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Verfahren und Einrichtung zur elektrischen Widerstandsschweissung von Stählen durch Abschmelzung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Widerstands-Stumpfschweissung von Stählen durch Abschmelzung, mit einer Widerstandsvorwärmung der Schweissteile, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Erfindung kann bei jeder Widerstands-Stumpfschweissung durch Abschmelzung mit Vorwärmung angewendet werden ; besondere Vorteile bietet sie jedoch bei der Schweissung von chrom- und molybdänlegierten Stählen.
Bei der Stumpfschweissung durch Abschmelzung mit Widerstandsvorwärmung wird durchwegs derart vorgegangen, dass der eine Schweissteil in den festen und der andere in den beweglichen Teil der Maschine eingespannt wird ; beide Teile sind hiebei in den Sekundärkreis des Schweisstransformators eingeschaltet.
Nach dem Anschliessen des Schweisstransformators an das elektrische Netz, beginnt sich der bewegliche Teil der Maschine mit einer Grundgeschwindigkeit, die der für die Abschmelzung notwendigen gleich ist, dem festen Teil zu nähern. Bei gegenseitiger Berührung und Anpressen durch eine regulierbare Anpresskraft werden die Schweissteile zum Teil durch den Kurzschlussstrom erwärmt ; hiebei kommt es an den Backen, in denen die Schweissteile eingespannt sind, zu einer Spannungssenkung, durch die eine Umkehrbewegung hervorgerufen wird.
Die Berührung beider Gegenstände wird unterbrochen, wobei die Spannung wieder den vollen Wert erreicht und eine erneute Umkehrbewegung bewirkt, so dass die Schweissteile einander erneut berühren ; dies wiederholt sich so lange, bis die Temperatur an der Berührungsstelle einen solchen Wert erreicht, dass bei der Berührung kein Kurzschluss entsteht, sondern ein Lichtbogen zündet. Die Schweissteile nähern einander stets mit der ursprünglichen Geschwindigkeit unter gleichzeitiger Abschmelzung ; nach der Abschmelzung einer bestimmten Länge der Schweissteile wird der Strom unterbrochen und die Schweissteile werden mit erhöhter Geschwindigkeit zusammengedrückt, wodurch die Verbindung hergestellt wird.
Die Schweissteile sind während des Schweissvorganges in Backen eingespannt, die intensiv gekühlt werden und somit den Werkstücken Wärme entziehen. Da die Grundgeschwindigkeit des beweglichen Maschinenteiles während der Näherungsberührungen jener der bei der Abschmelzung auftretenden gleich ist-die verhältnismässig gering ist-steigt die Temperatur der herausragenden Enden der Schweissteile nur langsam an ; eine grosse Menge an Wärmeenergie geht durch Abführung in die Einspannbacken verloren.
Die Durchwärmetiefe der herausragenden Enden ist gross. Diese Durchwärmetiefe hat einen bedeutenden Einfluss auf die Güte der Verbindung, insbesondere bei chrom-und molybdänlegierten Stählen. Sofern bei diesen Stählen an den Verbindungsstellen unveränderte physikalische Eigenschaften erhalten werden sollen, ist es notwendig, die Durchwärmetiefe möglichst klein zu halten, d. h. die Vorwärmung muss möglichst schnell durchgeführt werden.
Der Nachteil des Stumpfschweissens durch Abschmelzung mit Vorwärmung besteht bei den bisher laufend verwendeten Einrichtungen darin, dass während der ersten Phase des Schweissvorganges, d. h. während' der Vorwärmung, die Widerstandserwärmung, die durch die Näherungsgeschwindigkeit, durch die Berührungsdauer und durch Abtrennung der Schweissteile gegeben ist, von den Parametern abhängt, die mit Rücksicht auf die Bedürfnisse der zweiten Phase des Schweissvorganges, d. h. die Abschmelzung, einzustellen sind und mit Rücksicht auf die spezifischen Umstände des gegebenen Falles nicht gesondert geregelt werden kann.
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So ist z. B. ein Schweissvorgang durch Abschmelzung mit Vorwärmung bekannt, bei dem eine verän- derliche Vorschubgeschwindigkeit während des Vorwärmens Verwendung findet, wodurch der Zeitpunkt des Überganges aus der Vorwärmung in die Abschmelzung mit grösserer Präzision bestimmt werden kann, dieser Vorgang kann jedoch nicht die Tiefe der Vorwärmungszone beeinflussen. Es ist ferner eine Regelung der Vorwärmung von Schweissgegenständen mittels elektrischer, vom Sekundärkreis des Schweisstransfor- matorsabgeleiteter Grössen bekannt, wodurch die Grösse des Vorwärmungsstromes beschränkt und die Berührungsdauer der Schweissgegenstände geändert wird.
Da jedoch eine veränderliche Anpresskraft bei der Vorwärmung nicht verwendet wird, wird hiedurch die Tiefe der Vorwärmungszone nicht beeinflusst, sondern nur deren Temperatur.
Der angeführte Nachteil ist zwar bei einer andern bekannten Einrichtung teilweise beseitigt, die mit separat einstellbaren Drücken für die Vorwärmung und für die Stauchung arbeitet, so dass bei der Vorwärmung die Druckregelung mit Rücksicht auf die spezifischen Ansprüche des gegebenen Falles möglich ist.
Diese Einrichtung bietet jedoch nicht die Möglichkeit, die gewünschte Temperatur und Tiefe der Vorwärmungszone im vorhinein einzustellen. Die Temperatur und Tiefe der Vorwärmungszone ist nämlich bei Vorwärmung von Schweissgegenständen durch nacheinander folgende Berührungen von der Dauer jeder einzelnen Berührung, von der Unterbrechungsdauer zwischen den einzelnen Berührungen und von deren Zahl abhängig. Bei der bekannten Ausführung wird jedoch die Umkehrbewegung bei Vorwärmung durch Schlie- ssen des Sekundärkreises des Schweisstransformators durch die Schweissgegenstände beherrscht, so dass die Reversierbewegung sofort eintritt, sobald es zur Berührung der Gegenstände kommt. Die Berührungsdauer ist folglich nicht regulierbar.
Die Anzahl der Vorwärmungsberührungen kann ebenfalls nicht im vorhinein fix eingestellt werden, da sie direkt von der Abschmelzgeschwindigkeit abhängig ist. Die Annäherungsgeschwindigkeit der Vorwärmungsberührungen ist bei der bekannten Einrichtung mit der Abschmelzgeschwindigkeit identisch,
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lang ist. Es kommt daher zu bedeutenden Wärmeverlusten infolge Wärmeabführung aus den Schweissgegenständen durch die gekühlten Spannbacken.
Alle diese angeführten Nachteile werden bei einem Verfahren zur elektrischen Widerstandsschwei- ssung von Stählen durch Abschmelzung, insbesondere von chrom- und molybdänlegierten Stählen, bei welchem die Schweissteile vor dem eigentlichen Schweissen dadurch vorgewärmt werden, dass sie wiederholt einander bis auf Berührung genähert und beim gleichzeitigen Stromübergang durch eine regulierbare Anpresskraft angedrückt werden, erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass die Tiefe der Vorwärmungszone in den Schweissteilen und deren Temperatur durch die Berührungs- und Berührungsunterbrechungs- dauer der Schweissteile mittels eines Doppelreglers und die Anzahl dieser Berührungen durch einen Zähler der Vorwärmungsimpulse geregelt werden.
Die die Durchführung dieses Verfahrens ermöglichende Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem festen und einem beweglichen Teil der Widerstandsschweissmaschine, aus einem Presszylinder und aus einer hydraulischen, die Kolbenbewegung und die Grösse der Anpresskraft dieses Zylinders steuernden Einrichtung und ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass an den Druckraum des Presszylinders der Doppelregler angeschlossen ist, der mit einem ersten Ventil für die Regelung der Anpressdauer und mit einem zweiten Ventil für die Regelung der Berührungsunterbrechungsdauer der Schweissteile versehen ist, hinter welches Ventil ein den Flüssigleits-Ein-und Auslass in einen Reversierzylinder steuernder Blockierungsschieber angeschlossen ist, wobei der Kolben des Reversierzylinders derart mit dem Zähler der Vorwärmungsimpulse verbunden ist,
dass der Zähler in Teildrehungen versetzt und gleichzeitig ein die Reversierbewegung des Kolbens des Presszylinders steuernder Reversierschalter ein- bzw. ausgeschaltet wird.
Der für die Verdrehung des Zählers der Vorwärmungsimpulse dienende Mechanismus, ist zweckmässigerweise mit einer Einrichtung, welche diesen Mechanismus in oder ausser Betrieb setzt, z. B. mit einem Elektromagneten, verbunden. Um das Übertragen der Druckspitzen in den Reversierzylinder während der Rückbewegung des Presskolbens zu verhindern, ist der Kolben des Blockierungsschiebers mit dem beweglichen Teil der Maschine mittels einer Zugstange verbunden, wobei die Verbindung dieses Kolbens mit der Zugstange mittels einer an der Zugstange angeordneten und mit einem Arm versehenen Gleitkupplung durchgeführt ist, wobei die Hubhöhe des Armes derart bemessen ist, dass sie für die Erzielung des minimalen funktionsmässigen Vorschubes des Kolbens des Blockierungsschiebers reicht.
Dadurch wird erreicht, dass der Kolben jeweils ohne Verzögerung während der beiden Bewegungen die Bewegung der Zugstange verfolgt, so dass die Druckspitze nicht auf den Reversierkolben übertragen wird.
Um zu verhindern, dass die aus dem Druckraum des Presszylinders abfliessende Flüssigkeit die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in dem Reversierzylinder nicht beeinflussen kann, ist der Blockierungs-
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schieber teils mit einem Rückschlagventil versehen, teils ist er mittels einer Leitung direkt mit dem Abfluss verbunden. Das Rückschlagventil verhindert durch Verschieben des Blockierungsschieberkolbens nach rechts den Abfluss der Flüssigkeit aus dem Reversierzylinder über das Regelventil, den Druckraum des Presszylinders und den Verteiler in den Abfluss ; die direkte Verbindung des Blockierungsschiebers mittels einer Leitung mit dem Abfluss ermöglicht, dass bei der Verschiebung des Blockierungsschieberkolbens nach rechts der Reversierzylinder über das Regelventil auf diesem kurzen Weg mit dem Abfluss verbunden ist.
In der Zeichnung ist ein praktisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung schematisch dargestellt. Der feste Teil der Maschine 1 trägt die Einspannbacke 2 und den Einspannzylinder 3 samt der Gegenbacke 4 ; der bewegliche Teil der Maschine 5 trägt den andern Einspannzylinder 6 samt den Einspannbacken 7,8. Die Einspannzylinder 3 und 6 werden mittels der Verteiler 9,10 von einer nicht eingezeichneten Druckquelle hydraulisch betätigt. Der bewegliche Teil der Maschine 5 wird mittels des Kolbens 11 des Presszylinders 12 betätigt. Der Presszylinder 12 ist mit einem Druckraum 13 und einem Rückschlagraum 14 versehen.
Der Presskolben 11 ist als Differentialkolben ausgeführt und wird mittels eines Vierwegverteilers 15 hydraulisch betätigt, der auf bekannte Art mittels zweier Elektromagnete 16, 17 und eines zweiarmigen Hebels 18 gesteuert wird.
Der Verteiler 15 hat vier Lagen :
In der 1. Lage, wo beide Magnete 16,17 stromlos sind, überführt der Verteiler 15 die Druckflüssigkeit von der Pumpe 19 in den Rückschlagraum 14 des Presszylinders 12 und gleichzeitig überführt er aus dem Druckraum 13 dieses Zylinders die Flüssigkeit in den Behälter 20 ; der Presskolben bewegt sich hiebei nach rechts.
In der 2. Lage, in welcher beide Magnete 16,17 unter Strom sind, überführt der Verteiler 15 die Druckflüssigkeit in den Druckraum 13 des Presszylinders 12 und aus dem Rückschlagraum 14 dieses Zylinders gibt er die Flüssigkeit frei für denAbfluss in den Behälter 20 ; der Presskolben 11 bewegt sich mit voller Geschwindigkeit nach links.
In der 3. Lage ist der Magnet 16 unter Strom, während der Magnet 17 stromlos ist. In dieser Lage ist die Druckleitung der Pumpe 19 mit dem in den Behälter 20 führenden Abfluss verbunden, so dass weder in den Druckraum 13 noch in den Rückschlagraum 14 des Presszylinders 12 Druckflüssigkeit zugeführt wird ; der Kolben 11 ist somit druckentlastet und verbleibt in derselben Lage, in der er sich vor der Verstellung des Verteilers 15 in die 3. Lage befand.
In der 4. Lage ist der Magnet 17 unter Strom und der Magnet 16 stromlos ; die Flüssigkeit aus der Pumpe 19 strömt in den Druckraum 13 des Presszylinders 12 und aus dem Rückschlagraum 14 kommend, wird sie durch den Verteilerschieber 15 gedrosselt und in die Abflussleitung des Behälters 20 eingelassen. Der Presskolben 11 bewegt sich hiebei nach links mit einer beliebigen Geschwindigkeit, welche durch Verdrehung des Exzenters 21 geregelt wird, welcher auf die Aufhängung des Magneten 17 einwirkt.
An der rechten Seite des Zylinders 12 ist ein Umströmungskanal mit einem Rückschlagventil 49 angeordnet, welches in der rechten Totpunktlage des Kolbens 11 den Rückschlagraum 14 mit dem Druckraum 13 verbindet ; das Rückschlagventil 49 verhindert, dass am Anfang der Bewegung des Kolbens 11 nach links die Druckflüssigkeit, die aus dem Verteiler 15 in den Raum 13 eindringt, nicht in den Raum 14 gelangt.
Der Höchstdruck der Pumpe 19 wird durch den Druckregler 22 begrenzt. Der Druckraum 13 des Presszylinders 12 ist stets über den Verteiler 15 mit dem Schieber 23 verbunden, welcher mittels des Elektromagneten 24 betätigt wird. Sobald der Magnet 24 stromlos ist, verbindet der Schieber 23 den Druckraum 13 des Presszylinders 12 über das Niederdruckventil 25 mit dem Behälter 20 ; wenn dann der Magnet 24 unter Strom liegt, ist diese Verbindung unterbrochen. Die Höhe des Druckes im Raum 13 ist somit entweder durch den Druckregler 22 oder durch das Niederdruckventil 25 beschränkt. Der Druckregler 22 bestimmt die Höhe des Stauchdruckes, das Niederdruckventil 25 bestimmt die Druckhöhe bei den Vorwärmungsberührungen, welche immer niedriger ist als die Höhe des durch den Druckregler 22 bestimmten Stauchdruckes.
In der in der Zeichnung dargestellten Lage, in welcher der Magnet 24 stromlos ist, ist die Druckhöhe im Druckraum 13 durch das Niederdruckventil 25 bestimmt. Der Druckregler 22, der in dieser Lage ebenfalls an den Druckraum 13 angeschlossen ist, kann nicht in Tätigkeit treten, da er auf einen höheren Druck als das Niederdruckventil 25 eingestellt ist. Das ist die Lage bei Vorwärmung. Bei Stauchung erhält der Magnet 24 Strom, der Schieber 23 wird verstellt, so dass das Niederdruckventil 25 ausser Tätigkeit gesetzt wird und an den Raum 13 bleibt dann nur der Druckregler 22 angeschlossen, der die Höhe desStauchdruckes bestimmt.
Der Druckraum 13 des Presszylinders 12 ist weiters mit dem Doppelregler 28 verbunden, an den der Blockierungsschieber 27 angeschlossen ist. Der Regler 28 ist mit zwei Regelventilen versehen, von denen
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mittels des Ventils 29 die Anpressungszeit der Schweissteile und mittels des Ventils 30 die Unterbrechung dieser Berührung geregelt wird. Der Doppelregler 28 ist mit dem Zähler 36 der Vorwärmungsimpulse über einen Reversierzylinder 31 verbunden, der mit dem Kolben 32 und einer Rückschlagfeder 33 versehen ist.
Der Kolben 32 betätigt den Reversierschalter 34. Sobald der Reversierschalter 34 ausgeschaltet ist, verlieren die beiden Magnete 16 und 17 für die Einschaltung des Verteilers 15 des Presskolbens 11 den Strom (der Verteiler 15 befindet sich in der 1. Lage) und der Kolben 11 bewegt sich nach rechts. Sobald der Reversierschalter 34 eingeschaltet ist, erhalten die beiden Magnete 16 und 17 Strom (der Verteiler 15 befindet sich in der 2. Lage) und der Kolben 11 bewegt sich mit voller Geschwindigkeit nach links. Der Kolben 32 des Reversierzylinders 31 verdreht bei jeder seiner Bewegungen nach oben, mittels des Daumens 35, den Zähler 36 jeweils um einen Zahn. Der Zähler 36 wird mittels einer Feder nach rechts verdreht, d. h. im Uhrzeigersinn und in dieser Richtung wird er auch durch den Daumen 37 gehalten ; diese Feder ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
Beide Daumen 35 und 37 können mittels eines Elektromagneten 38 ausser Betrieb gesetzt werden ; der Elektromagnet 38 wird mittels der parallelgeschalteten Schalter 47,48 betätigt. Sobald der Elektromagnet 38 Strom erhält, kehrt der Zähler 36 infolge Einwirkung der Feder in die Ausgangslage zurück, d. h. der Stift 39, der an dem Zähler 36 befestigt ist, stützt sich an dem Arm 40 ab. Beim Drehen des Zählers 36 nach links, d. h. gegen den Uhrzeigersinn, kann der Stift 39 den Schalter 41 betätigen ; sobald dieser Schalter 41 eingeschaltet ist, wird der Verteiler 15 in die Lage 4 umgeschaltet. Der Kolben 50 des Blockierungsschiebers 27, der an den Doppelregler 28 angeschlossen ist, wird mittels der Zugstange 42 umgestellt, die mit dem beweglichen Teil der Maschine 5 verbunden ist.
Die Zugstange 42 läuft durch die Gleitkupplung 43 hindurch, die mittels des Armes 44 den Kolben 50 des Blockierungsschiebers 27 umstellt. Der Arm 44 der Gleitkupplung 43 ist mit dem Kolben 50 mit einem bestimmten regelbaren Spiel frei verbunden, wodurch erreicht wird, dass der Kolben 50 der Bewegung der Zugstange 42 in beiden Richtungen mit einer gewissen Verzögerung folgt. Der Blockierungsschieber 27 verhindert, dass beim Gangumschalten des Presskolbens 11, die Druckspitzen, die beim Beschleunigen sämtlicher mit dem Kolben 11 verbundenen Bewegungsmassen auftreten, nicht auf den Reversierkolben 32 übertragen werden, um hiedurch einer vorzeitigen Reversierung vorzubeugen, solange die Schweissteile aufeinander nicht aufliegen.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermassen : In die Backen 2,4 des festen Maschinenteiles 1 wird der eine Schweissteil 45 eingespannt, der mit dem andern Schweissteil 46, welcher in die Bakken 7,8 des beweglichen Maschinenteiles 5 eingespannt wird, verbunden werden soll.
Der Magnet 24 für die Betätigung des Schiebers 23 ist stromlos, so dass der Druckraum 13 des Presszylinders 12 an das Niederdruck-Drosselventil 25 angeschlossen wird ; durch dieses Ventil wird der Druck unter dem die Schweissteile aufeinander angedrückt werden sollen, bei gleichzeitigen Vorwärmungsimpulsen, eingestellt. Der Presskolben 11 befindet sich in der Grundstellung, d. h. in der rechten Randlage ; die Magnete 16 und 17 sind stromlos, der Verteiler 15 befindet sich in der 1. Lage, die Pumpe 19 arbeitet leer und die Druckflüssigkeit, welche über den Verteiler 15 dem Rückschlagraum 14 des Presszylinders 12 zugeführt wird, drückt den Presskolben 11 in eine solche Lage, dass dessen Kopf die Zuleitung über das Rückschlagventil 49 freigibt und die Flüssigkeit strömt über den Raum 13 und den Verteiler 15 in den Behälter 20.
Der Schalter 48 ist eingeschaltet, so dass der die Daumen 35,37 beherrschende Magnet unter Strom liegt und beide Daumen 35,37 ausser Betrieb liegen ; der Zähler 36 ist in seine Ausgangslage zurückgekehrt, d. h. der Stift 39 stützt sich an dem Arm 40 ab. Dieser Arm 40 wird in einer solchen Lage fixiert. dass nach Verdrehung des Zählers 36 um eine solche Zähnezahl, die der verlangten Anzahl der
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Pfeil angedeutet ; der Schalter 34 ist eingeschaltet.
Durch Niederdrücken des Anlasserknopfes (nicht eingezeichnet) werden die Backen 2, 4, 7, 8 unter Strom gelegt, der Verteiler 15 in die Lage 2 umgestellt, und das Arbeitsmedium strömt in den Druckraum 13 des Presszylinders 12 ein ; die Druckspitze, die durch die Beschleunigung der mit dem Presskolben 11 verbundenen Bewegungsmassen entsteht, kann nicht in den Reversierzylinder 31 übertragen werden, da dies der Blockierungsschieber 27 verhindert.
Die Schweissteile 45, 46 werden mit einem Druck der durch das Drosselventil 25 bestimmt wird, an- einandergedrückt ; bei der Bewegung des Kolbens 11 hat sich der Kolben 50 des Blockierungsschiebers 27 umgestellt und die Verbindung des Druckraumes 13 des Presszylinders 12 über das Regelventil 29 und das Rückschlagventil 26, den Schieber 27 und das Ventil 30, in den Reversierzylinder 31 hergestellt. Gleich-
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Das erfindungsgemässe Verfahren samt der dazugehörigen Einrichtung, stellt einen technischen Fortschritt auf dem Gebiet der Widerstandsschweissung dar, der vor allem in der Regelbarkeit der Näherungsgeschwindigkeit, sowie jener der Abtrennung der Schweissteile, besteht.
Weiters ermöglicht die Erfindung die Tiefe der Vorwärmung der Schweissteile durch Änderung der Anpressungskraft, der Anpressungszeit und der Berührungsdauer sowie der Berührungsunterbrechung einzustellen. Ein weiterer Vorteil besteht dann in der Möglichkeit der Einstellung einer beliebigen Anzahl der Vor- wärmungsimputse, wobei nach deren Erschöpfung die Maschine auf den Abschmelzungsprozess umgeschaltet wird. Schliesslich ist es möglich, die bestgeeignete Anzahl der Vorwärmungsimpulse einzustellen, wobei auch bei der Schweissung von Probestücken, eine an Qualität hervorragende Verbindung erzielt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur elektrischen Widerstandsschweissung von Stählen durch Abschmelzung, insbesondere von chrom- und molybdänlegierten Stählen, bei welchem die Schweissteile vor dem eigentlichen Schwei- ssen dadurch vorgewärmt werden, dass sie wiederholt einander bis auf Berührung genähert und beim gleichzeitigen Stromübergang durch eine regulierbare Anpresskraft angedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Vorwärmungszone in den Schweissteilen und deren Temperatur durch die Berührungsund Berührungsunterbrechungsdauer der Schweissteile mittels eines Doppelreglers (28) und die Anzahl dieser Berührungen durch einen Zähler (36) der Vorwärmungsimpulse geregelt werden.