DE2428770B2

DE2428770B2 - Verwendung einer tablette als selbstoeffnender tiegelverschluss zum schmelzschweissen

Info

Publication number: DE2428770B2
Application number: DE19742428770
Authority: DE
Inventors: Dominique Neuilly Savigny (Frankreich)
Original assignee: Acieries De Gennevilliers Anciens Ets. C. Delachaux, Gennevilliers, Seine (Frankreich)
Priority date: 1973-06-20
Filing date: 1974-06-14
Publication date: 1977-05-05
Also published as: FR2234089B1; ES427364A1; US4149704A; FR2234089A1; DE2428770A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer festen, eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisenden, beim Erhitzen nicht gasenden Tablette, deren Wärmeleitfähigkeit unter 0,555 cal/m-s-K. und deren Schmelztemperatur zwischen 1573 K und 1873 K liegt, als selbstöffnender Verschluß für das Abflußloch eines Tiegels zum aluminothermischen Schmelzschweißen.. Das Prinzip des aluminothermischen Schmelzschweißens ist allgemein bekannt. Es besteht darin, die durch die Reaktion zur Bildung von Aluminiumoxid aus seinen Bestandteilen zum Gewinnen von schmelzflüssigem Metallot freigesetzte Wärme zu nutzen. Beim Durchführen dieses Schweißverfahrens läßt man das Schweißmetall oder Lot im allgemeinen als Oxid auf Aluminiumpulver in einem Schmelztiegel einwirken, wobei die Reaktion durch bekannte Mittel wie eine örtliche Erhöhung der Temperatur eingeleitet wird. Wenn die gesamte Masse geschmolzen ist, wird das Abflußloch des Tiegels geöffnet. Das Schweißmetall ergießt sich dann in einen Aufnahmetiegel, der die zu verschweißenden Teile enthält.

Der Augenblick, in dem das öffnen geschieht, ist für dieses Verfahren sehr wichtig. Wenn es nämlich zu früh geschieht, ist die Trennung von Aluminiumoxid und geschmolzenem Metall unvollständig, während im Gegensatz dazu ein zu spätes öffnen eine Abkühlung des Metalls und damit eine unzureichende Gießtemperatur herbeiführt.

Aus der DT-PS 8 85 646, der US-PS 18 83 755 und der FR-PS 11 67 777 ist ein selbstöffnender Verschluß für das Abflußloch eines Tiegels zum aluminothermischen Schmelzschweißen bekannt, der sich dadurch auszeichnet, daß das Abflußloch durch eine Tablette (Plättchen, Scheibe) verschlossen ist, die aus Metall, insbesondere Stahl oder gepreßter Stahlwolle, oder aber aus Pappe, Putzwolle und dergleichen, besteht. Die für die Tablette verwendeten Materialien lassen sich anhand ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Die wichtigsten Kriterien sind die Wärmeleitfähiekeit und die SchmelztemDeratur der Tablette, denn sie entscheiden darüber, ob die Tablette im rechten Augenblick, also nicht zu früh und nicht zu spät, rasch schmilzt oder nicht. Daneben sind Festigkeit, gute mechanische Widerstandsfähigkeit und Gasungsfreiheit beim Erhitzen für die Tablette Grundvoraussetzungen, die erfüllt sein müssen, wenn die Selbstöffnung im geschilderten Sinne erfolgen soll.

Andere bisher benutzte Verschlüsse zum öffnen des Abflußloches von Tiegeln sind rein mechanischer Art und werden häufig von Hand aufgrund empirischer Daten betätigt, wodurch, abgesehen von der Notwendigkeit, eine Bedienungsperson bereitzustellen, offensichtlich die erforderliche Genauigkeit fehlen kann.
Die Erfindung ergibt einen Verschluß, dessen öffnung

im optimalen Zeitpunkt geschieht, weil diese öffnung durch die Temperatur des Schmelzbades und das Ende der Reaktion bedingt ist. Dies stellt einen bedeutenden Vorteil dar und erlaubt es, die Mangel der bisherigen Technik in einem gewissen Maße zu beseitigen, beispielsweise die bei einem Teil der Charge existierenden Unterschiede im Zündzeitpunkt. Der durch die Erfindung entstehende Verschluß hai außerdem den Vorteil, daß er leicht an die jeweiligen Verhältnisse anpaßbar ist und gut reproduzierbare Ergebnisse liefert.

Es hat nach Versuchen, die mit verschiedenen Materialien, wie insbesondere Metallen, Holz, Verbindungen pyrotechnischer Art und Asbest, durchgeführt wurden, den Anschein, als ob das Schmelzen des Verschlusses durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit

v> verzögert werden müßte, um einen brauchbaren selbstöffnenden Verschluß zu erhalten. Daher stellen die Metalle mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Stahl nicht zufrieden, weil sie schnell schmelzen, wenn ihr Schmelzpunkt erreicht ist, und zwar selbst dann, wenn es sich nur urr. eine örtliche oder vorübergehende Überhitzung handelt. Die erhaltenen Öffnungszeitpunkte sind daher wenig reproduzierbar. Außerdem stellt die Dicke des Verschlusses keinen auf den Öffnungszeitpunkt einwirkenden Parameter dar, ganz im Gegensatz zu dem mit der Erfindung herstellbaren Verschluß, bei dem die Verzögerung zumindest in einem bestimmten Bereich der Dicke der Tablette proportional ist (F i g. 2).

Die Versuche haben gezeigt, daß weder kohienstoff-

armer Stahl noch pyrotechnische Mischungen noch Holz als Werkstoff für die Tablette geeignet sind, sei dies wegen eires zu hoch oder zu tief liegenden Schmelzpunktes oder wegen einer zu hohen Wärmeleitfähigkeit. Damit scheiden die in der FR-PS 21 51 524 propagierten pyrotechnischen Mischungen und Stahl, aber auch Stahlwolle, Pappe, Werg usw. unter anderem wegen ihrer zu geringen mechanischen Festigkeit als Werkstoffe aus. Es bleibt nur eine kleine Gruppe von Werkstoffen übrig, deren Wärmeleitfähigkeit und Schmelztemperatur in den als günstig ermittelten Bereichen liegen. Stahlwolle gehört nicht zu diesen ausgesuchten Werkstoffen, denn Stahl hat eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 11,1 cal/m-i-K, während Stahlwolle eine geringere Leitfähigkeit hat, und wenn diese unter 0,555 cal/m ■ s · K liegen soll, dann muß die Wolle so luftig sein, daß sie das Gewicht der aluminothermischen Mischung, welches zwischen 5 und 15 kp beträgt, nicht zu tragen vern:ag. Stahlwolle erfüllt also die Nebenbedingung der Festigkeit und guten mechanischen Widerstandsfänigkeit sowie, wegen des Lufteinschlusses, der Gasungsfreiheit nicht in ausreichendem Maße, so daß sie für eine erfindungsgemäße Verwendung nicht in Frage kommt.

Bei der Definition der erfindungsgemäßen Verwen-

dung soll unter einer »guten mechanischen Wider Standsfähigkeit« der Tablette eine solche verstanden werden, welche die in einem Schmelztiegel enthaltene Charge aufzunehmen gestattet. Unter »beim Erhitzen nicht gasend« soll verstanden werden, daß die Tablette beim Erhitzen keinen Wasserdampf abgibt, daß sie also gar keine oder nur wenig Feuchtigkeit absorbiert, aber auch, daß die Tablette sich unter den Bedingungen, die im Tiegel herrschen, nicht zersetzt oder nicht mit den Bestandteilen des Schmelzbades reagiert und dadurch zur Bildung von Gas beiträgt. Unter einer ^Wärmeleitfähigkeit unter 0,555 cal/m-s- K.« ist vorzugsweise eine solche zi.¹ verstehen, die unter einem Viertel des genannten Maximalwertes liegt.

Einer der Hauptvorteile des mit der erfindungsgemä- '5 Ben Verwendung herstellbaren Verschlusses besteht darin, daß in dem interessierenden Temperaturbereich des aluminothermischen Schmelzschweißens eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Dicke der Tablette und derjenigen Zeit besteht, die vergeht, bis zo der Verschluß selbst öffnet, so daß es möglich ist, den Gebrauch von aluminothermischen Tiegeln zu optimieren.

Als idealer, nicht aber bis einziger Werkstoff für die Tablette hat sich Asbest erwiesen, dessen Verwendung als selbstöffnender Verschluß nicht bekannt gewesen ist. Die US-PS 32 67 533 offenbart zwar einen Verschluß für das Abflußloch eines Tiegels zum aluminothermischen Schmelzschweißen, bei dem eine Asbestscheibe verwendet wird. Der Verschluß ist aber nicht selbstöffnend, sondern wird mittels eines Bolzens mechanisch geöffnet, indem der Bolzen angehoben wird und mit seinem oberen tellerartigen Ende, welches die Asbestscheibe nicht zu unterstützen, sondern lediglich an ihr anzuliegen braucht, die Asbestscheibe nach oben drückt, bis ein ringförmiger Durchlaß für die Schmelze entstanden ist. Bei dem bekannten ventüähnlichen Verschluß wirken also die Asbestsc'neibe als Ventilkörper und der Bolzen als Ventilstößel. Dennoch besteht kein Widerspruch zwischen der Verwendung von Asbest als Werkstoff für den Ventilkörper eines mechanisch betätigten Verschlusses einerseits und für einen selbstöffnenden Verschluß andererseits, weil die Asbestscheibe bei dem bekannten Verschluß ohne mechanische Zerstörung bereits angehoben wird, bevor sie anschmilzt. Das setzt natürlich eine entsprechend niedrig schmelzende aluminothermisch^ Mischung voraus.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Tablette aus Asbestpappe mit einem Gehalt von 98% bi? 99% an Asbest in Form von Chrysotilfasern kanadischen Ursprungs, einer Dichte um 1.04, einer Zugfestigkeit von 0,7 kp/mm², einer Schmelztemperatur von 1723 K und einem Abbrandverlust von ungefähr 15%. Derartige Asbestpappe wird in Pappstücke passender Größe aufgeteilt. Die Vergleichsdichte von Wasser beträgt 1.00.

In der Praxis sind bisher nur solche Tiegel verwendet worden, deren Abflußloch mit ein m mechanisch zu betätigenden Verschluß versehen ist. Lediglich für ganz kleine Chargen von einigen zehn Gramm (aluminothermische Mischungen wiegen bis zu 15 kp) sind Tiegel mit selbstöffnendem Verschluß verwendet worden, so beispielsweise beim Anschweißen von Kupferkabeln an die Stoßverbindungen von Eisenbahnschienen

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Verwendung einer Tablette am Boden eines mit einer aluminothermischen Mischung gefüllten Metaürohres.

dessen Enden verschlossen sind. Hierdurch wird nämlich der Nachteil, der auftritt, wenn nur die Tablette als Verschlußelement verwendet wird, und in einer Abnutzung der Ränder des Tiegels besieht, vollständig beseitigt. Die Tablette besteht hierbei vorzugsweise aus Asbest und die aluminothermische Mischung hat den Zweck, die Bedingungen, denen das im Tiegel enthaltene Material unterworfen ist, gleich zu halten.

Im folgenden ist die Erfindung anhand einer durch die Zeichnung beispielhaft dargestellten Ausführungsform eines nach der erfindungsgemäßen Verwendung hergestellten Verschlusses für einen Tiegel im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig.] einen vertikalen Längsschnitt durch den Tiegel mit der Ausführungsform und

F i g. 2 ein Schaubild, das die Zeit bis zur Verschlußöffnung als Funktion der Tablettendicke für eine bestimmte Charge darstellt.

In F i g. 1 ist ein Tiegel 1 dargestellt, auf dem mittels einer Befestigungsvorrichtung 3 ein erhöhender Aufbau 2 befestigt ist. Der Tiegel I ist im wesentlichen kegelförmig und besteht aus drei Schichten, nämlich einer äußeren Hülle 4, deren unterer Teil 7 mit einem den Abfluß aus dem Tiegel ermöglichenden Durchbruch 7.7 versehen ist, einem feuerfesten Futter 6 und einer isolierenden Schicht 5 zwischen der Hülle 4 und dem ["utter 6. Das Futter 6 ist an seinem unteren Ende mit einer schwach konischen Ausnehmung 8 versehen, in die eine Hülse 9 eingesetzt ist, deren Bohrung ein Abflußloch 10 für den Tiegel bildet. Die Hülse 9 hat dieselbe Konizität wie die Ausnehmung 8, so daß sie am Grund des Tiegels 1 festsitzt. Das Abflußloch 10 weist an seinem oberen Ende einen Abschnitt mit größerem Durchmesser auf, nämlich eine Aufbohrung 11, die eine Asbesttablette 12 aufnimmt. Um das Einsetzen der Asbesttablette 12 zu erleichtern, ist die Aufbohrung 11 des Abflußloches 10 vorteilhafterweise mit einer Fase an ihrem oberen Rand versehen. Die Hülse 9 kann beispielsweise aus silikathaltigem Sand oder einem anderen, von den aluminothermischen Verfahren her wohl bekannten feuerfesten Matrial bestehen, ebenso wie der Tiegel.

Bei der Benutzung des Verschlusses in Form der Asbesttablette 12 für das Abflußloch 10 hat sich gezeigt, daß es, wenn eine große Gleichmäßigkeit der Öffnungszeit des Tiegels erreicht werden soll, notwendig ist, daß die Hülse 9 wenigstens die Oberseite der Asbesttablettc 12 überragt, wodurch der Übergang von Wärme von der im Tiegel 1 enthaltenen Charge einer aluminothermischen Mischung auf die Asbesttablette 12 verbessert wird. Die Durchführung des aluminothermischen Schmelzschweißens mit Hilfe des Verschlusses geschieht nach den bekannten Verfahren. Indessen müssen in diesem speziellen Fall gewisse Vorkehrungen getroffen werden. Die Asbesttablette wird zunächst in die Hülse eingesetzt, bevor diese in die Ausnehmung des Tiegels hineingesteckt wird. Wenn die Abdichtung der Hülse gegen den Tiegel infolge des Verschleißens des Tiegels nicht mehr wirksam hergestellt werden kann, ist es notwendig, auf den inneren Umfang des zylindrischen Abflußloches 10 ein wenig Aluminiumoxid 7.11 verteilen. Im Gegensatz da/u ist es notwendig, darüber zu wachen, daß sich auf der Oberseite der Asbesttablette kein Aluminiumoxid befindet, damit der Einf'uß auf den NV rschluß nicht zerstört wird.

Aus Fig. 2 ist ein Diagramm ersichtlich, das die Änderung der in Sekunden gemessenen Zeit bis zur Verschlußöffnung in Abhängigkeit von der in mm

gemessenen Dicke der Asbesttablette zeigt. Die dargestellte Kurve beruht auf Versuchen, die mit dem Tiegel gemäß F i g. 1 durchgeführt wurden. F i g. 1 zeigt den Tiegel im Maßstab 1 :2. Die verschiedenen Asbesttabletten wurden aus Asbestpappe im Format 1100 χ 1000 mm ausgestanzt. Diese Asbestpappe entstand aus der Überlagerung sehr feiner Schichten aus Asbestpapiermasse, die nach dem Kneten der Chrysotilfasern in Wasser aufgetragen wurden. Die verschiedenen Dicken der Asbesttabletten, die für die Versuche notwendig sind, wurden durch Zusammenkleben zweier Tabletten mit Wasser erhalten, auf das ein Trockenvorgang folgte.

Die zu diesen Versuchen benutzte Charge ist eine Charge SO 80, die folgendes enthält:

Aluminium	1200 g
Eisenoxid	3900 g
Guß und Schrott	910g
Andere Bestandteile	170g

Vor dem öffnen des Verschlusses ist unter dem Tiegel sin feiner weißer Rauch sichtbar, der vom fortschreitenden Anschmelzen des Verschlusses herstammt. Der Beginn des Entstehens von Rauch scheint einige Sekunden auf das Ende der Reaktion im Laufe des Trennens zu folgen.

Anhand der Kurve in F i g. 2 läßt sich feststellen, daß für Dicken der Asbesttablette zwischen 3 und 10 mm die zwischen dem Beginn der Reaktion und dem eigentlichen Abfluß gemessene Zeit bis zur Verschlußöffnung eine lineare Funktion der Tablettendicke ist. Die im

ίο Laufe der Versuche ermittelten einzelnen Punkte sind gut reproduzierbar und die Streuung macht ungefähr ±2 Sekunden aus.

Der brauchbare Bereich der Dicke der Asbesttablette liegt zwischen 3 und 8 mm. Dem entspricht eine Verschlußöffnungszeit zwischen 15 und 27 Sekunden. Wenn die Dicke der Tablette zu groß ist, d. h. über 12 mm liegt, wird die Verschlußöffnungszeit sehr lang. Das zu reduzierende Chargenmetall ist nahe bei seiner Erstarrungstemperatur. Sein Abfluß ist schwierig und kann sogar unvollständig sein. Die Temperatur des Auftragsmetalls reicht dann nicht aus, um die einander gegenüberstehenden Flächen der miteinander zu verschweißenden Metallstücke anzuschmelzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer festen, eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit aufweisenden, beim Erhitzen nicht gasenden Tablette, deren Wärmeleitfähigkeit unter 0,555 cal/m-s-K und deren Schmelztemperatur zwischen 1573 K und 1873 K liegt, als selbstöffnender Verschluß für das Abflußloch eines Tiegels zum aluminothermischen Schmelzschweißen.

2. Verwendung einer Tablette aus Asbest als selbstöffnender Verschluß, nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Tablette aus Asbestpappe mit einem Gehalt von 98% bis 99% an Asbest in Form von Chrysotilfasern kanadischen Ursprungs, einer Dichte um 1.04, einer Zugfestigkeit von 0,7 kp/mm³, einer Schmelztemperatur von 1723 K und einem Abbrandverlust von ungefähr 15%, nach Anspruch 2.

4. Verwendung einer Tablette nach einem der Ansprüche 1 bis 3 am Boden eines mit einer aluminothermischen Mischung gefüllten Metallrohres, dessen Enden verschlossen sind.