DE3914862A1 - Verfahren zum verschweissen von teilen besonders mit unterschiedlichen ausdehnungen - Google Patents

Description

Übersicht

Beschrieben wird ein Verfahren zum Verschweißen von Materialien aus Metallen besonders durch Schmelz-Schweißen, wie dies z. B. durch örtliche Einwirkung eines Lichtbogens oder eines Energiestrahles aus einem Laser oder einem Elektronenstrahl erfolgen kann. Auch kann eine thermische Einwirkung auf die Teile durch punktförmiges Schweißen oder durch einen Lötvorgang mit hoher oder niedriger Temperatur erfolgen. Hier ist die Anwendung besonders beim Verschweißen von blechartigen Teilen beschrieben, die also bei einer endlichen Ausdehnung z. B. in einer Fläche eine relativ geringe Dicke haben. Die Beschreibung bezieht sich besonders auf das "stumpfe" Verschweißen derartiger Bleche miteinander, also im Bereich der geringsten Abmessungen und entlang einer Naht mit beliebiger Form.

Beim Erwärmen dieser Teile auf die Schmelztemperaturen eines oder beider Teile tritt bei Metallen und anderen Materialien grundsätzlich eine mechanische Ausdehnung ein, die durch das Schweißverfahren mit einer begrenzten Erwärmung als Funktion der Temperaturen unterschiedlich auf die Teile einwirkt. Damit "verzieht" sich das/die Bleche bzw. ändern ihre Ebenheit und Abmessungen. Hierbei können die zu verbindenden Teile aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien sein. Beim nachfolgenden Erstarren der Schmelze in der Verbindungsebene "frieren" dann diese unerwünschten Ausdehnungen gegeneinander ein, so daß das fertige Produkt andere Abmessungen bzw. Formen hat als der Ursprung, so z. B. "verzogen" wurde.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden und eine für viele Anwendungen geeignete Lösung vorzuschlagen, die das Verziehen der durch thermische Behandlung hergestellten Teile weitestgehend verhindert.

Bekannt

In der Literatur ist wenig bekannt, wie diese Probleme der Wärmeausdehnung vermieden werden. Durch das Einfrieren der Ausdehnungen beim Übergang des flüssigen in den festen Zustand ist diese Problematik sowohl bei gleichen als auch bei unterschiedlichen Materialien vorhanden. Besonders kritische Formänderungen sind bei völlig ungleichen Materialien vorhanden, so z. B. wenn Kupfer mit einem hochlegierten Stahl verbunden werden soll. Aber auch dünne Bleche aus gleichem Material verziehen sich beim Verschweißen, besonders wenn ein Blech abweichende Abmessungen hat.

Bei der Herstellung der Verbindungen ist es unvermeidlich, daß der Energiestrahl zum Verschmelzen der Teile auf unterschiedliche Breiten des oder der Teile auftrifft, wodurch eine unterschiedliche und unkontrollierte Wärmeausdehnung in den Teilen entsteht. Dieses Problem ist bereits bei der ersten Wärmeeinwirkung auf wenigstens eines der Teile vorhanden, da sich die Teile kaum so starr einspannen lassen, um die großen mechanischen Energien der Wärmeausdehnung aufnehmen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgmäß dadurch gelöst, daß die durch die thermische Einwirkung entstehende mechanische Ausdehnung auf Teilbereiche aufgeteilt wird, die sich im wesentlichen nicht gegeneinander thermisch und/oder mechanisch beeinflussen. So wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Schlitze vorwiegend quer zu einer Verbindungslinie in wenigstens eines der Teile anzuordnen, so daß die mechanischen Veränderungen der Abmessungen auf diese Teilbereiche zwischen den Schlitzen begrenzt werden. Die vorhandenen - und nach dem Erstarren der Schmelze im Verbindungsbereich eingefrorenen Längenausdehnungen - können in diesen Schlitzen aufgenommen werden.

Durch dieses Verfahren wird erreicht, daß die wesentliche und zusammenhängende Fläche eines oder beider Teile nur gering thermisch beeinflußt wird, auf jeden Fall aber nicht oder kaum durch das Einfrieren der Längenausdehnungen verformt wird.

Diese Schlitze können in vielen Anwendungen so angeordnet werden, daß sie später nicht oder kaum stören. Werden z. B. elektrische Heizwiderstände aus Kupfer und einer Widerstandslegierung miteinander verschweißt, so können diese Schlitze an die Stellen gelegt werden, die z. B. anschließend durch mechanische Bearbeitung entfernt werden. Auch läßt sich die mechanische Konstruktion so gestalten, daß der Fluß des elektrischen Stromes zum Heizen solcher Anordnungen nicht von diesen Schlitzen beeinflußt wird.

Sollen in besonderen Anwendungen diese Schlitze störend sein, so lassen sie sich anschließend ggf. wieder verschließen. Dies kann mit dem gleichen oder auch einem anderen Material erfolgen. Da die Schlitze sehr schmal gewählt werden können, ist das Verschließen mit bekannten Verfahren und wenig Aufwand möglich.

Die Abbildungen veranschaulichen eine derartige Anordnung.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche erfindungsgemäße Anordnung dieses Verfahrens. Hier ist 101 ein Teil, z. B. ein Blech und 102 die Erwärmungszone, die das Blech im wesentlichen zum Schmelzen bringen soll. 103 sind die erfindungsgemäßen Schlitze, hier quer zur Ausdehnung der Erwärmungszone. 104 sind mechanische Veränderungen z. B. Bohrungen im Blech, um wesentliche mechanische Spannungen durch die Wärmeausdehnung leichter aufnehmen zu können.

Wirkt die thermische Energie auf die Kante 105 in der dargestellten Breite 2 ein, so kann sich diese Kante in der dargestellten Richtung und Form 6 ausdehnen. Gleichzeitig kann sie sich in Längsrichtung 7 nach beiden Seiten vergrößern. Grenzen für die unterschiedlichen Materialien sind lediglich durch die Länge und Breite der Schlitze und der verbleibenden Stege gegeben. Besonders die thermischen Eigenschaften der Materialien können hiermit berücksichtigt werden.

In Fig. 2 ist symbolisch dargestellt, wie die fertige Anordnung nach dem Schweißvorgang aussieht. Hier sind die beiden Teile 208 und 109 durch den Schmelzschweißvorgang 110 miteinander verbunden worden. Durch Einfrieren des durch die thermische Einwirkung ursprünglich parallelen Schlitzes in der dargestellten schrägen Form 7 a in den festen Zustand hat dieser Schlitz eine andere Form angenommen, so z. B. wie dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine typische Anordnung, wie sie z. B. im Maßstab 1 : 1 sein kann. Die beiden Teile 311 und 312 sind über die Schweißnaht 313 miteinander verbunden worden. Hier sind zunächst Schlitze 314 in eines der Teile eingebracht worden.

Je nach Materialien und besonders deren Kombination kann es aber auch zweckmäßig sein, wenn erfindungsgemäß auch in das andere Material Schlitze 15 eingebracht werden. Dadurch werden die mechanischen Spannungen noch weiter verringert.

So ist es auch möglich, diese Schlitze 16 gegenüberliegend oder aber versetzt 317 anzuordnen. Besonders hierdurch ist eine Anpassung an die thermischen Eigenschaften vereinfacht worden.

Auch können die Schlitze 318 unterschiedliche Längen haben, so um weiter mechanische Spannungen im Material auf weitere Teilbereiche aufzuteilen.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine derartige Anordnung, Schweißnaht 13 und der Schlitz 14 sind dargestellt.

Die Form des Einschnittes 403 läßt sich unterschiedlich gestalten, so besonders das Ende 404. 422 stellt eine weitere typische Form dar, um die Ableitung der Wärme und auch die mechanischen Spannungen in den Teilen weiter zu verringern. So kann besonders hier die Größe und Richtung des Schlitzes anders verlaufen, so z. B. weitestgehend parallel zur Schweißnaht.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Anordnung, wenn die beiden Teile 411 und 412 unterschiedliche Dicken haben. Hier kann es zweckmäßig sein, wenn im Bereich der Wärmeausdehnung ein weiterer Schlitz 419 angeordnet wird, der im wesentlichen die Längenausdehnung auf den reinen Schmelzbereich begrenzt. Auch kann der verbleibende Steg 420 entfallen. Die Dicke des/der Teile 411 und/oder 412 können im Verbindungsbereich zusätzlich unterschiedlich gestaltet werden und ermöglichen hier weitere Anpassungen an die thermischen Eigenschaften der Teile.

Claims (7)

1. Anordnung zum Verschweißen von Teilen durch einen Vorgang mit höheren Temperaturen mit gleichen oder unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens eines der Teile 311 und 312 mechanische Schlitze 103 vorwiegend quer zur Verbindungszone 210 angebracht sind, die die beim Erwärmen für den Verbindungsvorgang entstehenden Längenausdehnungen 107 und 106 auf definierte kleinere Bereiche begrenzen 316, 312.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schlitze nach dem Schweißvorgang wieder verschlossen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 . . . 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schlitze nach dem Schweißvorgang wieder verschlossen werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 . . . 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schlitze versetzt angeordnet werden 317, 315.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 . . . 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schlitze auch unterschiedliche Längen haben können.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 . . . 4, dadurch gekennzeichnet, daß Teile dieses Schlitzes auch einen anderen mechanischen Verlauf 322 haben können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 . . . 5, dadurch gekennzeichnet, daß Teile mit unterschiedlichen Dicken im Verbindungsbereich durch Formgebung 519 und 520 thermisch untereinander angepaßt werden.