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Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Metallteilen mit metallischen Bauelementen von insbesondere Akkumulatoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Metallteilen mit metallischen Bauelementen von insbesondere Akkumulatoren durch Angiessen innerhalb von Giessformen, wobei den Bauelementen und dem schmelzflüssigen Metall auf induktivem Wege erzeugte Wärme zugeführt und das in die Giessform eingegossene Metall durch Kühlen der Giessform zur Erstarrung gebracht wird.
Verfahren dieser Art, mit denen beispielsweise Polbrücken, Zellenverbinder und Polanschlüsse an in Akkumulatoren vorhandenen Bauelementen angegossen werden können, sind bereits bekannt. Bei einigen dieser Verfahren hat es sich als nachteilig erwiesen, dass das zur Verbindung kommende Metall mit einer dünnen Oxydhaut überzogen ist, die nach dem Aufschmelzen der zu verbindenden Teile das Ineinanderfliessen der Metalle an den Berührungsstellen erschwert oder ganz unmöglich macht. Dies ist beispielsweise bei dem für Blei-Akkumulatoren verwendeten Hartblei der Fall.
Zur Vermeidung dieses Nachteils muss die Oxydhaut aufgerissen und zumindest teilweise weggeschwemmt werden. Dies geschieht bei einem andern bekannten Verfahren mit Hilfe eines stark reduzierende Substanzen enthaltenen Flussmittels. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht zum Angiessen von Zellenverbindern oder Anschlusspolen.
Auch ist bereits vorgeschlagen worden, die Oxydhaut während des Giessvorgangs mit Hilfe einer starken Gasflamme aufzureissen und wegzuschwemmen. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nur zur Herstellung von Polanschlüssen für Starter-Batterien, versagt hingegen beim Angiessen von Polbrücken, insbesondere dann, wenn eine grössere Anzahl von Akkumulatorenplatten an eine entsprechend lange Brückenleiste angegossen werden soll.
Bei einem weiteren Verfahren dieser Art, das in der deutschen Patentschrift Nr. 820037 beschrieben ist, werden die Stromfahnen der Akkumulatorenplatten von oben her in die darunterliegende Form eingesetzt, die entsprechend der anzugiessenden Polbrücke ausgerüstet und von unten induktiv mittels Hochfrequenz beheizt ist. Dabei werden die Spitzen der Stromfahnen vor dem Eingiessen des schmelzflüssigen Metalls in die Form durch Kontakt mit dem beheizten Formboden aufgeschmolzen. Hiebei bleibt jedoch ebenfalls die Oxydhaut auf dem aufgeschmolzenen Metall erhalten und behindert das Ineinanderfliessen des Metalles und damit die gewünschte Verschweissung. Auch dieses Verfahren ist deshalb für das Angiessen von Zellenverbindern und Anschlusspolen ungeeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren mit der dazugehörigen Vorrichtung zu schaffen, mit dem feste Schweissverbindungen zwischen Bauelementen von beispielsweise Akkumulatoren und anzugiessenden Metallteilen erreicht werden können, u. zw. mit einem relativ geringen Energieaufwand.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass in den mit dem Metallteil zu verbindenden, in die Giessform hineinragenden Bauelementen oder Teilen davon direkt mittels Induktion Wärme erzeugt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren geht davon aus, dass bei direkter Übertragung hochfrequente Energie auf ein leichtschmelzbares Metall, wie beispielsweise Hartblei, mit Hilfe einer von einem
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hochfrequenten Strom durchflossenen Leiterschleife die Oberfläche des Metalls aufgeschmolzen werden kann, wobei durch das vorhandene Wirbelfeld eine starke Bewegung der flüssigen Teilchen hervorgerufen wird. Auf Grund dieser starken Bewegung werden oberflächlich vorhandene
Oxydschichten aufgerissen und weggeschwemmt, so dass sich das beim Giessvorgang hinzutretende schmelzflüssige Metall mit der aufgeschmolzenen Oberfläche leicht verbinden kann.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Intensität der Oberflächenbewegung und damit die auf die Oxydschicht einwirkenden Kräfte durch Wahl geeigneter Frequenzen und Stromdichten, Feldstärken und
Einwirkungsdauer gesteuert werden können. Insbesondere kann die Steuerung der genannten Grössen so erfolgen, dass sich das Aufschmelzen des Metalls auf die Oberflächenschichten beschränkt, wodurch das darunterliegende Metall stehen bleibt und feste Verbindungen zwischen dem angegossenen und dem anzugiessenden Metall entstehen, zu deren Erzeugung nur relativ geringe Energiemengen erforderlich sind.
Die induktive Erwärmung der Bauelemente oder Teile davon kann sowohl vor als auch während des Eingiessens des schmelzflüssigen Metalls in die Giessform erfolgen. Auch hat sich bewährt, das schmelzflüssige Metall während des Eingiessens direkt induktiv zu erwärmen. Dabei kann, wenn die Giessform während des Giessprozesses ständig gekühlt wird, eine vorzeitige Erstarrung an der kalten Formenwand und ein dadurch bedingtes nicht vollständiges Anfüllen der Form vermieden werden, indem die direkte induktive Erwärmung des schmelzflüssigen Metalls bevorzugt in den Schichten erfolgt, die mit der Formwandung in unmittelbarer Berührung stehen. Da der Giessvorgang relativ schnell abläuft, braucht diese zusätzliche Wärmezufuhr nur kurzzeitig aufrechterhalten zu werden.
Somit brauchen die Formen nicht unbedingt aus hitzebeständigem Material, beispielsweise Keramik, gefertigt zu sein, sondern können auch aus organischen Stoffen, beispielsweise phenolharzgetränktem Papier, Hartgummi, Preys- odeur Giessharz oder andern geeigneten Kunststoffen bestehen, die einen ausreichend kleinen Verlustwinkel besitzen und sich im Hochfrequenzfeld nicht zu stark erwärmen.
Die Zuführung der Metallschmelze in die Giessform kann, falls erforderlich, auch in vorteilhafter Weise unter Druck erfolgen.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass jeder Giessvorgang, wie beispielsweise das Angiessen von Polbrücken an die Stromfahnen, das Angiessen der Zellenverbinder und das Angiessen der Anschlusspole, unter Verwendung der für die Montage des Akkumulators benutzten Einzelteile, wie Gehäuse, Zellendeckel, usw. durchgeführt werden kann. Dadurch ist eine leichtere und vereinfachte Montage der Akkumulatoren, beispielsweise auf automatisch arbeitenden Montagebändern, möglich. Bei der Verwendung von nichtmetallischen Bauteilen können diese in vorteilhafter Weise mit Durchbrüchen zur Aufnahme der mit dem Metallteil zu verbindenden metallischen Bauelemente versehen sein sowie Dichtflächen zum Verschliessen der Giessform besitzen.
Zweckmässigerweise können diese nichtmetallischen Bauteile nach Durchführung des Giessvorgangs im bzw. am Akkumulator verbleiben.
Weitere Vorteile und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt sind.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine geschnittene Form in Giessposition zum Angiessen von Starter-Rundpolen, Fig. 2 den Verlauf der Leiterschleife in der Wandung der in Fig. l gezeigten Giessform, Fig. 3 eine Schnittansicht des angegossenen Giessteils, Fig. 4 eine andere geschnittene Ausführungsform einer Giessform für Starter-Rundpole in Giessposition, Fig. 5 eine Schnittansicht des angegossenen Starter-Rundpols der Giessform von Fig. 4, Fig. 6 eine Schnittansicht einer zum Angiessen von Zellenverbindern an die Verbindungspole benachbarter Zellen geeigneten Giessform in Giessposition, Fig. 7 eine Schnittansicht der Leiterschleife für die Giessform von Fig. 6, Fig. 8 eine Schnittansicht des mit der in Fig. 6 gezeigten Form an die Verbinderpole angegossenen Zellenverbinders, Fig.
9 eine Schnittansicht einer andern Ausführungsform einer zum Angiessen von Zellenverbindern an die Verbinderpol benachbarter Zellen geeigneten Giessform, Fig. 10 eine Seitenansicht der mit der Giessform von Fig. 9 angegossenen Zellenverbinder, Fig. ll eine Schnittansicht eines seitlich herausklappbaren Schiebers, Fig. 12 eine Schnittansicht einer zum Angiessen von Polbrücken an die Stromfahnen gleichnamiger Platten einer Zelle geeigneten Giessform, Fig.13 eine Schnittansicht der in Fig. 12 dargestellten Giessform in einer Ebene senkrecht zur Schnittebene von Fig. 12, Fig. 14 und 15 Schnittansichten fertiggelöteter Plattenpakete in einem Zellengefäss, Fig. 16, 17 und 18 schematische Darstellungen der Anordnung und Führung von Leiterschleifen in der Wandung der Giessform.
Die in Fig. l gezeigte Giessform --1- zum Angiessen von Starter-Rundpolen besteht aus einem Giess- oder Pressharz, beispielsweise Araldit oder Teflon, in das die Leiterschleife --2-- aus
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dargestellten Plattensatzes --12-- einer endständigen Akkumulatorzelle erstreckt. Die Form-l-- ist mit ihrer bodenseitigen Stirnfläche --4-- gegen die Dichtungsfläche --7-- an dem Hartgummideckel --8-- abgedichtet. Die Blechbuchse--9--ist an ihrem dem Giessraum-6- zugewandten Ende mit einem in den Giessraum hineinragenden Kragen--13--versehen, dessen Oberkante mit dem oberen Ende des Satzendpols bündig abschliesst.
Der Kragen --13- der Blechbuchse und der Satzendpol --11-- werden mit dem in Fig. 3 als fertiger Gussteil gezeigten Grundpol--14--verbunden, der in der Giessform --6-- hergestellt wird. Zu diesem Zweck wird die in die Giessform hineinragende Oberfläche des Kragens--13--der Bleibuchse--9--und die Stirnseite des Satzendpols-11-auf induktivem Wege mittels Hochfrequenz durch die Leiterschleife - so stark erhitzt, dass die Oberfläche des Kragens --13-- der Bleibuchse --9-- und der Stirnseite des Satzendpols --11-- aufschmelzen. Durch das elektrische Wirbelfeld der Leiterschleife --2-- wird in dem geschmolzenen Metall eine starke Bewegung der Flüssigkeitsteilchen hervorgerufen, die ein Aufreissen und Hinwegschwemmen vorhandener Oxydschichten zur Folge hat.
Darauf wird der Giessraum-6-durch den Fülltrichter-5-mit schmelzflüssigem Metall gefüllt, aus dem der mit den Bauelementen-9, 11- zu verbindende Grundpol-14-bestehen soll. Da nunmehr keine Oxydschicht auf den oberflächlich geschmolzenen Bauelementen mehr vorhanden ist, wird eine sehr feste Verbindung zwischen den Bauelementen und dem Grundpol --14-- erreicht.
Die in Fig. 4 dargestellte Glessform --1-- zum Angiessen von Starter-Rundpolen eignet sich insbesondere für Akkumulatoren mit Kunststoffgehäusen. Wie bei dem in Fig. l dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leiterschleife --2-- in einem Formkörper aus warmfestem Giess-oder
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Die Anordnung und Führung der Leiterschleife--2--entspricht der Ausführung nach Fig. 2.
Die Form-l-sitzt auf einem den Satzendpol-11-konzentrisch umgebenden Metallring --13--, der mit einer äusseren Dichtungsfläche --14-- in eine Vertiefung --15-- eines
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--17-- durchzogen,- l-wird unten von dem Boden --19-- der Vertiefung --15-- und den durch die Öffnung - des Bodens-19-in den Giessram --6-- hineinragenden Pol --11-- begrenzt. Der Pol--13--wird von einer Brücke --21-- eines im einzelnen nicht dargestellten Plattensatzes --12--getragen.
Im oberen Bereich der Giessform --1-- befindet sich der Einfülltrichter --5--, durch den über die Bleileitung-22-und ein nicht näher beschriebenes Magnetventil --23-- das schmelzflüssige Metall der Giessform zugeführt wird. Ausserdem ist der Kopf der Giessform-l-mit zwei Kontaktstiften-24, 24'- versehen, die mit Hilfe der Leitungen-25, 25'- an eine nicht dargestellte Schalteinrichtung angeschlossen sind, die beim Kurzschliessen der Kontaktstifte, sobald die Metallschmelze in der Form ein festgelegtes Niveau erreicht, die weitere Zufuhr von schmelzflüssigem Metall und hochfrequenter Energie unterbricht.
Nach dem Abbau der Form--l--und ihres konzentrischen, metallenen Lagerringes--13-bleibt der in Fig. 5 gezeigte gegossene Starter-Rundpol zurück, der mit dem Satzendpol-11--eine
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Die in Fig. 6 im Schnitt dargestellte Giessform --1-- eignet sich für das Angiessen von Zellenverbindern an die Verbinderpole benachbarter Zellen. Die in Giessposition gezeigte Form besteht wieder aus einem warmfesten Giessharz, in das die hintereinandergeschalteten Leiterschleifen-2, 2'-eingebettet sind. Die Anschlussstutzen --3,3'-- dienen der Zuführung von Hochfrequenzenergie und Kühlmittel, das die hohlen Induktionsschleifen durchströmt, so dass die Form auf einer gewünschten Temperatur, beispielsweise Umgebungstemperatur, gehalten werden kann. Die Lage der Leiterschleifen
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- -2, 2'-- innerhalb des Formkörpers-l-geht aus Fig. 7 hervor, wo die Schleifen waagrecht geschnitten sind.
Die Giessform --1-- sitzt mit einer Dichtungsfläche-26-auf dem Boden --27-- der wannenförmigen Vertiefung--15--auf, die in einem durchgehenden, aus Kunststoff bestehenden Zellendeckel --16-- eingelassen ist. Der Giessraum --6-- wird von dem Boden --27-- der Wanne --15-- und der Oberfläche zweier durch im Boden --27-- befindliche Öffnungen - -20, 20'-- hindurch in den Giessraum hineinragender Verbinderpole --11,11'-- nach unten zu abgeschlossen. Das schmelzflüssige Metall wird durch den Einfülltrichter --5-- zugeführt. Der Zufluss lässt sich, wie im Zusammenhang mit dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, mit nicht dargestellten Steuerorganen regeln.
Die Fig. 8 zeigt die Vorrichtung von Fig. 6 nach dem Ausbau aus der Giessform --1--. Der an
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Ausführungsform des Zellenverbinders gegen das Zelleninnere durch Gummiringe-28, 28'-abgedichtet. Die wannenförmige Vertiefung --15-- kann oberhalb des Verbinders und in dem seitlichen Ringraum --30-- mit einer Vergussmasse angefüllt werden.
Eine der in Fig. 6 gezeigten ähnliche Ausführungsform ist in Fig. 9 dargestellt. Hiebei sind jedoch
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ausgesparten Raum wird nach Herstellung des Verbinders --29-- eine Vergussmasse gefüllt, die die Poldurchführungen isoliert. Dadurch erübrigt sich der Einbau der in Fig. 8 beschriebenen Dichtungsringe - -12, 12'-- unterhalb des Zellendeckels.
Die Anordnung der in Fig. 9 angedeuteten seitlich ausschwenkbaren Schieber--31, 31'-- geht aus Fig. 11 genauer hervor. Danach sind die Schieber bei-33, 33'-- seitlich verschwenkbar gelagert und fassen zangenartig unter den Giessraum--6--, wenn das schmelzflüssige Metall durch den Trichter-5-in die Form-l-eingefüllt wird. Mit Hilfe der am oberen Ende der Schieber - -31, 31'-- angebrachten Griffe-32, 32'-- lassen sie sich nach dem Erkalten des Gusses in die gestrichelt gezeichnete Stellung verschwenken und zusammen mit der Form-l-aus der muldenförmigen Vertiefung --15-- entfernern.
Die in den Fig. 12 und 13 dargestellte weitere Ausführungsform der neuartigen Giessform eignet sich insbesondere zum Angiessen von Polbrücken an die Stromfahnen gleichnamiger Platten einer Zelle.
Die in Giessposition gezeigte Giessform-l-besteht wieder aus einem warmfesten Giess- oder Pressharz, in das die Hochfrequenz-Induktionsschleife --2-- eingebettet ist, die bei-3, 3'-- mit Anschlüssen für die Zuführung der Hochfrequenzenergie und des Kühlmittels versehen ist. Die Giessform --l-- sitzt mit einer Dichtungsfläche --4-- auf einer Kammleiste--33--aus säurefestem, elastischem Material auf, die von Separatoren--34--des Plattensatzes getragen wird und gleichzeitig als Schutzplatte für die Separatoren und Satzabdeckplatte dient.
Die Kammleiste-33-ist mit schlitzförmigen Durchgängen --35-- versehen, durch die Stromfahnen--36--der Platten des Plattensatzes in den Giessraum --6-- zur Ausbildung der Polbrücke hineinragen. Die Kammleiste --33-- bildet zusammen mit den Stromfahnen --36-- den unteren Abschluss der Form Im oberen Bereich der Giessform ist ähnlich wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Einfülltrichter --5-- angeordnet, durch den über die-Bleileitung-22-und ein im einzelnen nicht dargestelltes Magnetventil --23-- das schmelzflüssige Metall in den Giessraum --6-- eingeführt wird.
Am Kopf der Form-l-befinden sich des weiteren zwei Kontaktstifte-24, 24'--, die über elektrische Leitungen--25, 25'-- an eine nicht gezeigte Schalteinrichtung angeschlossen sind, welche beim Kurzschliessen der Kontaktstifte durch das in der Giessform hochsteigende flüssige Metall die Zufuhr der Metallschmelze und der hochfrequenten Energie drosselt oder ganz unterbricht. Bei--37 und 37'--sind die Wände eines Zellengefässes eines Akkumulators gezeigt, das vor der Durchführung des Lötprozesses zur Aufnahme der Plattenpakete dient und in dem die fertiggelöteten Plattensätze bei der Fertigstellung des Akkumulators verbleiben.
In den Fig. 14 und 15 sind die Plattensätze zusammen mit der angegossenen Polbrücke und dem Satzendpol --14-- im Schnitt so dargestellt, wie sie nach der Entfernung des Formkörpers--l-- aus dem Innenraum--38--des Zellengefässes vorliegen.
Die Fig. 16 bis 18 verdeutlichen in schematischer Darstellung die Anordnung der Hochfrequenzinduktionsschleife--2--innerhalb des Formkörpers --1-- der Fig.12 und 13, wobei die Leiterschleife spiralförmig um den Giessraum --6-- gewickelt ist und dicht unterhalb der
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Wandung des Giessraumes liegt. Auch im Bereich der beispielsweise rechteckig geformten Polbrücke sind, wie insbesondere Fig. 18 entnommen werden kann, Windungen der Leiterschleife --2-vorhanden, so dass diesem Bereich sowohl eine ausreichende Hochfrequenzenergie als auch das zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Formtemperatur erforderliche Kühlmittel über die Anschlüsse - -3, 3'-- zugeführt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Verbinden von Metallteilen mit metallischen Bauelementen von insbesondere Akkumulatoren durch Angiessen innerhalb von Giessformen, wobei den Bauelementen und dem schmelzflüssigen Metall auf induktivem Wege erzeugte Wärme zugeführt und das in die Giessform eingegossene Metall durch Kühlen der Giessform zur Erstarrung gebracht wird, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, dass in den mit dem Metallteil (14) zu verbindenden, in die Giessform (1) hineinragenden Bauelementen (9, 11, 36) oder Teilen davon direkt mittels Induktion Wärme erzeugt wird.
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