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Vorrichtung zum Verschweißen metallischer Werkstoffe mit Hilfe kinetischer
Energie.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum flächigen.Verschweißen
metallischer Werkstoffe mit Hilfe kinetischer Energie des Deckwerkstoffes.
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Schweißen mit kinetischer Energie wird - in Form des SprenÆ-schweißens
- überwiegend zum Plattieren größerer Flächen angewendet. Häufig stellt sich jedoch
in der Fertigung - beispielsweise in der Fertigung elektrischer Kontakte - die Aufgabe,
auch Bauteile begrenzter Größe zu plattieren.
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Es ist bekannt, daß das Sprengschweißen die Werkstoffe thermilch weniger
belastet als die meisten der zum Stand der Technik gehörenden Schweißverfahren.
Hierdurch ist es möglich, auch W'erkstoffkombinationen miteinander zu verschweißen,
deren Schmelzpunkte weit auseinander liegen, oder bei denen metallurgische Reaktionen
das Anwenden thermischer Schweiß verfahren ausschließen. Es ist weiterhin bekannt,
daß mit Hilfe des Sprengschweißens auch Werkstoffe miteinander verbunden werden
können, deren Schweißneigung bei anderen Schweißverfahren gering ist.
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Beim Sprengschweißen erfolgt die Schweißung durch den Stoß des mit
großer Geschwindigkeit - d.h. mit großer kinetischer Energie - unter einem Winkel
auf den Grundwerkstoff aufprallenden Deckwerkstoffes. Die Auftreffgeschwindigkeit
wird hierbei durch eine über dem Decerkstoff gezündete Ladung aus detonierendem
Sprengstoff erzeugt.
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Abgesehen davon, daß eine Miniaturisierunt von Ladung und Zündmittel
für das Verschweißen kleiner Flachen beim SDrenschbveißen technische Schwierigkeiten
bereitet, und daß das Arbeiten mit Sprenrstoffen gesetzlichen Vorschriften und Einschränkungen
unterliegt, die die Fertigung hemmen und verteuern, ist es schwierig, das Sprengschweißen
so zu gestalten, daß die in Serienfertigungen benötigten kurzen Taktzeiten mit angemessenen
Fertigungskosten realisiert werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile des Schweißens
mit kinetischer Energie in einer Vorrichtung zu nutzen, die graf. ohne Spreng- oder
Schieß stoffe betrieben werden kann und eine schnelle Taktfolge ermöglicht. Dies
soll dadurch erreicht werden, daß die erfindungsremaße Vorrichtung aus einem Führungsrohr
mit beweglichem Kolben, einer Beschleunigungsvorrichtung für diesen Kolben und einer
Haltevorrichtung für Deck- und Grundwerkstoff besteht. Ein durch das Führungsrohr,
den beweglichen Kolben und den mit einem Bewegungsspielraum angebrachten - ggf.
räumlich vorreformten - Deckwerkstoff gebildetes Kompressionsvolumen wird bei Kolbenbewegung
adiabatisch verdichtet. Der Grundwerkstoff ist in Bewegungsrichtung des Deckwerkstoffes
angebracht.
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Das Beschleunigen des Kolbens kann erfindungsgemäß sowohl durch Kartuschenladungen
als auch durch das Zünden explosibler Gasgemische erfolgen. Darüber hinaus ist es
erfindungsgemäß möglich, die Beschleunigung des Deckwerkstoffes durch den adiabatischen
Druckstoß im Komnressionsvolumen dadurch zu vergrößern, daß auch das Kompressionsvolumen
ganz oder teilweise mit einem explosiblen Gasgemisch gefüllt und/oder brennbare
Flüssigkeiten und/oder brennbare Feststoffgemische in geeigneter Verteilung enthält.
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Es ist weiterhin erfindungsgemäß möglich, die nicht zum Schweißen
benötigte kinetische Energie des Dec».erkstoffes zum Formen und/oder Trennen (Stanzen)
der plattierten Werkstücke auszunutzen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet nachstehend aufgeführte Vorteile:
- Die metallkundlichen Vorteile des Schweißens mit kinetischer Energie können technisch
genutzt werden.
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- Der Umgang mit handhabungsgef'shrlichen Sprung und Zündmitteln wird
vermieden.
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- Durch eine Automatisierunr des Ladevorganges - bespieiweise dem
Stand der Waffentechnik entsprechend - bei kartuschenbetriebenen Vorrichtungen oder
durch gesteuerte Ventile beim Betrieb erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit brennbaren
und/oder explosiblen Gasgemischen lassen sich kurze Taktzeiten erzielen.
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Anhand der Figuren 1 - 6 sei nunmehr der Erfindungsgedanke naher erläutert
und beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine kartuschenbetriebene
erfindungsgemäße Schweißvorrichtung.
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Der rohrförmige Grundkörper (6) enthält den beterlichen Kolben (2),
die schießpulvergefüllte Kartusche (8) zum Beschleunigen des Kolbens (2) und den
zum Zünden der Kartusche dienenden Schlagbolzenmechanisrnus (9). Der Grundkörper
(6) wird durch den - im vorliegenden Falle -kegelig vorgeformten Deckwerkstoff (4)
abgeschlossen, so daß zwischen dem Kolben (2) in der gezeichneten Ausgangsstellung
und dem Deckwerkstoff (4) das Kompressionsvolumen (1) entsteht. Durch die Bohrung
(3) kann
das Kompressionsvolumen (1) graf. mit explosiblen Gasgemischen
gefüllt werden. (Das benötigte Füllventil ist in Fig. 1 nicht mit dargestellt.)
Der Grundwerkstoff (5) befindet sich in dem Rezipienten (7), der durch die Bohrung
(lo) graf. evakuiert werden kann. Die Dichtung (11) und graf. zusätzliche Dichtmittel
zwischen dem Deckwerkstoff (4) und dem Grundkörper (6) dichten den Rezipienten (7)
und das Kompressionsvolumen (1) gegeneinander ab. Zwischen den Bauelementen (6),
(4) und (7) besteht kraft- oder ggf.
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formschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Schraubverbindungen
oder hydraulische bzw. pneumatische Verschlußelemente. (Diese zum Stand der Technik
gehörenden Bauelemente sind in Fig. 1 nicht mit dargestellt.
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Wird die Kartusche (8) mit Hilfe der Schlagbolzenvorrichtung (9)-;ezandet,
so wird der Kolben (2) abwärts beschleuniet und komprimiert das im Kompressionsvolumen
(1) befindliche Gasvolumen adiabatisch. Hierdurch setzt sich der das Kompressionsvolumen
(1) abschließende Deckvxerkstoff (4) in Bewegung. Ist das Kompressionsvolumen (1)
beispielsweise mit brennbaren Gasgemischen gefüllt, so werden diese durch die adiabatische
Ervärmung gezündet, erhöhen den Druck im Kompressionsvolumen (1) und vergrößern
damit Beschleunigung, Geschwindigkeit und kineticche Energie des leckwerkstoffes
(4).
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Fig. 2 zeigt die erste Phase der Deckblechbewegung - ebenfalls anhand
einer Schnittdarstellung. In diesem Bewegungsstadium ist nur der Mittelbereich des
kegelig vorgeformten Deckv:erlrstoffes (4) auf den Grundwerkstoff (5) mit hoher
Geschwindigkeit aufgeschlagen. Infolge der Kegelform des Deckwerkstoffes erfolgt
der Aufprall auf den Grundwerkstoff unter einem Winkel, wobei die vom Sprengschweißen
bekannte gewellte Form der Schweißzone (12) entsteht.
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Fig. 3 zeigt die Endphase des Scfr:eißvorganges - ebenfalls in Schnittdarstellung.
Der Grundwerkstoff (5) ist vollstndig mit dem Deckwerkstoff (4) bedeckt, und die
gewellte Schweißzone (12) erstreckt sich bis zum Rand. Der überstehende Rand des
Deckwerkstoffes (4) schert infolge der großen Aufprallkrafte ab, verformt sich und
bildet den Abfallring (4'). Hinter dem Kolben (2) können die Verbrennungsgase der
Kartuschenladung durch die Gasauslaßbohrnng (13) entweichen, so daß der Kolben (2)
durch das Gaspolster im Rezipienten (7) abgebremst werden kann.
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Fig. 4 erläutert eine erfindungsgemä.ße Vorrichtung, die mit explosiblen
Gasgemischen betrieben wird - auch anhand eines Schnittes. Zum Beschleunigen des
Kolbens (2'), der als Stufenkolben ausgebildet ist, dient die Explosionskar (19),
die den Explosionsraum (14) umschließt. Kompressionsvolumen (1) und Explosionsraum
(14) können über die Bohrungen (3) und die von den Steuernocken (16) angesteuerten
Ventile (15) mit explosiblen Gasgemischen, beispielsweise Knallgas, gefüllt werden.
Entsprechend dem Reduktionsverhältnis des Stufenkolbens (2') kann dabei der Explosionsraum
(14) mit höherem Druck gefüllt werden. Der Deckverkstoff (4'') wird bandförmig über
eine (in Fig. 4 nicht mit dargestellte) Haspelvorrichtung zugeführt. Die Schutzfolie
(18), die ebenfalls von einer Haspelvorrichtung mit Hilfe der Umlenkrollen (17)
zugeführt wird, schützt die Oberfläche des Deckwerkstoffes (4'') vor dem Einwirken
der durch die adiabatische Kompression gezündeten Gase im Kompressionsvolumen (1).
Zusätzlich kann die Schutzfolie (18) die Abdichtung zwischen dem rohrförmigen Grundlcörper
(6') und dem Deckwerkstoff (4'') übernehmen. Der Grundwerkstoff (5'), der ebenfalls
bandförmig zugeführt wird, wird durch den Rezipientenboden (7'') abgestützt, der
zusammen mit dem Schneidring (7') den Rezipienten bildet (in Fig 1 mit (7) bezeichnet).
Er kann durch die Bohrung (lo) ggf.
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evakuiert werden. Nach dem Zünden der Gase im Explosionsraum (14)
mit Hilfe der elektrischen Zündkerze (20), das bei geschlossenen Ventilen (15) erfolgt,
bewegt sich der Stufenkolben (2') mit großer Beschleunigung abwärts und verkleinert
das Kompressionsvolumen (1).
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Fig. 5 erläutert - in Schnittdarstellung - den weiteren Ablauf: Das
Kompressionsvolumen (1) wird adiabatisch verdichtet, das in ihm befindliche Gasgemisch
infolge der mit der Verdichtung verbundenen Temperatursteigerung gezündet und der
Deckvferkstoff (4§') durch die resultierenden Druckkräfte am Schneidring (7') abgeschert.
Die abgescherte Declonrerkatoffronde (4"') wird dabei kalottenförmig verformt und
bewegt sich nach dem Abscheren mit großer Geschwindigkeit auf den Grundwerkstoff
(5') zu, schlägt dort auf, wobei infolge der Kalottenform das Aufschlagen des Deckwerkstoffes
(4''') auf den Grundwerkstoff unter einem Winkel erfolgt. Das Ausbilden der Schweißzone
(12) vollzieht sich analog in der schon bei den Fig. 2 und 3 beschriebenen Weise.
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(Fig. 6) Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es ebenfalls,
das Beschleunigen des Stufenkolbens (2') durch Einspritzen einer brennbaren Flüssigkeit
(Dieselkraftstoff, Benzin) in den mit oxidierenden Gasen oder Gasgemischen gefüllten
Explosionsraum (14) durchzuführen, wobei die Zündung - wie beschrieben - vorzugsweise
elektrisch erfolgen kann. Auch in das Kompressionsvolumen (1) können erfindungsgemäß
derartige brennbare Flüssigkeiten mit an sich bekannten Hilfsvorrichtungen eingebracht
werden. Ebenso ist es möglich, im Kompressionsvolumen (1) reaktionsfähige Festkörnergemische
unterzubringen, die unter normalen Bedingungen von Druck und Temperatur reaktionsträge
sind, unter den Druck-und Temperaturverhältnissen der adiabatischen Kompression
jedoch
explosionsartig reagieren, insbesondere dann, wenn sie in geeigneter feiner Verteilung
vorliegen. Gerebenenfalls kann die Schutzfolie (18) derartige Feststoffgemische
enthalten.
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Der Deckel bzw. Rezipientenboden (7'') kann erfindungsgemaß als formgebendes
und/oder schneidendes Werkzeug ausgebildet sein, um die noch vorhandene kinetische
Überschußenergie des Deckwerkstoffes zum Schneiden und/oder Formen des plattierten
Werkstückes auszunutzen.
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Im Anwendungsbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gern. Fig.
4 oder deren Abwandlungen soll weiterhin eingeschlossen sein, daß die Steuerung
der Ventile (15) in der Weise erfolgt, daß beim Füllen der Vorrichtung der Stufenkolben
(2') selbsttätig in seine Ausgangslage zurückgeführt wird, und die verbrannten Gasgemische
dabei ausgestoßen werden. Diese Ventilsteuerung kann ggf. durch eine Xolbenkantensteuerung
ergänzt oder ersetzt werden. Auf die Möglichkeit, der Auslaßbohrung (13) eine an
sich bekannte Schalldämpfungseinrichtung (Auspufftopf) nachzuschalten, sei verwiesen.
Ebenso liegt es im Anwendungsbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, eine automatisierte
Werkstoffzufuhr (Deck- und Grundwerkstoff) so mit dem Laden der Kartuschen bzw.
mit dem ventil- und/oder kolbenkantengesteuerten Füllvorgang zu koppeln, daß ein
automatischer Arbeitsablauf entsteht. In Anwendungsfällen, bei denen der Deck- und/oder
Grundwerkstoff als vorgefertigtes Einzelteil zugeführt wird, kann die Beschickung
der Vorrichtung über mehrere Stationen eines Rundtisches erfolgen, wobei die eigentliche
erfindungsgemäße Vorrichtung nur in einfacher Ausfertigung benötigt wird.
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Die beim Schveif?en mit kinetischer Energie häufig auftretende Strahlbildung,
bei der aus der Schweißzone erktoff mit extrem hoher Geschwindigkeit nach augen
fortgeschleudert wird, führt in der Regel zu Beschädigungen der Wand des Rezipienten
(7) bzw. (7"). Erfindungsgemäß kann diesem Tatbestand dadurch Rechnung getragen
werden, daß die Rezipientenwand in Höhe der Schweißebene durch eine auswechselbare
Verschleißhulse geeigneten Werkstoffes geschützt wird.
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Um einen Rückstau der im Rezipienten (7) bzw. (7'') eingeschlossenen
Luft zu vermeiden, der die Deck':ierks'toffbewegung und damit den Schweißvorgang
nachteilig beeinflussen könnte, soll es erfindungsgemäß möglich sein, das Volumen
des Rezipienten ggi. zu evakuieren.
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Die Anordnung des Grundwerkstoffes in einem evakuierbaren Rezipienten
gestattet es, bei erfindungseemaßen Vorrichtungen Grund- bzw.ggf. Beckverkstoff
auf andere als Raumtemperaturen zu bringen und damit den Schweißvorgang zu optimieren.
Wird im Rezipienten Hochvakuum angewendet, so ist eine thermische Oberflächenreinigung
des Schweißgutes erfindungsgemäß möglich.