von derselben und die Vorschubgeschwindigkeit des Anpressstabes--8-, des Gleitstabes --4-- und des Brenners --2-- ändert sich in Abhängigkeit von der Zeit. Verschiebt man mit Hilfe des Gleitstabes --13-- den Motor --12-- und das Rad --7-- in eine solche Stellung, dass der Anpressstab --8-- genau auf die Mitte des Rades --7-- zu liegen kommt, so ist der wirksame Vorschubradius gleich Null und der Anpressstab verschiebt sich auch dann nicht, wenn das Rad--7--sich dreht. Verschiebt sich der Motor--12--samt dem Rad --7-- aus der in
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1--16--.
Dieser versetzt einen Arm--17--in Drehung, welcher eine in einem Schlitz einer Kulisse --19-bewegbare Rolle --18-- trägt. Die Kulisse --19-- ist mit dem Gleitstab --13-- fest verbunden. Die von der Mitte der Rolle--18--beschriebene Bahn ist kreisförmig und durch aufeinanderfolgende, in Abständen von je 300 liegende Punkte-20 bis 24--gekennzeichnet. Wenn der Motor --16-- stillsteht, befindet sich die Rolle--18--in der Ausgangsstellung--20-. Bei einer bestimmten konstanten Drehzahl des Motors
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bewegt--22-- einnimmt. Dann tritt eine Umkehrung des Vorganges ein und der wirksame Angriffsradius zwischen dem Rad --7-- und dem Anpressstab-8-nimmt wieder zu.
In den Fig. 2 und 3 ist eine vereinfachte schematische Übersicht der geometrischen und kinematischen Verhältnisse im Antriebsmechanismus der Vorrichtung dargestellt, wobei t die Zeit, w die Länge des Armes--17-, v die Vorschubgeschwindigkeit des Stabes-13-, a die Beschleunigung des Stabes--13--,
A die Bahn des Stabes--13-, # die konstante Winkelgeschwindigkeit des Rades-7-,
R die Armlänge des wirksamen Vorschubes des aus dem Rad --7-- und dem Stab --8-- gebildeten Reibradgetriebes, und
B die Bahn des Brenners--2-- bedeuten.
Zwecks weiterer Vereinfachung der geometrischen Verhältnisse sei vorausgesetzt, dass sich der von der Mitte der Rolle --18-- beschriebene Kreisbogen, der die Stellungen--20, 21,22, 23 und 24-- durchläuft, durch eine Parabel ersetzen lässt. Es entfällt dann die nicht genügend übersichtliche, trigonometrische Funktionen enthaltende Beziehung, während die entstehenden Ungenauigkeiten für den vorliegenden Zweck ohne Bedeutung sind.
Das Endergebnis, das die Funktion des beschriebenen Mechanismus, d. h. das Verhältnis zwischen der Bahn --B-- des Brenners--2--und der Zeit --5-- zum Ausdruck bringt, ist hier, wie der unterste Teil der Fig. 3 veranschaulicht, in Form einer kubischen Parabel ausgedrückt. Daraus ergibt sich auch die Beziehung zwischen der Brennergeschwindigkeit und der Zeit, was sich in der Form einer nicht gezeigten quadratischen Parabel darstellen lässt.
Die der Fig. 3 angeschlossene Fig. 4 veranschaulicht schematisch das Aussehen der Schweissraupe mit Riss.
Ein anderes Konstruktionsbeispiel für den Antriebsmechanismus der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in den Fig. 5 bis 9 dargestellt. Dieser Mechanismus führt den Brenner in einer Weise, dass das Verhältnis zwischen der Brennerbahn --B-- und der Zeit--t--im idealen Fall durch zwei aneinander anschliessende Abschnitte zweier einander gegenüberliegender quadratischer Parabeln ausgedrückt wäre (Fig. 10). Die Kurve, die die
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