Verfahren zum elektrischen Widerstands-Abbrennschweissen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elek trischen Widerstands-Abbrennschweissen, insbeson dere von Schienen, Trägern und ähnlichen Werk stücken aus Stahl, beispielsweise Schienenstahl, legier ten Baustählen, rostfreien Stählen und Leichtmetall. Die Erfindung eignet sich insbesondere auch für das Schweissen von Werkstücken mit grossem Querschnitt.
Beim Abbrennschweissen von Stahl werden die an die Schweissstromquelle angeschlossenen Werk stücke zunächst an den zu verschweissenden Enden vorgewärmt, indem diese mehrfach miteinander in Berührung gebracht werden. Dabei werden die äussersten Teile dieser Enden weissglühend. Anschlie ssend werden die Werkstückenden abgebrannt, indem die Werkstücke zusammengeschoben werden, wobei das Material an der Berührungsstelle verdampft und der Vorschub während einer bestimmten Zeit auf rechterhalten wird. Unmittelbar danach werden die Werkstücke bei abgeschaltetem Schweissstrom zusam mengestaucht, wodurch die eigentliche Schweissung entsteht. Dabei wird Metall an der Schweissstelle herausgequetscht, wodurch ein Wulst (Schweissgrat) entsteht, der anschliessend entfernt wird.
Beim Abbrennschweissen von Aluminium wird ohne vorheriges Vorwärmen abgebrannt und ge staucht.
Beim Abbrennen nach dem bisherigen Verfahren verschoben sich die Grenze zwischen dem halbflüssi gen und dem plastischen Zustand und die Grenze zwischen dem plastischen und dem festen Zustand des Werkstückes infolge der Wärmeleitung in Rich tung von der Schweissstelle weg mindestens mit der Geschwindigkeit des Abbrennens. Die senkrecht zu den zu verschweissenden Flächen gemessenen Dimen sionen der plastischen und der halbflüssigen Zone waren dementsprechend nach dem Abbrennen min destens so gross wie vor dem Abbrennen. Bei dem auf das Abbrennen folgenden Stauchvorgang wird das zähflüssige Material aus der Schweissstelle heraus gequetscht (es wird später entfernt), wobei bisher die ganze plastische Zone der zusammengestauchten Werkstücke bauchig verformt wurde.
Im Bereiche dieser bauchigen Zone musste in der Regel zwecks Erzielung eines guten Gefüges nachgeglüht werden.
Nach der vorliegenden Erfindung können Schweissungen erzielt werden, die ohne Nachglühen ein dem Ausgangszustand sehr ähnliches Gefüge vorzüglicher statischer und dynamischer Festigkeits daten ergeben und nur wenig mechanische (spanab hebende) Nachbearbeitung erfordern. Gemäss diesem Verfahren wird nach dem Vorwärmen das Abbren nen mit so grosser Vorschubgeschwindigkeit und Stromstärke ausgeführt, dass der Abbrand und die Grenzflächen zwischen den plastischen und den halb flüssigen Zonen rascher vordringen als die Grenz- flächen zwischen den festen und den plastischen Zonen.
Nach dem Abbrennen wird schlagartig mit so grosser Kraft und Geschwindigkeit gestaucht, dass das gesamte Material der halbflüssigen Phase an der Schweissstelle herausgequetscht wird.
Bei diesem Verfahren ist also der Temperatur gradient (Temperaturgefälle) senkrecht zu den zu verschweissenden Flächen nach dem Abbrennen grö sser als nach dem Vorwärmen. Dementsprechend nimmt die senkrecht zu den zu verschweissenden Flä chen erstreckte Dimension der vorgewärmten Zonen an beiden Werkstückenden während des Abbrennens ab. Dabei kann diese Dimension der plastisch ver formbaren Zone während des Abbrennens beispiels weise auf weniger als 10 mm abnehmen.
Da beim Stauchen die Stauchkraft und -geschwindigkeit so hoch gewählt werden, dass das ganze halbflüssige Material aus der Schweissstelle herausgequetscht wird, bildet dieses Material dann einen ringförmigen Wulst, der nur an einem relativ schmalen Steg mit der Schweissstelle verbunden ist. Dieser ringförmige Wulst lässt sich leicht entfernen. Der hohe Stauchdruck be wirkt, dass das ganze beim Abbrennen thermisch nachteilig veränderte Material nicht an der Schweiss stelle verbleibt. Insbesondere wird aber unter der Wirkung dieses hohen Stauchdruckes das an der Schweissstelle zu vereinigende Material der Werk stückenden gewissermassen zusammengeschmiedet.
Dadurch entsteht ein dem Ausgangszustand sehr ähn liches Gefüge der Schweissstelle mit vorzüglichen Werten der statischen und dynamischen Festigkeit, ohne dass ein Nachglühen erforderlich ist. Trotz der Wirkung des hohen Stauchdruckes ist die Schweiss stelle nach vollendeter Schweissung nicht nennenswert deformiert, weil die plastische Zone relativ kurz und das halbflüssige Material vollständig herausge quetscht ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird im folgen den im Vergleich mit dem bekannten Verfahren an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 die Temperaturverteilung beim Abbrenn- schweissen von zwei Eisenbahnschienen, nach dem Vorwärmen, Fig. 2 und 3 die entsprechende Temperaturver teilung nach dem Abbrennen und nach dem Stauchen beim bisherigen Verfahren, Fig. 4 und 5 den Fig. 2 und 3 entsprechenden Stadien beim erfindungsgemässen Verfahren, Fig. 6 ein Vorschub- und Schweissstrom- Diagramm des erfindungsgemässen Verfahrens.
In Fig. 1 bis 5 sind mit R1 und R2 je eine im Längsschnitt dargestellte Eisenbahnschiene bezeich net. Die Fig. 1 bis 5 sind im gleichen Massstab ge zeichnet, was insbesondere für die Abstände zwischen den Linien T1 bis T3 gilt, welche zur Zeichenebene senkrechte Flächen andeuten, denen bestimmte Tem peraturen und entsprechende Grenzzustände des Ma terials zugeordnet sind.
Zwischen den beiderseits der Berührungsfläche K durch Linien T3 angedeuteten Grenzen ist das Mate rial flüssig, zwischen T1 und T3 ist es halbflüssig (entsprechend dem Zustand des Gebietes, welches im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm durch die Solidus- und die Liquiduslinie begrenzt ist). Zwischen T1 und T,., ist das Material plastisch.
Beim Abbrenn-Schweissen ist am Ende des Vor wärmprozesses etwa die in Fig. 1 dargestellte Tem peraturverteilung erreicht. Während des anschliessen den Abbrennens blieb beim bisherigen Verfahren die Tiefe T1- T, der plastischen Zone und die Tiefe T1- T3 der halbflüssigen Zone an beiden Seiten der Schweissstelle entweder konstant oder nahm zu (Fig. 2). Die Distanz T1-T2 betrug dabei am Schluss des Abbrennprozesses z. B. 20-40 mm. Wurde anschliessend in üblicher Weise gestaucht, so wurde die Zone zwischen den beiden Grenzen T2 etwa nach Art von Fig. 3 bauchig verformt und es entstand bei starker Verkürzung der Schiene ein Schweisswulst G, der später mühsam abgefräst oder abgeschliffen wer den musste.
Bei dem an Hand der Fig. 4 bis 6 zu beschreiben den Verfahren wird der Abbrenn-Prozess mit so hoher Vorschubgeschwindigkeit und Stromstärke durchge führt, dass der Abbrand schneller als die Erwärmung vordringt, so dass auf beiden Seiten der Berührungs stelle K die Distanzen T1 T, und T1- T3 fort schreitend kleiner werden, beispielsweise auf etwa 10 mm oder weniger zusammenschrumpfen, so dass am Ende des Abbrenn-Prozesses etwa die in Fig. 4 dar gestellte Temperaturverteilung vorliegt. Anschliessend wird der Stauchprozess eingeleitet, welcher schlag artig mit so grosser Kraft und Geschwindigkeit durch geführt wird, dass mindestens die ganze halbflüssige Zone von T1 links bis T1 rechts aus der Schweiss stelle herausgequetscht wird.
Die Verschweissung erfolgt also nicht im halbflüssigen Bereich, sondern in den plastischen Zonen T1- T, bei relativ tiefen Temperaturen. Die wulstige Verformung bleibt auf den kleineren Abstand von T, links bis T, rechts der Berührungsstelle K (Fig. 5) beschränkt. Diese schmale Zone liegt dabei innerhalb eines glühenden Ringes G, zu dem sich das Material der beiden herausgequetschten halbflüssigen Zonen verformt. Der Querschnitt dieses Ringes hat angenähert die Querschnittsform eines Pilzes, so dass sich der Ring leicht abschlagen lässt. Der dabei verbleibende kleine Ringwulst kann in einem Zug abgehobelt werden, wenn man den Hobel ansetzt, solange das Material noch eine Temperatur von etwa 850 C hat.
Bei Schienenstahl beträgt beispielsweise die Tem peratur der halbflüssigen Zone T1-T3 1150 bis 1250 C und die Temperatur der plastischen Zone T1-T2 900 bis 1150 C.
Fig. 6 gibt über der Zeit als Abszisse im oberen Feld das Diagramm des Vorschubes (mm) und im unteren Feld das Diagramm des Schweissstromes (Amp.) bei der Verschweissung von zwei Schienen mit etwa 10 000 mm' Querschnitt wieder. Im Punkt A ist die Vorwärmung beendet, welche in üblicher Weise durch periodisches Berühren der Werkstücke herbeigeführt wird. Im Punkt B setzt der Abbrenn- prozess ein, der mit einer Vorschubgeschwindigkeit von etwa 1,2 mm/sec längs eines Weges von etwa 15 bis 20 mm erfolgt. Von jedem Werkstück sind also etwa 8 mm abgebrannt, wenn im Punkt C die schlag artige Stauchung einsetzt. Bei dieser Stauchung steigt die Vorschubgeschwindigkeit zunächst schlagartig auf etwa 1,5-2 m/sec.
Der bis zum Punkt D durch laufene Weg beträgt etwa 5 mm. Durch diesen ersten Teil des Stauchvorgangs werden die halbflüssigen Zonen der beiden Werkstücke herausgequetscht. Es folgt dann von D bis F der etwa 6-7 sec dauernde zweite Teil des Stauchvorgangs, der die Schweiss zone schmiedet, und bei dem die noch verform baren schmalen Zonen auf beiden Seiten der Schweissnaht (Fig.5 von T2 links bis<B>7</B>2 rechts) unter einem Druck von 5-10 kg/mm2 zusammen- geschmiedet und nur wenig verformt werden. Der Strom wird bereits im Punkt E ausgeschaltet.
Die Vorschubgeschwindigkeit zwischen D und F ist durch die Fliessgeschwindigkeit des Materials in den plastischen Zonen gegeben; sie nimmt daher mit fortschreitender Verschmiedung und Abkühlung rasch ab. Die vom herausgequetschten Ring G (Fig. 5) umschlossene Schweissnaht erstarrt hierbei natürlich zuletzt und unterliegt daher unmittelbar vor der Erstarrung einem hohen Schmiede-Druck.
Das schnelle Abbrennen ist besonders auch bei Aluminium-Legierungen, z. B. Anticorodal, von aus schlaggebender Bedeutung. Dabei beträgt die Ab- brenngeschwindigkeit beispielsweise bis 6 mm/sec und der Abbrennweg erreicht beispielsweise 60 mm. Bei dem auf das Abbrennen unmittelbar folgenden Stauchen kommen Drücke von 20 bis 25 kg/mm2 zur Anwendung.