DE2734081A1 - Verfahren und vorrichtung zum pressschweissen von metallwerkstuecken - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Preßschweißen von Metallwerkstücken

Die Erfindung betrifft das Preßschweißen von Metallwerkstücken, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Preßschweißen von Metallwerkstücken aus hochfester Aluminiumoder Magnesiumlegierung sowie mit diesen hergestellte neue Schweißwerkstücke.

Es ist bekannt, zum Preßschweißen von Metallen Kaltschweißtechniken sowie Heißschweißtechniken zu verwenden. Jeder Technik sind gewisse Beschränkungen auferlegt, indem das Kaltpreßschweißen einen großen Anteil von Verformungsarbeit und extrem hohe Drücke zur Erzielung einer Schweißung erfordert, und in vielen Fällen wurde es unmöglich gefunden, Schweißungen bei Raumtemperatur herzustellen, wegen der übermäßigen Rissebildung und des unzureichenden Metallflusses. Heißpreßschweißungen von Metallen, z.B. Aluminium, werden dagegen normalerweise bei Temperaturen über 48o C durchgeführt mit verhältnismäßig geringer Verformung und Stauchung. Bekannte Heißpreßschweißmethoden haben Jedoch den Nachteil von Übervergütung, Rekristallisation und Ausglühung der verschweißten Metalle, woraus sich eine verminderte Haltbarkeit der Schweißstellen von etwa 3o bis ho% ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von den erwähnten Kalt- und Heißpreßschweißtechniken dadurch, daß dem Schweißprozeß nur eine solche Wärmemenge zugeführt wird, die ausreicht, um die Metalle während des Schweißverfahrens ohne Rißbildung in teigigen Zustand zu versetzen,wobei die nachteiligen Wirkungen der Überalterung,Rekristallisation und Ausglühung vermieden werden.Bei der Verschweißung von Aluminium und Magnesiumlegierungen werden mit Hilfe der Erfindung Schweiß-

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verbindungen mit einer Wirksamkeit von wenigstens 9o# und häufig über loo# erzielt.

Die canadische Patentschrift 719 855 beschreibt ein Preßschweißverfahren für Aluminium- und Magnesiumlegierungen bei erhöhten Temperaturen unter Bedingungen, die den teigigen Fluß des Metalls während des Schweißvorganges verbessern und Überalterung, Rekristallisation oder Teilausglühung des Metalls verhindern. Das Verfahren der Erfindung schafft gegenüber diesem bekannten Verfahren Verbesserungen.

Die canadische Patentschrift 947 539 ist auf eine Schweißmaschine zur Preßschweißung von flachen Metalltafelwerkstücken gerichtet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bedeutet auch gegenüber diesem Stand der Technik eine Verbesserung.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß

eine Längskante eines ersten zwischen einem Gesenkpaar eingeklemmten Werkstückes im wesentlichen parallel mit Abstand zu einer Längskante eines zweiten zwischen einem zweiten Gesenkpaar eingeklemmten Werkstückes ausgerichtet wird,

daß die Längskante des ersten Werkstückes zwischen 0,8 mm bis 2,5 cm von der gegenüberliegenden Längskante des zweiten Werkstückes entfernt gehalten wird, so daß zwischen diesen ein länglicher, offener, rechteckiger Kanal ensteht,

daß ein gleichmäßiger Heizgasstrom in der Nähe der gegenüberliegenden Längskanten geführt und ein Teil des Heizgasstromes so geleitet wird, daß er durch den länglichen, offenen, rechteckigen Kanal strömt,

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daß der Heizgasstrom durch den länglichen, offenen, rechteckigen Kanal so lange aufrechterhalten wird, bis die Flächen der gegenüberliegenden Kanten auf eine Temperatur im Bereich von 93 bis 48o°C aufgeheizt sind und ein Kern von relativ kälterem und härterem Material in jeder Kante entsteht,

daß durch Bewegung der Längskanten der Werkstücke in gegenseitige Anlage der längliche, offene, rechteckige Kanal geschlossen wird, damit kein Heizgas hindurchströmen kann, und daß

auf die zusammenstoßenden, erhitzten Längskanten der Werkstücke sofort Druck ausgeübt wird, während sie eine Temperatur von zwischen 93 bis 48o°C haben, damit eine Rekristallisations-Schweißverbindung zwischen den Kernen erzeugt sowie ein Teil der benachbarten erhitzten Flächen gestaucht und erhitztes Metall aus der Ebene der preßverschweißten Grenzfläche herausgedrückt wird.

Insbesondere ist vorgesehen, daß die Längskanten der Werkstücke einander gegenüber mit im wesentlichen parallelem Abstand zueinander ausgerichtet und aneinandergestoßen werden, daß eines der Werkstücke um einen vorbestimmten Abstand zurückgezogen wird, daß ein gleichmäßiger Heizgasstrom in die Nähe der gegenüberliegenden Kanten eingelassen wird, indem eine brennbare Gasmischung durch mehrere mit gleichen Abständen zueinander vorgesehene öffnungen strömt, die an einer Seite der Werkstücke nahe der mit Abstand gegenüberliegenden Kanten vorgesehen sind, um die Kanten erst zu erwärmen, wenn der rechteckige Kanal geformt ist, und daß ein Luftvorhang zwischen der brennbaren Gasmischung und einem Gesenk vorgesehen wird.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Preßschweiß verfahr en für Metallwerkstücke zu schaffen, mit dem

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eine Rekristallisations-Schweißverbindung hergestellt wird, die einen hohen Grad an Zuverlässigkeit und Gleichmäßigkeit bezüglich der Schweißstellenfestigkeit und -kontinuität zeigt.

Eine Schmiedepresse zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch

wenigstens ein Paar stationärer C-förmiger Metallplattenrahmen, die parallel nebeneinander mit Abstand angeordnet sind,

einen seitwärts bewegbaren C-förmigen Metallrahmen zwischen Jedem Paar stationärer C-Rahmen,

ein erstes Paar von Gesenkhaltern, das Jedem Paar der stationären C-Rahmen zugeordnet ist und zwischen sich ein Werkstück einklemmen kann, wobei wenigstens einer der Gesenkhalter in senkrechter Richtung zu dem anderen Gesenkhalter beweglich gelagert ist,

ein zweites Paar von Gesenkhaltern, das dem seitlich bewegbaren C-Rahmen zugeordnet ist und zwischen sich ein Werkstück einklemmen kann, wobei wenigstens einer der Gesenkhalter relativ zum anderen Gesenkhalter senkrecht bewegbar angeordnet ist,

Mittel zur Verstellung des seitlich bewegbaren C-Rahmens zwischen den stationären C-Rahmen, wobei die dem seitlich bewegbaren C-Rahmen zugeordneten Gesenkhalter gegen die den stationären C-Rahmen zugeordneten Gesenkhalter bzw. von diesen weg bewegbar sind, derart, daß die zwischen diesen eingeklemmten Werkstücke in gegenseitiger Ausrichtung um einen festen Abstand voneinander entfernt werden können, bevor die Werkstücke zur Preßschweißung zusammenstoßen und mit einem Druck oberhalb der Streckgrenze des Ausgangsmaterials bei Arbeitstemperaturen, die für den Metallfluß ausreichen, zusammengedrückt werden, und

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Mittel zur schnellen Erhitzung der gegenüberliegenden Kanten der Werkstücke auf eine gleichmäßige Temperatur im Bereich von 93 bis 48o°C, während die Werkstücke unmittelbar vor dem Zusammenstoß zur Preßschweißung um einen festen Abstand voneinander getrennt sind.

Es wird eine Preßschweißmaschine geschaffen, die eine rasche und zuverlässige Herstellung von preßgeschweißten Produkten gestattet. Es hat sich gezeigt, daß die Form der Längskanten der Werkstücke zur Erzielung optimaler Schweißverbindungen mit einem Minimum an Erwärmungszeit kritisch ist. Daher wird erfindungsgemäß ein neues Werkstückprofil vorgeschlagen, das besondere Vorteile für die Preßschweißung bringt.

Diese und andere Vorzüge der Erfindung werden unter Bezug auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Teiles der erfindungsgemäßen Maschine zur Vermittlung eines Überblickes über die Anordnung der Bauteile zueinander,

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht der Maschine nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht der Maschine nach Fig. 1, Fig. 4 eine Vorderansicht der Maschine nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Teilansicht der Gesenkhalter und Gesenke der Maschine in zurückgezogener, voll geöffneter Stellung sowie die Heizleitung im Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 1 und in vergrößertem Maßstab,

Fig. 6 eine Teilansicht der Gesenkhalter mit Gesenken gemäß Fig. 5 in einer ersten Stellung mit ausgerichteten Werk-

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stücken längs der Linie 5-5 in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Flg. 7 eine Teilansicht der Gesenkhalter und Gesenke in einer zweiten Stellung mit vom Heizkanal zurückgezogenen Werkstücken in vergrößertem Maßstab,

Fig. 8 eine Teilansicht der Gesenkhalter und Gesenke in ihrer endgültigen Preßschweißstellung, wobei die Werkstücke miteinander preßverschweißt werden in vergrößertem Maßstab,

Fig. 9 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines Werkstückes, das für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet ist,

Flg. Io eine graphische Darstellung des Schmiededruckes, Haltedruckes, der Wärmezufuhrtemperatur und Werkstücktemperatur während jedes Preßschweißzyklus und

Fig. 11 einen Querschnitt des Werkstückes nach Beendigung des Preßschweißzyklus mit dem Preßgrat aus gestauchtem, erwärmtem Werkstückmetall.

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Gemäß Fig. 1 bis 4 besteht die Schmiedepresse nach der Erfindung aus mehreren stationären C-Rahmen 10, die parallel zueinander angeordnet und von Ankerbolzen 12 und Abstandshülsen 14 an den Ecken der C-Rahmen in gleichmäßigen Abständen gehalten sind. Zwischen jedem Paar benachbarter stationärer C-Rahmen 10 befindet sich ein beweglicher C-Rahmen 16, der auf Lagerblocks 17 hin- und herschiebbar ist, die von Führungsstangen 18 geführt werden, welche starr an Distanzblocks 20 zwischen benachbarten stationären C-Rahmen 10 befestigt sind.

Diese Anordnung der miteinander verbundenen stationären Rahmen 10 ergibt eine Baukastenkonstruktion der Maschine, die durch einfache Verbolzung der gewünschten Anzahl stationärer Rahmen 10 und beweglicher Rahmen 16 auf die gewünschte Länge gesetzt werden kann. Die dargestellte Ausführungsform weist sechs bewegliche C-Rahmen auf, die übereinstimmend zusammenwirken.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, sind mehrere Satz von vier Gesenkhaltern 22, 24, 26 und 28 in einem Hohlraum untergebracht, der von den Schenkeln der stationären und beweglichen C-Rahmen 10 und 16 gebildet ist. Die Gesenkhalter 22, 24 befindet sich in den stationären Rahmen 10 übereinander, wobei die Gesenkhalter 22 starr an einem unteren Schenkelteil 30 jedes C-Rahmens 10 befestigt sind, und die Gesenkhalter 24 jeweils von einem Hydraulikzylinder getragen werden, der am oberen Schenkelteil 34 jedes Rahmens 10 mittels Brfickenplatten 35 und Bolzen 37 angebracht ist. Jeder Gesenkhalter 24 wird relativ zu einem festen Gesenkhalter 22 von einer Stange 36 senkrecht hin- und herbewegt.

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Gesenkhalter 26 sind an unteren Schenkelteilen 38 der beweglichen C-Rahmen 16 starr befestigt, während Gesenkhalter 28 jeweils von einem Hydraulikzylinder 40 getragen werden, der am oberen Schenkelteil 4 2 jedes C-Rahmens 16 mittels Flansch 43 und Bolzen 45 montiert ist. Die Halter 26 und 28 sind daher mit jedem beweglichen C-Rahmen 16 bewegbar und jeder Gesenkhalter 28 wird von einer Stange 44 relativ zum Gesenkhalter 26 senkrecht auf- und abbewegt.

Jeder bewegliche C-Rahmen 16 ist von einem mit ihm über eine Stange 47 verbundenen doppeltwirkenden Hochdruck-Schmiedezylinder 46 seitwärts hin- und herbewegbar, so daß die Gesenkhalter 26, 28 gegen die gegenüberliegenden Gesenkhalter 22, 24 bewegt bzw. von diesen zurückgezogen werden können. Jeder Schmiedezylinder 46 ist zwischen zwei benachbarten stationären Rahmen 10 vorgesehen und mit diesen über Flansche 49 durch Bolzen 48 verbunden. Ein an sich bekanntes Hydrauliksystem fördert gleichmäßig Hydraulikfluid zu den Zylindern 46, so daß alle Zylinder in gleichem Rhythmus zusammenarbeiten, wie nachfolgend erläutert wird.

Gesenkhalter 22, 24 wirken zur Festklemmung eines Werkstückes zwischen den oberen und unteren Schenkelteilen 34, 30 der stationären C-Rahmen 10 zusammen und die Gesenkhalter 26, 28 wirken zur Festklemmung eines Werkstückes zwischen den oberen und unteren Schenkelteilen der seitlich hin- und herbewegbaren C-Rahmen 16 zusammen, damit die Werkstücke zur Hammerschweißung bei der Verlängerung der Schmiedezylinder 46 zusammenstoßen.

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Drei mittels Bolzen 52 über Zylinderflansche 53 an den unteren Schenkelteilen 30 der stationären C-Rahmen 10 befestigte Haltezylinder 50 erstrecken sich zwischen manchen stationären Rahmen 10 zur Anlegung von Führungszapfen 51 gegen die unteren Gesenkhalter 26, damit diese über einen vorbestimmten parallelen Abstand von den gegenüberliegenden stationären unteren Gesenkhaltern 22 entfernt sind, so daß die zwischen den Gesenken 22', 24' bzw. 26', 28' eingeklemmten Werkstücke zur Bildung eines länglichen offenen rechteckigen Kanals 19 zwischen sich im Abstand gehalten werden können.

Ein sich über die Länge der unteren Gesenke 22', 26' erstreckender in Segmente aufgeteilter Wärmeerzeuger 54 befindet sich in dem Hohlraum 56 unter den unteren Gesenken und ist vorteilhaft über den Gesenkhalter 22 oder durch Befestigung an dem Gesenk 22' mit dem stationären C-Rahmen 10 verbunden (Fig. 5 bis 8). Der Wärmeerzeuger 54 besteht aus mehreren 15-cm-Brennersegmenten, die miteinander verbunden sind und eine Leitung 60 bilden, deren Auslässe 58 in gleichmäßigen 3 mm-Intervallen im Bereich der Länge der unteren Gesenke angeordnet sind, um einen gleichmäßigen Strom einer Brenngasmischung einzuführen, damit eine gleichmäßige Erhitzung der von den Gesenken eingeklemmt gehaltenen Werkstücke erreicht wird. Eine Mischung aus Sauerstoff und Brenngas, z.B. Propangas, erzeugt Temperaturen von 3.000° C, damit eine Werkstücktemperatur von 93 bis 480° C vorhanden ist.

Der Wärmeerzeuger 54 kann über Ventile Wärme an einem vorbestimmten Abschnitt des Preßschweißzyklus vermitteln, wenn der erwähnte rechteckige Kanal zwischen den Werk-

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stücken eine vorbestimmte Breite aufweist, die aus der Schrittfolge gemäß Fig. 10 ersichtlich ist.

Eine optimale Wärme- und Temperaturregelung der Werkstücke läßt sich erreichen durch einen in Fig. 7 durch Pfeile 75 angedeuteten Luftvorhang zwischen den Brenngasauslässen 58 und dem Gesenk 22' zur Ablenkung der Heizgase durch den rechteckigen Kanal 19.

Gemäß Fig. 5 wird der Luftvorhang durch mehrere Luftstrahlen geschaffen, die unter Druck aus der Leitung 62 in den Raum 56 austreten, wobei die Leitung 62 parallel zur Leitung 60 verläuft und ihre Luftstrahlauslässe 64 mit gleichmäßigen linearen Abständen von 6 mm verteilt sind. Die Erhitzung der der Wärme ausgesetzten, den Kanal 19 definierenden Werkstückränder, kann dadurch geregelt werden, daß eine gewünschte Luftmenge zwischen die Wärmequelle von den Brenngasauslässen 58 und die von den Gesenken 22', 24' getragene Werkstückkante eingebracht wird, so daß diese Kante gegen die Wärmezufuhr abgeschirmt und die gegenüberliegende Kante rascher erwärmt wird. Auf diese Weise läßt sich durch Gasströme im Raum 56 eine Vergleichmäßigung der Temperatur der Werkstückkanten erreichen, wenn das von den Gesenken 22', 24' getragene Werkstück normalerweise auf eine höhere Temperatur als diejenige des von den Gesenken 26', 28' getragenen Werkstückes erhitzt wird. Eine Verringerung der Kantentemperatur des von den Gesenken 22', 24' getragenen Werkstückes relativ zur Temperatur des gegenüberliegenden Werkstückes kann erforderlich sein, wenn die Werkstücke unterschiedliche Dicke aufweisen, oder wenn sie aus unterschiedlichen Legierungszusammen-Setzungen bestehen.

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Zur Kühlung der Gesenke sind in den oberen und unteren Gesenken Wasserkanäle ausgebildet. Ein einziger in jedem der oberen Gesenke 24', 28' längsverlaufender Kanal 97, 98 genügt, um die Gesenke innerhalb von 20 Sek. nach Aufhören der Erwärmung und damit vor Einsetzen des nächsten Wärmezyklus auf die Ausgangs-Gesenktemperatur von 13° C zurückzuführen. Anstatt des einen Kanals können zur Beschleunigung der Abkühlung der Gesenke zwei Wasserkanäle 100 und 102 in jedem unteren Gesenk 22', 26' längsverlaufend ausgebildet sein.

Die in Fig. 9 gezeigten Werkstücke 11 können stranggepreßt sein und jede Werkstückkante 66 hat Nasenform mit einem abgeflachten Stirnende 68 und abgeschrägten Seitenflächen 70, so daß ein Querschnitt mit einer Materialdicke T, Wurzelabmessung R, Länge L und Endbreite E entsteht. Es wurde gefunden, daß ein Verhältnis L : R von wenigstens etwa 1,1:1 vorzugsweise im Bereich von 1,1 : 1 bis etwa 1,5: 1 und ein Verhältnis von E : R von wenigstens etwa 0,4 : 1, im Bereich von etwa 0,4 : 1 bis 1:1, vorzugsweise etwa 0,5 : 1 zur Erzielung eines zufriedenstellenden Zusammenstoßes des Kernmaterials 72 mit Stauchung der Oberflächenoxide und erweichtem Metall als Preßgrat wichtig sind. Wie dargestellt können an jedem Werkstück Schultern 86, 88 ausgebildet sein, die mit den Gesenken zusammengreifen, wobei, wenn eine oder beide Schultern nach hinten im Abstand zu der Werkstücknase vorgesehen sind, R=T sein kann, oder die Schultern nur an eine Seite des Werkstückes angeformt sind.

Obwohl man nicht an hypothetische Erwägungen gebunden ist, wird angenommen, daß die Nasenform eine schnelle und ge-

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regelte Erhitzung der preßzuschweißenden Werkstückkanten dadurch unterstützt, daß sich ein Temperaturgradient in der Weise ergibt, daß das erwärmte Stirnende 68 und die Seitenflächen 70 seitlich verformt und gestaucht werden können, wobei das kühlere und härtere innere Kernmaterial 72 der Werkstücke, das unter dem Wärmeeinfluß seine mechanischen Eigenschaften noch nicht nachteilig verändert hat, zusammenstoßen (Fig. 6 bis 8 und 11).

Der steile Temperaturgradient schafft eine Umfangszone von plastischem Material mit relativ hoher Temperatur, d.h. bis zu 425° C, die einen Kern härteren Materials mit niedrigerer Temperatur, d.h. bis zu 230° C umschließt. Während des Preßschweißvorganges wirkt das härtere Kernmaterial als "Speer", der das weiche überhitzte Material teilt und aus der Schweißstelle ausstößt. Auf diese Weise wird die das Werkstück umgebende Oxidschicht zerbrochen und durch Herausdrücken mit überhitztem Material, das durch Weichglühen während der Erwärmungsstufe erweicht ist, als Preßgrat in den Preßgrathohlraum hineingestoßen, damit die Grenzflächendicke wenigstens um das 1,6-fache des Querschnittsbereiches des Werkstückmetalls zunimmt. Das Minimum L : R-Verhältnis von 1,1 : 1 vermittelt ausreichende Materialstauchung zur Bildung einer festen Schweißstelle unter Schmiededrücken, unbeeinträchtigt von schädlichen Materialien. Wäre das Verhältnis L : R größer als 1,5 : 1, so würde ein Zusammenstoß und Austrieb überschüssigen härteren Kernmaterials 72 erfolgen, mit dem Ergebnis, daß die Gesenke verrutschen und die Schweißstelle ungleichmäßig ist. Ein E : R-Verhältnisbereich von etwa 0,4 : 1 bis 1:1, vorzugsweise etwa 0,5 : 1, bringt den gewünschten steilen Temperaturgradient gemäß

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Fig. 9 und die gewünschten Flußcharakteristiken gemäß Fig. 11.

Während des Betriebes wird ein Formwerkstück 11 mit einer Längskante auf jeder Seite (Fig. 9) in den Maschinenhohlraum 13 der geöffneten Maschine von der Seite her eingeführt, wobei die oberen Gesenkhalter 24, 28 ihre angehobene Stellung eingenommen haben und die seitlich bewegbaren C-Rahmen 16 gemäß Fig. 2 nach links zurückgezogen sind. Gemäß Fig. 5 bis 8 ist ein Werkstück 11 zwischen die Gesenkhalter 22, 24 der stationären C-Rahmen 10 so eingeklemmt, daß die Schultern 82, 84 der Gesenke 22^f, 24' mit den Schultern 86, 88 entlang einer Kante des Werkstückes 11 zusammengreifen. Ein zweites Werkstück 11 wird in den Hohlraum 13 eingeführt, um zwischen den Gesenkhaltern 26, 28 des beweglichen C-Rahmens 16 in ähnlicher Weise eingeklemmt zu werden, wobei die Schultern 90, 92 der Gesenke 26', 28' mit Schultern 86, 88 entlang der gegenüberliegenden Kante des Werkstückes zusammengreifen.

Die oberen Gesenkhalter 24, 28 werden abgesenkt, um die beiden Werkstücke 11 festzuklemmen (Fig. 6), und zwar unter einem leichten Klemmzylinderdruck von 14 bis 21 kg/cm² und es werden die gegenüberliegenden Ränder der Werkstücke unter leichtem Druck von etwa 14 bis 35 kg/cm² der Schmiedezylinder zusammengepreßt, um ihre Ausrichtung relativ zueinander und zu den Schmiedegesenken zu erzielen. Der endgültige Zylinderklemmdruck von etwa 155 kg/cm², der von der Art des zu verschweißenden Metalls und seiner Dicke abhängt, wird sofort auf die Gesenkhalter zur Einwirkung gebracht und bis zur Beendigung der Preßschweißung aufrechterhalten. Fig. 10 zeigt graphisch die Verfahrensschrit-

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te der Erfindung mit Bezug auf den Schmiedezylinderdruck, den Haltezylinderdruck, Wärmezufuhrtemperatur und Werkstücktemperatur. Ein Ansteigen des Schmiedezylinderdruckes ist während des Einsetzens der Werkstücke im Verlauf des Arbeitszyklus erkennbar.

Die Haltezylinder 50 werden sodann mit einem Druck über 17,5 kg/cm² betätigt, der zum Ausfahren der Führungszapfen 51 genügt, die als Anschläge gegenüber den Schmiedezylindern dienen. Gleichzeitig wird der Schmiededruck verringert, um die Werkstücke auf einen vorbestimmten Abstand von etwa 0,8 mm bis 2,5 cm, vorzugsweise 3 mm, zu bringen, damit ein länglicher offener rechteckiger Kanal 19 entsteht (Fig. 7).

Sodann werden Regelventile zum Wärmeerzeuger 54 durch nicht gezeichnete Solenoide geöffnet, um einen gleichmäßigen Strom von Brenngasen, z.B. Sauerstoff und Propangas einzulassen, die von einer Lockflamme gezündet und in situ verbrannt werden, damit die Nasenprofilierung des Werkstückes rasch erhitzt wird (Fig. 9). Es zeigte sich, daß die Erwärmung der Werkstücke etwa 3 bis 8 Sek. bei einer Metallwerkstückdicke von 6 mm dauert. Erwärmungszeiten von über 8 Sek. hatten häufig einen Verlust der Metalleigenschaften, unzureichende Verschweißungen und sichtbare Oxideinschlüsse an den Schweißstellen zur Folge. Erwärmungszeiten von etwa 4 bis 6 Sek. führten zu einem haltbaren durch den Schweißstellenquerschnitt . gleichmäßig harten Profil ohne Eigenschaftsverlust.

Sodann wird der Haltezylinderdruck vermindert und es kann im wesentlichen gleichzeitig mit der Unterbrechung der

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Erwärmung der Werkstücke Schmiededruck angesetzt werden, um den Wärmekanal zu schließen, und die Werkstücke für etwa 2 bis 5 Sek., normalerweise etwa 3 Sek., aneinanderzustoßen mit der sich ergebenden Preßschweißung der Werkstücke und gleichzeitigem Ausstoß des Preßgrates 71 (Fig. 8 und 11) bei einem wirksamen Kantendruck von wenigstens 3.500 kg/cm².

Sodann werden der Schmiededruck verringert, der Zylinder 32, zum Anheben des oberen Gesenkhalters 24 und zur Freigäbe der verschweißten Werkstücke aus den unteren Gesenken 22', 24' zurückgezogen, sowie die Schmiedezylinder 46 und die mit diesen verbundenen beweglichen C-Rahmen 16 teilweise zurückgezogen, um die Gesenke 26', 28' von den Gesenken 22', 24' zu trennen, und die erhaltene Platte aus dem unteren Gesenk 22* zu befreien. Sodann wird der Zylinder 32 erneut betätigt, um die Platte zwischen den Gesenken 22', 24' einzuklemmen, während die hinteren Gesenke 26', 28' durch das bei Anheben des Gesenkhalters 28 mittels des Zylinders 40 zurückgezogene obere Gesenk 28' voneinander getrennt werden, woraufhin die Schmiedezylinder 46 voll zurückfahren, um die Platte von dem Gesenk 26' freizugeben.

Ein nicht gezeichneter Schwenktisch hebt die Platte 1,3 cm über die unteren Gesenke 22', 26' an und zieht sie teilweise aus der Maschine heraus, so daß die Hinterkante der Platte mit dem nächsten in die Maschine eingelegten Werkstück in einem sich wiederholenden Hammerschweißzyklus preßverschweißt werden kann.

Für den Erfolg der Preßschweißung ist es wichtig, daß

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die Maschinenausrichtung über jeden Schweißzyklus beibehalten wird, d.h. daß die vorderen und hinteren Gesenke in gleicher horizontaler Ebene und jedes Paar der hinteren oberen und unteren Gesenke sowie der vorderen oberen und unteren Gesenke in ihren jeweiligen senkrechten Ebenen gehalten werden, und entlang der Maschinenlänge die Symmetrie der Gesenkflachen eingehalten wird. Es wurde gefunden, daß durch Verwendung der in Lagerblöcken 17 gleitenden Führungsstangen 18 eine wirksame Ausrichtung der vorderen und hinteren unteren Gesenke in gleicher Ebene erreichbar ist. Zur senkrechten Ausrichtung jedes Paares der oberen und unteren Gesenke dienen die Formen der stationären und der beweglichen C-Rahmen, und die Symmetrie der Gesenkflächen ergibt sich durch gegenseitige Anlage der vorderen und hinteren Gesenke miteinander (Fig. 8) oder durch gegenseitige Anlage der unteren Gesenkhalter (nicht gezeichnet).

Preßschweißung von Aluminiumwerkstücken mit einer Dicke "T" von 3,5; 5,3 und 5,6 mm Stärke wurde erfolgreich durchgeführt mit Aluminiumlegierungen der Nr. 6063-T6, 6061-T6, 6351-T6, 5456-H111, 7005-T53 und 7075-T6 und mit Ausnahme der Legierung Nr. 7075-T6 wurde über die gesamte Schweißstelle eine 100 %ige Haltbarkeit der Verbindung erreicht. Eine 90 %ige Güte der Schweißstelle wurde bei der Legierung Nr. 7075-T6 erzielt und Versuche haben gezeigt, daß sich eine 100 %ige Schweißstelle für diese Legierung dadurch hervorrufen läßt, daß die Schiniedekapazität der Maschine erhöht oder der Querschnitt des Werkstückes verringert wird.

Beispielhaft für die mit den erwähnten Legierungen durch-

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geführten Versuche ist die Darstellung des Versuchsschemas gemäß Fig. 9 mit einem Werkstück, das aus der Aluminiumlegierung 6061-T6 stranggepreßt ist und Schultern 86, 88 zum Zusammengriff mit den Gesenken aufweist.

Eine Schulter 86, 88 von 1,5 mm Dicke auf jeder Seite des Werkstückes zur Erzielung einer Wurzelabmessung R von 8,3 mm für eine Materialstärke T von 5,3 mm verhinderte ein Verrutschen der Werkstücke in den Gesenken und ermöglichte zufriedenstellende Schweißungen. Eine optimale Austreibung des Preßgrates 71 mit Abführung der Oxide und der über 260° C heißen Materialien (Fig. 11) ergab sich bei einer Länge L von 9,5 mm und einer Endabmessung E von 3,9 mm bei einem L : R-Verhältnis von 1,14 : 1 und einem E : R-Verhältnis von 0,47 : 1.

Die Erfindung vermittelt mehrere beachtliche Vorteile.

Werkstücke aus hochfestem Aluminium oder Magnesium können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung miteinander preßverschweißt werden und es ergibt sich eine Rekristallisationsschweißverbindung, deren physikalische Eigenschaften im wesentlichen den Eigenschaften des verschweißten ursprünglichen Metalls entsprechen. Es werden nicht nur unerwünschte Wirkungen aus der Anwendung überschüssiger Wärme von der herkömmlichen Hammerschweißung vermieden, sondern es können Schweißnahtfestigkeiten erzielt werden, die größer sind als die Festigkeit der verschweißten ursprünglichen Metalle. Erwärmung und Preßschweißung der Werkstücke lassen sich rasch in weniger als 10 Sek. durchführen, wobei ein vollständiger Schweißzyklus einschließlich Einsetzen und Ausrichten der Werkstücke sowie Herausnahme der fertigen Platte etwa 1/2 Min. dauert. Komplizierte Strangpreßprofile mit offenem oder

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geschlossenem Querschnitt können zur Bildung einteiliger Platten verbunden werden, wenn sie geeignete Schweißkanton aufweisen. Auf diese Weise können Werkstücke mit gewünschten Profilen mit verhältnismäßig preiswerten Strangpressen hergestellt werden, und es lassen sich eine Vielzahl von Formwerkstücken schnell durch Preßschweißung miteinander verbinden, um durchgehende Platten gewünschter Länge und Strukturform zu bilden, ohne da3 die physikalischen Eigenschaften des verschweißten Grundmetalls verlorengehen.

Platten aus preßverschweißten Aluminiumstrangpreßprofilen wurden erfolgreich in Kippanhängern oder Kippkastenkarosserien eingebaut, um die Ladekapazität bei Senkung des Fahrzeuggewichtes zu steigern.

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Le e rs e i\e

Claims (26)

VON KREISLER SCHDNWALD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler "t" 1973 Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Sodun Dr. J. F. Fues, Köln Anmelderin: Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln . _ . . . , Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Alforge Metals Corporation Dipl.|n9 G Seltin(j Koln Limited, Third Street, Sch/DB/Si Orangeville, Ontario, Canada ο? τ,,ί? 5 KÖLN 1 dl ' <Juil DtKHiY.ANNhAUS AM HAUPTUAMNHOf Ansprüche

1. Verfahren zur Verbindung von Metallwerkstücken mittels Preßschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Längskante eines ersten zwischen einem Gesenkpaar eingeklemmten Werkstückes im wesentlichen parallel mit Abstand zu einer Längskante eines zweiten zwischen einem zweiten Gesenkpaar eingeklemmten Werkstückes ausgerichtet wird,

b) daß die Längskante des ersten Werkstückes zwischen o,8 mm bis 2,5 cm von der gegenüberliegenden Längskante des zweiten Werkstückes entfernt gehalten wird, so daß zwischen diesen ein länglicher,offener,rechteckiger Kanal entsteht,

c) daß ein gleichmäßiger Heizgasstrom in die Nähe der gegenüberliegenden Längskanten geführt und ein Teil des Heizgasstromes so geleitet wird, daß er durch den länglichen, offenen, rechteckigen Kanal strömt,

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TtWon: (02 21) 2345 41-4 ■ Tel«: d»Jö2307 dopa d - Telegramm: Dompul, nt KaIn

ORIGINAL INSPECTED

d) daß der Heizgasstrom durch den länglichen,offenen, rechteckigen Kanal so lange aufrechterhalten wird, bis die Flächen der gegenüberliegenden Kanten auf eine Temperatur im Bereich von 93 bis 48o c aufgeheizt sind und ein Kern von relativ kälterem und härterem Material in jeder Kante entsteht,

e) daß durch Bewegung der Längskanten der Werkstücke in gegenseitige Anlage der längliche,offene,rechteckige Kanal geschlossen wird, damit kein Heizgas hindurchströmen kann,und daß

f) auf die zusammenstoßenden,erhitzten Längskanten der Werkstücke sofort Druck ausgeübt wird, während sie eine Temperatur von zwischen 93 bis 48o°C haben, damit eine Rekristallisations-Schweißverbindung zwischen den Kernen erzeugt sowie ein Teil der benachbarten erhitzten Flächen gestaucht und erhitztes Metall aus der Ebene der preßverschweißten Grenzfläche herausgedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längskante des ersten Werkstückes mm von der Längskante des zweiten Werkstückes entfernt gehalten wird, um einen länglichen, offenen Kanal zu bilden,und daß das Werkstück eine Dicke von bis zu 6 mm aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallwerkstücke aus hochfester Aluminium- oder Magnesiumlegierung hergestellt sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Längskanten der Werkstücke einander gegenüber gelegt werden, indem diese Werkstückkanten linienschlüssig aneinandergefügt und zueinander

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ausgerichtet werden und anschließend eines der Werkstücke um den vorbestimmten Abstand zurückgezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der gleichmäßige Heizgasstrom aus einer brennbaren Gasmischung besteht, die durch mehrere mit gleichem Abstand angeordnete öffnungen austritt, die auf einer Seite der Werkstücke in der Nähe der mit Abstand einander gegenüberliegenden Kanten angeordnet sind, und daß die Gasmischung erst nach Bildung des rechteckigen Kanals gezündet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 * dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der brennbaren Gasmischung entlang der mit gleichmäßigen Abständen von 3 mm vorgesehenen öffnungen unabhängig geregelt wird, damit eine gleichmäßige Erhitzung der gegenüberliegenden Werkstückkanten erzielt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem der Gesenke und den Gasauslaßöffnungen ein Luftvorhang hergestellt wird, der die brennbare Gasmischung durch den rechteckigen Kanal lenkt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zusammenstoßenden Werkstückkanten Druck ausgeübt wird, indem diese Kanten mit einem Druck von wenigstens 35oo kg/cm zusammengepreßt werden, wobei gestauchtes Gratmetall eine wesentliche Zunahme der Grenzflächendicke hervorruft.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Grenzflächendicke wenigstens das 1,6-fache des Querschnittsbereiches des Werkstückmetalls beträgt.

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10. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Heizgases durch den länglichen, offenen, rechteckigen Kanal von etwa 3 bis etwa 8 Sek. aufrechterhalten wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Heizgases durch den länglichen, offenen, rechteckigen Kanal von etwa 4 bis etwa 6 Sek. aufrecht erhalten wird.

12. Schmiedepresse zur Verbindung von zwei Metallwerkstücken mittels Preßschweißung, gekennzeichnet durch

a) wenigstens ein Paar stationärer C-förmiger Metallplattenrahmen (lo), die parallel nebeneinander mit Abstand angeordnet sind,

b) einen seitwärts bewegbaren C-förmigen Metallrahmen (16) zwischen jedem Paar stationärer C-Rahmen (lo),

c) ein erstes Paar von Gesenkhaltern (22,24), das jedem Paar der stationären C-Rahmen (lo) zugeordnet ist und zwischen sich ein Werkstück (11) einklemmen kann, wobei wenigstens einer der Gesenkhalter (24) in senkrechter Richtung zu dem anderen Gesenkhalter (22) beweglich gelagert ist,

d) ein zweites Paar von Gesenkhaltern (26,28), das

dem seitlich bewegbaren C-Rahmen (16) zugeordnet ist und zwischen sich ein Werkstück (11) einklemmen kann, wobei wenigstens einer der Gesenkhalter (28) relativ zum anderen Gesenkhalter (26) senkrecht bewegbar angeordnet ist,

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e) Mittel (46) zur Verstellung des seitlich bewegbaren C-Rahmens (16) zwischen den stationären C-Rahmen (lo), wobei die dem seitlich bewegbaren C-Rahmen (lo) zugeordneten Gesenkhalter (26, 28) gegen die den stationären C-Rahtnen (lo) zugeordneten Gesenkhalter (22,24) bzw. von diesen weg bewegbar sind, derart, daß die zwischen diesen eingeklemmten Werkstücke (11) in gegenseitiger Ausrichtung um einen festen Abstand voneinander entfernt werden können, bevor die Werkstücke zur Preßschweißung zusammenstoßen und mit einem Druck oberhalb der Streckgrenze des Ausgangsmaterials bei Arbeitstemperaturen, die für den Metallfluß ausreichen, zusammengedrückt werden,und

f) Mittel (54) zur schnellen Erhitzung der gegenüberliegenden Kanten der Werkstücke (11) auf eine gleichmäßige Temperatur im Bereich von 93 bis 48o°C, während die Werkstücke unmittelbar vor dem Zusammenstoß zur Preßschweißung um einen festen Abstand voneinander getrennt sind.

13· Schmiedepresse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeerzeuger (54) eine gleichmäßig längs der voneinander getrennten Kanten der gegenüberliegenden Werkstücke (11) verteilte Wärmequelle (54) aufweist, damit die gegenüberliegenden Werkstückkanten gleichmäßig erwärmt werden.

14. Schmiedepresse nach Anspruch 13» dadurch .gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (54) in der Nähe des einen Gesenkes eine Leitung (6o) aufweist, die mit mehreren in gleichen Abständen entlang der Länge des Gesenkes verteilten Auslässen (58) versehen ist und einen Strom einer brennbaren Gasmischung zur gleichmäßigen Erwärmung der gegenüberliegenden Werkstückkanten einführt.

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15· Schmiedepresse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel zur Einführung eines Luftvorhanges (75) zwischen die Wärmequelle (54) und das daneben befindliche Gesenk vorgesehen sind, die den Heizgasstrom gegen einen rechteckigen Kanal (19) zwischen den gegenüberliegenden Werkstückkanten lenken.

16. Schmiedepresse nach Anspruch 12,dadurch gekenn zeichnet, daß das Mittel zur seitlichen Bewegung des beweglichen C-Rahmens (16) zwischen den stationären C-Rahmen (lo) einen dopptelt wirkenden Schmiedezylinder (46) aufweist, der starr an den stationären C-Rahmen (lo) befestigt und wirkungsmäßig an den beweglichen C-Rahmen (16) angeschlossen ist, sowie einen Haltezylinder (5o) umfaßt, der starr an den stationären C-Rahmen (lo) befestigt und wirkungsmäßig an den beweglichen C-Rahmen (16) gegenüber dem Schmiedezylinder (46) angeschlossen ist, wodurch die Werkstücke (11) rasch auf einen vorbestimmten Abstand zueinander bringbar sind.

17. Schmiedepresse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gesenkhalter (22,24; 26,28) ein Gesenk (22¹, 24'; 26·,28') zur Erfassung eines Werkstückes (11) trägt, an dem eine Schulter (82,84) zum Zusammengriff mit einer Schulter (86,88) an dem Werkstück (11) ausgebildet ist.

18. Schmiedepresse nach Anspruch 17# dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) ein längliches Strangpreßprofil aus Aluminium- oder Magnesiumlegierung ist, an dessen beiden Seiten je eine Schulter (86,88) ausgebildet ist, und daß das Werkstück (11) abgeschrägte Längskanten mit einer Wurzelabmessung "R" und einer Längenabmessung "L" besitzt, wobei das Verhältnis von L : R wenigstens etwa 1,1 : 1 beträgt.

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19· Schmiedepresse nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (11) ein längliches Strangpreßprofil aus Aluminium- oder Magnesiumlegierung ist, an dessen beiden Seiten je eine Schulter (86,88)ausgebildet ist, und daß das Werkstück (11) abgeschrägte Längskanten mit einer Wurzelabmessung "R" und einer Längenabmessung "L" aufweist, wobei das Verhältnis von L : R im Bereich von etwa 1,1 : 1 bis etwa 1,5 : 1 beträgt.

20. Schmiedepresse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück eine abgeflachte Endabmessung "E" aufweist, wobei das Verhältnis von E : R wenigstens etwa o,4 : 1 beträgt.

21. Schmiedepresse nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück eine abgeflachte Endabmessung "E" aufweist, wobei das Verhältnis von E : R im Bereich von etwa o,4 : 1 bis etwa 1 : 1 beträgt.

22. Schmiedepresse nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück eine abgeflachte Endabmessung "E" aufweist, wobei das Verhältnis von E : R etwa o,5 : 1 beträgt.

23. Stranggepreßtes Metallwerkstück mit längsverlaufenden Seitenkanten zur Preßschweißung und parallel zu den Seitenkanten verlaufenden Schultern zum Eingriff in Gesenke, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseitenkanten abgeschrägt sind und eine Wurzelabmessung "R"sowie eine Längenabmessung '^"aufweisen, wobei das Verhältnis von L : R wenigstens etwa 1,1 : 1 beträgt.

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24. Stranggepreßtes Metallwerkstück mit längsverlaufenden Seitenkanten zur Preßschweißung und parallel zu den Seitenkanten verlaufenden Schultern zum Eingriff in Gesenke, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseitenkanten abgeschrägt sind und eine Wurzelabmessung"r"sowie eine Längenabmessung "L"aufweisen, wobei das Verhältnis von L : R im Bereich von etwa 1,1 : 1 bis etwa 1,5 : 1 beträgt.

25. Metallwerkstück nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet, daß das Werkstück eine abgeflachte Endabmessung"E"aufweist, wobei das Verhältnis von E : R im Bereich von etwa o,4 : 1 bis etwa 1 : 1 beträgt.

26. Metallwerkstück nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet, daß das Werkstück eine abgeflachte Endabmessung"E"aufweist, wobei das Verhältnis von E : R 0,5 ·: 1 beträgt.

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