Verfahren zum Verbinden mehrerer ebener Metallschichten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden mehrerer ebener Metallschichten zur Herstelinng von ebenen, mehrschichtigen Metallkörpern oder zum Saumschweissen von teilweise überlappenden ebenen oder zu einem glatten Rohr zusammengebogenen Metallblechen mit Hilfe eines detonierenden Sprengmittels, wobei zu verbindende ebene Metallbleche so übereinander angeordnet werden, dass sie einen Winkel von 1 bis 320 C bilden bzw. zur Saumschweissung von Rohren die überlappenden Teile, im Querschnitt des Rohres gesehen, nicht parallel sind, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf die äussere Oberfläche ( Peripherie ) mindestens eines der Metalle eine Sprengstoffmischung so aufgebracht wird, dass sie praktisch die gesamte Fläche der zu verbindenden Metalle bzw.
zu verbindenden Teile der Metallbleche bedeckt, und dass der Sprengstoff an der Stelle, an der die beiden zu verbindenden Metallbleche bzw. Teile von Metallblechen, den geringsten Abstand haben ( Scheitelpunkt ), gezündet wird.
Der Ausdruck Metallschicht , wie er hier verwendet wird, soll eine Schicht eines einzelnen Metalls oder einer Legierung von zwei oder mehr einzelnen Metallen oder eine Vielzahl von einzelnen, miteinander verbundenen Metallschichten bedeuten.
Der Ausdruck Peripherie , wie er hier verwendet wird, soll die obere oder äussere Oberfläche der Metallschicht definieren, das heisst die von der zu verbindenden Oberfläche entfernte Oberfläche im Gegensatz zu der unteren oder inneren Oberfläche dieser Metallschicht, das heisst der Oberfläche, an die eine andere Metallschicht gebunden werden soll.
Der Ausdruck Scheitelpunkt soll denjenigen Punkt oder diejenige Linie definieren, wo beide Metallschichten sich treffen, oder denjenigen Punkt oder diejenige Linie, wo die Ebene von jeder der so angeordneten Oberflächen die andere trifft, wobei ein spitzer Winkel gebildet wird.
Der Ausdruck Berührungsstelle , wie er hier verwendet wird, soll die Anordnung von zwei Metallschichten in der Weise beschreiben, dass sie in einem Punkt oder entlang einer gegebenen Linie aufeinander tfef- fen oder sich praktisch treffen.
Wenn die Sprengstoffschicht gezündet wird, schreitet die Detonation durch den Rest der Sprengstoffschicht mit der Detonationsgeschwindigkeit der Sprengstoffmischung fort. Die durch die Detonation erzeugten Drücke wirken so fortschreitend auf die benachbarte Metallschicht, um sie gegen die andere Metallschicht zu treiben. Wenn die Platten im richtigen Winkel zusammenstossen, wird ein Strahl gebildet. Dieser Strahl ist aus Oberflächenteilen aus beiden Schichten zusammengesetzt und wird aus dem Gebiet des Zus ammen- stossens mit hoher Geschwindigkeit ausgespritzt. Die durch diese Strahlbildung erzeugten rauhen Oberflächen binden sich fest aneinander. Demgemäss erfordern die Oberflächen der Metallschichten keine irgendwie geartete Vorbereitung, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, ehe sie dem Verbindungsverfahren unterworfen werden, und dies ist vorteilhaft.
Gewünschtenfalls können jedoch die Oberflächen einer Entfettungsund/oder einer milden Abriebsbehandiung unterworfen werden.
Wenn der Winkel zwischen den Metallschichten geringer als ein Grad ist, wird keine zufriedenstellende Verbindung erzielt, wenn nicht ein Sprengstoff mit niedriger Geschwindigkeit verwendet wird, und ein Verziehen der Metallschicht tritt auf. Wenn der Winkel zwischen den Metallschichten 320 überschreitet, ist die Änderung der Geschwindigkeit, mit der die zusätzlichen Teile der Metallschichten zusammenstossen, genügend verschieden, um eine nicht gleichmässige Bindung zu verursachen.
Die Methode, die verwendet wird, um den Winkel zwischen den Metallschichten im Bereich von 1-32 zu halten, ist nicht entscheidend. Der Winkel kann beispielsweise gebildet werden, indem ein Rand der ersten Metallschicht gegen einen entsprechenden Rand der zweiten Metallschicht gelehnt wird, so dass die Metallschichten in einer stehenden Lage auf einer beliebi gen unterstützenden Oberfläche sind. Es kann aber auch eine unterstützende Vorrichtung, z. B. Abstandshalterstäbe, verwendet werden, um die Metallschichten in einem Winkel zueinander zu halten, vorausgesetzt, dass die unterstützende Vorrichtung nicht das Verbindungsverfahren beeinträchtigt, d. h. dass sie nicht grosse Flächen der Oberfläche abschirmt, wenn eine Verbindung in diesen Flächen wünschenswert ist.
In Fällen, wo ein Teil einer Metallschicht an einen anderen Teil der gleichen oder einen anderen Schicht gebunden werden soll, wie z. B. bei der Saumbildung oder Verbindung von Rohr oder Platten, kann der Winkel gebildet werden, indem ein Teil der Schicht in die geeignete Konfiguration gebogen wird.
Es wird nun auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, um ein vollständigeres Verständnis der Erfindung zu erreichen. In den Zeichnungen sind die
Fig. 1 und 2 Querschnittsansichten von zusammengebauten Gebilden, die zur praktischen Ausführung der Erfindung verwendet werden können.
Fig. 3 stellt eine schematische Beschreibung des Phänomens dar, das, wie man annimmt, im Verlauf des vorliegenden Verfahrens auftritt.
Fig. 1 beschreibt ein zum Verbinden bestimmtes zusammengebautes Gebilde, indem eine Metallschicht in einem Winkel gegen eine stationäre Metallschicht getrieben wird. Dieses Gebilde ist besonders für das Verschliessen von Rohren entlang eines Saumes anwendbar. In Fig. 1 ruht eine zu verbindende Metallschicht 1A auf einer unterstützenden Vorrichtung 2 aus Metall, Holz oder Gipszement, und eine zweite Metallschicht 1B, an die mittels Klebstreifen oder Leim eine Sprengstoffschicht befestigt ist, ist am einen Ende mittels Klebstreifen in einer solchen Weise an die auf dem Träger 2 ruhende Metallschicht befestigt, dass ein Winkel zwischen den inneren Oberflächen der Metallschichten gebildet wird, wobei der Winkel durch die Abstandhalterstange 4 entgegengesetzt dem in Berührung befindlichen Ende der Metallschichten eingehalten wird.
Die Zündvorrichtung 6 mit Zufuhrdrähten 5 zündet die Sprengstoffschicht 3.
Fig. 2 beschreibt ein zum Verbinden bestimmtes zusammengebautes Gebilde, indem zwei Metallschichten, die bezüglich einander in einem Winkel angebracht sind, gegeneinander getrieben werden. In Fig. 2 sind die zu verbindenden Me-tallschichcen durch 1A und 1B bezeichnet. Die Sprengstoffschichten 3 werden mittels geeigneter Vorrichtungen, z. B. Klebstreifen oder Leim in Berührung an jede Metallschicht gehalten, und die Metallschichten werden in dem gewünschten Winkel auf einer unterstützenden Vorrichtung 2 angebracht. Die Zündvorrichtung 6 mit den Zufuhrdrähten 5 zündet gleichzeitig die Sprengstoffiitzen 7, die ihrerseits die Sprengstoffschichten 3 zünden.
In Fig. 3 sind zwei Metallschichten 1A und 1B zu sehen, wie sie aus einer anfänglichen Lage ähnlich der in Fig. 1 oder 2 gezeigten gegeneinander getrieben werden. Die Sprengstoffschichten 3 sind dargestellt, wie sie die Detonation erfahren, und die gasförmigen Detonationsprodukte werden durch 9 wiedergegeben. Wie früher beschrieben, wird ein Strahl von metallischem Material gebildet, wenn die Metallschichten zusammen- stossen, und dieser Strahl ist hier durch 8 wiedergegeben. Das den Strahl bildende Material wird von den gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Schichten genommen, wobei es eine frische rohe metallische Oberfläche auf jeder Schicht zurücklässt und das den Strahl bildende Material von der Berührungsstelle ausgestossen wird.
Wegen der Geschwindigkeit, mit der die rohen Oberflächen zueinander gebracht werden, wird eine innige Verbindung sichergestellt.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele edäutert.
Beispiel 1
Bei dieser Verbindungstechnik wurde eine einzelne, sich bewegende Scheibe gegen eine stationäre Scheibe getrieben. Der verwendete Sprengstoff war ein dünnes, gleichmässiges flächenförmiges Material aus einer flexiblen Sprengstoffmischung, die 35 % Pentaerythrittetranitrat, 50% Mennige und als Bindemittel 15% eines Gemisches 50/50 von Butylkautschuk und einem thermoplastischen Terphenharz (Gemisch von Polymeren des ss-Pinens der Formel [ CioH5)nl), das im Handel als Piccolyte S-10 erhältlich ist (hergestellt von der Pennsylvania Industrial Chemical Corporation). Diese Mischung hat eine Detonationsgeschwindiglceit von etwa 5000 m pro Sekunde.
Vollständige Einzelheiten über diese Mischung und ein geeignetes Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der USA-Patentschrift Nummer 3 093 521 geoffenbart.
Eine Scheibe aus rostfreiem Stahl vom Typ 321 mit 142,875 mm Durchmesser und 1,270 mm Dicke wurde auf eine unterstützende ebene Metallplatte gebracht. Eine Kupferscheibe mit den gleichen Abmessungen wie die Stahlscheibe wurde in einer derartigen Weise angebracht, dass ein Winkel von 70 30 Minuten zwischen den inneren Oberflächen der Platten gebildet wurde, d. h. den Oberflächen, die einander gegenüber lagen, wenn die Platten entlang eines Teils des Umfangs gegeneinander lehnten. Der Winkel wurde auf rechterhalten, indem die einander berührenden Ränder der Scheiben mit Klebstreifen aneinander befestigt wurden und eine Abstandhalterstange entgegengesetzt den in Berührung befindlichen Oberflächen angebracht wurde. Die Oberflächen der Scheiben waren in keiner Weise behandelt worden, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen.
Eine Schicht mit entsprechenden Abmessungen, d. h. eine Scheibe von 142,875 mm aus dem oben beschriebenen Sprengstoff, die 47,5 g wog, wurde mittels Klebstreifen an die äussere Oberfläche der Kupferscheibe befestigt. Die Gewichtsverteilung der Sprengstoffschicht betrug 2 g pro 6,4516 cm2. Nach Zündung der Sprengstoffschicht durch eine elektrische Sprengkapsel Nr. 6 an der Steile, wo die Metallschichten in Berührung waren, wurde gefunden, dass eine aus gezeichnte Verbindung erreicht wurde.
Das so erzeugte zusammengesetzte Metallgebilde wurde ohne jeglichen sichtbaren Bruch oder Trennung der Bindung in eine napfähnliche Konfiguration geformt, indem eine Schicht eines detonierenden Sprengstoffes auf dem zusammengesetzten Metailgebilde angebracht und der Sprengstoff gezündet wurde, um das zusammengesetzte Gebilde gegen eine napfförmige Stahlierin zu treiben.
Beispiel 2
Ein Aluminiumblech von 17,78 cm x 0,794 mm wurde um einen Stahidorn von 5,08 cm Durchmesser gewickelt, so dass ein überlappender Teil des Aluinmium- bleches von 3,81 cm vorhanden war. Ein Zwischenraum von 3,175 mm blieb am Rand des überlappenden Teiles; der überlappende Teil war in Berührung mit dem Rand der Schicht, die dem Dorn benachbart war. So schwankte der Winkel geringfügig, lag aber im allgemeinen zwischen 10 und 300 Der Stahldorn hatte einen leichten Überzug von Vaseline, um zu vermeiden, dass das Aluminium an den Stahldorn gebunden wurde.
Ein Sprengstoffstreifen von 17,78 cm x 0,794 mm wurde entlang des Randes der ganzen Länge des überlappenden Teiles des Aluminiumbleches angebracht. Der Sprengstoff war ein gleichmässiges flächenförmiges Material aus einer Sprengstoffmischung, die aus 75 Gew.% Pentaerythrittetranitrat, 7,5 S Papierpulpe und 17,5 % eines bei niedriger Temperatur polymerisierten Acrylnitril-Butadien-Elastomeren bestand, das einen hohen Prozentsatz (annähernd 40 %) Acrylnitril enthielt und ein spezifisches Gewicht von 1,00 und eine Mooney- Viskosität von 70 bis 95 aufwies (im Handel erhält üch als Hycar 1041 und hergestellt durch die B.F.
Goodrich Co.). Die Gewichtsverteilung der Mischung betrug 2 g pro 6,4516 cm2. Diese Sprengstoffmischung ist in der USA-Patentschrift Nr. 3 102 833 beschrieben. Nach Zündung der Sprengstoffschicht durch eine elektrische Sprengkapsel wurde ein fest durch einen Saum verschlossenes Rohr erhalten.
Um das Saumschweissen von Metallblechen unter Bildung ebener kontinuierlicher Oberflächen zu erläu stern, werden die folgenden Beispiele gegeben.
Beispiel 3
Ein Alaminiumblech von
15,24 cm x 57,15 mm x 1,587 mm wurde auf einen Stahiträger gebracht. Ein zweites Aluminiumblech von
15,24 cm x 57,15 mm x 1,587 mm mit einem schwach gebogenen Teil (Winkel 70) von 2,54 cm entlang der ganzen Länge wurde in einer solchen Weise angebracht, dass die Falte des gebogenen Teiles benachbart der ganzen Länge des ersten Bleches war und der gebogene Teil 2,54 cm des ersten Bleches überlappte, wodurch ein Winkel von annähernd 70 mit dem ersten Blech gebildet wurde. Ein Sprengstoffstreifen von 2,54 cm x 15,24 cm wurde an der äusseren Oberfläche des gebogenen Teiles befestigt, d. h. so, dass der gebogene Teil bei Zündung des Sprengstoffes entlang des der Falte benachbarten Randes in Richtung auf das erste Blech zu angetrieben wurde.
Der verwendete Sprengstoff war eine geringfügig abgeänderte Version des in Beispiel 1 beschriebenen und bestand aus einer Schicht einer flexiblen Sprengstoffmischung, die 20 % sehr feines Pentaerythrittetranitrat, 70% Mennige und als Bindemittel ein Gemisch von 8 % des in Beispiel 1 beschriebenen Bindemittels und 2% Polybuten enthielt, das ein mittleres Molekulargewicht von annähernd 840, ein spezifisches Gewicht von 0,90 bis 0,87 und einen Viskositätsindex von 108 hatte (im Handel erhältlich als Polybuten 24 und hergestellt durch die Oronite Chemical Company). Die Detonationsgeschwindigkeit der Sprengstoffmischung war 4000 m pro Sekunde, und die Gewichtsverteilung betrug 5 g pro 6,4516 cm2.
Nach Zündung der Sprengstoffschicht durch eine elektrische Sprengkapsel vereinte ein fest gebundener Saum von 2,54 cm die beiden Bleche.
Beispiel 4
Das Verfahren von Beispiel 3 wurde verwendet, um zwei Kupferbleche, je
15,24 cm x 5,08 cm x 1,587 mm, durch einen Saum zu verbinden mit der Ausnahme, dass der Sprengstoffstreifen von 2,54 cm x 15,24 cm, der verwendet wurde, eine Schicht einer flexiblen Mischung war, die aus 72 % Pentaerythrittetranitrat, 6,5 % Nitrocellulose und 21,5 %
Tri-(2-äthylhexyl)-2-acetoxy
1,2,3 -propantricarboxylat bestand. Diese Mischung hatte eine Detonationsgeschwindigkeit von etwa 6900 m pro Sekunde. Die Sprengstoffmischung ist der Gegenstand der USA-Pa tentschrift Nr. 2992087. Die Gewichtsverteilung der Sprengstoffmischung betrug 1,5 g pro 6,4516 cm2.
Nach Zündung der Sprengstoffschicht durch eine elektrische Sprengkapsel waren die beiden Bleche, wie gefunden wurde, durch einen Saum von 2,54 cm fest verbunden.
Die Tabelle I stellt Ab änderungen dar, die bei der Winkelverbindungstechnik gemäss der Erfindung anwendbar sind, z. B. Winkelbereich, Metalltypen, Gewichtsverteilung von Sprengstoffen usw.
Die in allen in Tabelle I angegebenen Beispielen, ausser Beispiel 5 geschah die Zündung der Sprengstoffschicht war die in Beispiel 1 beschriebene. In den Beispielen 10 und 11 war der verwendete Sprengstoff eine geringfügig abgeänderte Version des in Beispiel 1 beschriebenen und bestand aus einer flexiblen Sprengstoffmischung, die aus 20 ao sehr feinem Pentaerythrittetranitrat, 70 % Mennige und 10S des in Beispiel 1 beschriebenen Bindemittels bestand. In allen Beispielen ausser Beispiel 5 geschah die Zündung der Sprengstoffschicht durch eine Kombination einer elektrischen Sprengkapsel Nr. 6 und einer Sprenglitze, die wie in Fig. 2 angeordnet war.
In Beispiel 5 wurden die Sprengstoffschichten durch zwei Vorrichtungen zur Erzeugung von Knallweilen, die gleichzeitig an einer Linie, die in einer einzelnen Fläche liegt, ankommen (wie in der USA-Patentschrift Nr. 2 943 571 beschrieben, die an die äussere Seite der Sprengstoffschichten befestigt und anschliessend gleichzeitig gezündet wurden, gezündet. In allen Beispielen wurde gefunden, dass die Metallschichten nach der Zündung der Sprengstoffschichten fest verbunden waren. Wenn die Scherfestigkeiten gemäss dér A. S. T. M.-Methode Nr. A 263-44 T gemessen wurden, waren die gefundenen Scherfestigkeiten der verbundenen Gebilde viel höher als das durch die A. S. T. M.-Beschreibungen für diesen Typ von verbundenen Gebilden vorgeschriebene Minimum (1406 kg/ cm2).
Beispielsweise waren die Scherfestigkeiten der in den Beispielen 11 und 12 erzeugten verbundenen Gebilde 3803 bzw. 4246 kg/cm2. Mittels gewöhnlicher herkömmlicher Vorrichtungen erzeugte verbundene Gebilde weisen gewöhnlich nur eine Festigkeit von 2109 bis 2461 kg/cm2 auf.
Tabelle 1
Metallschicht A Metallschicht B Winkel Sprengstoff Beispiel Ober Ober zwischen Gewichts
Typ Grösse (mm) flächen- Typ Grösse (mm) flächen- Metall- Grösse (mm) Verwendetes verteilung behandlung behandlung schichten Gesamtgewicht (g) g/6,4516 cmê
5 Rostfreier 69,850x69,850x0,794 keine Rostfreier 69,850X69,850X0,794 keine 5 69,850X69,850 48,0 3
Stahl 304 Stahl 304
6 10 48,0 3
7 16 47,5 3
8 32 48,5 3
9 152,4X304,4X1,587 Flussstahl 152X304,8X1,587 9 152,4X304,8 443,0 3
10 9 903,0 6
11 76,2X76,2X3,175 76,2X76,2X12,700 gereinigt 12 76,2X76,2 142,0 6 mit Schmir geltuch
12 2 105,3 6
13 Flussstahl 152,4X152,8X6,350 geschliffen 152,4X152,4X6,350 geschliffen 9 152,4X152,4 864,0 12
14 152,4X152,4X12,700 15 864,0 12
15 38,100 (Durchmesser) keine 38,100 (Durchmesser) keine
27 38,100 23,0 3
X 1,587 X1,587 (Durchmesser)
16 Rostfreier 142,875 (Durchmesser) Rostfreier 142,875 (Durchmesser) 14 142,875 78,0 3
Stahl 321 X1,270 Stahl 321 X1,270 (Durchmesser)
17 Titan 69,850X69,850X0,635 Rostfreier
69,850X69,850X0,794 20 69,850X69,850 48,0 3
Stahl 304
18 Kupfer 142,875 (Durchmesser) Rostfreier 142,875 (Durchmesser) 14 142,875 94,0 2
X1,270 Stahl 321 X1,270 (Durchmesser)
19 Titan geglüht Alumi- 142,875 (Durchmesser) 14 107,5 2 nium X2,540
Die verwendete Sprengstoffschicht passt sich der Konfiguration der Metallschicht oder des Teiles davon, der an die andere Schicht gebunden werden soll, an.
Detonierende Sprengstoffmischungen in Form von flächenförmigen Materialien können leicht an die Metallschicht angepasst werden und durch jedes beliebige ge- eignete Mittel, z.B. Klebstreifen, Leim usw., benachbart zur Metallschicht gehalten werden. Die verwendete Sprengstoffmen ge ist nicht entscheidend, vorausgesetzt, dass eine ausreichende Ladung vorhanden ist, um die Schichten mit angemessener Geschwindigkeit anzutreiben, um die gewünschte Bindung zu erhalten. Im allgemeinen beträgt die Mindestdetonationsgeschwindigkeit der Sprengstoffmischung mindestens 2000 m pro Sekunde.
Wie in den Beispielen gezeigt, war die zum Verbinden zweier Platten von rostfreiem Stahl von identischer Grösse verwendete Sprengstoffinenge annähernd die gleiche für den Fall, dass der Winkel zwischen den Metallschichten 50 betrug und dass der Winkel 320 betrug. Die spezielle Menge und Ladung an Sprengstoffen, die in jedem Falle geeignet ist, ist für den Fachmann leicht ersichtlich, wenn er derartige Faktoren in Betracht zieht, wie Typ des Sprengstoffs, Dicke der Metallschicht bzw. Offensichtlich kann überschüssiger Sprengstoff eine unerwünschte Deformation verursachen und sollte vermieden werden. Gewünschtenfalls kann ein zu verbindendes zusammengebautes Gebilde auf beide Oberflächen einer einzigen Sprengstoffschicht gebracht werden. So können zwei oder mehr Verbindungsoperationen gleichzeitig stattfinden.
Die Sprengstoffschichten können durch jede beliebige herkömmliche Zündvorrichtung, z. B. Sprengkapsel, Detonationszünder, explodierende Drähte, Vorrichtungen zur Erzeugung von Knallwelien, die gleichzeitig an einer Linie, die in einer einzelnen Fläche liegt, ankommen, oder jegliche geeigneten Kombinationen davon, gezündet werden. Die Zündungsquelle der Sprengstoffschichten kann an einem Punkt oder an Punkten auf dem Rand oder entlang des ganzen Randes der Sprengstoffschichten sein, wo der geringste Abstand zwischen den Metallschichten ist, d. h. die Detonation schreitet in einer Richtung fort, die von dem Punkt oder den Punkten oder der Linie des geringsten Abstandes zwischen den Metallschichten fort gerichtet ist und parallel zur Oberfläche, auf der der Sprengstoff ruht.
Wenn die Winkelverbindungstechnik verwendet wird, bei der zwei Metallschichten gegeneinander angetrieben werden, d. h.
jede Metallschicht ist auf der Rückseite mit einer Sprengstoffschicht versehen, dann werden die Sprengstoffschichten offensichtlich gleichzeitig an entsprechenden Punkten auf den Rändern oder entlang der ganzen Ränder gezündet, wo der geringste Abstand zwischen den Metallschichten ist. Es ist jedoch festzuhalten, dass die gleichzeitig gezündeten Sprengstoffschichten nicht gleichzeitig über die gesamte Fläche jeder Sprengstoffschicht gezündet werden, sondern die Detonation fortschreitend von der Zündungsquelle weg fortschreitet.
Zweckmässige Zündvorrichtungen sind beispielsweise Vorrichtungen zur Erzeugung von Knaliwellen, die gleichzeitig an einer Linie, die in einer einzelnen Fläche liegt, ankommen, bei denen ein ganzer Rand der Sprengstoffschicht gleichzeitig gezündet wird, oder Sprengkapseln allein oder in Verbindung mit Detonationszündern.
Wie in Fig. 2 gezeigt, dient eine Sprengkapsel dazu, gleichzeitig zwei Sprengstofflitzen zu zünden, die ihrerseits die beiden Sprengstoffschichten zünden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist anwendbar auf das Verbinden einer grossen Vielzahl von Metallen, wie z. B. Stahl, Kupfer, Aluminium, Eisen, Titan, Niob, Chrom, Kobalt, Nickel, Beryllium, Magnesium, Molybdän, Wolfram, Tantal, Vanadium, Zirkonium, Silber, Platin, Kupfer, Gold und ihre Legierungen, und anderer Metalle, von denen viele mittels irgend einer der herkömmlichen Techniken sehr schwierig zu verbinden sind.
Wie früher festgestellt, kann jede def Schichten ein einzelnes Metall sein, oder sie können Legierungen von zwei oder mehr einzelnen Metallen sein, oder jede der Schichten kann ein zusammengesetztes Gebilde aus zwei oder mehr einzelnen Schichten sein.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist besonders geeignet für das Saumverschweissen von Metallblechen unter Bildung grosser, ebener, kontinuierlicher Oberflächen oder rechteckiger Behälter und für das Saumverschwei ssen von Rohren. Gewünschtenfalls können die verbundenen Metalle dann weiteren metallurgischen Operationen unterworfen werden, wie z.B. dem Metallformen.
Die Erfindung ist im vorstehenden vollständig beschrieben worden und soll nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt werden.
Method for joining several flat metal layers
The present invention relates to a method for connecting several flat metal layers for the production of flat, multi-layer metal bodies or for the seam welding of partially overlapping flat metal sheets or sheets bent into a smooth tube with the aid of a detonating explosive, with flat metal sheets to be connected being arranged one above the other so that they Form an angle of 1 to 320 ° C or, for the seam welding of pipes, the overlapping parts, viewed in the cross section of the pipe, are not parallel, which is characterized in that an explosive mixture is applied to the outer surface (periphery) of at least one of the metals that they practically cover the entire surface of the metals or
Covered parts of the metal sheets to be connected, and that the explosive is ignited at the point at which the two metal sheets or parts of metal sheets to be connected have the smallest distance (vertex).
As used herein, the term metal layer is intended to mean a layer of a single metal or an alloy of two or more individual metals or a plurality of individual metal layers bonded together.
The term periphery as used here is intended to define the upper or outer surface of the metal layer, i.e. the surface remote from the surface to be joined in contrast to the lower or inner surface of this metal layer, i.e. the surface on the other Metal layer is to be bound.
The term vertex is intended to define the point or line where both metal layers meet, or the point or line where the plane of each of the surfaces so arranged meets the other, forming an acute angle.
The term point of contact as used herein is intended to describe the arrangement of two metal layers in such a way that they meet or practically meet at a point or along a given line.
When the explosive layer is detonated, the detonation proceeds through the remainder of the explosive layer at the detonation rate of the explosive mixture. The pressures generated by the detonation act so progressively on the adjacent metal layer to drive it against the other metal layer. When the plates collide at the correct angle, a beam is formed. This jet is composed of parts of the surface from both layers and is ejected from the area of the collision at high speed. The rough surfaces created by this jet formation bond firmly to one another. Accordingly, the surfaces of the metal layers do not require any kind of preparation to remove surface contaminants before they are subjected to the bonding process, and this is advantageous.
If desired, however, the surfaces can be subjected to a degreasing and / or a mild abrasion treatment.
If the angle between the metal layers is less than one degree, unless a low-speed explosive is used, a satisfactory joint will not be obtained and warpage of the metal layer will occur. As the angle between the metal layers exceeds 320, the change in the rate at which the additional portions of the metal layers collide is varied enough to cause a non-uniform bond.
The method used to keep the angle between the metal layers in the range of 1-32 is not critical. The angle can be formed, for example, by leaning an edge of the first metal layer against a corresponding edge of the second metal layer so that the metal layers are in a standing position on any supporting surface. But it can also be a supporting device, e.g. Spacer bars, can be used to hold the metal layers at an angle to one another, provided that the supporting device does not interfere with the joining process, e.g. H. that it does not shield large areas of the surface when a connection in these areas is desirable.
In cases where part of a metal layer is to be bonded to another part of the same or a different layer, e.g. B. in seaming or joining pipe or plates, the angle can be formed by bending part of the sheet into the appropriate configuration.
Reference is now made to the accompanying drawings in order to provide a more complete understanding of the invention. In the drawings are the
Figures 1 and 2 are cross-sectional views of assembled structures which can be used to practice the invention.
Figure 3 is a schematic description of the phenomenon believed to occur in the course of the present process.
Fig. 1 describes an assembled structure intended for bonding by driving a metal layer at an angle against a stationary metal layer. This structure is particularly applicable for closing pipes along a seam. In Fig. 1, a metal layer 1A to be bonded rests on a supporting device 2 made of metal, wood or gypsum cement, and a second metal layer 1B, to which a layer of explosive is attached by means of adhesive tape or glue, is at one end by means of adhesive tape in such a manner secures the metal layer resting on the support 2 so that an angle is formed between the inner surfaces of the metal layers, the angle being maintained by the spacer rod 4 opposite the end of the metal layers in contact.
The ignition device 6 with supply wires 5 ignites the explosive layer 3.
Fig. 2 describes an assembled structure intended to be bonded by forcing two layers of metal, which are attached at an angle with respect to one another, towards one another. In Fig. 2, the metal layers to be connected are denoted by 1A and 1B. The explosive layers 3 are by means of suitable devices, for. B. Adhesive tape or glue held in contact with each metal layer, and the metal layers are applied to a supporting device 2 at the desired angle. The ignition device 6 with the supply wires 5 simultaneously ignites the explosive strands 7, which in turn ignite the explosive layers 3.
In FIG. 3, two metal layers 1A and 1B can be seen as they are driven against one another from an initial position similar to that shown in FIG. 1 or 2. The explosive layers 3 are shown as they experience detonation and the gaseous detonation products are represented by 9. As previously described, a beam of metallic material is formed when the metal layers collide, and this beam is represented here by 8. The jet forming material is removed from the opposing surfaces of the two layers, leaving a fresh raw metallic surface on each layer and the jet forming material expelled from the interface.
Because of the speed with which the raw surfaces are brought together, an intimate connection is ensured.
The invention is illustrated by the following examples.
example 1
In this connection technique, a single moving disk was driven against a stationary disk. The explosive used was a thin, uniform sheet-like material made of a flexible explosive mixture containing 35% pentaerythritol tetranitrate, 50% red lead and, as a binder, 15% of a 50/50 mixture of butyl rubber and a thermoplastic terphen resin (mixture of polymers of ss-pinene of the formula [ CioH5) nl), which is commercially available as Piccolyte S-10 (manufactured by Pennsylvania Industrial Chemical Corporation). This mixture has a detonation speed of about 5000 meters per second.
Complete details of this mixture and a suitable method for making it are disclosed in U.S. Patent No. 3,093,521.
A 321 stainless steel disk 142.875 mm in diameter and 1.270 mm thick was placed on a supporting flat metal plate. A copper washer of the same dimensions as the steel washer was attached in such a way that an angle of 70-30 minutes was formed between the inner surfaces of the plates, i.e. H. the surfaces that faced each other when the panels leaned against each other along part of the perimeter. The angle was maintained by securing the touching edges of the disks together with adhesive tape and placing a spacer bar opposite the surfaces in contact. The surfaces of the disks had not been treated in any way to remove surface contaminants.
A layer of appropriate dimensions, i.e. H. a 142.875 mm disk of the explosive described above weighing 47.5 g was taped to the outer surface of the copper disk. The weight distribution of the explosive layer was 2 g per 6.4516 cm2. Upon detonation of the explosive layer by a No. 6 electric detonator at the point where the metal layers were in contact, it was found that an excellent bond was achieved.
The composite metal structure so produced was formed into a cup-like configuration without any visible breakage or separation of the bond by applying a layer of detonating explosive to the composite metal structure and detonating the explosive to propel the composite structure against a cup-shaped steelworker.
Example 2
An aluminum sheet measuring 17.78 cm x 0.794 mm was wrapped around a steel mandrel 5.08 cm in diameter so that there was an overlapping portion of the aluminum sheet measuring 3.81 cm. A gap of 3.175 mm remained at the edge of the overlapping part; the overlapping part was in contact with the edge of the layer which was adjacent to the mandrel. Thus the angle varied slightly, but was generally between 10 and 300. The steel mandrel had a light coating of petroleum jelly to prevent the aluminum from becoming bound to the steel mandrel.
A strip of explosives measuring 17.78 cm x 0.794 mm was placed along the edge of the full length of the overlapping portion of the aluminum sheet. The explosive was a uniform sheet-like material made of an explosive mixture which consisted of 75% by weight of pentaerythritol tetranitrate, 7.5% paper pulp and 17.5% of an acrylonitrile-butadiene elastomer polymerized at low temperature, which had a high percentage (approximately 40%) Acrylonitrile and had a specific gravity of 1.00 and a Mooney viscosity of 70 to 95 (commercially available as Hycar 1041 and manufactured by BF
Goodrich Co.). The weight distribution of the mixture was 2 g per 6.4516 cm2. This explosive mixture is described in U.S. Patent No. 3,102,833. After the explosive layer was ignited by an electric detonator, a tube tightly closed by a seam was obtained.
To star Erläu the seam welding of metal sheets to form flat continuous surfaces, the following examples are given.
Example 3
An aluminum sheet from
15.24 cm x 57.15 mm x 1.587 mm was placed on a steel support. A second sheet of aluminum from
15.24 cm x 57.15 mm x 1.587 mm with a slightly curved portion (angle 70) of 2.54 cm along the entire length was applied in such a way that the fold of the curved portion is adjacent the entire length of the first sheet and the bent portion overlapped an inch of the first sheet, forming an angle of approximately 70 ° with the first sheet. A 2.54 cm x 15.24 cm strip of explosives was attached to the outer surface of the bent portion; H. so that when the explosive was ignited, the bent part was driven towards the first sheet along the edge adjacent to the fold.
The explosive used was a slightly modified version of that described in Example 1 and consisted of a layer of a flexible explosive mixture containing 20% very fine pentaerythritol tetranitrate, 70% red lead and, as a binder, a mixture of 8% of the binder described in Example 1 and 2% polybutene which had an average molecular weight of approximately 840, a specific gravity of 0.90 to 0.87, and a viscosity index of 108 (commercially available as Polybutene 24 and manufactured by Oronite Chemical Company). The detonation speed of the explosive mixture was 4000 meters per second and the weight distribution was 5 g per 6.4516 cm2.
After the explosive layer was ignited by an electric detonator, a tightly bound seam measuring 2.54 cm united the two sheets.
Example 4
The procedure of Example 3 was used to cut two copper sheets, each
15.24 cm x 5.08 cm x 1.587 mm, to be joined by a seam with the exception that the 2.54 cm x 15.24 cm strip of explosive that was used was a layer of flexible mixture made up of 72 % Pentaerythritol granitrate, 6.5% nitrocellulose and 21.5%
Tri- (2-ethylhexyl) -2-acetoxy
1,2,3 -propane tricarboxylate. This mixture had a detonation speed of about 6900 meters per second. The explosives mixture is the subject of USA patent no. 2992087. The weight distribution of the explosives mixture was 1.5 g per 6.4516 cm 2.
After the explosive layer was ignited by an electric detonator, the two metal sheets were found to be firmly connected by a seam of 2.54 cm.
Table I shows changes from that are applicable to the angle connection technology according to the invention, for. B. Angle range, metal types, weight distribution of explosives, etc.
In all the examples given in Table I, with the exception of Example 5, the ignition of the explosive layer was that described in Example 1. In Examples 10 and 11 the explosive used was a slightly modified version of that described in Example 1 and consisted of a flexible explosive mixture consisting of 20% very fine pentaerythritol tetranitrate, 70% red lead and 10% of the binder described in Example 1. In all examples except Example 5, the explosive layer was detonated by a combination of an electric detonator cap no. 6 and a detonator wire, which was arranged as in FIG.
In Example 5, the explosive layers were attached to the exterior of the explosive layers by two blasting devices arriving simultaneously on a line lying in a single area (as described in U.S. Patent No. 2,943,571 In all examples it was found that the metal layers were firmly bonded after the ignition of the explosive layers. When the shear strengths were measured according to ASTM method No. A 263-44 T, the shear strengths found were the bonded Structure much higher than the minimum required by the ASTM specifications for this type of bonded structure (1406 kg / cm2).
For example, the shear strengths of the bonded structures produced in Examples 11 and 12 were 3803 and 4246 kg / cm2, respectively. Bonded structures produced by ordinary conventional devices usually only have a strength of 2109 to 2461 kg / cm2.
Table 1
Metal Layer A Metal Layer B Angle Explosives Example Upper Upper Between Weight
Type size (mm) area type size (mm) area metal size (mm) used distribution treatment treatment layers total weight (g) g / 6.4516 cmê
5 Stainless 69.850x69.850x0.794 none Stainless 69.850X69.850X0.794 none 5 69.850X69.850 48.0 3
304 steel 304 steel
6 10 48.0 3
7 16 47.5 3
8 32 48.5 3
9 152.4X304.4X1.587 mild steel 152X304.8X1.587 9 152.4X304.8 443.0 3
10 9 903.0 6
11 76.2X76.2X3.175 76.2X76.2X12.700 cleaned 12 76.2X76.2 142.0 6 with emery cloth
12 2 105.3 6
13 Mild steel 152.4X152.8X6.350 ground 152.4X152.4X6.350 ground 9 152.4X152.4 864.0 12
14 152.4X152.4X12.700 15 864.0 12
15 38.100 (diameter) none 38.100 (diameter) none
27 38.100 23.0 3
X 1.587 X1.587 (diameter)
16 Stainless 142.875 (diameter) Stainless 142.875 (diameter) 14 142.875 78.0 3
Steel 321 X1.270 Steel 321 X1.270 (diameter)
17 titanium 69,850X69,850X0,635 stainless
69.850X69.850X0.794 20 69.850X69.850 48.0 3
304 steel
18 Copper 142.875 (diameter) Stainless 142.875 (diameter) 14 142.875 94.0 2
X1.270 steel 321 X1.270 (diameter)
19 Annealed Titanium Alumi- 142.875 (diameter) 14 107.5 2 nium X2.540
The explosive layer used adapts to the configuration of the metal layer or of the part thereof which is to be bonded to the other layer.
Detonating mixtures of explosives in the form of sheet materials can easily be adapted to the metal layer and by any suitable means, e.g. Adhesive tape, glue, etc., can be held adjacent to the metal layer. The amount of explosive used is not critical, provided that there is sufficient charge to propel the layers at an adequate rate to achieve the desired bond. In general, the minimum detonation speed of the explosive mixture is at least 2000 meters per second.
As shown in the examples, when the angle between the metal layers was 50 and the angle was 320, the amount of explosive used to join two stainless steel plates of identical size was approximately the same. The particular amount and charge of explosives which are suitable in each case will be readily apparent to those skilled in the art when considering factors such as the type of explosive, thickness of metal layer, and Obviously, excess explosive can and should cause undesirable deformation be avoided. If desired, an assembled structure to be bonded can be placed on both surfaces of a single layer of explosive. So two or more connection operations can take place at the same time.
The explosive layers can be activated by any conventional ignition device, e.g. Detonators, detonation detonators, detonating wires, devices for generating firecrackers that arrive simultaneously on a line lying in a single area, or any suitable combination thereof. The ignition source of the explosive layers can be at a point or at points on the edge or along the whole edge of the explosive layers where there is the smallest distance between the metal layers, i.e. H. the detonation proceeds in a direction away from the point or points or line of the smallest distance between the metal layers and parallel to the surface on which the explosive rests.
When the angle joint technique is used, in which two layers of metal are driven against each other, i. H.
each metal layer is provided with an explosive layer on the back, then the explosive layers are obviously detonated simultaneously at corresponding points on the edges or along all the edges where there is the smallest distance between the metal layers. It should be noted, however, that the explosive layers ignited at the same time are not ignited simultaneously over the entire surface of each explosive layer, but rather the detonation progresses away from the ignition source.
Appropriate ignition devices are, for example, devices for generating detonation waves that arrive at the same time on a line that lies in a single area, in which an entire edge of the explosive layer is ignited at the same time, or detonators alone or in conjunction with detonation fuses.
As shown in FIG. 2, a detonator capsule is used to detonate two explosive strands simultaneously, which in turn detonate the two layers of explosive.
The inventive method is applicable to joining a wide variety of metals, such as. B. steel, copper, aluminum, iron, titanium, niobium, chromium, cobalt, nickel, beryllium, magnesium, molybdenum, tungsten, tantalum, vanadium, zirconium, silver, platinum, copper, gold and their alloys, and other metals, from many of which are very difficult to connect by any of the conventional techniques.
As stated earlier, each of the layers can be a single metal, or they can be alloys of two or more individual metals, or each of the layers can be a composite of two or more individual layers.
The method according to the invention is particularly suitable for the seam welding of metal sheets with the formation of large, flat, continuous surfaces or rectangular containers and for the seam welding of pipes. If desired, the joined metals can then be subjected to further metallurgical operations, e.g. the metal molding.
The invention has been fully described above and is intended to be limited only by the following claims.