DE102006060317A1

DE102006060317A1 - Buckelschweißverfahren sowie Schweißverbindung mit Schweißbuckeln

Info

Publication number: DE102006060317A1
Application number: DE102006060317A
Authority: DE
Inventors: Georg Voegele; Dieter Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Buckelschweißverfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken, ein Herstellungsverfahren von Schweißbuckeln in einem der Werkstücke und eine Schweißverbindung, die ein Werkstück mit wenigstens einem der Schweißbuckel aufweist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Schweißverfahren ein Werkstück verwendet, in welchem wenigstens ein Buckel mit sinusförmiger oder parabelförmiger Form erzeugt wurde.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Schweißverfahren unter Verwendung von Schweißbuckeln, einer Erzeugung von Schweißbuckeln in einem Werkstück und einer mit dem Schweißverfahren hergestellten Schweißverbindung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Das sogenannte Buckelschweißverfahren gehört zu den Widerstandsschweißverfahren, bei denen die miteinander zu verbindenden, elektrisch leitenden Werkstücke bereits vor dem Schließen des Schweißstromkreises miteinander kontaktiert werden. Der dazu aufgebrachte Anpressdruck bleibt auch während des eigentlichen Schweißvorgangs und danach solange bestehen, bis entweder die gebildete Schmelze erstarrt ist oder eine Diffusionsverbindung entstanden ist, und somit die beiden Werkstücke stoffsschlüssig miteinander verbunden sind.
Beim Buckelschweißen werden die Berührungsstellen der beiden Werkstücke durch wenigstens einen oder mehrere Buckel definiert, die über die Oberfläche des einen Werkstücks erhaben sind, an diesem ausgebildet sind und vermittels derer dieses Werkstück die Oberfläche des anderen Werkstücks berührt, während ansonsten kein weiterer Kontakt zwischen den Werkstücken vorhanden ist. Die elektrischen Übergangswiderstände an diesen Berührungsstellen liegen zwar im Milliohm-Bereich, doch ist dies im Vergleich zu dem restlichen extrem niederohmig gehaltenen Schweißstromkreis ausreichend „hochohmig", um beim Schließen des Stromkreises einen erheblichen Anteil der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie an dem bzw. den durch die Buckel definierten Berührungspunkten in Form von Wärme freizusetzen. Durch die Wärme werden die Buckel und die von ihnen berührten Oberflächenbereiche des anderen Werkstücks, zumindest lokal stark erwärmt oder zum Schmelzen gebracht. Nach Erkalten der so miteinander verbundenen Werkstücke entsteht eine stoffschlüssige und somit dauerhafte Verbindung.
Ein Verfahren zur Durchführung eines Buckelschweißverfahrens ist aus der DE 44 03 503 A1 bekannt, bei dem der Anpressdruck der Elektroden und somit der beiden Werkstücke beim zumindest partiellen Wegschmelzen des wenigstens einen Buckels unverändert bleibt.
Eine Ausbildung eines Buckels in Kegelform ist aus der DE 30 24 333 A1 bekannt. Ein Verfahren zur Herstellung einer Reihe von Buckel in Form von Kugelabschnitten ist aus der DE 695 31 975 T2 bekannt.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Buckelschweißverfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken, ein Herstellungsverfahren von Schweißbuckeln in einem der Werkstücke und eine Schweißverbindung, die ein Werkstück mit wenigstens einer der Schweißbuckel aufweist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Schweißverfahren ein Werkstück verwendet, in welchem wenigstens ein Buckel mit sinusförmiger oder parabelförmiger Form erzeugt wurde.
Der Vorteil von sinusförmigen oder parabelförmigen Buckeln bei Buckelschweißverfahren liegt darin, dass eine geringere Kontaktfläche geschaffen wird, die zu einem höheren Übergangswiderstand und somit zu einer höheren und schnelleren Erwärmung der Kontaktstelle führt. Weiterhin kann durch die derartige Ausbildung des Buckels eine höhere Festigkeit der Schweißverbindungen erreicht werden, u. U. sogar bei geringeren Schweißströmen. Gleichzeitig erlaubt die spezielle Buckelgeometrie, dass eine geringere Schwankung der Festigkeit der Verbindungen zu beobachten ist.
Allgemein kann jedoch vorteilhafterweise auch jede anders geartete spitze Ausbildung der Buckel vorgesehen sein.
Die Schweißbuckel können in einer Ausgestaltung der Erfindung mittels einer lokalen Erwärmung des Werkstücks erzeugt werden. Die Erwärmung des Werkstückmaterials führt dabei zu einer leichteren Verformbarkeit des Werkstücks. Mit Hilfe eines entsprechend geformten Werkzeugs kann das Werkstück dann an den lokal erwärmten Stelle in das Werkstück eingedrückt werden. Alternativ kann jedoch auch das gesamte Werkstück oder das Werkzeug erwärmt werden.
In einer anderen Ausgestaltung kann bei einer entsprechenden Ausführung des Werkstücks auch eine Kaltverformung vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von spitzen bzw. sinus- oder parabelförmigen Buckeln beim Verschweißen von Werkstücken aus Kupfer oder Kupfer-Basis-Legierungen.
Um eine flächenmäßige Verbindung der beiden Werkstücke zu erreichen, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Buckel weitestgehend auf dem einen Werkstück zu verteilen. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Buckel inhomogen auf dem Werkstück verteilt sind.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnungen
1a zeigt einen typischen Buckel in Form eines Kugelabschnitts (Kalotte), der beim Schweißen von Stahlblechen eingesetzt wird. In der 1b ist ein spitzer Buckel gemäß der vorliegenden Erfindung zum Schweißen von Kupferwerkstoffen dargestellt. Die 2a und 2b stellen ein Herstellungsverfahren zur Erzeugung der erfindungsgemäßen spitzen Schweißbuckel dar. Die 3a bis 3c zeigen eine alternative Herstellung mittels eines Stempels.
Ausführungsbeispiel
Während eines Widerstandsschweißens werden in der Regel zwei Werkstücke (Bleche oder Metallstreifen) mit Hilfe eines Stromflusses miteinander verbunden. Beim Buckelschweißen wird dabei wenigstens eines der Werkstücke 100 mit Buckeln 120 versehen. Durch diese Buckel wird die Kontaktfläche definiert, an der der Strom zwischen den beiden Werkstücken 100 und 110 fließt. Die relativ geringe Kontaktfläche des Buckels führt zu einem hohen Übergangswiderstand, so dass die beiden Werkstücke 100 und 110 an der Verbindungsstelle der Buckel sich stark erwärmen. Wird ein ausreichender (hoher) Stromfluss zwischen den beiden Werkstücken erzeugt, reicht die Erwärmung aus, die beiden Werkstücke punktuell an den Berührungspunkten durch Diffusion oder schmelzen miteinander zu verbinden. Wird gleichzeitig Druck auf die beiden Werkstücke ausgeübt, so entsteht zwischen den beiden Werkstücken eine stoffschlüssige Verbindung.
Zum Buckelschweißen von Stahl(-blechen) haben sich relativ flache und großflächige Buckel 120 in Form von Kugelabschnitten (Kalotte) bewährt, wie sic in 1a dargestellt sind. Diese für das Stahlschweißen übliche Buckelgeometrie, wie sie auch in der DIN-Norm EN28167 festgelegt ist, ist jedoch für andere Metalle bzw. Metallverbindungen, speziell Kupferlegierungen, nicht unbedingt geeignet.
Die Ursache, weshalb diese Stahl-Buckelgeometrie für das Schweißen von Kupfer nicht verwendet werden kann, liegt an den Materialeigenschaften von Kupfer (geringere Festigkeit als Stahl-Eisen-Werkstoffe, geringere Warmfestigkeit als die von Stahl, elektrische Leitfähigkeit ist größer als bei Stahl), für die die flachen Buckel eine relativ großen Berührungsfläche darstellen. Die große Berührungsfläche führt bei diesen Metallen zu einem geringeren Übergangswiderstand und somit zu geringerer Erwärmung der Teile. Diese Stahl-Buckelgeometrie ist nicht geeignet, über die Erwärmungsphase hinweg eine genügend hohe Standfestigkeit aufrecht zu erhalten, wodurch die Buckel während der Prozessdurchführung (typisch 30 ms) zu früh unter der aufgebrachten Schweißkraft zusammenbrechen. Als Resultat sind die Schweißverbindungen von Kupferblechen mit einer Stahl-Buckelgeomtrie nicht optimal ausgebildet.
Um eine höhere Festigkeit beim Buckelschweißen von Kupfer(-blechen) zu erzeugen, ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, in wenigstens einem der Werkstücke 140 einen Buckel 150 mit einer spitzförmigen Geometrie einzubringen. Diese spitzförmige Buckelgeometrie kann dabei beispielsweise sinusförmig oder parabelförmig ausgebildet sein, die – ähnlich einem gotischen Spitzbogen in der Baustatik – höhere Druckfestigkeit aufweisen als eine Kalotte. Alternativ kann auch in das wenigstens eine Werkstück ein Massivbuckel eingeprägt werden.
In den 2a und 2b ist schematisch ein Verfahren dargestellt, welches das Einbringen der Buckel 250 in ein Werkstück 200 zeigt. Dabei wird ein geeignetes Werkzeug 210 in das Werkstück 200 eingedrückt, so dass sich das Material des Werkstücks 200 zu einem Buckel aufläuft. Durch eine geeignete Wahl des Dorns des Werkzeugs 210, welches in das Werkstück gedrückt wird, kann die Form des Buckels 250 entsprechend erzeugt werden. Alternativ zu einem Dorn kann auch ein Stempel 310 verwendet werden, der nahezu senkrecht auf das Werkstück 300 aufgebracht wird.
Zur Ausbildung der sinus- bzw. parabelförmigen Form des Schweißbuckels wird auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks 200 bzw. 300 ein Gegenstück 320 mit einem Gesenk angelegt. In diesem insbesondere geschlossenen Gesenk kann sich das Material des Werkstücks entsprechend zu dem erfindungsgemäßen Schweißbuckel ausbilden. Selbstverständlich lässt sich die Verwendung eines Gesenks auch mit anderen Eindrückverfahren kombinieren.
Neben der Einprägung mit einem Dom wie in 2a und 2b oder der Verwendung eines Stempels 310 in 3a bis 3c gezeigt, können auch andere Verfahren verwendet werden, die in Verbindung mit einem Gesenk einen erfindungsgemäßen Buckel im Werkstück erzeugen. Denkbar sind hierbei rotierende Räder oder Nadelkissen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Werkstück 200 während des Einprägevorgangs erwärmt wird, so dass sich das Material besser verformen lässt. Die Erwärmung kann dabei sowohl das gesamte Werkstück betreffen als auch nur punktuell die Stelle, an der der Buckel erzeugt werden soll.

Claims

Buckelschweißverfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken (110, 140), die an wenigstens einer, durch einen über die Oberfläche des einen Werkstücks (140) vorstehenden und das andere Werkstück (110) berührenden Buckels (150, 250) definierten Schweißverbindungsstelle aneinandergepreßt, ansonsten aber voneinander im Abstand angeordnet werden, wobei jedes der Werkstücke (110, 140) mit einer Schweißelektrode verbunden wird, so dass mittels des Schweißstroms an jeder Schweißverbindungsstelle der betreffende Buckel sowie der mit ihm in Berührung stehende Oberflächenbereich des anderen Werkstücks zumindest teilweise schmilzt und nach Erkalten der Schmelze die beiden Werkstücke miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Buckel (150, 250) eine sinusförmiger oder parabelförmiger Form aufweist.
Verfahren zur Bildung wenigstens eines Schweißbuckels (150, 250) in einem Werkstück (140, 200) mit einer sinusförmigen oder parabelförmigen Form insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 1.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück wenigstens lokal erhitzt wird, um den wenigstens einen Schweißbuckel zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schweißbuckel mittels eines sinusförmigen oder parabelförmigen Werkzeugs (210) in das Werkstück eingeprägt wird, wobei insbesondere vorgesehen wird, dass das Werkstück zur Einprägung wenigstens lokal erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißbuckel durch Eindrücken des Materials in ein Gesenk in das Werkstück eingeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Werkstück Kupfer aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das eine Werkstück weitestgehend aus Kupfer besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Werkstück weitestgehend mit voneinander beabstandeten Schweißbuckeln versehen ist.
Schweißverbindung zweier Werkstücke, wobei die beiden Werkstücke an wenigstens einer, durch einen über die Oberfläche des einen Werkstücks vorstehenden und das andere Werkstück berührenden Buckels definierten Schweißverbindungsstelle sich berühren, ansonsten aber voneinander im Abstand angeordnet sind, an jeder Schweißverbindungsstelle der betreffende Buckel sowie der mit ihm in Berührung stehende Oberflächenbereich des anderen Werkstücks zumindest teilweise geschmolzen und nach Erkalten der Schmelze die beiden Werkstücke miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens einen Buckel mit einer sinusförmigen oder parabelförmigen Form aufweist.
Schweißverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Werkstück Kupfer aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das eine Werkstück weitestgehend aus Kupfer besteht.
Schweißverbindung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Werkstück weitestgehend mit voneinander beabstandeten Schweißbuckeln versehen ist.