DE19617975C2 - Verfahren zum Bolzenschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bolzenschweißen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Aufschweißen von Bolzen auf Werkstücke wird das Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung angewandt, welches dazu dient, vorwiegend stiftförmige, metallische Teile auf metallische Werkstücke aufzuschweißen.

Die Verfahrensschritte des normalen Lichtbogenbolzenschweißens mit Hubzündung sind so gestaltet, dass der aufzuschweißende Bolzen in einen Bolzenhalter eingeschoben, mit einem Keramikring versehen und auf das Werkstück aufgesetzt wird. Zu Beginn des Schweißvorganges wird der Bolzen durch den Hubmechanismus angehoben und zuerst ein Hilfslichtbogen, dann der Hauptlichtbogen zwischen Bolzenspitze und Werkstück gezündet. Die Bolzenstirnfläche und der Grundwerkstoff schmelzen dabei an. Nach Ablauf der Schweißzeit taucht der Bolzen mit geringer Kraft in das Schmelzbad ein, und die Stromquelle schaltet ab. Anschließend wird der Keramikring entfernt, und der Schweißvorgang ist beendet.

Werden zwei unterschiedliche Werkstoffe, legierte und unlegierte, geschweißt, so entsteht immer ein Mischschweißgut in der Schweißnaht, welches sich aus den entsprechenden legierten und unlegierten Anteilen der zu schweißenden Werkstoffe ergibt.

Die Schweißnaht ist also ein Gemisch aus den Werkstoffanteilen des Bolzens, welcher vorrangig aus einem legierten Material besteht und den Werkstoffanteilen des Bleches oder Werkstückes, welches vorrangig aus unlegiertem Material besteht.

Das Mischungsverhältnis der werkstoffmäßigen Anteile aus Bolzen und Werkstück hat also Einfluss auf die Qualität der Schweißnaht.

Das bekannte Schaeffler-Diagramm ist ein Zustandsdiagramm, welches unmittelbar auf die jeweiligen Gefüge beim Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe Bezug nimmt. Wenn also beim Schweißen die entstehende Schweißnaht ein Gemisch aus den zu verbindenden aufgeschmolzenen Werkstoffen ist, muss die Zusammensetzung und das dazugehörige Gefüge auf der Verbindungslinie der beiden Werkstoffe gemäß Schaeffler-Diagramm liegen.

Beim Herstellen von Schwarz-Weiß-Verbindungen sollte das Schweißgut möglichst in einem Bereich liegen, bei dem die unlegierten Werkstoffe in dem Bereich von Ferrit und Martensit liegen, während die hochlegierten Werkstoffe im Gefügebereich von Austenit und Ferrit liegen sollten.

Neben der werkstoffmäßigen Paarung der zu verbindenden Teile ergibt sich beim Bolzen­ schweißen mit Hubzündung gleichfalls das Problem, dass beim Eintauchen des Bolzens in das Schmelzbad dieses verspritzt und somit kein ausreichendes Schmelzbad für eine qualitätsgerechte Bindung der zu schweißenden Teile vorhanden ist.

So wird in dem DE G 91 15 790.0 ein dielektrischer Ring für das Bolzenschweißen vorgestellt, der einmal das Verbinden von Werkstück und Bolzen aus schwer verschweißbaren Materialien ermöglichen und welcher gleichzeitig auf die Eigenschaften der Schweißverbindung positiv einwirken soll.

Dies wird durch einen diektrischen Ring für das Bolzenschweißen gelöst, dessen Innen­ durchmesser in seinem unteren, dem Werkstück zugekehrten Bereich, größer ist als der Außendurchmesser eines an das Werkstück anzuschweißenden Bolzens, wodurch um den Bolzen herum ein Ringraum gebildet ist. Dieser Ringraum wird eben durch den dielektrischen Ring gebildet, dessen begrenzende Innenwandung in Teilbereichen mit einem Material versehen ist, beschichtet oder getränkt, welches während des Schweißvorganges schmilzt und/oder verdampft. Der Ring soll dabei bevorzugterweise aus keramischem Material bestehen.

Die DE 33 29 984 C1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bewehrungs­ elementes, welches mit einem Gewindeabschnitt versehen ist. Ein Ende des Beton­ stahlstabes wird mit einer ebenen Stirnfläche versehen, eine Zündspitze aufweisender Gewindebolzen wird in eine Schweißpistole eingeführt und mittels des Bolzenschweiß­ verfahrens aufgeschweißt. Das Schmelzgut wird von einem Keramikring radial begrenzt und geformt. Zwischen der Stirnfläche des Betonstahlstabes und dem Gewindebolzen wird eine aus Stahl bestehende Unterlegscheibe mit zentraler Bohrung koaxial angeordnet. Der Außendurchmesser dieser Unterlegscheibe ist zumindest so groß wie der des Keramikringes. Die Bohrung ist kleiner als der Kerndurchmesser des Betonstahlstabes und von der Zündspitze durchfassbar. Das Schmelzgut soll dabei auch durch die eingelegte Unterlegscheibe in axialer Richtung begrenzt werden.

Ein Verfahren zum Bolzenschweißen für das Aufschweißen von Bolzen auf Grundwerk­ stoffe mittels des Lichtbogen-Bolzenschweißens mit Hubzündung ist mit der Patentschrift US 2 950 379 bekannt geworden, bei dem zwischen dem Grundwerkstoff und dem auf­ zuschweißenden Bolzen eine Lochscheibe angeordnet ist, deren äußerer Durchmesser annähernd gleich bzw. geringfügig größer als der Schweißbolzen ist. Dabei soll die werk­ stoffmäßige Zusammensetzung unmittelbar auf den Schweißvorgang positiv Einfluss nehmen.

Mit dem Problem des Bolzenschweißens mit hochlegierten Stählen befasst sich auch die Veröffentlichung von Welz, Willi u. a., veröffentlicht in "Schweißen und Schneiden 40" (1988, Heft S. Seite 232 bis 237), in der ausgeführt ist, dass beim Verschweißen von austenitischen und ferritischen Werkstoffen Zusatzwerkstoffe auf die Bolzenspitze aufge­ bracht werden, die während des Schweißens des Bolzens vollständig abgeschmolzen werden. Es wird auch ausgeführt, dass die Art und Menge des Zusatzwerkstoffes anhand des Schaeffler-Diagramms abgeschätzt werden kann und dass die benötigte Menge an Zusatzwerkstoff genau einzuhalten sei, wobei die Menge des Zusatzwerkstoffes entweder durch das Volumen als auch durch die Legierungshöhe beeinflussbar ist.

Schließlich sei noch die Patentschrift US 4 959 518 benannt, aus der Angaben zu entnehmen sind, welche Werkstoffe beim Verschweißen von legierten Bolzen mit unlegierten Stählen zu verwenden sind. Es wird auch angegeben, dass im Nahtbereich eine Struktur aus Austenit und Ferrit anzustreben ist und dass Bolzen mit bestimmten Chrom- Nickel-Anteilen verwendet werden können.

Angaben zur werkstoffmäßigen Zusammensetzung von Lochscheiben, die zwischen dem Grundwerkstoff und dem aufruschweißenden Bolzen eingesetzt werden, sind nicht bekannt, insbesondere sind keine Angaben den bekannten Verfahren zu entnehmen, in welchem Verhältnis die werkstoffmäßige Zusammensetzung der Lochscheiben auf die Schweißnahtbildung Einfluss nimmt, so dass die Nachteile der bekannten Lösungen darin liegen, dass bestimmte Kombinationen von Materialien nur bedingt oder gar nicht mit dem herkömmlichen Bolzenschweißverfahren verbunden werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bolzenschweißen zu entwickeln, welches das Verbinden von Werkstücken und Bolzen unterschiedlicher werkstoffmäßiger Beschaffenheit ermöglicht und positiv beeinflusst, wobei der Schweißvorgang sowie die Eigenschaften der Schweißverbindung verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist darauf ausgerichtet, dass die eingesetzte Loscheibe in ihren geometrischen Abmaßen und in ihrer werkstoffmäßigen Zusammensetzung sowohl der jeweiligen Größe des anzuschweißenden Bolzens als auch den werkstoffmäßigen Zusammensetzungen von Bolzen und Werkstoff angepasst ist.

Dabei ist die Lochscheibe so gestaltet, dass sie noch einen Grundwerkstoffanteil an der Schweißnahtbildung von ca. 5% bis 35% gestattet. Damit ergibt sich ein äußerer Durch­ messer, der dem Bolzendurchmesser annähernd gleich bzw. geringfügig größer ist und eine Dicke von 0,5 mm bis 2,5 mm besitzt. Die innere Bohrung der Lochscheibe ist entsprechend der Bolzenspitze zu wählen, damit eine zuverlässige Zündung erfolgt.

Bei der Ausgestaltung der Lochscheibe sollte der Grundwerkstoff plusgepolt wein, da dabei der Aufschmelzanteil des legierten Bolzens steigt, gleichfalls werden die Qualität und die Sicherheit verbessert. Eine Minuspolung ist aber auch möglich, wenn der Legierungsgehalt der Lochscheibe erhöht wird. Dies kann einmal über die Erhöhung des legierten Flächenanteiles an der Schweißnahtbildung oder über einen höheren Anteil an Legierungselementen (Cr und Ni) im Schweißgut, der über den Lochscheibenwerkstoff eingebracht wird, erreicht werden.

Als Lochscheibenwerkstoffe kommen Werkstoffe mit einem Gehalt an

Cr = 23% bis %

Ni = 8% bis 18%

zum Einsatz.

Mit dem Auflegen der Lochscheibe wird der Wärmeanteil für die Aufschmelzung des Grundwerkstoffes um den Anteil verringert, der für die Schmelzung der Lochscheibe benötigt wird. Ein Einsatz der Lochscheibe verschiebt somit die Wärmeeinbringungen zugunsten der legierten Werkstoffe, wenn sie selbst legiert ist. Über ihre Zusammensetzung kann das Schweißgut insgesamt in seiner Zusammensetzung so beeinflusst werden, dass der Bolzenwerkstoff nicht höher legiert werden muss.

Die Verschiebung der Wärmebilanz zugunsten der Aufschmelzung des legierten Werkstoffes sowie die weiteren Legierungsmöglichkeiten über eine legierte Lochscheibe ohne Veränderung der bisherigen Bolzenzusammensetzung sind die Vorteile dieser Lösung.

Wie bereits erwähnt, ist die Lochscheibe dem Bolzendurchmesser anzupassen und die Dicke ist so zu wählen, dass der unlegierte Grundwerkstoff unter der Lochscheibe ausreichend aufgeschmolzen wird, wobei sein Anteil an der Nahtbildung von 10% möglichst nicht unterschritten werden sollte.

Während des Schweißvorganges muss die Lochscheibe auf dem Grundwerkstoff haften. Dies kann magnetisch bzw. durch andere Halterungsmöglichkeiten wie Kleben, Einpressen in einen Keramikring und andere Möglichkeiten geschehen.

Die Zuführung der Lochscheibe zur Schweißstellung erfolgt über unmittelbar der Schweißpistole zugeordnete Zuführeinrichtungen, wobei die Positionierungen der Lochscheibe an der unmittelbaren Schweißstelle durch Magnetkraft oder durch Klebung bzw. Pressung erfolgt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Bolzenschweißen für das Aufschweißen von Bolzen auf Werkstücke mittels des Lichtbogen-Bolzenschweißen 5 mit Hubzündung, bei dem die Bolzen und Werkstücke aus Metallen unterschiedlicher Legierungen bestehen, wobei Bolzen mit bestimmten Chrom-Nickel-Anteilen verwendet werden und zwischen dem Grundwerkstoff und dem aufzuschweißenden Bolzen eine Lochscheibe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die werkstoffmäßige Zusammensetzung der Lochscheibe so ausgeführt ist, dass sie noch einen Grundwerkstoffanteil an der Nahtbildung von ca. 5% bis 35% gestattet, eine Dicke aufweist, die im Größenbereich von 0,5 mm bis 2,5 mm liegt und dass der äußere Durchmesser der Lochscheibe annähernd gleich oder geringfügig größer als der Bolzendurchmesser ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine zuverlässige Zündung der Bohrungsdurchmesser der Lochscheibe der Größe der Bolzenspitze des aufzuschweißenden Bolzens angepasst ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lochscheibenwerkstoffe Werkstoffe mit einem Gehalt an
Cr = 23% bis 35%
Ni = 8% bis 18%
zum Einsatz kommen.