DE3924162A1 - Verfahren zum abbrennstumpfschweissen von hochgekohlten werkstoffen, insbesondere gusseisen mit kugelgraphit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbrennstumpfschweißen von hochgekohlten Werkstoffen, insbesondere Gußeisen mit Kugelgraphit, wobei

• - die stromdurchflossenen Kontaktflächen der Fügeteile unter intermittierendem Berühren durch Bildung von Schmorkontakten erwärmt werden,
• - eine Zone mit schmelzflüssigen Werkstoffbereichen erzeugt wird, an die sich eine plastifizierte Werkstoffzone an­ schließt und
• - bei einem nachfolgenden schlagartig auf die Fügeteile aufgebrachten definierten Stauchdruck diese miteinander verschweißt werden, wobei die schmelzflüssigen Werk­ stoffbereiche aus den Kontaktflächenbereichen in eine Schweißwulst gepreßt werden.

Beim Abbrennstumpfschweißen nach DIN 1910, werden Strom und Kraft von Spannbacken auf die Fügeteile übertragen. Die stromdurchflossenen Fügeteile werden unter leichtem Berüh­ ren durch Bildung von Schmorkontakten erwärmt, wobei schmelzflüssiger Werkstoff durch Metalldampfdruck aus dem Stirnflächenbereich herausgeschleudert wird. Nach ausrei­ chendem Erwärmen werden die Werkstücke durch schlagartiges Stauchen geschweißt.

Die Schweißbarkeit von hochkohlenstoffhaltigen Werkstof­ fen, in den Kohlenstoffbereichen zwischen 2,0 bis 3,9 Gew.-% ist, obschon seit längerem bekannt, nach wie vor problematisch. Der Grund dafür liegt im Härtungsverhalten dieser Werkstoffe und der damit verbundenen Neigung zur Bildung ledeburitischer und/oder martensitischer Här­ tungsgefüge, die die Konstruktionsschweißbarkeit dieser Werkstoffgruppen stark einschränken.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das ein­ gangs beschriebene Verfahren so zu verbessern, daß eine fehlerfreie Schweißverbindung insbesondere für dickwandige und hochgekohlte Werkstücke reproduzierbar erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den abhängi­ gen Ansprüchen hervor.

Insbesondere bei dickwandigen Werkstücken d. h. bei Wand­ stärken über 12 mm kann ein einwandfreies Schweißgefüge nicht gewährleistet werden, da beim Stauchvorgang aus der Stoßstelle nicht der gesamte Anteil an schmelzflüssigen Bereichen heraustritt. Wenn der ganze Krater innerhalb der Wandstärke liegt, werden beim Stauchen die Austrittswege geschlossen. Deshalb ist bei dickwandigen Werkstücken re­ gelmäßig mit ledeburitischen, linsenförmigen Einschlüssen in der Schweißzone zu rechnen.

Dies ergibt sich aus dem Ablaufmechanismus des Schweiß­ vorganges in folgender Weise:

Die unter Spannung stehenden Fügeteile werden mit einer be­ stimmten Kontaktkraft gegeneinander gefahren und wieder auseinander gezogen. Wenn die Fügeteile unter Spannung ste­ hen wird der Strom durch die Fügeteile selbst zu- bzw. ab­ geschaltet, dabei tritt an den Kontaktstellen eine hohe Er­ wärmung auf. Dieses Vorwärmspiel wird mehrere Male wieder­ holt bis die Stoßenden so warm geworden sind, daß die zu­ geführte Energie ausreicht, um den sich hieran anschlies­ senden Abbrennprozeß einzuleiten.

An den Berührungsstellen der erwärmten Kontaktstellen kommt es zu sogenannten "Schmorkontakten". In diesen Kontaktbe­ reichen wird partiell eine sehr hohe Energiedichte in den Werkstoff eingebracht, so daß ein schnelles Schmelzen des Metalles erfolgt. Das geschmolzene Metall verteilt sich je­ doch nicht homogen über die gesamte Kontaktfläche, sondern es sammelt sich in sogenannten Schmorkratern. Je tiefer und größer diese Schmorkrater sind, umso schwieriger wird es, im anschließenden Stauchvorgang diese flüssigen Metallbe­ reiche in die Schweißwulst zu pressen. Zwar wird ein Teil dieses flüssigen Metalles aus den Schmorkratern infolge des hohen Metalldampfdruckes aus dem Schweißspalt geschleu­ dert, es bleibt jedoch ein beträchtlicher Anteil an ge­ schmolzenem Metall in den tiefsten Punkten der Schmorkrater zurück, die durch den Stauchdruck nicht mehr aus der Schweißzone hinausbefördert werden können.

Dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Er­ kenntnis zu Grunde, daß die bei der Verbindung von dick­ wandigen Werkstücken bisher festgestellten Nachteile ins­ besondere darauf zurückzuführen sind, daß der schmelzflüs­ sige Werkstoffbereich nicht aus dem Kontaktflächenbereich herausgeschleudert wird. Das heißt, es bleibt ein beträchtlicher Anteil an schmelzflüssigem Metall zurück, der durch den Stauchvorgang nicht in den Schweißwulst gepreßt werden kann. Ledeburit ist ein Härtungsgefüge und ist das Eutek­ tikum des metastabilen Fe-C-Systems und besteht im kalten Zustand, d.h. unter 723°C, dem Umwandlungspunkt des Auste­ nits in Perlit, aus einer feinen Mischung von Cementit und Perlit. Bleiben Ledeburitlinsen bzw. Einschlüsse in der Schweißzone zurück, so bilden sie Schwachstellen.

Es wird daher das Auffinden von Parametern angestrebt, die eine einwandfreie Verbindungszone, d. h., Schweißzone bei der Verwendung von hochgekohlten Werkstoffen, insbesondere Gußeisen mit Kugelgraphit gewährleisten.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 + 2 zeigen eine Draufsicht auf je eine Kontaktfläche.

Fig. 3 + 4 zeigen die entsprechenden Rauhigkeitsprofile.

Die in der Fig. 1 gezeigte Kontaktfläche weist Krater 1 auf, die unregelmäßig in der Kontaktfläche verteilt sind. Diese Krater sind kurz vor dem Stauchvorgang mit geschmol­ zenem Metall gefüllt, das als Folge der Schmorkontakte ent­ steht.

Da die Verteilung der Schmorkrater erkennbar unregelmäßig ausfällt, ist es verständlich, daß an die Oberfläche an­ schließend eine unregelmäßige plastifizierte Zone an­ grenzt.

Da der Stauchweg nicht länger sein kann als die Breite der plastifizierten Zone, kommt es beim Stauchvorgang zu einer sehr unregelmäßigen Kräfteverteilung.

Dann ergibt sich, daß in Bereichen mit weniger tief ausge­ bildeten Kratern der am Ende des Stauchvorgang bereits schon abgeschlossen ist, während im anschließenden Bereich 3 mit tiefer ausgebildeten Kratern der Stauchvorgang voll im Gange ist. Dadurch wird der Austritt des schmelzflüssi­ gen Werkstoffes wesentlich erschwert.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Kontakt­ fläche. Die Krater 2 sind relativ homogen entlang der ge­ samten Oberfläche verteilt. Die Tiefe der einzelnen Krater ist durch gesteuerte Energieeinbringung während der inter­ mittierenden Berührungsphase der Kontaktflächen so ausge­ bildet, daß sie innerhalb der schmalsten Breite der Stauchzone liegen. Das heißt, daß die plastifizierte Zone an­ schließend an die Kontaktfläche in etwa eine mehr oder weniger kontinuierlich verlaufende Schicht ist, deren Breite nicht wesentlich variiert.

Der Stauchdruck beim Stauchvorgang wirkt gleichmäßig auf die gesamte Kontaktfläche, weil der Stauchweg entlang der gesamten Kontaktfläche im wesentlichen gleich ist.

Durch diese homogene Verteilung von kleinen Kratern, ist es möglich, beim Stauchvorgang sämtliche schmelzflüssigen Werkstoffbereiche in die Schweißwulst zu pressen. Damit wird verhindert, daß Erstarrungsgefüge wie z.B. Ledeburit in der Schweißzone zurückbleiben.

Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen die unterschiedlichen Kraterausbildungen in den Fig. 1 und 2.

Claims (6)

1. Verfahren zum Abbrennstumpfschweißen von hochgekohlten Werkstoffen insbesondere Gußeisen mit Kugelgraphit, wo­ bei

• - die stromdurchflossenen Kontaktflächen der Fügeteile unter intermittierendem Berühren durch Bildung von Schmorkontakten erwärmt werden,
• - eine Zone mit schmelzflüssigen Werkstoffbereichen mit definierter Rauhtiefe erzeugt wird, an die sich eine plastifizierte Werkstoffzone anschließt und
• - bei einem nachfolgenden schlagartig auf die Fügeteile aufgebrachten definierten Stauchdruck diese miteinan­ der verschweißt werden, wobei die schmelzflüssigen Werkstoffbereiche aus den Kontaktflächenbereichen in eine Schweißwulst gepreßt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Rauhtiefe R _T der zu verbindenden Kontaktflächen unmittelbar vor dem Aufbringen des Stauchdruckes so eingestellt wird, daß sie innerhalb der schmalsten Breite der Stauchzone liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand, gebildet aus R _T -R _P , von der Kontaktober­ fläche nicht tiefer in den Werkstoff hineinragt als die schmalste Breite der Stauchzone beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die maximale Rauhtiefe R _T 170 µm beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die maximale Glättungstiefe R _P 60 µm be­ trägt.

5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für Fügeteile mit einer Wandstärke von 12 mm.