DD270141A1

DD270141A1 - Vorrichtung zum herstellen und pruefen von axialsymmetrischen proben auf schweissbarkeit und lamellarrissneigung

Info

Publication number: DD270141A1
Application number: DD31385388A
Authority: DD
Inventors: Manfred Trepte
Original assignee: Koethen Ing Hochschule
Priority date: 1988-03-21
Filing date: 1988-03-21
Publication date: 1989-07-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von axialsymmetrischen, insbesondere von abschnittsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Proben und zum Pruefen dieser Proben auf Schweisseignung (Warm- und Kaltrisse), Schweisssicherheit (Sproedbrueche) und Lamellarrissneigung. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, in ein und derselben Vorrichtung die stoffschluessige Verbindung herzustellen und zu pruefen und dabei das fertigungsbedingt auf den Werkstoff einwirkende, sein Gefuege und die daraus resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften massgeblich bestimmende Temperatur- und Verformungsregime sowie den konstruktions-, fertigungs- und beanspruchungsbedingten Spannungszustand in einem weiten Bereich quantitativ und reproduzierbar zu variieren und einzustellen. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von axialsymmetrischen, insbesondere von abschnittsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Proben und zum Prüfen dieser Proben auf Schweißbarkeit und Lamellarrißneigung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Schweißbarkeit, definiert in TGL14 913, ist eine sehr komplexe Größe, die deshalb in die Teilbegriffe Schweißeignung und Schweißsicherheit untergliedert wird.

Die Schweißeignung ist vorzugsweise vom Werkstoff, die Schweißsicherheit vom Werkstoff, der Konstruktion und der Fertigung abhängig.

Schweißbarkeitsprüfungen haben das Ziel, die Neigung des Werkstoffes zu Warm- und Kaltrissen (Schweißeignung) oder die Neigung des Bauteiles zu Sprödbrüchen (Schweißsicherheit) festzustellen. Mit der immer größeren Belastung geschweißter Konstruktionen stellten sich die Lamellarrisse als ein weiteres die Schweißbarkeit beeinträchtigendes Phänomen ein. Das sind Risse, die bei einer sehr großen Zugbelastung der geschweißten Konstruktion in Dickenrichtung auftreten.

Zur Prüfung der Schweißeignung, der Schweißsicherheit und der Lamellarrißneigung wurden eine sehr große Anzahl von Prüfverfahren und Vorrichtungen wie z. B.

— statische Zugversuche mit ungokerbten und gekerbten Proben mit einer aus einer äußeren Last oder aus Schrumpfkräften resultierenden Zugspannung,

— statische Biegeversuche mit ungekerbten und gekerbten Proben,

— Kerbschlagbiegeversuche,

— Fallgewichtsversuche und

— bruchmechanische Untersuchungen

entwickelt. Einige erfordern jedoch einen so großen prüftechnischen Autwand, daß sie sich schon aus diesem Grund nicht durchgesetzt haben.

Der große Nachteil aller Prüfverfahren und Vorrichtungen ist, daß

— das Temperatur- und Verformungsregime der mit Wärme und/oder Formänderungsarbeit hergestellten stc.ischlüssigen Verbindung ebensowenig definiert und reproduzierbar eingestellt werden !;ann wie der konstruktions-, fertigungs- und beanspruchungsbedingte Spannungszustand in der Prüfphsse,

— das Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung und das Prüfen der geschweißten Verbindung verschiedenartige und sehr aufwendige Vorrichtungen erfordert,

— die für die Prüfung der Schweißeignung, der Schweißsicherheit ur,d der Lamellarrißneigung erforderliche Zug- und Schubspannung, Prüftemperatur und BeanspruchungsgeschwindigKcit nicht: oit ausreichender Kombinationsmöglichkeit, Variationsbreite, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eingestellt werden kann.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung, mit der die Schweißeignung, die Schweißsicherheit und die Lamellarrißneigung metallischer Werkstoffe mit einem geringeren Aufwand an Material, Energie und Arbeitszeit, aber mit größerer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit als bisher ermittelt werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der sowohl die Heisteilung von axialsymmetrischen Proben, insbesondere von abschnittsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Proben, als auch kurzzeitig nach Abschluß des Schweißvorganges, d.h. im Zeitabstand von wenigen Sekunden, die Prüfung dieser Proben auf Schweißeignung, Schweißsicherheit und Lamellarrißneigung erfolgen kann, ohne daß eine Umrüstung der Vorrichtung oder eine Prüffehler und Zeitverluste hervorrufendes Umspannen bzw. Neueinspannen der Probe zwischen Probenherstellung und -prüfung erforderlich ist. Die zu entwickelnde Vorrichtung muß es zugleich ermöglichen, das während der Phase der Probenherstellung auf den Probenwerkstoff einwirkende, sein Gefüge und die daraus resultierenden mechanischtechnologischen Eigenschaften maßgeblich bestimmende Temperatur- und Verformungsregime üblicher Schweißverfahren — ohne tatsächlichen Einsatz dieser Schweißverfahren bei der Probenherstellung — reproduzierbar zu simulieren sowie den konstruktions-, fertigungs- und beanspruchungsbedingten Spannungszustand während der Prüfphase in einem weiten Bereich quantitativ und reproduzierbar zu variieren und einzustellen

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß

— zum Herstellen von Proben zwecks Prüfung auf Schweißeignung und Schweißsicherheit zwei Probenteile des zu untersuchenden Werkstoffes in jeweils einer Spanneinrlchtu ig fluchtend hintereinander so angeordnet sind, daß sich je zwei Stirnseiten gegenüberstehen, wobei mindestens eine Span; !einrichtung drehbar gelagert und angetrieben und mindestens eine Spanneinrichtung in axialer Richtung verschiebbar und mit einer Axialkraft beaufschlagbar angeordnet ist.

— zum Herstellen von Proben zwecks Prüfung auf Lamellarrißneigung die Probe des zu untersuchenden Werkstoffes in einer ortsfesten, nicht drehbar gelagerten Spanneinrichtung gehalten und die beiden Anschweißbolzen aus gleichen oder artgleichen Werkstoff fluchtend zur Probe so angeordnet werden, daß sie mit einer Stirnfläche die Probe an der Oher- bzw. Unterseite berühren, wobei beide Spanneinrichtungen der Acschweißbolzen drehbar gelagert und so angetrieben werden, daß eine Spanneinrichtung mit einem linksdrehenden und eine Spanneinrichtung mit einem rechtsdrehenden Drehmoment so beaufschlagbar angeordnet sind, daß die von der Spanneinrichtung aufzubringende Haltekraft annähernd Null ist, und das die beiden Spanneinrichtungen der Anschweißbolzen axial verschiebbar und mit einer Axialkraft beaufschlagbar angeordnet sind.

Die auf die beiden Proben bzw. Anschweißbolzen vom Querschnitt A wirkende Axialkraft ist während der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung mittels Reibschweißen eine Druckkraft Fd, 20MPa £ F_d/A S 60MPa, und beim Prüfen auf Warmund Kaltrisse, Sprodbrüche und Lamellarrisse eine Zugkraft F₁,0 < F, S AR₁JT), wobei zur Erzeugung eines definierten mehrachsigen Spannungszustandes Mittel *ur Überlagerung der Zugkraft mit einem Drehmoment vorgesehen sind. Die Drehzahl η (η in min"¹) der rotierenden Spanneinrichtungen muß der Grenzbedingung 0,8m/s SvS 1,6m/s genügen, wobei für die Reibgeschwindigkeit ν für die Proben bzw. die Anschweißboizen mit Vollquerschnitt vom Durchmesser d = 2 r (r in m) ν = 0,07 rn und für die Proben mit Hohlquerschnitt vorn mittleren Durchmesser d_m = 2r_m(r_minm)v = 0,1 r_mn gilt. Im Bereich einer Reibzone ist eine Temperaturmeßeinrichtung angeordnet und es werden ferner die Proben- bzw. Anschweißbolzenverkürzung mit oinem Wegaufnehmor, die Axialkraft mit einer Kraftmeßdose, das Drehmomant mit einem Drehmomentenmesser und die Drehzahl mit einem Drehzahlmesser gemessen.

Die Proben für die Schweißeignungs- und die Schweißsicherheitsprüfung sowie die beiden Anschweißbolzen und die Probe für die Prüfung auf Lamellarrißneigung sind von einem mit einem Kühl- oder Heizmedium gefüllten Behälter umgeben.

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Ausfuhrungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung am Beispiel der Ermittlung der Lamellarrißneigung näher e läutrrt werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1: das Schema der Vorrichtung

Aus dem Halbzeug des zu untersuchenden Werkstoffes werden Scheiben 16 mit kreisförmigem Querschnitt vom Durchmesser d hergestellt. Die Scheibe 16 ist in die feststehende Spanneinrichtung 17 fest eingespannt. Zwei jeweils an den Stirnflächen plangedrehte Anschweißbolzen 1 und 2 mit rotationssymmetrischem Vollquerschnitt vom Durchmesser d aus dem gleichen Werkstoff wie die Scheiben sind in einer Spanneinrichtung 3 und 4 fest eingespannt. Im vorliegendem Beispiel sind die Spanneinrichtungen 3 und 4 drehbar und axial verschiebbar. Die Spanneinrichtung 3 wird von einem linksdrehenden und die Spanneinrichtung 4 von einem rechtsdrehenden Drehmoment angetrieben. Dadurch haben die an der Scheibe 16 an greifenden Reibmomente entgegengesetzte Richtung, so daß von der Spanneinrichtung 17 nur eine goringe Haltekraft für die Scheibe 16 aufgebracht werden muß.

Beim Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung wirkt auf die Anschweißbolzen eine Druckkraft und beim Prüfen der geschweißten Probe auf Lamellarrißneigung eine Zugkraft.

Durch die Arbeit der Axialkraft und des Reibmomentes verformen und erwärmen sich die Anschweißbolzen 3 und 4 sowie die Scheibe 16 im Stoßflächenbereir.h.

Im Bereich einer Reibzone 5 wird mit einer Wärmebildkamera 6 die axiale Temperaturverteilung bestimmt. Ferne' werden die Probenverkürzung mit einem Wegaufnehmer 7, die Axialkraft mit einer Kraftmeßdose 8, das Reibmoment mit einem Drehmomentenmesser 9 und die Drehzahl mit einem Drehzahlmesser 10 gemessen.

Die Meßwertdarstellung und -verarbeitung erfolgt mit dem Farbmonitor 11, dem Analog-Digital-Umwandler 12, dem elektronischen Bilddatenspeicher 13 und dem Mikrocomputer 14.

Nach dem Erreichen der vorgegebenen Reibzeit, die den Bedingungen

—— = const »0 At

^Δ(Δ" .constΦ0

At

ΔΜ At

= const Φ 0

genügen muß, werden die rotierenden Anschweißbolzen in der Zeit t = 0,5s bis zum Stillstand abgebremst.

Nach dem Erkalten der beiden Fügestollen wird die Probe mit einer Zugkraft F₁,0 < F₁S ARm(T), bis zum Auftreten von Lamellarrissen, erkennbar ar. ihrem terrassenförmigen Verlauf, belastet.

Der Werkstoff ist lamellarriPoaständiy, wenn bis zum Bruch keine derartigen Risse aufgetreten sind.

Mit Hilfe des mit einem Hei]- oder Kühlmedium gefüllten Behälters 15 können beliebige, technisch sinnvolle Prüftemperaturen eingestellt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen und Prüfen von axialsymmetrischen Proben auf Schweißbarkeit und Lamellarrißneigung, insbesondere von abschnittsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Proben, gekennzeichnet dadurch, daß

— zum Herstellen von Proben zwecks Prüfung auf Schweißeignung und Schweißsicherheit zwei Probenteile des zu untersuchenden Werkstoffes in jeweils einer Spanneinrichtung (3; 4) fluchtend hintereinander so angeordnet sind, daß sich je zwei Stirnseiten gegenüberstehen, wobei mindestens eine dieser Spanneinrichtungen drehbar gelagert und angetrieben sowie in axialer Richtung verschiebbar und mit einer Axialkraft beaufschlagbar angeordnet ist,

— zum Herstellen von Proben zwecks Prüfung auf Lamellarrißneigung die Probe (16) des zu untersuchenden Werkstoffes in einer ortsfesten, nicht drehbar gelagerten Spanneinrichtung (17) gehalten und die beiden Anschweißbolzen (1; 2) aus gleichem oder artgleichem Werkstoff in jeweils einer drehbar und axialverschiebbar gelagerten Spanneinrichtung (3; 4) fluchtend zur Probe (16) so angeordnet sind, daß sie mit einer Stirnfläche die Probe (16) an der Ober- bzw. Unterseite berühren, wobei beide Spanneinrichtungen (3; 4) so angetrieben werden, daß eine Spanneinrichtung (3 bzw. 4) mit einem linksdrehenden und eine Spanneinrichtung (4 bzw. 3) mit einem rechtsdrehenden Drehmoment so beaufschlagbar angeordnet sind, daß die von der ortsfesten Spanneinrichtung (17) aufzubringende Haltekraft annähernd Null ist, und daß die beiden Spanneinrichtungen (3; 4) mit einer Axialkraft beaufschlagbar angeordnet sind, die auf die Probenteile bzw. Anschweißbolzen (1; 2) vom Querschnitt A wirkende Axialkraft während des Herstellens der stoffschlüssigen Verbindung durch Reibschweißen eine Druckkraft F_d/ 20MPa S F_d/A S 60MPa, und bei der Prüfung auf Warm- und Kaltrisse, Sprödbrüche und Lamellarrisse eine Zugkraft F₂,0 < F₂ S AR_m(T), ist, wobei zur Erzeugung eines definierten mehrachsigen Spannungszustandes Mittel zur Überlagerung der Zugkraft F₂ mit einem Drehmoment vorgesehen sind,

— die Drehzahl η (η in min"¹) der rotierenden Spanneinrichtungen (3 bzw. 4) der Grenzbedingung 0,8 m/s SvS 1,6 m/s genügen muß, wobei für die Reibgeschwindigkeit ν für die Probenteile bzw. die Anschweißbolzen (1; 2)mitVo!lquerschnittvomDurchmesserd = 2r(rinm)v = 0,07 rn und für die Probenteile mit Hohlquerschnitt vom mittleren Durchmesser d_m = 2 r_m(r_m in m) ν = 0,1 r_mn gilt,

— im Bereich einer Reibzone (5) eine Temperaturmeßeinrichtung (6) angeordnet ist und daß ferner die Proben- bzw. Anschweißbolzenverkürzung mit einem Wegaufnehmer (7), die Axialkraft mit einer Kraftmeßdose (8), das Drehmoment mit einem Drehmomentenmesser (9) und die . Drehzahl mit einem Drehzahlmesser (10) gemessen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch ^gekennzeichnet dadurch, daß dieProbenteile bzw. die Anschweißbolzen (1; 2) sowie die Probe (16) von einem mit einem Kühl- oder Heizmedium gefüllten Behälter (15) umgeben sind.