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Vorrichtung zum Widerstandsschweißen Die Erfindung befaßt sich mit
Maßnahmen zum Widerstandsstumpfschweißen von Werkstücken. Das Widerstandsstumpfschweißen
wird bekanntlich so durchgeführt, daß im unmittelbaren Stromdurchgang die beiden
Endflächen unter Druck gegeneinander geführt werden, bis an der Übergangsstelle
Schweiß-bzw. Schmelztemperatur erreicht ist und das Verschweißen eintritt.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens der elektrischen Widerstandsschweißung
sind sehr große Vorrichtungen erforderlich, die naturgemäß mit wachsendem Querschnitt
bzw. Durchmesser der stumpf zu verschweißenden Endflächen stets größer werden. Für
Werkstücke mit einem Durchmesser von 370 mm und mehr oder einer Kantenlänge
von 330 mm bei quadratischen Stäben ist das Verfahren überhaupt nicht oder
nur sehr schwer anwendbar, weil der Kern nicht auf hinreichend hohe Temperatur gebracht
werden kann.
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Es ist daher schon vorgeschlagen worden, die Endflächen der miteinander
stumpf zu verschweißenden Werkstücke vorzuwärmen und hierzu eine Induktionsschleife
zu verwenden. Während der Erwärmung steht diese Induktionsschleife unbeweglich vor
den Endflächen, und erst in dem Augenblick, in welchem die beiden Enden zur endgültigen
Verschweißung zusammengepreßt werden, wird sie aus dem Zwischenraum herausgeklappt.
Eine Relativbewegung zwischen Induktor und Werkstück, wie sie beispielsweise vom
kontinuierlichen
Vorschuberwärmen oder ähnlichen Induktionserhitzungsarten bekannt ist, wird nicht
angewendet. Die endgültige Verschweißung der beiden zusammengeführten Endflächen
wird sodann im direkten Stromdurchgang durchgeführt.
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Mit den Maßnahmen gemäß diesem älteren Vorschlag ergaben sich indes
insofern Schwierigkeiten, als auch hierbei der Kern der Endflächen nicht mit Sicherheit-
auf die erforderliche Temperatur gebracht werden konnte. Es ergab sich vielmehr
im allgemeinen eine ungleichmäßige Verteilung der Temperatur über dem Querschnitt.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Möglichkeit, die Endflächen
auf eine gleichmäßige Temperatur vorzuwärmen, erhebliche Vorteile bieten muß, weil
alsdann die installierte Leistung, die für das endgültige Verschweißen im unmittelbaren
Stromdurchgang verfügbar sein muß, wesentlich geringer sein kann. Andererseits ist
4es möglich, unter Ausnutzung einer über die gesamten Endflächen gleichmäßig verteilten
Temperaturerhöhung bei der Vorwärmung auch größere Querschnitte als bisher einwandfrei
stumpf zu schweißen.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch eine langgestreckte
Leiterschleife, deren große Achse etwa der Länge der Achse der Werkstückendfläche
entspricht und deren kleine Achse kleiner ist als die Flächenachse. An den elektrischen
Anschlüssen dieser Leiterschleife greifen Mittel an, um sie zwischen den Endflächen
der gegeneinandergestellten Werkstücke hin- und herzuführen. Die Größe der Bewegung
hängt von der Länge der Induktorachse in Bewegungsrichtung ab. Das Ergebnis dieser
Maßnahme ist eine gleichmäßige Temperaturerhöhung über dem gesamten Querschnitt,
d. h., der Kern der Endflächen bzw. Endabschnitte wird genauso warm wie die Randpartie.
Dies ist offenbar darauf zurückzuführen, daß dem Wärmebedarf des Kernabschnittes
in besonderem Maße Rechnung getragen wird; denn die Kernabschnitte stehen bei einer
derartigen Bewegung der Induktorscldeife länger unter Induktionseinwirkung als die
Randabschnitte. In vielen Fällen, insbesondere dann, wenn es sich um große Querschnitte
handelt, ist es zweckmäßig, die Randgebiete zusätzlich zu erwärmen, was beispielsweise
geschehen kann mittels je einer die Werkstückenden umfassenden Spule.
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Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit; die zu verschweißenden
Endflächen schnell und gleichmäßig vorzuwärmen, wodurch das insgesamt beim Schweißvorgang
zu erwärmende Metallvolumen vergleichsweise gering gehalten werden kann, weil nicht
Abfließen der Wärme zwecks gleichförmiger Verteilung abgewartet zu werden braucht.
Der Energieverbrauch -ist daher geringer als bei den bekannten Schweißverfahren,
die unter induktiver und/oder Widerstandserwärmung durchgeführt werden. Die Schweißung
selbstverläüft unter verhältnismäßiggeringem Schweißdruck, so daß vorteilhafterweise
keine größe Stauchung eintritt.
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Es wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform näher
erläutert. Mit der Vorrichtung werden die Endflächen bzw. Endabschnitte der stumpf
miteinander zu verschweißenden Werkstücke auf eine geeignete Temperatur vorgewärmt,
worauf das endgültige Verschweißen im unmittelbaren Stromdurchgang erfolgt.
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Abb. r ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Vorrichtung; Abb. 2 ist eine Vorderansicht und Abb. 3 eine Seitenansicht der
Vorrichtung.
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Es gelingt, die Endfläche z eines Werkstückes, die in Abb. r als schraffierte
Fläche dargestellt ist, gleichmäßig über den ganzen Querschnitt zu erwärmen, wenn
eine Heizleiterschleife von der bei 2 dargestellten Form in Richtung des Pfeiles
3 über die Fläche hin-und hergeführt wird, wobei die Endstellungen jeweils etwa
bei 2 und 2' liegen. Es ist ersichtlich, daß der mittlere Abschnitt, der - wie erkannt
wurde - den höchsten Wärmebedarf hat, bei dieser Art der Bewegung der so geformten
Schleife während einer bestimmten Behandlungsdauer die längste Zeit unter Einfluß
der Induktionsströme steht. Sinngemäß gilt diese Feststellung nicht nur für eine
Kreisendfläche sondern auch für Vielecke aller Art. Die Schleife 2 kann auch von
der in Abb. z dargestellten Form abweichen. Sie kann beispielsweise als langgestrecktes
Viereck, gegebenenfalls mit gerundeten Ecken und/oder Seiten, ausgebildet sein.
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Die in der Zeichnung dargestellte Gestalt der Schleife 2 ist jedoch
besonders zweckmäßig. Ihre große Achse entspricht etwa der Länge der Achse der Werkstückendfläche,
und die kleine Achse ist kürzer als die Flächenachse. Es ergibt sich somit eine
Ellipse.
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Insbesondere bei großen Werkstückendflächen kann sich ein erhöhter
Wärmebedarf -auch in den- Randabschnitten ergeben. Um diesem Wärmebedarf Rechnung
zu tragen, ist eine einwindige Spule q. vorgesehen, die den Endabschnitt des Werkstückes
umfasst. Sie hat wesentlich größere Abmessungen, als dem Umfang des Werkstückes
entspricht, und sie kann einen Kreisring darstellen, vorzugsweise erhält sie jedoch
leicht elliptische Gestalt. Sie wird gezwungen, die gleiche Bewegung auszuführen
wie die Heizleiterschleife 2, und zwar derart, daß sie jeweils auf der Seite zum
Werkstück in enger Kopplung g liegt, die der jeweiligen Wirklage der Schleife 2
entgegengesetzt ist. Die Endstellungen -der Spule sind bei q. und q.' angedeutet.
Es ist ersichtlich, daß diese Wirkungsweise dazu führt, den Abschnitten, die jeweils
gerade nicht der Einwirkung der Schleife 2 unterliegen, in starkem Maße unter den
Induktionseinfluß der Spule q. zu bringen. Die Spule q. kann auch als mehrwindige
Spule ausgebildet sein.
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Das mit einer solchen Einrichtung behandelte Werkstück wird auf einem
Endabschnitt gleichmäßig bis in den Kern hinein erwärmt. Beim Stumpfschweißen müssen
zwei Endflächen erwärmt werden, die alsdann unter Berührung miteinander verschweißt
werden müssen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Schleife 2 bei genügend
starker Beaufschlagung auf zwei Endflächen gegeneinandergestellter Werkstücke einwirken
kann, indem sie zwischen diesen Endflächen hin- und herbewegt wird. Zweckmäßigerweise
werden aber zwei solcher Rücken an Rücken gelegter Schleifen verwendet. Die Spulen
q. müssen in jedem Falle in Zweifachanordnung vorhanden sein.
Eine
besonders zweckmäßige Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in den Abb. 2 und 3 dargestellt.
An einem Knopf 6, der eine Bewegung in Richtung des Pfeiles 3 (Abb. 3) gestattet,
sind mittels der Zuleitungen 7 die beiden Heizleiterschleifen 2 Rücken an Rücken
angeordnet. Sie sind mit Jochpaketen 8 besetzt und voneinander durch eine Scheibe
9 aus Isolationswerkstoff, wie beispielsweise Glimmer, getrennt. Die gemeinsame
Stärke beider Schleifen zuzüglich der Isolationszwischenlage soll so groß sein,
daß die Vorrichtung gerade in den Zwischenraum zwischen den beiden Werkstücken i
hineinpaßt und dort noch in Richtung des Pfeiles 3 frei beweglich ist.
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Die beiden Schleifen 2 werden zweckmäßig in Reihe geschaltet. Es ist
ferner zweckmäßig, sie auch in Reihe zu schalten zu den beiden Spulen 4, die, von
ihren Zuleitungen io getragen, ebenfalls am Kopf 6 befestigt sind.
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Die im gewählten Ausführungsbeispiel als einwindige Spulen dargestellten
Induktoren 4 umfassen, wie insbesondere aus Abb. 2 ersichtlich, die Endabscbnitte
der Werkstücke i. Ihre Zuordnung zu den Schleifen 2 ist so wie in Abb. i schematisch
gezeigt. Wie aus Abb. 3 ersichtlich, sind sie leicht elliptisch, sie könnten aber
auch Kreisringform aufweisen.
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Die Schleifen 2 und die Spulen 4 sind, wie beim Bau von Induktionseinrichtungen
üblich, aus Kupferrohr gebogen und werden von einem Kühlmittel durchflossen, das
an den verschiedenen Anschlußstellen ii zu- und abgeführt wird. Die Stromzuführung
zum Kopf 6 erfolgt über das Anschlußstück 12, und zwar mittels flexibler Leiterteile,
die die Bewegung des Kopfes 6 und damit der Induktoren 4 und 2 in Richtung des Pfeiles
3 gestatten. Die Mittel, die Bewegung hervorzurufen, können beliebig sein; sie sind
der Übersicht halber fortgelassen.
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Um die Vorrichtung in die in Abb. 2 dargestellte Wirklage zu den Werkstückenden
i zu bringen, wäre es naturgemäß möglich, die Werkstücke in die Spulen 4 axial hineinzuschieben
und nach beendetem Erwärmen wieder herauszuziehen. Dies würde indes einen für das
Schweißen untragbaren Zeitverlust mit sich bringen, zumal die Werkstücke für das
endgültige Verschweißen unter Aufeinanderpressen der Endflächen und Hindurchleiten
des elektrischen Schweißstroms fest in der Schweißmaschine eingespannt sein müssen.
Es ist daher von entscheidender Wichtigkeit, daß die Vorrichtung ohne axiale Bewegung
der Werkstücke in den Zwischenraum hinein- und aus ihm wieder herausbewegt werden
kann.
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Dies wird ermöglicht, indem die Spulen 4 auf die Ebene der Leiterschleifen
zusammenklappbar gemacht werden. Ihre Anordnung wird so getroffen, daß sie sich
in Richtung der Pfeile 13 verschwenken lassen. Zu diesem Zweck sind im Kopf 6 mit
ihren Enden Ansatzstücke 14 aus Isolierwerkstoff verbunden, auf die Druckfedern
15 einwirken. Diese Druckfedern bewirken eine Schwenkung der Spule 4 um einen Drehpunkt
im Kopf 6 in Richtung der Pfeile 13, wenn die bei 16 dargestellte Spannzange geöffnet
wird. Die Spannzange wird zweckmäßigerweise mittels einer eingängigen Spindel bedient,
so daß insbesondere das Lösen und damit das Zusammenklappen der Spulen 4 möglichst
rasch vor sich geht. Wenn die Spulen 4 zusammengeklappt sind, so läßt sich die Vorrichtung
ohne weiteres aus dem Zwischenraum zwischen den Werkstücken herausbewegen. Die erwärmten
Werkstückenden können daher unverzüglich und ohne Wärmeverluste für die endgültige
Schweißung zusammengeführt werden.