DE3628246A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbinden von werkstueckteilen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ver­ binden von Werkstückteilen aus vorzugsweise hochkohlenstoff­ haltigen Werkstoffen wie GGG, GGV, GTS, GTW, mittels eines Abbrennstumpfschweissverfahrens.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens mit einer Abbrennstumpfschweisseinrich­ tung, die einen Schweisstransformator und ein die Schweiss­ stellentemperatur überwachendes, optisches Pyrometer auf­ weist.

Die Schweissbarkeit von hochkohlenstoffhaltigen Werkstoffen in den Kohlenstoffbereichen zwischen 2,0 bis 3,9%, war bisher problematisch. Der Grund dafür liegt darin, dass solche Werk­ stoffe ein ausgezeichnetes Härtungsverhalten aufweisen, wobei die damit verbundene Neigung zur Bildung ledeburitischer und martensitischer Härtungsgefüge die Konstruktionsschweissbar­ keit dieser Werkstoffgruppen stark einschränkt.

Seit langem sind Mittel und Wege gesucht worden, Schweiss­ verfahren reproduzierbar auf hochkohlenstoffhaltige Werk­ stoffe anzuwenden. Die Bildung von Härtungsgefügen, z.B. Ledeburit, Martensit, Bainit, durch Rücklösung des Graphi­ tes in der schmelzflüssigen Phase einerseits und durch schnelle Abkühlung andererseits stellte jedoch ein nahezu unüberwindbares Hindernis dar.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, hier Abhilfe zu schaffen. Dementsprechend besteht die Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe Werkstückteile mittels eines Schweissvor­ ganges reproduzierbar miteinander verbunden werden können, derart, dass die Gefügeausbildung in der Schweisszone ein­ heitlich dem Gefügebild in den übrigen Bereichen des Werk­ stückes entspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Lehren der Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispieles näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der Versuchsanordnung.

Beim Abbrennstumpfschweissen werden Strom und Kraft von Spannbacken übertragen. Die stromdurchflossenen Werkstücke werden unter leichtem Berühren durch Bildung von Schmor­ kontakten erwärmt, wobei schmelzflüssiger Werkstoff durch den Metalldampfdruck aus dem Stirnflächenbereich herausge­ schleudert wird. Dies ist die sogenannte Abbrennphase. Nach ausreichendem Erwärmen werden die Werkstücke durch schlagartiges Stauchen geschweisst.

Dem Abbrennen kann ein Vorwärmen durch wiederholtes Be­ rühren (Reversieren mit einzelnen Stromstössen) oder durch Fremderwärmung vorangehen.

Die Figur zeigt im Schema die Einrichtung zum Verbinden von Werkstückteilen mittels eines Abbrennstumpfschweissverfahrens.

Die Einrichtung weist zwei Spannbacken 3 auf, die zur Aufnahme der Werkstückteile 1 bestimmt sind. Vom Stromkreis 3 a wird der Strom in die Spannbacken 3 geleitet. Die Werkstückteile 1 werden vom Strom durchflossen. Die Spannbacken 3 werden in Pfeilrichtung bewegt bis die Stirnflächen 1 a der Werk­ stücke unter leichtem gegenseitigen Berühren durch Bildung von Schmorkontakten erwärmt werden. Dabei wird der schmelz­ flüssige Werkstoff durch den Metalldampfdruck aus dem Stirn­ flächenbereich herausgeschleudert. Nach ausreichendem Er­ wärmen werden die Werkstückteile 1 durch schlagartiges Stauchen geschweisst. Bei diesem Vorgang wird der beim Ab­ brennen gebildete Ledeburit in den Schweisswulst gepresst. Danach erfolgt eine gesteuerte Abkühlung entsprechend einem vorgegebenen ZTU-Schaubild, auf einen definierten Gefüge­ zustand z.B. Ferrit, Perlit oder Mischgefügen aus beiden.

Ein optisches Pyrometer 4 überwacht die Schweiss­ stellentemperatur. Das Pyrometer ist an ein elektronisch, programmiertes Temperatursteuergerät 5 geschaltet, das mittels eines Steuerstromkreises 4 a an den Stromkreis 3 a angeschlossen ist. Bei Unterschreiten der zeitgesteuerten, vorgegebenen Solltemperatur wurde mittels eines Stromstosses die vorgegebene Schweissstellentemperatur wieder eingestellt. Diese Nachwärmsteuerung wurde erst nach Beendigung des Schweissvorganges zugeschaltet. Während des Schweissens muss die Optik des Pyrometers vor den abbren­ nenden Eisenspritzern geschützt werden.

Bei dem beschriebenen Schweissvorgang wurden GGG-60-Guss­ teile nach dem vorgeschlagenen Verfahren verbunden. Als hoch­ kohlenstoffhaltiger Werkstoff (C ⁼ 3,6-3,9%) weist Guss­ eisen mit Kugelgraphit ein ausgezeichnetes Härtungsverhalten auf. Dabei muss aber mit der Bildung von Ledeburit gerechnet werden.

Ledeburit ist das Eutektikum des metastabilen Fe-C-Systems und besteht im kalten Zustand, d.h. unter 723° C, dem Um­ wandlungspunkt des Austenits in Perlit, aus einer feinen Mischung von Zementit und Perlit.

Um Aufhärtungen im Schweissstossbereich zu vermeiden, wurde die Stauchkraft so eingestellt, dass der beim Abbrennvor­ gang unvermeidbare Ledeburit in den Schweisswulst gepresst wurde. Mit dem Abarbeiten des Schweisswulstes wurde gleich­ zeitig auch der Ledeburit entfernt. Die Martensitbildung wurde durch ein temperaturgesteuertes Nachwärmprogramm unterbunden.

Da die Stauchkraft nicht nur das Ausquetschen des Ledeburits in den Wulst beeinflusst, sondern auch den Zerquetschungs­ grad der Sphäroliten, wurde die optimale Stauchkraft im Be­ reich zwischen 50-87 N/mm² festgelegt.

Auf diese Weise ist es gelungen mit Hilfe des Abbrennstumpf­ schweissverfahrens in Verbindung mit einem elektronisch geregelten Abkühlungsverlauf der Schweissstelle reprodu­ zierbar aufhärtungsfreie Gefüge einzustellen.

Man kann auch durch gezielte Anpassung des Abkühlungs­ verlaufes eine erhöhte Grundgefügehärte im Schweissnaht­ bereich einstellen und damit eine definierte Verlagerung von Sollbruchstellen erreichen.

Im Hinblick auf das Optimum der Gefügeeinstellung im Schweissstossbereich müssen die Abkühlungsverläufe auf die chemische Zusammensetzung des zu verschweissenden Werk­ stoffes eingestellt werden. Das ergibt sich schon daraus, dass für den Abkühlungsverlauf das ZTU-Schaubild massgebend ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbinden von Werkstückteilen aus vorzugs­ weise hochkohlenstoffhaltigen Werkstoffen wie GGG, GGV, GTS, GTW, mittels eines Abbrennstumpfschweissverfahrens mit einem nachgeschalteten Wärmprogramm, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die spezifischen Stauchkräfte derart ein­ gestellt werden, dass im Stauchvorgang, gegebenenfalls Nachstauchvorgang, der Ledeburit aus der Verbindungs­ zone in den Schweisswulst gepresst wird und dass die Abkühlung durch gesteuerte Temperaturvorgaben verzögert wird, um den Abkühlungsverlauf unter Vermeidung von Martensit- und/oder Bainitbildung auf definierte Gefüge­ zustände einzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch pulsierende Nachwärmung verzögert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachwärmstrom kontinuierlich an den durch die Soll­ temperatur definierten Wärmebedarf der Schweissstelle angepasst wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauchkräfte im Bereich von 30-120 N/mm² liegen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1 bis 4, mit einer Abbrennstumpfschweissein­ richtung, die einen Schweisstransformator und ein, die Schweissstellentemperatur überwachendes, optisches Pyrometer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ueberwachung des Abkühlverlaufes zwischen den Schweiss­ transformator und dem Pyrometer ein elektronisches, programmierbares Temperatursteuergerät geschaltet ist, das den Nachwärmstrom entsprechend der vorgegebenen Solltemperatur an der Schweissstelle steuert.

6. Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 für die Verbindung der hochkohlenstoffhaltigen Werkstoffe GGG, GGV, GTS, GTW untereinander und in Kombination aus hochkohlenstoffhaltigen Werkstoffen mit Stahl z.B. Pro­ filstahl, Schmiedestahl, Blechkonstruktion.