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VERFAHREN ZUM MAGNETIMPULSSCHWEIßEN VON METALLEN UND VORRICH-TUNG
ZUM DURCHFÜHREN DESSELBEN Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet
des Schweißens von Metallen sowie genauer auf ein Verfahren zum Magnetimpulsschweißen
von Metallen und die Vorrichtung zum Durchführen desselben.
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Es ist ein Verfahren zum Magnetimpulsschweißen von Metalls erzeugnissen
bekannt, bei dem eine umlösbare Verbindung durch aufeinanderfolgendes schnelles
auslaufen eines Teils auf den andern (unbeweglichen) Teil erhalten wird. Der auflaufende
Teil wird mit Hilfe eines Impulsmagnetfelds beschleunigt, während das aufeinanderfolgende
Zusammenstoßen der einzelnen Abachnitte der zu verschweißenden Oberflächen dadurch
erhalten wird, daß sie im Ausgangszustand vor dem Schweißen unter einem
Winkel
zueinander liegen.
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Es ißt ein Nachteil dieses Verfahren, das allmählich der Spalt zwischen
den zu verschweißenden Oberflächen im Ausgangszustand vor dem Schweißen vergrößert
werden muß was zusätzhohe maschinelle Bearbeitung erforderlich macht und in einer
Reihe von Fällen, z.B0 beim Überiappungsschweißen von d"unn.
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wandigen Rohren aus Metallen mit geringer Verformbarkeit, unausführbar
ist.
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Beim Verwenden dieses Verfahrens zum abdichten von Schutzhullen der
wärmeabgebenden Elemente von Kernreaktoren muß ein Zusatzteil, nämlich ein Blindflansch
mit konisch geformter Schweißfläche, vorhanden sein.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile
zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt die ufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Magnetimpulsschweißen
zu entwickeln, bei dem das aufeinanderfolgende schnelle Zusammenstoßen der einzelnen
Ibsohnitte der zu verschweißende Oberflächen durch die entsprechende Gestalt des
Magnetfeldsserhalten wird und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wltd dadurch gelöst, daß beim Verfahren zum Magnetimpulsschweißen
die Amplitude der Magnetfeldstärke monoton längs des zu verschweißenden Abschnitts
geändert wird Entsprechend einer der Varianten wird beim Magnetimpulsschweißen die
Amplitude Ho der Magnetfeldstärke längs der Länge
z des zu verschweißenden
Abschnitts bei einem Spalt h zwischen den zu verschweißenden Oberfächen nach folgendem
Gesetz geandert: dHo/dz lio Zweckmäßigerweise wird bei der Vorrichtung zum Magnetimpulsschweißen,
die einen Induktor mit einer Wicklung enthält, die Innenfläche des Induktors konisch
ausgeführt.
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Es ist auch zweckmäßig, bei der Vorrichtung zum Magnetimpulsschweißen
die Innenfläche des Induktors aus schwerschmelzendem Metall auszuführen, welches
gegen stoßartige mechanische Belastungen widerstandsfähig ist.
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Nachstehend wird die Erfindung durch eine ausführliche Beschreibung'
derselben anhand von konkreten Ausführungsbeispielen und beiligenden Zeichnungen
erläutert; es zeigt Fig. 1 das vereinfachte Schema des Schweißens von Teilen mit
parallel liegenden, zu verschweißenden Oberflächen, Fig. 2 das Schema beim Überlappungsschweißen
von zylindrischen Rohren, Fig. 3 das Schema beim Abdichten eines Rohrs, Fig. 4 einen
Rohrabschnitt nach dem Abdichten, Fig. 5 die Konstruktion des induktors zum Schweißen
von Metallrohren (im Längsschnitt) und Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau der Magnetimpulsanlage
zum Schweißen von Metallrohren.
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Beim Schweißen (Fig. 1) wird der eine der beiden Teile und zwar Teil
1 parallel dem andern (unbeweglichen) Teil 2 angeordnet, wobei ein gewisser Spalt
h vorgesehen wird. Auf die Außenfläche des Teils 1 wirkt das Impulsmagnetfeld mit
der Belastungslinie 3, welche die relative Verteilung der Feldstärkeamplitude dieses
Felds anzeigt. Die Amplitude Ho der Impulsmagnetfeldstärke wird längs der Länge
z des zu verschweißenden Abschnitts nach folgendem Gesetz geändert: ###### # 1/h
Auf diese Weise wirkt auf jeden der zu verschweißenden Elementarabsohnitte dz des
Teils 1 ein magnetfeld mit unterschiedlicher Amplitude. Die Geschwindigkeit, welche
dem Elementarteil dz durch das Einwirken des Magnetfelds erteilt wird, ist proportional
der Feldstärkeamplitude Ho dieses Eelds. Deshalb erreichen, obwohl das Magnetfeld
auf den ganzen zu verschweißenden Abschnitt z gleichzeitig einwirkt, die Elementarabschnitt
dz den unbeweglichen Teil 2 in zeitlich verschiedenen Augenblicken. Das gewählte
Gesetz für die Änderung der Feldstärkeamplitude Ho gewährleistet das Verschieben
des Punktes, in dem Teil 1 und Teil 2 zusammenstoßen, langes des zu verschweißenden
Abschnitts mit der Geschwindigkeit, die zum Erhalten einer hochwertigen Schweißung
erforderlich ist, Beim Überlappungsschweißen von zylindrischen Teilen (Fig. 2) wira
Teil 4 koaxial zum unbeweglichen Teil 5 angeordnet, wobei
der Radialspalt
h vorgesehen wird, während auf den Teil 4 das Impulsmagnetfeld einwirkt, dessen
Feldstärkeamplitude Ho langes der Achse z nacn demselben Gesetz wie in dem obenbeschriebenen
Fall geändert wird.
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Das aufeinanderfolgende zusammenstoßen der einzelnen Abschnitte wird
durch die Ungleichartigkeit des Magnetfelds, welches auf die Außenfläche des Teils
4 einwirkt, gewährleistet.
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Wenn zylindrische Metallrohre durch Magnetimpulsschweißung nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren abgedichtet werden sollen, so wirkt auf den abzudichtenden
Abschnitt des Rohre 6 ein Impulsmagnetfeld, dessen Feldstärkeamplitude Ho sich länge
der Achse z nach folgendem Gesetz ändert: dHo/dz # 1, d wobei d der Innendruchmesser
des abzudichtetenden Rohrs ist.
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Hierbei wird, da der Innenkanal am Ende des Rohrs 6 vollkommen in
radialer Richtung zusammengezogen wird, ein monolitischer Axialstab 7 (Fig. 4) erhalten.
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Die Vorrichtung zum Durchführen des Magnetimpulsschweiß-Verfahrens
(Fig. 5, 6) enthält einen Induktor 8, der aus einer massiven Spule mit einer Windung
besteht. Diese Spule ist in die auseinandernehmbare Klemmvorrichtung 9 eingesetzt,
die mit einem leistungsfähigen Stromimpulsgenerator 10 verbunden ist.
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In der Spule ist ein Einsatzstück 11 aus Tantal oder einem andern
schwerschmelzbaren, stoßfesten Metall oder einer entsprechenden Legierung befestigt.
Es wird, um einen eventuellen
elektrischen Durchschlag zwischen
Induktor 8 und Rohr 12 zu verhindern, letzteres in eine spezielie Isolationshülse
13 eingesetzt. Es kann, um das Oxydieren der Rohraußenseite in der Schweißzone zu
verhindern, inertes Schutzgas 14 zugeleitet werden.
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Die Konizität der Innenfläche des Induktors bedingt die Ungleichmäßigkeit
des Magnetfelds längs der Rohrachse, wodurch wiederum die aufeinanderfolgende Näherung
von Nachbarabschnitten der Rohrinnenfläche an die Achse gewährleistet wird. Die
Größe des Kogelwinkels α und der Magnetfeldstärke Ho wird in jedem konkreten
Falle gewählt, wobei von den physikalischen Eigenschaften des Metalls und der Form
des zu bearbeitenden Werkstücks ausgegangen wird. Die Serachnung, welche auf der
Betrachtung eines hydrodynamierhan Modells beruht, l@efert folgenden Ausdruck für
die Werte α und Ho unter der Voraussetzung, daß die Größe der autschicht des
Felds im zu bearbeitenden Metall nicht die Rohrvandstärke überschseitet: Ho = (3
+ O,3) 105
(Oersted),
wobei do - Rohraußendurchmesser in cm, Do - Durchschmittsdurchmesser der Arbeitsöffnung
im Induktor in cm, m - Masse des 1 cm langen Rohrabschnitts in g/cm, VSch - Schallgeschwindigkeit
im Rohrmetall in cm/s.
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Es ist beispielsweise beim Abdichten der Enden eines Stahlrohrs mit
20 mm Durchmesser und 2 mm Wandstärke bei einer Arbeitsfrequenz des Feldes von ca.
50 khz die Amplitude der Magnetfelstärke Ho= 500 kOe und der Kegelwinkel des Induktors
α=8°.
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Die Vorrichtung arbeitet folgender maßen.
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Das Ende des Rohrs 12 wird koaxial in den Induktor 8 und zwar innerhalb
der Isolationshülse 13 eingesetzt, inder ein Strom aus Schutzgas 14 erzeugt wird.
Auf 3e£ehl der Bedienkraft oder automatisch wird der Stromgenerator 10 eingeschaltet,
der aus einer Hochfrequenz-Kondensatorbatterie besteht. Unter dem Einfluß des Impulses
des Magnetfelds, dessen Gestalt durch die Induktorform bestimmt wird, wird das Rohr
radial zumammengedrückt und an seinem Ende entsteht hierbei ein monolithischer Stab.
Dieser Prozeß ist damit verbunden, daß bei einer Verformungsgeschwindigkeit von
ca. 105 cm/s in der Zone in der Nähe der Rohrachse Drücke von bis 300 Tausend Atmosphären
entstehen, die von einem intensiven Metallfluß begleitet werden. Der entstandene
kumulative Axialstrom zerstört die Oberflächenhautteilchen und Verunreinigungen
und schafft sie aus der Sdhweißzone tort. Unter dem Einfluß des stoßweisen Zusammendrückens
wird das Metall verdichtet. Die aufenianderfolgende Näher von Rohrnachbarelementen
an die Achse verhindert es, dX die Ganzheit des Metalls unter dem Einfluß von Entlastungswellen
unterbrochen wird, vorausgesetzt daß die Axialverschiebungsgeschwindigkeit
des
Berührungspunkts nicht großer als die Schall geschwindigkeit im bearbeiteten Metall
ist.
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Der beschriebene Prozeß wird dadurch gekennzeichnet, daß bei ihm
die Möglichkeit des Entstehens von undichten Plachen minimal ist, da das Metallgefüge
in der Schweißzone homogen sowie die Wärmeeinwirkung auf die an der Schweiß zone
anliegenden Abschnitte unbedeutend ist und auch der Prozeß vollautomatisiert werden
kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Magnetimpulsschweißen ermöglicht
es, wiederholt Magnetfeldimpulse mit bedeutend höherer Arbeitsfrequenz und größerer
Feldstärke im Vergleich mit den bestehenden anlagen zu erhalten, wodurdh es möglich
wird, nach dem erfisdungsgeia"ßen Verfahren Metalle, welche hohe Festigkeitseigenschaften
besitzen, darunter Metalle mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, einschließlich
der Zirkoniumlegie-Fungen und nichtrostender Stähle, zu schweißen.
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Ins/besondere wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Abdichten von
Schutzhüllen der wärmeabgehenden Elemente von Kernreaktoren aus korrosionsbestan"digen
Legierungen sorwendot.