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Widerstands-Rollennahtschweißverfahren von dünnen Blechen mit aufgewulsteten
Blechkanten Von dem Augenblick an, in dem man in der Technik daran ging, Metallteile
miteinander zu verschweißen, hatte man den Wunsch, das Schweißen so durchzuführen,
daß die Schweißnaht unsichtbar wird. Inzwischen ist dieser Wunsch zu einer dringenden
Forderung geworden. Wenn z. B. geschweißte Behälter aus Blech zur Aufbewahrung von
flüssigen Nahrungsmitteln Verwendung finden, so ist es aus hygienischen Gründen
notwendig, wenigstens die Innenwand dieser Behälter so glatt wie möglich zu halten.
Erhebungen oder Vertiefungen in der Wand, die von der Verbindung von Wandteilen
herrühren, sind zu vermeiden.
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Im Rahmen der Erfindung steht das stumpfe Zusammenschweißen von Blechen
im Widerstands-Rollennahtschweißverfahren im Vordergrund der Betrachtung, weil dieses
vorzugsweise geeignet ist, Bleche miteinander zu verbinden. Die bisher bekannten
Methoden der für das Schweißen erforderlichen Vorbereitung des Blechstoßes haben
aber in bezug auf das äußere Erscheinungsbild der Schweißnaht noch nicht zu restlos
befriedigenden Ergebnissen hinsichtlich der gewünschten Glätte geführt.
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Das stumpfe Zusammenschweißen im elektrischen Nahtwiderstandsschweißverfahren
geschieht auf einer Rollennahtwiderstandsschweißmaschine. Diese Maschine hat als
Elektroden zwei gegenüberstehende Rollen, zwischen denen die Stoßkanten der zu verbindenden
Blechstücke gegeneinanderstoßend durchgeführt werden. Stößt man die Bleche so, wie
sie anfallen, vor Kopf gegeneinander, so ergibt sich, wie die Erfahrung gelehrt
hat, niemals eine zufriedenstellende Verbindung der Bleche. Dies hat seinen Grund
darin, daß sich die Bleche wegen der Ungenauigkeit ihres Schnittes vor Kopf nur
stellenweise berühren. Zwischen den Berührungsstellen verbleiben Lücken, die sich
beim Schweißen nicht füllen. Um überhaupt eine Verbindung auf der ganzen Länge der
Schweißnaht zu erhalten, ist man gezwungen, die Stoßkanten vorher zu schleifen oder
plan zu drehen und während des Schweißens fest aneinanderzupressen. Es ergibt sich
dann eine Schweißnaht, deren Zerreißfestigkeit nur etwa die Hälfte der des gesunden
Werkstoffes beträgt. Darüber hinaus hinterlassen die Elektrodenrollen auf beiden
Seiten der Bleche eine deutlich eingeprägte Laufspur. Eine glatte, unsichtbare Verbindung
an der Schweißnaht ist also bei diesem Verfahren nicht erzielbar.
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Die bei dem vorbesehriebenen Verfahren unvermeidliche Laufspur der
Elektrodenrollen entsteht auch deshalb, weil bei diesem Verfahren ohne Schweißzugabe
gearbeitet wird. Um den bestehenden Nachteil zu beseitigen, versieht man unter anderem
die Blechstöße mit einer Drahtauflage. Hierbei verlaufen die Blechstöße mit etwas
Spielraum parallel zueinander. Der aufgelegte runde oder viereckige Draht wird während
des Schweißens in die Trennfuge eingepreßt und mit den beiden Blechen verschweißt.
Die Naht wird hierbei jedoch nur bis zur Hälfte oder höchstens bis zu zwei Dritteln
der Blechstärke durchgeschweißt. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil. Die Schweißnaht
erhält keine große Zerreißfestigkeit, und sie ist auf der ungeschweißten Seite auch
nicht glatt. Um hier Abhilfe zu schaffen, hat man den als Schweißzugabe verwendeten
Draht als Drahteinlage zwischen die vorher abgeschrägten Blechstöße gelegt. Das
Durchschweißen nach der drahtfreien Seite wurde dadurch verbessert, aber noch nicht
vollständig erreicht. Außerdem verbleibt auf der Drahtseite ein kleiner Wulst stehen.
Dieser ist jedoch, wie schon gesagt, unerwünscht, aber auch die Zerreißfestigkeit
der Schweißnaht beträgt bei dem Schweißen mit Drahteinlage nur etwa 30 bis 50% gegenüber
der des gesunden Werkstoffes.
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Um die Festigkeit zu erhöhen, versieht man die Blechstöße vor dem
Schweißen auch mit einer Blechunterlage, die mit verschweißt wird. Die Blechunterlage
verbleibt auf der Seite, auf der sie angebracht wird, deutlich sichtbar erhalten.
Auf der von der Blechunterlage abgewandten Seite entsteht außerdem
eine
Laufspur der dort gegengepreßten Elektrodenrolle der Schweißmaschine. Eine glatte,
unsichtbare Naht entsteht also auch dabei nicht.
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Bekannt ist auch ein Verfahren, das auf beiden Seiten des zu verschweißenden
Materials an der Stoßstelle ein etwa 8 mm breites Band zum Verschweißen mit vorsieht.
Da ein solches Band jedoch nur im Abrollverfahren zugegeben werden kann, ist es
z. B. unmöglich, ein solches für die Bodennaht bei Milchtransportkannen innen zu
verwenden, da der Halsdurchmesser für das Hindurchfahren einer solchen Apparatur
zu klein ist.
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In dem Bestreben, eine einigermaßen glatte und feste Schweißnaht zu
erhalten, ist man dazu übergegangen, die Stoßkanten der Bleche vor dem Zusammenschweißen
zur Erzielung einer Art überlappung abzuschrägen. Hierbei ist es jedoch Bedingung,
daß beim Schweißvorgang die durch die Abschrägung gebildeten Stoßflächen genau aneinanderliegen,
was sehr schwer zu erreichen ist, insbesondere dann, wenn es sich um das Verschweißen
von Rundnähten bei Behältern handelt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren die schnellere
Erhitzung der zugespitzten Stoßkanten. Eine gute Verschweißung ist deshalb nur im
inneren Drittel der Abschrägung möglich. Die spitzen Kanten verbrennen meistens
durch Überhitzung. Eine Laufspur der beiden Elektrodenrollen zu beiden Seiten der
Schweißnaht läßt sich aber auch bei diesem Verfahren nicht ganz vermeiden.
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Man kennt auch die kurz überlappte Naht. Sie hinterläßt aber ebenfalls
eine wenn auch nur wenig sichtbare Naht, wenn die Blechstöße ungefähr gleich der
Einzelblechstärke überlappt und mit hohem Druck der Elektrodenrollen verschweißt
werden. Nachteilig ist auch hier die sichtbare Naht. Außerdem ist das Verfahren
höchstens bis zu einer Blechstärke von 2 mm durchführbar, weil bei stärkeren Blechen
die Abnutzung der Elektrodenrollen sehr groß ist. Die Blechkanten lassen sich jedoch
nicht bis zum Ende so exakt verschweißen, daß keine Ritzen und Hohlräume mehr verbleiben.
Ein nachfolgender Glättvorgang kann z. B. bei nur einseitig offenen Behältern mit
nur geringem Druck erfolgen, da der untere Arm einer solchen Glättmaschine nur einseitig
eingespannt sein kann und der engste Durchmesser bei der Milchkanne, z. B. der Hals,
den maximalen Querschnitt eines solchen Armes bestimmt.
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Der bestehenden Schwierigkeiten wegen wird heute noch vielfach die
Gasschrnelzschweißung angewandt, die eine absolut feste Schweißnaht ergibt. Die
Glätte der Schweißnaht wird durch Nacharbeit herbeigeführt. Da die Gasschmelzschweißung
in der Regel von Hand durchgeführt werden muß, ist sie produktiv gesehen dem elektrischen
Nahtwiderstandsschweißverfahren unterlegen. Außerdem ist die Homogenität der Oberfläche
absolut unbefriedigend.
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Es kommt aber gerade bei Nahrungsmittelbehältern - insbesondere Milchkannen
- darauf an, daß eine absolut fugen- und porenfreie Verbindung entsteht. Man kann
natürlich überschüssiges Material mit Glättwalzen verdrücken, hierbei werden jedoch
fortwährend Zunder und sonstige Unreinheiten mit untergewalzt. Diese Unreinheiten
werden im Säurebad gelöst, wodurch Hohlräume entstehen. Die in diesen Hohlräumen
verbleibenden Säure- und Spülreste werden die nachfolgende im Vollbad vollzogene
Zinnauflage an diesen Hohlstellen abzudrücken versuchen, so daß Kapillaren entstehen,
die der Durchdringung der Schutzoberfläche (Zinn) und der Unterrostung Vorschub
leisten, und die Lebensdauer hierdurch herabgesetzt wird.
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Weiter ist bekannt, die Blechkanten von stumpf zu verschweißenden
Teilen mit glatten Walzen aufzuwulsten; eine solche Aufwulstung hat jedoch den Nachteil,
daß höchstens die Hälfte des aufgewulsteten Materials in die Nahtstelle gedrückt
wird, während die andere Hälfte nach außen ausweicht und nicht an der Verbindung
beteiligt ist. Das ausgewichene Material wird somit immer wieder über die Ausgangsblechstärke
hinaus als Auftrag in Erscheinung treten. Des weiteren wird bei einer solchen Schweißverbindung
während des Schweißens in der Blechebene ein Druck von beiden Seiten benötigt, was
bei den auftretenden Wärmespannungen ein nicht geringes Problem ist. Außerdem ist
es sehr schwierig, Bleche von einer Stärke um 1 mm so aufzuwulsten, daß sich auf
beiden Seiten genügend Material anhäuft. Dünne Bleche werden hierbei immer wieder
auszuweichen versuchen. Außerdem ist ein solches Aufwulsten zeitlich aufwendig,
da nur mit geringem Vorschub pro Umdrehung bzw. Hub gearbeitet werden kann.
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Weiter ist bekannt, bei überlapptschweißungen beidseitig Erhöhungen
in dichter Reihenfolge in die Schweißspur zu prägen, um somit eine Vielzahl von
sieh kreuzenden Erhöhungen zu schaffen, die im nachfolgenden Schweißvorgang jeweils
an den Kontaktflächen innig verbunden werden, so daß von einer fast kontinuierlichen
Nahtverbindung gesprochen werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch nur für überlapptschweißung
anwendbar und kommt z. B. für die Verschweißung von Milchtransportkannen und ähnlichen
Behältnissen für flüssige Nahrungsmittel nicht in Betracht, da Ritze und Kanten
durch nachfolgende Bearbeitung nicht restlos beseitigt werden können.
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Das Verfahren nach dem Erfindungsgegenstand verfolgt den Zweck: 1.
eine Aufwulstung schnell und gleichmäßig herzustellen, insbesondere bei dünnen Blechen
um 1 mm Stärke, 2. eine Aufwulstung an solchen Schnittkanten herzustellen, die nicht
absolut geometrisch plan verlaufen, 3. eine schnelle Schweißverbindung zu erreichen,
4. den Stoß in der gesamten Materialstärke zu verschweißen, 5. die Nahtstelle so
zu verschweißen, daß nach dem Schweißen einerseits kein Auftrag über die Blechstärke
hinaus verbleibt und andererseits auch keine Schweißspuren, d. h. Vertiefungen in
die Blechstärke hinein, hinterlassen werden, 6. die beim Schweißen notwendigen Vorrichtungen
auf ein Minimum zu reduzieren.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Verschweißen von dünnen
Blechen durch Widerstands-Rollennahtschweißen, bei dem vor der Schweißeng beide
Blechkanten aufgewulstet werden; die Erfindung besteht darin, daß durch Anbringung
einer stirnseitigen Zähnung etwa so viel Material um den Zahngrund herum angehäuft
wird, daß dieses während des nachfolgenden Rallennahtschweißvorganges in den Zahnlücken
der gegenüberstehenden Blechkanten Platz findet und die Dicke der entstehenden Naht
die Blechdicke nicht überschreitet.
Hierbei entsteht weder eine
Schweißspur in die Blechstärke hinein noch eine Auftragung über die Blechdicke hinaus.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
dargestellt.
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Abb.l zeigt in schematischer Darstellung eine Rollennahtwiderstandsschweißmaschine;
Abb. 2 zeigt eine Spannvorrichtung für Bleche und ein Zahnungsrad; Abb. 3 zeigt
einen Schnitt nach der Linie 11I-111 in Abb. 2; Abb.4 zeigt den Stoß zweier Bleche
in Ansicht; Abb. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-V in Abb.4, und zwar in
einem gegenüber der Abb. 4 vergrößerten Maßstab, wobei auch die Rollenelektroden
der Schweißmaschine angedeutet sind; Abb. 6 und 7 zeigen in An- und Draufsicht eine
Zahnpartie etwa im Maßstab 5 : 1.
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Eine Schweißnaht mit den vorgenannten Eigenschaften wird dadurch erreicht,
daß an den zu verschweißenden Blechkanten eine Zahnung mittels Rändelrades entsprechender
Teilung angebracht wird. Hierbei entsteht eine Verzahnung derart, daß das aus den
Zahnlücken herausgedrückte Material 14 (Abb. 6 und 7) sich um den Zahngrund 15 (Abb.
6 und 7) anhäuft. Die Anhäufung beginnt beim Zahnkopf 18 mit fast Null und endet
am Zahngrund 15 mit ihrem Maximum. Von der höchsten Stelle der Anhäufung im Zahngrund
fällt diese Materialanhäufung zum Ausgangsblech steil und etwas konkav ab, und zwar
wird sich jeweils so viel Material um den Zahngrund herum anhäufen, wie aus den
Zahnlücken verdrängt wird, vorausgesetzt, man zahnt nur so lange, bis erstmals die
Zahntiefe des Zahnungswerkzeuges erreicht wird. Zahnt man länger, so häuft sich
natürlich etwas mehr Material um den Zahngrund an.
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Werden nun zwei so gezahnte Blechkanten gegeneinandergestoßen, z.
B. zwei Hohlzylinder, so wird naturgemäß die Zahnung nicht so aneinanderpassen,
daß Zahngrundlinie 15 und Zahnkopflinie 18 sich miteinander berühren. Vielmehr hat
die Praxis gezeigt, daß fast ausschließlich die beiden Stöße sich so stellen, daß
die jeweiligen Zahnkopflinien sich berühren. Hieraus ergibt sich, daß die hierbei
verbleibenden Zwischenräume dem Volumen des angehäuften Materials entsprechen.
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Für eine nachfolgende Rollenwiderstandsschweißung steht das gesamte
aufgewulstete Material für die Verbindung in der Schweißlinie zur Verfügung. Das
Material wird durch Wärme und Druck in teigigem Zustand von beiden Seiten (beim
Behälter von innen und außen) zur Materialmitte hingedrückt. Hierdurch entsteht
eine innige Verbindung beider Teile. Bei Vorliegen größerer Spalttoleranzen zwischen
den zwei zu verbindenden Teilen wird man vorzugsweise etwas mehr Material aufstauchen,
als die Zahnlücken ausmachen, um auch bei Werkstückabständen von 0,2 bis 0,3 mm
eine befriedigende Verbindung zu erreichen. Ein nachfolgender Glättvorgang bewirkt,
daß die Nahtstelle durch Egalisieren die Ausgangsblechstärke erreicht, und zwar
derart, daß nach einem Verzinnen bei einer Auflage von etwa 20 t4 die Nahtstelle
als solche, makroskopisch betrachtet, nicht mehr zu erkennen ist.
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Das Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß die beiden zu verschweißenden
Teile nicht kontinuierlich unter Druck gehalten zu werden brauchen. Es ist lediglich
dafür zu sorgen, daß beide Teile so eingespannt werden, daß während des Schweißens
keine größeren Spalte als etwa 0,2 bis 0,3 mm entstehen. Eine solche anspruchslose
Vorbereitung ist insbesondere bei einer Großserienfertigung von Vorteil.
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Das Verfahren nach dem Erfindungsgegenstand hat weiterhin den Vorteil,
daß mit verhältnismäßig hohen Schweißgeschwindigkeiten, etwa 5 m/min, gearbeitet
werden kann. Eine so hohe Geschwindigkeit ist insbesondere dadurch möglich, daß
die Zahnflanken 19 mit ihren gratartigen Ausläufern zuerst mit den Rollen
in Berührung kommen. Der hohe Übergangswiderstand der Grate führt zu einer außerordentlich
schnellen Erwärmung, und zwar derart, daß das obere Drittel der Grate weißwarm zur
Materialmitte hingedrückt wird, während der Rest der Aufstauchung mehr teigig nachfolgt.
Das Material im oberen Drittel der Anhäufung (Grat), von der Materialmitte aus gesehen,
hat ja auch den weitesten Weg zurückzulegen und ist an der Verbindung erstrangig
beteiligt.
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Die Verbindung nach der Erfindung ist nicht beschränkt auf die Verbindung
von hohlen Körpern, sie kann vielmehr auch bei geradlinigen und auch sonstigen kurvenförmigen
Teilen angewandt werden sowie auch bei Blechstärken bis 3 mm.