DE2512356C3 - Vorrichtung zum Verschweißen metallischer Werkstoffe mit Hilfe kinetischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum flächigen Verschweißen metallischer Werkstoffe mit Hilfe kinetischer Energie des Deckwerkstoffes.

Schweißen mit kinetischer Energie wird - in Form des Sprengschweißens - überwiegend zum Plattieren größerer Flächen angewendet. Häufig stellt sich jedoch in der Fertigung - beispielsweise in der Fertigung elektrischer Kontakte - die Aufgabe, Bauteile begrenzter Größe zu planieren.

Es ist bekannt, daß das Sprengschweißen die Werkstoffe thermisch weniger belastet als die meisten der zum Stand der Technik gehörenden Schweißverfahren.

Hierdurch ist es möglich, auch Werkstofikombinationen miteinander zu verschweißen, deren Schmelzpunkte weit auseinander liegen oder bei denen metallurgische Reaktionen das Anwenden thermischer Schweißverfahren. ausschließen. Es ist weiterhin bekannt, daß mit Hilfe des Sprengschweißens auch Werkstoffe miteinander verbunden werden können, deren Schweißneigung bei anderen Schweißverfahren gering ist.

Beim Sprengschweißen erfolgt die Schweißung durch den Stoß des mit großer Geschwindigkeit - d. h. mit großer kinetischer Energie — unter einem Winkel

auf den Grundstoff aufprallenden Deckwerkstoffes. Die Auftreffgescfawindigkeit wird hierbei durch eine über dem Deckwerkstoff gezündete Ladung aus detonierendem Sprengstoff erzeugt.

Abgesehen davon, daß eine Miniaturisierung von Ladung und Zündmittel für das Verschweißen kleiner Flächen beim Sprengschweißen technische Schwierigkeiten bereitet und das Arbeiten mit Sprengstoffen gesetzlichen Vorschriften und Einschränkungen unterliegt, die dit Fertigung hemmen und verteuern, ist es schwierig, das Sprengschweißen so zu gestalten, daß die in Serienfertigung benötigten kurzen Taktzeiten mit angemessenen Fertigungskosten realisiert werden können.

Der Erfindung liegt daher die A-ifgabe , · j unde, die Vorteile des Schweißens mit kine^ischt; ?inergie in einer Vorrichtung zu nutzen, die ohne deiouierende Sprengstoffe betrieben werden kam und die eine schnelle Taktfolge ermöglicht.

Diese Aulgabe wird erf in·-¹.. ngsgcmäß in einer Vorrichtung, bestehend aus eineit: ohrförmigen Gnindkörper mit einem in seinem Inneren beweglichen Kolben und mit einer Beschleunigungsvorrichtung für diesen Kolben dadurch gelöst, daß aus der Stirnfläche des beweglichen Kolbens, der rohrförmigen Ward des Grundkörpers und der einen Fläche des flächigen metallischen Deckwerkstoffes ein abgeschlossenes, adiabatisch verdichtbares Kompressionsvolumen gebildet ist, wobei die andere Fläche desselben Deckwerkstoffes einer. Rezipienten abdeckt, in dem sich der zu überziehende metallische Grundwerkstoff befindet.

Die in dieser Vorrichtung bei schneller Kolbenbewegung entstehenden großen Drücke im Kompress^:onsraum beschleunigen den Deckwerkstoff in den Rezipienten hinein und erteilen dem Deckwerkstoff die zum Schweißen mit kinetischer Energie benötigten großen Geschwindigkeiten. Dabei bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung nachstehend aufgeführte Vorteile:

- Die metallkundlichen Vorteile des Schweißens mit kinetischer Energie können technisch genutzt werden.

- Der Umgang mit handhabungsgefährlichen detonierenden Sprengstoffen wird vermieden.

- Durch eine Automatisierung des Ladevorgangs - beispielsweise dem Stand der Waffenüchnik entsprechend - bei kartuschenbetriebenen Vorrichtungen oder durch gesteuerte Ventile beim Betrieb erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit brennbaren Gasgemischen lassen sich kurze Taktzeiten erzielen.

Die Vorrichtung kann oadurch vorteilhaft weitergebildet werden, daß der metallische Deckwerkstoff zum Grundwerkstoff hin konvex gewölbt ausgebildet ist, beispielsweise in Kegelform. Hierdurch ist es möglich, die Auftreffgeometrie des Deckwerkstoffes günstig zu beeiniiussen und der vorgesehenen fviaieriaipaarung optimal anzupassen.

Zum Antrieb des beweglichen Kolbens in erfindungsgemäßen Vorrichtungen können zum Beschleunigen dieses Kolbens Kartuschen verwendet werden, die mit einem chemischen Treibmittel - beispielsweise Schießpulver - gefüllt sind.

Auf diese Weise sind mit einfachen technischen Mitteln große Energieumsätze möglich.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung erfindungsgemäßer Vorrichtungen ist dadurch gegeben, daß zum Beschleunigen des Kolbens eine mit einem

brennbaren oder explosiblen Gasgemisch gefüllte Explosionskammer verwendet wird, das Gasgemisch durch eine geeignete, vorzugsweise elektrisch betriebene Einrichtung gezündet wird und der Kolben als Stufenkolben ausgebildet ist Bei einer derartigen Ausführungsform, die sich mit einfachen, zum Stand der Technik gehörenden Bauelementen verwirklichen läßt, entfallen die Kostenbelastungen, die durch ein Vorfertigen der Kartuschen entstehen.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen lassen sich auch dadurch vorteilhaft weiterbilden und in ihrem Energieumsatz steigern, daß das Kompressionsvolumen mit brennbaren oder explosiblen Gasgemischen gefüllt ist. Durch die Temperatursteigerung bei der adiabatischen Kompression werden die brennbaren oder explosiblen Gasgemische gezündet und erhöhen Druck und Energie. Alternativ hierzu können auch zündfähige Gemische vergaster oder verdüster Flüssigkeiten mit oxidierbaren Gasen verwendet werden, gegebenenfalls auch brennbare Feststoffe in geeigneter Verteilung.

Beim Antrieb erfindungsgemäßcr Vorrichtungen durch eine mit brennbaren Gasgemischen gefüllte Explosionskammer besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß die Füllung der Explosionskammer und des Kompressionsvolumens durch gesteuerte Ventile und die Kanten des beweglichen Kolbens derart erfolgt, daß der Kolbe beim erneuten Füllen in seine Ausgangslage zurückbewegt und das verbrannte

so Gasgemisch selbsttätig ausgestoßen wird. Bei dieser Ausführungsform sind alle Vorrausetzi'ngen für ein taktweises Arbeiten gegeben.

Bei der beschriebenen Vorrichtung besteht die Möglichkeit, den Rezipienten, der den Grundwerkstoff enthält, zu evakuieren, um Rückwirkungen der eingeschlossenen Luft auf den Schweißvorgang selbst zu vermeiden.

Die im Kompressionsraum auftretenden Verdichtungsdrücke sind vor allem dann, wenn eine zusätzliehe Energiezufuhr durch zündfähige Gas- oder Flüssigkeitsgemische erfolgt, so groß, daß eine weitere tec'.nische Verbesserung erfindungsgemäßer Vorrichtungen dadurch möglich wird, daß da& Oberteil des Rezipienten, der den Grundwerkstoff aufnimmt, als Zieh- oder Stanzwerkzeug ausgebildet s^aAn kann. Der Dei-kwerkstoff ethan dann seine läüffiüche Wölbung, die für eine günstige Aufschlaggeometrie notwendig ist, durch Zieh- oder Stanzkräfte während der Deckwerkstoffbeschleunigung. Bei dieser Weiterbildung kann also das Vorverformen des Deckwerkstoffes gegebenenfalls entfallen, wodurch sich die Gesarntfertigur.gskosteri senken lassen.

Die dem Deckwerkstoff erteilte kinetische Energie wird nur zum geringen Teil für den eigentlichen Schweißvorgang benötigt. Die Restenergie kann zum Formgeben des fctig plattierten Werkstoifverbundes dadurch gciiui.il wcii^:cn, ΰαΞ üic Auiiugc ücs Giuiiöwerkstoffes im Rezipienten als formgebendes oder schneidendes Werkzeug ausgebildet ist. Beim Plattieren von FormteiLn kann damit die gewünschte Endform des Vsrbundes weitgehend in einem Arbeitsgang hergestellt werden.

Sollen in erfindungsgemäßen Vorrichtungen vorgefertigte Deck- und Grundwerkstoffzusfhnitte verarbeitet werden, so ist es zweckmäßig, die Zuführung dieser Werkstoffe in an sich bekannter Weise durch einen Rundtisch vorzunehmen, wobei gegebenenfalls mehrere Stationen durchlaufen werden können.

Besonders vorteilhaft kann es jedoch sein» Deck- und Grundwerkstoff in Bandform zuzuführen, da dieses Vorgehen weitgehend der üblichen Technik beim Stanzen entspricht. Das Zuführen des Deckwerkstoffes vom Band bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die dem Kompressionsvolumen zugekehrte Seite des Deckwerkstoffbandes mit einer Schutzfolie abzudekken, die zusammen mit dem Deckwerkstoffband transportiert wird. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn im Kompressionsraum zusätzliche Energieträger gezündet werden, da die Oberfläche des Deckwe/kstof fes dann vor der Einwirkung höherer Temperatur geschützt wird. Bildet man die Vorrichtung so weiter, daß die Werkstoifzufuhr mit den Steuerelementen für den Gasein- und -auslaß derart gekoppelt ist, da3 ein selbsttätiger taktbarer Arbeitsablauf entsteht, so läßt sich die Handhabung der Vorrichtung noch weiter verbessern.

Die beim Schweißen mii kinetischer Energie häufig auftretende Strahlbildung, bei der aus der Schweißzone Werkstoffpartikel mit extrem hoher Geschwindigkeit nach außen fortgeschleudert werden, führt in der Regel zu Beschädigungen der Wand des Rezipienten. Eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Vorrichtung besteht daher <rin, daß die aus einem oder mehreren Bauteilen bestehende Wandung des Rezipienten durch auswechselbare Verschleißhülsen oberflächengeschützt werden kann.

Die Anordnung des Grundwerkstoffes in einem evakuierbaren Rezipienten gestattet es, bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen Grund- bzw. gegebenenfalls den Deckwerkstoff auf andere Temperaturen als die Raumtemperatur zu bringen und damit den Schweißvorgang zu optimieren. Wird im Rezipienten Hochvakuum angewendet, so ist eine thermische Oberflächenreinigung des Schweißgutes erfindungsgemäß möglich.

Anhand der Fig. 1 -6 sei nunmehr der Erfindungsgedanke näher erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine kartuschenbetriebene erfindungsgemäße Schweißvorrichtung. Der rohrförmige Grundkörper (6) enthält den beweglichen Kolben (2), die schießpulvergefüllte Kartusche (8) zum Beschleunigen des Kolbens (2) und den zum Zünden der Kartusche dienenden Schlagbolzenmechanismus (9). Der Grundkörper (6) wird durch den - im vorliegenden Fall - kegelig vorgeformten Deckwerkstoff (4) abgeschlossen, so daß zwischen dem Kolben (2) in der gezeichneten Ausgangsstellung und dem Deckwerkstoff (4) das Kompressionsvolumen (1) entsteht. Durch die Bohrung (3) kann das Kompressionsvolumen (1) gegebenenfalls mit explosiblen Gasgemischen gefüllt werden. (Das benötigte Füllventil ist in Fig. 1 nicht mit dargestef/t.) Der Grundwerkstoff (5) befindet sich in dem Rezipisnten (7), der durch die Bohrung (IG) gegebenenfalls evakuiert werden kann. Die Dichtung (11) und gegebenenfalls zusätzliche Dichtmittel zwichen dem Deckwerkstoff (4) und dem Grundkörper (6) dichten den Rezipienten (7) und das Kompressionsvolumen (1) gegeneinander ab. Zwischen den Bauelementen (6), (4) und (7) besteht kraft oder gegebenenfalls formschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Schraubverbindungen oder hydraulische bzw. pneumatische Verschlußelemente. (Diese zum Stand der Technik gehörenden Bauelemente sind in Fig. 1 nicht mit dargestellt.)

Wird die Kartusche (8) mit Hilfe der Schlagbolzenvorrichtung (9) gezündet, so wird der Kolben (2) abwärts beschleunigt und komprimiert das im Kompressionsvolumen (1) befindliche Gasvolumen adiabatisch. Hierdurch setzt sich der das Kompressionsvolu-

men (1) abschließende Deckwerkstoff (4) in Bewegung. Ist das Kompressionsvolumen (1) beispielsweise mit brennbaren Gasgemischen gefüllt, so werden diese durch die adiabatische Erwärmung gezündet, erhöhen den Druck im Kompressionsvolumen (1) und vergrÖ-ßern damit Beschleunigung, Geschwindigkeit und kinetische Energie des Deckwerkstoffes (4).

Fig. 2 Zeigt die erste Phase der Deckblechbewegung - ebenfalls anhand einer Schnittdarstellung. In diesem Bewegungsstadium ist nur der Mittelbereich des kegelig vorgeformten Deckwerkstoffes (4) auf den Grundwerkstoff (5) mit hoher Geschwindigkeit aufgeschlagen. Infolge der Kegelform des Deckwerkstoffes erfolgt der Aufprall auf den Grundwerkstoff unter einem Winkel, wobei die vom Sprengschweißen bekannte gewellte Form der Schweißzone (12) entsteht.

Fig. 3 zeigt die Endphase des Schweißvorganges

-ebenfalls in Schnittdarstellung. Der Grundwerkstoff

(5) ist vollständig mit dem Deckwerkstoff (4) bedeckt,

und die gewellte Schweißzone (12) erstreckt sich bis zum Rand. Der überstehende Rand des Deckwerkstoffes (4) schert infolge der großen Aufprallkräfte ab, verformt sich und bildet den Abfallring (4'). Hinter dem Koiben (2) können die Verbrennungsgase der Kartuschenladung durch die Gasauslaßbohrung (13)

entweichen, so daß der Kolben (2) durch das Gaspolster im Rezipienten (7) abgebremst werden kann.

Fig. 4 erläutert eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit explosiblen Gasgemischen betrieben wird - auch anhand eines Schnittes. Zum Beschleunigen des Kolbens (2'), der als Stufenkolben ausgebildet ist, dient die Explosionskammer (19), die den Explosionsraum (14) umschließt. Kompressionsvolumen (1) und Explosionsraum (14) können über die Bohrungen (3) und die von den Steuernocken (16) angesteuerten Ventile (15) mit explosiblen Gasgemischen, beispielsweise Knallgas, gefüllt werden. Entsprechend dem Reduktionsverhältnis des Stufenkolbens (2') kann dabei der Explosionsraum (14) mit höherem Druck gefüllt werden. Der Deckwerkstoff (4") wird bandförmig über eine (in Fig. 4 nicht dargestellte) Haspelvorrichtung zugeführt. Die Schutzfolie (18), die ebenfalls von einer Haspelvorrichtung mit Hilfe der Umlenkrollen (17) zugeführt wird, schützt die Oberfläche des Deckwerkstoffes (4") vor dem Einwirken der durch die adiabatische Kompression gezündeten Gase im Kompressionsvolumen (1). Zusätzlich kann die Schutzfolie (18) die Abdic* tung zwischen dem rohrförmigen Gmndkörper (6') und dem Deckwerkstoff (4") übernehmen. Der Gnindwerkstoff (5'), der ebenfalls bandförmig zugeführt wird, wird durch den RezipientenbQden (7") abgestützt, der zusammen mit dem Schneidring (7') den Rezipienten bildet (in Fig. 1 mit (7) bezeichnet). Er kann durch die Bohrung (10) gegebenenfalls evakuiert werden. Nach dem Zünden der Gase im Explosionsraum (14) mit Hilfe der elektrischen Zündkerze (20), das bei geschlossenen Ventilen (15) erfolgt, bewegt sich der Stufenkolben (2*) mit großer Beschleunigung abwärts und verkleinert das Kompressionsvolumen (I).

Fig. 5 erläutert^ in Schnittdarstellung - den weiteren Ablauf: Das Kompressionsvolumen (1) wird adiabatisch verdichtet, das in ihm befindliche Gasgemisch

infolge der mit der Verdichtung verbundenen Temperatursteigerung gezündet und der Deckwerkstoff (4") durch die resultierenden Druckkräfte am Schneidring (T) abgeschert. Die abgescherte Deckwerkstoffronde (4'") wird dabei kartenförmig verformt und bewegt sich nach dem Abscheren mit großer Geschwindigkeit

auf den Grundwerkstoff (5') zu, schlägt dort auf, wobei infolge der Kalottenform das Aufschlagen des Deckwerkstoffes (4'") auf den Grundwerkstoff unter einem Winkel erfolgt. Das Ausbilden der Schweißzone (12) Vollzieht sich analog in der schon bei den Fig. 2 und 3 beschriebenen Weise (Fig. 6).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum flächigen Verschweißen eines flächigen metallischen Decirwerkstoffes mit einem metallischen Grundwerkstoff, bestehend aus einem rohrförenigen Grundkörper mit einem in seinem Inneren beweglichen Kolben und mit einer Beschleunigungsvorrichtung für diesen Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Stirnfläche des beweglichen Kolbens (2), der rohrförmigen Waaid des Grundkörpers (6) und der einen Fläche des flächigen metallischen Deckwerkstoffes (4) ein abgeschlossenes, adiabatisch verdichtbares Kompressionsvolumen (1) gebildet ist, wobei die andere Fläche desselben Deckwerkstoffes (4) einen Rezipienten (7) abdeckt, in dem sich der zu überziehende metallische Grundwerkstoff (5) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der metallische Deckwerkstr^rf (4) zum Grundwerkstoff (5) hin kovex gewöi
ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beschleunigen des Kolbens eine mit einem chemischen Treibmittel, beispielsweise Schießpulver, gefüllte Kartusche verwendet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beschleunigen des Kolbens eine mit einem brennbaren oder explosiblen Gasgemisch gefüllte Explosionskammer verwendet wird, das Gasgemisch durch geeignete, vorzugsweiseelektrisch betiÄbene einrichtungen gezündet wird und der Kclber als Stufenkolben ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsvolumen (1) mit brennbaren oder explosiblen Gasgemischen gefüllt ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsvolumen (1) mit einem zündfähigen Gemisch vergaster oder verdüster Flüssigkeit mit oxidierbaren Gasen gefüllt ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsvolumen (1) brennbare Feststoffe in geeigneter Verteilung enthält.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-3 sowie 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung der Explosionskammer (19) und des Kompressionsvolumens (1) durch gesteuerte Ventile (15) und die Kanten des beweglichen Kolbens (2') beim Füllen in seine Ausgangslage zurückbewegt und das verbrannte Gassemisch durch die Bohrung (13) selbsttätig ausgestoßen wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezipient (7) evakuiert werden kann.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (7') des Rezipienten als Zieh- oder Stanzwerkzeug ausgebildet ist und der Deckwerkstoff (4) die Wölbung nach Anspruch 2 durch Zieh- oder Stanzkräfte während seiner Beschleunigung erhält.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage des

Grundwerkstoffes (5) als formgebendes oder schneidendes Werkzeug ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung vorgefertigter Deck- und Grundwerkstoffzuschnitte durch einen Rundtisch, gegebenenfalls über mehrere Stationen, erfolgt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-11₅ dadurch gekennzeichnet, daß Deck- und Grundwerkstoff in Bandform zuführbar sind.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kompressionsvolumen (1) zugekehrte Seite des bandförmigen Dec-iwerkstoffes (4") mit einer ebenfalls bandförmigen, zusammen mit dem Deckwerkstoff transportierbaren Schutzfolie (18) abgedeckt ist.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aafrechterhaltung eines automatischen taktbaren Arbeitsablaufs die Werkstoffzufuhr nach einem der Ansprüche 12—14 mit den Steuerelementen für Gasemund -ausiaß nach Anspruch 8 gekoppelt ist.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem oder mehreren Bauteilen bestehende Wandung des Rezipienten (7) durch auswechselbare Verschleißhülsen obeiilächengeschützt fest.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—16, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckwerkstoff und der Grundwerkstoff eine andere Temperatur als die Raumtemperatur besitzen.

18. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezipient zur Oberflächenreinigung der zu verschweiSenden Flächen des Deckwerkstoffes (4) und des Grundwerkstoff es (S) evakuierbar und auf andere als Raumtemperatur erwärmbar ist.