DE2724206C3

DE2724206C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Stumpfschweißen von Stäben aus Metall

Info

Publication number: DE2724206C3
Application number: DE2724206A
Authority: DE
Inventors: Jean Claix Chaix; Jacques Gieres Pinettes
Original assignee: Alliages Frittes SA
Current assignee: Alliages Frittes SA
Priority date: 1976-05-31
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1979-03-15
Also published as: IT1079243B; FR2353360B1; NL7705976A; US4129771A; JPS52146742A; FR2353360A1; DE2724206A1; CA1084123A; ATA379377A; AT376596B; BE855124A; DE2724206B2; GB1583986A

Description

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 verfugen, 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.

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 Beschikkungsvorrichtungen 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 Auftrangsmaschinen unmöglich macht.

Im übrigen ergeben die erwähnten verschiedenen Verfahren bei nicht einwandfrei rechtwinkligen Schnittstellen Druchbiegungen oder Knickstellen an den Fügestellen. Da die Schweißenergiequelle im allgemeinen nicht rotationssymmetrisch ist und die Legierung bei der Abkühlung, die mehrere Minuten dauern kann, ein sehr schlechter Wärmeleiter ist — etwa um den Faktor 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 mechanischer. 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 2u verschweißenden Enden ohne Aufbringen 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 pro Schweißung 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, ein Plasma-Lichtbogen, eine Hochfrequenzschleife, eine Elektronenkanone zum Schweißen durch Elektronenbeschuß, eine Laserkanone oder eine beleibige andere Quelle für konzentrierte Energie, die es gestauet, den Stab bis zum Kern aufzuschmelzen. iBei Hartauftragslegierungen genügt für zylindrische Stäbe von ungefähr 4 mm 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 konzentriert 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 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 ίο 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 um so höher sein, je besser der zu schweißende Werkstoff r. 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 >o 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 rein kann.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Diese Vorrichtung wird im folgenden anhand einer einzigen schematischen Zeichiii nung erläutert.

Stäbe 1 und 2 sind an einem ihrer ?.u ihrer gemeinsamen Drehachse 3 rechtwinkligen Enden aneinander angelegt. In der Nähe der Stäbe 1 und 2 ist in der durch den Berührungsquerschnitt definierten Ebene r, eine Schweißenergiequelle 4, beispielsweise ein WIG-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 ίο 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 ständig von einer gleichen gleichmäßigen Drehbewegung um die ι. 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 schweißenden Seite als an der "in anderen entsteht, ist jede der Zangen 5 und 6 mit einem sich drehenden elektrischen Verbindung 7 versehen, die beispielsweise eine Kupferlitze sein kann, so daß die elektrischen Widerstände der Stromrückleitungen jeder 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 mi geschoben, bis sich sein nicht geschweißtes Ende 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 Ende des Stabes 1 gebracht, der durch die Zange 6 ι > gegen Längsbewegung festgehalten ist. Sodann wird die Zange 5 geschlossen, und die Anstückungsebene wird vor die Schweißenergiequelle 4 gebracht, wobei sich die beiden Stäbe J und 2 mit der gleichen Winkeieeschwin-

(iigkeit und in der gleichen Richtung drehen. Sodann ■vird 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 R'jsgefiihrt hat. werden die Zangen 5 und 6 gtSfinei, und die auf diese Weise miteinander verschweißten Stäbe 1 und 2 werden für die nächste Schweiiiung am nicht verschweißten Ende des Stabes 2 weitergeschoben. Das Vorschieben der Stäbe, das Zünden und Löschen des Lichtbogens lassen sich über ein einsprechendes Steuerungssystem leicht automatisieren.

Das Verfahren nach der Erfindung wird mit den beiden nachstehenden Beispielen weiter erläutert, die, ohne einschränkenden Charakter zu haben, spezielle Anwendungsfälle beschreiben.

Beispiel 1

Es wurden zylindrische Stäbe von 4 mm Durchmesser und der folgenden Zusammensetzung
(Angaben in Gew.-%): C=I₁W = 4,5, Cr = 26, Si = 1,Co = 67,5
unter den folgenden Bedingungen angestückt:

Drehgeschwindigkeit der Stäbe
Energiequelle

WIG-Lichtbogen - 30 V - 50 A

150UpM

Haltezeit für den Lichtbogen 3 s

mit raschem Intensitätsanstieg (< I 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 Übergabezeil.

Die erzielten Stäbe waren knickungs- und wulstfrei.

Beispiel 2

i:s wurden zylindrische Stäbe von 8 mm Durchmesser und der folgenden Zusammensetzung
(Angaben in Gew.-%): C = 2,5, W = i3, Cr = 33. Si = 1.Co = 50,5
unter den folgenden Bedingungen angestückt:

Vorabstand 0,3 mm

Drehgeschwindigkeit 300 UpM

Energiequelle

Plasma-Lichtbogen — 30 V — 125 A
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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 Aufbringen 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 pro Schweißung angetrieben wurden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit und die Anzahl der Umdrehungen so gewählt werden, daß μ 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 gekennzeichnet, daß die Stäbe (1, 2) aus nicht r> schmiedbarer Metallegierung sind, insbesondere aus Hartauftragslegierung 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.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Vorrichtungen zum Vor- y> schieben 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 4^r> die Zangen (5, 6) eine sich drehende elektrische Verbindung (7) aufweisen.