-
Verfahren zum Stumpfschweissen von Drähten und Litzen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stumpfschweissen von Drähten
und/oder Litzen durch Einspannen der Drähte und/oder Litzen in zwei axial zueinander
bewegliche Spannbacken und Zünden eines Lichtbogens zwischen den beiden zu verschweissenden
Draht-und/oder Litzenenden unter Schutzgas.
-
Zum Stumpfschweissen von Drähten sind eine Reihe von Verfahren bekannt.
-
So werden beispielsweise bei der Flammschweissung die beiden zu verschweissenden
Drähte so angeordnet, dass sie in Achsrichtung fluchten und mit ihren Stirnseiten
bis auf wenige mm einander angenähert sind. Die Schweissflamme wird radial so auf
die Drahtenden gerichtet, dass sie beide Stirnseiten erwärmt. Sind die Stirnseiten
genügend erwärmt, schmelzen sie auf und durch eine Bewegung in Achsrichtung werden
diese beiden Schweissperlen mit einander vereinigt. Um bei Unedelmetallen eine Oxydation
zu vermeiden, ist es erfoderlich, die erwärmten Zonen durch Aufbringen eines entsprechenden
Abdeckmittels (Schweisspulvers) zu schützen.
-
Das Schweisspulver bildet bei der Erwärmung eine zähflüssige uberzugsmasse,
die dem Luftsauerstoff den Zutritt verKehrt,und zum Teil chemisch selbst reduzierend
wirkt, also bereits oxydierte Metallteile reduziert. Dieses Schweissverfahren hat
den Nachteil, dass man bei Unedelmetallen mit verunreinigenden Abdeckmitteln arbeiten
muss und die Grösse der Schweissperle schlecht reproduzierbar ist. Ausserdem ist
sie nur für Werkstoffpaarungen mit sehr ähnlichen Schmelztemperaturesl und Wärmeleitfähigkeiten
geeignet, wobei die verwendeten Drähte einen gewissen Durchmesser nicht unterschreiten
dürfen.
-
Bei der Widerstandsschweissung werden die beiden Drähte in je eine
Spannbacke eingespannt, die in Achsrichtung fluchtend angeordnet sind. Eine oder
beide Spannbacken sind beweglich. Durch Federdruck wird bewirkt, dass die Stirnseiten
der zu verschweissenden Drähte sich berühren. Den Spannbacken wird dann üblicherweise
Wechselstrom niederer Spannung von der Sekundärseite eines Transformators zugeführt.
Durch den höheren Übergangswiderstand an den sich berührenden Stirnseiten heizen
sich diese auf bis sie schmelzflüssig werden und sich miteinander verbinden. Der
Schweissstrom wird durch eine Zeitbegrenzung nach Ablauf der eingestellten Schweisszeit
automatisch abgeschaltet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es eine gute Kontaktierung
über die Spannbacken erfordert, um den beiden Drähten die benötigten hohen Stromstärken
zuzuführen. Weiterhin müssen die Stirnflächen der zu verschweissenden Drähte sehr
rein sein. Das Widerstandsschweissverfahren ist ausserdem nur bei Werkstoffpaarungen
mit sehr ähnlichen elektrischen Widerständen möglich und nicht für Litzendrähte
geeignet.
-
Bei der Abbrennschweissung werden die beiden zu verschweissenden Drähte
ebenfalls achsialfluchtend in je eine Spannvorrichtung eingespannt. Beide Spannvorrichtungen
sind in Achsrichtung der Drähte gegeneinander verschiebbar. Den beiden Spannvorrichtungen
wird nun Strom zugeführt, meist von der Sekundärseite eines Hochstromtransformators,
und eine oder beide Spannvorrichtungen soweit in Achsrichtung auf die andere zubewegt,
bis sich die Stirnseiten der Drähte berühren. Dabei bilden sich mehrere Kleinlichtbögen
aus, die zum Aufschmelzen und teilweise Verdampfen des Werkstoffes der beiden Drähte
führen. Nachdem dieser Aufschmelzvorgang lange genug angedauert hat, werden die
beiden Stirnseiten durch Erhöhung des Anpressdrucks endgültig miteinander verschmolzen.
-
Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass nur Werkstoffpaarungen
mit sehr ähnlichen Wärmeleitfähigkeiten verwendet werden können.
-
Ausserdem erfordert es eine aufwendige Steuerung für den mechanischen
Bewegungsablauf und den Schweißstrom. Auch lässt sich eine Verschmutzung der Vorrichtung
durch Metallspritzer nicht immer vermeiden.
-
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren
zum Stumpfschweissen von Drähten und/oder Litzen zu finden, das für alle technisch
möglichen Werkstoffpaarungen anwendbar ist, unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit
der zu verschweissenden Komponenten, und die Erzeugung von in Form und Grösse genau
definierter und reproduzierbarer Schweissperlen an der Verschweissungsstelle gestattet.
-
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäss gelöst durch Einspannen der Drähte
und/oder Litzen in zwei axial zueinander bewegliche Einspannvorrichtungen und Zünden
eines Lichtbogens zwischen den beiden zu verschweissenden, auf wenige Millimeter
angenäherten Draht- und/ oder Litzenenden unter Schutzgas, wobei die Einspannvorrichtungen
auf der der Schweißstelle zugewandten Seite mit jeweils einer Vertiefung an der
Draht- bzw. Litzenaustrittsstelle ausgestattet sind, die in Form und Grösse der
zukünftigen Schweissperle entsprechen, und die beiden Einspannvorrichtungen gegeneinander
gepresst werden, nachdem die beiden Draht- und/oder Litzenenden durch die Einwirkung
des Lichtbogens bis in diese Vertiefungen zurückgeschmolzen sind.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren wird im folgenden anhand der schematischen
und beispielhaften Abbildungen I bis IV näher erläutert: Die beiden zu verschweissenden
Drähte und/oder Litzen werden in je eine Klemmvorrichtung eingespannt (Abbildung
I). Diese Einspannvorrichtung (1) kann z.B. als Spannzange ausgeführt sein oder
auch
als geteilte Elemmbackeo Ein guter thermischer Kontakt zwischen
den zu verschweissenden Drähten (2 und 3) und der Einspannvorrichtung (1) ist dabei
nicht erforderlich. Die Einspannvorrichtung soll lediglich die Drähte mechanisch
in Position halten und den zur Ausbildung des Lichtbogens nötigen Strom zuführen.
-
Die Aussparungen an den Klemmbacken bzw. die Bohrung der Spannzangen
sind in etwa dem Drahtdurchmesser anzupassen. Um eine gute Wärmeabfuhr zu erzielen,
werden die Klemmbacken vorzugsweise aus kupfer oder Aluminium gefertigt und können
gegebenenfalls wassergekühlt sein. Auf der den Drahtenden zugewandten Seite erhalten
die Spannzangen bzw. die Klemmbacken z.B. halbkugelförmige Vertiefungen (4) zur
Aufnahme der Schweissperle.
-
Nun wird eine oder beide Klemmbacken in achsialer Richtung so verschoben,
dass der Luftspalt zwischen den Drahtenden beispielsweise 2 mm beträgt, wobei der
Luftspalt zwischen den Drahtenden mit reduzierendem und/oder neutralem Schutzgas
bespült wird.
-
Zwischen den sich gegenüberstehenden Drahtenden (5 und 6) wird nun
ein Lichtbogen (7) gezündet (Abbildung II). Ein Wechselstromlichtbogen hat den Vorteil,
dass an beiden Elektroden etwa gleiche Wärmemengen entwickelt werden, und ist daher
im allgemeinen vorteilhafter als ein Gleichstrom-Lichtbogen. In ganz besonders gelagerten
Fällen, z.B., wenn die zu verschweissenden Drahtdurchmesser sehr unterschiedlich
sind und der dünnere Draht auch eine wesentlich niedrigere Schmelztemperatur als
der dickere Draht hat, kann die Verwendung eines Gleichstrom-Lichtbogens vorteilhafter
sein, um zu erreichen, dass der dünnere, niedrig schmelzende Draht eine wesentlich
kleinere Wärmemenge erhält als der stärkere Draht aus dem höher schmelzenden Werkstoff,
und somit beide Stirnseiten etwa zum gleichen Zeitpunkt aufschmelzen Der Lichtbogen
kann auf serschiedeme Arten gezündet
werden, beispielsweise durch
Hochspannung, eine Hochfrequenzentladung, einen Plasmastrahl, durch mechanische
Beübung der Drahtenden, durch w-Strahlung oder Kernstrahlung.
-
Durch den zwischen ds Stirnseiten brennenden Lichtbogen (7r bilden
sich Schmelzperlen (8 und 9), die im Laufe der Zeit und abhängig von Stromstärke
und Wärmekapazität sowie der Wärmeableitung bis in die Vertiefungen (4) an den Backen
bzw.
-
Zangen der Einspannvorrichtung (1) zurücksohmelzen (Abbildung III).
-
Sind beide Schmelzperlen (S und 9) weit genug aufgeschmolzen, so wird
die eine oder auch beide Klemmbacken in Achsrichtung aufeinander zubewegt und die
beiden Schmelzperlen dadurch vereinigt(Abbildung IV). Die Grösse und die Form der
sich ergebenden gemeinsamen Schmelzperle (10) ist durch die Aussparungen (4) an
den beiden Klemmbacken (1) genau vorbestimmbar. Durch richtige Wahl der überstehenden
Länge beim Einspannen der Drähte (2 und 3) lässt sich erreichen, dass die durch
die Aussparungen an den Stirnseiten der Klemmbacken gebildete Giessform (4) nur
teilweise oder ganz ausgefüllt wird. Beim Vereinigen der beiden Schmelzperlen erlischt
natürlich der Lichtbogen, und die elektrische Stromquelle, die ihn bisher gespeist
hat, kann abgeschaltet werden. Nun können die Klemmbacken bzw. die Spannzangen geöffnet
und die verschweissten Drähte und/oder Litzen entnommen werden.
-
Um zu vermeiden, dass der Lichtbogen von den Stirnseiten der zu verschweissenden
Drähte auf die Klemmbacken überspringt, werden die Stirnseiten dieser Teile vorteilhafterweise
mit einer elektrisch isolierenden Schicht ausgerüstet.
-
Das erfindungsgemässe Schweissverfahren hat eine ganze Reihe von Vorteilen
gegenüber den bisher bekannten Verfahren.
-
Es lassen sich praktisch alle Werkstoffe und Werkstoffkombinationen
schweissen, soweit sie vom metallurgischen Standpunkt überhaupt mit einem Lichtbogen
unter Schutzgas schweissbar sind, da der Lichtbogen praktisch unbegrenzte Energiemengen
hochkonzentriert freisetzt, und durch die Wahl von Wechsel- oder Gleichstrom und
verschiedene Polung unterschiedliche Werkstoffparameter, wie beispielsweise Drahtdurchmesser,
elektrische Wärmeleitfähigkeit, Schmelzpunkt oder spezifische Wärme, leicht kompensiert
werden können.
-
Eine Überhitzung der Schmelzperlen ist nicht möglich; solange noch
Material aufgeschmolzen wird, wird Wärme dazu verbraucht.
-
Liegt die Perle in der Vertiefung der Klemmbacken, so wird Wärme an
diese abgegeben. Die Schmelzperle bildet zusammen mit dem Lichtbogen und den Klemmbacken
ein sich selbst stabilisierendes thermodynamisches System.
-
Die Beschaffenheit der Draht-Stirnseiten ist ohne Belang auf den Schweissvorgang.
Dieser ist sehr gut reproduzierbar und deshalb leicht automatisierbar.
-
Die Form und die Grösse der Schweissperlen werden durch Form und Grösse
der Aussparung an den Backen vorbestimmt und sind daher ebenfalls genau reproduzierbar.
Diese Reproduzierbarkeit ist beispielsweise wichtig bei der Herstellung von Thermoelementen.
-
Neben Drähten können mit dem erfindungsgemässen Verfahren auch Drahtlitzen
verschweisst werden, was bei den bisher bekannten Schweissverfahren mit Schwierigkeiten
verbunden war.
-
Es besteht keine Gefahr, dass der Lichtbogen auf die Einspannvorrichtung
überspringt, da bei der Zündung des Lichtbogens
die Drahtenden über
die Klemmbacken hinausragen und bei gezündetem Lichtbogen die Emission an den Oberflächen
der Schmelzperlen weit besser ist als an der kalten Einspannvorrichtung. Zusätzlich
können die Klemmbacken auf der der Schweißstelle zugewandten Seite mit einem elektrisch
isolierenden Überzug versehen werden, mit Ausnahme der Vertiefungen, die zur Aufnahme
der gemeinsamen Schweissperle dienen.
-
Die Klemmbacken mit den geschmolzenen Perlen können auch mehrmals
hammerartig zusammengefahren werden, wobei die Drähte sich in den Klemmbacken lose
bewegen können müssen. Dadurch kann man erreichen, dass die beim ersten Zusammenfahren
gebildete und unter Schmelztemperatur abgekühlte gemeinsame Schweissperle in eine
bestimmte Form geschmiedet und verdichtet wird.