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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Verschweißen
zweier Bauteile mittels Widerstandsschweißen. Insbesondere ist das Verfahren
für die Herstellung
von Zellverbindungen in Bleiakkumulatoren geeignet, um den Ableiter
der positiven Platten und den Ableiter der negativen Platten zweier
benachbarter Zellen einer Akkumulatorenbatterie durch eine Öffnung in
der Zellwand zu verschweißen.
Bei dem Widerstandsschweißen
handelt es sich insbesondere um das Punktschweißverfahren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden die beiden zu verschweißenden
Bauteile mit Schweißelektroden
während
der Zufuhr des Schweißstromes
lokal aufgeschmolzen und zusammengepreßt, wobei die über die
Schweißelektroden aufgebrachte
Druckkraft nach dem Abschalten des Schweißstromes erhöht wird.
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Aus der
DE 195 41 090 A1 ist ein
Verfahren zum Widerstandsschweißen
bekannt, bei dem die Schweißelektrodenbewegung
zumindest mittels einer Arbeitskolben-Zylindereinheit erfolgt, die sich beim
Zusammenbrechen von Buckeln beim Buckelschweißen aufeinander zu bewegen,
um ein schnelles Nachsetzen der Elektroden beim Aufschmelzen der
Buckel zu gewährleisten.
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Aus der japanischen Offenlegungsschrift
HEI 02-121257 ist eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Verschweißen der Verbinder in Bleiakkumulatoren
bekannt, bei der die Verbinder von beiden Seiten mittels Elektroden
eingeklemmt werden und während des
Schweißstromimpulses
mit einem höheren Pressdruck
beaufschlagt werden, solange sich das Material an der Schweißstelle
noch im geschmolzenen Zustand befindet.
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Aus der
DE 199 55 691 A1 ist ein
Verfahren bekannt, bei dem während
des Widerstandsschweißens
in einer Nachpressphase eine veränderliche Elektrodenkraft
erzeugt wird.
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Aus der
DE 31 00 677 C2 ist ein
Verfahren bekannt, bei dem eine Erhöhung des Schweißdruckes
am Ende der Schweißphase
zu einer Verhinderung von Lunker- und Rissbildung beiträgt.
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Nachteilig an den bekannten Verfahren
ist die Tatsache, dass in der Schweißstelle Schlauchporen und Spalten
(sogenannte Wormholes) auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
verbessertes Verfahren zum Verschweißen bereitzustellen, bei dem
die Entstehung von Schlauchporen und Spalten vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Wenn die über die Schweißelektroden
aufgebrachte Druckkraft nach dem Erstarren des aufgeschmolzenen
Materials erhöht
wird, können Schlauchporen
und Spalten vermieden werden, ebenso wird eine Ringverschweißung vermieden,
die sich einstellt, wenn zu Beginn des Schweißens eine zu große Druckkraft
auf die Bauteile ausgeübt
wird. Dabei ist darauf zu achten, dass die Schmelze erstarrt, jedoch
das Nachdrücken durch
die Elektroden in dem Schweißbereich
noch in einem Zeitbereich erfolgt, in dem eine reduzierte Festigkeit
gegenüber
einem vollständig
erkalteten Werkstoff vorhanden ist.
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Vorteilhafterweise werden die Bauteile
auch vor der Zufuhr des Schweißstromes über die
Schweißelektroden
zusammengepresst, um die zu verschweißenden Bauteile aneinander
zu halten. Dabei ist der Druck so zu bemessen, dass eine korrekte
Abplattung der Berührstellen
vor der Zufuhr des Schweißstromes
erfolgt, um optimale Stromdichten im Schweißbereich zu gewährleisten.
Ist der Druck zu hoch, ist die anfängliche Abplattung der Berührstellen
vor der Zufuhr des Schweißstromes
zu groß, so
dass sich eine Ringverschweißung
aufgrund der nicht mehr korrigierbaren, geringeren Stromdichten und
damit der geringeren Schweißtemperaturen
einstellt. Ist der Druck zu niedrig, bleibt die Abplattung zu gering
und die Stromdichten sind so hoch, dass die Gefahr der „Durchspritzung" gegeben ist, das
heißt, dass
die Schmelze aufgrund nicht ausreichender Flächenpressung zwischen dem Bauteil
und der Elektrode nicht im Prozessraum gehalten werden kann.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen,
dass die Druckkraft über
die Schweißelektroden
nach dem Erstarren des aufgeschmolzenen Materials, aber vor Erlangen
der vollständigen
Festigkeit mehrfach erhöht
wird, um eine optimale Schweißverbindung
zu erzielen.
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Die erste Erhöhung der Druckkraft erfolgt nach
einer verfahrensspezifischen Haltezeit, wobei die Zeitspanne für die Haltezeit
0,1 bis 1,5-mal die Zufuhrdauer des Schweißstromes beträgt. Anschließend wird
die Druckkraft über
eine Zeitdauer von 0,5 bis 1,5-mal der Zufuhrdauer des Schweißstromes
erhöht,
wobei die Erhöhung
der Druckkraft um zumindest 20%, alternativ um zumindest 33% gegenüber der
ursprünglichen
Druckkraft erhöht
wird.
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Es ist vorgesehen, dass die Druckkraft
während
der Zufuhrdauer des Schweißstromes
und nach Erhöhung
der Druckkraft auf dem zweiten oder nachfolgenden Druckniveau konstant
gehalten wird, wodurch sich die Qualität der Schweißverbindung
weiter verbessert. Dies kann beispielsweise durch ein schnelles
Nachsetzen der Schweißelektroden
erfolgen.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens sieht eine Steuereinrichtung vor, die eine Einrichtung
zur Beaufschlagung der Schweißelektroden einer
Kraft dahingehend steuert, dass die auf die Bauteile ausgeübte Druckkraft über einen
Zeitraum nach dem Abschalten des Schweißstromes konstant gehalten
und anschließend
zumindest einmal erhöht wird.
Vorteilhafterweise ist ein Zeitschaltglied in der Steuereinrichtung
vorhanden, das die erste Erhöhung
der Kraft nach einer Zeitspanne einleitet, die 0,1 bis 1,5-mal die
Zufuhrdauer des Schweißstromes
beträgt.
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Nachfolgend wird anhand der Figuren
die Erfindung näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 ein
Diagramm über
den Verlauf einer Druckkraft und eines Schweißstromes;
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2 eine
schematische Darstellung einer Punktschweißzange;
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3 eine
Detailansicht der 2;
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4 ein
Anwendungsbeispiel der Vorrichtung gemäß 2 und 3.
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1 zeigt
ein Diagramm, bei dem der Schweißstrom I und die Druckkraft
F über
die Zeit aufgetragen ist. Zu Beginn des Schweißvorganges wird der Schweißstrom I
erhöht,
ebenso wird die Druckkraft F der Schweißelektroden auf die Bauteile erhöht. Alternativ
kann die Druckkraft F bereits auf die Bauteile aufgebracht werden,
bevor der Schweißstrom
I eingeschaltet wird.
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Sowohl die Druckkraft F als auch
der Schweißstrom
I werden über
die Zeitdauer t1 aufrechterhalten, wobei
die Zeitdauer t1 vom Einschalten des Schweißstromes
I bis zum Ausschalten des Schweißstromes I betrachtet wird. Über die
Zeitspanne t1 hinaus, auch als Schweißzeit bezeichnet,
wird die Druckkraft F konstant aufrechterhalten, und zwar über eine
Zeitdauer t2, die 0,1 bis 1,5-mal der Schweißzeit t,
entspricht. Anschließend
wird die Druckkraft F erhöht
und das erhöhte
Druckkraftniveau wird über
einen Zeitraum t3 konstant aufrechterhalten.
Die Zeiträume
t1, t2, t3 sind so bemessen, dass während der
Schweißzeit
t1 das Material der zu verschweißenden Bauteile
punktuell verflüssigt
wird, so dass es zu einer stoffflüssigen Verbindung, einer sogenannten
Schweißlinse,
kommt. Während
des Schmelzvorganges wird die Druckkraft F konstant gehalten, um
das aufgeschmolzene Material in dem Prozeßraum zu halten. Nach Abstellen
des Schweißstromes
I wird die Druckkraft F weiterhin konstant gehalten, und zwar über einen
Zeitraum t2, in dem das aufgeschmolzene
Material anfängt
zu erstarren. Dieser Zeitraum t2 ist so
gewählt,
dass die Schmelze sich bereits verfestigt hat, jedoch noch eine
reduzierte Festigkeit in der Schweißstelle vorhanden ist. Solange
noch eine reduzierte Festigkeit vorliegt, wird die Druckkraft F
erhöht.
Die Erhöhung
der Druckkraftniveaus wird über
einen Zeitraum t3 aufrechterhalten, bis
die Schweißstelle
die erforderliche Festigkeit aufweist. Die Erhöhung der Druckkraft erfolgt
durch pneumatische, hydraulische oder federbelastete Elektroden;
der erhöhte
Druck wird über
einen festgelegten Zeitraum t3 aufrechterhalten,
der 0,5 bis 1,5-mal der Schweißzeit
t1 beträgt.
Durch diese Art und Weise der Prozeßführung wird die Bildung sogenannter „Wormholes" vollständig vermieden.
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In der 2 ist
eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens mit zwei Elektroden 2, 3 und einer
Einrichtung 1 zur Beaufschlagung der Schweißelektroden
mit einer Kraft dargestellt, wobei die Kraft dergestalt ausgeübt wird,
dass die Schweißelektroden 2, 3 sich
aufeinander zu bewegen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein Bauteil
zwischen Elektroden 2, 3 eingelegt und zusammengepresst
werden kann, um die notwendige Abplattung der Berührstellen
vor der Zufuhr des Schweißstromes
I bereitzustellen.
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In der 3 ist
im Detail eine Schweißelektrode 2 dargestellt,
bei der ein Elektrodenplättchen 4 mit
einer darin ausgebildeten Schweißwarze 5 zu sehen
ist. Die eigentliche Druckkraft wird über die Kopffläche der
Schweißwarze 5 auf
das jeweilige Bauteil ausgeübt.
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Die 4 zeigt
ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der 2 und 3,
wobei nur die Elektrodenplättchen 4 mit
den Schweißwarzen 5 dargestellt
sind. Das Anwendungsbeispiel bezieht sich auf einen Bleiakkumulator,
bei dem durch eine Zellenwand 11 negative Platten und positive
Platten 10 miteinander verbunden werden. Die Verbindung
erfolgt über
sogenannte Verbinderohren 7, 8, die in einer Schweißzone 6,
die zwischen den Schweißwarzen 5 liegt,
punktverschweißt
werden. Die Elektroden 2, 3 werden aufeinander
zu bewegt, wobei die ursprünglich
getrennten Verbinderohren 7, 8 aneinandergedrückt werden.
Nach Einschalten des Schweißstromes
I wird in der Schweißzone 6 das
Material aufgeschmolzen, bis eine ausreichend große Schweißlinse entstanden
ist. Anschließend
wird der Schweißstrom
I abgeschaltet, jedoch wird die über
die Schweißwarzen 5 aufgebrachte
Druckkraft F weiterhin konstant gehalten. Nach einer vorbestimmten Haltezeit
t2, in der die Druckkraft F konstant gehalten wird,
wird die Druckkraft F erhöht,
um die Bildung von Schlauchporen und Spalten zu verhindern.
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Bei einer einstufigen Druckführung wird
zur Vermeidung von Schlauchporen und Spaltenbildung der Druck möglichst
hoch eingestellt werden, wobei die Druckkraft so auszubalancieren
ist, dass auch nach der Verschweißung ein Nachsetzen erfolgt.
In dieser Erstarrungsphase wachsen jedoch aufgrund der sich einstellenden,
höheren
Festigkeit des erstarrten Materials diejenigen Kräfte an,
die dem Nachsetzen der Elektroden entgegenwirken. Ein Nachsetzen
kann daher nur durch einen dynamischen Ablauf gewährleistet
werden, das heißt,
dass die Schweißelektroden
am Ende des Schweißvorganges
noch nicht im Kräftegleichgewicht
mit den zu verschweißenden
Bauteilen sind und erst durch das Erkalten und damit die Erhöhung der
Festigkeit des Bauteilmateriales, das Nachsetzen abgebremst und gestoppt
wird. Bei einer einstufigen Druckführung besteht daher die Tendenz,
die Druckkräfte
zu hoch anzusetzen, um Spalten und Schlauchporen zu verhindern,
was wiederum zu einer Ringverschweißung führt. Die Einstellung der Schweißparameter
gestaltet sich somit äußerst schwierig
und das Verfahren ist insgesamt durch eine geringe Robustheit gekennzeichnet.
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Demgegenüber hat die erfindungsgemäße, zweistufige
Druckführung
den Vorteil, dass zu Beginn lediglich eine kleine Abplattung der
Berührflächen der
zu verschweißenden
Bauteile 7, 8 führt, so dass hohe Stromdichten
erzeugt werden. Der Druck und die über die Elektroden 2, 3 aufzubringende
Kraft kann somit geringer bemessen werden, da ein Nachsetzen der
Elektroden 2, 3 in der zweiten Druckstufe bewirkt
wird. Durch das Erhöhen
der Druckstufe in der Erstarrungs phase t3 wird
ein Nachsetzen bewirkt, wodurch die Bildung von Schlauchporen und
Spalten vermieden wird. Durch die verfahrensspezifische Haltezeit
t2 wird sichergestellt, dass die Schmelze „erstarrt" ist und das Nachdrücken auf
die Bauteile mit im Schweißbereich
fester Phase, jedoch noch mit reduzierter Festigkeit erfolgt.