DE3306001C3 - Abbrennstumpfschweißgerät zur Verbindung flacher Streifenenden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbrennstumpfschweißgerät zur Verbindung flacher Streifenenden mit Klemmwerkzeugen und Klemmeinsätzen.

Ziel der Erfindung ist es, den Strombedarf beim Pressen der Werkstücke zu verringern und gleichzeitig die Kapazität des Schweißgeräts zu verbessern.

Der genaue Aufbau des erfindungsgemäß verwendeten Schweißge­ räts ist nicht im einzelnen erläutert. Bezüglich dieses grundsätzlichen Aufbaus wird aber Bezug genommen auf die US 32 49 732 oder die US 27 94 111. In diesen Druckschriften werden die Streifenenden gegen eine Abstandsplatte im Raum zwischen zwei Klemmbacken bewegt, wobei die Abstandsplatte auf die Dicke der Schweißverbindung abgestimmt ist. Die Schweißklemmbacken dieses Geräts werden dann um den Streifen geschlossen und leicht voneinander getrennt, so daß die Abstandsplatte abgezogen werden kann. Danach beginnt man mit dem eigentlichen Schweißvorgang. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes derartiges Gerät mit verbesserten Klemmbacken zum Verschweißen von Streifen.

Als Abbrennstumpfschweißen wird dabei der Schweißvorgang verstanden, wobei die einander benachbarten Kanten zweier miteinander zu verschweißender Werkstücke genau positioniert und eng nebeneinander mit vorgegebenem Abstand angeordnet werden, und zwar parallel zueinander. Die Werkstücke werden dann aufeinander zu bewegt und an sie wird eine elektrische Spannung angelegt, so daß ein Schweißlichtbogen zwischen den nebeneinander befindlichen Kanten der Werkstücke entsteht, wodurch diese erweicht werden. Die Kanten der Werkstücke werden dann unter starkem Druck stumpf aneinander gedrückt und ein hoher Strom fließt durch die aneinander anliegenden Kanten, wodurch diese schließlich geschmolzen und miteinander verschweißt werden.

Beim herkömmlichen Abbrennstumpfschweißen hat der zwischen den Kanten der Werkstücke fließende Strom während des Abbrennens einen relativ niedrigen Wert. Wenn die Werkstücke aneinander anliegen bzw. beim Zusammenbringen der Werkstücke ist der in den Werkstücken fließende Strom dagegen viel höher als während des Abbrennens.

Die Größe des Stroms beim Zusammenbringen der Werkstücke hängt ebenfalls mit dem zu verschweißenden Querschnitt zusammen. Dieser Zusammenhang wird im allgemeinen durch die Stromdichte gekennzeichnet und in Ampere pro Flächeneinheit ausgedrückt.

Wenn zwei Werkstücke zusammengebracht werden, so ergibt sich eine Anzahl kleiner Kontaktflächen. Fließt jetzt ein elektri­ scher Strom durch diese Kontaktpunkte, so erwärmt sich dabei das in diesen Kontaktgebieten befindliche Metall. Eine Metallbrücke mit sich über ihre Länge änderndem Widerstand wird dadurch ausgebildet. Beim Erwärmen der Brücke erreicht schließlich das in und um die Kontaktzone befindliche Metall den geschmolzenen Zustand. Wenn die Kohäsionskräfte des Metalls in der jetzt flüssigen Brücke kleiner werden als die magnetischen Kräfte, die auf die Teilchen einwirken, die sich in der Brücke befinden, so bricht die Brücke und das flüssige Material wird explosionsartig weggeschleudert. Krater bilden sich dann an den Kontaktflächen aus, die vorher die Strombrücken waren. Unmittelbar nach der ersten Explosion werden die Flächen wieder in Kontakt miteinander gebracht, und zwar bewirkt durch das kontinuierliche Näherrücken des betreffenden Werkstücks, worauf sich dieser Zyklus bei neuen Kontaktpunkten wiederholt. Diese schnelle Folge einzelner Explosionen bewirkt nicht nur eine gleichförmige Erwärmung der Kontaktflächen, sondern auch ein Verdampfen des Metalls, dessen Dampf dann einen Oxidationsschutz bietet.

Im vorstehenden wurde also die Theorie des Abbrenn­ stumpfschweißens erläutert. Der Abbrand bzw. die Metallbrücken entstehen dabei an eng lokalisierten Punkten und nicht etwa gleichzeitig über die gesamte zu verschweißende Fläche. Fernerhin bleiben Krater zurück und das Metall verdampft. Dieser Metalldampf ist der einzige Faktor, der die hocher­ hitzten Flächen in den Kratern vorm Oxidieren schützt. Weiter ist zu erklären, warum dieses Verfahren für einige Materialien wirksam ist, nicht aber für andere Materialien. Dies beruht darauf, daß einige Legierungselemente bei höherer Temperatur stärker oxidieren als andere. Auch hängt dies von ihrem Legierungsanteil ab.

Widerstands-Abrennstumpfschweißgeräte für Streifenmaterial oder Bandstähle sind so ausgelegt, daß die größte Dicke und Breite des Materials der betreffenden Produktionslinie verschweißt werden kann. Üblich ist eine "62-Zoll-Maschine", in der Streifenmaterial mit einer maximalen Breite von 1575 mm und einer maximalen Dicke von 6,35 mm verschweißt werden kann. Eine entsprechende maximale Schweißfläche für handels­ üblichen Weichstahl ist 10 000 mm². Die Maschine hat eine maximale Spannkraft von ca. 2090 KN und eine Stauchkraft von ca. 778 KN. Der größte Schweißstrom liegt bei 150 000 Ampere. Dies ist die größte Stromstärke, die beim Zusammenbringen (Zusammendrücken) der Werkstücke aufgebracht wird. Die entsprechende Stromdichte liegt bei 15 Ampere pro mm². Konstruktive Grenzen machen es sehr schwierig und teuer, einen Schweißstrom einzusetzen, der den angegebenen Wert stark überschreitet.

Die verschweißbare Fläche wird drastisch verringert, wenn Kohlenstoffstahl verschweißt wird, wobei Mikrolegierungsele­ mente verwendet werden, um eine verbesserte Festigkeit zu erhalten. Diese Güteklassen heißen üblicherweise hochfeste, niedriglegierte Stähle, sogenannte HSLA-Stähle. Die vorstehend erläuterte Metallverdampfung reicht hierbei als Schutzfaktor gegen die Oxidation von HSLA-Stählen nicht aus und es besteht somit eine Notwendigkeit, hier Abhilfe zu schaffen.

Wenn spezielle HSLA-Stähle auf einem herkömmlichen Schweißge­ rät verschweißt werden, das heißt ohne eine Schutzatmosphäre, so liegt die erforderliche Stromdichte beim Zusammendrücken der Werkstücke in der Größenordnung von 77,5 Ampere pro mm², und zwar um Defektstellen zu vermeiden, die auf die Oxidation zurückgeführt werden, die dann einen Bruch der Schweißstelle beim anschließenden Verarbeiten des Werkstücks nach sich ziehen würden. Dadurch wird die verschweißbare Fläche auf etwa 1936 mm² begrenzt, und zwar basierend auf einem beim Zusammen­ drücken der Werkstücke maximal zur Verfügung stehenden Strom von 150 000 Ampere.

Ein Abbrennstumpfschweißgerät ist in der US 27 94 111 beschrieben. Diese Druckschrift beschreibt auch schon eine Abstandsplatte mit verschiebbaren Schneidstangen. Außerdem ist in dieser Patentschrift ein Abbrennstumpfschweißverfahren beschrieben.

Der DE 25 32 261 B2 oder der US 27 19 207 kann der Gedanke entnommen werden, beim Abrennstumpfschweißen unter Schutzgas zu schweißen.

Das DE-Fachbuch "Widerstandsschweißen", Vorträge der 5. Stuttgarter Sondertagung Widerstandsschweißtechnik 1960, S. 89 bis 106, beschreibt das sogenannte Gaspreßschweißen, bei dem ein Brenngas verwendet wird. Im Grunde handelt es sich hierbei um eine Abwandlung des elektrischen Widerstands­ schweißens auf die Heizgas-Sauerstoff-Flamme. Dieses Verfahren ähnelt daher dem Abbrennstumpfschweißen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die verschweißbare Fläche deutlich zu vergrößern, indem mit dem erfindungsgemäß verbesserten Gerät Schweißverbindungen ohne erkennbare Fehler mit weniger als der Hälfte der sonst beim Zusammendrücken der Werkstücke üblichen Stromdichte herstellbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausgestal­ tungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 bis 3 schematische Schnitte durch die Klemm­ backenanordnung eines Abbrennstumpf­ schweißgeräts mit Abstandsplatten bei den verschiedenen Betriebsbedingungen;

Fig. 4 vergrößert eine schematische Stirnansicht zur Erläuterung, wie die Klemmbacken konstruiert sind, um eine Schutzatmosphäre beim Schweißvorgang erfindungsgemäß auszubilden;

Fig. 5 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeiles 5-5 von Fig. 4 zur Darstellung der unteren Klemmbacke mit entsprechendem Klemmeinsatz;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 von Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Draufsicht längs der Linie 7-7 von Fig. 4 zur Darstellung der Oberseiten der unteren Klemmbacken, und zwar ohne die Klemmeinsätze.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Klemmeinrichtung eines solchen Abbrennstumpfschweißgeräts, wobei der Klemmauf­ bau Teil eines sonst üblichen solchen Schweißgeräts ist.

Eine ortsfeste Platte 23 ist vorgesehen, an der Spannbacken­ halter 10 und 11 befestigt sind. Diese klemmen zwischen sich das rückwärtige Ende eines Streifens ST ein. Eine bewegliche Platte 24 ist vorgesehen, an der Spannbackenhalter 12 und 13 zum Einklemmen des Vorderendes eines Streifens SL befestigt sind. Die bewegliche Platte 24 kann gleitend auf die feste Platte 23 zu und wieder von ihr weg bewegt werden. Außerdem ist eine Abstandsplatte 14 vorgesehen, die in Fig. 1 in ihrer obersten Lage gezeigt ist, die sie beim Schweißvorgang einnimmt.

Fig. 2 zeigt die Abstandsplatte 14 in ihrer am weitesten unten befindlichen Lage. Wenn das Gerät diese Lage eingenommen hat, so haben sich Schneidstangen 15 vollständig über die einander gegenüberliegenden Stirnflächen von Spannbacken 16, 16′, 17, 17′ bewegt einschließlich Klemmeinsätze 18, 18′. Die be­ schriebene Bewegung entfernt den Abbrand von den Spannbacken, bevor geschweißt wird.

Fig. 3 zeigt, daß sich die Abstandsplatte 14 wieder nach oben bewegt, und zwar um einen vorbestimmten Abstand zu einer von mehreren Meßflächen. Die Streifenenden ST und SL werden gegen die Meßflächen angestoßen und zum Verschweißen verklemmt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Spannbacken 16, 16′, 17, 17′, die erfindungsgemäß mit Abgabeöffnungen 20 versehen sind, die dort so angebracht sind, daß Verteilerkanäle 21 an sie angeschlossen sind. Die Verteilerkanäle sind dadurch ausgebil­ det, daß die Tiefe von Keilnuten in den Spannbacken vergrößert wurde, die die Klemmeinsätze 18, 18′ festlegen. Rohranschlüsse 22 sind an beiden Enden aller vier Spannbacken vorgesehen, um den Verteilerkanälen 21 Gas zuzuleiten.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Anordnung, wobei die Abgabe­ öffnungen 20 an der linken unteren Spannbacke 17 so angeordnet sind, daß ein Gasstrom 20 an der unteren rechten Spannbacke 16 zielt. Die Abgabeöffnungen 20 in der unteren linken Spannbacke 17′ sind ähnlich bezüglich der Abgabe­ öffnungen 20 in der oberen rechten Spannbacke 16′ vesetzt, wie in Fig. 4 gezeigt. Die einander gegenüberliegenden Abgabe­ öffnungen sind deshalb zueinander versetzt, um mit verhältnis­ mäßig wenigen Öffnungen eine gute Gasabschirmung zu erzielen und damit eine größtmögliche Kontaktfläche zwischen den Spannbacken und den Klemmeinsätzen, um den hohen Klemmdrücken besser Widerstand leisten zu können. Eine größtmögliche Kontaktfläche ist auch notwendig, um einen hohen Schweißstrom von den unteren Spannbacken 16, 17 durch die entsprechenden Klemmeinsätze 18 zu leiten und schließlich in die Enden ST und SL der Werkstücke.

Ein brennbares Gas, beispielsweise Propan, wird durch die Rohranschlüsse 22 und über die Ver­ teilerkanäle 21 in die Vielzahl der Abgabeöffnungen 20 eingeleitet, so daß eine Schutzgasschicht längs der gesamten Breite der Streifenenden ausgebildet wird, die miteinander verschweißt werden. Die Schutzgasschicht befindet sich also sowohl oberhalb wie auch unterhalb der Schweißstelle. Das Gas wird durch den Abbrand gezündet und bildet dadurch die notwendige Schutzatmosphäre aus. Anstelle von Propan können auch andere Brenngase verwendet werden, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoffgas.

Rechteckig geformte Öffnungen mit einer Größe von beispiels­ weise 1,6 × 6,3 mm werden vorzugsweise vorgesehen, um ein Verstopfen durch Abbrandteile zu verhindern. Die Anordnung der Öffnung, wie diese in Fig. 4, 5 und 6 gezeigt ist, wird weiterhin bevorzugt, weil dadurch eine Ansammlung von Abbrandteilen mit Hilfe der Schneidstangen 15 besser entfernt werden kann, die an der Abstandsplatte 14 befestigt sind. Der Abbrand wird dadurch vor jedem Schweißvorgang abgetragen. Der Abbrand würde sonst die Abgabeöffnungen verstopfen.

Die Abgabeöffnungen 20 können in die Klemmeinsätze 18 eingeschnitten werden. Bevorzugt wird es aber, wenn sich diese in den Spannbacken 16, 16′, 17 und 17′ befinden.

Dies beruht darauf, daß die Klemmeinsätze verloren oder verbraucht werden können, so daß die bevorzugte Anbringung wirtschaftlicher ist.

Die Fig. 4, 5 und 7 zeigen, daß sich die Rohranschlüsse 20 an den Enden der Spannbacken 16, 16′, 17 und 17′ befinden. Dies wurde als besonders günstig für Spannbackenlängen bis zu 1625 mm gefunden. Eine andere Anordnung wäre an Zwischenpunkten längs der Rückseite oder des Bodens mit entsprechenden Auslaßöffnungen in den Spannbackenhaltern 10, 11, 12 und 13 von Fig. 1. Eine Kombination von Verbindungen sowohl an den Enden wie auch dazwischen kann wünschenswert sein, um eine bessere Gasverteilung zu erreichen, wenn die Länge das Maß von 1625 mm überschreitet.

Es wurde festgestellt, daß durch die Verwendung eines Brenngases als Schutzgas die Schweißverbindungen ohne erkennbare Fehlstellen oder sonstige Defekte hergestellt wurden, und zwar bei Stromdichten beim Zusammenpressen der Werkstücke in der Größenordnung von 31 bis 39 Ampere pro mm². Dadurch wird somit die Schweißkapazität gegenüber herkömmli­ chen Schweißgeräten verdoppelt.

Diese Zahlenwerte seien mit einem herkömmlichen Schweißver­ fahren, das heißt ohne eine solche Schutzatmosphäre aus einem Brenngas, verglichen, wobei Stromdichten in der Größenordnung von 77 Ampere pro mm² notwendig sind. Dadurch wird die Schweißkapazität des Geräts auf etwa 1935 mm² begrenzt, beruhend auf dem maximal zur Verfügung stehenden Strom von 150 000 Ampere.

Anstelle eines Brenngases wurde auch ein inertes Gas verwen­ det. Die Ergebnisse zeigten aber, daß ein Schutzgas aus Brenngas bestehen muß, um fühlbar verbesserte Ergebnisse zu erzielen.

Es ist somit ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Gerät sich hervorragend zum Widerstandsschmelzschweißen von Bandmaterial eignet. Die Qualität der Schweißverbindung an den Enden des Bandmaterials wird wesentlich verbessert, und zwar bei Stählen spezieller Güte, beispielsweise hochfestem, niedriglegiertem Stahl.

Claims (3)

1. Abbrennstumpfschweißgerät mit Klemmwerkzeugen, umfassend Klemmeinsätze zur Verbindung flacher Streifenenden, wobei Abgabeöffnungen (20) für ein Schutzgas vorgesehen sind, die höher und tiefer liegen als einer Verbindungsstelle (Schweißstelle) der Streifenenden, dadurch gekennzeichnet, daß Abgabeöffnungen (20) für ein Brenngas als Schutzgas sich an einer Vielzahl von Stellen in den Klemmwerkzeugen (11, 12) befinden, und zwar längs der Breite der miteinander zu verschweißenden Streifen (ST, SL), und daß zwischen den Klemmwerkzeugen und Klemmeinsätzen ein Abstand vorgesehen ist, der als Leitung für die Zufuhr des Gases zu den Abgabeöffnungen (20) dient, wobei die Abgabeöffnungen vertikal relativ zu der Leitung versetzt sind.

2. Abbrennstumpfschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstandsplatte (14) mit äußeren Schneidstangen (15) vorgesehen ist, die längs der einander gegenüber­ liegenden Flächen der Klemmeinsätze (18, 18′) gleitend beweglich ist, so daß der Abbrand von den Klemmeinsätzen vor jedem Schweißvorgang entfernt wird, wobei Schweiß­ teilchen entfernt werden, die die Abgabeöffnungen (20) verstopfen könnten.

3. Abbrennstumpfschweißgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabeöffnungen (20) an einem der einander gegenüberliegenden Klemmeinsätze (18, 18′) jedes Paares der Klemmeinsätze bezüglich des jeweils anderen Klemmein­ satzes versetzt sind.