DE3815069C2 - Verfahren zur Herstellung einer korrosionsfesten Verbindung von metallischen Bauelementen, insbesondere aus Aluminium für die Zelle von Luft- oder Raumfahrzeugen durch Punktschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer korrosionsfesten Verbindung von metallischen Bauelementen, insbesondere aus Aluminium für die Zelle von Luft- oder Raumfahrzeugen durch Punktschweißen.

Zur Erzielung einer stoffschlüssigen Verbindung von Bauteilen oder Bauteilelementen, die aus gleichem oder ähnlichem Werkstoff bestehen, ist Schweißen ein allgemein bekanntes Arbeitsverfahren. Die Vereinigung der metallischen Werkstoffe erfolgt dabei unter Anwendung von Wärme und Druck mit oder ohne Zusatz von artgleichem Werkstoff.

Beim Punktschweißverfahren, einem Widerstandspreßschweißverfahren, werden die aufeinander gepreßten flächigen Teile nach ausreichendem Erwärmen der Fügestelle punktförmig oder linsenförmig geschweißt. Die eigentliche Verbindung entsteht durch Schmelzen und Erstarren des Werkstoffs an der Fügestelle. Zwischen den durch die Elektrodenkraft zusammengepreßten Teilen bildet sich die Wärme durch elektrische Widerstandserwärmung. Strom und Elektrodenkraft werden durch die Punktschweißelektroden übertragen. Dabei erfordern Bauteile für die Luft- und Raumfahrt aber auch für die Kraftfahrzeugtechnik eine korrosionsfeste Schweißverbindung.

Bekannt ist unter Einsatz des bisher üblichen trockenen Punktschweißverfahrens auf die Berührungsfläche der miteinander zu verbindenden Teile einen Epoxidkleber aufzubringen. Die Verwendung von Epoxidklebern zur Erzielung einer korrosionsfesten Schweißverbindung trägt zwar zu einer zusätzlichen Steigerung der Übertragung von Schubspannungen zusätzlich zur Punktschweißverbindung bei, jedoch sind derartige Kleber alterungsanfällig und anfällig gegen Korrosion an den Berührungsflächen zwischen Kleber und Metall durch Feuchte im Kleber (sogenannte bondline corrosion). Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, müssen die Klebefugen mit Dichtmassenraupen abgedeckt werden. Diese Ausbildung stellt einerseits einen erhöhten Arbeitsaufwand dar und ist andererseits bei Hohlprofilen größerer Längserstreckung nur schwer oder überhaupt nicht durchführbar.

So beschreibt die DE 34 26 770 A1 eine wärmehärtbare Dichtungsmassenzusammensetzung, die bei einer Temperatur von 80 bis 100°C aufgetragen werden kann und die im ungehärteten Zustand eine angemessene Festigkeit hat und dennoch ein Schweißen durch die Dichtungsmasse hindurch erlaubt, wenn sie zwischen zwei Metallteilen, wie Stahlteilen, gebracht wird. Die Zusammensetzung enthält dabei eisenhaltige oder Eisengruppen-Metallpulver oder heißschmelzende feste oder flüssige Epoxiharze, wobei die zusammenzuschweißenden Metallteile zuerst in räumlich getrennter Weise mit einer heißschmelzenden Dichtungsmassezusammensetzung zusammen­ geklebt werden, wobei nach dem Schweißen die Dichtungsmasse ausgehärtet bzw. dauerhaft verfestigt wird, indem sie erhitzt wird.

Die US 41 22 325 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung von Blechstreifen mittels Punktschweißens, wobei zwischen den Blechstreifen zur Verhinderung des Auftretens von Korrosion eine nicht aushärtende Masse eingebracht wird, die durch lokales Zusammendrücken der miteinander zu verbindenden Teile zur Bildung blanker Flächenteile zur Seite geschoben wird. Die Ausbildung von Dichtraupen, welche die Seitenflächen der miteinander durch Punktschweißen zu verbindenden Bauteile abdecken, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Schließlich beschreibt die DE 32 21 655 A1 elastische Dichtungsmassen und Klebwerkstoffe mit verbesserten Hafteigenschaften auf Basis von wärmehärtbaren Polysiloxanen, Polysulfiden und Polyurethanen oder Gemischen hiervon mit einem bestimmten Gehalt an UV-Absorptionsmittel, die sich insbesondere zur Abdichtung von Anschlußfugen zwischen Bauteilen und Werkstoffen aus Beton, Mauerwerk, Asbestzement, Gasbeton, Metallen, PVC und vielen anderen Kunststoff eignen. Die Herstellung von Punktschweißverbindungen mit diesen Dichtungsmassen ist jedoch nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe eine völlig korrosionsfeste alterungsbeständige Punktschweißverbindung auf besonders einfache Art und Weise herstellbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht gegenüber den bekannten Verfahren den Einsatz der allgemein bekannten Punktschweißtechnologie zum Verbinden metallischer Bauteile, insbesondere solcher, die für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrttechnik mit ihren besonderen Erfordernissen an Korrosionsfestigkeit und Alterungsbeständigkeit geeignet sind. Daraus resultiert eine wesentliche Vereinfachung und Kostenminderung als Alternative zum Einsatz von Kunststoffbauteilen und Klebebauteilen. Besondere Vorteile der zum Punktschweißen vorgeschlagenen Dichtmasse ergeben sich daraus, daß diese Dichtmasse an schrägen und senkrechten Verbindungsflächen nicht wegfließt, daß Dichtmassen der genannten Art äußerst alterungsbeständig gegenüber der Verwendung von Epoxidklebern sind, daß die Aushärtung bei Raumtemperatur erfolgen kann und daß in der Dichtmassenklebung keine "bondline corrosion" auftritt. Ferner erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine neuen Werkzeuge; eine Nacharbeit der Verbindung entfällt. Die Dichtmasse zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen dient mit Bezug auf die Punktschweißverbindung lediglich dazu, den Spalt zwischen den zu verbindenden Teilen vor einem Korrosionsangriff dauerhaft zu schützen. Die Festigkeit der Verbindung hingegen wird über die Schweißpunkte erzeugt.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene kaltaushärtende Dichtmasse auf der Grundlage von Polysulfidgruppen und die durch den Elektrodenpreßdruck gebildeten Dichtraupen, wird eine korrosionsgeschützte Punktschweißverbindung ohne den Einsatz von Wärme gebildet und ohne eigenen Abdichtschritt zur Ausbildung der Dichtraupen zwischen den zu verbindenden Bauelementen. Gleichzeitig wird im selben Arbeitsgang der Elektrodenschweißpunkt durch den Elektrodenanpreßdruck von der Dichtmasse freigehalten. Damit wird ein Wärmeverzug der Bauteile ausgeschlossen, bei gleichzeitiger einwandfreier Abdeckung der Fügeflächen und der Abdichtfuge zwischen den Bauelementen und den Bauteilstirnflächen.

In der Zeichnung ist in Verbindung mit einer Punktschweißeinrichtung ein Ausführungsbeispiel in mehreren Arbeitsschritten dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 schematisiert eine Punktschweißeinrichtung gemeinsam mit zwei miteinander zu verbinden­ den Bauteilelementen, wobei die Elektroden als drucklos am Werkstück anliegend zu be­ trachten sind,

Fig. 2 die Punktschweißeinrichtung gemeinsam mit den Bauteilelementen in einem gegenüber Fig. 1 vergrößerten Maßstab,

Fig. 3 die Punktschweißeinrichtung in einem, gegenüber der Darstellung nach Fig. 1 und 2, fortge­ schrittenen Arbeitsstadium,

Fig. 3a in einem Ausschnitt aus Fig. 3 eine Stirn­ ansicht gemäß der Linie IIIa-IIIa der Fig. 3,

Fig. 4 in einer fotografischen, vergrößerten Schnitt­ bilddarstellung im Querschnitt eine Punktschweiß­ stelle in Verbindung mit der Dichtmasse und

Fig. 5 die fotografische Darstellung einer Punktschweiß­ stelle in Draufsicht gemäß der Darstellung nach Fig. 4, wobei die Darstellung eine aufgetrennte Punktschweißstelle ist.

Bei der in Fig. 1 und 2 schematisch angedeuteten Punkt­ schweißeinrichtung 1 üblicher Bauart, ist mit 2 die beweg­ liche Stiftelektrode und mit 3 die feststehend angeordnete Gegenelektrode bezeichnet.

Zwischen den beiden Elektroden 2, 3 befinden sich die Füge­ flächenabschnitte 4′, 5′ der miteinander zu verbindenden Bauteilelemente 4, 5.

Mit 7 ist in Fig. 1 ferner noch der Punktschweißtransforma­ tor der Punktschweißeinrichtung 1 und mit 8 die auf die Fügeflächenabschnitte 4′, 5′ der mit einander zu verbinden­ den Bauteilelemente 4, 5 ganzflächig aufgebrachte Dicht­ massenschicht bezeichnet.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich liegen hier in einem gegenüber Fig. 1 und 2 fortgeschrittenen Bearbeitungsstadium die Elektroden 2, 3 mit einem für den Punktschweißvorgang vor­ gebenem Druck P am Bauteilelement 4, 5, das heißt an deren Fügeflächenabschnitten 4′, 5′ an.

Unter dem Auflagedruck P der Elektroden 2, 3 mit vorbestimm­ ter Größe an den Bauteilelementen 4, 5, wird die im Bereich des Auflagedruckes der Elektroden 2, 3 der Fügeflächen 4′, 5′ aufgebrachte Dichtmassenschicht 8 verdrängt.

Infolge des Elektrodendruckes P wird eine Druckpunktfläche 10 an beiden Bauteilelementen 4, 5 gebildet, über die metal­ lischer Kontakt zwischen den Bauteilelementen 4, 5 herge­ stellt wird.

Die Druckpunktflächen 10 sollen dabei im Durchmesser größer als die beim Punktschweißvorgang entstehende Schweißpunkt­ fläche 11, erzeugt durch die Elektroden 2, 3, bemessen sein. Der Arbeitsablauf beim Punktschweißverfahren ist so, daß nach dem Verdrängen der Dichtmasse 8 im Bereich der Druck­ punktfläche 10 durch definierten Elektrodendruck P durch Stromzufuhr anschließend die Schweißpunktfläche 11 erzeugt wird.

In diesem Bearbeitungsstadium wird in herkömmlicher Weise der Stauchdruck der Elektroden 2, 3 auf die Bauteilelemente 4, 5 zur Verschweißung erhöht.

Die Elektrodendruckpunktfläche 10 wird mittels Variierens des Anfangs-Elektrodendruckes P in Abhängigkeit von der Größe der Schweißpunktfläche 11 bemessen.

Die Größe des Durchmessers der Schweißpunktfläche 11 wird bestimmt durch die Stromstärke und Schmelzzeit beim Punkt­ schweißvorgang. Ferner ist die Bemessung abhängig von der Größe des aufgewandten Druckes P mittels der Elektroden 2, 3, und es besteht ferner eine Abhängigkeit der Größe des Durch­ messers der Schweißpunktfläche 11 von der Art und Zusammen­ setzung des Werkstoffs der Bauteilelemente 4, 5 und au­ ßerdem von den Anforderungen, die an die Festigkeit des fertig geschweißten Bauteiles gestellt sind.

Der Durchmesserunterschied zwischen Schweißpunktfläche 11 und Druckpunktfläche 10 sollte vorzugsweise im Durchmesser etwa 2 mm betragen.

Bei Einhaltung der vorgegebenen Differenzdurchmesser der Flächen 10, 11 wird eine Erfassung der Dichtmasse 8 im Be­ reich der Schweißpunktfläche 11 von der Punktschweißschmelze vermieden und eine Zerstörung der Dichtmasse durch Wärmeein­ wirkung ausgeschlossen.

Die Dichtmassenschicht 8 kann so auf die Fügeflächen 4′, 5′ der Bauteilelemente 4, 5 aufgebracht sein, daß beidseitig der Bereich der Stirnfläche 16 der Bauteilelemente 4, 5 mit einer im Querschnitt etwa dreieckförmigen Dichtmassenraupe 17 versehen wird und somit die sonst der Korrosion unter­ liegenden Stirnflächen 15, 16 durch die Dichtmasse abge­ schlossen sind.

Damit wird dem in der Technik allgemein als "bondline corrosion" bekannten Effekt zwischen einander berührenden Flächen entgegengewirkt.

Die bei Punktschweißverbindungen bisher eingesetzten Kleber enthalten Feuchtigkeit, welche zur Korrosion der Bauteile und der Schweißverbindung führt.

Als Ausführungsform für eine Dichtmasse für die angegebene Aufgabe kann eine Masse vorgesehen sein, die sich auf der Grundlage herkömmlicher Polysulfid-Polymere aufbaut.

Das Grundpolymer weist in bekannter Weise generell die chemische Gliederung

auf.

Die Dichtmassenzubereitung kann mit wasserlöslichen Chromaten dotiert sein. Damit verbessert sich die anti­ korrosive Eigenschaft auf Leichtmetallsubstraten.

Der Punktschweißvorgang in Verbindung mit dem Aufbringen der Dichtmasse zwischen den Bauteilelementen 4, 5 enthält im wesentlichen folgende Verfahrensschritte:

• - Beizen der Fügeflächen 4′, 5′ der Bauteilelemente 4, 5
• - Auftragen der Dichtmasse 8 auf die Fügeflächen 4′, 5′ (je nach Bauteil ein- oder beidseitig)
• - Heften der Bauteilelemente 4, 5
• - Punktschweißvorgang,
  • - durch definierten Elektrodendruck zunächst Verdrängung der Dichtmasse 8 im Bereich des Druckpunktes (kreisrund) zur Herstellung metallisch blanker Fügeflächenabschnitte im Bereich des Druckpunktes für die Punkt­ schweißkontaktgabe
  • - Stromzufuhr zur Erzeugung der Schweißpunkt­ fläche 11 mit Erhöhung des Elektrodendruckes
• - Reinigen der Bauteilelemente 4, 5
• - Aushärten der Dichtmasse 8.

Die fotografische Darstellung gemäß Fig. 4 in der Art einer Schnittbilddarstellung läßt die beiden miteinander durch Punktschweißen verbundenen Bauteilelemente 4, 5 bzw. deren Fügeabschnitte 4′, 5′ und die zwischen den Teilen flächig aufgetragene Dichtmassenschicht 8 erkennen. Ferner ist die Elektrodendruckpunktfläche 10 und die Schweißpunktfläche 11 zu erkennen, wobei die von der Dicht­ masse 8 freie Ringfläche infolge der Durchmesserdifferenz zwischen der Druckpunktfläche 10 und der Schweißpunktfläche 11 ersichtlich ist.

Das beschriebene Verfahren erfordert keine zusätzlichen Be­ arbeitungsschritte gegenüber dem normalen Punktschweißen. Die Punktschweißstelle wird durch die dem Punktschweißen vorangehende Verdrängung der Dichtmasse von dieser nicht be­ rührt und die Punktschweißstelle ist ungestört durch die Dichtmasse. Daher tritt auch kein Festigkeitsverlust durch den Einsatz der Dichtmasse auf und die Qualität der Punkt­ schweißung entspricht der der Trockenpunktschweißung. Die zwischen den Bauteilelementen 4, 5 liegende Dicht­ massenschicht 8 erbringt, wenn auch nur in geringem Maße eine Festigkeitserhöhung zusätzlich zur Punktschweißung. Die Erhöhung beträgt etwa 1/5 der Festigkeit, die bei der Anwendung von Klebern erreichbar ist.

Die Dichtmasse muß eine solche Beschaffenheit besitzen, daß bei Schäl- oder Scherbelastung die Dichtmasse kohäsiv, je­ doch nicht adhäsiv versagt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer korrosionsfesten Verbindung von metallischen Bauelementen (4, 5), insbesondere aus Aluminium, für die Zelle von Luft- oder Raumfahrzeugen durch Punktschweißen, wobei vor dem Schweißen auf die zu verschweißenden Bauelemente (4, 5) eine in an sich bekannter Weise auf der Grundlage von Polysulfidgruppen gebildete kaltaushärtende Dichtmasse (8) in einer solchen Schichtdicke auf die Fügefläche (4′, 5′) einer oder beider der zu verbindenden Bauelemente (4, 5) aufgetragen wird, daß durch den Anpreßdruck der Schweißelektroden (2, 3) auf die Bauteilstirnflächen (16) beim Schweißvorgang die Dichtmasse (8) vor Korrosion schützende Dichtraupen (17) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Mittelpunkten einander benachbarter Punktschweißstellen bzw. dem Mittelpunkt einer Punktschweißstelle und dem Bauteilrand ein Abstand von annähernd 9 mm eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mindestschichtdicke der Dichtmassenschicht 0,2 bis 0,25 mm eingehalten werden.