DE102007005536A1

DE102007005536A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer Elektrodenkappe zum Widerstandspunktschweißen

Info

Publication number: DE102007005536A1
Application number: DE102007005536A
Authority: DE
Inventors: Sven Dr.-Ing. Jüttner; Matthias Graul; Hans Prof. Dr. Ferkel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-02-03
Filing date: 2007-02-03
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer Elektrodenkappe (4) zum Widerstandspunktschweißen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt Kupfermikropulver (1) und ein oxidisches Nanopulver vermischt werden, in einem zweiten Verfahrensschritt die Mischung aus Kupfermikropulver (1) und oxidischem Nanopulver in einem mechanischen Legierungsverfahren zu einem Mahlgut (3) gemahlen werden, wobei in einem dritten Verfahrensschritt das Mahlgut (3) direkt in einem Umformwerkzeug zu einer Elektrode verpresst wird, sowie ein nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Elektrodenkappe.

Description

Es ist bekannt, dass beim Widerstandspunktschweißen Elektroden bzw. Elektrodenkappen aus einer CuZr-Legierung eingesetzt werden. Durch Schweißwärme kommt es zu Deformationen der Elektroden sowie zum Auflegieren der Oberfläche mit dem auf dem Blech befindlichen Zink. Durch den thermischen Einfluss kommt es zur Kornvergröberung und damit zum Erweichen der CuZr-Elektroden. Insbesondere beim Schweißen von hochfesten Stahlgüten muss mit höherer Schweißleistung geschweißt werden, um möglichst große Schweißpunktdurchmesser zu erreichen. Dabei kommt es zu einem verstärkten Verschleiß der Elektroden.
Für diese erhöhten Anforderungen wurden spezielle Elektroden entwickelt (Handelsbezeichnung Nitrode). Diese Elektroden bestehen aus einem mittels Aluminiumoxid legierten Kupfer.
Aus der US 5,030,275 ist ein Herstellungsverfahren für eine Elektrodenkappe bekannt geworden. Hierzu wird zunächst ein Pulvergemisch aus Kupfer und Al₂O₃ zu einem zylindrischen Rohling verpresst. Der Rohling wird anschließend gesintert und nach dem Sintern ein zweites Mal gepresst. Anschließend kann der Rohling durch Kaltumformung oder Zerspanung zu einer Elektrodenkappe zum Widerstandspunktschweißen weiterverarbeitet werden.
Ein derartiges Herstellungsverfahren ist jedoch aufwendig und der Materialverlust vom Ausgangsmaterial zur fertigen Elektrodenkappe ist beachtlich, insbesondere bei der Zerspanung tritt ein erheblicher Materialverlust des teuren Ausgangswerkstoffes auf.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer Elektrodenkappe zum Widerstandspunktschweißen, vorzuschlagen, mit dem eine preiswertere Herstellung einer derartigen Elektrode möglich ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass in einem ersten Verfahrensschritt Kupfermikropulver und ein oxidisches Nanopulver vermischt werden, in einem zweiten Verfahrensschritt die Mischung aus Kupfermikropulver und oxidischem Nanopulver in einem mechanischen Legierungsverfahren zu einem Mahlgut gemahlen werden, wobei das Mahlgut in einem dritten Verfahrensschritt direkt in einem Umformwerkzeug zu einer Elektrode verpresst wird. Gegenüber einem Herstellungsverfahren, bei dem die Elektrode mittels Strangpressen oder Zerspanung hergestellt wird, zeichnet sich das erfindungsgemäß vorgeschlagene Herstellungsverfahren durch einen äußerst geringen bis nicht vorhandenen Materialverlust aus, da das Mahlgut erfindungsgemäß hergestellte Mahlgut direkt in einem Umformwerkzeug zu einer Elektrode verpresst werden kann. Da insbesondere das partikelverstärkte Cu-Pulver sehr teuer ist und der Bearbeitungsaufwand, insbesondere der Nachbearbeitungsaufwand, entfällt bzw. reduziert wird, können die Herstellungskosten erheblich reduziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem oxidischen Nanopulver um Al₂O₃-Nanopulver und/oder SiO₂-Nanopulver und/oder TiO₂-Nanopulver handelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem mechanischen Legierungsverfahren um Kugelmahlen handelt. Insbesondere das Kugelmahlen eignet sich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in vorteilhafter Weise zur Herstellung des gewünschten Mahlgutes.
Besonders gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn die Mischung aus Kupfermikropulver und oxidischem Nanopulver etwa 8 Stunden gemahlen wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Umformwerkzeug um ein Gesenk handelt. Eine entsprechende Menge an Mahlgut wird in das Untergesenk eingebracht. Von oben schlägt das Obergesenk auf die eingebrachte Menge an Mahlgut und formt sie zum gewünschten Schmiedestück. Hierdurch können auch auf einfache Art und Weise nicht-rotationssymmetrische Elektroden hergestellt werden, die sich beispielsweise besonders zum Schweißen an schmalen Flanschen, Exzenterkappen usw. eignen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Elektrode um eine Elektrodenkappe handelt. Die so hergestellten Elektrodenkappen eigenen sich vorteilhafterweise für Anwendungsfälle mit erhöhtem Kappenverschleiß, z. B. für das Schweißen von hochfesten Stählen, insbesondere formgehärtete Bauteile.
Als einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, den Anteil an oxidischem Nanopulver derart auszuwählen, dass sich etwa ein Volumenanteil oxidisches Nanopulver von 3% am Gesamtvolumen des Mahlgutes ergibt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine vorteilhafte Elektrodenkappe für Anwendungsfälle mit erhöhtem Kappenverschleiß vorzuschlagen, z. B. für das Schweißen von hochfesten Stählen, insbesondere formgehärtete Bauteile.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Elektrodenkappe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Elektrodenkappe ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dann zeigen
1 eine schematische Darstellung der ersten zwei Verfahrensschritte des vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm mit den Kennlinien a) einer Elektrode, hergestellt aus dem erfindungsgemäßen Mahlgut (Cu/3Vol.%Al₂O₃) und b) einer Elektrode aus reinem Kupfer, jeweils bei einer Temperatur von 300°C;
3 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Elektrodenkappe in einer seitlichen, teilweise geschnittenen Ansicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Ausgangswerkstoffe für die Elektrode Kupfer-Mikropulver 1 und Al₂O_3-Nanopulver 2 verwendet. Alternativ oder auch zusätzlich sind insbesondere auch SiO₂-Nanopulver und/oder TiO₂-Nanopulver als oxidische Nanopulver denkbar. Die beiden pulverförmigen Ausgangswerkstoffe werden in einem ersten Verfahrensschritt gemischt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Mischung einem mechanischen Legierungsverfahren, insbesondere dem so genannten Kugelmahlen, zugeführt, wodurch sich die Al₂O₃-Nanopartikel 2 fein in der Kupfermatrix 1 verteilen. Angedeutet ist dieser Verfahrensschritt in der schematischen Darstellung durch den Pfeil mit der Kennung „K". Vorzugsweise wird das Kugelmahlen (ballmilling) etwa 8 Stunden durchgeführt. In einem dritten Verfahrensschritt ist vorgesehen, dass das aus dem vorausgegangenen Kugelmahlen hervorgegangene pulverförmige Mahlgut 3 direkt in einem Gesenk zu einer Elektrode, vorzugsweise einer Elektrodenkappe 4 geformt bzw. eine endformnahe Kontur hergestellt wird, die nur geringfügig nachgearbeitet werden muss.
Die Verfahrensschritte Mischen und Kugelmahlen des Cu-Mikropulvers 1 mit dem Al₂O₃-Nanopulver ist in der 1 schematisch dargestellt.
Durch das Legieren mittels Nanopartikeln aus Al₂O₃ kann die Eigenschaft von Kupfer derart verändert werden, dass sich dieser Werkstoff insbesondere für die Herstellung und den Einsatz von Schweißelektroden, insbesondere Punktschweißelektroden eignet.
Auch können die mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Elektroden ohne spanabhebende Bearbeitung in eine für eine Schweißelektrode zum Widerstandspunktschweißen geeignete Endform gebracht werden. Hier kommen insbesondere auch nicht-rotationssymmetrische Endformen in Frage, die durch geeignete Auswahl der Gesenkform hergestellt werden könnten. Denkbar sind selbstverständlich auch rotationssymmetrische Formen, wie in 3 dargestellt in Form einer Elektrodenkappe 4.
Durch das vorgeschlagene erfindungsgemäße Herstellungsverfahren können ohne den Zusatz weiterer Elemente die mechanischen Eigenschaften auch bei erhöhter Temperatur erheblich verbessert werden. In 2 ist die Werkstofffestigkeit bei einem Zugversuch bei 300°C gegenüber reinem Kupfer dargestellt. Die mit a) bezeichnete Kennlinie stellt die mechanischen Eigenschaften einer Elektrode dar, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Die Kennlinie b) dokumentiert das Verhalten einer Elektrode aus reinem Kupfer, jeweils bei einer Temperatur von 300°C.
Durch das Legieren mit Nanopartikeln wird die elektrische Leitfähigkeit nur geringfügig reduziert.

1: Kupfer-Mikropulver
2: Al₂O₃-Nanopulver
3: Mahlgut
4: Elektrodenkappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5030275 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, insbesondere einer Elektrodenkappe (4) zum Widerstandspunktschweißen, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt Kupfermikropulver (1) und ein oxidisches Nanopulver vermischt werden, – in einem zweiten Verfahrensschritt die Mischung aus Kupfermikropulver (1) und oxidischem Nanopulver in einem mechanischen Legierungsverfahren zu einem Mahlgut (3) gemahlen werden, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt das Mahlgut (3) direkt in einem Umformwerkzeug zu einer Elektrode verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem oxidischen Nanopulver um Al₂O₃-Nanopulver (2) handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem oxidischen Nanopulver um SiO₂-Nanopulver handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem oxidischen Nanopulver um TiO₂-Nanopulver handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mechanischen Legierungsverfahren um Kugelmahlen handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Kupfermikropulver (1) und oxidischem Nanopulver etwa 8 Stunden gemahlen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Umformwerkzeug um ein Gesenk handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Elektrode um eine Elektrodenkappe (4) handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlgut (3) einen Volumenanteil von 3% an Al₂O₃ aufweist.
Elektrodenkappe zum Widerstandspunktschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt worden ist.
Elektrodenkappe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Elektrodenkappe um ein rotationssymmetrisches Formteil handelt.
Elektrodenkappe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Elektrodenkappe um ein Formteil handelt, welches keine rotationssymmetrische Gestalt aufweist.