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Verfahren und Vorrichtung zum elektrischen Schweissen.
Vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum elektrischen Schweissen verschiedener oder gleicher Metalle.
Ein Zweck der Erfindung besteht darin, eine duktile, homogene Verbindungsstelle zu schaffen und ein besonders einfaches und billiges Verfahren zum raschen und guten Zusammenschweissen von Stücken gleicher oder verschiedener Metalle von solcher Beschaffenheit oder Abmessungen anzugeben, welche guten Ergebnisse mit den bisherigen Verfahren nicht erreichbar waren. Endlich bezweckt die Erfindung, eine einfache und dauerhafte Vorrichtung zur Erzeugung von Schweissverbindungen obiger Beschaffenheit zu schaffen.
Kupfer-und Eisendrähte,-stäbe und-stangeii werden seit langem dadurch mit gutem Erfolg geschweisst, dass man die Leiter aneinanderlegt oder klemmt und einen elektrischen Strom durch die Verbindungsstelle gehen lässt, bis die zum Zusammenschmelzen der Teile erforderliche Wärme erzeugt worden ist. Das Zusammenschweissen von Aluminiumleitern mit Hilfe der gewöhnlichen Methoden bereitete grosse Schwierigkeiten und es wurde bisher für praktisch unmöglich erachtet, eine duktile Verbindungsstelle zwischen ungleichen Metallen, wie Aluminium und Kupfer zu erhalten, welche eine sehr spröde Legierung bilden, wenn sie in gewissen Verhältnissen zusammengeschmolzen werden. Es wurde auch für praktisch unmöglich gehalten. Metalle von sehr verschiedenen Schmelzpunkten, wie Zinn und Platin, zusammenzuschweissen.
Es scheint, dass die bisher beim Schweissen von Aluminiumstücken sich einstellenden Schwierigkeiten hauptsächlich dem UmstanG zuzuschreiben sind, dass sich ihre Oberflächen
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geeignet, weil das Metall vom niedrigeren Schmelzpunkt notwendig zu stark erhitzt und flüssig wird, bevor sich das andere Metall seiner Schweisstemperatur nähert.
Die gewöhnlichen Methoden sind auch zur Erzielung einer guten Schweissverbindung zwischen Kupfer und Aluminium oder anderen Metallen ungeeignet, welche die Neigung haben. spröde Legierungen zu bilden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass auf beträchtliche Entfernung von der Verbindungsstelle aus Legierungen der beiden Metalle gebildet werden, wobei die Mengenverhältnisse von der Verbindungsstelle ausgehend sich ändern, bis Punkte erreicht sind, wo das eine Metall vom anderen frei ist. Wenn daher die beiden Metalle bei irgendeinem Mengen- verhältnis eine spröde Legierung bilden, so ist mindestens ein Querschnitt an jeder Seite der
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zusammengeschweisste Stück besteht.
Nach vorliegender Erfindung werden die bisher bestandenen Schwierigkeiten dadurch beseitigt, dass man eine verhältnismässig grosse Menge sowohl von Wärme als auch von mechanischer Energie, an der Berührungsstelle zwischen den zusammenzuschweissenden Stücken durch eine äusserst kurze Zeit konzentriert.
Die zweckmässigste Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass man die zusammenzuschweissenden leitenden Körper mit den Klemmen eines in geeigneter Weise geladenen Kondensators verbindet und sie dann unter gleichzeitiger plötzlicher Entladung des Kondensators gegeneinanderstösst. Wegen der sehr hohen Temperatur, die bei einer Kondensatorentladung durch sehr kurze Zeit an der gewünschten Stelle konzentriert werden kann, wird die so erzeugte Schweisswärme besonders wirksam, aber die örtlich im Verein mit dem Aneinanderstossen der Körper zur Wirkung kommende Wärme kann auch in anderer Weise erzeugt werden. wenn sie nur ausreichend gross ist und in richtiger Weise zur Wirkung kommt.
Die Wirkung der oberwähnten Konzentration der Energie auf Aluminiumleiter besteht in der Verdampfung einer sehr geringen Menge von Aluminium an den aneinanderstossenden Flächen, wodurch das verdampfte Material nach allen Richtungen hinausgeblasen wird und das Oxydhäutchen mitreisst oder zerreisst, das bisher ein gutes Zusammenschweissen von Aluminium verhinderte.
Beim Schweissen ungleicher Metalle, welche, wenn in der gewöhnlichen Weise verbunden, eine spröde Legierung erzeugen, sind die Energie und Wärme so konzentriert und wirken nur so kurze Zeit, dass kein wahrnehmbares Ineinanderfliessen der Metalle eintritt und die Grenzlinie. sehr scharf ist, selbst wenn die verbundenen Stücke zu einem sehr dünnen Blech oder einer Folie ausgewalzt werden und die Verbindungsstelle durch ein Mikroskop betrachtet wird.
Wenn eine
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Schichte einer spröden Legierung an der Verbindungsstelle erzeugt wird, so ist sie so dünn, dass sie biegsam ist. ; Das gilt von verschiedenen Kombinationen von Metallen, wie Zinn und Aluminium, Kupfer und Platin, Blei und Zinn, Zinn und Platin, Zinn und Kupfer und Nickel und Platin ; aber das vielleicht bemerkenswerteste Beispiel ist die Verbindung von Kupfer und Aluminium, da diese Metalle bei Verbindung nach den bisher bekannten Verfahren bekanntlich Verbindungsstellen von der Sprödigkeit des Glases aufwiesen.
In der Zeichnung ist Fig. i eine Vorderansicht, Fig. 2 eine Draufsicht, Fig. 3 ein Schnitt nach öei Linie fZI-III (Fig. I) einer Vorrichtung zum Schweissen nach vorliegender Erfindung ;
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Fig. I und 2 entsprechende Darstellungen einer Abänderung der Schweissvorrichtung, die besonders für Zuleitungsdrähte für Quecksilberdampflampen und andere ähnliche Einrichtungen geeignet ist, bei welchen Leitungsdrähte in evakuierte Glasbirnen o. dgl. eingeschmolzen werden ; Fig. 8 und 9 zeigen im Aufriss und in der Draufsicht eines der Klemmfutter der Vorrichtung nach Fig. 6 ; Fig. 10 ist ein lotrechter Schnitt und Fig.
II eine Draufsicht eines abgeänderten Klemmfutters für kleine Schrauben. an denen Platinspitzen anzubringen sind ; Fig. 12 veranschaulicht schematisch die aufeinanderfolgenden gegenseitigen Lagen der zu verbindenden Stücke bei Ausführung des vorliegenden Verfahrens ; Fig. 13 gibt Diagramme der Spannung, der Stromstärke und der Arbeit in der Schweissleitung.
Die in Fig. i bis 3 gezeigte Maschine besitzt einen Fuss 1, parallele Ständer 2,3, einen feststehenden Kopf4, einen an den Ständern 2, 3 gleitenden Schlitten 5 und zwei Klemmfutter 6 und 7. Die Ständer, ? und 3 bilden nicht nur Führungen für den Schlitten J, sondern im Verein mit dem Fuss 1 und dem Kopf 4 auch das Gestell der Maschine. Nach der Zeichnung sind die Ständer zylindrisch und reichen durch Löcher in den Teilen 1 und 4 ; auf ihre oberen mit Gewinde versehenen Enden sind Muttern 8 aufgeschraubt.
Das Klemmfutter 6 hat die Gestalt eines beiderseits mit Flanschen versehenen Zylinders und ist in der Längsrichtung in zwei Teile 9, 10 gespalten, die zur Aufnahme eines der zusammenzuschweissenden Stäbe oder Drähte genutet sind. Das Futter ruht in einem Schlitz 11 im Fuss 1 zwischen den Ständern 2 und 3 und wird durch eine Mutter 12 nebst Klemmschraube 15 festgehalten und auf einen Stab oder Draht geklemmt, indem Ansätze 13 an der Mutter in Seitenenden 1J im Schlitz 11 eingreifen und die Klemmschraube 15 durch die Mutter geschraubt ist und sich gegen den Teil 10 des Futters stemmt.
Der Schlitten- ? besteht aus zwei auf den Ständern 3 gleitenden Hülsen 16 und einem Steg 17 mit einem dem Schlitz 11 im Fuss 1 entsprechenden Schlitz 18 : Das Futter 7 gleicht dem Futter 6 und wird im Schlitz 18 in gleicher Welse mittels Mutter 79 und Schraube 20 festgehalten.
Der feststehende Kopf 4 besitzt ein Loch 21 mit Führungshülse 22. durch welche, wenn gewünscht, der Draht 23 hindurchgezogen werden kann. Gewöhnlich ist es jedoch bequemer, den Draht in das obere Ende des Futters einzusetzen, ohne ihn durch die Hülse 22 zu ziehen, ausser der Draht ist sehr dick und steif.
Zum Festhalten des Schlittens 5 in gehobener Stellung ist an einer zu den Ständern 2,3 parallelen Stange 25 eine Schnappvorrichtung. M angeordnet, die mit einem Ansatz 26 am Steg 17 des Schlittens 5 zusammenarbeitet. Die Schnappvorrichtung 24 kann in irgendeiner gewünschten Lage auf der Stange 25 eingestellt werden, und zwar mittels eines Ringes 27, auf dem die Klinke 24 ruht und der mit einer Klemmschraube 28 versehen ist. Die Stange 25 ist in Lagern 29, 30 in den Teilen 1 und 4 drehbar und mit einer Feder 31 ausgestattet, welche sie so zu drehen sucht, dass die Teile 24 und 26 in einer Geraden liegen.
Die Schnappvorrichtung 24 und der Ansatz 26 sind abgeschrägt, so dass der Schlitten (unbehindert von der Schnappvorrichtung) gehoben werden kann, aber erst dann gesenkt werden kann, wenn er durch eine geringe Drehung der Stange 25 freigegeben worden ist, wie nachstehend erläutert wird.
Am Fuss 1 ist ein isolierender Block 32 mittels Schrauben 33 befestigt und trägt das feste
Stromschlussstück 34 eines Handschalters 35, dessen bewegliches Stromschlussstück 36 an einem Ansatz 37 des Fusses mittels eines Stiftes 38 drehbar befestigt ist und für gewöhnlich durch eine
Feder 39 gegen das feste Stromschlussstück gedrückt wird.
Elektrische Energie wird von irgendeiner geeigneten Quelle (beispielsweise von einem
Generator 40, Fig. 4) einem Kondensator 41 zugeführt, dessen Klemmen mit den die Klemmen der Schweissvorrichtung bildenden Futtern 6,7 verbunden sind. Der Schalter 33 schliesst für gewöhnlich einen Nebenschluss zu den Klemmen der Schweissvorrichtung, so dass der Arbeiter die leitenden Drähte mit Sicherheit in die Futter einspannen und die sonstigen Vorbereitungen zum Schweissen treffen kann.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende :
Ein Leitungsdraht 4 : 2 wird so in das Futter 6 eingespannt, dass er ein kurzes Stück aus demselben emporragt. Ein zweiter Leiter 23 wird so im Futter 7 eingespannt, dass er etwas unter
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dasselbe herabreicht und der Schlitten ; wird auf eine gewünschte, durch die Einstellung der Klinke 24 bestimmte Höhe gehoben, welche von der Stärke der Drähte und dem Material
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gegen das Ende des Drahtes 4,' ? stösst. In dem Augenblick der Berührung entladet sich der Kondensator 41 und die so auf den Berührungspunkt konzentrierte Energie ist hinreichend gross, um eine vollkommene Schweissung der Metalle zu erzielen.
Das Verfahren ist auch beim Schweissen von Drähten aus gleichen oder ungleichen Materialien dasselbe und es ist auch möglich, Kupfer und Aluminium, Zinn und Platin, Aluminium und Aluminium, Kupfer und Platin, Aluminium und Zinn, Platin und Platin, Nickel und Platin, Blei und Zinn und Zinn und Kupfer ohne Schwierigkeit zusammenzuschweissen.
Obgleich der gesamte Schweissvorgang- bloss einen sehr kurzen Zeitraum, angenähert 0-003 Sekunden erfordert, ist es möglich, mittels eines Oszillographen Kurven zu erhalten, wie die Kurven A, B, C, Fig. 13, welche die Spannung bzw. die Stromstärke und den Energieverbrauch in der Schweissleitung angeben. Die Ordinaten geben Volt bzw. Ampere und Watt und die Abszissen die Zeit in Sekunden an.
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aufeinandertreffenden Enden der zusammenzuschweissenden Drähte oder Stäbe in Stadien gemäss der schematischen Darstellung a bis f, Fig. 12, zu verlaufen scheint, obgleich die Verlässlichkeit der Darstellung der Stadien c, d, e nicht von besonderer Bedeutung ist. Ob nun diese Darstellungen ganz richtig sind oder nicht, machen sie doch die Wirkungsweise der Schweissvorrichtung und die Ursache ihres Erfolges verständlich.
Bei a (Fig. 12) sind die Enden nahe aneinandergedrückt, wie sie bei Annäherung derselben
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meisselförmigen Enden brauchen nicht sehr genau hergestellt zu werden, gewöhnlich erhält man hinreichend dünne meisselartige Schneiden, wenn man die Drähte mit Zangen o. dgl. abschneidet.
Im Augenblick der Berührung (b, Fig. 12) sinkt die Spannung sehr rasch, wie die Kurve A zeigt, Stromstärke und Energieverbrauch steigen dagegen sehr rasch, wie die Kurven B und C
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kunde und sinkt dann fast ebenso plötzlich und schneidet die Nullinie zusammen mit der Spannung.
Es scheint, dass die im Vergleich zur Grösse der Leiter äusserst hohe Energiemenge an den einander berührenden Flächen nicht nur ein Schmelzen, sondern auch eine Verdampfung und eine kleine Explosion hervorruft, wobei während eines Augenblickes. feste Partikelchen von den Enden der Leiter fortgeschleudert werden, wie bei c (Fig. 12) gezeigt.
In diesem Stadium sind die Enden von Metalldämpfen umgeben ; dass dem so ist, wird dadurch erwiesen, dass man nach einer Anzahl von Schweissungen an den Futtern Ablagerungen von Metallpartikelchen vorfindet. Die Tatsache, dass die Enden vor ihrer dauernden Berührung von Metalldämpfen umgeben sind, scheint von grösster Wichtigkeit zu sein für die Erzielung guter Schweissstellen zwischen ungleichen Metallen, wie Aluminium und Kupfer und zwischen Aluminiumleitern, deren Oberflächen sich bei Berührung mit Luft äusserst rasch oxydieren.
Die oberwähnte kleine Explosion, die einen Teil der Leiterenden in Form von Dampf fortschleudert, nimmt so wenig Zeit in Anspruch, dass die beim Herabfallen des Futters entstehende kinetische Energie noch das Zusammenschweissen der weich gewordenen Enden bewirkt. Die letzteren können sich nach der Explosion und vor dem Zusammenstossen nicht abkühlen, weil der Strom in der Schweissleitung, wie die Kurve B (Fig. 13) erkennen lässt, nicht sofort erlischt, sondern durch einige Tausendstel Sekunden oszilliert.
Die Dauer des Stromes wird durch die Induktanz der Schweissleitung bestimmt und es empfiehlt sich, wie Fig. 4 zeigt, eine veränderliche oder regelbare Induktanz 43 zu verwenden.
Obgleich anscheinend sehr feine theoretische Erwägungen bei dem Schweissvorgang in Betracht kommen, ist es nicht nötig, beim Bau der Schweissvorrichtung oder bei der Einstellung der Teile eine grössere als die gewöhnliche Genauigkeit einzuhalten. Weiters braucht man die Kapazität des Kondensators, die Spannung der Ladungsleitung oder die Induktanz der Schweissleitung nicht mit grosser Sorgfalt zu bestimmen. Es sind beispielsweise sehr gute Schweissverbindungen zwischen Metallen, wie Zinn und Platin, Platin und Nickel und Kupfer und Aluminium beim ersten Versuch ohne besondere Berechnungen und Einstellungen erzielt worden, Die Punkte der verschiedenen Kurven, von denen angenommen wird, dass sie angenähert den Darstellungen in Fig. 12 entsprechen, sind mit a f bezeichnet.
In die Ladungsleitung des
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Kondensators 41 ist ein Widerstand 44 eingeschaltet ; um Kurzschluss der Elektrizitätsquelle durch die Schweissstelle zu verhüten.
Wenn auch die Vorrichtung verhältnismässig leicht ist, so wird doch ein Druck von zirka 2000 kg pro Quadratzentimeter zwischen den zusammenzuschweissenden Enden erzielt und durch Verwendung eines Kondensators von geeigneter Grösse und Kapazität wird hinreichend viel Wärme durch einen kleinen Bruchteil einer Sekunde erzeugt, um die miteinander in Berührung stehenden Flächen zu schmelzen und Metalle, wie Zinn und Platin, ohne Schaden für einander zusammenzuschweissen.
Nach Fertigstellung der Schweissstelle kann sie in geschmolzenes Metall getaucht oder anderweitig erwärmt werden, um sie duktiler zu machen ; in den meisten Fällen ist dies jedoch unnötig.
Die in Fig. 6 bis 9 dargestellte Maschine ist der in Fig. i. bis 3 gezeigten ähnlich, nur sind zwei'der Stange : 25 der letzteren Maschine entsprechende Stangen 45, 46 vorhanden und die Futter 47, 48 treten an die Stelle der Futter 6 und 7. Der Fuss 1 weist ein Loch 49 auf, das an die Stelle des Schlitzes 11 tritt und eine konische Vertiefung bildet.
Das Futter 48 besteht aus einem Bolzen mit durch radiale Schlitze 50 geteilten konischem Kopf. Eine Längsbohrung 51 reicht durch das Futter und dient zur Aufnahme des Drahtes. Die Schlitze 50 reichen bis zur Längsbohrung 51 und können demnach die zwischen den Schlitzen bleibenden Segmente gegeneinander gepresst werden, um das Draht-oder Stabstück festzuklemmen, wenn das Futter in das konische Loch 49 eingesetzt und sein Kopf darin durch eine Mutter ? festgezogen wird.
Das Futter 47 ist dem Futter 48 ähnlich und wird vom Schlitten 53 in derselben Weise getragen, wie das Futter 48 vom Fuss 1.
Die Backen des Futters können mit Gewinde versehen sein, wie Fig. 10 zeigt, um eine kleine Schraube 54 aufzunehmen. Wird auf diese Weise eine kleine Schraube in das Futter 48 und ein Stück Platindraht in das Futter 47 eingespannt, so kann man sehr einfach und leicht eine Platinspitze auf die Schraube aufbringen. Solche Schrauben mit Platinspitzen stehen bekanntlich im sehr allgemeinen Gebrauch bei Induktorien, Läutewerken und ähnlichen Vorrichtungen.
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das Futter an einer Drehung in seinem Träger zu verhindern.
Die Stange 46 ist mit einer Schnappvorrichtung 57 und der Schlitten 53 mit einem Ansatz 58 versehen, welche der Schnappvorrichtung 24 und dem Ansatz 26 der Fig. 3 entsprechen
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die mit einem Ansatz 61 am Schlitten 53 zusammenwirken, so lange die Stange 45 nicht in der einen oder der anderen Richtung aus der Normallage gedreht wird, in welcher sie durch eine Feder 62 gehalten wird. Die Stangen 45 und 46 sind mit Hebeln 63 und 64 zur Drehung derselben entgegen der Wirkung ihrer Federn versehen.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist im allgemeinen dieselbe, wie die der Vorrichtung nach Fig. I bis 3. Will man ein kurzes Leiterstück herstellen, das aus einem Kupfer-und einem Platinteil besteht oder aus Teilen von anderen Materialien, das bei Quecksilberdampflampen oder anderen Vorrichtungen mit Glasbirnen verwendet werden soll, so ist es möglich, gerade die gewünschte Länge von verhältnismässig langen Leitern zu befestigen, indem man die Anschläge 59 und 60 entsprechend einstellt und die benachbarten Enden der beiden Leiter zusammenschweisst, dann das Futter 48 lockert, die Stange 45 etwas dreht, den Schlitten 53 hebt, bis der Ansatz 61 mit dem Anschlag 60 in Eingriff tritt, das Futter 48 festzieht,
das Futter 47 lockert und den
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zuerst in der entgegengesetzten Richtung gedreht wird, so dass der Ansatz 61 in einer Geraden mit dem letzterwähnten Anschlag liegt. Die zusammengeschweissten Drähte können dann dicht an den beiden Futtern abgeschnitten werden, wobei der Abstand zwischen denselben das Mass der gewünschten Länge des Drahtes ist.
Wie vorhin erwähnt, kann das Schweissen durch Eintauchen der Schweissstelle in geschmolzenes Lot oder ein anderes Metall vervollständigt werden und Fig. 5 veranschaulicht einen Löffel 67 mit geschmolzenem Metall 68 und zwei Drähten 69 und 70, die durch eine Schweissstelle verbunden sind, die in das geschmolzene Metall 68 getaucht ist.
Das Verfahren ist nicht auf das Zusammenschweissen von Drähten oder anderen Körpern von im wesentlichen gleichem Querschnitt beschränkt, da sehr hohe Wärme an den zusammenzuschweissenden Flächen augenblicklich zur Wirkung kommen, und zwar fast in demselben Augenblick, wo sie gegeneinanderstossen, so fehlt jede Gelegenheit zu solcher Dissipation der zur Wirkung kommenden Wärme, dass dadurch das Schweissen beeinträchtigt würde, selbst wenn die Schweissfläche des einen Körpers nur ein kleiner Bruchteil der Fläche ist, von der die Schweissfläche einen Teil bildet. Ein derartiger Fall würde beim Anschweissen des Endes eines Drahtes oder Stabes an die Oberfläche einer Scheibe oder eines Blockes vorliegen.