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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorbereitung von Metalloberflächen zum Schweißen, insbesondere
zu ihrer Reinigung.
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Das
Schmelzschweißen
wird in der gesamten Fertigungsindustrie in weitem Umfang zum Verbinden
von Metallteilen angewendet. Schmelzschweißprozesse wie beispielsweise
Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW),
Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen
(GTAW), und Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW) haben den Vorteil, dass
sie leicht automatisiert werden können und daher auf einer Fertigungsstraße eingesetzt
werden können.
Zu anderen Schweißverfahren,
die verwendet werden, gehört
das Laserschweißen.
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Manchmal
versagen Schweißverbindungen. Ein
Grund für
das Versagen ist Porosität.
Was typischerweise geschieht, ist, dass die hohe Temperatur in der
Nähe der
Verbindung, die durch den Schmelzschweißprozess hervorgerufen wird,
zu einer Verdampfung und Zersetzung von Verunreinigungen wie beispielsweise
an den zu verschweißenden
Oberflächen
vorhandenem Öl
führt,
wobei Wasserstoff als ein Zersetzungsprodukt gebildet wird. Wasserstoff hat
eine hohe Löslichkeit
in geschmolzenem Schweißmetall.
Daher, falls irgendwelcher Wasserstoff beispielsweise durch Zersetzung
von Öl
gebildet wird, wird er leicht durch das geschmolzene Schweißmetall
aufgelöst.
Mit dem anschließenden Temperaturabfall
des Schweißmetalls
nimmt auch die Löslichkeitsgrenze
des Wasserstoffs drastisch ab. Als Ergebnis treten Wasserstoffblasen
aus der Lösung
aus und bilden Poren in dem geschmolzenen Metall, während es
erstarrt. Eine sichtbar poröse Schweißung wird
daher gebildet. Eine solche Schweißung ist unannehmbar, da die
Poren strukturelle Fehler verursachen können.
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Einige
Metalle, insbesondere Aluminium, Magnesium und Titan und ihre Legierungen
sind mehr als andere von Porosität
betroffen. Insbesondere Aluminiumlegierungen werden wegen ihrer
Leichtigkeit zunehmend bei der Konstruktion benutzt. Ein Beispiel
der zunehmenden Verwendung von Aluminiumlegierungen ist in der Fertigung
von Autokarosserien.
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Das
Herausnehmen von Teilen von einer Produktionslinie, um sich zu reinigen,
ist keine annehmbare Lösung
des Problems der Reduzierung des Auftretens von Porosität beim Schweißen.
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Es
besteht daher ein Bedürfnis
nach verbesserten, zum Einsatz in einer Produktionslinie geeigneten
Verfahren der Schweißvorbereitung,
die in der Lage sind, das Auftreten von Porosität zu reduzieren, insbesondere
beim Schweißen
von Teilen aus Legierungen auf Basis von Aluminium, Magnesium und
Titan.
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Die
US-B-6 213 849 bezieht
sich auf ein Verfahren zum Vorbereiten des Schweißens von
Feldbereichen von Platten, die miteinander zu verschweißen sind.
Bei dem Verfahren werden Kohlendioxidkügelchen oder -Pellets gegen
die Schweißflächenbereiche
geblasen. Dieses Verfahren schließt den Schritt des Einleitens
massiver Kohlendioxidpellets in eine Strömung warmer Luft ein. Die Platten
werden dann gestrahlt. Nachdem die Platten durch zwei Strahlungsschritte
vorbereitet worden sind, werden sie nebeneinander positioniert und
miteinander verschweißt.
Die
JP-A-57028694 bezieht
sich auf das Sandstrahlen von zu verschweißenden Oberflächen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zum Reinigen von miteinander zu verschweißenden Metalloberflächen vorgesehen,
wobei die Oberflächen
aus Aluminium, einer Aluminiumbasislegierung, einer Magnesiumbasislegierung,
oder einer Titanbasislegierung bestehen, und wobei das Verfahren
umfasst die Schritte des Positionierens der Metalloberflächen mit
einem zur Schweißung
bereiten Schweißspalt
dazwischen, das Bewirken des In-Berührung-Kommens mindestens eines
Teilchen aus festem Kohlendioxid führenden Strahls mit den Oberflächen und
dessen Eintritt in den Schweißspalt, und
das Ermöglichen
des Sublimierens der Teilchen aus festem Kohlendioxid im Schweißspalt,
wobei der Teilchen aus festem Kohlendioxid führende Strahl durch Leiten
eines Stroms aus flüssigem
Kohlendioxid unter Druck durch eine Düse gebildet wird.
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Das
Verfahren nach der Erfindung hat mehrere Vorteile.
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Erstens
kann es effektiv Öl
und ähnliche
Verunreinigungen von den miteinander schmelzzuverschweißenden Oberflächen entfernen.
Zweitens hat Kohlendioxid selbst keinen schädlichen Einfluß auf die
Schweißung.
Drittens sublimiert irgendeine Ablagerung von festem Kohlendioxid
auf den Oberflächen oder
im Schweißspalt
sehr schnell und erfordert im Allgemeinen keine Verlangsamung der
Produktion. Andererseits können
herkömmliche
organische Lösungsmittel
restliche Spuren hinterlassen, die selbst als Vorläufer für Wasserstoff
im Schweißprozeß wirken.
Viertens ist es einfach, das Verfahren nach der Erfindung zu automatisieren
und es in einer Produktionslinie zu installieren. Fünftens,
und besonders wichtig, ist der Strahl von Kohlendioxidteilchen zum Reinigen
nicht nur äußerer Oberflächen wirksam,
die in einer Produktionslinie leicht zugänglich sind, sondern auch von
inneren Oberflächen.
Weitere Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung werden unten
beschrieben.
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Der
Teilchen aus festem Kohlendioxid führende Strahl wird gebildet,
indem eine Strömung
aus flüssigem
Kohlendioxid unter einem solchen Druck durch eine Düse hindurchgeführt wird,
dass im Ergebnis ein Gemisch aus gasförmigen Kohlendioxid und Teilchen
aus festem Kohlendioxid gebildet wird. Geeignete Drücke zur
Bildung des Gemischs sind auf dem Fachgebiet gut bekannt. Zum Beispiel
ist ein Druck im Bereich von 20 bis 50 bar typischerweise geeignet.
Als Ergebnis können
Austragsgeschwindigkeiten im Bereich von 25 bis 100 m/s erreicht
werden. Die Düse
ist vorzugsweise nahe an den gereinigten Oberflächen gelegen, zum Beispiel
nicht mehr als 100 mm davon weg. Wir haben Distanzen im Bereich
von 5 mm bis 50 mm benutzt. Die Düse hat vorzugsweise ein zugeordnetes
Ein-Aus-Ventil,
wobei das Ventil durch Betätigung
eines Auslösers
in seine Offenposition bewegt werden kann. Die Düse hat vorzugsweise einen Auslaß von kleinerem
Innendurchmesser als das Ausmaß des
Spalts, der durch die Schweißung
zu überbrücken ist.
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Die
Quelle von flüssigem
Kohlendioxid ist typischerweise ein wärmeisolierter Speicherbehälter, der
das flüssige
Kohlendioxid unter Druck enthält, oder
eine herkömmliche,
flüssiges
Kohlendioxid enthaltende Druckgasflasche. Vorzugsweise ist die Düse mit dem
Behälter über einen
flexiblen Schlauch verbunden.
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Die
Düse wird
vorzugsweise über
die gesamte Linie der herzustellenden Schweißung mindestens einmal geführt. In
Abhängigkeit
von der Länge
der Schweißung
kann dies typischerweise bis zu einer Minute benötigen.
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Das
Verfahren nach der Erfindung wird nunmehr beispielshalber mit Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Einrichtung zur Ausführung des
Verfahrens nach der Erfindung zeigt,
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2 eine
schematische Seitenansicht einer Produktionslinie nach der Erfindung
zeigt.
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Die
Zeichnungen sind nicht maßstäblich.
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Gemäß 1 der
Zeichnungen ist ein zylindrischer Behälter 2 mit flüssigem Kohlendioxid,
der an seinem Kopf ein manuell betätigbares Flaschenventil 3 und
ein manuell betätigbares
Druckregulierventil 4 aufweist, über einen flexiblen Schlauch 6,
typischerweise aus rostfreiem Stahl, mit einer Strahldüse 8 zur
Bildung eines Strahls aus Teilchen von festem Kohlendioxid mitführenden
Gas verbunden. Damit eine Strömung
des flüssigen
Kohlendioxids durch die Düse 8 erzeugt
werden kann, endigt der Schlauch in einem Ventil 10, das
durch Betätigung
eines Auslösers 12 oder
dergleichen betätigt
werden kann. Normalerweise befindet sich das Ventil 10 in seiner
Schließstellung,
aber ein Drücken
des Auslösers 12 bewirkt
das Öffnen
des Ventils 10. Gewünschtenfalls
kann das Ventil 10 ein Elektromagnetventil sein. Die Spitze
der Düse 8 ist
auf die Linie 14 einer zwischen zwei Werkstücken 16 und 18 aus dem
gleichen zu schweißenden
Metall (zum Beispiel einer Aluminiumbasislegierung) herzustellenden Schweißung gerichtet.
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Im
Betrieb wird das Laschenventil 3 geöffnet, und das Druckregulierventil 4 wird
auf den gewünschten
stromabwärtigen
Druck eingestellt. Die Düse 8 wird
mit der Hand gehalten, wobei ihre Spitze nahe der herzustellenden
Schweißlinie
ist und auf diese zeigt. Der Auslöser 12 ist manuell
betätigbar, um
das Ventil zu öffnen
und dadurch die Strömung von
flüssigem
Kohlendioxid durch die Düse 8 einzuleiten.
Der resultierende Druckabfall bewirkt, dass das flüssige Kohlendioxid
in einen Strahl aus Gas umgewandelt wird, der feste Teilchen aus
Kohlendioxid-"Schnee" mitführt. Der
Strahl geht von der Spitze der Düse 8 aus
und berührt
die miteinander zu verschweißenden
Werkstückoberflächen. Das
Moment des Strahls ist derart, dass er in den engen Schweißspalt zwischen
den Werkstücken 16 und 18 eingetragen
wird. Die Düse 8 wird
manuell entlang der gesamten Linie 14 der Schweißung einmal
oder zweimal bewegt. Feste Kohlendioxidteilchen werden auf den zu
schweißenden
Oberflächen
abgelagert. Nachdem sämtliches
abgelagertes Kohlendioxid sublimiert hat, kann die Schweißung durch
ein Schmelz- oder anderes Schweißverfahren hergestellt werden.
Experimente, die wir durchgeführt
haben mit absichtlichem Einbringen einer Ölverunreinigung auf die zu
verschweißenden
Oberflächen
haben gezeigt, dass das Verfahren nach der Erfindung besonders wirksam
zur Entfernung der Verunreinigung ist, wie durch die anschließende Bildung
guter Schweißungen
an den sauberen Werkstücken
nachgewiesen wurde.
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Es
wird vermutet, dass mindestens ein Teil der Reinigungswirkung des
Kohlendioxidstrahls aus dem Moment resultiert, mit welchem er in
den Schweißspalt
eintritt. Das Moment trägt
das Kohlendioxid in den gesamten anschließend vom Schweißmetall
einzunehmenden Raum ein und ermöglicht das
mechanische Lösen
von Ölteilchen
von den zu verschweißenden
Oberflächen
und deren Austragen mit dem Kohlendioxid. Feste Kohlendioxidteilchen haben
natürlich
eine Temperatur deutlich unterhalb Umgebungstemperatur, und es wird
weiter vermutet, dass die niedrige Temperatur zur Wirksamkeit des Verfahrens
nach der Erfindung beiträgt.
Des weiteren findet ein Sublimieren des Schnees in dem Schweißspalt mit
einer großen
Volumenzunahme statt, und diese Expansion kann ebenfalls zur Wirksamkeit
des Verfahrens nach der Erfindung beitragen. Die relative Bedeutung
der verschiedenen Faktoren, die in diesem Absatz erörtert werden,
ist noch nicht vollständig verstanden,
und die Erfindung ist nicht auf irgendeine theoretische Erklärung ihrer
Wirkungsweise beschränkt.
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Das
Verfahren nach der Erfindung wird durch das folgende Beispiel weiter
erläutert.
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Beispiel
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Es
wurden Experimente an zwei Paaren von Aluminiumteststücken durchgeführt, die
jeweils 300 mm lang, 50 mm breit, und 3 mm dick waren und jeweils
absichtlich mit Öl
verunreinigt wurden. Zwischen beiden Paaren von Teststücken wurde
eine geschweißte Überlappungsverbindung
hergestellt. Ein Paar wurde dem Reinigungsverfahren nach der Erfindung
unterzogen. Eine Düse
mit einem Durchmesser von 1,6 mm an ihrem Auslaß wurde gebildet, um den Kohlendioxidstrahl
anzuwenden. (Falls gewünscht,
kann stattdessen eine Düse
mit größerem Durchmesser
verwendet werden, zum Beispiel eine mit einem Durchmesser von 3,2
mm.) Die Spitze der Düse
wurde 5 mm entfernt von der Schweißlinie gehalten. Das Kohlendioxid
wurde mit einer Rate von 1 kg/min für bis zu einer Minute zugeführt. (Andere Sprühraten im
Bereich von 0,2 bis 2 kg/min könnten stattdessen
ver wendet werden.) Ein Kohlendioxidzufuhrdruck im Bereich von 20
bis 50 bar wurde gewählt.
Die gereinigten Teststücke
ließ man
5 Minuten stehen. Während
dieser Zeit wurden die Oberflächen mit
einem sauberen Tuch gewischt. Dies stellte das Entfernen irgendwelcher
restlicher Teilchen sicher, die durch die Wirkung des Kohlendioxids
von den Oberflächen
gelöst
wurden, aber immer noch damit in Berührung stehen. Die Überlappungsverbindung wurde
als 3-Millimiter-Kehlnaht mittels eines GMAW-Schweißverfahrens
hergestellt. Die Schweißung
wurde visuell geprüft.
Es wurden keine Defekte gefunden. Die Schweißung wurde dann aufgeschnitten,
poliert und geätzt
und unter einem Mikroskop betrachtet. Wiederum wurden keine Defekte
gefunden.
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Das
Verfahren wurde bei dem anderen Paar von Teststücken mit der Ausnahme wiederholt,
dass sie nicht gereinigt wurden. Die resultierende Schweißung erwies
sich als porös.
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In 2 ist
schematisch ein Teil einer Fahrzeugproduktionslinie gezeigt. Produktionslinie 20 enthält eine
Schmelzschweißstation 22 und
stromauf davon eine Station 24 zum Reinigen der zu schweißenden Oberflächen, wobei
die Reinigung nach dem Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt wird. Die
Station 24 kann die in 1 dargestellte
Ausrüstung
enthalten. Die Produktionslinie kann beispielsweise zur Herstellung
von Autokarosserien (Automobilkarosserien) dienen. Der Schweißvorgang
kann ein Schweißen
des Dachs am Hauptteil der Autokarosserie oder irgendeinen anderen
Teil des Autos betreffen.