DE10251414A1

DE10251414A1 - Verfahren und Fügehilfselement zum Punktschweißen oder -löten

Info

Publication number: DE10251414A1
Application number: DE2002151414
Authority: DE
Inventors: Matthias Graul; Sven Jüttner; Heiko Rudolf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-11-02
Also published as: DE10251414B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Punktschweißen oder -löten durch Widerstands- oder induktive Erwärmung von durch metallische Werkstoffe gebildeten Bauelementen (1, 2), insbesondere Blechbauteilen, sowie ein zur Durchführung des Verfahrens bestimmtes Fügehilfselement (5). Die zum Punktschweißen erforderliche Wärmeeinleitung wird dabei durch eine gesteuerte Veränderung der Stromstärke (I) und der Fügekraft (F) in Abhängigkeit von der Querschnittskontur des zwischen den zu schweißenden oder zu lötenden Bauelementen (1, 2) eingesetzten Fügehilfselementes (5) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Punktschweißen oder -löten durch Widerstands- oder induktive Erwärmung von Bauelementen, insbesondere Blechbauteilen aus metallischen Werkstoffen, sowie ein zur Durchführung des Verfahrens bestimmtes Fügehilfselement.
Ein solches Verfahren sowie ein zur Durchführung des Verfahrens bestimmtes Fügehilfselement werden in der Praxis vielfach eingesetzt und zählen damit durch offenkundige Vorbenutzung zum Stand der Technik.
Beim Widerstandsschweißen wird die Fügestelle der zu verbindenden Teile vom elektrischen Strom durchflossen und durch gleichzeitiges Zusammenpressen der Elektroden bis zum Schmelzen erwärmt. Beim herkömmlichen Punktschweißen treten oftmals unerwünschte Veränderungen im Bereich der Oberflächen der verbundenen Bauelemente auf, die eine Nachbearbeitung erfordern.
Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es durch die DE 197 14 755 A1 bekannt, auf einem der zu verbindenden Blechbauteile ein kreisförmiges Lot-Depot als Metallpulververschüttung zu fixieren und mittels einer herkömmlichen Punktschweißmaschine den Fügeprozess durch eine punktförmige Verlötung zu realisieren.
Weiterhin ist es durch die DE 197 29 976 C1 bekannt, einem der zu verbindenden Blechbauteile eine Depotsenke einzuformen, in der ein als Lot dienendes Fügehilfselement in Form von Draht, Bändern oder Litzen fixiert wird.
Aus der DE 41 02 247 A1 ist es bekannt, beim Fügen von Blechen mit einer Stoßfuge durch Widerstandsrollnahtschweißen in die Stoßfuge als Fügehilfselement ein metallisches Pulver in endloser Form, als Paste, Band oder Draht einzubringen, das während der Widerstandserwärmung schmelzflüssig wird und die stoffschlüssige Verbindung der Bleche bewirkt.
Der Nachteil des bekannten Widerstandslöten besteht vor allem darin, dass die Verbindungsstellen verfahrensbedingt im Vergleich zum Schweißen durch Bildung einer geschmolzenen Schweißfläche geringere mechanische Festigkeitswerte aufweisen. Weiterhin hat sich das Abschmelzen des Fügehilfselementes in der Praxis als problematisch erwiesen, weil es dadurch beispielsweise zu Schweißspritzern kommen kann.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Punktschweißen oder -löten der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dabei die Eigenschaften der Schweißverbindung verbessert werden können. Insbesondere soll dadurch der Aufschmelzprozess des Fügehilfselementes verbessert werden. Weiterhin soll ein zur Durchführung des Verfahrens bestimmtes Fügehilfselement geschaffen werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Wärmeeinleitung durch eine gesteuerte Veränderung der Stromstärke und der Fügekraft in Abhängigkeit einer ausgewählten Querschnittskontur eines zwischen den zu schweißenden oder zu lötenden Bauelementen eingesetzten Fügehilfselementes bestimmt wird. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die gesteuerte Veränderung der Stromstärke und der Fügekraft unter gleichzeitiger Auswahl eines für die individuellen Umstände optimierten Fügehilfselement zu einer wesentlichen Verbesserung des Aufschmelzprozesses und damit der Eigenschaften der Schweißverbindung führen. Dabei werden alle veränderlichen Parameter und gegebenenfalls deren Veränderung über den zeitlichen Verlauf derart abgestimmt, dass die Widerstandserwärmung zu jedem Zeitpunkt für den jeweiligen Schweiß- oder Lötprozess optimiert ist. Insbesondere wird durch einen speziell entwickelten Strom- oder Kraftverlauf unter Einbeziehung der Querschnittskontur und Geometrie des Fügehilfselementes das Aufschmelzverhalten des Fügehilfselementes sowie der Bauelemente dahingehend verbessert, dass eine thermische Beeinflussung der Fügeteile gezielt gesteuert werden kann sowie eine gleichmäßigere Ausbildung der Schweißlinse um den Umfang des Fügehilfselementes stattfindet. Zugleich wird das nach dem Stand der Technik unvermeidliche Herausspritzen des Zusatzwerkstoffes, welches in der modernen Automobilproduktion einen inakzeptablen Nachteil darstellt, verhindert. Der Betrag sowie der Verlauf der Stromstärke einerseits und des Fügekraftverlaufes andererseits, sind dabei unabhängig voneinander darstellbar.
Eine besonders erfolgversprechende Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Stromstärke in einem ersten Zeitabschnitt stetig steigend gesteuert wird. Hierdurch wird eine vergleichsweise langsame und kontinuierliche Erwärmung der Bauelemente erreicht, durch die eine gleichmäßige Gefügebildung begünstigt und so die Qualität der Verbindung verbessert wird. Beispielsweise kann die Stromstärke hierbei auch linear ansteigend ausgeführt sein.
Dabei hat es sich in der Praxis als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn ein erster Zeitabschnitt in Abhängigkeit eines oder mehrerer weiterer, werkstoff- oder bauelementabhängiger Parameter gegenüber einem im wesentlichen durch die Schweißzeit bestimmten zweiten Zeitabschnitt kürzer, gleich oder länger bemessen wird.
Die Anstiegsstromstärke während des ersten Zeitabschnittes kann insbesondere bei einer zur Widerstandserwärmung nur eingeschränkt geeigneten Oberfläche oder bei einem isolierende Eigenschaften aufweisenden Schmutzfilm höher als der im wesentlichen konstante Schweißstrom während des zweiten Zeitabschnittes bemessen werden. Eine weitere besonders erfolgversprechende Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hingegen bei üblichen Blechbauteilen dadurch erreicht, dass die Stromstärke in dem ersten Zeitabschnitt in Abhängigkeit eines oder mehrerer weiterer, werkstoff- oder bauelementabhängiger Parameter gegenüber der Stromstärke des zweiten Zeitabschnittes kleiner, gleich oder größer bemessen wird.
Durch die Geometrie und die Querschnittskontur des Fügehilfselementes kann bereits ein geeigneter Übergangswiderstand festgelegt werden. Besonders praxisnah ist hingegen eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher durch die Veränderung der Fügekraft eine gewünschte, den Übergangswiderstand zwischen dem Fügehilfselement und den Bauelementen bestimmende Deformation im Kontaktbereich eingestellt wird. Hierdurch kann der Übergangswiderstand durch das Aufbringen der Fügekraft entsprechend der jeweiligen Prozessparameter variiert werden, um so den Wärmeeintrag weiter zu optimieren.
Hierbei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Fügekraft zwischen 0,5 und 6 kN beträgt, um so einen ausreichenden Stromfluss zu erreichen, ohne dass dabei zugleich eine unerwünschte Verformung der Bauelemente zu befürchten ist.
Der Stromfluss kann dabei in besonders geeigneter Weise auch dadurch gesteuert werden, dass die Fügekraft in dem ersten Zeitabschnitt von der Fügekraft des zweiten Zeitabschnittes abweicht, um so in dem ersten Zeitabschnitt eine langsame Erwärmung zu gewährleisten und damit die Bildung von Schweißspritzern zu vermeiden.
Weiterhin ist es dabei besonders günstig, wenn die Stromstärke und die Fügekraft unabhängig voneinander einstellbar sind. Hierdurch wird ein größtmöglicher Anpassungsbereich an unterschiedliche Prozessparameter sowie unterschiedliche Eigenschaften der Bauelemente erreicht, wodurch die Eigenschaften der so erreichten Schweiß- oder Lötverbindung weiter verbessert werden können.
Dabei kann es bei einem anderen Steuerungsprogramm des Verfahrens auch besonders erfolgversprechend sein, wenn die Stromstärke und Fügekraft in Abhängigkeit eines oder mehrerer weiterer, werkstoff- oder bauelementabhängiger Parameter in dem ersten Zeitabschnitt größer als in dem zweiten Zeitabschnitt bemessen werden. Hierdurch können insbesondere Verschmutzungen der Bauelemente bei der Steuerung der Stromstärke oder der Fügekraft Berücksichtigung finden.
In der Praxis hat es sich dabei als erfolgversprechend erwiesen, wenn der erste Zeitabschnitt Werte zwischen 20 und 1200 ms annimmt.
Die zweitgenannte Aufgabe, ein zur Durchführung des Verfahrens bestimmtes, zwischen zwei Bauelementen einsetzbares Fügehilfselement zu schaffen, wird erfindungsgemäß durch eine auf die erforderliche Stromstärke und Fügekraft abgestimmte Geometrie oder Querschnittskontur gelöst. Hierdurch kann der Übergangswiderstand in optimaler Weise an die Werkstoffeigenschaften der Bauelemente sowie deren Formgebung angepasst werden und dabei beispielsweise abschnittsweise unterschiedliche Geometrien oder Querschnittsformen aufweisen. Zudem können die Verformungseigenschaften in verschiedenen Abschnitten unterschiedlich bemessen sein, um so bei einer aufgebrachten Fügekraft unterschiedliche Übergangswiderstände in verschiedenen Bereichen realisieren zu können.
Dabei haben sich in der Praxis mit einer symmetrischen, insbesondere kreisförmigen oder quadratischen Querschnittskontur ausgestattete Fügehilfselemente als besonders zweckmäßig erwiesen, die dadurch unabhängig von der jeweiligen Orientierung sind. Der Einsatz solcher Fügehilfselement ermöglicht daher eine problemlose Handhabung.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung weisen die zwei den Bauelementen zugewandten Flächen des Fügehilfselementes eine voneinander abweichende Größe oder Querschnittskontur auf. Hierdurch können insbesondere zum Einsatz bei unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der Bauelemente gezielt solche Querschnittskonturen eingesetzt werden, die zur Ausbildung einer unterschiedlichen Kontaktfläche und damit zu unterschiedlichen Übergangswiderständen führen.
In ähnlicher Weise lässt sich bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Abwandlung der Erfindung das Fügehilfselement entsprechend dem gewünschten Übergangswiderstand deformierbar ausführen, um so bei einer symmetrischen Querschnittskontur bei einer aufgebrachten Fügekraft eine unterschiedliche Kontaktfläche zu erreichen. Der Übergangswiderstand lässt sich dabei in einfacher Weise durch die aufgebrachte Fügekraft beeinflussen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Abwandlungen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Prinzipskizze zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 beispielhaft den Verlauf der Stromstärke bei dem in 1 dargestellten Verfahren;
3 einen unstetigen Verlauf der Stromstärke;
4 beispielhaft den Verlauf der Fügekraft;
5 verschiedene Querschnittskonturen eines erfindungsgemäßen Fügehilfselementes.
1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Widerstandspunktschweißen. Hierbei werden zwei insbesondere als Blechbauteile ausgeführte Bauelemente 1, 2 zwischen zwei Elektroden 3, 4 miteinander verschweißt, wobei zwischen den Bauelementen 1, 2 ein ringförmiges Fügehilfselement 5 eingeschlossen ist. Die Elektroden 3, 4 dienen dabei neben der Übertragung des Schweißstromes zugleich auch der Übertragung einer geeigneten Fügekraft F. Die Wärmeeinleitung kann daher durch Steuerung der Stromstärke I und der Fügekraft F in Abhängigkeit von der Geometrie und Querschnittskontur des Fügehilfselementes 5 in optimaler Weise auf die jeweiligen Einsatzbedingungen abgestimmt und dadurch die Qualität der Schweißverbindung wesentlich verbessert werden.
Der zeitliche Verlauf der Stromstärke I während des Schweißprozesses wird ergänzend auch anhand der 2 erläutert. Zu erkennen ist der stetige Anstieg der Stromstärke I während eines ersten Zeitabschnittes t₁ bis zum Zeitpunkt t_u. Diesem ersten Zeitabschnitt t₁ schließt sich ein zweiter Zeitabschnitt t₂ an, in dem der Schweißstrom I im wesentlichen konstant gehalten wird.
Abweichend davon ist in 3 ein Verlauf der Stromstärke I dargestellt, die beim Übergang von dem ersten Zeitabschnitt t₁ auf den zweiten Zeitabschnitt t₂ einen sprunghaften Anstieg bis zum Erreichen des Schweißstromes I_w aufweist. Dieser in Abhängigkeit der Prozessparameter gewählte Verlauf der Stromstärke I ermöglicht eine langsame Erwärmung der Bauelemente 1, 2 in dem ersten Zeitabschnitt t, und damit wesentlich verbesserte Eigenschaften der Schweißverbindung.
Ein ebenfalls unstetiger Verlauf ist in 4 für die mittels der in 1 gezeigten Elektroden 3, 4 aufgebrachten Fügekraft F dargestellt. Diese Fügekraft F, die in dem ersten Zeitabschnitt t₁ zunächst linear ansteigt und im zweiten Zeitabschnitt t₂ einen konstanten Wert F_w aufweist, führt zu einer Veränderung der Widerstandserwärmung aufgrund der erreichten Verformung des Fügehilfselementes 5 und der dadurch bedingten Veränderung des Übergangswiderstandes.
Je nach den erforderlichen Eigenschaften des Fügehilfselementes 5 sind verschiedene Querschnittskonturen zweckmäßig, deren Gestaltungsbreite beispielhaft anhand der 5 dargestellt wird. Unabhängig von der individuellen, beispielsweise ringförmigen Geometrie des Fügehilfselementes 5 sind eine Vielzahl symmetrischer und asymmetrischer Querschnittskonturen darstellbar, die unter der Einwirkung einer Fügekraft F eine jeweils unterschiedliche Kontaktfläche mit den Bauelementen 1, 2 ausbilden. Dabei können die jeweiligen Kontaktflächen mit den Bauelementen 1, 2 insbesondere zur Anpassung an unterschiedliche Werkstoffeigenschaften voneinander abweichend ausgeführt sein. Weiterhin kann das Fügehilfselement 5 mit Vorsprüngen ausgestattet sein, die in die Oberfläche der Bauelemente 1, 2 eindringen bzw. deren äußere Schichten durchdringen können, um so den Stromfluss weitgehend unabhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche sicherzustellen.

1: Bauelement
2: Bauelement
3: Elektrode
4: Elektrode
5: Fügehilfselement
F: Fügekraft
I: Stromstärke
t₁: erster Zeitabschnitt
t₂: zweiter Zeitabschnitt

Claims

Verfahren zum Punktschweißen oder -löten durch Widerstands- oder induktive Erwärmung von Bauelementen, insbesondere Blechbauteilen aus metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinleitung durch eine gesteuerte Veränderung der Stromstärke und der Fügekraft in Abhängigkeit einer ausgewählten Querschnittskontur eines zwischen den zu schweißenden oder zu lötenden Bauelementen eingesetzten Fügehilfselementes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke in einem ersten Zeitabschnitt stetig steigend gesteuert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Zeitabschnitt in Abhängigkeit eines oder mehrerer weiterer, werkstoff- oder bauelementabhängiger Parameter gegenüber einem im wesentlichen durch die Schweißzeit bestimmten zweiten Zeitabschnitt kürzer, gleich oder länger bemessen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke in dem ersten Zeitabschnitt in Abhängigkeit eines oder mehrerer weiterer, werkstoff- oder bauelementabhängiger Parameter gegenüber der Stromstärke des zweiten Zeitabschnittes kleiner, gleich oder größer bemessen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Veränderung der Fügekraft eine gewünschte, den Übergangswiderstand zwischen dem Fügehilfselement und den Bauelementen bestimmende Deformation im Kontaktbereich eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügekraft zwischen 0,5 und 6 kN beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügekraft (Anstiegskraft) in dem ersten Zeitabschnitt von der Fügekraft (Schweißkraft) des zweiten Zeitabschnittes abweicht.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke und die Fügekraft unabhängig voneinander einstellbar sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke und/oder Fügekraft in Abhängigkeit eines oder mehrerer weiterer, werkstoff- oder bauelementabhängiger Parameter in dem ersten Zeitabschnitt größer als in dem zweiten Zeitabschnitt bemessen werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitabschnitt Werte zwischen 20 und 1200 ms annimmt.
Ein in einen Kontaktbereich zwischen zwei Bauelementen (1, 2) einsetzbares Fügehilfselement (5), gekennzeichnet durch eine auf die erforderliche Stromstärke (1) und/oder Fügekraft (F) abgestimmte Geometrie und/oder Querschnittskontur.
Fügehilfselement (5) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine symmetrische, insbesondere kreisförmige oder quadratische Querschnittskontur.
Fügehilfselement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei den Bauelementen (1, 2) zugewandten Flächen des Fügehilfselementes (5) eine voneinander abweichende Größe und/oder Querschnittskontur aufweisen.
Fügehilfselement nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügehilfselement (5) entsprechend dem gewünschten Übergangswiderstand deformierbar ausgeführt ist.