DE10126069A1

DE10126069A1 - Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem niedriglegiertem Stahl

Info

Publication number: DE10126069A1
Application number: DE10126069A
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Kusanagi
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2002-05-02
Also published as: GB2364509A; US20020017554A1; KR100443803B1; GB0113384D0; JP2001340972A; GB2364509B; US6642471B2; KR20010110152A

Abstract

Diese Erfindung stellt ein verbessertes Verfahren zum Buckelschweißen bereit, welches das einwandfreie Schweißen von kohlenstoffreichem und hochfestem, niedriglegiertem Stahl ermöglicht. DOLLAR A Ein Abstandshalter wird zwischen zwei Teilen, die durch Buckelschweißen geschweißt werden, eingerichtet. Wenigstens eines dieser Teile wird aus einem kohlenstoffreichen oder hochfesten, niedriglegierten Stahl hergestellt. Der Abstandshalter ist ein dünnes Blatt oder eine Beschichtung, die auf wenigstens einem dieser Teile gebildet werden.

Description

STAND DER TECHNIK 1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegier tem Stahl.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Buckelschweißen ist ein Überlappwiderstandsschweißverfah ren, wie Punkt- oder Nahtschweißen. Ein Hochstrom und ein Hochdruck werden auf die Buckel konzentriert, die auf einem oder beiden von zwei zu verbindenden Teilen ausgebildet sind, so daß die Wärme, die durch ihre Berührung und spezi fischen Widerstände erzeugt wird, die Materialien schmelzen und die Teile miteinander verbinden kann, wie man weiß. Ecken, Kanten, Enden, gewölbte Abschnitte usw. auf den Teilen werden manchmal genutzt, ohne daß irgendwelche derartigen Buckel gebildet werden.

Zum Buckelschweißen ist es notwendig, daß eine bewegliche Elektrode eine so geringe Trägheit und Reibung hat, daß sie in der Lage ist, dem Abnehmen der Buckel präzis zu folgen, und daß ein gleichförmiger Druck durch die ganze Elektrode anwendbar ist, um gleichförmiges Vielpunktschweißen zu ermöglichen. Buckelschweißen erfordert eine starre Schweiß maschine und einen genau und schnell ansprechenden Mecha nismus zum Anlegen von Druck. Infolgedessen gibt es eine Schweißmaschine, die ausschließlich zum Buckelschweißen konstruiert ist.

Buckelschweißen erfordert unerwünschterweise eine bessere Schweißmaschine höherer Leistungsfähigkeit und die Herstel lung von Buckeln mit einer beträchtlich hohen Maßgenauig keit, hat aber auch viele Vorzüge, wie nachstehend darge legt wird:

1. es ist sogar für das Verbinden von Teilen brauchbar, die sich voneinander in der Dicke und daher in der Wärmekapazität unterscheiden, da es die Buckel, die auf dem Teil mit der größeren Dicke gebildet werden, leicht machen, ein thermisches Gleichgewicht zu erhalten;
2. es ist sogar für das Verbinden von verschiedenen Metallarten brauchbar, da es die Buckel, die auf dem Metall mit der besseren thermischen Leitfähigkeit gebildet werden, leicht machen, ein thermisches Gleich gewicht zu erhalten;
3. die Elektrode mit einem großen Oberflächenbereich ist vorteilhaft für die mechanische Festigkeit und die thermische Leitfähigkeit und wird nur langsam verbraucht;
4. das gleichförmige Anlegen von Strom und Druck auf alle zu schweißenden Punkte ergibt im wesentlichen gleich förmig geschweißte Punkte großer Zuverlässigkeit;
5. das gleichzeitige Schweißen von einer Vielfachheit von Punkten gewährleistet eine sehr schnelle und wirksame Arbeit;
6. die Verwendung einer speziellen Elektrode oder Vorrich tung ermöglicht genaues Schweißen von Teilen mit komplizierten Formen; und
7. es ist für das Verbinden einer großen Auswahl von Mate rialien brauchbar, einschließlich Stahl, Bronze, rost freien Stahls, einer Nickel- oder Aluminiumlegierung und einer Kombination von Stahl und Messing oder Bronze.

Trotz seiner zahlreichen, zuvor erwähnten Vorzüge war jedoch kein Buckelschweißverfahren anwendbar auf das Verbinden von zwei Teilen kohlenstoffreichen Baustahls mit einer hohen Härtbarkeit oder von einem Teil kohlenstoffrei chen Stahls und einem anderen Teil hochfesten, niedrigle gierten Stahls. Obwohl Buckelschweißen zum Verbinden verschiedener Metallarten oder einer großen Auswahl von Materialien, wie dargelegt, brauchbar ist, ist es nur auf Materialien anwendbar, die einen niedrigen Kohlenstoffge halt aufweisen und keine Schweißfehler, wie beispielsweise Risse, zeigen, und es ist kaum anwendbar auf kohlenstoff reichen Baustahl guter Härtbarkeit oder auf hochfesten, niedriglegierten Stahl, wie beispielsweise S45C, SCM, SCHM oder HT780. Keine einwandfrei geschweißte Verbindung ohne irgendwelche Schweißfehler kann bei irgendeinem derartigen kohlenstoffreichen oder hochfesten, niedriglegierten Stahl erhalten werden, da Kohlenstoff die Rißbildung fördert oder eine Zunahme der Härte als eine Folge schnellen Erwärmens und Kühlens, wodurch Widerstandsschweißen gekennzeichnet ist. Infolgedessen gab es kein Buckelschweißverfahren, das erfolgreich beim Verbinden von kohlenstoffreichem und hoch festem, niedriglegiertem S45C-Stahl oder dergleichen verwendet wurde.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Unter diesen Umständen ist eine Aufgabe dieser Erfindung die Bereitstellung eines verbesserten Buckelschweißverfah rens, welches das einwandfreie Schweißen von kohlenstoff reichem und hochfestem, niedriglegiertem Stahl durch eine bestehende Schweißmaschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch ein Verfahren für das Buckelschweißen von zwei Teilen erreicht, von welchen wenigstens eines aus kohlenstoffreichem oder hochfestem, niedriglegiertem Stahl ist, wobei ein Abstandhalter zwischen diesen Teilen eingerichtet wird. Der kohlenstoff reiche Stahl kann jeder Baustahl guter Härtbarkeit sein, wie beispielsweise S45C, SCM, SCHM oder HT780, und der Abstandhalter kann in der Form eines dünnen Blattes mit einer Dicke von 50 Mikrometern bis 0,4 mm oder eine Beschichtung mit einer Dicke von 10 bis 100 Mikrometern sein. Wenn der Abstandhalter eine Beschichtung ist, kann sie auf wenigstens einem der zu schweißenden Teile gebildet werden, oder es kann alternativerweise eine Kombination von einem dünnen Blatt und einer Beschichtung auf einem der Teile gebildet werden. Der Abstandhalter kann aus kohlen stoffarmem oder sehr kohlenstoffarmem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,05% oder weniger oder aus reinem Nickel oder Kupfer sein, und die Beschichtung kann aus Eisen, Nickel oder Kupfer sein. Das Schweißen kann in einer nicht oxidierenden oder Reduktionsgasumgebung oder in einem Vakuum ausgeführt werden.

Der Abstandhalter ist gedacht zum Strecken des Kohlenstoffs in den zu schweißenden Teilen und dadurch zum Vermeiden von jeglicher Rißbildung oder Zunahme der Härte, die durch Kohlenstoff verursacht werden. Wenn die Buckel durch einen elektrischen Strom allmählich abnehmen, um Klumpen zu bilden, wird auch der Abstandhalter in die Klumpen geschmolzen, und sein Material streckt den Kohlenstoff in den Klumpen. Der Abstandhalter, welcher ein dünnes Blatt oder eine Beschichtung ist, bildet eine dünne, weiche Schicht im Zentrum jeder Verbindung.

Der Abstandhalter weist vorzugsweise eine Dicke von 50 Mikrometern bis 0,4 mm auf, wenn er in der Form eines dünnen Blattes ist. Ein Blatt mit einer Dicke von weniger als 50 Mikrometern ist zu teuer, um auf dem Markt leicht erhältlich zu sein und ist auch nicht leicht zu handhaben. Ein Blatt mit einer Dicke von mehr als 0,4 mm bildet eine Verbindungsschicht mit einer im wesentlichen gleichen Dicke, unabhängig von seiner eigenen Dicke, wenn Druck unter gleichen Bedingungen angelegt wird, und wenn seine Dicke zu groß ist, steht zusätzliches Metall von der Verbindung vor und gibt eine schlechte Form. Der Abstand halter in der Form einer Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 100 Mikrometern auf. Eine Beschich tung mit einer Dicke von weniger als 10 Mikrometern kann unbrauchbar sein, da sie unverzüglich abschält, wenn zu hoher Druck oder Strom darauf angelegt werden. Eine Beschichtung mit einer Dicke von mehr als 100 Mikrometern kann eine geringe Qualität haben und fehlschlagen, eine Verbindung guter Qualität zu bilden.

Der Abstandhalter ist vorzugsweise aus kohlenstoffarmem oder sehr kohlenstoffarmem Stahl mit einem Kohlenstoffge halt von 0,05% oder weniger oder reinem Nickel oder Kupfer, so daß er keine harte oder brüchige intermetalli sche Verbindung bilden kann, aber im Zentrum einer Verbin dung eine weiche und leitfähige Schicht bilden kann, welche als ein Puffer wirkt, um jegliche Verminderung in Kerbermü dung oder statischer Festigkeit zu verhindern, auch wenn die Verbindung eine so schlechte Form hat, daß sie eine Kerbe bildet.

Das Verfahren dieser Erfindung wird vorzugsweise in einer nicht oxidierenden oder Reduktionsgasumgebung oder in einem Vakuum ausgeführt, um die Bildung einer Verbindung guter Qualität zu gewährleisten, da das Aussetzen der Verbindung der Luft bei hoher Temperatur wahrscheinlich zur Oxidation ihrer Außen- oder Innenfläche, der Bildung von Poren oder einer Verschlechterung ihrer Qualität durch das Absorbieren von Sauerstoff von der Luft führt. Es kann auch wirksam sein, einen elektrischen Strom an die geschweißte Verbin dung anzulegen, um ihre Härte wieder zu vermindern und ihre Dehnung und Belastbarkeit zu einem weiteren Ausmaß durch Widerstandsheizung zu verbessern.

Andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schaubild zum Erklären eines Buckelschweiß verfahrens, das diese Erfindung verkörpert;

Fig. 2 ist ein Schaubild zum Erklären eines Verfahrens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung; und

Fig. 3 ist ein Schaubild zum Erklären eines Verfahrens gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die ein paar bevorzugte Ausführungsbeispiele davon darstellen, beschrie ben. Unter Bezugnahme zuerst auf Fig. 1 ist ein Verfahren, das diese Erfindung verkörpert, zum Zusammenschweißen eines dicken Stahlblattes 1 und eines dünnen Stahlblattes 2 gedacht. Beide der Stahlblätter 1 und 2 sind aus kohlen stoffreichem Stahl oder hochfestem, niedriglegiertem Stahl. Das dünne Stahlblatt 2 weist eine Mehrzahl von Buckeln 2-1 auf, welche alle durch einen Abstandhalter 3-1 in einem Abstand von dem dicken Stahlblatt 1 angeordnet sind. Der Abstandhalter 3-1 kann ein dünnes Blatt mit einer Dicke von 50 Mikrometern bis 0,4 mm oder eine Beschichtung mit einer Dicke von 10 bis 100 Mikrometern sein. Der Abstandhalter 3-1 in der Form einer Beschichtung kann eine einzelne Schicht sein, die auf dem Buckel 2-1 oder dem dicken Stahlblatt 1 gebildet wird, oder eine Kombination von zwei Schichten, die auf beiden Seiten gebildet werden. Der Abstandhalter 3-1 kann auch durch eine Kombination eines dünnen Blattes und einer Beschichtung ausgebildet sein, in welcher die Beschichtung eine einzelne Schicht oder eine Kombination von zwei Schichten, wie oben erwähnt, sein kann. Der Abstandhalter 3-1 ist aus kohlenstoffarmem oder sehr kohlenstoffarmem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,05% oder weniger oder reinem Nickel oder Kupfer.

In dem Verfahren, das in Fig. 1 dargestellt ist, wird in dem Fall, daß die Stahlblätter 1 und 2 zusammengeschweißt werden, ein Abstandhalter 3-1 zwischen dem Buckel 2-1, der auf der Seite des dünnen Stahlblattes vorgesehen ist, und dem dicken Stahlblatt 1 angeordnet, werden die Stahlblätter 1 und 2 zwischen einer beweglichen Elektrode 4 und einer unbeweglichen Elektrode 5 zusammengehalten, und während die bewegliche Elektrode 4 gesenkt wird, um Druck auf das dünne Stahlblatt 2 auszuüben, wird ein elektrischer Strom von einer Energiequelle 6 zugeführt und auf die Buckel 2-1 konzentriert, um die Blätter 1 und. 2 zusammenzuschweißen. Die Buckel 2-1 und die Abstandhalter 3-1 werden durch die Wärme, die durch die Berührung und die spezifischen Wider stände des dicken Blattes 1 und der Buckel 2-1 erzeugt wird, zusammengeschmolzen und bilden Klumpen mit einem Kohlenstoffgehalt, der durch das geschmolzene Abstandhal termaterial darin gesenkt wurde, um dadurch eine einwand frei geschweißte Verbindung ohne Risse oder andere Fehler, die anderweitig von einer Zunahme von Härte herrühren, zu bilden, obwohl die Blätter 1 und 2 aus einem Baustahl hoher Härtbarkeit sein können, wie beispielsweise S45C, SCM oder SCHM, HT780 oder einem hochfesten, niedriglegierten Stahl, wie beispielsweise SHY.

Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein Verfahren gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zum Zusammenschweißen eines dicken Stahlblattes 1 und eines zylindrischen Körpers 7 verwendet. Das Blatt 1 und der zylindrische Körper 7 sind beide aus irgendeinem der Mate rialien, wie bereits oben dargelegt. Der zylindrische Körper 7 weist ein unteres Ende auf, das derart geformt ist, daß es einen Buckel 7-1 definiert und ein Abstandhal ter 3-2 zwischen dem Buckel 7-1 und dem Stahlblatt 1 ange ordnet ist. Der Abstandhalter 3-2 kann aus demselben Mate rial und derselben Zusammensetzung sein, wie bereits oben dargelegt. In demselben Verfahren, wie in Fig. 1 darge stellt, werden das Stahlblatt 1 und der zylindrische Körper 7 zwischen einer beweglichen Elektrode 4 und einer unbeweg lichen Elektrode 5, die nicht dargestellt ist, zusammen gehalten und während die bewegliche Elektrode 4 gesenkt wird, um Druck auf den zylindrischen Körper 7 auszuüben, wird ein elektrischer Strom von einer Energiequelle, die nicht dargestellt ist, zugeführt, um das Stahlblatt 1 und den zylindrischen Körper 7 zusammenzuschweißen. Der Buckel 7-1 und der Abstandhalter 3-2 werden durch die Wärme, die durch die Berührung und die spezifischen Widerstände des dicken Stahlblattes 1 und des Buckels 7-1 erzeugt wird, zusammengeschmolzen und bilden einen Klumpen mit einem Kohlenstoffgehalt, der durch das geschmolzene Abstandhal termaterial darin gesenkt wurde, um dadurch eine einwand frei geschweißte Verbindung ohne Risse oder andere Fehler zu bilden.

Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird ein Verfahren gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfin dung zum Zusammenschweißen eines Stahlrohrs 8 und eines zylindrischen Körpers 9 verwendet. Sie können beide aus irgendeinem der Materialien, wie bereits oben dargelegt, sein. Das Rohr 8 weist eine Öffnung auf und der zylindri sche Körper 9 weist ein unteres Ende auf, das derart geformt ist, daß es einen Buckel 9-1 definiert, der von dem Rohr 8 durch einen Abstandhalter 3-3, der seine. Öffnung umgibt, in einem Abstand angeordnet ist. Das Rohr 8 und der zylindrische Körper 9 werden zwischen einer beweglichen Elektrode 4 und einer unbeweglichen Elektrode 5, die nicht dargestellt ist, zusammengehalten und während die bewegli che Elektrode 4 gesenkt wird, um Druck auf den zylindri schen Körper 9 auszuüben, wird ein elektrischer Strom von einer Energiequelle, die nicht dargestellt ist, zugeführt, um das. Rohr 8 und den zylindrischen Körper 9 zusammenzu schweißen. Der Buckel 9-1 und der Abstandhalter 3-3 werden durch die Wärme, die durch die Berührung und die spezifi schen Widerstände des Rohrs 8 und des Buckels 9-1 erzeugt wird, zusammengeschmolzen und bilden einen Klumpen mit einem Kohlenstoffgehalt, der durch das geschmolzene Abstandhaltermaterial darin gesenkt wurde, um dadurch eine einwandfrei geschweißte Verbindung ohne Risse oder andere Fehler zu bilden.

Das Verfahren dieser Erfindung macht es möglich, durch Buckelschweißen eine einwandfrei geschweißte Verbindung ohne Fehler zwischen Teilen von Baustahl hoher Härtbarkeit und von hochfestem, niedriglegiertem Stahl zu bilden, während dies bis jetzt unmöglich gewesen ist, wie oben dargelegt. Das Verfahren dieser Erfindung ist daher sehr brauchbar für die Herstellung verschiedener Arten von Produkten, die aus Baustahl hoher Härtbarkeit oder hochfe stem, niedriglegierten Stahl hergestellt werden und eine gute Qualität und große Zuverlässigkeit haben müssen, wie beispielsweise Hochdruck-Kraftstoffeinspritzrohre für Kraftfahrzeuge, Stößelstangen und Querwellen für Gebläse.

BEISPIEL 1

Ein paar Versuche wurden zum Buckelschweißen eines Blattas aus S45C-Baustahl hoher Härtbarkeit mit einer Dicke von 6 mm und eines zylindrischen Körpers desselben Materials mit einem Außendurchmesser von 12 mm, einem Innendurchmesser von 3,3 mm und einem Buckelendedurchmesser von 6 mm durch geführt. Gemäß dieser Erfindung wurde in jedem Fall ein Abstandhalter eingesetzt. Es war ein dünnes, ringförmiges Blatt aus SPCC oder reinem Nickel oder Kupfer mit einem Außendurchmesser von 6 bis 8 mm, einem Innendurchmesser von 3 mm und einer. Dicke von 0,3 mm. Die Versuche wurden unter Einsatz der Schweißbedingungen, die in Tabelle 1 darge stellt sind, durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Tabellen umfassen auch einen Fall gemäß dem Stand der Technik, in welchem kein Abstand halter eingesetzt wurde. Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, konnte eine einwandfrei geschweißte Verbindung ohne Risse oder andere Fehler in jedem Fall erhalten werden, in dem das Verfahren dieser Erfindung eingesetzt wurde, während Rißbildung auftrat, wenn kein Abstandhalter einge setzt wurde.

Tabelle 1

Tabelle 2

BEISPIEL 2

Ein paar Versuche wurden zum Buckelschweißen eines Blattes aus SCM-Baustahl hoher Härtbarkeit mit einer Dicke von 6 mm und eines zylindrischen Körpers desselben Materials mit einem Außendurchmesser von 12 mm, einem Innendurchmesser von 3,3 mm und einem Buckelendedurchmesser von 6 mm durch geführt. Gemäß dieser Erfindung wurden eine Eisen-, Nickel- oder Kupferbeschichtung mit einer Dicke von 20 bis 35 Mikrometern als ein Abstandhalter in jedem Fall gebildet. Die Versuche wurden unter Einsatz der Schweißbedingungen, die in Tabelle 3 dargestellt sind, durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Die Tabellen umfassen auch einen Fall gemäß dem Stand der Technik, in welchem kein Abstandhalter eingesetzt wurde. Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, konnte eine einwandfrei geschweißte Verbindung ohne Risse oder andere Fehler in jedem Fall erhalten werden, in dem das Verfahren dieser Erfindung eingesetzt wurde, während Rißbildung auftrat, wenn kein Abstandhalter eingesetzt wurde.

Tabelle 3

Tabelle 4

Claims

1. Verfahren zum Buckelschweißen von zwei Teilen, von welchen wenigstens eines aus einem kohlenstoffreichen Stahl oder einem hochfesten, niedriglegierten Stahl hergestellt ist, wobei ein Abstandhalter zwischen diesen Teilen eingerichtet ist.

2. Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegiertem Stahl nach Anspruch 1, wobei der kohlenstoffreiche Stahl ein Bau stahl hoher Härtbarkeit ist, wie beispielsweise S45C, SCM, SCHM oder HT780.

3. Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegiertem Stahl nach Anspruch 1, wobei der Abstandhalter in der Form eines dünnen Blattes oder einer Beschichtung ausgebildet ist.

4. Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegiertem Stahl nach Anspruch 3, wobei der Abstandhalter eine Dicke von 50 Mikrometern bis 0,4 mm in dem Fall eines dünnen Blattes oder eine Dicke von 10 bis 100 Mikrometern in dem Fall einer Beschichtung aufweist.

5. Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegiertem Stahl nach Anspruch 1, wobei der Abstandhalter durch eine Beschichtung ausgebildet ist, die auf wenigstens einem der Teile gebildet wird.

6. Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegiertem Stahl flach Anspruch 1, wobei der Abstandhalter durch eine Kombi nation eines dünnen Blattes und einer Beschichtung ausgebildet ist, die auf einem der Teile gebildet wird.

7. Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegiertem. Stahl nach Anspruch 1, wobei das Blatt als der Abstandhalter aus einem Material ist, das aus kohlenstoffarmem oder sehr kohlenstoffarmem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,05%, reinem Nickel und reinem Kupfer ausge wählt wird.

8. Verfahren zum Buckelschweißen von kohlenstoffreichem Stahl und hochfestem, niedriglegiertem Stahl nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus einem Material ist, das aus Eisen, Nickel oder Kupfer ausgewählt wird.