DE3819720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stumpfschweißverfahren zur Verbindung von Stahlplatten oder -blechen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In den vergangenen Jahren ist Stumpfschweißen in großem Umfange anstelle von Abbrenn-Stumpfschweißen als Verfahren zur wirksamen und genauen Verbindung von Stahlplatten oder -blechen eingesetzt worden.

Stumpfschweißen ist ein Typ eines Widerstands-Druckschweißverfahrens. Bei diesem Verfahren werden gemäß Fig. 1a und 1b zwei zu verschweißende Stahlplatten 2 zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden 1 gehalten. Die Elektroden dienen zugleich zum Aufbringen von Druck. Die Enden der Stahlplatten 2 liegen unter Druck gegeneinander an, und ein starker Strom wird durch die Platten hindurchgeführt. Dadurch werden die Ränder der Stahlplatten 2 in äußerst kurzer Zeit miteinander verbunden.

Wenn jedoch Stahlplatten auf diese Weise stumpfgeschweißt werden, besteht die Gefahr, daß die gegeneinander anliegenden Ränder der Platten in Querrichtung ungleichmäßig erwärmt werden. Die äußeren Bereiche der Berüh­ rungsflächen werden zumeist unzureichend erwärmt, und die weiter innen gelegenen Bereiche können überhitzt werden. In extremen Fällen können die überhitzten Bereiche durchschmelzen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, oder es kann zu einem unangemessenen Stauchen der anliegenden Flächen kommen. In Fig. 2 sind mit Bezugs­ ziffer 3 diejenigen Bereiche von zwei Stahlplatten 2 bezeichnet, die wegen Überhitzung nur geringfügig gestaucht sind. Wenn andererseits die Erwärmung der Stahlplatten 2 zur Vermeidung der Überhitzung verringert wird, können die äußeren Bereiche der gegeneinander anliegenden Ränder unzureichend erwärmt werden, so daß Kaltschweißfehler auftreten und die äußeren Bereiche der Platten nur unzureichend verbunden werden.

Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, ein Stumpf­ schweißverfahren zu schaffen, bei dem die genannten Nach­ teile vermieden werden und Stahlplatten derart verbunden werden können, daß eine gute Verbindung über die gesamte Breite der Platten entsteht.

Die Erfindung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Die Erfinder haben eine numerische Analyse unter Verwendung von endlichen Elementen sowie Experimente mit dem Ziel der Ermittlung des Grundes der ungleichmäßigen Erwärmung der Stahlplatten beim Stumpfschweißen gemacht. Als Ergebnis dieser Bemühungen wurde der Grund für die Probleme beim herkömmlichen Stumpfschweißen wie folgt erkannt:

Wenn Stahlplatten durch Stumpfschweißen verbunden werden, werden nur die Bereiche in der Nähe der gegeneinander anliegenden Flächen rasch erhitzt. Daher erfahren im Anfangsstadium die in Querrichtung äußeren Bereiche der anliegenden Flächen der Stahlplatten 2 aufgrund thermischer Ausdehnung eine Verformung, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Als Ergebnis entfällt in diesen äußeren Bereichen auf beiden Seiten der Stahlplatten 2 die gegenseitige Berührung.

Wenn in diesem Stadium ein starker Strom durch die Stahl­ platten hindurchgeleitet wird, konzentriert sich der Strom in einem sehr geringen Bereich der anliegenden Oberflächen angrenzend an die nicht anliegenden Flächen­ bereiche, so daß eine plötzliche Wärmekonzentration erfolgt. Zugleich werden die äußeren Bereiche der anliegenden Flächen unzureichend erwärmt.

Aus diesem Grunde schmelzen die Stahlplatten in denjenigem Bereich, in dem sich der Strom konzentriert und der gering­ fügig innerhalb der in Querrichtung äußeren Bereiche liegt, durch. Eine angemessene Stauchung findet nicht statt, und die erzielte Verbindung ist unzureichend. Aufgrund unzu­ reichender Erwärmung der äußeren Bereiche werden diese nicht ausreichend miteinander verbunden.

Wenn, wie bereits erwähnt wurde, die Stromdichte zur Ver­ hinderung einer unzureichenden Erwärmung der äußeren Bereiche erhöht wird, werden die unmittelbar innerhalb dieser Bereiche liegenden Teile überhitzt, so daß sie durch­ schmelzen, und die Stauchung ist unzureichend. Wenn die Stromdichte andererseits gesenkt wird, werden die äußeren Bereiche unzureichend erwärmt. Dies beruht darauf, daß sich Spalten 2′ zwischen den äußeren Bereichen der Platten 2 bilden, wie Fig. 3 zeigt. Wenn die Schweißung ausreichend fortgeschritten ist und die beiden Platten 2 erweicht sind, können sich zwar die äußeren Bereiche berühren, so daß Strom fließen kann. Die Gesamtlänge der Zeit, während der der Strom fließt, ist jedoch ungenügend, so daß die äußeren Bereiche nicht ausreichend erwärmt werden.

In einem weiten Sinne beruht die Erfindung daher darauf, ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine Stumpfschweißung von Stahlplatten durchgeführt wird, in dem die Bildung von Spalten in den seitlich äußeren Bereichen der dünnen Stahlplatten während des Schweißens durch Unterdrückung einer durch thermische Aus­ dehnung des inneren Plattenbereichs hervorgerufene Aufspreizung des Randbereichs der zusammentreffenden Plattenflächen verhindert wird.

Die Bildung von Spalten in den seitlich äußeren Bereichen der Stahlplatten kann auf verschiedene Weise vermieden werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden Spalten verhindert durch Variierung des Druckes, der auf die Stahlplatten ausgeübt wird, über die Breite der Platten. Ein größerer Druck wird beim Stumpfschweißen in den äußeren Bereichen der Platten aufgebracht als im Mittel­ bereich. Der größere Druck in den äußeren Bereichen verhindert dort die Bildung der Spalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Elektroden, die Druck auf die Platten ausüben und Strom zuführen, in wenigstens drei Abschnitte unterteilt, so daß sie zwei äußere Elektrodenabschnitte und wenigstens einen inneren Elektrodenabschnitt umfassen, die in den entsprechenden Bereichen der Stahlplatte die erwähnten Kräfte aufbringen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Bildung von Spalten verhindert durch Variierung der Form der anliegenden Flächen der Stahlplatte über deren Breite. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Vorsprünge, die einander gegenüberliegen, in den äußeren Bereichen der anliegenden Flächen der Stahlplatten vorgesehen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Spalten beim Stumpfschweißen verhindert durch Erhöhung der Stromdichte in den äußeren Bereichen der Stahlplatten, verglichen mit der Stromdichte im mittleren Bereich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Stromdichte erhöht durch Verwendung getrennter Elektroden in den äußeren und inneren Bereichen der Stahlplatten. Die äußeren Elektroden werden mit einer höheren Stromdichte beschickt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden Spalten während des Stumpfschweißens verhindert durch Festhalten der äußeren Bereiche durch Ausübung eines quergerichteten Druckes.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die zu verschweißenden äußeren Bereiche der Stahlplatten in der Nähe der einander berührenden Flächen erhitzt.

Ferner kann die Bildung von Spalten beim Stumpfschweißen verhindert werden durch Verringerung der Dicke der äußeren Bereiche der Stahlplatten in bezug auf die Dicke im Mittelbereich. Durch örtliche Verringerung der Dicke erhöht sich die Stromdichte, so daß eine ausreichende Erwärmung stattfindet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1a und 1b sind Draufsicht und Seitenansicht auf Platten und Elektroden zur Veranschaulichung des Stumpfschweißens;

Fig. 2 und 3 sind schematische Darstellungen zur Erläuterung der Schwierigkeiten beim herkömmlichen Stumpfschweißen;

Fig. 4a und 4b veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6a bis 6e zeigen verschiedene Formen von Vorsprüngen im Zusammenhang mit der Aus­ führungsform gem. Fig. 5;

Fig. 7a veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7b ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Stromdichte und der Elektroden-Verschiebung in Abhängigkeit von der Zeit bei der Ausführungsform gem. Fig. 7a;

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9a und 9b zeigen unterschiedliche Beispiele einer Halteeinrichtung gem. Fig. 8;

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Haltekraft und der Schweißzeit bei der Ausführungsform gem. Fig. 10;

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die äußeren Bereiche der Stahlplatten nicht angrenzend an die Schweißnaht gehalten werden;

Fig. 13 ist eine Ausführungsform, die sich von derjenigen gem. Fig. 12 dadurch unterscheidet, daß die Haltekraft während des Schweißvorganges konstant bleibt;

Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform, bei der die äußeren Bereiche der Platten beheizt werden;

Fig. 15a und 15b sind Draufsicht und Seitenansicht eines Beispiels einer Heizeinrichtung zur Verwendung im Zusammenhang mit der Ausführungsform gem. Fig. 14;

Fig. 16a und 16b sind Draufsicht und Seitenansicht einer anderen Heizeinrichtung;

Fig. 17 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Dicke im äußeren Bereich der Platten verringert ist;

Fig. 18a bis 18e sind Seitenansichten verschiedener Beispiele der Querschnittsform der Randbereiche mit verringerter Dicke gem. Fig. 17.

Fig. 4a und 4b zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stumpfschweißverfahrens. Bei dieser Ausführungsform wird anstelle einer herkömmlichen einstückigen Elektrode jede Stahlplatte 2 gegen die andere Stahlplatte mit Hilfe einer Elektrode gepreßt, die wenigstens drei Abschnitte aufweist. Der Druck, der über die Abschnitte in den seitlichen äußeren Bereichen der Stahlplatten ausgeübt wird, ist höher als der Druck im Mittelbereich.

Wie Fig. 4a und 4b zeigen, werden die Stahlplatten 2, die zu verschweißen sind, durch Elektroden gehalten, die einen inneren Elektrodenabschnitt 5 und zwei Elektrodenabschnitte 6 umfassen. Alle Elektrodenabschnitte üben auf die Stahlplatten Druck aus und übertragen Strom auf diese. Die inneren Elektrodenabschnitte 5 üben einen geringeren Druck als die äußeren Elektrodenabschnitte 6 aus. Wie Fig. 4a zeigt, kann ein innerer Elektrodenabschnitt 5 ausreichen. Andererseits können gem. Fig. 4b mehrere innere Elektrodenabschnitte 5 parallel zueinander angeordnet sein.

Durch Ausübung eines höheren Druckes mit Hilfe der äußeren Elektrodenabschnitte 6, verglichen mit dem Druck der inneren Elektrodenabschnitte 5, kann verhindert werden, daß die äußeren Bereiche der Stahlplatten 2 einer Rotations-Verformung unterliegen. Spalten in den äußeren Bereichen der gegeneinander anliegenden Flächen werden daher ausgeschaltet.

Wenn die Breite W₁ der äußeren Elektrodenabschnitte 6 in bezug auf die Breite W₀ der inneren Elektrodenabschnitte 5 verringert wird, oder wenn die Enden der äußeren Elektrodenabschnitte 6 in Richtung des gegenüberliegenden, entsprechenden Elektrodenabschnitts verlängert werden, wie Fig. 4a zeigt, können Spalten bereits durch einen geringfügig höheren Druck verhindert werden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform zur Veranschaulichung des Stumpfschweißverfahrens, bei dem zwei zu verschweißende Stahlplatten 2 Vorsprünge 4 in den äußeren Endbereichen ihrer gegeneinander anliegenden Flächen aufweisen. Die Stahlplatten 2 liegen zwischen zwei herkömmlichen, einstückigen Elektroden 1, und die Vorsprünge 4 liegen gegeneinander an. Während des Beginns des Schweißvorganges ist die Stromdichte in den Vorsprüngen 4 höher als im Mittelbereich der Stahlplatten 2, so daß eine unzureichende Erwärmung der äußeren Bereiche der Stahlplatten 2 verhindert werden kann. Selbst wenn die Stromdichte so eingestellt wird, daß die Bereiche der Stahlplatten 2 unmittelbar innerhalb der Vorsprünge 4 nicht überhitzt werden, ist die Stromdichte in den Vorsprüngen 4 so hoch, daß die äußeren Bereiche angemessen erwärmt werden und eine gute Verbindung zwischen den Vorsprüngen erzielt wird.

Als Ergebnis verschiedener Untersuchungen und Experimente haben die Erfinder festgestellt, daß die Mindestgröße der Spalten, die sich zwischen den äußeren Bereichen der Stahlplatten beim Schweißen entwickeln, 0,01 mm beträgt. Die Gesamtlänge D der Vorsprünge 4 (also die doppelte Länge jedes einzelnen Vorsprungs 4) sollte daher wenigstens 0,01 mm betragen.

Es gibt keine absolute Obergrenze für die Gesamtlänge D, jedoch sollte im Hinblick auf eine mögliche Verwölbung der Vorsprünge 4 und das Erscheinungsbild der Schweißraupe, deren Ausbreitung beeinflußt wird, da die Stauchung der Vorsprünge 4 mit der Länge zunimmt, eine maximale Länge von 0,5 bis 1,0 mm bevorzugt werden.

Die Erfinder haben weiterhin festgestellt, daß die minimale Breite bzw. Tiefe der Spalten, die sich in den seitlich äußeren Bereichen von dünnen Stahlplatten beim Schweißen bilden, 1 mm beträgt. Es ist daher wünschenswert, daß die Breite l der Vorsprünge 4 wenigstens 1 mm beträgt.

Andererseits entwickeln sich bei einer Breite l der Vorsprünge über 50 mm Spalten zwischen den Vorsprüngen 4, wie es beim herkömmlichen Stumpfschweißen der Fall ist.

Daher liegt die Breite l der Vorsprünge 4 vorzugsweise zwischen 1 und 50 mm.

Es bestehen keine Beschränkungen hinsichtlich der Form der Vorsprünge. Fig. 6a bis 6d zeigen einige Beispiele der verwendbaren Formen. Die gestrichelte Linie in Fig. 6c deutet eine andere Form an, die ebenfalls eingesetzt werden kann. Wie Fig. 5 zeigt, können die Vorsprünge an beiden Platten 2 vorgesehen werden, jedoch können sie auch nur an einer Stahlplatte ausgebildet sein, wie Fig. 6e veranschaulicht.

Fig. 7a veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird die Stromdichte in den äußeren Bereichen der Stahlplatten am Anfang des Schweißvorgangs der Stromdichte im Mittelbereich der Stahlplatten 2 gleichgesetzt. Nach einer vorgegebenen Zeit wird die Stromdichte in den äußeren Bereichen gegenüber derjenigen in der Mitte erhöht. Auf diese Weise wird eine unzureichende Verbindung aufgrund von ungleichmäßiger Erwärmung verhindert. Gemäß Fig. 7a sind zwei Paare äußerer Elektroden 6 so angeordnet, daß sie Druck auf die äußeren Bereiche der Stahlplatten 2 ausüben. Ein Paar innerer Elektroden 5 befindet sich zwischen den äußeren Elektroden 6. Die äußeren Elektroden 6 werden mit einer ersten Stromquelle 7 verbunden, und die inneren Elektroden 5 stehen mit einer zweiten Stromquelle 8 in Verbindung.

Fig. 7b veranschaulicht die Stromdichte der inneren und äußeren Elektroden als Funktion der Zeit. Bei Beginn des Schweißvorgangs wird die Stromzufuhr in beiden Fällen so gesteuert, daß die Stromdichte in den inneren und äußeren Elektroden 5, 6 denselben Wert I₀ aufweist. Diese anfängliche Stromdichte wird so eingestellt, daß eine Überhitzung vermieden wird. Nach einer Zeit t₁, zu der die äußeren Bereiche in Berührung kommen, wird die Stromdichte der äußeren Elektroden 6 auf einen höheren Wert I₁ umgeschaltet, während die Stromdichte der inneren Elektroden 5 bei I₀ verbleibt. Die Zeit t₁ kann auf der Grundlage der Länge der Schweißzeit oder der Verschiebung der Elektroden bestimmt werden. Die gegenüberliegenden Elektroden bewegen sich geringfügig aufeinander zu, während der Schweißvorgang abläuft.

Diese Ausführungsform beruht auf dem Effekt, daß die Stromdichte so gesteuert werden kann, daß eine ungleichmäßige Erhitzung der seitlich äußeren Bereiche der Stahlplatten und eine Überhitzung der weiter innen liegenden Bereiche verhindert werden kann.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei Stahlplatten mit einer herkömmlichen, einstückigen Elektrode 1 zusammengedrückt werden. Gleichzeitig werden die seitlichen äußeren Bereiche der Stahlplatten 2 in Querrichtung durch zwei Halteeinrichtungen 9 gehalten. Die Halteeinrichtungen 9 verhindern eine Ausdehnung der seitlichen äußeren Bereiche der Stahlplatten und damit eine Bildung der Spalten.

Fig. 9a und 9b veranschaulichen schematisch zwei Beispiele der Halteeinrichtungen 9 gemäß Fig. 8. Die Halteeinrichtungen 9 umfassen einen hochfesten Rahmen 14 aus Stahl oder dergleichen und einen Kontaktbereich 12, der die Kanten der Stahlplatten 2 berührt. Damit nicht der durch die Stahlplatten 2 fließende Strom gestört wird, bestehen die Kontaktbereiche 12 aus hochfesten, hitzebeständigen Isolatoren, wie etwa Keramik. In Fig. 9a ist ein Schmiermittel 16 auf die Oberfläche des Kontaktbereichs 12 aufgebracht worden. Fig. 9b zeigt anstelle der Verwendung eines Schmiermittels 16 einen Kontaktbereich 12 mit einer Anzahl von Rollen.

Vorzugsweise sollten die Halteeinrichtungen 9 die Stahlplatten 2 von den Seiten her in Querrichtung zusammendrücken, nicht jedoch einspannen. Bei Halteeinrichtungen, die die Platten lediglich zusammendrücken, ist es einfacher, Stahlplatten mit unterschiedlichen Breiten zu verschweißen. Im übrigen wird die Arbeitsgenauigkeit und die Anordnung der Elektroden nicht durch Unregelmäßigkeiten in der Breite der Platten beeinflußt.

Wenn die Anordnung gemäß Fig. 8 verwendet wird und die seitlichen Haltekräfte zu groß sind, verwölben sich die Stahlplatten 2 beim Schweißvorgang in Querrichtung. Wenn die Haltekräfte zu klein sind, kann eine seitliche Verformung nicht ausgeschlossen werden, so daß die Stahlplatten unzureichend verbunden werden. Die Haltebedingungen müssen daher an die Eigenschaften der Stahlplatten und die Schweißbedingungen angepaßt werden. Zur Erzielung einer stabilen Verbindung der Platten ist im übrigen eine relativ große Stauchung notwendig.

Spalten zwischen den seitlichen Endbereichen der Stahlplatten werden aufgrund thermischer Ausdehnung während des ersten Drittels des Schweißvorgangs erzeugt. Wenn daher die Spaltenbildung während dieses Drittels in geeigneter Weise verhindert wird, kann eine ungleichmäßige Erwärmung und eine unzureichende Verbindung der Stahlplatten ausgeschlossen werden.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Stahlplatten 2 mit Hilfe herkömmlicher, einstückiger Elektroden 1 zusammengedrückt werden. Die äußeren seitlichen Ränder der Stahlplatten 2 werden durch geeignete Haltemechanismen 22 gehalten, durch die eine variable Haltekraft in Querrichtung aufgebracht wird. Die Größe der Haltekraft wird durch eine Steuerung 20 gesteuert. Zu Beginn des Schweißvorgangs werden die Haltemechanismen 22 so eingestellt, daß die Bildung von Spalten in den Stahlplatten 2 ausgeschlossen wird. Beim Fortschreiten des Schweißprozesses werden die Haltekräfte verringert oder sogar ganz aufgehoben, so daß eine Aufwölbung der Stahlplatten in Querrichtung verhindert wird. Der Schweißvorgang wird mit Hilfe von Druck und Strom fortgesetzt, während die Haltekräfte aufgehoben sind. Fig. 11 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Haltekraft, der Verschiebung der Elektroden 1 und der Schweißzeit. Die Zeit, zu der die Haltekraft aufgehoben werden sollte, kann anhand der seit Beginn des Schweißvorgangs abgelaufenen Zeit, der Lastspannung, der Verschiebung der Elektroden 1 oder anderer Parameter bestimmt werden. Im Sinne einer stabilen Steuerung ist es vorteilhaft, die Zeit für die Aufhebung der Haltekraft auf der Basis der Elektroden-Verschiebung zu bestimmen.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform, die eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 10 darstellt. Ein einstellbarer Haltemechanismus 22 übt angrenzend an die Seiten der Stahlplatten beiderseits der gegeneinander anliegenden Flächen keine Haltekräfte aus. Wenn die Seiten angrenzend an die zusammentreffenden Flächen freigelassen werden, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, kann eine vollständige Verbindung auch mit relativ geringer Stauchung erreicht werden. Dies beruht darauf, daß die nicht gehaltenen Endbereiche die Möglichkeit bieten, daß Oxide, die während des Schweißens entstehen, aus der Verbindung entweichen. Dadurch kann eine Verfeinerung der Metall-Textur der Verbindungsstelle mit relativ geringer Stauchung erreicht werden.

Wie zuvor erwähnt wurde, kann bei einer vollständigen Abstützung der Platten während des Schweißvorgangs eine Verformung der zusammentreffenden Bereiche durch Stauchung verhindert werden. Zur Erzielung eines Riß-Anteils von 0% bei einem 180°-Biegetest ist es notwendig, eine relativ große Stauchung durchzuführen.

Wenn andererseits die Stauchung zu groß ist, besteht die Gefahr, daß sich die Stahlplatten verwölben. Die optimale Stauchung muß daher mit den Haltebedingungen abgestimmt werden.

Fig. 13 veranschaulicht eine Ausführungsform, die sich von derjenigen gemäß Fig. 12 dadurch unterscheidet, daß die Haltekraft, die auf die Seiten der Stahlplatten 2 ausgeübt wird, während des Schweißvorgangs konstant ist.

Gemäß Fig. 14 werden die seitlichen Ränder der Stahlplatten 2 zur Vermeidung einer unzureichenden Erwärmung angrenzend an die Schweißverbindung während des Schweißvorgangs beheizt. Die beiden Stahlplatten 2 werden mit Hilfe von herkömmlichen, einstückigen Elektroden 1 zusammengeführt. Zwei schmale, schraffiert dargestellte Bereiche auf gegen­ überliegenden Seiten der Stahlplatten 2 werden während des Schweißvorgangs erwärmt, so daß die Rotations-Ver­ formung der äußeren Bereiche und die Bildung von Spalten zwischen den Platten 2 unterbleiben. Die Erwärmung führt dazu, daß die äußeren Ränder sich ausdehnen, so daß die Entstehung von berührungsfreien Bereichen verhindert wird. Jeder erwärmte Bereich hat eine Länge L und eine Breite W.

Es ist besonders wirksam, die beiden Bereiche zu erwärmen, wenn die Verformung der äußeren Enden der beiden Stahlplatten während des Schweißvorgangs unmittelbar bevorsteht. Die Heiztemperatur hängt von den Abmessungen und insbesondere der Länge L der erhitzten Bereiche ab. Wenn es wesentlich ist, eine Erweichung der erwärmten Bereiche im Hinblick auf die spätere Verwendung der Stahl­ platten 2 zu verhindern, sollte die Heiztemperatur so niedrig wie möglich gehalten werden. Wenn die Heiztemperatur gesenkt wird, sollte die Länge L des beheizten Bereichs erhöht werden. Zum Heizen kann jede geeignete Einrichtung verwendet werden. Fig. 15a und 15b zeigen in Draufsicht und Seitenansicht die Stahlplatten im Verbindungsbereich und eine Hochfrequenz-Heizspule 20 als Heizeinrichtung. Alternativ kann gemäß Fig. 16a und 16b eine Laser-Heiz­ einrichtung 22 verwendet werden. Andere Beispiele von Heiz­ einrichtungen sind Gasbrenner, starke Lichtquellen, wie eine Halogenlampe in Verbindung mit einer Sammellinse etc.

Die Wirkung der Beheizung ist besonders günstig, wenn sie während des Schweißvorgangs rasch erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, die Bildung von unzureichend verbundenen Flächen durch Erwärmung vor oder nach dem Schweißen zu verhindern.

Fig. 17 zeigt eine Ausführungsform, bei der die äußeren Bereiche der zusammentreffenden Flächen der Stahlplatten 2 eine geringere Dicke aufweisen. Durch Reduzierung der Dicke der äußeren Bereiche wird die Stromdichte in bezug auf die übrigen Bereiche erhöht, so daß eine unzureichende Erwärmung vermieden werden kann und eine gute Verbindung entsteht. Zugleich kann die Stromdichte in den übrigen Bereichen in einer Höhe gehalten werden, bei der die innerhalb der in der Dicke verringerten Bereiche nicht überhitzt werden.

Als Ergebnis von Untersuchungen haben die Erfinder festgestellt, daß bei einer Gesamtlänge D′ der in der Dicke reduzierten Bereiche von weniger als 0,5 mm diese Bereiche unzureichend erwärmt werden. Die Gesamtlänge D′ beträgt vorzugsweise wenigstens 0,5 mm. Eine obere Grenze gibt es nicht, jedoch bei einer zu großen Länge verbleibt ein Teil der reduzierten Dicke auf der Oberfläche der Platten nach dem Stauchen, so daß die Gesamtlänge D′ vorzugsweise geringer als die Verschiebung der Elektroden 1 während des Schweißens sein sollte. Im allgemeinen beträgt die Elektrodenverschiebung höchstens das Fünffache der Plattendicke, so daß die Länge D′ vorzugsweise höchstens die fünffache Plattenstärke ausmacht.

Die Länge l′ der in der Dicke reduzierten Bereiche sollte danach gemessen werden, daß die minimale Tiefe der Spalten an den äußeren Rändern 1 mm beträgt. Die Länge l′ sollte daher ebenfalls wenigstens 1 mm betragen. Es hat sich gezeigt, daß die maximale Tiefe der Spalten 1/4 der Breite der Platten beträgt, so daß der maximale Wert der Länge l′ ebenfalls vorzugsweise 1/4 der Plattenbreite W der Platten 2 ausmacht.

Für die Querschnittsform der dickenreduzierten Bereiche bestehen keine Beschränkungen. Fig. 18a bis 18i zeigen verschiedene Beispiele der verwendbaren Formen in der Stirnansicht bzw. dem Querschnitt. Die Dickenreduzierung kann durch spanabhebende Bearbeitung, durch Walzen oder dergleichen hergestellt werden. Die Stärkenreduzierung kann an beiden Platten 2 vorgenommen werden, wie Fig. 17 zeigt, kann jedoch auch nur an einer Platte vorgesehen werden.

Im folgenden werden weitere Einzelheiten der Erfindung anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Stahlplatten mit der Zusammensetzung, den physikalischen Eigenschaften und den Dimensionen gemäß Tabelle 1 wurden nach dem in Fig. 4a und 4b veranschaulichten Verfahren stumpfgeschweißt. Die Schweißbedingungen sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Der durch die inneren Elektroden aufgebrachte Druck betrug 80 N/mm². Die Eigenschaften der geschweißten Platten sind in Tabelle 3 gezeigt.

Anhand der in Tabelle 3 wiedergegebenen Ergebnisse läßt sich folgendes feststellen:

• (1) der Rißanteil nach dem 180°-Biegetest bei einem herkömmlichen Beispiel (Nr. 1) unter Verwendung einer einstückigen Elektrode betrug 10%.
• (2) Eine Vergrößerung der Breite der äußeren Elektrodenabschnitte (W₁) reduziert deren Wirksamkeit (Nr. 4 und 5).
• (3) Die Wirkung der äußeren Elektrodenabschnitte wird überzeugend, wenn der durch diese Abschnitte aufgebrachte Druck wenigstens das 1,5fache des Drucks der inneren Elektrode beträgt (Nr. 2, 3 und 6 bis 8).
• (4) Eine Unterteilung der Elektroden in fünf Abschnitte führt zu derselben Wirkung wie die Unterteilung in drei Abschnitte (Nr. 10).
• (5) Wenn die äußeren Elektrodenabschnitte weit über die inneren Elektrodenabschnitte hinausragen, bringt derselbe Druck eine größere Wirkung (Nr. 6 und 9).
• (6) Daraus ergibt sich, daß der durch die äußeren Elektrodenabschnitte aufgebrachte Druck um so mehr steigt, je mehr ihre Breite abnimmt. Je mehr die äußeren Elektroden über die inneren Elektroden hinausragen, desto größer wird die Wirkung der äußeren Elektroden. Wenn dagegen der Druck und das Überragen der äußeren Elektrodenabschnitte erhöht und deren Breite verringert wird, steigt die Wahrscheinlichkeit, daß die Elektroden gleiten und die Platten verwölbt werden. Die Schweißbedingungen müssen daher so gewählt werden, daß diese Probleme ausgeschlossen bleiben.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wurde das in Fig. 5 gezeigte Verfahren angewendet. Die Schweißplatten und die Schweißbedingungen stimmten mit denjenigen gemäß Beispiel 1 überein. Der durch die Elektroden aufgebrachte Druck betrug 80 N/mm².

Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefaßt.

Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, wiesen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verschweißten Platten einen wesentlich geringeren Rißanteil beim 180°-Biegetest auf, als die in herkömmlicher Weise verschweißten Platten.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wird das Schweißverfahren gemäß Fig. 7a und 7b angewendet. Das Testmaterial und die Schweißbedingungen stimmten mit Beispiel 1 überein.

Die Testergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt.

Wie aus Tabelle 5 hervorgeht, ergibt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein wesentlich geringerer Rißanteil als bei dem herkömmlichen Verfahren.

Beispiel 4

In diesem Falle wurde das in Fig. 8, 9a und 9b dargestellte Verfahren angewendet. Die Teststücke und die Schweißbedingungen stimmten mit Beispiel 1 überein. Der Druck der Elektroden betrug 80 N/mm².

Die Testergebnisse sind Tabelle 6 zu entnehmen.

Aus Tabelle 6 läßt sich folgendes herleiten:

• (1) Der Rißanteil in der Schweißnaht nach dem 180°-Biegetest betrug bei einem herkömmlichen Beispiel (Nr. 1), das nicht eingespannt oder gehalten wurde, 10%.
• (2) Wenn die Breite, die durch die Halteeinrichtung erfaßt wird, auf 1/3 des ursprünglichen Elektrodenabstands eingestellt wird, nimmt der Rißanteil ab, wenn der Haltedruck erhöht wird (Nr. 2 bis 5, 10 bis 13). Oberhalb eines bestimmten Punktes jedoch ergeben Druckerhöhungen keine weitere Verbesserung (Nr. 4, 5, 13, 14).
• (3) Wenn der durch die Halteeinrichtung aufgebrachte Druck konstant gehalten wird und die Breite der druckbeaufschlagten Fläche zunimmt, nimmt der Rißanteil mit zunehmender Einwirkungsbreite ab (Nr. 6 bis 9, 15 bis 17). Oberhalb eines bestimmten Wertes ergeben sich keine weiteren Verbesserungen (Nr. 8, 9, 16, 17).
• (4) Daraus ist zu entnehmen, daß die Einwirkungsbreite (2J₀) der Halteeinrichtung 9 vorzugsweise wenigstens 1/3 des Elektrodenabstandes (2l₀) beträgt. Wenn der Haltedruck innerhalb der Grenzen, bei denen eine Auswölbung vermieden wird, erhöht wird, wird der Rißanteil wesentlich verringert.

Beispiel 5

Bei diesem Beispiel wurde das in Fig. 10 bis 12 dargestellte Verfahren angewendet. Die untersuchten Materialien und die Schweißbedingungen stimmten mit Beispiel 1 überein. Der durch die Elektroden aufgebrachte Druck betrug 80 N/mm². Die Stromdichte betrug 150 A/mm², und der ursprüngliche Elektrodenabstand (2l₀) betrug 25 mm.

Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 7 wiedergegeben.

Aus diesen Versuchsergebnissen läßt sich folgendes schließen:

• (1) Wenn die Haltekraft am Anfang zu hoch ist, führt dies zu einem Aufwölben der Platten in Querrichtung (Nr. 1 und 8).
• (2) Selbst wenn die anfängliche Haltekraft hoch ist, jedoch während des Schweißens nachläßt, ergibt sich keine Aufwölbung in Querrichtung, und es entsteht eine vollständige Verbindung (Nr. 2 bis 7).

Wenn jedoch der Zeitpunkt, zu dem die Haltekraft nachläßt, zu spät liegt, oder, wenn die Elektrodenverschiebung beim Nachlassen der Haltekraft zu groß ist, ergibt sich eine Verwölbung in Querrichtung (Nr. 10). Wenn andererseits die Haltekraft zu früh zurückgenommen wird oder die Elektrodenverschiebung zu diesem Zeitpunkt noch zu gering ist, kann eine vollständige Verbindung nicht erzielt werden (Nr. 9).

Als Ergebnis wurde gefunden, daß der Wert α (Elektrodenverschiebung beim Nachlassen der Haltekraft/Gesamtstauchung) etwa bei 0,1 bis 0,5 liegen sollte, damit die Ziele der Erfindung erreicht werden.

• (3) Wenn der geschweißte Bereich und dessen Nachbarschaft nicht von Beginn des Schweißvorgangs an abgestützt wird, kann eine vollständige Verbindung mit relativ geringer Stauchung erzielt werden (Nr. 6 und 7).

In diesem Fall ist die anfängliche Haltekraft jedoch vorzugsweise größer als in dem oben erwähnten Fall (2).

Beispiel 6

In diesem Fall wurde Beispiel 5 wiederholt mit der Ausnahme, daß die Haltekraft-Steuerung nicht verwendet wurde. Die Haltekraft blieb konstant während des gesamten Schweißvorgangs.

Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 8 wiedergegeben.

Aus den Versuchsergebnissen geht hervor, daß, wenn die äußeren Seiten abgestützt werden mit Ausnahme der Bereiche angrenzend an die Schweißnaht, ein Rißanteil von 0% erzielt werden kann bei relativ geringer Stauchung (Nr. 3 bis 8).

Wenn jedoch die Länge 2l des nicht abgestützten Bereichs geringer als 3 mm oder wenigstens 16 mm ist, ergibt sich ein kleiner Rißanteil, obgleich die Stauchung gering ist (Nr. 2, 9 und 10).

Beispiel 7

Bei diesem Beispiel wurde das in Fig. 14 und 15a dargestellte Verfahren angewendet. Die Eigenschaften der elektrischen Hochfrequenz-Heizeinrichtung sind in Tabelle 9 gezeigt.

Die verwendeten Materialien und die Schweißbedingungen ergeben sich aus Beispiel 1.

Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 10 gezeigt.

Aus den aus Tabelle 10 hervorgehenden Ergebnissen läßt sich folgendes schließen:

• (1) Der Rißanteil betrug bei dem herkömmlichen Verfahren 10% (Nr. 1).
• (2) Bei einer großen Breite W der erhitzten Fläche ergibt sich ein geringerer Rißanteil (Nr. 2 und 3).
• (3) Die Länge L der beheizten Fläche sollte möglichst groß sein (Nr. 3 und 9).
• (4) Eine höhere Heiztemperatur ist vorteilhaft (Nr. 3 und 5 bis 7).
• (5) Eine Beheizung vor dem Schweißen ist ebenfalls wirksam; in diesem Falle sollte die Heiztemperatur möglichst hoch liegen (Nr. 10 und 11). Es ist jedoch wirksamer, während des Schweißens rasch aufzuheizen (Nr. 4 und 10, 6 und 11).
• (6) Wenn die Länge L der beheizten Fläche zunimmt, kann die Heiztemperatur relativ gering sein (Nr. 3 und 9).
• (7) Daraus ergibt sich, daß ein wesentlicher Effekt durch Beheizen der seitlichen Enden erreicht wird. Wie jedoch bereits erwähnt wurde, ist es besonders wirksam, wenn die Länge L der beheizten Fläche so groß wie möglich ist, und die Breite W ausreichend groß ist. Die Heiztemperatur hängt von den Dimensionen der beheizten Flächen ab. Eine höhere Temperatur führt jedoch zu einer größeren Wirkung.

Es ist jedoch notwendig, die maximale Heiztemperatur entsprechend der späteren Verwendung der Stahlplatten zu begrenzen. Eine Beheizung vor dem Schweißen ist wirksam, nicht jedoch so wirksam wie eine Beheizung während des Schweißens.

Beispiel 8

Bei diesem Beispiel wurde das in Fig. 17 veranschaulichte Verfahren angewendet. Die Versuchsstücke und die Schweißbedingungen entsprechen Beispiel 1. Die Form des Randes der Stahlplatten ist in Fig. 18a gezeigt. Der Schweißdruck betrug 80 N/mm².

Das Versuchsergebnis ist Tabelle 11 zu entnehmen.

Wie aus Tabelle 11 hervorgeht, war der Rißanteil wesentlich geringer als bei dem herkömmlichen Verfahren.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Tabelle 7

Tabelle 8

Tabelle 9

Tabelle 10

Tabelle 11

Claims (15)

1. Stumpfschweißverfahren, bei dem zwei Stahlplatten (2) aneinandergelegt und die sich berührenden Flächen mit Hilfe von gegenüberliegenden Elektroden (3) verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung von Spalten (2′) zwischen den seitlichen äußeren Bereichen der Stahlplatten durch Unterdrückung einer durch thermische Ausdehnung des inneren Plattenbereichs hervorgerufene Aufspreizung des Randbereiches der zusammentreffenden Plattenflächen verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2) durch Elektroden- Paare zusammengeführt werden, die in Querrichtung in zwei äußere Elektrodenabschnitte (6) zur Aufbringung einer Schubkraft auf die äußeren Bereiche der Platten und wenigstens einen inneren Elektrodenabschnitt (5) zwischen den äußeren Elektrodenabschnitten (6) unterteilt sind, und daß der durch die äußeren Elektrodenabschnitte aufgebrachte Druck höher als der durch den inneren Elektrodenabschnitt aufgebrachte Druck ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zwei äußere Elektrodenabschnitte (6) und einen inneren Elektrodenabschnitt (5) umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die äußeren Elektrodenabschnitte (6) aufgebrachte Druck wenigstens das 1,5fache des durch den inneren Elektrodenabschnitt (5) aufgebrachten Drucks beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlplatten in den seitlichen Bereichen wenigstens einen Vorsprung (4) aufweisen, der sich in Richtung des äußeren Bereichs der anderen Platte erstreckt und diesen berührt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Länge (D) der Vorsprünge (4) auf beiden Seiten wenigstens 0,01 mm und die Breite (l) 1 bis 50 mm beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte im Mittelbereich der Platten gleich der Stromdichte in den seitlichen äußeren Bereichen ist, und daß die Stromdichte nach einer vorgegebenen Zeit in den äußeren Bereichen erhöht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten der Platten im Bereich der zusammenstoßenden Flächen während des Schweißvorganges in Querrichtung abgestützt oder druckbeaufschlagt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (2J₀) des abgestützten oder druckbeaufschlagten Bereichs wenigstens 1/3 des ursprünglichen Abstandes (2l₀) der Elektroden (1) beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft zurückgenommen wird, während der Schweißvorgang fortschreitet und unter Aufbringung von Druck und Strom nach Aufhebung der Haltekraft fortgesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Schweißen abgestützten oder druckbeaufschlagten Bereiche außerhalb der unmittelbar an die Schweißnaht angrenzenden Bereiche liegen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Ränder der Platten (2) während des Schweißvorgangs erwärmt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mit Hilfe einer elektrischen Hochfrequenz-Heizung erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mit Hilfe eines Lasers erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der seitlichen äußeren Bereiche der Platten geringer als die Dicke der Platten in anderen Bereichen ist, daß die Länge (D′) der dickenreduzierten Bereiche auf beiden Seiten der Platten wenigstens 0,5 mm beträgt und daß die Breite der dickenreduzierten Bereiche zwischen 1 mm und ¼ der Breite der Platten beträgt.