DE2313677A1 - Metallisches gefuege, verfahren zu seiner herstellung sowie vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

^DipUng" si Aachen, den19. März 1973

BRUNO SCHMETZ Augustastraße 14-16- Telefon 508051

Patentanwalt

DIPIL-ING.

HENRI V. RIGIOL in Hihittier, Kalifornien, V.St.A. Beschreibung zu Patentanmeldung

Metallisches Gefüge, Verfahren zu seiner Herstellung sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein metallisches Gefüge mit einer Metallstruktur hoher Festigkeit, ein Verfahren zur Erzeugung eines derartigen metallischen Gefüges innerhalb eines Metallteils oder in einer Schweisszone zwischen Metallteilen, sowie eine seriengesteuerte transistorisierte Stromversorgungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist seit Jahren üblich , beim Verschweissen von Metallen einen elektrischen Lichtbogen zu verwenden, der mittels eines Stromes gleichbleibender oder zumindest annähernd gleichbleibender Stromstärke erzeugt wird. In der Schweisstechnik ist ferner seit langem erkannt, dass die Verwendung von Lichtbögen, welche einen konstanten oder zumindest annähernd konstanten Strompegel benutzen, beschränkt ist. Mit derartigen Lichtbögen ist es häufig schwierig und/oder unmöglich bestimmte Metalle und Legierungen zufriedenstellend zu verschweissen, und es ist weiter erkannt worden, dass unter Verwendung derartiger Lichtbögen erzeugte Schweissnähte häufig/nicht die gewünschten physikalischen Eigenschaften haben. Als Ergebnis dieser und anderer Tatsachen sind verschiedene Schweisstechniken vorgeschlagen worden, um die unter Verwendung von elektrischen Lichtbögen herstellbaren Schweissnähte zu verbessern. Die vielleicht erfolgreichste dieser Schweisstechniken betrifft die

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sogenannte Impulslichtbogenschweissung. Impulslichtbogenschweissverfahren sind in der technischen Literatur an zahlreichen Stellen beschrieben. Es sei hier lediglich bezug genommen auf die Veröffentlichung "Pülsed-current arc welding processes", welche auch bezeichnet wird als "DMIC Memorandum 250" vom September 1970, veröffentlicht von "Diffense Metalls Information Center", Battelle Memorial Institut,Columbus, Ohio 43201. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten über Impulslichtbogenschweissverfahren wird auf die vorgenannte Veröffentlichung Bezug genommen. Diese Veröffentlichung sowie andere ähnliche Materialien zeigen, dass beim Impulsliehtbogenschweissen ein kontinuierlicher Schweissbereich oder eine Schweissnaht entsteht, welche als eine Reihe von sich überlappenden Lichtbogen-Punktschweissungen betrachtet werden kann, die durch die Verwendung der Impulse eines Schweisstromes erzeugt werden, Bei diesen Techniken bestehen die Impulse aus einer sich wiederholenden Reihe von Stromimpulsen mit einem relativ niedrigen Strompegel und weiteren Stromimpulsen mit einem höheren oder relativ höheren Strompegel. Es wird im allgemeinen angestrebt, dass die beim Impulslichtbogenschweissen verwendete Stromquelle die Stromimpulse so liefert, dass sie eine im wesentlichen rechteckige Form haben. Aufgrund der Eigenschaften der zur Übertragung der Ströme zu den Schweisselektroden verwendeten Schweisskabel ergibt sich aber, dass die tatsächlich durch normale Schweisskabel auf die Schweisselektroden übertragenen Ströme nicht die Form der Ströme haben, welche an sich von der beim Impulslichtbogenschweissen verwendeten Quelle hergestellt werden.

Es ist bereits erkannt worden, dass das Impulslichtbogenschweissen aufgrund der Verbesserung der Sehweissqualität, der Schweissmetallaufbringung und der Steuerung der sogenannten Schweisshitze Vorteile mit sich bringt. Das Impulslichtbogenschweissen wird auch oft deshalb als vorteilhaft angesehen, da

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es ermöglicht, dass die bereitgestellte Wärme in das zu schweissende Material beträchtlich eindringt und somit die Herstellung verhältnismässig schmaler Schweissnähte möglich macht. Es ist ferner bereits erkannt worden, dass beim Impulslichtbogenschweissen eine Einwirkung auf das geschmolzene Metall in der Schweisszone erfolgt, die dazu führt, dass wenig Einschlüsse in dem geschweissten Metall vorkommen und die Porosität der Schweisszone gesenkt wird.

Als Ergebnis dieser und anderer Aspekte des Impulslichtbogenschweissens wird dieses auch als vorteilhaft für das Schweissen einiger.Werkstoffe angesehen, die eine verhältnismässig hohe Wärmezufuhr beim Schweissen metallurgisch nicht vertragen. Ferner ist erkannt worden, dass Impulslichtbogenschweissverfahren auch dadurch Vorteile mit sich bringen, dass sie zur Erzeugung von brauchbaren Schweissnähten bei solchen Metallen benutzt werden können, welche unter Verwendung von bisher üblichen Schweisströmen und -verfahren nicht zufriedenstellend verschwelest werden konnten.

Trotz der Vorteile der Impulslichtbogenschweissverfahren besteht jedoch eindeutig das Bedürfnis nach neuen und verbesserten Schweisstechniken. Dieses Bedürfnis zeigt sich insbesondere in dem Wunsch, Schweisstechniken zu haben, um zufriedenstellende Schweissungen zwischen Metallen und Legierungen erzeugen zu können, welche unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren noch nicht zufriedenstellend verschweisst werden können. Ferner besteht trotz der Vorteile der Impulslichtbogenschweissverfahren noch das Bedürfnis, Schweissungen von besserer physikalischer Qualität zu erzeugen als dies durch das Impulslichtbogenschweissen oder durch andere bekannte Verfahren möglich ist. Darüber hinaus besteht das Bedürfnis nach neuen und verbesserten Schweisstechniken, welche während der Schweissvorgänge in ausreichender Weise gesteuert werden können.

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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun in der Schaffung eines neuen und verbesserten Schweissverfahrens, welches die bestehenden Bedürfnisse der Industrie völlig oder zumindest teilweise befriedigt. Daneben soll mit der Erfindung ein Verfahren angegeben werden, das leicht und ohne jegliche Schwierigkeiten anwendbar ist. Dieses Verfahren soll zur Erzielung einer besseren Schweissung und damit eines verbesserten metallischen Gefüges führen als die vorerwähnten bisherigen Schweissverfahren. Das erfindungsgemässe Verfahren soll es weiterhin ermöglichen, Schweissungen zufriedenstellender Qualität auch mit Metallen und Legierungen zu erstellen, welche bisher als schwer oder praktisch nicht schweissbar angesehen wurden. Auch in der Schaffung einer Stromversorgungsvorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren wird eine Aufgabe der Erfindung gesehen.

Die Erfindung betrifft ferner die Verbesserung von metallischen Gefügen und insbesondere des metallischen Gefüges, welches sich in der Schweisszone als Ergebnis eines Schweissvorgangs ergibt. Ein erfindungsgemässes metallisches Gefüge soll aber nicht nur bei Schweissungen erzeugt werden können, sondern auch getrennt und mit Abstand von Schweissungen in einem fertigen Metallteil selbst, wie z.B. in einer fertigen Stange, Welle oder dgl.

Das erfindungsgemässe metallische Gefüge zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Vielzahl von dicht gepackten, kristallartig erscheinenden nadeiförmigen Metallgebilden aufweist, die relativ zueinander festgelegt sind und sich, parallel zueinander in einer amorph erscheinenden Metallmatrix er strecken. '

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung eines metallischen Gefüges, wobei sich dieses Verfahren dadurch auszeichnet, dass die in das metallische Gefüge umzu-

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wandelnden Abschnitte des Metallteils bzw. der zu verschweissenden Metallteile geschmolzen sowie anschliessend abgekühlt und verfestigt werden und dass sich wiederholende Kräfte auf das geschmolzene Metall ausgeübt werden und in diesem Metall sowohl in flüssigem Zustand als auch bei seiner Verfestigung Eesonanz erzeugen.

Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strom aus einer aufeinanderfolgend sich wiederholenden Reihe von Stromeinheiten besteht, welche jeweils aus zwei verschiedenen aufeinanderfolgenden Reihen von Impulsen gebildet sind, wobei die erste Stromeinheit aus einer Reihe von im wesentlichen rechteckförmigen Impulsen besteht,-welche hinsichtlich ihrer Amplitude zwischen einem ersten und einem zweiten Strompegel variieren, während die zweite Stromeinheit aus einer Reihe von ebenfalls im wesentlichen rechteckförmigen Impulsen gebildet wird, welche hinsichtlich ihrer Amplitude zwischen dem zweiten oder einem dritten Strompegel einerseits und einem vierten Strompegel andererseits variieren. Dabei kommt es zu einem Elektronenfluss, welcher das in den flüssigen Zustand überführte geschmolzene Metall durch die Wirkung des Lichtbogens in Resonanz bringt. Diese Resonanz ist eine Art mechanischer Resonanz, die analog der Resonanz einer Saite oder Zunge oder dgl. eines Musikinstruments ist.

Die erfindungsgemäss vorgeschlagene seriengesteuerte Stromversorgungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Reihe von jeweils mit dem Transistor verbundenen elektronischen Schaltern zur Steuerung des Transistors, Rückkoppelung seinrichtungen zur Bestimmung der von den elektronischen Schaltern durchgelassenen Stromamplitude sowie Zeitgebungseinrichtungen vorgesehen sind, welche aufeinanderfolgend die elektronischen Schalter steuern, so dass der von diesen zu

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dem Transistor durchgelassene Strom in Stromeinheiten umgewandelt wird, welche aus Stromimpulsen bestehen, wobei die Stromimpulse der Stromeinheiten für eine bestimmte Zeitdauer zwischen einem Hoch- und einem Niedrigpegel variieren.

Weitere Merkmale der Erfindung, die Gegenstand der Unteransprüche sind, ergeben sich aus dem folgenden Teil der Beschreibung, in dem die Erfindung beispielsweise erläutert ist. Es zeigt:

Fig. 1 einen Kurvenverlauf eines zum Schweissen von

zwei Aluminiumwerkstücken verwendeten Schweissstromes,

Fig. 2 eine Mikrophotographie in 100-facher Vergrösserung, welche das Metallgefüge eines Teiles der unter Verwendung des Stromes gemäss Fig. 1 hergestellten Schweissung darstellt,

Fig. 3 eine Mikrophotographie in 100-facher Vergrösserung, welche das Metallgefüge eines Teiles der unter Verwendung des Stromes gemäss Fig. 1 hergestellten Schweissung darstellt,

Fig. 4 einen Kurvenverlauf eines zum Verschweissen von zwei Blechen einer Metallegierung (Inconel 600) verwendeten Stromes,

Fig. 5 eine Mikrophotographie in 25-facher Vergrösserung, welche eine unter Verwendung des Stromes gemäss Fig. 4 hergestellte Schweissung zeigt,

Fig. 6 eine Mikrophotographie in 100-facher Vergrösserung, welche einen Teil der Schweissung zeigt, die mit dem Strom gemäss Fig. 4 hergestellt ist, und

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer zur Erzeugung eines Stromes gemäss den Fig. 1 und 4 verwendeten Stromversorgungsvorrichtung. .

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Schweissverfahrens können bekannte oder mechanische Einrichtungen benutzt wer-

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den, welche gegenwärtig für das sogenannte Impulslichtbo'genschweissen verwendet werden. Für solche Verfahrensschritte, welche nicht das Schweissen betreffen, sondern die Schaffung einer neuen inneren Gefügestruktur in einem Blech oder einer Stange, können selbstverständlich verschiedenartige mechanische Vorrichtungen benutzt werden. Derartige Vorrichtungen können in einfacher Weise konstruiert werden, da sie die wesentlichen mechanischen Elemente umfassen, die beim Impulslichtbogenschweissen angewandt werden.

Wenngleich die mechanischen Vorrichtungen, welche bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens benutzt werden, üblicherweise den bekannten mechanischen Vorrichtungen entsprechen oder diesen zumindest sehr ähnlich sind, weicht die Stroraversorgungsvorrichtung, welche zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet wird, normalerweise beträchtlich von der Vorrichtung ab, die zur Durchführung des Impulslichtbogenschweissens benutzt wird. Vorzugsweise wird die Stromversorgungsvorrichtung so ausgelegt, dass sie in der Lage ist, einen Strom bereitzustellen, welcher aus sich wiederholenden aufeinanderfolgenden Stromeinheiten, wie z.B. den Einheiten A in Fig. 1 der Zeichnungen besteht, die mit anderen sich wiederholenden und sich aneinander anschliessenden Stromeinheiten abwechseln, wie z.B. den Stromeinheiten B in der gleichen Figur der Zeichnungen.

Bei der Betrachtung der Fig. 1 der Zeichnungen erkennt man, dass die Stromeinheiten A und B bis zu einem gewissen Grad Stromimpulsen entsprechen, die den Impulsen in etwa analog oder ähnlich sind, die beim üblichen Impulslichtbogenschweissen benutzt werden. Diese Stromeinheiten können auch als Impulse bezeichnet werden, obwohl sie in der Tat aus einer Anzahl oder Reihe von getrennten Stromimpulsen gebildet werden, wie sich aus dem Nachfolgenden noch ergibt. Vorzugsweise

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werden diese Stromeinheiten in verschiedenen Zeitintervallen angewandt, welche den Intervallen entsprechen, in denen beim Impulslichtbogenschweissen Stromimpulse abgegeben werden. Im allgemeinen müssen pro Sekunde etwa 50 bis etwa 500 von diesen Stromeinheiten abgegeben werden, um die mit der Erfindung erreichbaren vorteilhaften Ergebnisse zu erzielen. Die Anwendung dieser Stromeinheiten mit den angegebenen Frequenzen hängt von bekannten Faktoren ab, welche auch beim Impulslichtbogenschweissen eine Rolle spielen, so dass bei Anwendung dieser Frequenzen die bekannten Vorteile des Impulslichtbögenschweissens erhalten bleiben, welche eingangs erwähnt worden sind.

Wenn jedoch diese Stromeinheiten oder Impulse niedrigere oder~ höhere Frequenzen haben als,dies vorstehend angegeben wurde, dann besteht die Gefahr, dass die bekannten Vorteile des Impulslichtbogenscliweissens nicht erreicht werden können. Es ist klar, dass ebenso wie beim Impulslichtbogenschweissen die besten Ergebnisse für bestimmte Schweissfälle bei Anwendung eines bestimmten Frequenzbereichs innerhalb des grossen angegebenen Bereichs erreicht werden. Man erkennt ferner, dass der angegebene Bereich die Grenzen angibt, in denen es normalerweise möglich ist, die Vorteile des Impulslichtbogenschweissens zu erzielen, dass aber einige dieser Vorteile auch bis zu einem gewissen Grade ausserhalb dieses Bereichs erreichbar sind.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem Impulslichtbogenschweissen dadurch, dass die sogenannten Stromeinheiten, welche den Impulsen beim Impulslichtbogenschweissen entsprechen, aufgeteilt sind in getrennte Stromimpulse, welche zwischen zwei Pegeln bei relativ kurzen Zeitdauern variieren. Auf diese Weise werden also die Stromeinheiten A und B aufgeteilt in getrennte, individuelle Impulse C und D, wobei je-

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der dieser Impulse zwischen zwei unterschiedlichen Strompegeln schwankt. Dabei kann erfindungsgemäss* die Frequenz dieser Impulse C und D in einem verhältnismässig weiten Bereich variiert werden.

Zufriedenstellende Ergebnisse werden erreicht, wenn die Frequenzen der Impulse B und D in dem Bereich von 5000 bis 50 000 Hz oder Impulsen pro Sekunde liegen.

Wenn die Frequenz dieser Impulse C oder D niedriger als etwa 5000 Hz oder Impulse pro Sekunde ist, dann werden die angestrebten vorteilhaften Wirkungen nicht mehr erreicht. In ähnlicher Weise werden auch dann, wenn die Frequenz der Impulse C oder D grosser als 50 000 Hz ist, zufriedenstellende Ergebnisse im allgemeinen nicht mehr erzielt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zahlenwerte nicht als genaue Grenzangaben verstanden werden dürfen, da gelegentlich zumindest teilweise zufriedenstellende Ergebnisse auch mit Frequenzen erzielbar sind, welche nahe bei dem oberen oder dem unteren Wert des angegebenen Bereiches liegen, aber geringfügig ausserhalb dieses Bereiches.

Die erreichten Ergebnisse hängen auch von der Wellenform der Impulse C und D ab. In Fig. 1 der Zeichnungen sind diese Impulse als rechteckförmige Impulse dargestellt. Eine solche Rechteckform des den Schweisselektroden zugeführten Stroms ist wichtig, um die gewünschten Ergebnisse sicherzustellen. Wenn Strom gemäss Fig. 1 einer Schweisselektrode zugeführt wird, dann werden kleine "Stösse" von Elektronen der Schweisszone zugeleitet. Derartige Stösse werden als wesentlich angesehen, um die erstrebte Resonanz in der Schweisszone und damit die gewünschten Resultate zu erreichen. Diese Stösse können grob mit sich wiederholenden mechanischen Schlägen verglichen werden, die auf eine Metallplatte in der Weise ausgeübt werden,

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dass eine ständige Verstärkung der in der Platte durch den Schlag erzeugten Resonanz erfolgt.

Wenn eine beachtliche Abweichung von der Rechteckform der Stromimpulse vorliegt, dann bewirken die Elektronenstösse in der Schweisszone nicht den mechanischen Effekt, der erforderlich ist,, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Aufgrund der zwangsläufig vorhandenen Einschränkungen der Elektronik kann es gelegentlich unmöglich sein, eine exakte Rechteckform für die Impulse C und D zu erzielen. Bei einer bedeutsamen Abweichung von dieser Wellenform erreicht man nicht das gewünschte Ergebnis. * .

Diese Wellenform des einer Schweisszone zugeführten Stroms hängt ab von der Art und Weise, in welcher der Strom durch übliche Schweisskabel von der Stromquelle einer Elektrode ,in der Schweisszone zugeführt wird. Es ist bekannt, dass Kabel, wie sie beim Lichtbogenimpulsschweissen üblicherweise benutzt werden, normalerweise nicht in der Lage sind, rechteckförmige Impulse der Schweisselektrode zuzuführen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn man sich darum bemüht, verhältnismässig hohe Frequenzen beim Impulslichtbogenschweissen zu benutzen. Es kannverallgemeinert gesagt werden, dass mit steigender Frequenz die Abweichung von der Rechteckform des der Elektrode beim Impulslichtbogenschweissen zugeführten Stroms grosser wird. Die Gründe dafür sind für das Verständnis der vorliegenden Erfindung aber unbeachtlich.

Gemäss der Erfindung werden der Schweisselektrode selbst dann rechteckförmige Stromimpulse zugeführt, wenn die benutzten Impulsfrequenzen sehr hoch sind. Dies wird mit einer geeigneten nachstehend noch zu beschreibenden Stromversorgungsvorrichtung und durch die Einstellungen der Stromeinheiten A und B erreicht, so dass die Impulse C und D innerhalb dieser Stromeinheiten

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zwischen zwei verschiedenen Strompegeln schwanken, wie dies in Pig. 1 der Zeichnungen angegeben ist. Eine PrUfung der Pig. 1 ergibt, daß die Impulse 0 zwischen einem ersten und einem zweiten Strompegel variieren, während die Impulse D zwischen einem zweiten und dritten Strompegel schwanken. Die ersten und dritten Strompegel entsprechen der Differenz der Strompegel der Stromimpulse, welche beim üblichen Impulsliohtbogenschweißen benutzt werden, um auf diese Weise die Beibehaltung der Torteile des Impulslichtbogenschweißens zu gewährleisten.

Durch die Aufteilung der Stromdnheiten A und B in beschriebener Weise in Stromimpulse G und D ist es möglich, die elektrischen Übertragungseigensohaften von Schweißkabeln und dgL, welohe zur Stromzuführung bei üblichen und bekannten Sohweißverfahren angewandt werden, zu kompensieren, so daß der der Schweißzone zugeführte Strom aus getrennten rechteckförmigen Impulsen besteht, wie z.B. den Impulsen C und D. Vermutlich können derartige Impulse in einer Sohweißzone auch durch die Verwendung verschiedener anderer Stromübertragungseinriohtungen erreicht werden, die aber als hoch kompliziert bezeichnet werden müssen, wobei die Verwendung von Stromeinheiten, welohe aus zwischen verschiedenen Strompegeln in der Amplitude schwankenden Stromimpulsen bestehen, nicht erforderlich ist. Die Benutzung derartiger hochkomplizierter Übertragungseinrichtungen wird als unerwünscht betrachtet im Hinblick auf die Schweißindustrie und die dort üblicherweise verwendeten Vorrichtungen.

Die Benutzung von Stromeinheiten, die jeweils aus Stroaimpulsen unterschiedlicher Amplitude bestehen, wird als bedeutsam für die Herstellung von zufriedenstellenden Metallgefügen angesehen. Die Gründe für diese Tatsache sind noch nicht vollkommen erforscht, scheinen aber damit im Zusammenhang zu stehen, daß die getrennten

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Impulse innerhalb der Stromeinheiten für eine ausreichende Zeit wiederholt angewandt werden, um den gewünschten im wesentlichen mechanischen Effekt auf das geschmolzene Metall in der Schweißzone auszuüben und die vorteilhaften Wirkungen zu erreichen.

Die Amplituden der getrennten Impulse C und,D müssen nicht zwischen drei Pegeln schwanken, wie dies in Pig. 1 der Zeichnungen dargestellt ist. Die Benutzung von drei Pegeln wird jedoch als vorteilhaft aufgrund ihrer Vereinfachung der Stromversorgungsvorrichtung angesehen. Zufriedenstellende Ergebnisse können in einigen Pällen dadurch erreicht werden, daß erste zwischen einem ersten und einem zweiten Stromspiegel schwankende Stromimpulse G sowie zweite Stromimpulse D verwendet werden, die zwischen völlig abweichenden Strompegeln schwanken. Die Amplitudenbereiohe der Impulse C und D können völlig ungleich sein, und sie können sich überlappen oder nicht.

Bei jedem speziellen Anwendungsfall können die Zeitdauer oder frequenz der getrennten Stromeinheiten A und B, die Zeitdauer oder Frequenz der Impulse C und D und die Strompegel dieser Impulse (sowie der Stromeinheiten) in Abhängigkeit von den speziellen Gegebenheiten der Schweißung oder des jeweils durchgeführten Verfahrensschrittes angepaßt werden, so daß die sogenannte mechanische Resonanz in der Schweißzone entsteht, und zwar insbesondere in dem geschmolzenen Metall der Sohweißzone. Die zur Erreichung dieser Resonanz notwendigen genauen Frequenzen und Strompegel werden in erster Linie von physikalischen oder mechanischen Paktoren bestimmt. In der Tat müssen derartige Änderungen für jeden speziellen Anwendungsfall eingestellt werden in Abhängigkeit von den zu schweißenden Metallen, der genauen Geometrie, der benutzten Schweißvorrichtung und der zu ver-schweißenden Teile, so daß eine mechanische Resonan« in der Schweißzone entsteht. Wenn eine

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derartige Resonanz durch eine Abstimmung oder Einstellung des Sohweißstromes erreicht ist und wenn dieser Strom dann konstant gehalten wird, um die Resonanz aufrechtzuerhalten, dann können die Werkstücke nach bekannten Verfahren verschweißt werden. Als eine Hilfe zum Verständnis der Erfindung geben die Figuren 1 und 4 der Zeichnungen die speziellen Werte von zwei unterschiedlichen Schweißströmen an, welche zur Herstellung τόη Sohweißungen benutzt worden sind, während die folgenden Zeichnungen 2, 3, 5 und 6 die Art der sich dabei ergebenden Metallgefüge zeigen.

Aus Fig. 1 folgt weiter, daß beim Verschweißen eines Aluminiumgußstückes (A-13) »it einer Aluminiumplatte (3004 H 14) der Strom zwischen den Pegeln von 80, 120 und 200 Ampere schwankt, wobei die Stromeinheiten A und B eine Zeitdauer von 12 bzw. Millisekunden haben, während die Zeitdauer der Stromimpulse C und D 80 bzw. 40 Microsekunden beträgt. Pig. 4 zeigt, daß der beim Verschweißen von zwei Platten aus einer Metallegierung (Inconel 600) verwendete Schweißstrom zwischen den Strompegeln von 40, 70 und 130 Ampere schwankt, während die einzelnen Stromeinheiten A und B eine Zeit von 80 bzw. 40 Millisekunden haben und die einzelnen Impulse 0 und D 62 bzw. 38 Mikrosekunden andauern.

Sie Schweißungen wurden unter Benutzung dieser Schweißströme ohne die Verwendung eines Zusatz- oder Füllstoffes erzeugt. Ferner wurde dabei eine beim üblichen Impulslichtbogenschweißen verwendete Vorrichtung benutzt, die lediglich in der Art der Stromversorgungsvorrichtung, welche zur Zufuhr von Sohweißströmen zu den Sohweißkabeln benutzt wurde, von der üblichen Vorrichtung abwich. In beiden Fällen wurde vonübliohen Schweißtechniken, einschließlich von abschirmendem Inertgas, Gebrauch

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gemacht. Aus den Pig. 1 und 4 ergibt sich also, daß erfindungsgemäß sowohl die Amplituden der verwendeten Stromeinheiten als auch die Zeitdauer dieser Stromeinheiten und der verwendeten Impulse von Anwendungsfall zu Anwendungsfall verändert werden müssen, um die gewünschte Resonanz in der Schweißzone zu erreichen, welche das gewünschte metallische Gefüge ergibt.

Bei der Betrachtung der Pig. 2, 3, 5 und 6 der Zeichnungen ergibt sich, daß. das Metall,das beim Erzeugen einer Schweißung zunächst geschmolzen wird und dann sich wieder verfestigt, sich wesentlich von dem Metall unterscheidet, welches zur Herstellung dieser Schweißnähte verwendet wird. Aus diesen Figuren ergibt sich, daß das geschmolzene und danach wieder verfestigte Metall von dem Ausgangsgefüge des verwendeten Metalls dadurch abweicht, daß es dicht gepackte, im wesentlichen parallel verlaufende, nadel- oder stabförmig erscheinende Kristallgebilde aufweist, welche sich von der Grenzfläche zwischen dem ungeschmolzenen Material und dem geschmolzenen und danach wieder verfestigten Material in die Schweißzone hinein und längs dieser erstrecken. Diese stabförmigen oder nadeiförmigen Gebilde werden offenbar in einer nicht kristallinen Matrix gehalten, die einen amorphen Charakter hat, so daß auf diese Weise die stabförmigen Gebilde gegen Bewegung stabilisiert und aneinander festgelegt werden.

Diese Art der Definition des erfindungsgemäßen metallischen Gefüges beruht auf physikalischen Beobachtungen. Aufgrund dessen sowie im Hinblick auf die von dem Schmelzen und dem Verfestigen des Metalls abhängigen Natur des Metallgefüges ist es sohwierigund nahezu unmöglich, diese Metallgefüge zu beschreiben. Aus der Beobachtung dieser Gefüge hat sich ergeben, daß diese unmittelbar verglichen wenden können mit Strukturen auf anderen Gebieten der !Technik, so z.B. mit verstärkten Kunststoffen, bei denen eine Anzähl sogenannter Glasfasern

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dicht aneinandergepackt sind und sich zumindest weitgehend parallel zueinander erstrecken, wobei die Glasfasern durch ein polymeres Material gehalten werden, welohes sie aneinander bindet.

Die nadeiförmigen, erfindungsgemäß im Innern des Metallgefüges entstehenden Metallge"bilde zeichnen sich dadurch aus, daß sie nahe dem Zentrum der Sohweißzone, wo die maximale Wärme "bei Benutzung einer Schweißelektrode entsteht, dazu neigen, sich parallel zueinander und im wesentlichen längs der Richtung, in welcher die Schweißelektrode "beim Schweißen bewegt wird, zu orientieren. In den Grenzbereichen der Schweißung nahe dem zu verschweißenden Material, wo die Wärmeeinwirkung von dem verwendeten Lichtbogen geringer ist als im Zentrum der Schweißzone neigen die nadeiförmigen Gebilde dazu, sioh in Ebenen quer zur Bewegungsrichtung der Schweißelektrode auszurichten. In diesen Grenzbereiehen sind die nadeiförmigen Gebilde bestrebt, sich innerhalb bestimmter Zonen in Gruppen anzuordnen, wobei diese Zonen den Zonen oder Bereichen des Basismetalls entsprechen und wohl als Domänen bezeichnet werden können.

Allgemein läßt sioh sagen, daß mit größerem Abstand von der Kante des Materials, das während des Schweißens geschmolzen werden soll, in Richtung auf das Zentrum der Sohweißzone der Grad größer wird, um den diese parallele nadeiförmige Gebilde enthaltenden Domänen oder Regionen ineinander übergehen und sich miteinander mischen, sowie dazu neigen, sich in der gleichen Richtung zu orientieren. In allen Fällen sind die nadeiförmigen Gebilde dicht aneinandergepackt.

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Die vorstehend beschriebenen Merkmale ergeben sich, aus der ■ Prlifung der Mg. 5 und 6 der Zeichnungen. In Pällen, in denen das geschweißte Metall keine ausgesprochene Domänenstruktur hat, scheinen die nadel- oder stabförmigen bei der Anwendung der Erfindung entstehenden Gebilde in ihrer Orientierung nahe den Grenzflächen der Schweißzone nicht von den Eigenschaften des geschweißten Metalls abhängig zu sein. Jedoch auch in diesen Grenzbereichen sind in diesen Metallen nahe den Schmelzgrenzen während des Schweißens die nadel- oder stabförmigen Gebilde bestrebt, sich von dem ungeschmolzenen Material fortzuerstreoken, so daß sie mehr oder weniger quer zur Bewegungsrichtung der Schweißelektrode verlaufen.

Sie erstrecken sich' also in diesen Grenzbereichen im wesentlichen in Ebenen, die normal zur Bewegungsrichtung der Elektrode liegen, von den Oberflächen des ungeschmolzenen Metalls fort. Die nadeiförmigen Gebilde neigen jedoch dazu, sich nahte dem Zentrum der Schweißzone, in dem die größte Wärmemenge aufgebracht worden ist, zu biegen und sich zu vermischen, so daß sie sich dort im wesentlichen parallel zu der Richtung der Elektrodenbewegung erstrecken und zwar auch, bei Metallen und Legierungen, welche vor dem Schmelzen und Verfestigen versohiedene Typen physikalischer GefUge aufweisen.

Die Gründe, die zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Materialstruktur führen, sind noch nicht völlig geklärt. Sie liegen aber sicherlich darin, daß die Resonanz des geschmolzenen Metalls in der Schweißzone zur Formung der vorerwähnten nadel- oder stabförmigen Gebilde sowie zur Orientierung dieser Gebilde mehr oder weniger in der Art von feinem Pulver führt, welches sich auf einem in Resonanz befindlichen Stafc verteilt und ausrichtet. Die durch diese mechanische Resonanz erzeugte Aus-

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richtung wird offensichtlich, in dem geschmolzenen Metall auch hei dessen Ahkühlung cUrch fortlaufende weitere Anwendung des erforderlichen Stromes aufrechterhalten. Es wird als erforderlich erachtet, daß die durch einen Schweißstrom erzeugte Resonanz beim Verfestigen des Metalls fortgesetzt wird, um die gewünschten Ergehnisse zu erreichen.

Diese Ergehnisse sind sehr bedeutsam. Fachleute auf dem Gebiet der Schweißtechnik erkennen die Bedeutung aus den Materialien, welche benutzt wurden zur Herstellung der Schweißungen gemäß den Pig. 3» 4, 5 und 6. Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist es möglich geworden, verschiedene Metalle und Legierungen zufriedenstellend zu verschweißen, welche zuvor als schwer zu schweißen oder als nicht schweißbar eingestuft worden sind. Es soll hier nicht der Versuch unternommen werden, alle Metalle und Metallegierungen vollständig aufzuzählen, welche zufriedenstellend mit dem neuen Verfahren verschweißt werden können. Es wird vermutet, daß dieses Verfahren möglicherweise bei einigen Metallen und Metallegierungen nicht anwendbar ist. Bisher jedoch sind derartige Metalle und Metallegierungen noch nicht festgestellt worden.

Bei verschiedenen voneinander abweichenden Metallen und Metallegierungen werden die in den Schweißzonen erreichten genauen Metallgefüge in dem Rahmen voneinander abweichen, wie sich dies auch an dem geringen Unterschied in den Metallgefügen gemäß den Pig. 5t 4, 5 und 6 zeigt. Alle nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Metallgeflige haben aber im wesentlichen die in dieser Beschreibung angegebenen physikalischen Eigenschaften.

Es sei hier aber betont, daß die Erfindung nicht allein flir das Sohweißen von Metallen, die bisher schwierig oder praktisch

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nicht mit dem Lichtbogenschv/eißverfahren zu verschweißen waren, anwendbar ist. Die Erfindung hat auch eine Bedeutung darin, daß die damit erzeugten Schweißungen normalerweise eine viel höhere Festigkeit haben als man dies aufgrund der Kenntnisse der bisherigen Schweißtechniken vermuten würde. So ist es gelegentlich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelungen, Schweißungen von größerer Festigkeit zu erzielen als sie das Metall oder die Legierung der Schweißung ansonsten aufweist. So sind z.B. Platten miteinander verschweißt worden, wobei die Schweißzonen eine größere Festigkeit hatten als die Platten selbst. Diese Merkmale sind auf die erzeugten vorteilhaften Metallgeftige zurückführbar.

Aufgrund der Einmaligkeit des erfindungsgemäß erzielten inneren Metallgefüges kann der Vorschlag der Erfindung offensichtlich auch zur Verbesserung von Gefügen innerhalb von Metallen und Metallegierungen in Stäben, Blechen oder dgl. benutzt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Lichtbogen unter Verwendung eines zuvor beschriebenen Stromes Über die Länge eines solchen Metallteiles bewegt wird. Eine derartige Verbesserung kann auch durch sogenannte Vergiitungsvorgänge vorgenommen werden, welche die wesentlichen Schritte des vorbeschriebenen Schweißvorgangs nachvollziehen und durch eine ..-.. Anzahl von Lichtbögen ein Metallteil schmelzen, so daß dieses zunächst in die flüssige Form gebracht und dann sich wieder verfestigt, wobei die beschriebene mechanische Resonanz aufrechterhalten wird. , . ■

Bei der Erzielung der Ergebnisse der beschriebenen Erfindung ist eine Stromversorgungsvorrichtung 10 (Fig. 7) zur Erzeugung der Schweißströme benutzt worden. Diese Stromversorgungsvorrichtung 10 ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da sie mit üblichen Schweißkabeln und dgl. verwendet werden

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kann, um einer Schweißelektrode einen Schweißstrom mit der angegebenen Wellenform 25u2sufu.hren.

In Verbindung mit der in 3?ig. 7 gezeigten Stromversorgungsvorrichtung wird ein Netzteil 12 verwendet, um Strom über Anschlüsse 14 drei elektronischen Sohaltern 16 zuzuführen, von denen jeder von einem elektrischen Signal gesteuert werden kann, um einen Stromstoß durchzulassen. Die elektronischen Sohalter 16 sind durch geeignete Yerbindungsleiter 18 an Punktionsverstärker 20 und 22 angeschlossen, welche ein Rüokkoppelungsnetzwerk zur Steuerung des Stromes bilden. Jeder Punktionsverstärker 20 ist an »ine Bezugsstromquelle 24 angeschlossen, welche dazu benutzt wird, um einen Strom mit einer der beim Schweißen in beschriebener Weise benutzten Amplitude den Punktionsverstärkern 20 zuzuführen, so daß die Punktionsverstärker 20 und 22 die Wirkungsweise der elektronischen Schalter 16 so steuern, daß die elektronischen Schalter 16 Ströme mit von der Bezugsstromquelle 24 angegebenen Amplituden durchlassen.

Wenn diese Ströme von den elektronischen Schaltern 16 durchgelassen werden, dann werden sie durch übliche Leiter 26 an die Basis eines Transistors 28 angelegt. Der Kollektor dieses Transistors 28 ist direkt an ein Schweißkabel 30 angeschlossen, das eine Elektrode 32 mit Strom versorgt, welche zur Erzeugung eines Lichtbogens an einem oder an mehreren Metallteilen 34 benutzt wird. Die Metallteile oder Werkstücke 34 sind zur Vervollständigung des Steomkreises zusätzlich noch mit dem Netzteil 12 elektrisch verbunden. In der Stromversorgungsvorrichtung 10 ist der Emitter des Transistors 28 über einen geringen Widerstand 36 durch geeignete Leiter 38 mit der Bezugastromquelle 24 verbunden, um diese Bezugsstromquelle mit Strom su versorgen. Ein geringer Nebenwiderstand 40 ist zwischen den Widerstand 36 und die Leiter 38 geschaltet.

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Die einzelnen elektronischen Schalter 16 werden durch eine sogenannte elektronische Uhr 42 betätigt, welche durch geeignete Leiter 44 ein elektronisches Signal einer Reihe von elektronischen Zeitgebungseinrichtungen 46 zuleitet, die so eingestellt sind, daß sie die jeweiligen Zeitdauern der Ströme gemäß Pig. 1 und 4 zählen oder messen. Diese Zeitgebungseinriohtungen 46 sind an ein Logiknetzwerk 48 mittels weiterer Leiter 50 angeschlossen, so daß sie für gewünschte Zeitdauern Signale dem Logiknetzwerk zuleiten und dann zurückgestellt werden, um erneut zur Angabe eines Zeitintervalls wirksam zu werden. Das Logiknetzwerk 48 ist durch zusätzliche Leiter 52 an die einzelnen elektronischen Schalter 16 angeschlossen, um diese in der gewünschten Aufeinanderfolge und in den gewünschten Zeitintervallen zu betätigen, so daß sie Ströme der verwendeten Amplituden zu dem Transistor 28 und der Elektrode 32 durchlassen. Somit ist aufgrund der beschriebenen Stromversorgungen rrichtung der Schweißstrom eine Kombination aus einzelnen Stromstößen, welche von den elektronischen Schaltern 16 durchgelassen werden.

Die Stromversorgungsvorrichtung 10 ist hier nicht in allen Einzelheiten beschrieben worden^ da wohl davon ausgegangen werden kann, daß Fachleute auf dem Gebiet der elektronischen Schaltungen der hier betroffenen Art nach den vorstehenden Ausführungen in der Lage sein werden, eine Stromversorgungsvorrichtung 10 auf der Basis der ihnen zugänglichen Bauteile als Routinearbeit auf dem.Gebiet der Elektronik nachzubauen.

Die in der beschriebenen Versorgungsvorrichtung 10 verwendeten Bauteile sind bekannt und werden unter A_usnutzung ihrer üblichen Punktionen angewandt. Es wird jedoch als einmalig und erfinderisch angesehen, diese Bauteile in der beschriebenen Kombination zu

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verwenden, um damit einer Elektrode, wie z.B. der Elektrode 32, über einen Transistor, wie "beispielsweise den Transistor 38, in der beschriebenen Weise Strom zuzuführen.

Die üblichen Bauteile, welche in die Stromversorgungsvorrichtung 10 eingebaut sind, können eingestellt werden, so daS ein bestimmter zu benutzender Schweißstrom erhalten werden kann, um die vorbeschriebene mechanische Resonanz zu erzielen. Der erforderliche genaue Strom zur Erzeugung dieser Resonanz differiert von einem Anwendungsfail zum anderen in Abhängigkeit von einer Anzahl von Paktoren.

Die zu verschweißenden Metalle sind für die Bestimmung des jeweils erforderlichen Stromes zur Erreichung dieser Resonanz sehr wichtig. Andere Faktoren, wie z.B. die Geometrie der beim Schweißen verwendeten Teile und Konstruktionen sind auch wesentlich, um den gewünschten Strom zu bestimmen. All dies wie auch die Abmessungen der verwendeten Schweißelektroden, die Form und Ausbildung der zu verschweißenden Teile und dgl. beeinflußt das was man als den erforderlichen genauen Sohweißstrora bezeichnen kann. Da nun aber die geforderten Schweißströme von einem Anwendungsfall zum anderen variieren, ist es erforderlich, daß die Stromversorgungsvorrichtung 10 einstellbar ist.

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Claims (10)

Ansprüche:

1. Metallisches Gefüge mit einer Me tall struktur hoher Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vielzahl von dichtgepackten, kristallartig erscheinenden nadeiförmigen Metallgebilden aufweist, die relativ zueinander festgelegt sind und sich parallel zueinander in einer amorph erscheinenden Metallmatrix erstrecken.

2. Gefüge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich in einer Schweißzone nahe mindestens einem Metallteil erstreckt.

3. Gefüge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die nadeiförmigen Metallgebilde im wesentlichen normal in bezug auf die Grenzbereiche, in denen das metallische Gefiige an das Metallteil angrenzt, erstrecken, während sie im Zentrum der Schweißzone im wesentlichen quer zu den in den Grenzbereichen angeordneten Gebilden verlaufen.

4. Gefüge nach Anspruch 2 oder 31 dadurch gekennzeichnet, daß die nadeiförmigen Metallgebilde in den Grenzbereichen in Gruppen angeordnet sind, deren Abmessung den im inneren Gefüge des Metallteils vorkommenden Grenzlinien entspricht.

5. Verfahren zur Erzeugung eines metallischen Gefüges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, innerhalb eines Metallteils oder in einer Schweißzone zwischen Metallteilen, dadurch gekennzeichnet, daß

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die in das metallische Gefüge umzuwandelnden Abschnitte des Metallteils bzw. der zu verschweißenden Metallteile geschmolzen sowie anschließend abgekühlt und verfestigt werden und daß sioh wiederholende Kräfte auf das geschmolzene Metall ausgeübt werden und in diesem etall sowohl im flüssigen Zustand als auch bei seiner Verfestigung Resonanz erzeugen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schmelzen des Metalls und zur Erzeugung der sich wiederholenden Kräfte mindestens ein Lichtbogen mit dem Metallteil bzw. den Metallteilen gezündet und der zu seiner Aufrechterhaltung erforderliche Strom variiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadureh gekennzeichnet, daß der Strom aus einer sich wiederholenden Reihe von rechteckförmigen Impulsen besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadureh gekennzeichnet, daß der Strom aus einer aufeinanderfolgend sich wiederholenden Reihe von Stromeinheiten besteht, welche jeweils aus zwei verschiedenen aufeinanderfolgenden Reihen von Impulsen gebildet sind, wobei die erste Stromeinheit aus einer Reihe von im wesentlichen rechteckförmigen Impulsen besteht, welche hinsichtlich ihrer Amplitude zwischen einem ersten und einem zweiten Strompegel variieren, während die zweite Stromeinheit aus einer Reihe von ebenfalls im wesentlichen rechteckförraigen Impulsen gebildet wird, welche hinsichtlich ihrer Amplitude zwischen dem zweiten oder einem dritten .Strompegel einerseits und einem vierten Strompegel andererseits variieren.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom pro Sekunde etwa 50 bis 500 Stromeinheiten aufweist und die Frequenz der Impulse zwischen etwa 5000 bis 50-000' Hz liegt.

10. Seriengesteuerte transistorisierte Stromversorgungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 5 bis 9, bei der ein Transistor, eine Stromquelle und ein Lastwiderstand in Reihe geschältet sind und zur Steuerung des Siromflusses durch den Lastwiderstand ein Steuersignal auf den Transistor gegeben wird, d adurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von jeweils mit dem Transistor verbundenen elektronischen Schaltern (26) zur Steuerung des Transistors (28), Rückkoppelungseinrichtungen zur Bestimmung der von den elektro nischen Schaltern (26) durchgelassenen Stromamplitude sowie Zeitgebungseinrichtungen (46) vorgesehen sind, welche aufeinanderfolgend die elektronischen Schalter (26) steuern, so daß der von diesen zu dem Transistor (28) durchgelassene Strom in Stromeinheiten (A,B) umgewandelt wird, welche aus Stromimpulsen (C,D) bestehen, wobei die Stromimpulse (C,D) der Stromeinheiten (A,B) für eine bestimmte Zeitdauer zwischen einem Hoch- und einem Kledrigpegel varrieren.

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