DE2105531A1

DE2105531A1 - Chemisches Schweißmaterial

Info

Publication number: DE2105531A1
Application number: DE19712105531
Authority: DE
Inventors: W Ishibashi
Original assignee: Iwatani Corp
Current assignee: Iwatani Corp
Priority date: 1970-05-19
Filing date: 1971-02-05
Publication date: 1972-01-27
Also published as: CA953621A; GB1289802A; US3726727A; FR2092300A5; BE763860A; SE377065B; NL7101115A

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges chemisches Schweißmaterial aus einem Gemisch aus einem pulverisierten Leichtmetall und einem Metalloxid. Insbesondere betrifft die Erfindung ein unter Druck in eine feste Form überführtes chemisches Schweißmaterial, das aus einem Gemisch aus einem Leichtmetallpulver, z.B. Aluminium-, Magnesium-, Beryllium- oder L.ithiumpulver, und einem Metalloxidpulver besteht. Ganz allgemein soll hier und im folgenden unter dem Begriff "Leichtmetall" ein Metall aus dem linken oberen Teil des Periodensystems zu verstehen sein.

einem bekannten Schweißverfahren, nämlich bei der Thermitschweißung, wird das verwendete, aus einer Mischung aus Aluminium- und Eisenoxidpulver in bestimmtem Mengenverhältnis bestehende Thermitgemisch in einem vorher (an Ort und Stelle) angebrachten Tiegel entzündet und der gebildete rotglühende Thermit-Stahl über aneinander stoßende Werkstücke fließen gelassen. Die betreffenden Werkstücke wurden in einer Form vorerhitzt, wobei ein seitwärts gerichteter Druck zu beobachten ist, wenn die Werkstücke Schweißtemperatur angenommen haben. Ein anderes Verfahren besteht darin, daß das Thermitgemisch unmittelbar über die zu verschweißenden Teile ge-

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streut und dann entzündet wird; hierbei wird infolge der Thermit-Reaktion eine für die Yerschweißung der Werkstücke ausreichend hohe Schweißtemperatur erreicht.

Ungeachtet seiner Brauchbarkeit zur Herstellung fester Verbindungen bei regelmäßig geformten Werkstücken mit vergleichsweise kleiner Schweißfläche, wie Schienen oder Rad-.achsen, ist das zuerst genannte Verfahren jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß es nicht auf lange Gegenstände anwendbar ist und außerdem die Verwendung eines Tiegels und einer Form erfordert, wodurch der Arbeitsablauf durch den Zeit- und Arbeitsaufwand beim Vorwärmen, Formen, nerausnehmen und dgl. kompliziert wird. Die folgenden Daten veranschaulichen beispielsweise den durchschnittlichen Z.eitaufwand beim Schweißen von Schienen:

Berextstellung einer Sandform	8	2 mm
Vorwärmen		20 min
Formen		- 10 see
Wartezeit, bis Formrahmen
brauehbar ist		5 min
Entfernung des Formrahmens	1 min
Arbeitszeit	50 min

Dieser Aufstellung ist ohne weiteres zu entnehmen, warum das "Tiegel(thermit)schweißverfahren" kaum Eingang in die Praxis fand.

Andererseits läßt sich das zuletzt genannte Verfahren ohne Zuhilfenahme irgendwelcher Ausrüstungen in höchst einfacher Weise durchführen, da das Thermitgemisch lediglich auf die zu verschweißenden Werkstücke aufgestreut und entzündet werden muß. Nachteilig hieran ist jedoch, daß das Thermitgemisch in Pulverform verwendet wird; dies führt zu einem Lufteinschluß (in dem Thermitgemisch), wodurch eine rasche Ausbreitung der Thermit-Reaktion verhindert wird. Hierdurch wie-

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derum fällt der Wirkungsgrad dieses Schweißverfahrens stark ab. Ein weiterer, letzterem Verfahren anhaftender Nachteil besteht darin, daß das Thermitgemisch auf kompliziert gebogene und dünne Teile nur schwierig zu applizieren ist· Hierbei kommt es zu einer unerwünschten Brückenbildung, was den kontinuierlichen Ablauf der Thermit-Reaktion hemmt· Außerdem entstehen hierbei unterbrochene Schweißnähte unzweckmäßiger Ausbildung.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Schweißmaterial zu schaffen, das unter Vermeidung der den bekannten Thermitverfahren anhaftenden Mangel und Nachteile aus Metall bestehende Werkstücke unter Ausbildung gleichmäßiger und fester ' Schweißverbindungen bei gleichmäßig verteilter und konzentrierter Hitze, die durch die Umsetzung eines im Schweißmaterial enthaltenen Leichtmetalls mit Sauerstoff bei der Verbrennung der Metalloxid-Komponente erzeugt wird, zu schweißen vermag.

Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß die bei der Thermit-Reaktion pro Volumeneinheit erzeugte Wärmeenergie und die beim Schweißen effektiv verbrauchte Metallmenge zur Dichte des Thermitgemisches proportional sind, sodaß pro Volumeneinheit mehr Wärme erzeugt und die eingesetzte Metallmenge wirksamer ausgenutzt wird, wenn das Schweißmaterial in fester g Form anstatt in Pulverform eingesetzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein chemisches Schweißmaterial aus einem pulverisierten Leichtmetall und Metalloxid, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es unter Druck in einer Form verfestigt ist.

Insbesondere kann das chemische Schweißmaterial gemäß der Erfindung in einen Metallbehälter mit vorzugsweise offenem Ende gepackt sein.

Dadurch, daß das chemische Schweißmaterial gemäß der Erfin-

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dung zu fester Form verdichtet ist, und insbesondere durch seine Packung in einen Metallbehälter werden der Wirkungsgrad des Schweißverfahrens und seine praktische Anwendbarkeit nahezu verdoppelt.

Bei Verwendung eines Schweißmaterials gemäß der Erfindung entsteht eine stark konzentrierte Hitze, mit deren Hilfe Werkstücke rasch geschweißt werden können. Darüberhinaus läßt sich das Schweißmaterial gemäß der Erfindung auch bei schwierig zu schweißenden Werkstücken, z.B. solchen mit tiefen Bohrungen, eng gekrümmten Teilen oder großer Länge, applizieren, ohne daß spezielle Arbeitsschritte oder Werkzeuge erforderlich wären.

Im folgenden wird die Erfindung unter Verwendung eines Aluminiumpulvers und eines Eisenoxidpulvers anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, aus der die Beziehung zwischen dem zum Formen des Schweißmaterials angewandten Druck und der erzielten Dichte dieses Materials hervorgeht;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, aus der sich die Beziehung zwischen der Dichte des Schweißmaterials und der entstehenden Hitze ergibt;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, aus der die Beziehung zwischen der Dichte des verfestigten Schweißmaterials und der darin pro Volumeneinheit ( 1 cm^) enthaltenen Eisenmenge hervorgeht;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, aus der sich die Beziehung zwischen der Dichte des verfestigten Schweißmaterials und dem Gewicht des auf dem durch die pro volumenein-

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heit (1 cnr) des Schweißmaterials erzeugte Wärme zu verschweißenden Werkstücke befindlichen Eisens ergibt;

3Pig. 5 eine graphische Oar stellung, aus der die Beziehung zwischen der Dichte des verfestigten Schweißmaterials und seinem zur Ausbildung einer Schweißverbindung eines bestimmten "Volumens ( 1 cw?) benötigten Volumen hervorgeht;

J¹Ig. 6 eine schematische.perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des in einen Metallbehälter gepackten Schweißmaterials gemäß der Erfindung und

Fig. 7 eine schematische perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform des gepackten Schweißmaterials gemäß Fig. 6.

Wenn ein Gemisch aus Aluminiumpulver und Eisenoxidpulver (8 Al + 3 ϊ'βχΟ/μ) zur Herstellung des Schweißmaterials verwendet wird, hat es sich gezeigt, daß sich die Wärmeenergie pro Volumeneinheit (1 Qmr) in Abhängigkeit von der Dichte des Schweißmaterials ändert.

Dichte (g/cm*) Freigesetzte Energie (kcal/cm^)

1,42 1,09

1,90 1,46

2,03 1,56

3,00 2,66

4,25 3,60

Aus diesen Werten ergibt sich eindeutig, daß ein Schweißmaterial zur Steigerung des Wirkungsgrades des Schweißverfahrens eine möglichst hohe Dichte aufweisen soll. Fig. 1 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem zum Formen des Schweißmaterials angewandten Druck und der entstehenden Dichte in einem speziellen

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Ausführungsbeispiel (des Schweißmaterials) für den Fall, daß ein Gemisch aus durchschnittlich 80 /u großen Aluminiumkörnchen und durchschnittlich 25 /u großen Eisenoxid- bzw. Fe^O^-Körnchen in einem Mengenverhältnis von 8 Mol zu 3 Mol dieses Gemisch wird im folgenden einfach als "pulverisiertes

Schweißmaterial" bezeichnet - unter einem Druck von 1—6 t/cm zu einem Zylinder von 11,3 MQ Durchmesser und 10 mm Höhe ausgeformt wird. Gemäß Fig. 1 steigt die Dichte des pulverisierten Schweißmaterials praktisch linear, bis der angelegte Druck einen Wert von 1 t/cm erreicht; oberhalb dieses Druckes nähert sich die Druck/Dichte-Kurve asymtotisch einer Geraden, die bei einem Druck von über 3 t/cm² erreicht wird; dies bedeutet, daß sich die Dichte nicht mehr erhöht. Fig. 2 zeigt, daß die Wärmeenergie proportional zur Dichte des Schweißmaterials linear ansteigt.

Aus den vorherigen Ausführungen geht hervor, daß die im Schweißmaterial pro Volumeneinheit enthaltene wirksame Metallmenge proportional zur Dichte zunimmt. Die graphische Darstellung von Pig. 3 zeigt die Änderung der in einer Volumeneinheit (1 cnr) eines festen Schweißmaterials enthaltenen Eisenmenge in Abhängigkeit von der Dichte (des Schweißmaterials).

Bei der praktischen Verwendung des festen Schweißmaterials gemäß der Erfindung kann die durch Schätzen ermittelte Menge des auf den Werkstücken auf .geschmolz en en Eisens ein Anhaltspunkt zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Schweißung sein. Aus Fig. 4 sind die unter Berücksichtigung dieser Erwägungen geschätzten Eisenmengen, die mit Hilfe der bei der jeweiligen Dichte des festen Schweißmaterials pro Volumeneinheit freigesetzten Wärme aufgeschmolzen werden, zu entnehmen. Aus diesem Diagramm geht hervor, daß mittels 1 cm^ eines festen Schweißmaterials einer Dichte von 1,0 g/cm* 1,3 g Eisen aufgeschmolzen werden können, während ein festes Schweißmaterial mit einer Dichte von 4,0 g/cm.* eine aufgeschmolzene Eisenmenge von 5»5 g liefert. Hieraus kann geschlossen werden, daß die Dichte eines

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festen Schweißmaterials und die aufschmelzbare Eisenmenge zueinander linear proportional sind.

Erfindungsgemäß kann, wie sich dies aus Fig. 5 ergibt, mit einer, bezogen auf das Volumen des Werkstücks, relativ kleinen Volumenmenge Schweißmaterial eine perfekte Schweißverbindung erreicht werden, wenn die Dichte des Schweißmaterials genügend hoch ist. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wurde zur Ausbildung einer Schweißverbindung eines Volumens von 1 cm* bei Verwendung eines festen Schweißmaterials einer Dichte von 2»9 g/cm* eine Schweißmaterialmenge von 5i3 cm* benötigtj bei Verwendung eines Schweißmaterials einer Dichte von 3»8 g/cm* nahm dagegen die erforderliche Materialmenge pro 1 cm* Schweißverbindung auf 3»5 g ab. Daraus folgt, daß bei abnehmender Dichte (des Schweißmaterials) für ein gegebenes Volumen des Werkstücks eine größere Volumenmenge des Schweißmaterials benötigt wird.

Erfindungsgemäß kann somit die Schweißmaterialmenge pro Volumeneinheit gebildeter Schweißverbindung im Vergleich zum bekannten Thermit-Schweißen unter Verwendung von pulverisiertem 'Thermitgemisch, sehr gering gehalten werden. Außerdem läuft die Schweißung unter konzentriert freigesetzter Wärme mit hohem Wirkungsgrad gleichmäßig ab. Schließlich läßt sich das Schweißmaterial gemäß der Erfindung infolge seiner kompakten und festen Konsistenz sehr leicht handhaben.

Wie sich aus den Fig. 6 und 7 ergibt, kann das feste Schweißmaterial 1 in einem Metallbehälter 2 mit offenem Ende gepackt sein, ftach dem Einsetzen zwischen Werkstücke 3 und 4 wird der Behälter 2 am offenen Ende, an dem das feste Schweißmaterial gepackt ist, gezündet. Der mit dem Schweißmaterial versehene Behälter ist mit S bezeichnet.

In diesem Falle nimmt der Metallteil des Behälters 2 - in Zusammenwirkung mit der Metall-Komponente des festen Schweißma—

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terials 1 - am Schweißvorgang teil, so daß mit einer kleineren Volumenmenge Schweißmaterial gearbeitet werden kann als wenn das Schweißmaterial alleine verwendet worden wäre. Insbesondere dann, wenn der Behälter 2 nach der Form der Werkstücke gefertigt bzw. diesen angepaßt ist, kann er ohne weiteres auf verschiedenartige Stahl-Werkstücke, beispielsweise auf eine Schiene, eine Rad-.achse, eine lange Stahlplatte oder auf ein gemäß i"ig. 7 mit einer'v-formigen Querschnitt besitzenden Nut versehenes Werkstück, appliziert werden, was den Schweißvorgang erheblich vereinfacht.

Gute Schweißergebnisse werden erreicht, wenn folgende Gleichung:

b/a = 3,4

in welcher a die Dicke des Metallbehälters 2 und b die Dicke des darin enthaltenen Schweißmaterials bedeuten, eingehalten wird. Die angegebene Gleichung besagt, daß die Dicke des im Behälter enthaltenen Schweißmaterials das 3,4— fache der Behälterdicke betragen soll.

Außerdem wird durch die weitere Gleichung

l/h * 1,9

worin 1 für die Höhe des im Behälter befindlichen Schweißmaterials und h für die Dicke des zu schweißenden Metall-Werkstücks steht, bestimmt, daß die Höhe des festen Schweißmaterials das 1,9-fache der Höhe des zu schweißenden Werkstücks betragen sollte.

Das hoch verdichtete chemische Schweißmaterial gemäß der Erfindung kann augenblicklich entflammen, wenn es mit Hilfe von Acetylen- oder Propangas lokal auf eine genügend hohe Temperatur (in der Größenordnung von etwa 650⁰O) erhitzt wird; auf diese Weise ist die freigesetzte Hitze stärker konzentriert als bei Verwendung des bekannten pulverisierten Thermit-Schweißmaterials, obgleich sich die durchschnittlichen kalorischen

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Werte dieser beiden Schweißmaterialien nicht unterscheiden·

Die Folge davon ist, daß der Wirkungsgrad der Schweißung stark zunimmt und eine unerwünschte Brückenbildung an den Werkstücken, die bei Verwendung des nicht-verfestigten, bei dem bekannten Verfahren verwendeten Thermitgemisches unvermeidbar wäre und unter Verhinderung einer kontinuierlichen Schweifung zur Ausbildung ungleichmäßiger Schweißstellen und schwacher Verbindungen zwischen den Werkstücken führt, vermieden wird. Ferner kann das Schweißmaterial gemäß der Erfindung in beliebigen Formen, beispielsweise in Pellet- bzw. Tablettenform, verfestigt werden, so daß es selbst an lokale " Schweißstellen in einer tiefen Bohrung oder an eng gekrümmten Teilen appliziert werden kann. Hierbei muß das Schweißmaterial lediglich von außen her entzündet werden. Infolgedessen kann also das Schweißmaterial gemäß der Erfindung überall eingesetzt werden, was einen großen Vorteil gegenüber dem bekannten pulverisierten Schweißmaterial darstellt, üiin weiterer Vorteil des verfestigten Schweißmaterials gemäß der Erfindung besteht darin, daß es im Gegensatz zum bekannten Elektro- oder Autogenschweißen ohne weiteres bei einem langen Gegenstand und sogar bei einem mit V-förmiger Nut versehenen Werkstück mit vergleichsweise breitem Schweißbereich, wie in Fig. 7 veranschaulicht, eingesetzt werden kann. Alle diese Schweißarbeiten lassen i sich einfach durchführen, indem das verfestigte Schweißmaterial lediglich zwischen die zu verschweißenden Teile eingesetzt und von außen her gezündet wird, wodurch die Notwendigkeit der Zufuhr von elektrischem Strom oder Gas über, längere Zeitspannen hinweg sowie die Notwendigkeit für Schweißgeräte ausgeschaltet werden. Das erfindungsgemäße Schweißmaterial ist mithin ohne Schwierigkeit an jeder beliebigen Stelle anwendbar.

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Claims

-.10 - Patentansprüche

1.) Chemisches Schweißmaterial aus einem Gemisch, aus pulverisiertem Leichtmetall und Metalloxid, dadurch gekennzeichnet, daß es unter Druck in einer Form verfestigt ist.

2.) Chemisches Schweißmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einen Metallbehälter mit einem offenen Ende gepackt ist.

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