DE102015220970A1

DE102015220970A1 - Schweißelektrode, Widerstandsschweißnietanlage, Widerstandsschweißnietsystem und Widerstandsschweißnietverfahren

Info

Publication number: DE102015220970A1
Application number: DE102015220970.9A
Authority: DE
Inventors: Lars Wiese; Chris Frohwein
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2017-04-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißelektrode zum Widerstandsschweißnieten sowie eine diese Schweißelektrode umfassende Widerstandsschweißnietanlage und ein Widerstandsschweißnietsystem, welches wiederum die erfindungsgemäße Widerstandsschweißnietanlage aufweist. Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Widerstandsschweißnietverfahren.
Die Schweißelektrode (1) umfasst einen Elektrodenschaft (10) zur Aufnahme einer Elektrodenkappe (30) und eine Elektrodenkappe (30), die mit dem Elektrodenschaft (10) mechanisch verbindbar oder verbunden ist. Zumindest in dem Abschnitt (11) des Elektrodenschaftes (10), der das geringste Flächenträgheitsmoment aufweist, weist der mindestens 70% des Volumens dieses Abschnittes (11) des Elektrodenschaftes (10) ausmachende Werkstoff einen Elastizitätsmodul von mindestens 200 kN/mm² auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißelektrode zum Widerstandsschweißnieten sowie eine diese Schweißelektrode umfassende Widerstandsschweißnietanlage und ein Widerstandsschweißnietsystem, welches wiederum die erfindungsgemäße Widerstandsschweißnietanlage aufweist. Ergänzt wird die vorliegende Erfindung durch ein Widerstandsschweißnietverfahren, welches mittels der erfindungsgemäßen Widerstandsschweißnietanlage durchgeführt wird.
Auf Basis des herkömmlichen Widerstandspunktschweißens ist das Widerstandselementeschweißen entwickelt worden, welches auch als Widerstandsschweißnieten bezeichnet wird. Dabei wird ein Fügeelement in Form eines Schweißniets üblicherweise in ein vorgefertigtes Loch eines mit einem Fügepartner zu verbindenden Bauteils eingesetzt und mit dem Fügepartner durch widerstandserwärmungsbedingte Aufschmelzung des Fügeelements sowie des Fügepartners verschweißt. Das zu befestigende Bauteil ist über das Fügeelement kraft- und/oder formschlüssig mit dem Fügepartner verbunden.
Eine Abwandlung dieses Verfahrens sieht vor, dass das Fügeelement auf oder an ein Bauteil gesetzt wird, welches sich zwischen dem Fügeelement und einem Fügepartner befindet, wobei sodann durch Einleitung elektrischen Stroms in das Fügeelement und elektrischer Kontaktierung des Fügeelements mit dem zu befestigenden Bauteil dieses widerstandsbedingt erwärmt wird, sodass es im Kontaktierungsbereich in einen breiigen oder zumindest festigkeitsgeminderten Zustand überführt wird. Durch Einleitung einer axialen Kraft auf das Fügeelement kann dieses den festigkeitsgeminderten Bereich des zu befestigenden Bauteils durchstoßen, sodass es auf die Oberfläche des Fügepartners gelangt und mit diesem ebenfalls durch widerstandserwärmungsbedingte Aufschmelzung des Materials verschweißt wird.
Die dafür genutzten Schweißelektrode ist üblicherweise dreiteilig aufgebaut, wobei sie neben einem Elektrodenschaft zum mechanischen Anschluss der Schweißelektrode an eine Schweißanlage ein Verbindungselement mit Versteifungsrippen sowie eine mit diesem Verbindungselement verbundene Elektrodenkappe aufweist, die die eigentliche elektrische Kontaktierung des jeweiligen Bauteils vornimmt. Alle drei genannten Teile bestehen aufgrund der benötigten elektrischen Leitfähigkeit aus einer Kupferlegierung. Dafür hat sich insbesondere der Standard-Kupferwerkstoff CuCr1Zr etabliert, der insbesondere für Zwecke der Karosseriefertigung üblicherweise einen Schaft-Durchmesser von 16 mm aufweist, um prozesssicher die benötigten, auf die Schweißelektrode wirkenden Kräfte übertragen zu können.
Um dabei der Schweißelektrode die benötigte Biege- und/oder Knickfestigkeit zu verleihen, umfasst die herkömmliche Schweißelektrode Rippen zur Erhöhung ihrer Steifigkeit. Derartige Rippen bedingen jedoch einen höheren Fertigungsaufwand sowie ein relativ großes zur Durchführung des Schweißprozesses zur Verfügung zu stellendes Volumen. Des Weiteren ist die herkömmliche Schweißelektrode aufgrund des dreiteiligen Aufbaus in der Fertigung ihrer Einzelkomponenten sowie in deren Montage aufwendig.
Zur Behebung dieses Problems sind bereits zweiteilige Schweißelektroden für das Widerstandspunktschweißen entwickelt wurden, wie z. B. in der DE 28 39 472 A1 offenbart ist. Hierbei handelt es sich um eine thermisch hoch belastete Elektrode, die mittels eines internen Kühlmittelflusses kühlbar ist. Die Schweißelektrode kann dabei in einer Ausführungsform mit einem Elektrodenschaft und einer daran befestigten Elektrodenkappe ausgestattet sein.
Eine ähnliche Ausgestaltung zeigt die DE 198 15 041 C1 , wobei diese Schweißelektrode ebenfalls für das Widerstandspunktschweißen ausgestaltet ist und in der Lage ist, mittels Ultraschalleindringung die Schweißverbindungen vor Ort zu prüfen. Auch die in diesem Dokument offenbarte Schweißelektrode umfasst einen Elektrodenschaft und eine daran angeordnete Elektronenkappe. Der Elektrodenschaft dient zur Aufnahme in einer Werkzeug-Halteeinrichtung einer Schweißmaschine, und die Elektrodenkappe dient zur zur elektrischen Kontaktierung des Werkstücks.
Eine weitere Elektrode zum Widerstandsschweißen, insbesondere zum Punktschweißen, ist durch die die DE 10 2013 216 167 A1 offenbart, die eine Halteeinrichtung zum Halten einer Elektrodenkappe aufweist. Diese Schweißelektrode ist dreiteilig aufgebaut, wobei sie einen Elektrodenschaft, einen daran angeordneten Halteabschnitt und eine wiederum daran angeordnete Elektrodenkappe umfasst. Der Elektrodenschaft ist derart ausgestaltet, dass er in einfacher Weise mittels eines Außengewindes in eine entsprechende Aufnahme einer Schweißmaschine eingesetzt werden kann. Ebenso ist der Halteabschnitt über ein Außengewinde in ein entsprechendes Innengewinde im Elektrodenschaft einschraubbar und derart an diesem fixierbar.
Insgesamt weisen die bekannten Schweißelektroden zur Durchführung des Widerstandspunktschweißens oder auch des Widerstandsschweißnietens einen relativ großen Durchmesser oder Versteifungselemente, wie zum z. B. Versteifungsrippen, auf, die ebenfalls eine relativ große seitliche Erstreckung der jeweiligen Schweißelektrode ausbilden. Die Nutzung derartiger Schweißelektroden erfordert einen relativ großen, zur Durchführung des Schweißverfahrens zur Verfügung stehenden Raum bzw. bewirkt eine relativ große Gefahr der Kollision der Schweißelektrode mit in der Nähe befindlichen Bauteilen oder Werkzeugen. Zudem ist ein beim Widerstandsschweißnieten zur Positionierung des Fügeelements benötigtes Positioniersystem, in welchem das Fügeelement vor dem Schweißvorgang gehalten und positioniert wird, ebenfalls entsprechend großvolumig auszugestalten. Auch hierdurch wird die Kollisionsgefahr mit angrenzenden Bauteilen bzw. Werkzeugen () erhöht bzw. die Flexibilität hinsichtlich der Position der Schweißungen insbesondere an schwerer zugänglichen Bereichen stark eingeschränkt. Weiterhin sind bedingt durch die relativ große seitliche Ausdehnung der Fügeelemente und des Positioniersystems relativ große Fügeflanschlängen erforderlich, um die Schweißungen mit den gewünschten bzw. benötigten Festigkeitseigenschaften durchführen zu können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schweißelektrode sowie eine diese Schweißelektrode integrierende Widerstandsschweißnietanlage und ein Widerstandsschweißnietsystem sowie ein damit umsetzbares Widerstandsschweißnietverfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen in hoher Fertigungsflexibilität in einfacher und kostengünstiger Weise zeitlich effizient Widerstandsschweißnietverbindungen hoher Qualität realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schweißelektrode nach Anspruch 1, durch die erfindungsgemäße Widerstandsschweißnietanlage nach Anspruch 7, durch das erfindungsgemäße Widerstandsschweißnietsystem nach Anspruch 8 sowie durch das erfindungsgemäße Widerstandsschweißnietverfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Schweißelektrode sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 abgegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Widerstandsschweißnietverfahrens ist im Unteranspruch 10 abgegeben.
Die erfindungsgemäße Schweißelektrode dient insbesondere zum Widerstandsschweißnieten und umfasst einen Elektrodenschaft zur Aufnahme einer Elektrodenkappe sowie die Elektrodenkappe selbst, die mit dem Elektrodenschaft mechanisch verbindbar oder verbunden ist. Zumindest der Abschnitt des Elektrodenschafts, der das geringste Flächenträgheitsmoment bzw. den geringsten Querschnitt aufweist, der Werkstoff, der mindestens 70 % des Volumens dieses Abschnittes ausmacht, einen Elastizitätsmodul von mindestens 200 kN/mm² aufweist. Der Elektrodenschaft dient dabei zur mechanischen Befestigung der Schweißelektrode an einer Schweißmaschine zwecks Einleitung einer Kraft in ein Fügeelement über die Schweißelektrode bzw. Einleitung eines elektrischen Stroms in die Schweißelektrode zur Durchführung des Schweißvorgangs. Die Elektrodenkappe dient dabei der Weiterleitung der in den Elektrodenschaft eingeleiteten Kraft bzw. des in den Elektrodenschaft eingeleiteten elektrischen Stroms in das Fügeelement. Vorzugsweise ist die Elektrodenkappe mit dem Elektrodenschaft mechanisch fest verbindbar bzw. verbunden. Die Elektrodenkappe ist als Verschleißteil ausgestaltet und kann in einfacher Weise ausgetauscht werden.
Der Abschnitt des Elektrodenschafts, der das geringste Flächenträgheitsmoment bzw. den geringsten Querschnitt aufweist, kann insbesondere der sogenannte Flaschenhals des Elektrodenschafts sein, also ein Abschnitt des Elektrodenschafts, der gegenüber dem restlichen Bestandteil des Elektrodenschafts, der auch als Elektrodenschaft-Korpus bezeichnet wird und der zur Aufnahme an oder in einer Schweißmaschine dient, einen geringeren Querschnitt aufweist. Dieser Flaschenhals kann zum Beispiel ein Viertel oder die Hälfte der Länge des gesamten Elektrodenschafts aufweisen. Das Flächenträgheitsmoment ist dabei quer zur Längserstreckungsrichtung des Elektrodenschafts zu messen bzw. anhand von Daten zu berechnen, die quer zur Längserstreckungsrichtung des Elektrodenschafts zu messen sind.
In bevorzugter Weise umfasst jedoch nicht nur der sogenannte Flaschenhals den Werkstoff, der ein Elastizitätsmodul von mindestens 200 kN/mm² aufweist, sondern auch der Elektrodenschaft-Korpus sowie der Übergang zwischen dem Flaschenhals und dem Elektrodenschaft-Korpus und somit der gesamten Elektrodenschaft. Diese Eigenschaft kann dadurch ergänzt sein, dass der gesamte Werkstoff des Elektrodenschafts und insbesondere des Abschnittes mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment bzw. geringsten Querschnitt einen Elastizitätsmodul von mindestens 200 kN/mm² aufweist.
Für eine optimale Biege- und/oder Knickfestigkeit des Elektrodenschafts ist vorgesehen, dass der mindestens 70 % des Volumens des betreffenden Abschnitts des Elektrodenschafts ausmachende Werkstoff einen Elastizitätsmodul von 250 kN/mm² bis 300 kN/mm² aufweist. Insbesondere bei Fertigung der Elektrodenkappe aus einer Kupferlegierung weist der Werkstoff des gesamten Elektrodenschafts einen höheren Elastizitätsmodul auf als der Werkstoff, aus dem die Elektrodenkappe hergestellt ist.
Die Verwendung dieses, den genannten Elastizitätsmodul aufweisenden Werkstoffs ermöglicht es, den Querschnitt des Elektrodenschafts gering zu dimensionieren, sodass der Volumenbedarf der Schweißelektrode senkrecht zur Längsachse des Elektrodenschafts insbesondere im Bereich der Positionierung der Elektrodenkappe und demzufolge an der Schweißposition gering ist. Zudem ermöglicht die Erfindung, ein Setz- bzw. Positionierungssystem, welches insbesondere durch eine positionierbare Buchse ausgeführt ist, in der das Fügeelement vor dem Anschweißen an der Schweißstelle positionierbar ist, kompakt und raumsparend auszugestalten, sodass hier zu eine geringe Kollisionsgefahr bzw. auch zu eine bessere Zugängigkeit des Positionierungssystems an den Schweißstellen vorliegt. Demzufolge wird auch die Flexibilität in der Durchführung der Schweißvorgänge erhöht. Dadurch, dass zwecks sicherer Einleitung der benötigten Kräfte in den Elektrodenschaft dieser in nur geringfügiger Weise kleiner zu dimensionieren ist als der Durchmesser des Kopfes des zu fügenden Fügeelements, lässt sich auch die seitliche Ausdehnung des Fügeelements entsprechend verringern.
Zur Gewährleistung der notwendigen Steifigkeit der Schweißelektrode sind keine Versteifungsrippen notwendig, sodass sich die erfindungsgemäße Schweißelektrode mit geringen Fertigungskosten herstellen lässt. Dasselbe betrifft die Buchse des Positionierungs- bzw. Setzkopfsystems, welches ebenfalls einfach und klein ausführbar ist. Gegebenenfalls sind einzelne Elemente des herkömmlichen Setzkopfsystems nicht mehr erforderlich. Durch den zweiteiligen Aufbau der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ist ein geringer Fertigungsaufwand zu deren Herstellung zu betreiben.
Zudem ermöglicht der nunmehr nur noch benötigte, verringerte Bauraum die Schweißung von Materialien mit verringerter Fügeflanschlänge, welches sich wiederum positiv auf den dabei anfallenden Materialbedarf bei den überlappenden Bauteilen sowie letztendlich im Gewicht des herzustellenden Schweißverbundes niederschlägt. Dies spielt insbesondere bei der Karosseriefertigung zwecks Produktion leichter und energieeffizienter Fahrzeuge eine große Rolle.
Mit der erfindungsgemäßen Schweißelektrode lässt sich ein einfacher einstufiger Fertigungsprozess durchführen, bei dem das Ansetzen bzw. Hindurchdrücken des Fügeelements an bzw. durch ein zu befestigendes Bauteil sowie der anschließende Schweißprozess lediglich durch die Schweißelektrode bewerkstelligt wird und kein weiteres, kraftausübendes Element benötigt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ist vorgesehen, dass der Werkstoff zumindest des Bereiches des Elektrodenschafts mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment eine Legierung mit einem Massenanteil an Wolfram von mindestens 5 %, insbesondere mindestens 30 %, ist. Um Schweißelektroden mit einer hohen Langlebigkeit zur Verfügung zu stellen, sollte der Wolframanteil über 70 % betragen. Vorzugsweise sollte der gesamte Elektrodenschaft aus einer derartigen Legierung hergestellt sein. Der Masseanteil von Kupfer in der Legierung sollte möglichst 30 % nicht übersteigen. Insbesondere bietet sich zur Herstellung des gesamten Elektrodenschafts eine Wolfram-Kupfer-Legierung an, die einen Anteil an Wolfram von 75 % und einen Anteil an Kupfer von 25 % aufweist. Diese Legierung weist einen Elastizitätsmodul von 240 kN/mm² auf, der damit somit wesentlich höher ist als der Elastizitätsmodul des herkömmlichen, für einen Elektrodenschaft eingesetzten Werkstoffes CuCr1Zr. Insbesondere diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ermöglicht es, über einen langen Zeitraum die erforderlichen Elektrodenkräfte zu realisieren und so den einstufigen Prozess auszuführen zu können.
Die Elektrodenkappe ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Kupferlegierung, wie zum Beispiel aus CuCr1Zr, hergestellt. Das bedeutet, dass das vorzugsweise verwendete Wolfram als Werkstoffkomponente nicht in der gesamten Schweißelektrode eingesetzt wird, sondern lediglich als Bestandteil des Elektrodenschafts, der die Elektrodenkappe aus dem genannten Kupferwerkstoff aufnimmt. Der Elektrodenschaft ist dabei nicht als Verschleißteil ausgestaltet, sondern lediglich die Elektrodenkappe. Das heißt, dass bei fertigungsbedingtem Verschleiß lediglich die Elektrodenkappe zu ersetzen ist, sodass dadurch über die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Schweißelektrode ein Kostenvorteil generiert wird.
Der Werkstoff zumindest des Bereiches des Elektrodenschafts mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment und/oder das Material der Elektrodenkappe sollten eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 15 × 10⁶ A/(V × m) aufweisen. Diese Ausgestaltung gewährt, dass über den Elektrodenschaft und die Elektrodenkappe energieeffizient der elektrische Strom von dem Elektrodenschaft und der Elektrodenkappe in das Fügeelement eintragbar ist, um den Schweißvorgang zu realisieren.
Abweichend von dieser Ausgestaltungsform kann jedoch das Material des Elektrodenschafts auch nicht oder auch nur geringfügig leitfähig sein, wobei in dieser Ausführungsform an der Elektrodenkappe ein elektrischer Kontakt oder eine Strombrücke angeordnet ist, über die der Elektrodenkappe von einem elektrischen Anschluss der elektrische Strom zugeleitet werden kann. In dieser Ausgestaltung dient der Elektrodenschaft lediglich als mechanische Basis für die Elektrodenkappe und nicht als stromleitendes Element. Entsprechend kann der Elektrodenschaft, insbesondere an seinem Abschnitt mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment, auch ein anderes, kostengünstiges Material aufweisen, welches den Elastizitätsmodul von mindestens 200 kN/mm² hat.
Zwecks Kühlung des Elektrodenschafts bzw. der gesamten Schweißelektrode kann der Elektrodenschaft eine Durchgangsbohrung oder eine Sackbohrung aufweisen, durch die Kühlmittel hindurchströmen kann bzw. in die Kühlmittel eingeführt werden kann. Insofern der Elektrodenschaft einen auch Flaschenhals genannten Abschnitt mit verringertem Querschnitt aufweist, ist vorgesehen, dass sich die jeweilige Bohrung bis in diesen Bereich hinein erstreckt. Es sind derart zwei unterschiedliche Kühlungsarten realisierbar, nämlich zum einen die sogenannte nasse Variante, bei der der Elektrodenschaft eine Durchgangsbohrung aufweist, die vorzugsweise in einem Innenkonus am Elektrodenschaft mündet. In diesem Innenkonus am Elektrodenschaft lässt sich eine mit einem entsprechend ausgeführten Außenkonus versehene Elektrodenkappe aufnehmen, die somit ebenfalls durch das Kühlmittel in der Bohrung kühlbar ist. Eine zweite Kühlungsalternative wird als sogenannte trockene Variante bezeichnet, wobei hier die Bohrung als Sackbohrung ausgeführt ist, die in einem relativ kurzen Abstand vor dem elektrodenkappeseitigen Ende des Elektrodenschafts endet. In dieser Ausführungsform ist bevorzugt an dem elektrodenkappenseitigen Ende ein Außenkonus am Elektrodenschaft vorgesehen, der in einen Innenkonus einer dazu komplementär ausgestalteten Elektrodenkappe einsteckbar ist. Der Vorteil der Bohrungen besteht insbesondere darin, dass durch die dadurch realisierbare Kühlung die thermische Belastung der Schweißelektrode verringerbar ist, sodass diese über eine längere Lebensdauer zuverlässig nutzbar ist.
Das bedeutet, dass der Elektrodenschaft an seinem der an ihm aufzunehmenden Elektrodenkappe zugewandten Ende einen Elektrodenschaft-Außenkonus oder einen Elektrodenschaft-Innenkonus aufweisen kann und die Elektrodenkappe an ihrem dem Elektrodenschaft zugewandten Ende einen Elektrodenkappen-Innenkonus oder einen Elektrodenkappen-Außenkonus aufweisen kann, wobei die Konusse des Elektrodenschafts und der Elektrodenkappe hinsichtlich Form und Größe komplementär ausgestaltet sind. Die Konusse realisieren bei axialer Belastung der Schweißelektrode eine feste Verbindung zwischen dem Elektrodenschaft und der Elektrodenkappe mit einer hohen Flächenpressung zwecks Realisierung einer elektrischen Verbindung mit geringem Übergangswiderstand. Die Elektrodenkappe kann dabei auf den Elektrodenschaft bzw. auf dessen Aufnahmebereich aufgeschlagen oder aufgepresst sein.
Weiterhin kann in der Ausgestaltungsform der Schweißelektrode mit der Kühlmittelbohrung vorgesehen sein, dass in dieser Bohrung ein Kühlröhrchen verläuft, in welchem das Kühlmittel zuverlässig bis zu einem tiefen Abschnitt der Kühlmittelbohrung transportiert werden kann. Dieses Kühlröhrchen lässt sich strömungstechnisch mit einer Kühlmittel-Versorgungseinheit der Schweißmaschine verbinden.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird weiterhin eine Widerstandsschweißnietanlage zur Verfügung gestellt, welche wenigstens eine erfindungsgemäße Schweißelektrode aufweist. Diese Widerstandsschweißnietanlage umfasst vorzugsweise weiterhin ein Positioniersystem zur Positionierung eines bzw. mehrerer Fügeelemente. Dabei sollten die Durchmesserverhältnisse zwischen der Buchse des Positioniersystems und des Elektrodenschafts bzw. der Elektrodenkappe derart gestaltet sein, dass ein sicheres und kollisionsfreies Einfahren der Elektrode in die Buchse zwecks Bewegung des Fügeelements möglich ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Widerstandsschweißnietsystem, welches eine erfindungsgemäße Widerstandsschweißnietanlage sowie mehrere an ein Bauelement anzuschweißende Fügeelemente umfasst, die jeweils einen Fügeelement-Schaft aufweisen, wobei der Durchmesser zumindest des Bereiches des Elektrodenschafts mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment Ds zum Durchmesser des Fügeelement-Schafts Df im folgenden Verhältnis steht: Ds/Df < 2.
Auch der Kopf des Fügeelements sollte etwas größer dimensioniert sein als der Durchmesser des Elektrodenschafts und auch als der Durchmesser der Elektrodenkappe. Der Durchmesser zumindest des Bereiches des Elektrodenschafts mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment Ds sollte zum Durchmesser des Fügeelement-Kopfes Df, auf den die von der Schweißelektrode aufgebrachte Kraft Fs wirkt, ein Verhältnis von Ds/Dk < 2,2 aufweisen.
Die Fügeelemente werden dabei von der Schweißelektrode mit einer Kraft sowie mit einem elektrischen Strom beaufschlagt. Vorzugsweise sind die Fügeelemente in einem Magazin vorgehalten. Das gesamte Widerstandsschweißnietsystem ist derart ausgestaltet, dass es an gängige Widerstandspunktschweißzangen adaptiert werden kann, wie z. B. an eine konventionelle C- oder X-Bügelschweißzange, die für herkömmliche Punktschweißungen eingesetzt wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird außerdem ein Widerstandsschweißnietverfahren zur mechanischen Verbindung von mindestens zwei mittels eines Fügeelementes miteinander zu verbindenden Bauelementen zur Verfügung gestellt, wobei eine erfindungsgemäße Widerstandsschweißnietanlage sowie das Fügeelement und die zu verbindenden Bauelemente zur Verfügung gestellt werden, wobei das Fügeelement mittels einer von der Schweißelektrode der Widerstandsschweißnietanlage auf das Fügeelement aufgebrachten Kraft durch ein erstes Bauelement hindurchgedrückt wird und in das Fügeelement bei dessen Kontaktierung mit einem zweiten Bauelement mittels der Schweißelektrode ein elektrischer Strom eingeleitet wird. Das Fügeelement kann auch als Schweißniet bezeichnet werden.
Das bedeutet, dass hier die Kraft auf das mittels des Widerstandschweißnietverfahrens zu fügende Fügeelement in den Elektrodenschaft eingeleitet wird, von diesem auf die Elektrodenkappe übertragen wird und von dieser wiederum auf das Fügeelement übertragen wird. Gegebenenfalls kann von der Schweißelektrode auch eine entsprechend hohe Geschwindigkeit realisiert werden, die einen ausreichend hohen Impuls auf das Fügeelement bewirkt, sodass dieses das erste Bauelement durchdringt.
Der elektrische Strom wird ebenfalls in den Elektrodenschaft eingeleitet, von diesem in die Elektrodenkappe übertragen und von der Elektrodenkappe wiederum auf das Fügeelement übertragen. Dabei ist jedoch auch eine alternative Verfahrensweise nicht ausgeschlossen, bei der der elektrische Strom unter Umgehung des Elektrodenschafts direkt in die Elektrodenkappe eingeleitet wird und von dieser in das Fügeelement eingeleitet wird.
Das Fügeelement kann dabei unter Verdrängung oder Scherung des Materials des ersten Bauelementes durch dieses hindurchgedrückt werden oder aber in ein vorgefertigtes Loch bzw. eine vorgefertigte Bohrung im ersten Bauelement gedrückt werden.
Insgesamt wird dadurch ein einstufiger Vorgang ermöglicht, bei dem lediglich die Elektrode genutzt wird, um das Fügeelement zu bewegen, es durch wenigstens eine Materialschicht hindurchzuführen und dann mit einer dahinter befindlichen Materialschicht bzw. dem eigentlichen Fügepartner zu verschweißen. Dadurch lassen sich die geforderten Toleranzen einhalten, sogar wenn relativ große Fertigungstoleranzen aufgrund des Einsatzes eines Schweißroboters bestehen. Es ist eine nur geringe Fügeflanschlänge erforderlich, sodass das Verfahren mit einem geringen Materialaufwand die Herstellung von Schweißgruppen ermöglicht, welche ein im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Schweißgruppen verringertes Gewicht aufweisen.
Das genannte Widerstandsschweißnietverfahren kann zum einen derart ausgeführt werden, dass beim Hindurchdrücken des Fügeelements durch das erste Bauelement ein elektrischer Stromfluss über das Fügeelement in das erste Bauelement eingeleitet wird, sodass sich zumindest in der Zone der elektrischen Kontaktierung des ersten Bauelements dieses widerstandsbedingt erwärmt und dadurch bedingt die Scherfestigkeit und/oder die Druckfestigkeit des Materials des ersten Bauteils zumindest in der Zone der elektrischen Kontaktierung gemindert wird, sodass das Fügeelement mit relativ geringem Kraftaufwand durch das erste Bauelement hindurchgedrückt werden kann.
Das heißt, dass zunächst ein elektrischer Kontakt zwischen dem Fügeelement und dem ersten Bauelement, welches sich vor dem Schweißvorgang zwischen dem Fügeelement und dem eigentlichen Fügepartner befindet, hergestellt wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Fügeelement durch das erste Bauelement ohne dessen strombedingte Erwärmung durch dieses hindurchgedrückt.
Das bedeutet, dass diese Verfahrensalternative im Wesentlichen unter Beibehaltung der Ausgangs-Scherfestigkeit und/oder der Ausgangs-Druckfestigkeit des Materials des ersten Bauelements im Bereich des Durchdringens des ersten Bauelements durchgeführt wird, wobei das Fügeelement in das hinsichtlich seiner Festigkeit im Wesentlichen nicht veränderte Material und unter Beaufschlagung mit einer entsprechend hohen Kraft hindurchgeführt wird. In dieser Ausführungsform ist das Fügeelement vorzugsweise ein sogenanntes selbststanzendes Fügeelement, wobei insbesondere mit diesem selbststanzenden Fügeelement mehr als zwei einander überlappenden Bauteile, wie z. B. drei Lagen relativ dünnwandiger Bauteile, mechanisch miteinander verbunden werden können. Die Schweißung erfolgt dabei zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil, welches im Schichtaufbau des Bauteilverbundes auf der dem Fügeelement abgewandten Seite angeordnet ist, sodass die anderen Bauteile form- und/oder kraftschlüssig von dem Fügeelement fixiert werden. Auf diese Weise können z. B. Aluminiumbleche, Magnesiumbleche, CFK-Flachmaterialien, Kunststoff-Flachmaterialien und ähnliche Werkstoffe in beliebiger Kombination mit einem Stahlblech, wie z. B. auch mit einem pressgehärteten Stahlblech, zu einem Bauteilverbund gefügt werden. Ermöglicht wird dieser Vorgang insbesondere durch die hohe Biege- und/oder Knickfestigkeit der Schweißelektrode, die durch den hohen Elastizitätsmodul des Werkstoffes gewährleistet ist.
Insbesondere in der letztgenannten Verfahrensalternative ist es nicht zwingend notwendig, dass das Material des Bauteils, welches vor dem Durchdringen des Fügeelements als Erstes von dem Fügeelement kontaktiert wird, ein elektrisch leitfähiges Material ist, sondern es kann stattdessen auch ein elektrisch nicht-leitfähiges Material verwendet werden, welches lediglich kraft- und/oder formschlüssig von dem Fügeelement fixiert wird.
Das erfindungsgemäße Schweißnietverfahren lässt sich somit flexibel mit unterschiedlichsten Bauteilgeometrien und verringertem Fertigungsraumbedarf durchführen. Des Weiteren ist es aufgrund des geringen Raumbedarfs flexibler einsetzbar als herkömmliche Verfahren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen
1: in den Teildarstellungen a) und b) einen Elektrodenschaft einer ersten Ausführungsform
2: in den Teildarstellungen a) und b) einen Elektrodenschaft einer zweiten Ausführungsform
3: eine Elektrodenkappe in einer ersten Ausführungsform in Schnittdarstellung
4: eine Elektrodenkappte in den Teildarstellungen a) und b) einer zweiten Ausführungsform
5: eine Elektrodenkappe einer dritten Ausführungsform in Schnittdarstellung
6: einen Abschnitt eines Elektrodenschafts mit daran angeordneter Elektrodenkappe in Schnittdarstellung
7: ein Fügeelement in Ansicht von der Seite.
Zunächst wird der Elektrodenschaft einer erfindungsgemäßen Schweißelektrode anhand der 1 und 2 beschrieben. Die 1 und 2 zeigen dabei in der jeweiligen Teildarstellung a) den Elektrodenschaft 10 in Ansicht von der Seite und in der Teildarstellung b) den jeweiligen Elektrodenschaft 10 in Schnittdarstellung. Die jeweiligen Teildarstellungen b) der 1 und 2 zeigen dabei Schnittansichten entlang der in den jeweiligen Teildarstellungen a) dargestellten Schnittverläufe A-A.
Es ist ersichtlich, dass in beiden 1 und 2 der Elektrodenschaft 10 einen Abschnitt mit verringertem Durchmesser und demzufolge einen Abschnitt mit geringstem Flächenträgheitsmoment 11 aufweist, an den sich über einen durch einen Konus ausgestalteten Absatz 20 der Elektrodenschaft-Korpus 12 anschließt. Dieser Elektrodenschaft-Korpus 12 weist Schlüsselflächen 19 auf, die zum Ansatz eines Schraubenschlüssels ausgestaltet sind, sodass der Elektrodenschaft 10 bzw. die gesamte Schweißelektrode mittels des am Elektrodenschaft-Korpus 12 angeordneten Außengewindes 18 in ein entsprechendes Innengewinde einer Schweißelektrode-Halterung einer Schweißmaschine eingeschraubt werden kann.
Der Elektrodenschaft 10 ist derart konstruiert, dass dieser eine Stempelunktion ausführen kann, um ein entsprechendes Fügeelement durch ein Positionierungssystem sowie ein darunter befindliches Bauteil zu drücken. Des Weiteren kann dieser Elektrodenschaft 10 in einfacher Weise hier nicht dargestellte Kühlröhrchen zur Kühlung des Elektrodenschafts bzw. der gesamten Schweißelektrode aufnehmen.
An dem dem Außengewinde 18 gegenüberliegenden Ende des Elektrodenschafts 10 weist dieser einen Aufnahmebereich 21 zum Anschluss einer Elektrodenkappe auf. Der in 1 dargestellte Elektrodenschaft 10 weist eine Durchgangsbohrung 13 auf, die sich vom Bereich, der mit dem Außengewinde 18 versehen ist, bis in den Aufnahmebereich 21 erstreckt. Die Durchgangsbohrung 13 mündet dabei in einem Elektrodenschaft-Innenkonus 16, der wiederum zur Aufnahme eines entsprechenden Außenkonus einer Elektrodenkappe ausgestaltet ist.
Im Gegensatz dazu weist der Elektrodenschaft in 2 lediglich eine Sackbohrung 14 auf, die vor dem der Aufnahme einer Elektrodenkappe dienenden Aufnahmebereich 21 endet. Dieser Aufnahmebereich 21 ist mit einem Elektrodenschaft-Außenkonus 17 ausgestaltet, der in einen entsprechend ausgestalteten Innenkonus an der Elektrodenkappe einführbar ist.
In die Durchgangsbohrung 13 bzw. auch in die Sackbohrung 14 des jeweiligen Elektrodenschafts 10 ist Kühlmittel einbringbar, sodass der Elektrodenschaft 10 wie auch die daran angeordnete und in den 1 und 2 nicht dargestellt Elektrodenkappe kühlbar ist, um eine lange Lebensdauer trotz thermischer Belastung dieser Bauteile zu gewährleisten.
Es ist ersichtlich, dass zumindest im Abschnitt mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment 11 der Elektrodenschaft 10 einen geringen Elektrodenschaft-Durchmesser Ds aufweist, wobei dieser Elektrodenschaftbereich aufgrund erfindungsgemäßer Werkstoffauswahl und des dadurch bedingten hohen Elastizitätsmoduls die notwendige Biege- und/oder Knickfestigkeit aufweist, um ein Fügeelement durch ein mit einem Fügepartner zu verbindendes Bauteil hindurchzudrücken.
Beide dargestellten Elektrodenschäfte 10 können aus einem elektrisch leitfähigen oder auch aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material hergestellt sein.
In den 3 bis 5 sind unterschiedliche Ausgestaltungen der mit einem Elektrodenschaft 10 zu verbindenden Elektrodenkappen 30 dargestellt. 3 zeigt dabei eine Elektrodenkappe 30, die mit einem Elektrodenkappen-Außenkonus 32 ausgestaltet ist, der in entsprechender Weise in den Elektrodenschaft gemäß 1b) bzw. in dessen Elektrodenschaft-Innenkonus 16 einsteckbar ist.
4 zeigt in Teildarstellung a) eine weitere Elektrodenkappe 30, die in der Schnittdarstellung b) gemäß des in Teildarstellung a) dargestellten Schnittverlaufs A-A einen Elektrodenkappen-Innenkonus 31 aufweist. Dieser Elektrodenkappen-Innenkonus 31 ist entsprechend mit dem Elektrodenschaft-Außenkonus 17 gemäß 2a) verbindbar.
Eine ähnliche Ausgestaltung zeigt 5, nämlich auch hier eine Elektrodenkappe 30, die einen Elektrodenkappen-Innenkonus 31 aufweist. Im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Elektrodenkappe 30 ist jedoch die in 5 dargestellte Elektrodenkappe 30 zylinderförmig ausgestaltet, wobei die in 4 dargestellte Elektrodenkappe 30 an ihrem den Elektrodenkappen-Innenkonus 31 aufweisenden Bereich auch an der Außenseite eine Verjüngung 33 aufweist. Die Verjüngung 33 an der Elektrodenkappe 30 dient dazu, eventuell auftretende Aufstauchungen bzw. Deformationen der Elektrodenkappe 30 auszugleichen. Dadurch ist keine Beeinträchtigung der Festigkeit der Elektrodenkappe 30 zu verzeichnen.
Die in den 3 bis 5 dargestellten Elektrodenkappen 30 sind vorzugsweise als Verschleißteile ausgeführt und lassen sich aufgrund der Konus-Verbindungen schnell austauschen. Sie sind durch Walz- bzw. Schmiedeprozesse wirtschaftlich herstellbar.
Alle Elektrodenkappen 30 können aus einem Standard-Elektrodenwerkstoff, wie z. B. einer geeigneten Kupferlegierung, hergestellt werden. Darüber hinaus können der Elektrodenschaft 10 und/oder die Elektrodenkappe 3 mit einer Silberbeschichtung oder einer ähnlich leitfähigen Beschichtung versehen sein, um den Wärmeübergang zwischen der Elektrodenkappe 30 sowie dem Elektrodenschaft 10 zu erleichtern.
In 6 ist der Abschnitt der erfindungsgemäßen Schweißelektrode 1 dargestellt, in dem der Elektrodenschaft 10 über einen Elektrodenschaft-Außenkonus 17 mit einem Elektrodenkappen-Innenkonus 31 einer Elektrodenkappe 30 verbunden ist. Die Elektrodenkappe 30 kann dabei auf den Elektrodenschaft 10 aufgepresst oder aufgeschlagen sein.
7 zeigt ein vom erfindungsgemäßen Widerstandsschweißnietsystem umfasstes Fügeelement 40, welches einen Fügeelement-Kopf 41 und einen daran anschließenden Fügeelement-Schaft 42 aufweist. Der Fügeelement-Schaft 42 hat einen Fügeelementschaft-Durchmesser Df. Das Fügeelement 40 wird von der erfindungsgemäßen Schweißelektrode an dessen Fügeelement-Kopf 41 kontaktiert und mit der von der Schweißelektrode bewirkten Kraft Fs beaufschlagt, sodass es durch ein mit dem eigentlichen Fügepartner mechanisch zu verbindendes Bauteil hindurchgedrückt wird. Der Fügeelementschaft-Durchmesser Ds kann dabei in etwa genauso groß sein oder lediglich geringfügig kleiner sein als der Durchmesser Ds des Elektrodenschafts 10, insbesondere wie der in den 1a) und 2a) dargestellte Durchmesser Ds am Abschnitt mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment 11. Der Durchmesser zumindest des Bereiches des Elektrodenschafts mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment Ds sollte zum Durchmesser des Fügeelement-Kopfes Df, auf den die von der Schweißelektrode aufgebrachte Kraft Fs wirkt, ein Verhältnis von Ds/Dk < 2,2 aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Schweißelektrode
10: Elektrodenschaft
11: Abschnitt mit geringstem Flächenträgheitsmoment
12: Elektrodenschaft-Korpus
13: Durchgangsbohrung
14: Sackbohrung
15: Kühlmittel
16: Elektrodenschaft-Innenkonus
17: Elektrodenschaft-Außenkonus
Ds: Elektrodenschaft-Durchmesser
18: Außengewinde
19: Schlüsselflächen
20: Absatz
21: Aufnahmebereich
30: Elektrodenkappe
31: Elektrodenkappen-Innenkonus
32: Elektrodenkappen-Außenkonus
33: Verjüngung
40: Fügeelement
41: Fügeelement-Kopf
42: Fügeelement-Schaft
Df: Fügeelementschaft-Durchmesser
Fs: Kraft von Schweißelektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 2839472 A1 [0006]
DE 19815041 C1 [0007]
DE 102013216167 A1 [0008]

Claims

Schweißelektrode (1) zum Widerstandsschweißnieten, umfassend einen Elektrodenschaft (10) zur Aufnahme einer Elektrodenkappe (30) und eine Elektrodenkappe (30), die mit dem Elektrodenschaft (10) mechanisch verbindbar oder verbunden ist, wobei zumindest in dem Abschnitt (11) des Elektrodenschaftes (10), der das geringste Flächenträgheitsmoment aufweist, der mindestens 70% des Volumens dieses Abschnittes (11) des Elektrodenschaftes (10) ausmachende Werkstoff einen Elastizitätsmodul von mindestens 200 kN/mm² aufweist.
Schweißelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zumindest des Abschnittes (11) des Elektrodenschaftes (10) mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment eine Legierung mit einem Massenanteil an Wolfram von mindestens 5% ist.
Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Elektrodenkappe (30) eine Kupferlegierung ist.
Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zumindest des Bereiches (11) des Elektrodenschaftes (10) mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment und/ oder das Material der Elektrodenkappe (30) eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 15·10⁶ A/(V·m) aufweist.
Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenschaft (10) eine Durchgangsbohrung (13) oder eine Sackbohrung (14) aufweist zur Durchströmung des Elektrodenschaftes (10) mit Kühlmittel (15) beziehungsweise zur Einführung von Kühlmittel (15) in den Elektrodenschaft (10).
Schweißelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenschaft (10) an seinem der an ihm aufzunehmenden Elektrodenkappe (30) zugewandten Ende einen Elektrodenschaft-Außenkonus (17) oder einen Elektrodenschaft-Innenkonus (16) aufweist, und die Elektrodenkappe (30) an ihrem dem Elektrodenschaft (10) zugewandten Ende einen Elektrodenkappen-Innenkonus (31) oder einen Elektrodenkappen-Außenkonus (32) aufweist, wobei die Konusse (16, 17, 31, 32) des Elektrodenschaftes (10) und der Elektrodenkappe (30) hinsichtlich Form und Größe komplementär ausgestaltet sind.
Widerstandsschweißnietanlage, umfassend mindestens eine Schweißelektrode (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
Widerstandsschweißnietsystem, umfassend eine Widerstandsschweißnietanlage gemäß Anspruch 7 sowie mehrere an ein Bauelement anzuschweißende Fügeelemente (40), die jeweils einen Fügeelement-Schaft (42) aufweisen, wobei der Durchmesser zumindest des Abschnittes (11) des Elektrodenschaftes (10) mit dem geringsten Flächenträgheitsmoment Ds zum Durchmesser des Fügeelement-Schaftes Df in folgendem Verhältnis steht: Ds/Df < 2.
Widerstandsschweißnietverfahren zur mechanischen Verbindung von wenigstens zwei mittels mindestens eines Fügeelementes (40) miteinander zu verbindenden Bauelementen, bei dem eine Widerstandsschweißnietanlage gemäß Anspruch 7 sowie das Fügeelement (40) und die zu verbindenden Bauelemente zur Verfügung gestellt werden, das Fügeelement (40) mittels einer von der Schweißelektrode (1) der Widerstandsschweißnietanlage auf das Fügeelement (40) aufgebrachten Kraft durch ein erstes Bauelement hindurch gedrückt wird, und in das Fügeelement (40) bei dessen Kontaktierung mit einem zweiten Bauelement mittels der Schweißelektrode (1) ein elektrischer Strom eingeleitet wird.
Widerstandsschweißnietverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a) beim Hindurchdrücken des Fügeelementes (40) durch das erste Bauelement ein elektrischer Stromfluss über das Fügeelement (40) in das erste Bauelement eingeleitet wird, so dass sich zumindest in der Zone der elektrischen Kontaktierung des ersten Bauelements dieses widerstandsbedingt erwärmt und dadurch bedingt die Scherfestigkeit und/ oder die Druckfestigkeit des Materials des ersten Bauelementes zumindest in der Zone der elektrischen Kontaktierung gemindert wird, oder b) das Fügeelement (40) durch das erste Bauelement ohne durch Einleitung eines elektrischen Stroms bedingter Erwärmung durch dieses hindurch gedrückt wird.