Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen. Die Erfindung betrifft :ein Verfahren zum Schweissen und eine Vorrichtung zum Aus- führen dieses Verfahrens.
Der Schweissvorgang stellt wohl einen der kompliziertesten metallurgischen Prozesse dar. Nicht nur finden Schmelzen, Erstarren, Erkalten einer sehr geringen Metallmenge in sehr kurzer Zeit bei hoher örtlicher Erhitzung unter den ungünstigsten Verhältnissen für Wärmezu- und -abfuhr statt - die Zufuhr ist beschränkt, die Abfuhr praktisch unge hemmt -, sondern das Nebeneinander einer flüssigen,
erstarrenden und erkaltenden Phase bringt zweifellos recht verwickelte, einander stark beeinflussende Vorgänge mit sich, die ausserdem weitgehend unerforscht sind, weil sie kaum einzeln erfasst werden können.
Dazu kommt, dass das Schweissen nicht nur ein Schmelzprozess ist, sondern dass das geschmolzene Metall der Schweissstäbe und das aufgeschmolzene Grundmetall mit dem übrigen Grundmetall eine einwandfreie Ver bindung einzugehen haben. Infolge der Klein heit der Schweissstelle in bezug auf die Grösse der zu verbindenden Teile und & r hohen Schweisstemperaturen :geschieht diese Verbin dung unter erschwerenden Umständen, so dass grosse Spannungen in der Schweissnaht zu- rückbleiben.
Es ist nun ohne weiteres einzusehen, dass diese Verhältnisse noch viel komplizierter werden, wenn es sich z. B. um legierte Werk stoffe, insbesondere legierte Stähle handelt. Das Schweissen solcher Stähle, vor allem der warmfesten Stähle mit den hohen Legierungs zusätzen ist wegen ihrer grossen Aus dehnungskoeffizienten und ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit bis heute noch nicht so weit gediehen, dass solche Stähle in allen Fällen rissfrei geschweisst werden können.
Die vorliegende Erfindung erlaubt, die sem Mangel abzuhelfen und besteht darin, dass das Metall ,des Schmelzbades während des Schweissens durch Schwingungen beein flusst wird. Als Vorrichtung zum Schweissen ist eine Schwingungen erzeugende Vorrich tung vorgesehen, welche derart mit dem Schmelzbad verbunden ist, dass die ,Schwin gungen das Metall des Schmelzbades beein- flussen.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass durch .die Erfindung ein Schweissen der erwähnten Stähle möglich geworden ist, indem die warm festen Eigenschaften auch in der Schweiss- naht erzielt werden können und eine gerin gere Anfälligkeit für gefährliche verfor mungslose Brüche bei Kriechbeanspruchung auftritt.
Die Verbesserung bezüglich der Riss anfälligkeit ist wahrscheinlich darauf zu rückzuführen, dass durch die Schwingungen die Diffusionsvorgänge so angeregt werden können, dass die Verbesserung der Festig- keits-Eigenschaften der Schweissnaht und ihres Zusammenhanges mit dem Grundmetall in der .ausserordentlich kurzen Zeit zwischen der flüssigen und der Erkaltungsph:
ase in genügendem Masse vor sich gehen kann und infolge,der Schwingungen geringere Wärme spannungen entstehen.
Aber nicht nur für warmfeste Stähle, sondern auch für andere Werkstoffe kann durch die Erfindung, wie es. sich gezeigt \hat, der Vorteil erreicht werden, dass mindestens eine nachträgliche Glühbehandlung abge kürzt werden -oder sogar unterbleiben kann.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbei spiele der Erfindung schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt die Erzeugung der Schwin gungen auf piezo-elektrischem Wege, Fig. 2 und 2a eine Vorrichtung zum Er zeugen von Schwingungen auf magnetostrik- tivem Wege, Fig. 3 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen auf elektromagnetischem Wege, Fig. 4 eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schwingungen auf elektrodynamiscem auf elektrodynamischem Wege, Fig. 5 eine Vorrichtung, bei welcher ein hochfrequenter Wechselstrom dem Schweiss strom überlagert wird.
Die Bauteile 1 und 2 in Fig. 1, die Teile irgendeiner Konstruktion sein können, sind durch die Schweissnaht 3 miteinander zu ver binden, indem einerseits die Teile 1 und 2, anderseits die Elektrode 4 mit dem den Schweissstrom liefernden Erzeuger 5 leitend verbunden sind. Dies kann ein Generator, ein Transformer oder ein Mutator sein, zum Erzeugen von Wechsel- oder Gleichstrom.
Das Schmelzbad 6, in welches das durch den Lichtbogen niedergeschmolzene Metall zusammenfliesst und in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens flüssig ist, wird nun auf piezo-elektrischem Wege während des Schweissens durch mechanische Schwingun gen beeinflusst, und zwar derart, dass das Metall der Schweissnaht vom flüssigen bis zum erstarrten Zustand beeinflusst wird.
Hierzu ist auf den Teil 2 der Schwin- quarz 7 unter Zwischenschaltung einer die Übertragung verbessernden, praktisch in kompressiblen Ankopplungsflüssigkeit 8 auf gesetzt, um die Schwingungen, deren Fre quenz für diese Erzeugungsart beispieleweise 100 bis 1000 Kilohertz betragen kann, auf den Bauteil 2 übertragen zu können. Als An kopplungsflüssigkeit 8 kann beispielsweise Quecksilber, Öl oder auch Wasser benutzt werden.
Die Schwingungen werden in be kannter Weise in einem Generator 9 erzeugt, welcher zum Beissspiel aus einer Senderröhre 10 mit Rückkopplung 11 .oder mit Fremd erregung besteht. Zwischen dem Generator 9 und dem Schwingquarz 7 sind ;die Anpas sungstransformator 12, 13 und der Abstim mungskondensator 14 vorgesehen. Die Hoch frequenz-Wechselspannung, die im sekundä ren Teil 13 des Transformators erzeugt wird, wird an die freie Stirnfläche des platten- förmigen Quarzkristalles 7 angelegt.
Dadurch erfährt der Kristall eine Verlängerung und Verkürzung im Takt der Hochfrequenz. Die vom Schwingkristall 7 abgegebene Energie wird ein Maximum im Resonanzfall, d. h. wenn die Eigenschwingung des Kristalles 7 mit der erregenden Frequenz übereinstimmt. Um diese Übereinstimmung zu erzielen, wird der Kondensator entsprechend eingestellt.
In Fig. 2 ist am Bauteil 2 ein dickwandi ges Rohr 15 durch Anschweissen oder auf andere Weise befestigt, das aus Nickel, Per- malloy oder einer andern ferromagnetischen Legierung besteht. Um das Rohr 15 ist die Magnetisierspule 16 gewickelt, die an die Batterie oder eine andere Gleichstromquelle 17 angeschlossen ist, so dass das Rohr 15 vor- magnetisiert wird.
Gleichzeitig ist an die Spule 16 der Hochfrequenzkreis 18 ange schlossen, der einen Abstimmungskondensa tor 19, einen Kopplungskondensator 20 und den sekundären Teil 21 des Anpassungs transformators enthält. Der Primärteil 22 dieses Transformators wird wiederum, wie in Fig. 1, durch einen Generator 9 erregt.
Die Magnetisierspule 16 ist mit einer Wasserkühlung 23 versehen, und zwar ist sie als gewendeltes Rohr ansgebil#det, welches vom Kühlmittel durchflossen wird. Das Nik- kelrohr 15 ist innerhalb der Spule 16 ge- schlitzt, wie aus dem Querschnitt in Fig. 2a sichtbar ist. Aus der Düse 24 wird Kühl mittel in das Rohr 15 eingespritzt.
Die Menge des Kühlmittels wird mittels der eingezeich neten Absperrventile oder auf andere Weise geregelt.
Das Rohr 15 erfährt ebenfalls periodische Längenänderungen infolge der Änderungen der Magnetisierung durch den Hochfrequenz strom. Der Abstimmungskreis 18 wird auch hier so eingestellt, dass die erregte Hochfre quenz der Eigenschwingung .des Rohres 15 entspricht, um die grösste Energie zu er halten.
In Fig. 3 ist der Tonpilz 25 unter Zwi schenschaltung einer Flüssigkeitsschicht 8 auf den Bauteil 2 aufgesetzt und trägt an seinem Ende einen Anker 2'6" welcher den Polschuhen des Magnetkerns 217 gegenüber- liegt. Der gern 27 hat einerseits eine Spule 28 zum Vormagnetisieren des Kerns, die an irgendeiner Gleichstromquelle 2,9 angeschlos sen ist.
Die Spule .30, die ebenfalls um den Kern 27 gewickelt ist, ist an den Abstim mungskreis 31 angeschlossen, welcher einen Abstimmungskondensator 32 und die sekun däre Spule 3,3 eines Anpassungstransforma- tors aufweist. Die Primärspule 34 dieses Transformators wird wieder von einem Hoch frequenzgenerator 9 gespeist.
Während mittels der Anordung nach Fig. 3 die mechanischen Schwingungen auf elektromagnetischem Wege erzeugt werden, ist ihre Erzeugung auch auf elektrodynami schem Wege, wie in Fig. 4 dargestellt, mög lich. Der Stab 35 trägt eine Schwingspule 36, welche in den Ringspalt 37 :des Kopf magneten 38 eintaucht. Dieser wird von einer Gleichstromspule 39, die an eine Gleich stromquelle 29 angeschlossen ist, magnetisiert, während die Schwingspule 36 in den Schwingkreis 31 eingebaut ist, .der neben dem Abstimmungskondensator 32 die sekun däre Spule 33,des Anpassungstransformators enthält.
Die Primärspule 34 dieses Transfor mators wird wiederum von einem Generator 9 gespeisst. Sowohl in Fig. 3, als auch in Fig. 4 wird die grösste Wirkung erzielt, wenn .die Erregung durch Hochfrequenz mit der Eigenschwingung des Tonpilzes 25 bezw. des elastischen Stabes 34 übereinstimmt. Das Frequenzband dieser Anordnungen ist kleiner und beträgt 5 bis 50 Kilohertz.
Bei Gleichstrom-Lichtbogenschweissung, die für bestimmte Schweissungen und be stimmte Materialien ausschliesslich in Frage kommt, kann eine Anordung nach Fig. 5 ver wendet werden, bei .dem der Generator 9, in der sekundären Spule 42 des Anpassungstrans formators 41, 42 einen Hochfrequenzetrom erregt, der über den Schwingkondensator 43 und die Elektrode 4 das. Schmelzband 6, di rekt beeinflusst. Der Schweissstrom wird vom Generator 5 erzeugt, und in die Verbindungs leitung zur Elektrode 4 ist eine Sperrdrossel 45 eingeschaltet, welche den Durchfluss des Hochfrequenzstromes durch den Generator 5 sperrt.
Anderseits ist der Durchtritt des Gleichstromes durch den Transformator 41, 42 mittels des Kondensators 43 gesperrt. Durch die Überlagerung des Schweissgleich stromes durch einen Hochfrequenzwechsel strom (elektrische Schwingung) entstehen in der Schmelzung elektrodynamische Kräfte, deren Frequenz diejenige des Hochfrequenz stromes ist.
Die direkte Überlagerung dies Schweiss stromes mit hochfrequentem Wechselstrom hat den besonderen Vorteil, dass unabhängig von Resonanzbedingungen eine beliebige Fre quenz erzeugt werden kann, so dass es mög lich ist, wie Versuche gezeigt haben, die Fre quenz den besonderen Verhältnissen des jeweiligen Werkstoffes so genau anzupassen,
dass die Bewegungen durch Erwärmung darin durch die in das Schmelzbad eingebrachten Schwingungen unterstützt und zur bestmög- lIchen Wirkung angeregt werden können. Auf diese Weise ergibt sich für die Strom- überlagerung eine vermehrte Verwendungs- möglichkeit gegenüber :den Ausführung Bei spielen nach Fi.g. 1 bis 4.
Method and device for welding. The invention relates to: a method for welding and a device for carrying out this method.
The welding process is probably one of the most complex metallurgical processes. Not only do a very small amount of metal melt, solidify, and cool in a very short time with high local heating under the most unfavorable conditions for heat supply and removal - the supply is limited, the removal practically uninhibited - but the juxtaposition of a liquid,
The solidifying and cooling phase undoubtedly brings with it very complex processes that have a strong influence on one another, which are also largely unexplored because they can hardly be recorded individually.
In addition, welding is not just a melting process, but rather that the molten metal of the welding rods and the molten base metal must form a perfect bond with the rest of the base metal. As a result of the small size of the welding point in relation to the size of the parts to be connected and the high welding temperatures: this connection occurs under difficult circumstances, so that great tensions remain in the weld seam.
It can now be seen without further ado that these relationships become even more complicated when it is e.g. B. is alloyed work materials, especially alloyed steels. The welding of such steels, especially the heat-resistant steels with the high alloying additions, has not yet progressed so far because of their large expansion coefficients and their low thermal conductivity that such steels can be welded without cracks in all cases.
The present invention allows this deficiency to be remedied and consists in the fact that the metal of the weld pool is influenced by vibrations during welding. The device for welding is a device which generates vibrations and is connected to the weld pool in such a way that the vibrations influence the metal of the weld pool.
It has been shown that welding of the steels mentioned has become possible through the invention, in that the heat-resistant properties can also be achieved in the weld seam and there is less susceptibility to dangerous deformation-free fractures in the event of creep stress.
The improvement in the susceptibility to cracking is probably due to the fact that the vibrations can stimulate the diffusion processes in such a way that the strength properties of the weld seam and its connection with the base metal are improved in the extremely short time between the liquid and the cooling phase:
ase can take place to a sufficient extent and, as a result of the vibrations, lower thermal stresses arise.
But not only for creep-resistant steels, but also for other materials, the invention, like it. It has been shown that the advantage can be achieved that at least one subsequent annealing treatment can be shortened - or even omitted.
In the drawing, Ausführungsbei games of the invention are shown schematically. Fig. 1 shows the generation of the vibrations by piezo-electric means, Fig. 2 and 2a a device for He generate vibrations by magnetostrictive way, Fig. 3 shows a device for generating vibrations by electromagnetic means, Fig. 4 a Device for generating vibrations by electrodynamic means by electrodynamic means, FIG. 5 shows a device in which a high-frequency alternating current is superimposed on the welding current.
The components 1 and 2 in Fig. 1, which can be parts of any construction, are connected to each other by the weld 3, by on the one hand the parts 1 and 2, on the other hand the electrode 4 with the generator 5 delivering the welding current are conductively connected. This can be a generator, a transformer or a mutator to generate alternating or direct current.
The weld pool 6, in which the metal melted down by the arc flows together and is liquid in the immediate vicinity of the arc, is now influenced piezo-electrically during welding by mechanical vibrations, in such a way that the metal of the weld seam from liquid to is influenced to the frozen state.
For this purpose, the quartz quartz 7 is placed on part 2 with the interposition of a transmission-improving, practically compressible coupling fluid 8 in order to transmit the vibrations, the frequency of which for this type of generation can be 100 to 1000 kilohertz, to component 2 can. As to coupling liquid 8, for example, mercury, oil or water can be used.
The vibrations are generated in a known manner in a generator 9, which for example consists of a transmitter tube 10 with feedback 11 or with external excitation. Between the generator 9 and the quartz crystal 7, the matching transformer 12, 13 and the tuning capacitor 14 are provided. The high-frequency alternating voltage that is generated in the secondary part 13 of the transformer is applied to the free end face of the plate-shaped quartz crystal 7.
As a result, the crystal is lengthened and shortened in time with the high frequency. The energy given off by the oscillating crystal 7 becomes a maximum in the case of resonance, i.e. H. when the natural oscillation of the crystal 7 coincides with the exciting frequency. To achieve this match, the capacitor is adjusted accordingly.
In Fig. 2, a thick-walled tube 15 is attached to component 2 by welding or in some other way, which consists of nickel, Per- malloy or some other ferromagnetic alloy. The magnetizing coil 16, which is connected to the battery or another direct current source 17, is wound around the tube 15, so that the tube 15 is pre-magnetized.
At the same time, the high-frequency circuit 18 is connected to the coil 16, which contains a tuning capacitor 19, a coupling capacitor 20 and the secondary part 21 of the matching transformer. The primary part 22 of this transformer is in turn excited by a generator 9, as in FIG. 1.
The magnetizing coil 16 is provided with a water cooling system 23, namely it is formed as a coiled tube through which the coolant flows. The nickel tube 15 is slotted inside the coil 16, as can be seen from the cross section in FIG. 2a. Cooling medium is injected into the pipe 15 from the nozzle 24.
The amount of coolant is regulated by means of the shut-off valves drawn in or in some other way.
The tube 15 also experiences periodic changes in length as a result of the changes in magnetization by the high frequency current. Here, too, the tuning circuit 18 is set so that the excited high frequency corresponds to the natural oscillation of the pipe 15 in order to maintain the greatest energy.
In Fig. 3 the clay mushroom 25 is placed on the component 2 with the interposition of a liquid layer 8 and carries at its end an armature 2'6 "which is opposite the pole pieces of the magnetic core 217. The like 27 has a coil 28 for premagnetization of the core, which is ruled out to any DC power source 2.9.
The coil .30, which is also wound around the core 27, is connected to the tuning circuit 31, which has a tuning capacitor 32 and the secondary coil 3, 3 of a matching transformer. The primary coil 34 of this transformer is fed by a high frequency generator 9 again.
While the mechanical vibrations are generated electromagnetically by means of the arrangement according to FIG. 3, their generation is also possible, please include electrodynamic paths, as shown in FIG. The rod 35 carries a voice coil 36, which in the annular gap 37: the head magnet 38 is immersed. This is magnetized by a direct current coil 39, which is connected to a direct current source 29, while the voice coil 36 is built into the resonant circuit 31, .der next to the tuning capacitor 32, the secondary coil 33 contains the matching transformer.
The primary coil 34 of this transformer is in turn fed by a generator 9. Both in Fig. 3 and in Fig. 4, the greatest effect is achieved when .the excitation by high frequency with the natural oscillation of the clay mushroom 25 respectively. of the elastic rod 34 matches. The frequency band of these arrangements is smaller and amounts to 5 to 50 kilohertz.
In the case of direct current arc welding, which is only suitable for certain welds and certain materials, an arrangement according to FIG. 5 can be used in .dem the generator 9, in the secondary coil 42 of the matching transformer 41, 42 excites a high-frequency current , which via the oscillating capacitor 43 and the electrode 4, the melting band 6, directly influences. The welding current is generated by the generator 5, and a blocking throttle 45 is switched on in the connection line to the electrode 4, which blocks the flow of the high-frequency current through the generator 5.
On the other hand, the passage of the direct current through the transformer 41, 42 by means of the capacitor 43 is blocked. The superposition of the direct welding current by a high-frequency alternating current (electrical oscillation) creates electrodynamic forces in the melt, the frequency of which is that of the high-frequency current.
The direct superimposition of this welding current with high-frequency alternating current has the particular advantage that any frequency can be generated regardless of resonance conditions, so that it is possible, as tests have shown, to adapt the frequency so precisely to the particular conditions of the respective material ,
that the movements can be supported by the vibrations introduced into the weld pool and stimulated to the best possible effect. In this way, there is an increased use of the current superimposition compared to: The execution examples according to Fi.g. 1 to 4.