DE2724206A1 - Verfahren und vorrichtung zum stumpfschweissen von staeben aus metall - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum stumpfschweissen von staeben aus metallInfo
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Description
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SCIIW-EIOKHSTRASSE 3
TELtFOl (089» β·2·91 TKLBX 3 24 070
TELKOliNMI I
PBOTBCTPATEBT MfKCBEB
1A-49 180
Patentanmeldung
Anmelder: ALLIAGES FRITTES S.A. 16 rue de Monceau 75008 Paris, Frankreich
Titel: Verfahren und Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Stäben aus Metall
709849/1138
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DIFI.. INt;. H. GOKT/.
SClI WKIi)KHSTHASSE i!
TKI-KFON <ΟΗΘ)
TKiKX S24O7O
1Α-49 180
Verfahren und Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Stäben aus Metall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stumpfschweißen
von zylindrischen Stäben aus Metall ohne Zufuhr von Zusatzmetall, mit dem sich die Ausbildung eines Schweißwulstes
in der Schweißzone und das Vorhandensein einer Durchbiegung zwischen den angestückten Stäben vermeiden lassen. Dieses
Verfahren ist insbesondere zum Stumpfschweißen von Stäben aus Hartauftragslegierung bestimmt.
Die Hartauftragsstäbe bestehen aus Legierungen auf Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasis, enthalten im allgemeinen Zusätze
von Kohlenstoff oder Bor, haben eine geringe Wärmedehnung und sind somit praktisch nicht schmiedbar.
Diese zylindrischen Stäbe - von 2 bis 15 mm Durchmesser und gewöhnlich weniger als 1000 mm Länge - werden im allgemeinen
durch absatzweises Gießen hergestellt und haben aus diesem Grunde keine gleichbleibende Länge. Die Verwender, insbesondere
diejenigen, die über automatische Auftragsmaschinen verfügen, beispielsweise die Hersteller von Ventilen und
Klappen, streben Stäbe von größtmöglicher Länge an, so daß die durch die Reststücke bedingten unvermeidlichen Abfälle
verringert werden, und möchten durch Anstücken der Stäbe an Ort und Stelle, d.h. direkt auf der Auftragsmaschine,
diese Abfälle sogar völlig ausschließen.
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Zudem lassen die Stabbeschickungsvorrichtungen dieser Auftragsmaschinen
Schweißwulste nicht zu. Andererseits fordern einige Verwender Stäbe von gleichbleibender Länge, beispielsweise
für das Ummanteln von Elektroden durch Extrudieren oder ganz einfach aus Gründen der Verkaufsaufmachung.
Diese beiden Gründe führen dazu, daß Stäbe variabler Länge durch Stumpfschweißen angestückt werden, wobei die auf diese
Weise gebildete durchgehende Stange eventuell wieder auf eine bestimmte Länge geschnitten wird.
Die zum Miteinanderverschweißen der Stäbe gewöhnlich angewandten Verfahren, wie z.B. das Widerstandsschweißen oder Abbrennschweißen,
das Gasschmelzschweißen oder das Reibschweißen, enthalten alle eine Erwärmungsphase und eine Schmiedephase,
während der die beiden vorerhitzten Enden so gegeneinander gepreßt werden, daß die Verschweißung, d.h. die Kontinuität
des festen Zustandes, zustande kommt.
Diese Druckverformung führt immer zum Auftreten eines Wulstes, der bei den Auftragsstäben nicht akzeptiert werden kann.
Dieser Wulst ist ausgezackt und weist wegen der schlechten Warmverformbarkeit Risse auf, woraus sich eine unzuverlässige
Qualität der Schweißstelle ergibt. Zudem verbieten die Beschickungsvorrichtungen
der Auftragsmaschinen und die Extrudierwerkzeuge für das Ummanteln der Elektroden das Vorhandensein
dieses Wulstes. Der Wulst muß daher abgeschliffen werden, oder es muß der gesamte Stab auf einer spitzenlosen
Rundschleifmaschine nachgearbeitet werden, was zu einer starken Erhöhung der Gestehungskosten und zu einem Materialverlust
führt und das Anstücken an Ort und Stelle auf den automatischen Auftragsmaschinen unmöglich macht.
Im übrigen ergeben die erwähnten verschiedenen Verfahren bei nicht einwandfrei rechtwinkligen Schnittstellen Durchbiegungen
oder Knickstellen an den Fügestellen. Da die Schweißenergiequelle im allgemeinen nicht rotationssymmetrisch
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ist und die Legierung bei der Abkühlung, die mehrere Minuten dauern kann, ein sehr schlechter Wärmeleiter ist - etwa um
den Paktor 30 schlechter als Kupfer -, zieht sich die am
stärksten erhitzte Seite noch mehr zusammen und ruft am angestückten Abschnitt eine Knickstelle hervor. Nun ist zu
diesem Zeitpunkt der Stab nicht mehr zwischen den Spannbacken eingespannt, außer man findet sich mit einer sehr
langen Schweißtaktzeit ab, so daß nichts der Verformung entgegenwirkt.
Diese Nachteile werden von der Erfindung überwunden, da sie das wulstfreie Miteinanderverschweißen von zylindrischen
Stäben gestattet, was die Notwendigkeit eines Nachschleifens beseitigt, und ohne Gefahr von zurückbleibender Knickung
an der Schweißstelle. Gleichzeitig läßt sie kurze Schweißtaktzeiten zu und erleichtert sehr die Automatisierung, insbesondere
aufgrund des Wegfalls der Schmiedephase. Außerdem wird die Zusammensetzung des Stabes nicht verändert, und
die mechanischen Eigenschaften der Schweißzone sind denjenigen des Stabes selbst sehr ähnlich.
Das Verfahren nach der Erfindung zum Stumpfschweißen von
rotationszylindrischen Stäben aus Metall gleichen Durchmessers ohne Zufuhr von Zusatzmetall mit wulstfreier Schweißzone
und ohne Knickung besteht darin, die beiden miteinander zu verschweißenden Enden ohne Auftragen von Kompressionskraft
aneinander anzulegen und während des Beaufschlagens mit der zum Schweißen benötigten Energie und wenigstens während
eines Teiles der Abkühlung die beiden aneinander anliegenden Stäbe mit einer gleichen relativen Drehbewegung um ihre
gemeinsame Drehachse gegenüber der Schweißenergiequelle mit mehr als einer vollen Umdrehung anzutreiben.
Die zum Schweißen notwendige Energie liefert eine zündbare konzentrierte Quelle, die auf der Höhe der Berührungsebene
zwischen den beiden miteinander zu verschweißenden Enden angeordnet ist. Diese Quelle kann ein WIG-Lichtbogen sein,
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ein Piaana-Lichtbogen, eine Hochfrequenzschleife, eine Elektronenkanone
zum Schweißen durch Elektronenbeschuß, eine Laserkanone oder eine beliebige andere Quelle für konzentrierte
Energie, die es gestattet, den Stab bis zum Kern aufzuschmelzen. Bei Hartauftragslegierungen genügt für
zylindrische Stäbe von ungefähr 4 nun Durchmesser der WIG-Lichtbogen.
Bei Stäben von 8 mm Durchmesser dagegen kann es notwendig sein, auf einen Plasmalichtbogen zurückzugreifen,
und bei einem Durchmesser von 12 mm Elektronenbeschuß anzuwenden.
Die Relativbewegung der beiden anzustückenden Stäbe gegenüber der Schweißenergiequelle läßt sich dadurch erzielen,
daß entweder die Schweißenergiequelle ortsfest gehalten wird und die Stäbe um ihre gemeinsame Drehachse gedreht werden,
oder aber daß die Stäbe ortsfest gehalten werden und die Schweißenergiequelle um die Drehachse der Stäbe gedreht wird.
Die letztgenannte Lösung ist notwendig beispielsweise beim Anstücken an Ort und Stelle auf automatischen Auftragsmaschinen für das Aufpanzern von Ventilen, Armaturenklappen
etc., die eine Eigendrehung des Stabes schwerlich zulassen.
Im erstgenannten Fall wird jeder der beiden miteinander zu
verschweißenden Stäbe konzentrisch in einer gleichachsig angeordneten drehbaren, mit einer gleichen Drehbewegung
angetriebenen Zange gespannt, ohne daß in der Längsrichtung der geringste Druck aufgetragen würde.
Die Drehbewegung der drehbaren Zangen kann kontinuierlich sein; das Wesentliche ist, daß für eine gegebene Schweißung
oder Schweißstelle die Drehbewegung der beiden miteinander zu verschweißenden Stäbe mehr als eine volle Umdrehung
beträgt.
In dem an zweiter Stelle genannten Fall, wo sich die Schweißenergiequelle
um die Stäbe dreht, ist es wegen der Stromzuleitungsdrähte notwendig, daß die Drehung wechselweise in
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der einen und dann in der anderen Richtung erfolgt, vorausgesetzt,
daß bei jeder Schweißung oder Schweißstelle mehr als eine volle Umdrehung ausgeführt wird.
Da in den beiden Fällen Relativbewegung der Stäbe unter der Wärmequelle stattfindet, wird in der erhitzten Zone allmählich
ein flüssiger Ring erzeugt, der anwächst, bis er den gesamten Querschnitt der Stäbe überdeckt. Dank der Relativdrehung behält
dieser Ring eine kreisrunde Form, fällt nicht ab und nimmt nicht Tropfenform an, da er durch die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit in Stellung gehalten wird.
Sobald die flüssige Phase die Achse erreicht, d.h. am Ende einer entsprechend einem gegebenen Werkstoff im voraus eingestellten
Zeitspanne, genügt es dann, die Schweißenergiequelle allmählich auszuschalten und unter Beibehaltung der
Drehung während einer bestimmten Zeit erstarren zu lassen.
In dem Maße wie die Stäbe gegenüber der Wärmequelle mehr als eine Umdrehung ausführen, wird die Rotationssymmetrie während
der gesamten Dauer des Vorganges gewahrt. Zur Erzielung eines ausgezeichneten Ergebnisses genügen im allgemeinen zwei
oder drei Umdrehungen. Was die Winkelgeschwindigkeit der relativen Drehbewegung angeht, so muß sie umso höher sein,
je besser der zu schweißende Werkstoff leitet.
Da die Rotationssymmetrie der Schweißzone beibehalten wird, besteht keine Gefahr, daß zwischen den beiden angestückten
Abschnitten eine Knickung auftritt, und daher können die Zangen nach wenigen Sekunden geöffnet werden.
Es bildet sich kein Wulst aus. Im Gegenteil, es kann eine leichte Vertiefung auftreten, die dem Leervolumen entspricht,
das durch einen etwas schräg ausgeführten eventuellen Schnitt oder durch einen geringfügigen Abstand zwischen den Enden
vor dem Schweißvorgang entstanden sein kann.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen
des Verfahrens. Diese Vorrichtung wird im folgenden anhand einer einzigen schematischen Zeichnung erläutert.
Stäbe 1 und 2 sind an einem ihrer zu ihrer gemeinsamen Drehachse 3 rechtwinkligen Enden aneinander angelegt. In der
Mähe der Stäbe 1 und 2 ist in der durch den Berührungsquerschnitt definierten Ebene eine Schweißenergiequelle 4,
beispielsweise ein V/IG-Lichtbogen, angeordnet.
Jeder der Stäbe 1 und 2 ist mit einer lediglich radialen Kraft in einer Zange 5 bzw. 6 gespannt. Die beiden miteinander
gleichen Zangen 5 und 6 sind zur Drehachse 3 gleichachsig drehbar angeordnet und vermögen die Stäbe 1 und 2
nach Belieben zu spannen oder freizugeben. Die Zangen 5 und 6 sind sowohl im gespannten als auch im gelösten Zustand
stand «.y vor einer gleichen gleichmäßigen Drehbewegung um
die Drehachse 3 angetrieben. Damit im Falle der Verwendung des WIG-Lichtbogens oder des Plasma-Lichtbogens keine Unterbrechung
des elektrischen Stromkreises eintritt, noch daß der Lichtbogen vorzugsweise mehr an der einen zu schweißende
Seite als an der anderen entsteht, ist jede der Zangen 5 und 6 mit einem sich drehenden elektrischen Verbinder 7
versehen, der beispielsweise eine Kupferlitze sein kann, so daß die elektrischen Widerstände der Stromrückleitungen
,leder Zange 5 und 6 gleich sind.
Der Schweißvorgang verläuft in der folgenden Weise: Es sei angenommen, daß in einem voraufgegangenen Arbeitsgang an
den Stab 1 ein Stab 0 bereits angestückt worden ist. Bei geöffneten Zangen 5 und 6 wird der Stab 1 in Längsrichtung
entlang der Drehachse 3 so weit geschoben, bis sich sein nicht geschweißtes iinde vor der Schweißenergiequelle 4 befindet.
Sodann wird die Zange 6 geschlossen, und mit einer weiteren Schiebebewegung in Längsrichtung wird ein Stab 2
zur Anlage am i^nde des Stabes 1 gebracht, der durch die
Zange 6 gegen Längsbewegung festgehalten ist. Sodann wird
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die Zange 5 geschlossen, und die Anstückungsebene wird vor die Schweißenergiequelle 4 gebracht, wobei sich die beiden
Stäbe 1 und 2 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit und in der gleichen Richtung drehen. Sodann wird der Lichtbogen
während der Zeit gezogen, die notwendig ist, damit die aufgeschmolzene Zone die Achse erreicht. Danach wird der Lichtbogen
allmählich abgeschaltet, und nachdem das Ganze einige Umdrehungen ausgeführt hat, werden die Zangen 5 und 6 geöffnet,
und die auf diese V/eise miteinander verschweißten Stäbe 1 und 2 werden für die nächste Gchweißung am nicht
verschweißten Ende des Stabes 2 weitergeschoben. Das Vorschieben der Stäbe, das Zünden und Löschen des Lichtbogens
lassen sich über ein entsprechendes Steuerungssystem leicht automatisieren.
Das Verfahren nach der Erfindung wird mit den beiden nachstehenden
Beispielen weiter erläutert, die, ohne einschränken den Charakter zu haben, spezielle Anwendungsfälle beschreiben.
Es wurden zylindrische Stäbe von 4 mm Durchmesser und der
folgenden Zusammensetzung (Angaben in Gew.-/j): C = 1, VV =
Cr = 26, Si = 1, Co = 67,5 unter den folgenden Bedingungen angestückt:
Drehgeschwindigkeit der Stäbe 150 UpM
Energiequelle WIG-Lichtbogen - 30 V - 50 A
Haltezeit für den Lichtbogen 3 s
mit raschem Intensitätsanstieg ( <λ s) und
allmählichem Abfallen in 2 s.
Die Anstückungsvorrichtung wurde im automatischen Betrieb gefahren, mit einer effektiven Leistung von 5 Schweißungen
pro Minute, einschließlich Abkühlungs- und Lbergabezeit.
Die erzielten Stäbe waren knickungs- und wulstfrei.
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Es wurden zylindrische Stäbe von ö mm Durchmesser und der
folgenden Zusammensetzung (Angaben in Gew.-/«): C = 2,5, V/ = 13, Cr = 33, Si = 1, Co = 50,5 unter den folgenden Bedingungen
angestückt:
Vorabstand 0,3 mm
Drehgeschwindigkeit 300 UpM
Energiequelle Plasma-Lichtbogen - 30 V - 12S λ
Haltezeit für den Lichtbogen 6 s
mit fast augenblicklichem Intensitätsanstieg, einer Haltezeit von 3 s bei 125 A und von 3 s
bei 40 A.
Die erzielten Stäbe waren gerade und wulstfrei. Bei einem Biegebruchversuch mit zwei einfachen Auflagen trat der
Bruch außerhalb der Schweißebene ein.
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Leerseite
Claims (6)
1. Verfahren zum Stumpfschweißen von rotationszylindrischen
Stäben aus Metall gleichen Durchmessers ohne Zufuhr von Zusatzmetall !
, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden miteinander zu verschweißenden Enden ohne Auftragen
von Kompressionskraft aneinander angelegt werden, und daß während des Beaufschlagens mit der zum Schweißen benötigten
Energie und wenigstens zu Beginn der Abkühlung die beiden aneinander anliegenden Stäbe (1,2) gegenüber der Schweißenergiequelle
(4) mit einer gleichen relativen Drehbewegung um sich selbst um ihre gemeinsame Drehachse (3) mit mehr
als einer vollen Umdrehung angetrieben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehgeschwindigkeit und die Anzahl
der Umdrehungen so gewählt werden, daß sich in der Schweißzone ein flüssiger Rotationsring bildet, der bis zum Überdecken
des gesamten Querschnitts der Stäbe (1,2) anwächst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichnet
, daß die Stäbe (1,2) aus nicht schmiedbarer Metallegierung sind, insbesondere aus Hartauftragelegierung
auf Kobalt-Basis.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Schweißenergiequelle
(4) aus der Gruppe mit WIG-Lichtbogen, Plasma-Lichtbogen,
Hochfrequenzschleife, Elektronenkanone und Laserkanone gewählt ist.
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ORIGINAL INSPECTED
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5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ,
daß sie Vorrichtungen zum Vorschieben der Stäbe (1,2) entlang ihrer Drehachse (3) hat, eine Schweißenergiequelle (4)
und zwei zur Achse der Stäbe (1,2) gleichachsig angeordnete Zangen (5,6), die die Stäbe (1,2) mit lediglich radialer
Kraft zu spannen vermögen und ständig mit einer gleichen gleichmäßigen Drehbewegung um ihre gemeinsame Achse
angetrieben sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Schweißenergiequelle ein WIG-Lichtbogen oder ein Plasma-Lichtbogen ist,
dadurch gekennzeichnet , daß die Zangen (5,6)
einen sich drehenden elektrischen Verbinder (7) aufweisen.
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