DE2445088C3

DE2445088C3 - Verfahren zum Unterwasserreibungsschweißen von metallischem Material

Info

Publication number: DE2445088C3
Application number: DE2445088A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kohnan Kazihara; Mineo Tsushima Kosaka; Noboru Nakayama; Yoshio Tasaki
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1973-09-22
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1978-05-24
Also published as: GB1473716A; US3897623A; JPS5057052A; JPS547271B2; DE2445088A1; DE2445088B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterwasserreibungsschweißen von metallischen Gegenständen.

Neuerdings werden infolge des Fortschritts der meereskundlichen Entwicklungen in erhöhtem Maße technische Untersuchungen für das Schweißen von Unterwasserkonstruktionen durchgeführt. Bisher bekannte Verfahren zum Schweißen von Unterwasserkonstruktionen sind das Unterwasserlichtbogenschweißen, das Unterwasserplasmaschweißen usw. Im allgemeinen bezieht sich das Unterwasserschweißen zum größten Teil auf das Schneiden und Reparieren von Bauteilen. Bisher wurde jedoch kein perfektes Verfahren für ein direktes Unterwasserschweißen von Metallteilen bekannt.

Die Hauptgründe für die Schwierigkeit beim Unterwasserschweißen ergeben sich durch die schnelle Wärmeabgabe an das Wasser,, die Oxydation der geschweißten Flächen, die erforderliche Isolation der zu schweißenden Bereiche gegenüber dem umgebenden Wasser usw., wofür immer spezielle Arbeitsausrüstungen vorgesehen werden müssen. In größeren Wassertiefen hat der Wasserdruck die nachteilige Wirkung, daß die Gleichförmigkeit der Temperiiturverteilung an der zu schweißenden Fläche verschlechtert wird, wodurch es schwierig ist, eine vollkommene Vereinigung der geschweißten Gegenstände aus Me tall zu erzielen.

Wenn eine Reibschweißung unter Wasser ausgeführt wird, wird sofort die an den Reibflächen erzeugte Wärmeenergie in dem Umgebungswasser freigesetzt. Demzufolge sinkt die Temperatur in der Nachbarschaft der aneinanderstoßenden Flächen, wodurch das Schweißen schwierig wird. Wenn auf die: eine oder die andere Weise eine Verschweißung trotzdem erreicht wird, ist die Geschwindigkeit, mit der sich das geschweißte Teil abkühlt, unter Wasser beträchtlich hoher als in der Atmosphäre, was eine Erscheinung bewirkt, die dem Abschreckungshärten durch Eintauchen in Wa^se·· ähnlich ist, d. h. das Ergebnis ist, daß das geschweißte Teil und seine benachbarten Abschnitte rissig werden oder ein äußerst sprödes Gefüge erhalten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, das an Land gewöhnlich für die Verbindung von Gegenständen aus Metall verwendete Reibschweißen durch Verwendung der Reibungswärme als Wärmequelle auch auf einfache Weise unter Wasser auC7iifiihrPT\ Mit riipcprn I inlpru/iicsprrpihlinCTSSrhwpift-

3°

35

40

45 verfahren soll es möglich sein, Gegenstande aus Metall auf einfache und sichere Weise auch in großen Wassertiefen und somit bei hohem Wasserdruck miteinander zu verbinden, ohne daß das metallische Geiüge des geschweißten Teils beeinträchtigt wird oder Risse entstehen können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß um den Umfang der Stirnflächenabschnitte eines jeden der zu verschweißenden metallischen Gegenstände ein wärmeisolierendes Material herumgewickelt wird, und zwar bevor die Endflächen der metallischen Gegenstände gegeneinanderliegend angeordnet und durch die Reibungswärme, die in den gegenüberliegenden Endflächen durch Relativbewegung und den in Axialrichtung aufgebrachten Druck erzeugt wird, verschweißt werden.

Wenn das wärmeisolierende Material um den Umfang der gegenüberliegenden Endflächen der beiden metallischen Gegenstände herumgelegt ist, die der Unterwasserschwsißung unterworfen werden, stellt sich in den feinen öffnungen zwischen den metallischen Gegenständen und dem wärmeisolierenden Material eine Gasphase ein, die den Wärmeübergang unterbricht und eine »tarke Speicherung der Wärme ermöglicht, die in der Nähe der geschweißten Teile der metallischen Gegenstände erzeugt wird. Demzufolge kann auch in einer großen Wassertiefe bei einem hohen Wasserdruck die Reibschweißung genauso einfach wie an Land ausgeführt werden.

Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt perspektivisch metallische Gegenstände, die für das erfindungsgemäße Schweißverfahren vorbereitet sind;

F i g. 2 zeigt im Schnitt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißten metallischen Gegenstände.

Ehe die End- bzw. Stirnflächen 2a und 2b der metallischen Gegenstände la und lögegeneinanderstoßend angeordnet und durch die Reibungswärme verschweißt werden, die in den Stirnflächen durch die Relativbewegung und den in Axialrichtung ausgeübten Druck erzeugt wird, wird um den Umfang der Endflächen der metallischen Gegenstände la und I feein wärmeisolierendes Band 3a bzw. 3b herumgelegt bzw. herumgewickelt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Als Material für die wärmeisolierenden Streifen 3a und 3b können verschiedene Materialien verwendet werden, welche wärmeisolierende Eigenschaften haben, beispielsweise Papier, Stoff oder ein Material, das man durch Aufstreichen eines Klebstoffs auf die Oberfläche eines Grundmaterials, wie Papier oder Stoff, erhält, oder ein Material, das man durch Aufstreichen eines haftenden Mittels vom Siliciumtyp auf Glasleinwand erhält. Den gleichen Umfangsschutz erhält man auch dann, wenn man einen Bund aus einem solchen Material herstellt, dessen Innenumfang genau dem Außenumfang der zu schweißenden metallischen Gegenstände entspricht, und wenn man diesen Bund um den Endabschnitt herum eines jeden der metallischen Gegenstände aufbringt.

Das Band bzw. der Streifen oder der Bund genügt dem genannten Zweck, wenn er eine Breite von 20 cm, gerechnet von den zu verschweißenden Stirnflächen aus, hat.

Wenn das wärmeisolierende Material um den Umfang der Endflächen der zu verschweißenden metallischen Gegenstände herumgelegt ist, wird einer Her metallischen GecenstänHe la um seine Achse durch

eine nicht gezeigte Drehvorrichtung gedreht. Gleichzeitig wird das andere metallische Teil \b von einem nicht gezeigten Spannfutter gehalten. Die Stirnflächen der beiden metallischen Gegenstände werden gegeneinandergedrückt, so daß auf die Stirnflächen eine relative Drehbewegung und ein Axialdruck einwirkt Dadurch wird in den aneinanderliegenden Stirnflächen der metallischen Gegenstände und' in den benachbarten Abschnitten die Temperatur auf den Schweißpunkt erhöht E>n Teil dieser Wärmeenergie wird zur Erzeugung von Dampf abgegeben. Der so erzeugte Dampf wird nicht völlig an das umgebende Wasser abgegeben, sondern läßt eine Gasphase in der schmalen Öffnung zwischen der Oberfläche der metallischen Gegenstände und der Innnenfläche des wärmeisolieren- ,, den Materials entstehen. Demzufolge wird aus den sich ansammelnden Dampftröpfchen ein Film zwischen der Oberfläche der metallischen Gegenstände und dem wärmeisolierenden Material gebildet Dieser Film dient dazu, den sonst möglichen Übergang als Reibungswärme zu unterbrechen, so daß anstelle einer Streuung bzw. Verteilung der Wärmeenergie diese in der Nähe der Schweißstelle in großem Maße gespeichert wird. Dadurch kann die Reibungsschweißung unter Bedingungen ausgeführt werden, die denen beim Reibungsschweißen in der Atmosphäre ähnlich sind. Dieser Effekt bleibt sowohl bei hohem Wasserdrui k (50 kp/ cm²), als auch bei niedrigerem Wasserdruck deutlich erhalten.

Bei fortschreitendem Verschweißen führt die Reibungswärme dazu, daß die aneinanderstoßenden Flächen der metallischen Gegenstände eine Anstauchung bilden bzw. nach außen ausgebaucht werden. In den gestauchten Abschnitten Aa und 4b verbrennen begrenzte Teile der wärmeisolierenden Bänder, wäh- ^s rend die größeren Teile der Bänder sich nach außen legen, längs der vorstehenden Flächen der Stauchung, und ihr Verbindungsstadium beibehalten. Wenn die Reibschweißuiig unter Wasser wie an Land ausgeführt wird, wird die Schweißung dadurch vervollständigt, daß die relative Drehbewegung plötzlich angehalten wird und gleichzeitig der Axialdruck auf einen Betrag, der größer als der während des Schweißens aufgebrachte ist, erhöht wird, nachdem die aneinanderliegenden Teile der metallischen Gegenstände verschmolzen oder in einen plastischen Zustand übergeführt sind. Nach Beendigung des Schweißens bleibt der größere Teil des wärmeisoliereiiden Materials an den verschweißten Teilen der metallischen Gegenstände haften. Dieses restliche wärmeisolierende Material dient dazu, die Geschwindigkeit zu verringern, mit der sich die geschweißten Teile abkühlen. Dadurch wird verhindert, daß die verschweißten Abschnitte spröde werden, was ohne die Isolation durch den plötzlichen Wärmeverlust an das umgebende Wasser eintreten würde. _s5

Wenn die Unterwasserreibungsschweißung ohne Verwendung des genannten wärmeisolierenden Materials ausgeführt wird, wird die in den aneinanderliegenden Flächen der metallischen Gegenstände erzeugte Wärme verbraucht, um einen Teil des Umgebungswassers in Dampfblasen umzusetzen, die sich beim Abströmen verteilen. Wenn der Wasserdruck unter solchen Bedingungen zunimmt, wird die Wärmeleitfähigkeit des Wassers erhöht und die spezifische Wärmekapazität des Wassers verringert Demzufolge nimmt die an das Wasser abgegebene Wärmeenergie zu, und die Temperatur in der Nähe der verschweißten Flächen nimmt ab, so daß das Schweißen schwierig auszuführen ist Da aus dem gleichen Grund die Geschwindigkeit, mit der sich das geschweißte Teil nach Vervollständigung der Schweißung abkühlt, beträchtlich größer ist als beim Schweißen in der Atmosphäre, tritt eine Erscheinung ein, die ähnlich dem Härten durch Abschrecken durch Eintauchen in Wasser ist, was zur Rißbildung in der Nähe des geschweißten Teils führt.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, erlaubt jedoch das wärmeisolierende Material, das um den Umfang an den Stirnflächen der zu verschweißenden metallischen Gegenstände herumgelegt ist, die Ausführung der Reibungsschweißung genauso vorteilhaft unter Wasser wie an Land, da dadurch verhindert wird, daß die Wärmeenergie, die durch Reibung in den aneinanderstoßenden Stirnflächen erzeugt wird, an das Umgebungswasser abgegeben wird, und daß sich das geschweißte Teil nach Abschluß der Schweißung plötzlich abkühlt.

Bei den vorsiehenden Ausführungen wurde davon ausgegangen, daß die zu verschweißenden metallischen Gegenstände die Form runder Stangen haben. Selbstverständlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zum Anschweißen einer runden Stange an einer Metallplatte zu benutzen. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden von runden Stangen und zum Anschweißen von Zapfen verwendet werden.

Anhand des nachstehenden Beispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel

Die metallischen Gegenstände haben am Klemmteil einen Durchmesser von 20 mm und am zu verschweißenden Teil einen Durchmesser von 13 mm und eine Länge von 30 mm. Die Gegenstände bestehen aus einem glühbehandelten Material mit folgender Zusammensetzung: 0,32% C, 0,20% Si, 0,70% Mn, 0,014% P, 0,016% S, 0,024% Cr, 0,019% Ni, 0,03% Cu und Rest Eisen (auf 100%).

Diese metallischen Teile werden paarweise in Stangenform verschweißt, wobei die Anzahl der Umdrehungen für die relative Drehbewegung auf 4000 Upm, der Axialdruck auf etwa 4 kp/mm², der Stauchdruck auf etwa 8 kp/mm² und die Schweißzeit auf 15 s unter verschiedenen Wasserdrücken von 1 kp/cm¹, 4 kp/cm² und 6 kp/cm² festgelegt sind. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Wasserdruck Stauchung
kp/cm² mm

Zugfestigkeit kp/mm-¹

!,4 bis 11,6
2,0 bis 6,1
0,5 bis 5,2

54,8 bis 56,6 56.0 bis 56,7 ¹UbIS 33.6 Lage dos Bruchs

im Gegenstand selbst
im Gegenstand selbst
im treschwt ißten Teil

Die in den Spalten »Stauchung« und »Zugfestigkeit« angegebenen Zahlenwerte sind jeweils das Maximum und das Minimum der Werte, die bei insgesamt zehn Versuchen erhalten wurden.

Aus Tabelle 1 sieht man, daß die Festigkeit des geschweißten Teils stark abnimmt, wenn der Wasserdruck auf 6 kp/cm² steigt. Deshalb hat man Bänder mit einer Breite von 19 mm und einer Länge von 150 mm, die durch Aufstreichen eines wäimefesten Klebemittels auf ein handelsübliches Kunststoffband und auf Polytetrafluorethylen und Glasleinwand präpariert wurden, um den Umfang an den Stirnflächen der metallischen Gegenstände gelegt und sie unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend beschrieben bei einem Wasserdruck von 6 kp/cm² verschweißt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2	Wärmeisolierendes Material	Stauchung mm	Zugfestigkeit kp/mm²	Lage des Bruchs
Wasser druck kp/cm²	Kunststoffband Polytetrafluorethylen + Glastuch	1,0 bis 2,2 1,7 bis 1,9	54,3 bis 56,5 54,8 bis 56,7	im Gegenstand selbst im Gegenstand selbst
6

Wie aus Tabelle 2 zu ersehen ist, schließt das um den Umfang der zu verschweißenden Stirnflächen gelegte bzw. gewickelte Band die nachteiligen Wirkungen aus, wie sie durch den Wasserdruck beim Verschweißen hervorgerufen werden können. Die Form der Stauchung an dem Schweißteil, die eines der Elemente ist, die eine Abschätzung der Ergebnisse des Schweißens erlauben, ist auf beiden Seiten der Schweißfläche ausgeglichen, die Breite der Wärmeeinwirkung ist gering und das Auftreten von Fehlern, wie Risse, kann überhaupt nicht beobachtet werden. Die beiden Arten von Bändern, wie sie vorstehend beschrieben sind, geben zufriedenstellende Ergebnisse und zeigen im wesentlichen keine wahrnehmbaren Unterschiede hinsichtlich ihrer Funktion. Deshalb kann gefolgert werden, daß ähnlich gute Ergebnisse mit wärmehärtendem Klebstoffband unter Verwendung von Glasleinwand als Basis, mit wärmehärtendem Klebstoffband mit Papier als Basis, mit Isolierband für elektrische Kabel usw. neben den beiden vorstehend genannten Bandarten erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Unterwasserreibungsschweißen von metallischen Gegenständen, bei welchem die Stirnflächen der metallischen Gegenstände gegeneinanderliegend angeordnet werden, zwischen den aneinanderliegenden Stirnflächen eine relative Drehbewegung herbeigeführt wird und die beiden metallischen Gegenstände durch Ausnutzung der ,₀ Reibungswärme verschweißt werden, die in den aneinanderstoßenden Stirnflächen infolge der relativen Drehbewegung und des Axialdrucks hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß um den Umfang der Stirnliächenabschnitte der metallischen Gegenstände vor dem Schweißen ein wärmeiselJerendes Material herumgewickelt wird.