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Anwendung des Kaltpreßschweißverfahrens zum Herstellen einer Stumpfstoßverbindung
und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens . Die Erfindung betrifft die Anwendung
des Kaltpreßschweißverfahrens zum Herstellen einer Stumpfstoßverbindung zweier Teile
aus kaltschweißbarem Werkstoff unter Einspannung oder Halterung der Teile in Halteelementen.
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Es sind bereits verschiedene Vorschläge zur Zusammenschweißung von
Teilen unter Anwendung der Kaltpreßschweißung gemacht worden. Bis jetzt wurde jedoch
kein Verfahren vorgeschlagen, mit dem zwei Teile durch Kaltpressung stumpf geschweißt
werden können. Alle vorhandenen Kaltpreßschweißverfahren sind im wesentlichen Verfahren,
bei denen Überlappungsschweißelemente in einer Überlappungsschweißung verbunden
werden. Es gibt mehrereWege, dieTeile miteinander stumpf zu verschweißen, und zwar
unter Anwendung der Flammenerhitzung oder der elektrischen Erhitzung, wobei dieStoßflächen
ausreichend erwärmt werden, das Metall gestaucht wird und die Schweißung erfolgt.
Jedoch sind die Flammenschweißverfahren und die elektrischen Schweißverfahren nicht
immer zweckmäßig oder zufriedenstellend bei solchen Metallen wie Aluminium und Kupfer.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Stumpfkaltpreßschweißverfahrens,
das mit solchen Elementen, wie z. B. Stäben oder Drähten, Schweißverbindungen liefert,
deren Qualität durch Kaltpressung erzielten Überlappungsschweißungen und
auch
durch Flammenschweißung oder elektrische Schweißung erzielten Stumpfverbindungen
überlegen ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Einspannung oder
Halterung der Teile in den Halteelementen so erfolgt, daß die überstehende Länge
ihrer freien Enden jeweils gleich oder nicht wesentlich kleiner als die Dicke der
Teile ist, und daß die freien Enden auf ein Viertel oder etwas weniger derart gestaucht
werden, daß der Schweißdruck durch die Teile selbst quer zu der Stoßverbindung ausgeübt
wird und der Werkstoff der beiden Teile an der Stoßstelle seitlich nach außen fließt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
erwähnten Verfahrens, die aus einem Paar Klemmbacken oder Halteelementen besteht,
von denen jedes von einem zweiteiligen Block gebildet wird und eine auf jedem Blockteil
gleichmäßig verteilte Bohrung hat. Erfindungsgemäß ist dieseVorrichtung dadurch
gekennzeichnet, daß jede der gegen die Schweißfläche gerichteten Stirnflächen der
Blöcke als Anschlagfläche dient, die rings um dieBohrung ausgespart ist, und eine
ringförmig in dieser Nut aufragende, sich um die Bohrung erstreckende Schulter als
Schweißfläche dient.
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Die aneinanderstoßenden Enden müssen im wesentlichen aneinander angepaßt
sein, und das Stück eines Teiles, der über seine Haltevorrichtung hinaus vorspringt,
muß eine solche Länge haben, daß er starr ist und nicht unter dem angewandten Druck
zusammenknickt. Wird diese Bedingung erfüllt, dann ist die maximaleLänge des vorspringenden
Stückes ohne Bedeutung. Wichtig ist jedoch, daß die Länge des vorspringenden Stückes
größer ist als ein bestimmter Mindestwert, der von den Abmessungen und dem Material
des Teiles abhängt. So ist beim Stumpfschweißen von zwei Stäben aus elektrolytisch
reinem Aluminium mit einem Durchmesser von 6,3 mm eine vorspringende Länge von beispielsweise
1,6 mm unzureichend, während ein Vorsprung von 4,8 mm oder etwas darüber hinaus
genügt. Unter der Voraussetzung, daß die vorspringende Länge ungefähr gleich der
Dicke des Materials oder nicht geringer als diese ist und Druck angewandt wird,
bis der wirksame Vorsprung auf jeder Seite der Mittelebene der Schweißstelle auf
ungefähr ein Viertel ihrer ursprünglichen Länge oder noch etwas weiter vermindert
ist, entsteht eine einwandfreie Schweißung.
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Bei der Stumpfverschweißung von zwei Drähten werden die zu verbindenden
Enden beispielsweise durch Kratzbürsten gereinigt, nachdem ihre Enden zur Längsrichtung
rechtwinklig zugeschnitten worden sind. Die beiden Drähte werden in Klemmstücken
gehalten, die aus zweiteiligen Blöcken bestehen können. Jedes Klemmstück hat eine
auf jeden Blockteil gleichmäßig verteilte Bohrung, deren Durchmesser etwas kleiner
als der Drahtdurchmesser ist.
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Zum klaren Verständnis der Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren
der Zeichnungen im folgenden eine Beschreibung eines Beispiels einer Ausführungsform
einer Stumpfschweißung nach der Erfindung gegeben. Es zeigt Fig. i eine Seitenansicht
der Werkzeuge, die das Werkstück während des Schweißens festhalten, Fig. 2 einen
Grundriß der Werkzeuge, Fig. 3 eine schematische Ansicht des eingerichteten Werkstücks
am Beginn der Schweißung, Fig. q. eine andere schematische Ansicht der Werkzeuge
und des Werkstücks nach Beendigung der Schweißung, Fig. 5 und 6 einen Grundriß bzw.
einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5 einer abgeänderten Ausführungsform
des Werkzeugs, Fig.7 ein Verfahren zur Vorbereitung eines Drahtendes zwecks Schweißung.
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In dem Beispiel werden zwei Stücke eines halbharten, elektrolytisch
reinen Aluminiumstabes mit einemDurchmesser von 6,3mm miteinander stumpf verschweißt.
Bevor die Werkzeuge eingerichtet werden, werden die miteinander zu verschweißenden
Enden beispielsweise in einer Drehbank rechtwinklig zur Längsrichtung der Stäbe
eben abgedreht und beispielsweise durch maschinelles Kratzbürsten gereinigt, um
zu gewährleisten, daß sich keine dicke Oxydschicht auf den Oberflächen der Enden
befindet.
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Wie sich insbesondere aus Fig. i und 2 ergibt, bestehen die Werkzeuge
zum Festhalten der Stäbe aus zwei ziemlich ähnlichen Werkzeugteilen i und 2, wobei
der Werkzeugteil e Dübel 3 aufweist, die in (nicht dargestellte) Löcher des Werkzeugteiles
i eingreifen, um zu gewährleisten, daß die Werkzeuge beim Schweißen genau ausgerichtet
sind. Jeder Werkzeugteil i oder 2 hat die Form eines zweiteiligen Blockes und besteht
aus einem Oberteil q. bzw. 5 und einem Unterteil 6 bzw. 7. Die beiden Teile q. und
6 bzw. 5 und 7 sind fest miteinander durch vier 3/a°'-Whitworthschrauben 8, 9 und
an den Oberteilen q. bzw. 5 befindliche Dübel io, ii verbunden, die sich in passende
Löcher der Unterteile 6 und 7 einfügen. Jeder Werkzeugteil 1, 2 ist mit einer Mittelbohrung
12 bzw. 13 versehen, die sich zur Hälfte in dem einen Teil und zur Hälfte in dem
anderen Teil befindet. Der Durchmesser einer jedenBohrung ist etwas kleiner als
derDurchmesser derAluminiumstäbe, die stumpf verschweißt werden sollen. Praktisch
wird der Durchmesser der Bohrung in jedem Werkzeugteil auf 6,1 mm bemessen, und
die an die Schweißstelle angrenzende Öffnung der Bohrung wird unter 4.5° auf einen
Durchmesser von 8 mm abgeschrägt. Die Bohrungen 12 und 13 sind kleiner als dieStabdurchmesser,
um zu gewährleisten, daß die Werkzeugteile i und 2 nicht in Längsrichtung gleiten
können, wenn die Stäbe in diesen eingespannt sind, um auf diese Weise zu bewirken,
daß der Druck quer zu den Enden der Werkzeugteile und somit auf die angrenzenden
Flächen oder Enden der miteinander zu verschweißenden Stäbe angewandt wird. Auszackungen
der Bohrungen 12 und 13 treten nicht auf, vorausgesetzt, daß eine ausreichende Drahtlänge,
in dem vorliegenden Beispiel 76,2 mm., in einem der Werkzeugteile i bzw. 2 eingespannt
ist.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wird vor Beginn der Schweißung jeder
Stab in seinem entsprechenden Werkzeugteil festgespannt und springt um ungefähr
4,8 mm von der Stirnfläche des Werkzeugteiles aus vor. Die Werkzeugteile i und 2,
die sich zusammen mit den Stäben 14 und 15 in der in Fig. 3 dargestellten Lage befinden,
werden in eine Presse eingesetzt und so zusammengepreßt, daß der Druck quer zur
Stumpfstoßverbindung wirkt. In dem vorliegenden Beispiel wird eine Belastung von
4 t auf die Stoßverbindung ausgeübt, und die Werkzeugteile i und 2 werden zusammen
bewegt, bis, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Scheibe 16 des Metalls zwischen den
gegenüberstehenden Enden der Werkzeugteile liegt und die Schweißung bewirkt worden
ist. Die Dicke der Scheibe 16 beträgt ungefähr 2,4 mm und ihr Durchmesser etwa 12,7
mm. Diese Abmessungen geben nicht nur an der Scheibenmitte über dem ursprünglichen
6,3-mm-Durchmesser eine einwandfreie Schweißstelle, sondern auch bis fast an den
Umfang der Scheibe.
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Wenn Druck angewandt wird, beulen sich die vorspringenden Enden der
Stäbe 14 und 15 radial nach außen auf, so daß das Metall radial nach außen fließt
und dieses Fließen, bei dem die Enden der beiden Stäbe in enger Berührung stehen,
die Schweißung bewirkt. Es muß darauf geachtet werden, den Abstand zwischen den
Werkzeugteilen i und 2 nicht zu stark zu vermindern, da die dichte Anordnung der
Teile i und 2 schließlich den Metallfluß radial nach außen beschränkt und das Metall
in den Werkzeugteilen i und 2 gepreßt wird.
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Im Dünnschliff zeigt eine in der oben beschriebenen Weise geschweißte
Stoßverbindung eine gute Schweißstelle für einen Durchmesser von wenigstens 9,6
mm um die Längsachse der beiden Stäbe 14 und 15. Wenn eine solche Schweißstelle
einem Zugversuch unterworfen wird, reißt die Schweißstelle nicht. Das überschüssige
Metall an der Scheibe 16 kann abgegratet werden.
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In dem oben beschriebenen Beispiel wird die Kante einer jeden Bohrung
12 oder 13 abgefast, und, wie in Fig.4 dargestellt, der Zwischenraum zwischen den
Werkzeugteilen i und 2 nimmt das an die Schweißstelle angrenzende Metall auf, der
von dem angewandten Druck bestimmt wird, falls nicht irgendein Anschlag zwischen
den Werkzeugteilen eingefügt ist. Wie vorher erwähnt, muß darauf geachtet werden,
daß der endgültige Schlitz nicht zu schmal ist.
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Um die Notwendigkeit einer sorgfältigen Kontrolle des angewandten
Druckes zu vermeiden, können die Werkzeugteile selbst als Anschläge dienen. Ein
Werkzeugteil dieser Form, der mit einem entsprechenden Werkzeugteil zusammenarbeitet,
ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. In diesen Figuren besteht der Werkzeugteil 16 aus
zwei Teilen 17 und 18, die so angeordnet sind, daß sie miteinander durch (nicht
dargestellte) Schrauben wie vorher befestigt sind. Wenn die Bohrung ig hergestellt
wird, werden die beiden Teile 17 und 18 in einem geringen Abstand zueinander befestigt,
wobei die Bohrung ig genau denselben Durchmessec erhält wie der zu befestigende
Draht. Dadurch, daß sich die beiden Teile einander dichter nähern können, wenn sich
der zu schweißende Teil in der Bohrung i9 befindet, wird dieser Teil wirksam befestigt.
Praktisch ist der in Fig. 5 und 6 dargestellte Werkzeugteil für Drähte mit einem
Durchmesser von 1,5 mm bestimmt, wobei ein Schlitz 2o von o,oo5 mm zwischen den
Teilen 17 und 18 bei Herstellung der Bohrung i9 belassen wird.
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An der Schweißöffnung der Bohrung i9 wird die Werkzeugfläche 21 so
ausgespart, daß eine ringförmige Nut 22 und in dieser eine ringförmige, die Bohrung
i9 umgebende, nach oben vorspringende Schulter 23 gebildet wird. Die Außenseite
der Schulter 23 hat eine Abschrägung von 6o°, und die Höhe der Schulter bestimmt
die endgültige Dicke des Grates an der Schweißstelle, wobei die Werkzeugfläche 21
auf die entsprechende Werkzeugfläche des anderen Werkzeugteiles trifft. Die Schulterhöhe
wird so gewählt, daß der Grat eine für die Schweißstelle optimale Dicke erhält.
In dem beschriebenen Beispiel ist die Nut 22 0,038 mm tief und hat einen Durchmesser
von 6,3 mm, die Schulter 23 liegt o,15 mm unterhalb der Fläche 21 und hat einen
Durchmesser von 2,4 mm. Die Fläche 21 wirkt als Anschlagfläche, während die Schulter
23 gewissermaßen als Schweißfläche wirkt, wobei der Hauptteil der Nut 22 einen gewissen
Spielraum schafft.
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Man wird bemerken, daß die Vorbereitung der Enden der stumpf zu verschweißenden
Stäbe der Drähte einen schwierigen Teil des Schweißverfahrens bildet. Wie oben beschrieben,
werden die Enden der Drähte beispielsweise in einer Drehbank rechtwinklig abgedreht
und dann durch Kratzbürsten gereinigt. Für Stäbe oder Drähte mit einem Durchmesser
von 6,3 mm ist dieses Vorbereitungsverfahren ziemlich zufriedenstellend, aber für
Drähte mit wesentlich geringerem Durchmesser wird dieAnwendung dieses Verfahrens
schwieriger. Eine andere Methode, die sich insbesondere für kleinere Drahtdurchmesser
als geeignet erwiesen hat, besteht darin, ein Paar abgeschrägter und zusammentreffender
Schnittkanten zu verwenden, die die stumpf zu verschweißende Fläche des Drahtes
quadratisch belassen und die andere abschrägen. Nachfolgendes Kratzbürsten hat sich
dabei als unnötig erwiesen. Es können für diesen Zweck handbetätigte Planfräser
verwendet werden, vorausgesetzt, daß darauf geachtet wird, die Schnittkanten senkrecht
zur Achse des Drahtes und der Wirkungsgeraden des Schweißdruckes zu halten. Die
Art des erforderlichen Schnittes und dessen Durchführung ist in Fig. 7 dargestellt.
Danach haben die beiden Scherblätter 24 und 25 ebene Flächen 26 und 27, welche die
für die Stumpfschweißung erforderliche ebene Fläche 28 an dem Draht 29 erzeugen,
und Flächen 3o und 31, die unter einem Winkel von beispielsweise 5o° zu den Flächen
26 und 27 geneigt sind, um auf diese Weise den Schnitt ohne Verformung des Drahtes
29 durchzuführen. Mit nach diesem Verfahren geschnittenen Enden sind einwandfreie
Stumpfstoßverbindungen mit Aluminiumdrähten
bei Vorsprüngen erreicht
worden, die etwas größer (12%) als der Drahtdurchmesser sind oder nur bis zu zwei
Drittel des Drahtdurchmessers ausmachen.
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Falls gewünscht, kann eine mit irgendeiner der oben beschriebenen
Methoden hergestellten Schweißstelle einem weiteren Preßvorgang in demselben Sinne
unterworfen werden, um ihre Eigenschaften zu verbessern, oder es kann eine doppelte
Pressung vorgenommen werden, um eine gute Schweißung zu gewährleisten. Auf diese
Weise können zwei abgeflachte und durch Kratzbürsten gereinigte Drähte, beispielsweise
aus Nickelsilber, miteinander stumpf verschweißt werden, wobei als ausreichende
Abstützung ein vorspringendes Stück verwendet wird, dessen Länge dem Drahtdurchmesser
entspricht. Dann werden die Drähte aus ihren klemmenden Werkzeugteilen entfernt,
die Werkzeugteile auf den Drähten zurückbewegt und eine weitere Pressung vorgenommen,
wobei der gesamte wirksame Vorsprung für jeden Draht ungefähr zwei Durchmesser ausmacht.
Die Verformung an der Schweißstelle wird dadurch in zwei Schritten ausgeführt, obgleich
es auch mehr sein können. Dieses Verfahren ist insofern vorteilhaft, als es die
Drähte abstützt und dadurch eine seitliche Verdrehung oder Verzerrung verhindert,
da die nicht abgestützte Länge eines Drahtes auf einem Minimum gehalten wird. Wenn
gewünscht, können die zu verschweißenden Drähte oder andere Teile durch Führungsglieder,
Halter oder Auflagen dicht an die Schweißspitze gleiten und auf der anderen Seite
der Führungsglieder, Halter oderAuflagen in solcher Weise eingespannt oder gehalten
werden, daß sie stufenweise vorwärts bewegt werden können.
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Außer der Verschweißung von Stäben oder Drähten aus dem gleichen Material
sind wirksame Schweißungen bei verschiedenen Materialien hergestellt worden. Auf
diese Weise ist eine ausgezeichnete Stumpfstoßverbindung mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren zwischen einem Stab aus halbhartem Aluminium elektrolytischer Reinheit
mit einem Durchmesser von 6,3 mm und einem Stab aus weichem Heizspulenkupfer mit
einem Durchmesser von 6,3 mm hergestellt worden. In diesem Fall waren die Vorsprünge
des Aluminiumstabes und des Kupferstabes gleich, obwohl beim Schweißen der Aluminiumfluß
größer als der des Kupfers war.
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Die Erfindung ist ebenfalls erfolgreich auf die Stumpfverschweißung
von Streifen und auf die Winkelteile einer Gehrungsverbindung angewandt worden..
Die Erfindung kann auch für die Stumpfverschweißung von Stäben oder Drähten mit
verschiedenen Durchmessern benutzt werden, aber in diesem Fall kann es erforderlich
sein, das vorspringende Ende des Stabes oder Drahtes mit dem größeren Durchmesser
zu verjüngen.