CH427074A - Verfahren zum Verbinden metallischer Elemente, die mit Oberflächenschichten bedeckt sind, mittels Widerstandsschweissung und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Verbinden metallischer Elemente, die mit Oberflächenschichten bedeckt sind, mittels Widerstandsschweissung und Einrichtung zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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Description
Verfahren zum Verbinden metallischer Elemente, die mit Oberflächenschichten bedeckt sind, mittels Widerstandsschweissung und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens In der metallverarbeitenden Industrie stellt sich oft das Problem, Metallteile auf Oberflächen zu be festigen, die mit Schutz- oder .Isolierschichten, aber auch mit Fett-, Oxyd-, Lack- oder Zierschichten ver sehen sind.
Diese Schichten verhindern das en sich sehr rationelle und wirtschaftliche überlegene Wider- stands-Schwoissverfahrem. und erforderten bisher die Nieteng oder andere teuere Verbindungsprozesse, wenn nicht vorgezogen wurde, die Werkstücke min destens an den Schweissstellen entsprechend zu reini gen. Eine solche Reinigung verteuert aber den Ar beitsprozess und ist in -gewissen Fällen nur mit gro sser Mühe durchführbar.
Im speziellen ist dieses der Fall bei der Fabrikation von metallischen Zierstük- ken, Schriftzügen, Madaillen, Zifferblättern und Spielzeugen, aber auch bei elektronischen und elek trischen Bauteilen (isolierte .Drähte, Röhren und Halbleiterfabrikation).
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, wel ches trotz solcher störenden Oberflächenschichten ein Verbinden mittels Widerstandsschweissung er möglicht.
Hierzu ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass an mindestens einem der Elemente die mit dem ande ren Element in Berührung kommende Oberfläche mit Erhöhungen bestimmter Form versehen wird, ,dass sodann !die Elemente unter elastischem Druck zusammengepresst wenden und zwischen diesen Ele menten eine relative Vibrationsbewegung erzeugt wird, durch die die Oberflächenschicht von dien Be nannten Erhöhungen durchbrochen wird,
dass hier auf :ein für die Schweissurig geeigneter, elastischer Anpressdruck auf die Elemente ausgeübt wird und endlich die Elemente :an den :durch die Erhöhungen gebildeten Kontaktstellen durch kurzzeitige elektri sche Stromimpulse verschweisst werden.
Eine Einrichtung zur Durchführung des: Verfah rens ist gekennzeichnet durch Organe zum Positio nieren der zu schweissenden Elemente und um diese elastisch zusammenzupressen, durch Vibrationsor- gane zur Erzeugung, relativer Vibnationsbewegungen zwischen den zu schweissenden Elementen, derart, dass an einander zugewendeten Seiten der Elemente befindliche Erhöhungen die hindernde Oberflächen- schichtdurchbrechen, und endlich durch Elektroden, über welche :
den elastisch zusammengepressten Ele menten kurzzeitige elektrische Stromimpulse zuführ bar sind, ,die die .Elemente an den Berührungspunk ten miteinander verschweissen.
Anhand :der Zeichnungen werden :eine Ausfüh rungsform des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise nä her erläutert.
Die Fig. 1 biss 3 zeigen verschiedene Stadien des Verfahrens, und zwar links jeweils :die Elemente im Schnitt, rechts in Ansicht.
Auf :den Fig. 4 und 5 sind Einzelheiten einer Vorrichtung dargestellt.
Zunächst sollen die zur erfolgreichen Durchfüh rung des Verfahrens nötigen Bedingungen beschrie ben werden.
Die Höhe der Erhöhungen soll mindestens gleich ,der Dicke der zu -durchbrechenden Oberflächen schicht plus mindestens 0,1 mm sein. Die Reserve von wenigstens 0,1 mm ist nötig, weil im Moment .des Schweissens die Erhöhungen etwas in idie Ober fläche des Grunämetalls einsinken und infolge Schweissdruck und Temperatur auch etwas defor miert werden. Trotzdem soll das aufzu:schw--issende Element ,die Oberflächenschicht nicht berühren.
Die mechanische Härte der -Erhöhungen soll na türlich mindestens so gross sein wie dieienige .der zu zerstörenden Oberflächenschicht. Die Form der .Erhöhungen ist aus Herstellungs- gründen für viele Fälle vorzugsweise kreiskegelför mig. Auch .andere Formen, wie z. B. ,die Pyrami denform, kommen natürlich in Frage. Wesentlich ist, dass der Querschnitt der Erhöhungen .gegen den Berührungspunkt hin immer abnimmt.
Der Anpressdruck für die Vibration richtet sich nach Grösse und Härte der Erhöhungen sowie nach der zu durchbrechenden Schicht. Der spezifische Druck an den Berührungspunkten soll so gewählt sein, dass die Erhöhungen nicht zerstört werden, auch wenn sie während kurzer Zeit auf .dem Grund- metall des Gegenelementes reiben. Der Druck soll bei Einsinken der Erhöhungen aufrechterhalten blei ben, muss also elastisch sein.
Die Amplitude der Vibrationsbewegung beträgt vorzugsweise je nach Anwendungsfall 0,01 bis 1 mm. Sie ergibt sich aus den Abmessungen der Erhöhun gen, welche ihrerseits durch die Grösse .der zu schwei ssenden Elemente festgelegt sind. Die weggearbeitete Fläche in der Oberflächenschicht soll so gross sein, ,dass die Erhöhungen die Schicht während des Schweissens nicht berühren, da eine Beeinträchtigung ,des Schweissprozesses, z.
B. Verunreinigung der Schweisslinse durch Partikeln oder Gase aus der er hitzten Zone der Oberflächenschicht, vermieden wer- ,den soll. Die Amplitude der Vibrationsbewegung wind -deshalb mit Vorteil nicht zu klein gewählt.
Bei runden oder pyramidenförmigen Erhöhun g Cr en ist die Vibrationsbewegung vorzugsweise kreis förmig, und zwar derart, dass aus :der Ausgangslage in einer kleinen Spirale in die kreisförmige Vibra- tionsbewegung übergegangen wird. Die notwandige tangentiale Vibrationskraft pro Erhöhung liegt in den meisten Fällen. in der Grössenordnung -der ver tikalen Anpresskraft pro Erhöhung.
Die Vibrationsfrequenz bestimmt zusammen mit dem zulässigen Anpressdruck die Dauer des Vibra- tionsprozesses. In vielen Fällen kommt man mit einer relativ kleinen Anzahl Vibrationen aus. So genügen z. B. etwa <B>100</B> Vibrationen ohne -weiteres zum Durchbrechen von Lackschichten. Bei einer Vibra- tionsdauer von 1 Sekunde kann somit mit der sehr .niedrigen Frequenz von 100 p/sek gearbeitet wer den. Solche Vbrationsfrequenzen sind sehr einfach realisierbar.
Vielfach wind verlangt, dass -die aufzuschwei ssenden Elemente mit grosser Genauigkeit positioniert werden. Am Ende des Vibrationsprozesses sollen deshalb die Werkstücke in eine ganz bestimmte Lage zueinander gebracht werden. Auch hat man, wie schon erwähnt, Interesse, dass die Erhöhungen beim Schweissprozess in, der Mitte :der freigearbeiteten Flä che stehen und die Oberflächenschicht nicht berüh ren (Gasabgabe und ästhetische Gründe).
Der Schweissdruck pro Erhöhung wird so ge wählt, dass diese in keinem Falle schon in kaltem Zustande deformiert wird, sondern erst bei höhe rer Temperatur. Der Druck richtet sich somit nach den Abmessungen oder Erhöhungen, nach der Festig < keit des Materials .und nach der Schweisszeit.
Je kür zer die Schweisszeit ist, desto mehr bleibt die Wärme in oder Schweissstelle konzentriert, .und desto höher kann der Druck gewählt werden. .Der Schweissdruck ist in den meisten Anwendungsfällen höher als der Druck während des Vibrationsprozesses. Bei der Schweisseng sinken die Erhöhungen in das .geschmol- zene Grundmetall der Gegenfläche ein und erleiden selbst gewisse Abschmelzungen und Deformationen.
Der Schweissdruck muss also ebenfalls elastisch sein, um während des Schweissprozesses wirksam zu blei ben, und dies auch bei sehr rascher Annäherung der Elemente ,im .Moment des Schweissens.
Die Anzahl .der Erhöhungen richtet sich nach der :gewünschten Totalfestigkeit. Bei einem ver schweissten Querschnitt von 0,1 mm2 in Messing wurden Zug- und Schubfestigkeiten von mehr als 2 kg pro Erhöhung gemessen.
In Fig. 1 sind die für den Prozess vorbereiteten Elemente 1 und 4 mit ,den Erhöhungen 2 und der Oberflächenschicht 3 dargestellt. Fig. 2 zeigt die Elemente am Ende des Vibrationsprozesses, wobei .die Pfeile 5 die Richtung des Anpressdruckes, die Pfeile 6 verschiedene Richtungen der Vibrations- bewegung andeuten. Durch die Vibrationsbewegun- gen von der Amplitude 7 haben die Erhöhungen 2 die Oberflächenschicht 3 durchbrochen und berüh ren das Grundmaterial 4 des Gegenelementes, Die Erhöhungen stehen in der Mitte der freigearbeiteten Fläche. Fig. 3 erläutert die Situation nach dem ei gentlichen Schweissprozess.
Die Anpresskraft 5 ent spricht jetzt dem Schweissdruck. Durch :die Elek trode 8 wind ein elektrischer Strom 9 den Elemen ten zugeführt und fliesst entsprechend :der als Bei spiel punktiert gezeichneten Bahn 10 über die Er höhungen 2. Die Stromimpulse bewirken an den Berührungsflächen das Aufschmelzen des Materials, wodurch -seich die Schweissstellen 11 bilden. Das Ele ment 1 nähert sich durch den Schweissprozess dem Element 4, ohne jedoch an der Oberflächenschicht 3 ,aufzustossen, da die Schweissstellen unter Druck er -starren sollen.
Anschliessend .an -die Schweissstrom impulse kann ein erhöhter Nachpressdruck auf gebracht werden.
Der untere Teil von Fig. 4 stellt einen Maschi- nenteil in .Seitenansicht und Grundriss dar, der die Erzeugung einstellbarer, elastischer Drücke für .den Vibrations- und Schweissprozess jedes einzelnen Ele mentes ermöglicht.
Die zu sehweissenden Elemente 1 mit den Erhö- hungen. 2 sitzen auf flexiblen Lamellen 13, welche ihrerseits auf schwenkbaren Armen 14 befestigt sind. Die Drehpunkte der schwenkbaren Arme liegen in der Ebene: id@er Schweisspunkte und sind durch beid- sestig leingespannte Bleche 15 gebildet. Über diese Bleche werden .auch die elektrischen Stromimpulse den Armen 14 zugeführt.
Die Elemente 1 sind .durch die elektrisch gut leitende Lehre 16 positioniert, wel che ihrerseits .durch Führungsstifte 17 in bestimmter Lage igehalten wind. Die Lamellen 13 sind mittels der Schlitten 20 drehbar um eine Achse angeordnet, die durch die Schweissstellen verläuft. Dies gestattet auf einfache Weise die parallel bzw. tangentiale Ein- stallung der Elemente 1 in bezug :auf das Gegen element. Die.
Lamellen 13 dienen zum Aufrecht erhalten des Schweissdruckes im Moment der kurz zeitigen Schweissstromimpulse, in welchem sich die Elemente 1 dem Gegenelement nähern. An den Federn 18 wird der Vibrationsdruck, an den Federn 19 der Schweissdruck eingestellt. Die Federn 19 wir ken erst auf die Arme 14, wenn diese :um einen kleinen Winkel nach unten geschwenkt werden.
,Der obere in Fig. 4 dargestellte Maschinenteil gleitet in den Kugelführungen 21. Er enthält .die Aufnahmeplatte 22 für das Gegenelement 4, wel ches mit einer die Schweisseng normalerweise hin dernden Oberflächenschicht bedeckt ist. Wird der bewegliche Teil der .Maschine vorgeschoben, bis die Elemente sich berühren und die Arme 14 etwas aus gelenkt sind, so erzeugen die einstellbaren Federn 18 den Vibrationsdruck. Bei noch weiterem Vor schieben des beweglichen Maschinenteils werden die Federn 18 und 19 und damit der Schweissdruck wirksam, welcher in praktisch allen Fällen grösser ist als der Vibrationsdruck.
Der bewegliche Teil der Maschine enthält einen Vibrator, der auf besonders einfache und elegante Weise die beschriebenen Forderungen erfüllt. Er lie fert eine kreisförmige Vibrationsbewegung. Auf en Kugellagern 24 dreht der Rotor 25 eines Asyn chronmotors, im ,dargestellten Fall bestehend aus einem Aluminiumrohr. Der Stator 26 trägt die Wick lung 27 zur Erzeugung eines schnellen Drehfeldes. Der magnetische Fluss schliesst sich über den Ring 28. Der Rotor treibt den äusseren Ring 29 eines Kegelrollenlagers an. Dieses Lager besteht aus einem nur knapp zur Hälfte und einseitig mit Rollen 30 gefüllten Rollenkäfig. Der innere Ring 31 des Rol lenlagers sitzt auf der Hülse 32, die durch den Stab 33 mittels Querstift axial verschoben werden kann.
Die Verschiebung des Stabes 33 erfolgt im dargestell ten Fall elektromagnetisch mit Hilfe einer zweiten Hülse 34 und des Topfmagneten 35. Die Hülse 32 überträgt die entstehenden Radialkräfte auf den durchgehenden Stab 41, der die Arbeitsplatte 22 mit .dem Element 4 trägt. Die Amplitude der Vibrations- bewegung kann an der Stellschraube 36, welche den Weg des Stabes 33 begrenzt, eingestellt werden. Die Feder 37 drückt ,die Hülsen 32 und 34 mit Stab 33 nach Abschalten des Magneten 35 wieder nach un ten, wodurch die Vibration gestoppt und<U>gleichzeitig</U> mit dem Konus an der Hülse 32 eine Zentrierung bzw. Rückführung der vibrierten Teile in eine be stimmte Ruhelage durchgeführt wird.
Der in Fig. 4 dargestellte Motor-Vibrator gestat tet eine sehr grosse Übersetzung der Rotorkräfte, bzw. Untersetzung der entsprechenden Geschwindig keiten. Man kommt deshalb mit sehr kleinen Ab- mess.unmen und minimalem Materialaufwand für den Vibrator-Motor aus. Selbstverständlich können -in Anwendung des er findungsgemässen Verfahrens auch andere Vibra- tionsgeräte verwendet werden, wie z. B. Zentrifugal kraft-Vibratoren, elektrodynamische oder elektro magnetische Vibratoren, magneto- oder piezostrik- tive Schwinger usw.
Die in Fig. 4 dargestellte Ausführung, die vor zugsweise mit einer automatischen Zuführungsein richtung für die Werkstücke ausgerüstet ist, hat je doch hinsichtlich Einfachheit, Preis, Regulierbarkeit der Amplitude usw. sehr grosse Vorteile.
Der Bewegungsablauf der in Fig. 4 schematisch dargestellten Maschine ist der folgende: 1. Senken des beweglichen oberen Maschinen teils bis in Vibrationsstellung.
2. Einschalten des Topfmagnaten während be stimmter Zeit (Vibrationsdauer).
3. Weiteres Vorschieben .des beweglichen Teils in Schweissstellung. (Federn 18 und 19 werden wirk sam.) 4. Einschalten der Schweissimpulse, wobei der Strom über Anschlüsse 40, Scharnier 15, Arme 14, Lamellen 13, Lehre 16, Elemente 1, Erhöhungen 2 auf das Element 4 und über Arbeitsplatte 22 und ihren Trägerstab 41 sowie die flexible Verbindung 38 zu Anschluss 39 :fliesst.
5. Rückführung des oberen, beweglichen Ma- schie,nteils.
In Fig. 4 könnte natürlich auch gerade der innere Ring 28 des Motors als Zugmagnet für die Hülse 32 verwendet werden. Die Vibrationsbewegung würde dann durch Ein- und Ausschalten des Mo tors ausgelöst.
Auf Fig. 5 ist dargestellt, wie .bei :einer grö sseren Anzahl gledchzeitig aufzuschweissender Ele mente der Schweisstransformator aus Platz- und Preisgründen vorzugsweise ausgebildet werden kann.
Fü:r jedes zu schweissende Element, das auf einem separaten, schwenkbaren Arm sitzt, ist eine Trans formatorsäule 51 vorgesehen, welche die Primär wicklung 54 und die mit dieser eng gekoppelten Sekundärwicklung 55 trägt. Alle Säulen sind .durch Verbindungsjoche 52 miteinander verbunden. ,Das Ausgleichsjoch 53 kann eventuell weggelassen wer den, so z. B. bei einer grösseren Anzahl Säulen und speziell dann, wenn die Säulen im Kreise angeord net sind, so dass die Verbindungsjoche 52 durch zwei Ringe gebildet werden.
Die elektronischen Steuerungen 56 speisen die Primärwicklungen 54 mit Stromimpulsen, welche während eines bestimmten Zeitmomentes die mit + und -Zeichen, angedeutete Polarität aufweisen. Die Wicklungen sind somit so geschaltet, dass .die maanetischen Flüsse im Sinne der pun.kti'ert gezeich neten Bahnen verlaufen. Der gemeinsame negative Sekundäranschluss 58 wird mit dem Anschluss 39 in Fig. 4 verbunden, die Anschlüsse 59 mit den An schlüssen 40 der schwenkbaren Arme nach der Fig. 4. Die dargestellte Anordnung ergibt eine Preisre duktion des Eisenbeils der Transformatoren um etwa 40%.
Es wird .ausdrücklich .auf einen Schutz auf dem Gebiete der Zeitmesstechnik verzichtet.
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren .zum Verbinden metallischer Ele mente, die mit Oberflächenschichten bedeckt sind, mittels Widerstandsschweissung, dadurch gekenn zeichnet, dass an mindestens einem der Elemente -die mit dem anderen Element in Berührung kom mende Oberfläche mit Erhöhungen bestimmter Form versehen wird,dass sodann die Elemente unter ela- stischem Druck zusammengepresst werden und zwi schen diesen Elementen eine relative Vibrationsbe- wegung erzeugt wird, durch die die Oberflächen schicht von den genannten Erhöhungen durchbro chen wird, dass hierauf ein für die Schweissung ge eigneter,elastischer Anpressdruck auf -die Elemente ausgeübt wird und endlich die Elemente an -den durch die Erhöhungen gebildeten Kontaktstellen durch kurzzeitige elektrische Stromimpulse ver schweisst wenden. II.Einrichtung zur Durchführung :des Verfah rens nach Patentanspruch I, ,gekennzeichnet durch Organe zum Positionieren :der zu schweissenden Ele mente und um diese elastisch zusammenzupressen, durch Vibrationsorgane zur Erzeugung relativer Vi- brationsbewagungen zwischen Aden zu schweissenden Elementen, derart, dass an einander zugewendeten Seiten der Elemente befindliche Erhöhungen die hin dernde Oberflächenschicht durchbrechen und end lich durch Elektroden,über welche den elastisch zusammengepressten Elementen kurzzeitige elektri sche Stromimpulse zuführbar sind, die die Elemente an den Berührungspunkten miteinander verschwei ssen. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass dem einen Element eine an- Qe.nähert tangential zur Berührungsfläche der Ele mente verlaufende Vibrationsbewegung erteilt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass dem einen Element eine kreis förmige Bewegung erteilt wird. 3.Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, !dass das zu vibrierende Element aus der Ausgangsruhelage in einer kleinen Spirale in die kreisförmige Vibrationsbewegung übergeführt wird. 4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsbewegung or eine Amplitude zwischen 0,01 und 1 mm gegeben wird. 5. Verfahren nach Patentanspruch<B>-1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass =anschliessend an die Stromim pulse ein Nachpressdruck auf die Elemente ausgeübt wird, .der grösser als .der Schweissdruck ist. 6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Frequenz zwischen 10 und 1000 P/sek vibriert wird. 7.Verfahren nach Patentanspruch<B>1,</B> dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhungen so ausgebildet worden, dass ihr Querschnitt gegen den Berührungs punkt hin immer abnimmt. B. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Vibrationsor- gane ein schnellaufender Elektromotor vorgesehen ist. 9. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer kreisför migen Vibrationsbewegung ein Kegelrollenlager vor gesehen ist, dessen Rollenkäfig nur einseitig mit Rol len "besetzt ist. 10.Einrichtung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsbewegung durch axiale Verschiebung des feststehenden Ringes des Rollenlagers einstellbar ist. 11. Einrichtung nach Patentanspruch 11, gekenn zeichnet .durch ein Zentrierorgan, das am Ende des Vibrationsprozesses das aufzuschweissende Element in bezug auf das Gegenelement .in eine bestimmte Lage bringt. 12. Einrichtung nach Patentanspruch II, gekenn zeichnet durch einen Elektromagneten, durch wel chen die Vibrationsbewegung einstellbar ist. 13. Einrichtung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass .der Elektromagnet mit dem Elektromotor kombiniert ist. 14.Einrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsorgane durch magnetostriktive Elemente gebildet sind. 15. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zentrifugalkraft-Vibrator als Vibrationsorgan vorhanden ist. 16. Einrichtung nach Patentanspruch<B>11,</B> dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der elastischen Anpresskraft für die Elemente flexible Lamellen vor handen sind, die im wesentlichen nur eine vertikale Bewegung bezüglich der zu schweissenden Oberflä chen zulassen. 17.Einrichtung nach Unteranspruch 16, ,dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen auf einem schwenkbaren Arm befestigt sind, .dessen Scharnier durch ein beidseitig eingespanntes Blech gebildet wird, über welches .auch :die elektrischen Stromim pulse auf den schwenkbaren Arm und die Lamellen übertragen werden. 18. Einrichtung nach Patentanspruch II, ,gekenn zeichnet durch Einstellorgane für :den Anpressdruck der Elemente während der Vibration, für den Schweissdruck, Nachpressdruck, Vibrationsamplitude, Vibrationsfrequenz, Vibrationszeit, Schweisszeit und Schweissenergie. 19.Einrichtung nach Patentanspruch<B>11,</B> ;Tekenn- zeichnet durch einen Kreisschlitten, der die Schwen kung eines ,der zu schweissenden Elemente um ein Zentrum gestattet, das mit den Schweissstellen zu sammenfällt. 20.Einrichtung nach Patentanspruch<B>11,</B> diadurch gekennzeichnet, dass der Schweisstransformator aus mehreren, vorzugsweise im Kreise angeordneten Säu- len und diese verbindenden, vorzugsweisse als Ringe ausgebildeten Jochen aufgebaut ist, wobei pro Strom kreis je eine Säule, mit eng gekoppelten Primär- und Sekundärwicklungen vorhanden ist und die Wick- lungen so geschaltet sind und gespeist werden, dass ,die magnetischen Flüsse in benachbarten Säulen ent gegengesetzte Richtungen :haben.
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