CH645563A5

CH645563A5 - Projection welding method for sheet or other thin-walled parts of light metal, in particular aluminium

Info

Publication number: CH645563A5
Application number: CH112180A
Authority: CH
Inventors: Paul Opprecht; Juerg Opprecht
Original assignee: Paul Opprecht
Priority date: 1980-02-11
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1984-10-15
Also published as: JPS6336876B2; JPS56126082A

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Buckeischweissen von Blechen oder anderen dünnwandigen Teilen aus Leichtmetallen, insbesondere Aluminium, mit einer Widerstandsschweissmaschine mit einem programmierten Druck- und Stromverlauf, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der miteinander zu verschweissenden Teile mit mindestens einem Ringoder Ringsickenbuckel versehen wird, dessen Flanken derart ausgebildet sind, dass diese eine Festigkeit aufweisen, die der minimalnotwendigen Elektrodenkraft (F) vor dem Einschalten des Stromes im wesentlichen standzuhalten vermögen.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Buckels diesen beim Schweissen an der Schweisselektrode abstützt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkraft sowie der Schweissstrom beim Schweissen gleichmässig über die innere und äussere Flanke des Buckels übertragen werden.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buckelhöhe (h) nach dem stromlosen Vorpressen durch die Elektroden weniger als 50% der ursprünglichen Höhe (h) verliert.

Bei der Massenteilefertigung durch Widerstandsschweissung ist das Buckelschweissen bei Eisenmetallen eines der meistbenutzten Schweissverfahren für qualitativ anspruchsvolle Verbindungen. Im Gegensatz zum Punktschweissen wird beim Buckelschweissen die Grösse der Schweissstelle bekanntlich nicht durch die Elektroden bestimmt, sondern durch die Buckelfläche. Einerseits ist dadurch die Schweissfläche und damit der Stromweg, die Stromdichte und die Flächenpressung genau definiert und konstant und andererseits besteht auch die Möglichkeit, eine Vielzahl von Buckeln gleichzeitig und unter exakt den gleichen Bedingungen zu schweissen.

Bei weichen Metallen wie z. B. Aluminium und Al-Legierungen lässt sich das bekannte Buckelschweissen bei Blechen nicht sicher ausführen. Dies rührt daher, dass z.B. Aluminium, im Gegensatz zu Eisen, dem Schweissstrom einen weit geringeren elektrischen Widerstand entgegensetzt und gleichzeitig die durch den Strom erzeugte Wärme bedeutend besser leitet und folglich von der zu schweissenden Stelle wegführt. Erschwerend kommt zusätzlich hinzu, dass beim Aufbringen des zum Schweissen erforderlichen Elektro den- Druckes auf das Werkstück, bzw. den Buckel, folglich grösser sein muss als bei Eisen und dieser zusammenfällt, bevor der Strom eingeschaltet werden kann. Wird mit geringerem Elektroden-Druck gearbeitet, so können die Buckel verbrennen bevor eine Schweissung zustande gekommen ist.

Es wurde deshalb schon vorgeschlagen, Vorkehrungen zu treffen, die Elektrode äusserst sanft auf das Werkstück aufzusetzen und über ein einstellbares Zeitschaltwerk die volle Elektrodenkraft erst unmittelbar vor dem Eintreffen des Schweissstromes einsetzen zu lassen.

Auch auf modernen Maschinen mit Programmsteuerung für die gegenseitige zeitliche Abstimmung von Strom- und Druckverlauf liessen sich nach den bekannten Verfahren keine zufriedenstellende, beliebig reproduzierbare Buckel schweissungen für die Massenteilefertigung erzeugen.

Ebenfalls in der einschlägigen neueren Literatur (z. B.

Resistance welding Manual , Vol. 1, S. 44; Aluminium Taschenbuch 13, Aufl. 19747 S. 581) wird wiederholt darauf hingewiesen, dass das Buckelschweissen von Aluminium nicht sicher ausführbar sei. Wohl gibt ein anderes Werk,
Pfeifer: Fachkunde des Widerstandsschweissens , auf S. 44 den Hinweis, das Buckelschweissen von Leichtmetallen sei mit geeigneten Maschinen möglich . Eine Lehre zur Durchführung einer solchen Schweissung wird hingegen nicht gegeben.

Aus der Literatur wie auch aus der Praxis ist das Schweissen von weichen Metallen, insbesondere Aluminium, mit geprägtem Buckel bekannt und hat sich auch bewährt.

Geprägte Buckel können nur an massiv umgeformten Teilen, z. B. Stielansätzen von Pfannen vorgesehen werden; an Blechen oder anderen dünnwandigen Teilen können solche Buckel überhaupt nicht erzeugt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem Dünnbieche aus weichen Metallen wie Aluminium, Al-Legierungen und dergleichen sicher buckelgeschweisst, insbesondere auch mehrfachbuckelgeschweisst werden können.

Es ist weiter die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches das Buckelschweissen von weichen Blechen mit einem Minimum an Energie, bzw. mit möglichst geringer Netzbelastung erlaubt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung von Buckelschweissverbindungen von metallurgisch einwandfreier Ausbildung gewährleistet.

Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäss Patentanspruch 1 gelöst.

Anhand von illustrierten Ausführungsbeispielen wird die
Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen geprägten Buckel
Fig. 2 einen Schnitt durch einen konventionellen Rundbuckel
Fig. 3 einen Schnitt durch einen Ringsickenbuckel
Fig. 4/5 ein Diagramm des Strom-/Krafiverlaufes
Fig. 6 einen Schnitt einer Schweisslinse einer Al-Ringsikkenbuckel-Schweissung
Fig. 1 zeigt einen geprägten Buckel 1 wie er an massiven
Leichtmetall-Werkstücken 2 durch Umformen, zum Beispiel durch Prägen erzeugt werden kann. Solche Buckel 1 widerstehen der zur Aufrechterhaltung eines gleichmässigen elektrischen Übergangswiderstandes zwischen den Elektroden- flächen 3 und den zu schweissenden Werkstücken 2 und 4 notwendigen Elektrodenkraft.

Fig. 2 zeigt einen anderen herkömmlichen Rundbuckel 5 wie er in der Eisenblech verarbeitenden Industrie allgemein angewendet wird. Bei weichen Metallen z.B. Buntmetallen fällt der Buckel 5 in sich zusammen bevor der Schweissstrom eingeschaltet werden kann.

In Fig. 3 ist eine Ausbildung eines Ringsickenbuckels 7 dargestellt, der sich als vorteilhaft zum Schweissen von Al und anderen weichen Metallen erwiesen hat. Der Ringsikkenbuckel 7 besitzt einerseits wegen seiner spezifischen Geometrie und andererseits wegen der bei der Erzeugung am
Material vorgenommenen grossen Umformung eine Steifigkeit, die der zum Schweissen notwendigen Elektrodenkraft vor dem Einschalten des Schweissstromes zu widerstehen vermag. Der Ringsickenbuckel 7 unterscheidet sich von bei
Stahl benützten Ringsickenbuckeln von allem durch die klei ne Verhältniszahld, die hier eine vollkommen durchgeb schweisste Linse gemäss Fig. 7 erlaubt. Die dazu erforderli- che Schweissenergie bewegt sich im Rahmen einer entsprechenden Punktschweissung.

In den Bereichen II und 12 der Flanken wird durch die Umformung des Materials eine Erhöhung der Festigkeit des

Grundmaterials um ca. 50% erreicht. Nicht allein die Festigkeitserhöhung in den Buckelflanken 11, 12, sondern auch die gegenüber dem umliegenden Material örtlich unverändert gebliebene Kreisfläche 13 kann einen wesentlichen Anteil der Elektrodenkraft auf die innere Flanke 12 des Buckels übertragen. Die gesamte Elektrodenkraft verteilt sich im Ringsickenbuckel 7 gleichmässig über beide Flanken 11, 12.

Selbstverständlich kann der Durchmesser d des Buckels 7 nicht beliebig gross vorgesehen werden, da die Stromaufnahme der Schweissmaschine ca. im Quadrat zum Durchmesser d zunimmt. Für eine Blechstärke = 1,05 mm hat sich ein Durchmesser d = 3 mm und eine Buckelhöhe h = 0,7 mm bei dem Werkstoff AlMg 0,4 Si 1,2 als vorteilhaft erwiesen.

Ein Vergleich mit einem Rundbuckel mit einer Höhe h von 1,1 mm und gleichem Durchmesser d zeigte, dass bei einer Belastung mit der Kraft F = 200 daN beim Buckel nach Fig. 4 eine bleibende Verformung von nur 8% von h auftritt; beim Rundbuckel hingegen eine solche von 54% von h.

Es ist für den Fachmann einleuchtend, dass eine qualitativ gute Schweissung nicht nur von der Buckelform allein abhängt, sondern dass auch der zu schweissende Werkstoff und der zeitliche Verlauf der Elektrodenkraft und insbesondere des Schweissstromes eine wesentliche Rolle spielen.

Wegen der hohen thermischen Leitfähigkeit der weichen Werkstoffe wie Al und dessen Legierungen, muss die Schweissenergie, d. h. der Schweissstrom in sehr kurzer Zeit eingebracht werden. Erschwerend kommt hinzu, dass die genannten Werkstoffe aus den genannten Gründen (hohe elektrische Leitfähigkeit, geringer innerer elektrischer Widerstand) zusätzlich noch grössere Ströme gegenüber den Eisenwerkstoffen erfordern.

Dank der beschriebenen Ausbildung der Buckel in der Gestalt von Ringsickenbuckeln gemäss Fig. 3, zusammen mit einem Schweissstrom- / Elektrodenkraftverlauf nach Fig. 5/6 lassen sich in überraschender Weise qualitativ äusserst hochstehende, beliebig reproduzierbare Schweissverbindungen gemäss Fig. 6 erzeugen.

In Fig. 4/5 zeigt 14 den Stromverlauf in der Zeit t1t2, bzw. tl t3; 15 zeigt den Verlauf der Elektrodenkraft in der Zeit to bis t4. Die Stromkurve 14 in Fig. 5 weist gegenüber derjenigen in Fig. 4 eine sogenannte Nachglühphase von t2 t3 auf. Eine solche Nachglühphase kann sich bei gewissen Werkstoffen als nützlich oder notwendig erweisen, um die Abkühlzeit zu verlängern (bessere Rekristallisation).

Ein weiterer zu beachtender Faktor ist die Ausgestaltung der Elektrode, beziehungsweise deren bewegte Masse, von der das sogenannte Nachsetzverhalten abhängt. Wegen des geringen mechanischen Widerstandes der Buckel sollte mit möglichst geringer Elektrodenmasse gearbeitet werden. Diese kann so ungehindert dem wegen der geringen Buckelsteifigkeit und der sehr kurzzeitig eingebrachten Schweissenergie zurückweichenden Werkstoff verzögerungsfrei folgen und ein Verbrennen desselben und der Elektrodenflächen verhindern.

Die Elektroden sind vorzugsweise grossflächig ausgebildet, so dass zwischen dem Werkstück und der Elektrode eine geringe Stromdichte auftritt und dadurch die Elektrode einem äusserst geringen Verschleiss ausgesetzt ist. Besonders vorteilhaft ist natürlich die Verwendung einer Frequenzwandler-Schweissmaschine zur Durchführung der beschriebenen Schweissung. Durch die wechselnde Polarität ist der Elektrodenverschleiss an beiden Elektroden gleich, was zu einer in der Massenfertigung ausschlaggebenden Verlängerung der Elektrodenstandzeit führt.

Bei gleichzeitigem Schweissen einer Mehrzahl von Bukkeln werden die Elektroden mit Vorteil beweglich und gefedert gelagert, damit jeder einzelne Buckel unter genau den gleichen Bedingungen mit der Elektrode, bzw. dem Schweissstrom beaufschlagt wird.

Gegenüber der bis anhin einzig sicher durchführbaren Schweissverbindungsart von Al-Leg. uä, der Punktschweissung, weist die erfindungsgemässe Schweissverbindung eine Vielzahl von Vorteilen auf: - Produktionssteigerung um ein Vielfaches, weil gleichzeitig mehrere Buckel geschweisst werden können, ohne dass Nebenschlüsse entstehen und unwirtschaftlich hohe Schweissströme notwendig sind, folglich: - gleichmässige mechanische Festigkeit der Verbindungen - kleine Änderung der Festigkeit bei Stromschwankungen - zusätzliche Produktionssteigerung, da geringe, vernachlässigbare Elek-rodenverschmutzung und Abnüztung dank geringer Stromdichte an den Kontaktstellen - konstant gleiche Schweissqualität, dank Wegfall von Auflegierungen an den Elektroden - richtige Lage der Schweissverbindung am Werkstück durch vorgängig angebrachte Buckel.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Buckeischweissen von Blechen oder anderen dünnwandigen Teilen aus Leichtmetallen, insbesondere Aluminium, mit einer Widerstandsschweissmaschine mit einem programmierten Druck- und Stromverlauf, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der miteinander zu verschweissenden Teile mit mindestens einem Ringoder Ringsickenbuckel versehen wird, dessen Flanken derart ausgebildet sind, dass diese eine Festigkeit aufweisen, die der minimalnotwendigen Elektrodenkraft (F) vor dem Einschalten des Stromes im wesentlichen standzuhalten vermögen.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des Buckels diesen beim Schweissen an der Schweisselektrode abstützt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkraft sowie der Schweissstrom beim Schweissen gleichmässig über die innere und äussere Flanke des Buckels übertragen werden.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buckelhöhe (h) nach dem stromlosen Vorpressen durch die Elektroden weniger als 50% der ursprünglichen Höhe (h) verliert.

Bei der Massenteilefertigung durch Widerstandsschweissung ist das Buckelschweissen bei Eisenmetallen eines der meistbenutzten Schweissverfahren für qualitativ anspruchsvolle Verbindungen. Im Gegensatz zum Punktschweissen wird beim Buckelschweissen die Grösse der Schweissstelle bekanntlich nicht durch die Elektroden bestimmt, sondern durch die Buckelfläche. Einerseits ist dadurch die Schweissfläche und damit der Stromweg, die Stromdichte und die Flächenpressung genau definiert und konstant und andererseits besteht auch die Möglichkeit, eine Vielzahl von Buckeln gleichzeitig und unter exakt den gleichen Bedingungen zu schweissen.

Bei weichen Metallen wie z. B. Aluminium und Al-Legierungen lässt sich das bekannte Buckelschweissen bei Blechen nicht sicher ausführen. Dies rührt daher, dass z.B. Aluminium, im Gegensatz zu Eisen, dem Schweissstrom einen weit geringeren elektrischen Widerstand entgegensetzt und gleichzeitig die durch den Strom erzeugte Wärme bedeutend besser leitet und folglich von der zu schweissenden Stelle wegführt. Erschwerend kommt zusätzlich hinzu, dass beim Aufbringen des zum Schweissen erforderlichen Elektro den- Druckes auf das Werkstück, bzw. den Buckel, folglich grösser sein muss als bei Eisen und dieser zusammenfällt, bevor der Strom eingeschaltet werden kann. Wird mit geringerem Elektroden-Druck gearbeitet, so können die Buckel verbrennen bevor eine Schweissung zustande gekommen ist.

Es wurde deshalb schon vorgeschlagen, Vorkehrungen zu treffen, die Elektrode äusserst sanft auf das Werkstück aufzusetzen und über ein einstellbares Zeitschaltwerk die volle Elektrodenkraft erst unmittelbar vor dem Eintreffen des Schweissstromes einsetzen zu lassen.

Auch auf modernen Maschinen mit Programmsteuerung für die gegenseitige zeitliche Abstimmung von Strom- und Druckverlauf liessen sich nach den bekannten Verfahren keine zufriedenstellende, beliebig reproduzierbare Buckel schweissungen für die Massenteilefertigung erzeugen.

Ebenfalls in der einschlägigen neueren Literatur (z. B.

Resistance welding Manual , Vol. 1, S. 44; Aluminium Taschenbuch 13, Aufl. 19747 S. 581) wird wiederholt darauf hingewiesen, dass das Buckelschweissen von Aluminium nicht sicher ausführbar sei. Wohl gibt ein anderes Werk, Pfeifer: Fachkunde des Widerstandsschweissens , auf S. 44 den Hinweis, das Buckelschweissen von Leichtmetallen sei mit geeigneten Maschinen möglich . Eine Lehre zur Durchführung einer solchen Schweissung wird hingegen nicht gegeben.

Aus der Literatur wie auch aus der Praxis ist das Schweissen von weichen Metallen, insbesondere Aluminium, mit geprägtem Buckel bekannt und hat sich auch bewährt.

Geprägte Buckel können nur an massiv umgeformten Teilen, z. B. Stielansätzen von Pfannen vorgesehen werden; an Blechen oder anderen dünnwandigen Teilen können solche Buckel überhaupt nicht erzeugt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem Dünnbieche aus weichen Metallen wie Aluminium, Al-Legierungen und dergleichen sicher buckelgeschweisst, insbesondere auch mehrfachbuckelgeschweisst werden können.

Es ist weiter die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches das Buckelschweissen von weichen Blechen mit einem Minimum an Energie, bzw. mit möglichst geringer Netzbelastung erlaubt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung von Buckelschweissverbindungen von metallurgisch einwandfreier Ausbildung gewährleistet.

Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäss Patentanspruch 1 gelöst.

Anhand von illustrierten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen geprägten Buckel Fig. 2 einen Schnitt durch einen konventionellen Rundbuckel Fig. 3 einen Schnitt durch einen Ringsickenbuckel Fig. 4/5 ein Diagramm des Strom-/Krafiverlaufes Fig. 6 einen Schnitt einer Schweisslinse einer Al-Ringsikkenbuckel-Schweissung Fig. 1 zeigt einen geprägten Buckel 1 wie er an massiven Leichtmetall-Werkstücken 2 durch Umformen, zum Beispiel durch Prägen erzeugt werden kann. Solche Buckel 1 widerstehen der zur Aufrechterhaltung eines gleichmässigen elektrischen Übergangswiderstandes zwischen den Elektroden- flächen 3 und den zu schweissenden Werkstücken 2 und 4 notwendigen Elektrodenkraft.

Fig. 2 zeigt einen anderen herkömmlichen Rundbuckel 5 wie er in der Eisenblech verarbeitenden Industrie allgemein angewendet wird. Bei weichen Metallen z.B. Buntmetallen fällt der Buckel 5 in sich zusammen bevor der Schweissstrom eingeschaltet werden kann.

In Fig. 3 ist eine Ausbildung eines Ringsickenbuckels 7 dargestellt, der sich als vorteilhaft zum Schweissen von Al und anderen weichen Metallen erwiesen hat. Der Ringsikkenbuckel 7 besitzt einerseits wegen seiner spezifischen Geometrie und andererseits wegen der bei der Erzeugung am Material vorgenommenen grossen Umformung eine Steifigkeit, die der zum Schweissen notwendigen Elektrodenkraft vor dem Einschalten des Schweissstromes zu widerstehen vermag. Der Ringsickenbuckel 7 unterscheidet sich von bei Stahl benützten Ringsickenbuckeln von allem durch die klei ne Verhältniszahld, die hier eine vollkommen durchgeb schweisste Linse gemäss Fig. 7 erlaubt. Die dazu erforderli- che Schweissenergie bewegt sich im Rahmen einer entsprechenden Punktschweissung.

In den Bereichen II und 12 der Flanken wird durch die Umformung des Materials eine Erhöhung der Festigkeit des **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.