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PATENTANSPRÜCHE
1. Durch eine Vertiefung auf der einen und einen Vorsprung auf der anderen Seite gebildeter Buckel zum elektrischen Widerstandsschweissen von Aluminiumblechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (11, 12; 18, 19) des Buckels (7, 16) einen Winkel von 30 bis 50 miteinander einschliessen und die Festigkeit des Werkstoffes im Bereich der Flanken um einen solchen Betrag über der Festigkeit benachbarten Grundmaterials (10, 17) liegt, dass bei mit einer die Übergangswiderstände an den Elektroden auf einen das Verspritzen des Buckels vermeidenden Wert reduzierenden Elektrodenauflagekraft der Buckel vor dem Einschalten des Schweissstromes im wesentlichen nicht verformt wird.
2. Buckel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (11, 12; 18, 19) im wesentlichen gradlinig und parallel aufeinander zu verlaufen.
3. Buckel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit des Werkstoffes im Bereich der Flanken um ca. 50% über der Festigkeit des benachbarten Grundmaterials (10, 17) liegt.
4. Buckel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Buckel (7) ringförmig ausgebildet ist.
5. Buckel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kreisfläche (13) des Buckels (7) in der gleichen Ebene wie das benachbarte Grundmaterial liegt.
6. Buckel nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Buckel (16) linienförmig ausgebildet ist.
7. Buckel nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Winkel (a) und der äussere Winkel (ss) vorzugsweise ca. 44^ betragen.
8. Buckel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des mittleren Ringdurchmessers (d) zur Flanschbreite (b) < 3.5 ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Ring- oder Längsbuk- kels, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech zwischen einem Stempel und einer Matrize formgepresst wird.
Die Erfindung betrifft einen durch eine Vertiefung auf der einen und einen Vorsprung auf der anderen Seite gebildeten Buckel zum elektrischen Widerstandsschweissen von Aluminiumblechen. Unter Aluminium sind dabei für den jeweiligen Benutzungszweck geeignete Aluminiumlegierungen zu verstehen.
In der einschlägigen neueren Literatur (z. B. Resistance Welding Manual , Vol. 1, S. 44; Aluminium-Taschenbuch 13, Aufl. 1974, S. 581) wird wiederholt darauf hingewiesen, dass das Buckelschweissen von Aluminium nicht sicher ausführbar sei. Es ist zwar schon erwähnt-worden (Pfeifer, Fachkunde des Widerstandsschweissens , S. 44), dass das Buckelschweissen von Leichtmetallen mit geeigneten Maschinen möglich sei. Wie derartige Maschinen aussehen sollen, wird jedoch nicht offenbart.
Aus der CH-Patentschrift Nr. 649 485 ist ein Verfahren zum Buckelschweissen bekannt, bei dem Buckel mit ungleichen Aussen- und Innenwinkeln der Buckelflanken vorgeschlagen werden. Wohl genügen jene Buckel bestens den Anforderungen bezüglich Festigkeit, doch erfüllt die Standzeit der Elektroden noch nicht die gewünschten Werte.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Buckel zu schaffen, mit welchem Bleche aus Aluminium, Aluminiumlegierungen und dergleichen auch in Massenfertigung sicher buckelgeschweisst. insbesondere auch mehrfachbukkelgeschweisst werden können. ohne dass ein Wechsel der Elektroden häufiger notwendig ist als bei Stahl. Ausserdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Buckels geschaffen werden, das sich für die Massenteilefertigung eignet.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Der Erfindungsgedanke ist demnach darin zu sehen. dass den Buckeln eine grössere Festigkeit als dem umgebenden Grundmaterial gegeben wird, wobei der Grad der Festigkeitserhöhung so ist, dass die Elektrodenkraft vor dem Einschalten des Schweissstromes ohne weiteres so erhöht werden kann, dass ohne die Gefahr eines Zusammenbrechens oder einer Rückbildung des Bukkels die Übergangswiderstände stark reduziert werden. Beim Einschalten des Schweissstromes kommt es so nicht zu dem sonst zu befürchtenden Verspritzen des Buckels ohne Verschweissung mit dem Gegenblech.
Andererseits soll die Elektrodenkraft nicht so erhöht werden, dass der Übergangswiderstand vom Buckel zum Gegenblech zu stark herabgesetzt wird und es folglich zu einer Aufschmelzung von Material nicht nur am Buckel, sondern auch an anderen Kontaktwiderstandsstellen, z. B. zwischen den Elektroden und den Blechen kommt. Die Festigkeitserhöhung im Buckelmaterial braucht also lediglich so gross zu sein, dass das Verspritzen des Buckels beim Einschalten des Stromes sicher und in allen Fällen vermieden wird.
Für die Zwecke der Erfindung besonders vorteilhafte Buckelausbildungen ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 8.
Anspruch 9 kennzeichnet ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Verfestigung des Blechmaterials im Bereich der Buckel. Durch den Formpressvorgang kann die Festigkeit im Buckelmaterial um den erforderlichen Prozentsatz auf äusserst wirtschaftliche Weise heraufgesetzt werden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Längsbuckel,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Ringsickenbuckel gemäss der Erfindung, und die
Fig. 3, 4 Diagramme des Strom-/Kraftverlaufes.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Längsbuckel 16 für Aluminium und Aluminiumlegierungen, der zum Verschweissen von schmalen Flanschen, bei welchen für einen Ringbuckel zu wenig Platz zur Verfügung steht, Anwendung findet. Die beiden Flanken 18, 19 haben durch die grosse plastische Umformung des Grundmaterials 17 in den Werkzeugen eine um ca. 50% höhere Festigkeit als das Grundmaterial 17 erhalten. Die Flanken 18, 19 des keilförmigen, aus dem Grundmaterial (Blech) 17 formgepressten Buckels 16 schliessen innen einen Winkel a von ca. 440 und aussen einen Winkel p von ca. 440 ein.
In Fig. 2 ist eine Ausbildung eines Ring- oder Ringsikkenbuckels 7 dargestellt, wie er sich als besonders vorteilhaft zum Schweissen von Aluminium und Aluminiumlegierungen erwiesen hat. Der Buckel 7 unterscheidet sich von den bei Stahl gebräuchlichen Ringbuckeln äusserlich vor allem durch die kleinere Verhältniszahl d ¯ 1,5 bis 3, die hier, falls b erwünscht, eine vollkommen durchgeschweisste Linse ergibt.
In den Bereichen 11 und 12 der Flanken wird auch in die.
ser Buckelform durch die Umformung eine Erhöhung der Festigkeit des Grundmaterials um ca. 50% erreicht. Nicht allein die Festigkeitserhöhung in den Buckeiflanken 11, 12, sondern in dieser Form insbesondere auch die gegenüber dem umliegenden Material 10 örtlich unverändert gebliebe
ne zentrale Kreisfläche 13 kann einen wesentlichen Anteil der Elektrodenkraft auf die innere Flanke 12 des Buckels übertragen. Die gesamte Elektrodenkraft verteilt sich im Buckel 7 folglich gleichmässig über beide Flanken 11, 12.
Die Kraftlinien im Buckel 7, 16 verlaufen annähernd parallel und sind zum Lot durch die Schweissebene nur geringfügig geneigt. Mit beginnender Zerquetschung des Buckels 7, 16 unter der Wirkung der Elektrodenkraft F und der Erwärmung durch den Schweissstrom I verringert sich die Neigung der Kraftlinien zusehends. Der Betrag der spezifischen Flächenpressung zwischen den Werkstücken bleibt im wesentlichen erhalten.
Der Durchmesser d des Buckels 7 kann nicht beliebig gross gemacht werden, da der Schweissstrombedarf 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 z. B. 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. 2 eine bleibende Verformung von nur 8% von h auftritt, beim Rundbuckel hingegen eine solche von 54% von h.
Im Gegensatz zu der bekannten Herstellungsweise der Buckel bei Eisenwerkstoffen, bei welchen diese frei fliessgeformt werden, sind die Buckel nach der Erfindung formgepresst. Die geometrische Form der Buckel, insbesondere der Flanken 11, 1218, 19ist damit bei allen Buckeln an einem Werkstück identisch. Die plastische Umformung des Grundmaterials erfolgt mit einem formgebenden Stempel und einer formgebenden Matrize.
Insbesondere können mit den Formwerkzeugen einerseits die Winkel a und ss nicht nur eingehalten, sondern überhaupt erst erreicht werden und andererseits kann die gewünschte Umformung und folglich Verfestigung des Materials in den Flanken 11, 12; 18, 19 bewirkt werden. Von Bedeutung ist, dass beim Ringbuckel die zentrale Kreisfläche 13 das Niveau wie die unverändert gebliebene Oberfläche des Bleches neben dem Buckel aufweist.
Eine qualitativ gute Schweissung hängt nicht nur von der Buckelform allein ab, sondern es spielt auch der zu schweissende Werkstoff und der zeitliche Verlauf der Elektrodenkraft und insbesondere der Schweissstrom eine wesentliche Rolle.
Die hohe thermische Leitfähigkeit von Aluminium und dessen Legierungen verlangt, dass die Schweissenergie, d. h.
der Schweissstrom in sehr kurzer Zeit eingebracht wird. Zusätzlich kommt hinzu, dass die Aluminiumwerkstoffe aus den genannten Gründen (hohe elektrische Leitfähigkeit, geringer innerer elektrischer Widerstand) bekanntlich grössere Ströme als Eisenwerkstoffe erfordern.
Mit der beschriebenen Ausbildung der Buckel in der Gestalt gemäss Fig. 1, 2 zusammen mit einem Schweissstrom-; Elektrodenkraftverlauf nach Fig. 4 lassen sich in überraschender Weise qualitativ hochstehende beliebig reproduzierbare Schweissverbindungen erzeugen. ¯¯¯¯
In Fig. 3, 4 zeigt 14 den Stromverlauf in der Zeit t, t bzw. tl t3. 15 zeigt den Verlauf der Elektrodenkraft in der Zeit to bis t4. Die Stromkurve 14 in Fig. 4 weist gegenüber derjenigen in Fig. 3 eine sogenannge 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).
Eine zusätzliche Erhöhung des Schweissdruckes (strichpunktierter Verlauf der Elektrodenkraft 15 in Fig. 3 und 4) am Ende der Schweissphase trägt zu einer Verhinderung von Lunkerund Rissbildung in der Schweisslinse bei.
Ein weiterer zu beachtender Faktor ist die Ausgestaltung der Elektrode, beziehungsweise deren bewegte Masse, von der das sogenannte Nachsetzverhalten abhängt. Die Elektrode muss während der sehr kurzen Schweisszeit tl t2 verzögerungsfrei dem schmelzenden Buckel folgen können, um das Wegspritzen von flüssigem Werkstoff zu vermeiden.
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 die Verwendung einer Frequenzwandler Schweissmaschine zur Durchführung der Schweissung.
Durch die Anwendung einer gleichstromartigen Einimpulsschweissung kann die Schweissenergie in kürzest möglicher Zeit ins Werkstück eingebracht werden.
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 von der Elektrodenkraft bzw. dem Schweissstrom beaufschlagt wird.
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PATENT CLAIMS
1. By a recess on one side and a projection on the other side formed hump for electrical resistance welding of aluminum sheets, characterized in that the flanks (11, 12; 18, 19) of the hump (7, 16) an angle of 30 to 50 with each other and the strength of the material in the area of the flanks is such an amount above the strength of the adjacent base material (10, 17) that the hump is present with an electrode contact force that reduces the contact resistance on the electrodes to a value that avoids splashing of the hump essentially not deformed when the welding current is switched on.
2. hump according to claim 1, characterized in that the flanks (11, 12; 18, 19) are substantially straight and parallel to each other.
3. hump according to one of the preceding claims, characterized in that the strength of the material in the region of the flanks is about 50% above the strength of the adjacent base material (10, 17).
4. hump according to one of the preceding claims, characterized in that the hump (7) is annular.
5. hump according to claim 4, characterized in that the central circular area (13) of the hump (7) lies in the same plane as the adjacent base material.
6. hump according to one of claims 1 to 3, characterized in that the hump (16) is linear.
7. hump according to one of claims 3 to 6, characterized in that the inner angle (a) and the outer angle (ss) are preferably about 44 ^.
8. hump according to claim 4, characterized in that the ratio of the mean ring diameter (d) to the flange width (b) is <3.5.
9. A method for producing a ring or longitudinal bump, according to one of the preceding claims, characterized in that the sheet is pressed between a stamp and a die.
The invention relates to a hump formed by a recess on one side and a projection on the other side for the electrical resistance welding of aluminum sheets. Aluminum is to be understood as meaning aluminum alloys suitable for the respective purpose.
In the relevant more recent literature (e.g. Resistance Welding Manual, Vol. 1, p. 44; Aluminum-Taschenbuch 13, edition 1974, p. 581), it is repeatedly pointed out that hump welding of aluminum cannot be carried out safely. It has already been mentioned (Pfeifer, specialist in resistance welding, p. 44) that projection welding of light metals is possible with suitable machines. However, what such machines should look like is not disclosed.
From CH Patent No. 649 485 a method for hump welding is known, in which humps with uneven outside and inside angles of the hump flanks are proposed. Those humps certainly meet the requirements regarding strength, but the service life of the electrodes does not yet meet the desired values.
The object of the invention is to provide a hump with which sheets made of aluminum, aluminum alloys and the like are safely hump welded even in mass production. in particular can also be multi-bump welded. without having to change the electrodes more often than with steel. In addition, a method for producing such a hump is to be created, which is suitable for mass production.
The features of claim 1 are provided to achieve this object. The idea of the invention can therefore be seen in it. that the humps are given greater strength than the surrounding base material, the degree of strength increase being such that the electrode force can easily be increased before the welding current is switched on in such a way that the transition resistance is strong without the risk of collapse or regression of the hump be reduced. When the welding current is switched on there is no fear of splashing the hump without welding to the counter plate.
On the other hand, the electrode force should not be increased so that the contact resistance from the hump to the counter plate is reduced too much and consequently to a melting of material not only on the hump but also at other contact resistance points, e.g. B. comes between the electrodes and the sheets. The increase in strength in the hump material therefore only needs to be so great that the splashing of the hump when the power is switched on is safely avoided in all cases.
Hump designs which are particularly advantageous for the purposes of the invention result from patent claims 2 to 8.
Claim 9 characterizes a particularly economical method for strengthening the sheet material in the area of the hump. The compression molding process allows the strength in the hump material to be increased by the required percentage in an extremely economical manner.
The invention is described below, for example with reference to the drawing; in this shows
1 shows a cross section through a longitudinal hump according to the invention,
Fig. 2 shows a section through an annular bead boss according to the invention, and the
3, 4 diagrams of the current / force curve.
1 shows the cross section through a longitudinal boss 16 according to the invention for aluminum and aluminum alloys, which is used for welding narrow flanges in which there is too little space available for a ring boss. Due to the large plastic deformation of the base material 17 in the tools, the two flanks 18, 19 have an approximately 50% higher strength than the base material 17. The flanks 18, 19 of the wedge-shaped hump 16 molded from the base material (sheet metal) 17 enclose an angle a of approximately 440 on the inside and an angle p of approximately 440 on the outside.
2 shows an embodiment of a ring or ring neck hump 7 as it has proven to be particularly advantageous for welding aluminum and aluminum alloys. The hump 7 differs externally from the ring humps commonly used in steel primarily by the smaller ratio d ¯ 1.5 to 3, which, if b desired, results in a completely welded lens.
In areas 11 and 12 of the flanks is also in the.
This hump shape achieved an increase in the strength of the base material by approximately 50%. Not only the increase in strength in the Buckeifflanken 11, 12, but in this form in particular also remained unchanged locally compared to the surrounding material 10
A central circular area 13 can transmit a substantial proportion of the electrode force to the inner flank 12 of the hump. The entire electrode force in the hump 7 is consequently distributed evenly over both flanks 11, 12.
The lines of force in the hump 7, 16 run approximately parallel and are only slightly inclined to the perpendicular through the welding plane. As the hump 7, 16 begins to crush under the effect of the electrode force F and the heating by the welding current I, the inclination of the lines of force decreases noticeably. The amount of the specific surface pressure between the workpieces is essentially retained.
The diameter d of the hump 7 cannot be made arbitrarily large, since the welding current requirement increases approximately in square to the diameter d. For a sheet thickness = 1.05 mm there is a diameter d = 3 mm and a hump height h = 0.7 mm. B. in the material AlMg 0.4 Si 1.2 proved to be advantageous. A comparison with a round hump with a height h of 1.1 mm and the same diameter d showed that with a load with the force F = 200 daN a permanent deformation of only 8% of h occurs in the hump according to FIG. 2, in the round hump however, that of 54% of h.
In contrast to the known method of manufacturing the humps in the case of ferrous materials, in which they are freely flow-formed, the humps are molded according to the invention. The geometric shape of the humps, in particular the flanks 11, 1218, 19, is thus identical for all humps on a workpiece. The base material is plastically formed using a shaping punch and a shaping die.
In particular, with the molding tools, on the one hand, the angles a and ss can not only be maintained, but can only be achieved in the first place, and on the other hand, the desired shaping and consequently solidification of the material in the flanks 11, 12; 18, 19 are effected. It is important that in the ring hump the central circular surface 13 has the same level as the surface of the sheet next to the hump that has remained unchanged.
Good quality welding not only depends on the shape of the hump, but also the material to be welded and the temporal progression of the electrode force and in particular the welding current play an important role.
The high thermal conductivity of aluminum and its alloys requires that the welding energy, i.e. H.
the welding current is introduced in a very short time. In addition, for the reasons mentioned (high electrical conductivity, low internal electrical resistance), aluminum materials are known to require larger currents than iron materials.
With the described design of the hump in the shape of Figure 1, 2 together with a welding current; 4, surprisingly high-quality, reproducible welded connections can be produced. ¯¯¯¯
3, 4 14 shows the current profile in the time t, t and tl t3. 15 shows the course of the electrode force in the time to to t4. The current curve 14 in FIG. 4 has a so-called afterglow phase of t2 t3 compared to that in FIG. 3. Such an afterglow phase can prove useful or necessary for certain materials in order to extend the cooling time (better recrystallization).
An additional increase in the welding pressure (dash-dotted course of the electrode force 15 in FIGS. 3 and 4) at the end of the welding phase contributes to preventing blowholes and cracks in the welding lens.
Another factor to consider is the design of the electrode or its moving mass, on which the so-called repositioning behavior depends. The electrode must be able to follow the melting hump without delay during the very short welding time tl t2 in order to prevent liquid material from splashing away.
The electrodes are preferably formed over a large area, so that a low current density occurs between the workpiece and the electrode and the electrode is thereby exposed to extremely little wear. The use of a frequency converter welding machine to carry out the welding is particularly advantageous.
By using a DC single-pulse welding, the welding energy can be introduced into the workpiece in the shortest possible time.
When a plurality of lumps are welded at the same time, the electrodes are advantageously mounted in a movable and spring-loaded manner, so that each individual hump is acted upon by the electrode force or the welding current under exactly the same conditions.