DE264405C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21Ä. GRUPPE

in LONDON. , :

der zu verschweißenden Metallkörper.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 1. Juni 1912 ab.

Gegenstand der Erfindung ist ein Vprfahren und eine neue Vorrichtung zum elektrischen Schweißen, um eine duktile und 'homogene Verbindungsstelle zwischen zwei gleichen oder ungleichen Metallen zu schaffen. Insbesondere , ist! das neue Verfahren anwendbar bei ungleichen Metallen, die man bisher noch nicht hat zusammenschweißen können.

Kupfer- und Eisendrähte, Stangen u.dgl.

ίο hat! man seit Jahren erfolgreich geschweißt, indctji man die Enden gegeneinanderpreßte und durch die \^rerbindungsstelle solange elektrischen Strom hindurchgehen ließ, bis durch die entstandene Hitze die beiden Teile zusammen-' geschweißt waren. Schwierigkeiten hat man aber beim Aluminium gefunden, und-es-galt' bisjlang für unmöglich, z.B. Aluminium mit Kupfer zti schweißen, weil an der \^erbindutigsstellc eine bröcklige Legierung entsteht.

Ebenso hat man auch nicht geglaubt, daß es praktisch möglich sei, sehr verschiedene Metalle, wie z.B. Zinn und Platin, miteinander /.u (verschweißen. Man war dabei der Ansicht, .daß die Schwierigkeit beim Schweißen des Aluminiums dem Umstand zuzuschreiben wäjre, daß sich die Oberflächen der Körper ■·'-.: außerordentlich leicht oxydierten und daß, wetm auch die Oberflächen sehr sorgfältig gereihigt waren, sie dennoch wieder eine dünne

Ojfly'dschicht erhielten, die das Schweißen unmöglich machte. Es liegt auf der Hand, daß die gewöhnlichen Verfahren sich nicht dazu eignen z.B. Zinn und Platin zu verschweißen/ oder andere solche Metalle, deren Schmelztemperaturen so weit auseinanderliegen, denn das eine Metall wird bereits flüssig, ehe das andere die Schweißtemperatur erreicht.

Beim Kupfer und Aluminium treten, wie gesagt, bröcklige Legierungen auf, und zwar : fand man, daß alle möglichen Legierungen zwischen den Stellen, wo die Metalle rein sind,.... auftreten. Wo die beiden Metalle eine bröcklige Legierung bilden, wird die Schweißstelle :.: brechen.

Der vorliegenden Erfindung zufolge, werden' diese Schwierigkeiten dadurch behoben, daß man eine verhältnismäßig große Menge von Energie, und zwar sowohl Wärme- wie mechanische Energie an dem Berührungspunkt zwischen den beiden zu schweißenden Teilen für eine überaus kurze, fast unmeßbar kurze Zeitdauer anwendet. Dasjenige besondere Verfahren, welches sich als das wirksamste herausgestellt hat, besteht darin, daß man die beiden zu schweißenden Körper mit den Klemmen eines Kondensators verbindet, der entsprechend aufgeladen ist, und daß man gleich-: zeitig mit der Entladung diese Körper gegeneinanderstoßen läßt. Infolge der großen Hitze, die in dem erwünschten Punkt während einer kurzen Zeitdauer durch die Kondensatorentladung konzentriert wird, ist das auf diese Art bewirkte Schweißen sehr wirkungsvoll. Es läßt sich aber auch die lokal angewendete Hitze/

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welche gleichzeitig mit dem Aneinanderstoßen der Körper für das Schweißen zur Verwcn-' dung kommt, auf andere Weise erzeugen.

Die Wirkung der Energiekonzentration, insbesondere auf Aluminiumleiter, besteht darin, daß eine kleine Menge Aluminium auf der Oberfläche verdampft wird, hierdurch seitlich ausbläst und die Oxydschicht, welche etwa entstanden ist, dabei mit fortnimmt. Bei un- gleichen Metallen, welche unter gewöhnlichen Bedingungen eine bröcklige Legierung bilden, bewirkt der überaus kurze Zeitraum, daß kein ^merkliches Ineinanderfließen der Metalle stattfindet, sondern die Trennungslinie ziemlich scharf bleibt, und dies selbst dann, wenn die vereinigten Körper in dünne Platten oder Folien ausgewalzt werden und die Verbindungsstelle mittels des Mikroskops untersucht wird. Entsteht nämlich eine Schicht der bröckligen Legierung, so ist dieselbe immerhin so dünn, daß sie biegsam bleibt. Dies gilt für die verschiedensten Kombinationen von Metallen, z. B. für Zinn und Aluminium, Kupfer und Platin, Blei und Zinn, Zinn und Platin, Zinn und Kupfer und Nickel und Platin. Am markantesten ist die Erscheinung jedoch bei Kupfer und Aluminiuni, denn bisher waren die Verbindungsstellen dieser Metalle bröcklig.wie Glas.

Auf der Zeichnung ist in Fig. 1 in Seitenansicht, in Fig. 2 in Draufsicht und in Fig. 3 im Schnitt nach der Linie ΙΠ-ΙΙΙ von Fig. 1 eine Maschine für das neue Schweiß verfahren dargestellt. Fig. 4 zeigt die Schaltung, Fig. 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11 zeigen teils Einzelheiten, teils andere Ausführungsformen. Fig. 12 endlich ist ein Schema und Fig. 13 ein Diagramm für die Vorgänge.

Die Vorrichtung besteht aus der Grundplatte ι mit den aufrechten, parallelen Ständern 2, 3, der Traverse 4 und dem beweglichen Kopf oder Wagen 5, der auf den Ständern 2 und 3 gleitet, sowie aus den Klemmköpfen 6 und 7. Die Ständer 2und3 dienen nicht nur zur Führung des Wagens 5, sondern auch als Teile des Gestelles der Maschine. Sie sind zylindrisch und gehen durch die Löcher in 1 und 4 hindurch, während sie mit den Quer-

. stücken durch die Muttern 8 verschraubt sind.

50.. Der Klemmkopf 6 hat die Form eines Flanschzylinders und ist der Länge nach in zwei Teile 9 und 10 gespalten, die eine entsprechende Nut aufweisen, um eine der leitenden Stangen oder Drähte aufzunehmen. Der Kopf ist in einem Schlitz 11 in der Grundplatte 1 befestigt. Eine Mutter 12 mit den Ansätzen 13, die in Seitenschlitze 14 einpassen, Hit' den Klemmkopf zwischen den Ständern 2 und 3 fest, und eine Klemmschraube 15 ist durch die Mutter geschraubt und kommt mit dem Teil 10 der Vorrichtung zum Eingriff.

Der Wagen 5 besteht aus den Gleitstücken 16, die auf den Ständern. 2 und 3 gleiten und der Rippenverbindung 17 mit dem Schlitz 18, der ; dem Schlitz 11 in der Grundplatte 1 entsprich}:. Die Klemmvorrichtung 7 gleicht der Klemmvorrichtung 6 und wird in ähnlicher Weise in dem Schlitz 18 mittels der zusammenarbeitenjden Kiemmutter 19 und der Schraube 20 getragen. Die Traverse 4 besitzt eine Öffnung 21 mit der Führungspackung, durch welche hindurch ein Leitungsdraht 23 gehen kam). Sofern der Draht nicht sehr lang und dick ist, hat es sich als passend herausgestellt, ihn in den Klemmkopf 7 einzubringen, ohne daß ejr durch die Dichtung 22 hindurchgeht. Um den Wagen 5 in erhöhter Stellung zu halten, ist eine Klemmvorrichtung 24 an der Vertikalstange 25, die mit 2 und 3 parallel läuft, arigebracht; sie wirkt mit dem Vorsprung 26 auf dem Rippenwerk 17 des Wagens zusammen, j.

Die Fangvorrichtung 24 kann mittels dejr Hülse 27 und der Schraube 28 in irgcndeinejr gewünschten Stellung festgestellt werden, da die Fangvorrichtung 24 auf 27 ruht. Dije Stange 25 ist in den Lagern 29 und 30 drehbar in den Teilen 1 und 4 gestützt. An ihrem oberen Ende befindet sich die Feder 31, die sijc so zu verdrehen strebt, daß die Teile 24 und 26 sich übereinander befinden. Infolgedessep kann der Wagen unbehindert angehoben werden, aber nicht in tiefere Stellung gelangei), es sei denn, daß die Fangvorrichtung durch eine kleine Drehung des Stabes 24 freigegeben ist. ■ . ■ . ■■■■.■ ■ j

Ein Isolierblock 32 ist am Grundgestell \e mittels der Bolzen 33 befestigt und trägt ein festes Kontaktstück 34, das zu dem Haiidschalter 35 gehört. Zu ihm gehört weiter dajs _: bewegliche Kontaktstück 36, welches drehbar am Vorsprung 37 mittels des Zapfens 38 befestigt ist. Die zusammenwirkenden Kontaktstücke berühren für gewöhnlich einander, was durch eine Feder 39, die auf das Stück 3Ö preßt, besorgt wird. I

In Fig. 4 ist die allgemeine Einrichtung dargestellt. Von der Elektrizitätsquelle 40 führt die Leitung zu einem Kondensator 41, desseii Endklemmen mit den Backen 6 und 7 verbunden sind, die die Klemmen der Schweißinaschine bilden. Der Schalter 35 stellt für gowöhnlich Kurzschluß für die Klemmverbindungen her, so daß die bedienende Person dje Leitungsdrähte ohne Gefahr in die Backen einklemmen und auch sonst die Vorbereitungen für die Schweißverbindung treffen kann.

Die Maschine arbeitet wie folgt: \ \

Ein leitender Draht 42 wird in dem Klemmkopf 6 so befestigt, daß er um ein kurzes Stück., nach-oben heraussteht, und ein anderer Leiter 23 so in dem Klemmkopf 7, daß er ein wenig nach unten heraustritt. Der Wagqn

wird dann in die gewünschte Höhe gebracht, die jdiiivh Feststellung der Fangvorrichtung 24 bestimmt ist. Diese Stellung hängt von der Gestalt der Drähte ab, die geschweißt werden sollen, und von dein Material, aus dem sie bestehen. Alsdann wird der Schalter 35 geöffnet, damit der Stromerzeuger 40 den Kondensator 41 ladet. Hierauf wird die Fangvorrichtung 24 vom Vorsprung 26 entfernt, damit der !Wagen herabfallen kann, und das Ende des Leitungsdrahtes 23 mit dem Ende des Leitungsdrahtes 42 in .Stoßverbindung bringen kann. Im Augenblick der Berührung entlädt sicli der Kondensator 41 und die Energie, die im !Berührungspunkt konzentriert ist, reicht aus; um ein vollständiges Schweißen zwischen deil· Drähten hervorzubringen.

Dieses Verfahren vollzieht sich in gleicher Weise für Drähte aus gleichen wie aus ungleichen Stoffen, und die Erfahrung hat gelehrt, daß es auf diesem AVege möglich ist, Kupfer mit Aluminium, Zinn und Platin, Aluminium und Aluminium, Kupfer und Platin, Aluminium und Zinn, Platin und Platin, Nickel und Platin, Blei und Zinn sowie Zinn und Kupfer ohne Schwierigkeit zu schweißen. Wiewohl der ganze Schweißprozeß nur eine sehr kurze Zeitdauer in Anspruch nimmt, annähernd ⁰Z_1111111 einer Sekunde, ist es dennoch möglich, Kurven mittels eines Oszillographen, wiel die Kurven A, B und C von Fig. 13, aufzunehmen. In diesen kommt die Spannung, die i Stromstärke und die Energie zum Ausdruck, indem die Ordinären die Volt, Watt und Ampere und die Abszissen die Zeit in Sekunden bedeuten. Eine sorgfältige Beobachtung eine großen Anzahl von Schweißstellen und das Studium der Aufzeichnungen des Osigraphen hat ergeben, daß der Eingriff der en der Drähte oder Stäbe, die geschweißt

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werden sollen, so vor sich geht, wie dies die Linjen a-f (Fig. 12) erkennen lassen, wiewohl dabei die Zuverlässigkeit der Darstellung der Zwischenstellung c, d und <? keine besondere

Bedjcutung hat. Ob diese Darstellung vollständig korrekt ist, mag dahingestellt bleiben, jedenfalls wird sie ungefähr den Vorgang des Schweißens wiedergeben.

Lei α (Fig. 12) befinden sich die Enden ein- and

bei

:r nahe, während sie sich noch nähern. Daist es vorteilhaft, ihnen die gezeichnete

Förni zu geben, nämlich rncißelartig, aber zueinander gekreuzt, so daß der anfängliche Eingriff zwischen den Leitern an einem sehr kleinen Punkt stattfindet. Aber es ist nicht nötig, diese Enden sauber auszuarbeiten, sondern es genügen in der Regel die Kanten, die ent;leben, wenn die Drähte mit der Beißzange weggeschnitten werden. Im Augenblick der Berührung (b, Fig. 12) fällt die Spannung des Stromkreises sehr schnell, wie dies die Kurve Λ zeigt. Strom und Energie dagegen wachsen schnell, vgl. Kurven B und C. In dem (dargestellten Fall fällt die Spannung von 207 auf 160 Volt in 0,0001 Sekunden und er- 65: reicht den Wert Null nach 0,00035 Sekunden. Die Energie pro Zeiteinheit im Stromkreis ■ steigt von ο auf 23 000 Watt in 0,0001 Sekunden und fällt dann plötzlich ab.

Es erscheint einleuchtend, daß die Zufuhr eines verhältnismäßig so gewaltigen Energiebetrages die in Eingriff kommenden Oberflächenteilchen nicht nur schmilzt, sondern sie verdampft, wobei eine kleine Explosion entsteht und feste Teile abgetrennt werden. In dieser Stufe des Verfahrens sind die Enden von Metalldampf umgeben. Daß dies tatsächlich stattfindet, beweist der Niederschlag von Metall, der auf den Backen der Vorrichtung nach einer Anzahl von Schweißungen auftritt. Der Umstand, daß Metalldämpfe die Enden umgeben, ehe diese in dauernden Eingriff miteinander kommen, erscheint außerordentlich wichtig für die Herstellung der Schweißstellen zwischen ungleichen Metallen, wie Aluminium und Kupfer, und ebenso auch für zwei Aluminiumleiter zu sein, deren Oberfläche sonst mit außerordentlicher Schnelligkeit in der Luft oxydiert wird.

Die kleine, eben erwähnte Explosion, welche tatsächlich Teilchen der Enden in Form von , Dampf wegbläst, beansprucht eine so kurze Zeit, daß die mechanische Energie infolge des Herabfallens der Backe noch wirksam für das Schweißen der erweichten Enden wird. Die Enden können sich nicht nach der Explosion und vor dem mechanischen Eingriff abkühlen, weil der Strom im Schweißstromkreise (vgl. Kurve B von Fig. 13) nicht unmittelbar auf Null herabgeht, sondern einige tausendstel Sekunden weiter schwingt. ·

Die Zeitdauer für die Fortdauer des Stromes bestimmt sich durch die Induktanz des Schweißstromkreises und wird vorteilhaft ,durch die Verwendung einer veränderlichen und einstellbaren Induktanz geregelt. Wie- _; Λνοηΐ sehr delikate Vorgänge beim Schwcißprozeß, wie oben angedeutet, auftreten, ist es keineswegs nötig, die Schweißvorrichtung mit besonderer Sorgfalt herzustellen und einzustellen. Auch braucht die Kapazität des Kondensators, die Spannung des Ladestromkreises und die Induktanz nicht sorgfältig bestimmt zu werden. Beispielsweise ist es gelungen, Schweißverbindungen . zwischen Zinn und Platin, Platin mit Nickel und Kupfer mit Akt-· ■ minium beim ersten Versuch ohne besondere Berechnungen und Einstellungen herzustellen. ; Die entsprechenden Stellen von Fig. 12 und 13 sind durch Einfügung der Buchstaben a-f kenntlich gemacht. Ein Widerstand 44 ist in den Ladestromkreis geschaltet, um die Elck-

trizitätsquelle nicht kurzzuschließen. Wiewohl die Maschine verhältnismäßig leicht ist, wird doch ein Druck zwischen den Enden der Leiter von etwa 2500 kg per Quadratzentimeter leicht erreicht und ebenso durch die Wahl eines entsprechenden Kondensators genügend große Hitze in dem geringen Bruchteil der Sekunde entwickelt,, um die Oberflächen wegzuschmelzen und Metalle, wie

»ο Platin und Zinn ohne gegenseitige Beeinträchtigung zu verschweißen. Nach Herstellung der Schweißstelle kann sie in geschmolzenes Metall getaucht oder auf andere Weise erhitzt werden, um sie duktiler zu machen, falls dies erwünscht ist, wiewohl das in den meisten Fällen nicht nötig ist.

Was die Ausführungsform von Fig. 6, 7, 8 und 9 anlangt, so ist die in diesen Figuren dargestellte Maschine der Maschine von Fig. 1,

ao 2 und 3 ähnlich, nur entsprechen zwei Stangen 45 und 46 den Stangen 25 der anderen Maschine, und Backen 47 und 48 treten an Stelle der Klemmvorrichtungen 6 und 7. Im Gestell ι ist ein Loch 49 vorgesehen, welches an Stelle des Schlitzes 11 tritt und versenkt ist, um eine schräge oder napf förmige öffnung zu erhalten.

Die Backe 48 besteht aus einem Bolzen mit den Radialschlitzen 50, die seinen konischen Kopf in Segmente teilen. Ein kleines Loch 51 erstreckt sich senkrecht durch die Backe, um einen kleinen Draht oder Leitungsstab zu fassen. Da die Schlitze 50 mit dem Loch in der Mitte 51 kommunizieren, können die Segmente, welche Klauen bilden, gegeneinandergepreßt werden, um den Draht zu erfassen, wenn die Klemmvorrichtung in das Loch 49 eingebracht wird und mittels der Mutter 52 angezogen wird. Das Backenfutter 47 ist dem Futter 48 ähnlich und wird vom Wagen 53 ebenso wie die Klemmvorrichtung 48 vom Gestell ι getragen. Die Backen der Klemnworrichtung können mit Schraubengewinde versehen sein, vgl. Fig. 10, um eine kleine.

Schraube 54 aufzunehmen. Wenn man die kleine Schraube in dieser Weise in die Backe 48 einbringt und ein Stückchen Platindraht in der Backe 47 festhält, so kann die Schraube in einfachster Weise ein Platinstückchen crhalten. Es ist bekannt, daß Schrauben mit solchen Platinstückchcn für elektrische Klingeln und Eclektroinagncte viel verwendet werden. Jede Backe hat einen vorspringenden Zapfen 55, der in eine Nut 56 im Gestell eintritt, um eine Drehung zu verhüten. Der Stab 46 hat eine Fangvorrichtung 57 und der Wagen 53 eine Nase 58, entsprechend der Fangvorrichtung 24 und der Nase 26 von Fig. 3. Die Stange 45 hat regelbare Anschläge 59 und 60, weiche mit der Nase 61 am Wagen 53 in Eingriff koininen können, sofern nicht die Stange 45 in der einen oder anderen Richtung aus c einteilung, in welcher sie durch die Feder 62 gehalten wird, gedreht wird. Die Stangenfe und 46 haben Hebel 63 und 64, mittels derpn sie gegen die Wirkung der Feder verdreht wejrden können.

Die Vorrichtung arbeitet ebenso wie die nach Fig. 1,2 und 3; nötig ist nur, die Wirkung der Teile 59, 60 und 61 zu erläuterjn. Will man einen kurzen Leitungsdraht teilweis aus Kupfer, teilweis aus Platin herstellen oder auch aus' anderen Metallen, um ihn bei den Quecksilberlampen und ähnlichen Vorrichtungen zu verwenden, so kann man die gewünschte Länge aus verhältnismäßig langen Leitern dadurch erzielen, daß man die Anschläge 59 und 60 richtig einstellt. Zunächst werden die anstoßenden Enden von zwei Leitern zusammengeschweißt, hierauf wird die Backe 48 gelöst, der Stab 45 um einen kleinen Winkel verdreht, der Wagen gehoben bis die Nase 65 auf den Anschlag 60 aufstößt; dann gibt man die Backe 47 frei, hebt den Wagen bis Nase 61 mit Anschlag 59 zusammenkommt, wobei zuerst der Stab 45 in entgegengesetzter Richtung vom Alittelpunkt gedreht wird, so daß die Nase 61 mit dem zuletzt erwähnten Anschlag in Linie kommt; Die g£-% schweißten Drähte können dann dicht bei dqn beiden Backen abgeschnitten werden. Ihr Anstand aber .bestimmt die Länge des Drahtes, welche man zu erzielen wünscht.

Man kann den Schweißprozeß dadurch vervollständigen, daß man die Verbindungsstelle in geschmolzenes Metall taucht. In Fig. 5 i^t ein Napf 67 gezeigt, in dem sich geschmolzenes Metall 68 und zwei Drähte 69 und 70 befinden, die durch eine Schweißstelle verbunden sind, welche in das geschmolzene Metall eintaucht.

Claims (5)

1. Patent-Ansprüche:

   ι. Verfahren zum elektrischen Schweißen unter Aufeinanderstoßen der zu verj-. schweißenden Metallkörper, dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen Augenblicke, indem die Oberflächen aufeinanderstoßen;, und während' einer sehr, kurzen Zeit eine plötzliche Entladung elektrischer Energie über die zu schweißenden Flächen der Metallkörper zur Wirkung gebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. durch das Aufeinanderstoßcn der zu schweißenden Μεν tallkörper selbst der elektrische Stromj-

   kreis geschlossen, und dadurch die Entr ladung der Energie, welche das Schweißen

   ■■■'.' zustande bringt, veranlaßt wird. .· j
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, für den besonderen Fall der Vor

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   schweißung von Drähten, Stäben u. dgl., dadurch gekennzeichnet; daß man die Metallkörper beim Stoß mit quer zueinanderstehenden Kanten (Fig. I2^S) aufeinandertreffen läßt, zum Zwecke, den Entladungsstromkreis zuerst in einem einzigen Punkt zu schließen und dadurch die momentane Verdampfung einer gewissen Metallmenge an den Drahtenden zu bewirken, ehe sie in dauernde Verbindung zueinander gebracht werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch I, dadadurch gekennzeichnet, daß eine veränderliche Induktanz (43) dazu benutzt wird, die Dauer der Entladung durch die Schweißstelle zu regeln. ·
5. 5. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Gestell mit einer festen, das eine der zu verschweißenden Körper aufnehmen- ao den Klemme am unteren Ende und mit vertikalen Führungsstücken, an denen ein die zweite Klemme für den anderen Körper tragender Schlitten gleitet, der beim Herabfallen die zu verschweißenden Metall- körper aufeinanderstoßen läßt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

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