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Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Verbundwerkstoffes zur Herstellung von Elektrodenkappen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Elektrodenkappe gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Elektrodenkappen kommen als Wechselkappen beim Widerstandpunktschweißen zum Einsatz. Sie werden über einen Innenkegel auf einem Elektrodenschaft befestigt. Über die Elektrodenkappen fließt einerseits der Schweißstrom und andererseits wird über die Elektrodenkappen eine Anpresskraft aufgebracht. Die thermischen und mechanischen Belastungen führen zur Abnutzung der Elektrode. Die Elektroden sind daher mit auswechselbaren Elektrodenkappen versehen.
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Elektrodenkappen werden gemäß der Norm EN ISO 5821:2009 massiv aus den Werkstoff CuCr1 (C18200), CuZr (C15000), CuCr1Zr (C18150), CuCrZr (CW106C) und oxiddispersionsverfestigten Kupferwerkstoffen, sogenannten ODS-Werkstoffen (ODS = Oxide dispersion strengthened) CuAl1203 (C17560, C15735, C15725) hergestellt. Oxiddispersionsverfestigte Kupferwerkstoffe besitzen eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Temperaturbeständigkeit. Diese Kupferwerkstoffe werden pulvermetallurgisch mit Legierungszusätzen und Dispersoiden vermahlen. Durch Zerkleinerungs- und Kaltverschweißungsprozesse werden feine, thermisch stabile Oxide und Karbide als Dispersoide in der Kupfermatrix gebildet und verteilt. Das gemahlene Granulat kann verpresst werden und beispielsweise im Strang pressverfahren zu standardisierten Halbzeugen umgeformt werden. ODS-Werkstoffe sind aufgrund des Fertigungsverfahrens teurer als durch Schmelzlegieren hergestellte Werkstoffe.
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Die auf diese Weise hergestellten Elektrodenkappen zum Punktschweißen bestehen zu 100% aus der jeweiligen Legierung. Die erhöhte Erweichungsbeständigkeit von ODS-Werkstoffen trägt zur Erhöhung der Lebensdauer der Elektrodenkappen bei. Allerdings werden Elektrodenkappen nicht über den gesamten Querschnitt gleichmäßig beansprucht, sondern vor allen Dingen mittig. Zum Beispiel kann eine Elektrodenkappe mit einem Durchmesser von 16 mm eine zentrale Arbeitsfläche mit einem Durchmesser von nur 6 mm besitzen.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Elektrodenkappen sowie eine entsprechende Elektrodenkappe aufzuzeigen, bei welchem bzw. wobei die Elektrodenkappe sowohl eine hohe thermische Leitfähigkeit als auch gleichzeitig eine hohe Standzeit bei entsprechender Erweichungsbeständigkeit besitzt.
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Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine Elektrodenkappe, welche diese Aufgabe löst, ist Gegenstand des Patentanspruchs 8.
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Die jeweilig abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Verwendung eines Verbundwerkstoffes zur Herstellung von Elektrodenkappen vor. Die Elektrodenkappen werden durch plastische Umformung und/oder spanabhebende Bearbeitung des Verbundwerkstoffes hergestellt. Hierzu wird der Verbundwerkstoff in Stangenform bereitgestellt. Der Verbundwerkstoff kann zum Beispiel durch Strangpressen hergestellt sein. Dabei wird ein Kern aus einem ersten Kupferwerkstoff in einen Mantel aus einem zweiten Kupferwerkstoff eingebettet. Nach dem Pressen des Verbundwerkstoffes, insbesondere Strangpressen, kann ein Lösungsglühen stattfinden. Zudem können die gepressten Verbundstangen über Ziehen, Aushärten und gegebenenfalls eine weitere Kaltumformung nach dem Aushärten weiter bearbeitet werden. Die Elektrodenkappen werden durch Ablängen der Verbundstangen, durch Fließpressen des abgelängten Teilstücks, insbesondere Kaltfließpressen, hergestellt oder auch durch Zerspanen. Die beiden Verfahren, das heißt, die spanlose und die spanabhebende Formgebung, können miteinander kombiniert werden.
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Die auf diese Weise hergestellte Elektrodenkappe besitzt mithin einen Kern und einen Mantel. Der Mantel umgibt den Kern radial umlaufend. Stirnseitig der Elektrodenkappe tritt der Kern an die Oberfläche.
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Eine auf diese Weise hergestellte Elektrodenkappe führt zu reduzierten Materialkosten im Vergleich zu Elektrodenkappen, die vollständig aus ODS-Werkstoffen bestehen. Zum Beispiel kann bei einer Elektrodenkappe mit einem Durchmesser von 16 mm der Anteil des Kerns, das heißt, desjenigen Materials, das eine höhere Erweichungsbeständigkeit besitzen soll, auf bis zu 14% reduziert werden. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Kerndurchmesser zum Beispiel 6 mm beträgt. Selbst bei einem Kerndurchmesser von 10 mm liegt der Materialanteil für den Kern nur bei ca. 39%.
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Die Erweichungsbeständigkeit wird anhand der Erweichungstemperatur gemäß DIN ISO 1582 bestimmt. Als Erweichungstemperatur wird die höchste Temperatur angesehen, die, wenn sie für zwei Stunden wirkt, zu einer Abnahme der Härte bei Raumtemperatur von höchstens 15% des Wertes im Ausgangszustand führt. Die Erweichungstemperatur ist abhängig von der Legierungszusammensetzung und von dem Behandlungszustand des Werkstoffes, insbesondere von der Kaltumformung. Beispielsweise können für den Mantel Werkstoffe mit Erweichungstemperaturen in einem Bereich von 150°C bis 350°C verwendet werden. Hierbei handelt es sich insbesondere um unlegierte Kupferlegierungen mit einem Anteil an Silber und gegebenenfalls auch Phosphor (CuAg, CuAgP). Diese Werkstoffe besitzen, wie bei Cu-OFE, eine Erweichungstemperatur von 180°C bei einem Umformgrad von 80%. Die Erweichungstemperatur kann auf ca. 350°C steigen, zum Beispiel bei dem Werkstoff CuAg0,1P bei gleichzeitig sehr geringer Kaltumformung von nur zirka 15%. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Werkstoffe liegt in einem Bereich von 91 bis 102% IACS. Die Zugfestigkeit liegt in einem Bereich von 200 bis 450 MPa.
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Bei hochleitfähigen Kupferwerkstoffen, das heißt, bei solchen mit einer Leitfähigkeit größer 96% IACS, kann die Prozess entstehende Wärme schnell abgeleitet werden. Dadurch kann die Standzeit des stärker beanspruchten Kerns, der erfindungsgemäß eine höhere Erweichungsbeständigkeit besitzt, infolge geringerer thermischer Beanspruchung erhöht werden.
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Für den Kern kommen insbesondere Kupferwerkstoffe mit Erweichungstemperaturen in einem Bereich von 400°C bis 650°C zum Einsatz. Der Werkstoff ist insbesondere eine aushärtbare Kupferlegierung. In Frage kommen insbesondere Werkstoffe aus folgender Gruppe von Werkstoffen: CuZr, CuCrZr, CuNiSi, CuCoBe, CuCoNiBe, CuNiBe. Werkstoffe dieser Gruppe besitzen elektrische Leitfähigkeiten von 42 bis 90% IACS und Zugfestigkeiten in einem Bereich von 300 bis 1000 MPa. Eine Erweichungstemperatur von ca. 400°C stellt sich beispielsweise bei den Werkstoffen CuZr, CuCrZr bei intensiver Kaltumformung von 60% ein. Temperaturen von 650°C können bei geringer Kaltumformung von zirka 10% bei den Werkstoffen CuCoBe, CuCoNiBe und CuNiBe erreicht werden.
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Die elektrische Leitfähigkeit des Gesamtsystems aus Mantel und Kern ist vergleichsweise hoch. Die höhere Gesamtleitfähigkeit der Verbundelektrodenkappe ermöglicht eine Reduzierung des Schweißstroms. Dadurch können die Verbrauchskosten beim Schweißen gesenkt werden. Umgekehrt kann, bedingt durch die höhere Gesamtleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Elektrodenkappe, die Schweißzeit bei erhöhtem Schweißstrom reduziert werden. Das reduziert zwar nicht die Verbrauchskosten, führt aber zu geringeren Taktzeiten und kann auf diese Weise die Produktionskosten reduzieren.
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Maßgeblich ist die deutlich verbesserte Standzeit, was auf die Kombination eines Werkstoffes mit hoher Erweichungsbeständigkeit im Kern der Elektrodenkappe in Verbindung mit einem Werkstoff geringerer Erweichungsbeständigkeit im Mantel zurückzuführen ist. Gerade bei höheren Temperaturen, wie sie bei Schweißelektroden auftreten, kommt es zu Verschleiß durch mechanische Belastung und Elektro-Erosion. Beim Widerstandspunktschweißen wird jedoch eine möglichst geringe Verformung der Elektrode, mithin eine hohe Erweichungsbeständigkeit, gewünscht. Maßgeblich hierbei ist, dass sich der Kern, das heißt, derjenige Bereich, der vollständig innerhalb des Arbeitsdurchmessers der Elektrodenkappe liegt, möglichst wenig verformt. Der Mantel hat hingegen die Aufgabe, den Kern zu stützen und kann eine geringere Erweichungstemperatur besitzen. Ihm kommt die Aufgabe zu, Wärme vom Kern abzuleiten. Die Wärmeleitfähigkeit steht im proportionalen Zusammenhang zur Temperatur und zur elektrischen Leitfähigkeit. Die Proportionalitätskonstante ist die sogenannte Lorenz-Zahl. Das heißt, dass Werkstoffe mit höherer elektrischer Leitfähigkeit eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen.
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Neben den aushärtbaren und den genannten Kupferlegierungen mit hoher Erweichungsbeständigkeit können für den Kern auch oxiddispersionsverfestigte Kupferlegierungen zum Einsatz kommen. Diese sogenannten ODS-Werkstoffe besitzen Erweichungstemperaturen im Bereich von 700°C bis 900°C. Bei Dispersoiden mit 0,5 Vol.-% bis 1,5 Vol.-% Anteil und intensiver Kaltumformung ergeben sich Erweichungstemperaturen von ca. 700°C. Mit höherem Anteil der Dispersoide mit 2,5 Vol.-% bis 3,5 Vol.-% Anteil und bei geringerem Anteil der Kaltumformung steigt die Erweichungstemperatur auf ca. 900°C. ODS-Werkstoffe besitzen elektrische Leitfähigkeiten in einem Bereich von 60 bis 88% IACS. Sie besitzen Zugfestigkeiten zwischen 350 und 700 MPa. Aus den vorgenannten Werkstoffgruppen besitzen ODS-Werkstoffe die höchsten Erweichungstemperaturen. Sie können daher mit Werkstoffen im Bereich des Mantels kombiniert werden, die aus sauerstofffreien, sauerstoffhaltigen oder phosphoroxidierten Kupferwerkstoffen bestehen, mithin mit niedriglegierten Kupferwerkstoffen, die als solche eine hohe elektrische Leitfähigkeit und mithin auch thermische Leitfähigkeit besitzen. Es können Ag-legierte Kupferwerkstoffe, wie zum Beispiel CuAg0,1 mit 96% IACS in Frage kommen, aber auch die vorstehend für den Werkstoff des Kern genannten aushärtbaren Kupferwerkstoffe mit hoher Warmfestigkeit, nämlich CuCr1, CuZr, CuCrZr, CuCr1Zr, CuCoBe, CuCoNiBe oder CuNiSi.
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Der gegenständliche Teil der Erfindung wird durch eine Elektrodenkappe gelöst, welche einen Kern aus einem ersten Kupferwerkstoff und einen Mantel aus einem zweiten Kupferwerkstoff besitzt, wobei die Erweichungsbeständigkeit des Kerns größer ist als die des Mantels und wobei der Kern einen Durchmesser besitzt, der dem 1- bis 1,33-fachen des Arbeitsdurchmessers der Elektrodenkappe entspricht. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die vom Arbeitsdurchmesser begrenzte Kontaktfläche innerhalb des Oberflächenbereichs des Kerns befindet.
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Bei Elektrodenkappen handelt es sich im Wesentlichen um zylindrische Bauteile, deren Spitze unterschiedlich ausgestaltet sein kann, zum Beispiel gerundet ist. Elektrodenkappen werden im Hinblick auf ihre Kontaktflächen in Typen A-F eingeteilt. Die Kontaktfläche kann (A, E) ballig, (B) kegelig, (C) eben, (D) geneigt oder (F) kugelig sein. Alle erfindungsgemäßen Elektrodenkappen haben gemeinsam, dass der Mantel den radialen Umfangsbereich des Kerns vollständig umschließt, wobei der Kern nicht kleiner ist als der Arbeitsdurchmesser der Elektrode. Der Kern bzw. der Arbeitsdurchmesser ist derjenige Bereich, der am höchsten mechanischen aber auch elektro-erosiven Beanspruchungen unterliegt. Hier treten hohe Temperaturen auf. Mithin handelt es sich bei dem Werkstoff für den Kern um einen erweichungsbeständigen Kupferwerkstoff, zumindest um einen, dessen Erweichungsbeständigkeit höher ist als die des Mantels. Der Mantel wird gerade bei balligen, kegeligen oder kugeligen Formen der Elektrodenkappe weniger stark mechanisch belastet. Er kann aus einem kostengünstigeren Werkstoff bestehen. Die Erfindung berücksichtigt, dass es bei zunehmendem Verschleiß im Bereich der Elektrodenkappe zu einer Abplattung im Stirnbereich der Elektrodenkappe kommt, so dass sich die Kontaktfläche gegenüber dem nominalen Arbeitsdurchmesser vergrößert. Damit der Verschleiß nicht im Bereich des weniger erweichungsbeständigen Mantels zu stark fortschreitet, ist beim Durchmesser des Kerns ein Sicherheitszuschlag von maximal einem Drittel des Arbeitsdurchmessers vorgesehen. Erst wenn dieser Bereich überschritten wird, das heißt, die Elektrodenkappe zu stark abgeplattet ist, gelangen signifikante Flächenanteile des Mantels mit den zu verschweißenden Bauteilen in Kontakt.
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Wie vorstehend erläutert erfolgt die Abfuhr der Schweißwärme im Bereich der Elektrodenkappe einerseits über den Kern und zudem maßgeblich über den Mantel. Der Kern besitzt eine höhere Erweichungstemperatur als der Mantel. Umgekehrt kann der Mantel eine höhere elektrische Leitfähigkeit als der Kern besitzen. Für den Kern kommen daher die vorstehend genannten oxiddispersionsverfestigten Kupferlegierungen oder aushärtbare Kupferlegierungen und für den Mantel insbesondere sauerstofffreie, sauerstoffhaltige oder phosphordesoxidierte Kupferwerkstoffe oder bei einem Kern aus ODS auch für den Mantel aushärtbare Kupferlegierungen in Frage.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in einer schematischen Zeichnung dargestellten Ausführung beispielhaft erläutert. Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Elektrodenkappe, die durch plastische Umformungen hergestellt worden ist. Im Längsschnitt dieser Elektrodenkappe 1 sind die Werkstofffasern zu erkennen. Die Werkstofffasern mit unterbrochener Linie gehören zum Mantel 5. Im Eckbereich der rückseitigen Aussparung 2 ist zu erkennen, wie die Fasern 3 umgelenkt werden. Die in der Bildebene oberseitige Spitze ist abgeflacht und definiert einen kreisrunden Arbeitsdurchmesser D1.
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Gegenüber dem Arbeitsdurchmesser D1 besitzt der Kern 4 der Elektrodenkappe 1 einen Durchmesser D2, der zirka 15% größer ist als der Arbeitsdurchmesser D1. Der Kern 4 besteht aus einem ersten Kupferwerkstoff, insbesondere aus einem ODS-Kupferwerkstoff. Der Kern 4 ist von einem Mantel 5 umgeben, der aus einem zweiten Kupferwerkstoff besteht. Dieser zweite Kupferwerkstoff besitzt eine niedrigere Erweichungsbeständigkeit als der Kern 4. Es kann sich hierbei um eine nicht aushärtbare Kupferlegierung handeln. Diese besitzt zudem eine höhere elektrische Leitfähigkeit als der ODS-Werkstoff des Kerns 4. Der Mantel unterliegt weniger starken mechanischen und/oder elektro-erosiven Beeinflussungen und kann daher speziell auf eine niedrigere Erweichungstemperatur hin konzipiert sein. Bei nicht aushärtbaren oder unlegierten Kupferlegierungen kommt ferner eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit zum Tragen.
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Der Mantel 5 aus aushärtbaren oder nicht aushärtbaren Kupferlegierungen in Kombination mit einem Kern 4 aus ODS-Werkstoffen oder gegebenenfalls aus aushärtbaren Kupferwerkstoffen, sofern der Mantel aus nicht aushärtbaren Kupferwerkstoffen besteht, wird vorzugsweise im Strangpressverfahren hergestellt und durch Warm- oder Kaltumformung in die gewünschte Form gepresst und gegebenenfalls spanabhebend bearbeitet. Es kann sich um sauerstofffreie oder auch sauerstoffhaltige oder phosphordesoxidierte Kupferwerkstoffe handeln, gegebenenfalls um aushärtbare Kupferwerkstoffe. Der Mantel 5 aus hochleitfähigem Kupfer und der Kern 4 aus ODS-Werkstoffen oder auch aus dem warmfesten Kupferwerkstoff CuCrZr werden vorzugsweise gemeinsam im Strangpressverfahren hergestellt und durch Warm- oder Kaltumformung in die gewünschte Form gepresst und gegebenenfalls spanabhebend bearbeitet.
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Der Mantel 5 und der Kern 4 können auch unabhängig voneinander gepresst werden und durch Walzen und/oder Ziehen mechanisch miteinander verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrodenkappe
- 2
- Aussparung
- 3
- Faser
- 4
- Kern
- 5
- Mantel
- D1
- Arbeitsdurchmesser
- D2
- Durchmesser des Kerns
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN ISO 5821:2009 [0003]
- DIN ISO 1582 [0012]
