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Schweißkonstruktion für die sich überlappenden Ränder von tafelförmigen
Teilen und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft eine Schweißkonstruktion,
insbesondere eine punktgeschweißte Verbindung, für die sich überlappendenRänder
von tafelförmigenTeilen, vor allem für das Verschweißen einer dreilagigen überlappungsverbindung
zweier aus Blech bestehender Tafeln. Hierbei soll ein Verformen der dritten Flächenlage
vermieden werden. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung einer
derartigen Schweißkonstruktion.
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Zum Vermeiden von Eindrückungen beim Punktschweißen sind bereits verschiedene
Methoden vorgeschlagen worden, jedoch hat keine dieser Methoden eine volle Durchschweißung
nahe dem Außenblech gebracht, ohne daß Eindrückungen in dem Außenblech entstanden
wären.
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In der gegenwärtig in der Kraftfahrzeugindustrie angewendeten Praxis
wird die Außenfläche von Kraftfahrzeugtüren durch eine einzelne gepreßte Blechtafel
gebildet. Die Ränder dieser äußeren Tafel sind um 180° nach innen gefaltet und über
eine innere Tafel geklemmt, wodurch eine dreilagige Überlappungsverbindung entsteht.
Hierbei besteht nun das Problem, wie man den umgefalteten Rand der äußeren Tafel
mit dem Rand der inneren Tafel durch Widerstands-Punktschweißung miteinander verbinden
kann, ohne daß in der die Außenfläche bildenden Tafel Schweißmarkierungen entstehen.
Wenn man die dreilagige Verbindung zwischen Elektroden einspannt und direkt schweißt,
wie das bei der üblichen Punktschweißung der Fall ist, so entstehen zunächst zwei
verschiedene Schweißstellen, nämlich eine zwischen der die Außenfläche bildenden
Tafel und dem Rand der Innentafel und eine zweite Schweißung zwischen dem Rand der
Innentafel und dem umgefalteten Rand der die Außenfläche bildenden Tafel. Diese
beiden Schweißstellen können in einen einzigen Schweißkern zusammenwachsen, der
vollständig durch das mittlere Blech der dreilagigen Verbindung hindurchgeht, welches
hier der Rand der inneren Tafel ist. An der Stelle, wo die Schweißung vorgenommen
worden ist, bilden sich Eindrückungen in der äußeren Tafel und in dem umgefalteten
Rand der äußeren Tafel aus. Punktschweißeindrückungen haben zwei verschiedene Faktoren
als Ursache: Der auf die harten Elektroden ausgeübte und zum Erzielen einer vollen
Durchschweißung erforderliche Druck führt zu Einbeulungen in dem verhältnismäßig
weichen Blechmaterial, insbesondere dann, wenn die Bleche Spiel zwischen sich haben.
Wird eine Punktschweißung an zwei Blechen durchgeführt, erreichen die benachbart
aneinanderliegenden inneren Flächen der beiden Bleche einen plastischen Zustand,
da der Zwischenflächen-Widerstand größer ist als der Widerstand zwischen Elektrode
und Fläche, was dazu führt, daß der Schweißkern in einer von den Außenflächen der
Bleche entfernten Stelle sich ausbreitet oder wächst. Obwohl der Schweißstrom aussetzt,
bevor der Schweißkern vollständig durch die Dicke der äußeren Bleche hindurchgewachsen
ist, bildet der entstandene Schweißkern eine weiche Stelle gegenüber den Elektroden,
die ein noch leichteres Eindrücken der Elektroden in das Blech ermöglicht. Es kommt
zweitens hinzu, daß der Kern plastischen Metalls beim Kühlen zusammenschrumpft und
dabei die äußeren Flächen der Bleche in die Kernzone hineinzieht.
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Die Automobilindustrie hat sich lange herumschlagen müssen mit Eindrückungen
von Punktschweißungen, die sich an einer im übrigen spiegelglatten Fläche zeigen.
Bis heute haben sich diese Eindrücke durch Anwenden des »indirekten Schweißverfahrens«
(USA: Patentschrift 1861970) vermindern lassen. In den letzten Jahren erhielten
die in der Kraftfahrzeugindustrie verwendeten Bleche sehr dünne Maße, um das Gewicht
zu verringern und die Verformung zu erleichtern. Die Eindrückungen, die bei dem
vorerwähnten indirekten Schweißverfahren entstehen, sind in dünnen Blechen sichtbar
und beeinträchtigen die sonst glattflächig fertiggestellten Tafeln. Um diese Eindrückungen
zu beseitigen, wird in der gegenwärtig angewendeten Praxis die Tafel von Hand fertiggestellt,
und zwar durch Entfernen von Metall. Diese
Praxis ist wenig begrüßenswert,
weil dabei bis zu einem Drittel der Dicke des an sich schon dünnen Bleches durch
aufwendige Handfertigstellung entfernt wird. Dies führt in dem Fensterschacht der
Türen, wo sich Wasser und Feuchtigkeit sammeln, au einer schnellen Zerstörung.
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Einige Hersteller haben versucht, die Situation durch Verringerung
der Größe der Schweißung und damit Verringerung der Größe der Eindrücke auszugleichen,
und vor kurzem wurde nichthärtender Kleber in die überlappungsverbindung eingebracht,
um so die unter der Norm liegenden Schweißungen zu verstärken.
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Aufgabe der Erfindung ist es in erster Linie, eine Schweißkonstruktion
und ein Verfahren zur Punktschweißung von zwei sich berührenden Bahnen von drei
oder mehr sich überlappenden Blechen zu schaffen, ohne daß ein Eindruck oder eine
Schweißmarkierung auf den anderen, äußeren Blechen entsteht. Ferner bezweckt die
Erfindung die Herstellung einer vollen Durchschweißung zwischen zwei aneinanderliegenden
Blechen in einem Blechstoß.
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Bei der Schweißkonstruktion nach der Erfindung ist zu diesem Zweck
eine gegen Wärme und vorzugsweise auch elektrischen Strom isolierende Schicht zwischen
der äußeren Lage und der inneren Lage der Bleche vorgesehen.
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Ein bevorzugtes Verfahren nach der Erfindung erfolgt mittels sogenanntem
indirektem Schweißen in folgenden Schritten: Anbringen einer Schweißelektrode, die
mit dem Pol einer Schweißstromquelle verbunden ist, an der Außenfläche der einen
Außenlage, Verbinden einer Innenlage, vorzugsweise der der Außenlage benachbart
liegenden Innenlage mit dem zweiten Pol einer Schweißstromquelle und Auflegen der
zweiten Außenlage auf einem nicht mit der Schweißstromquelle verbundenen Träger
und ist gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Anbringung einer gegen Wärme
und vorzugsweise auch elektrischen Strom isolierenden Schicht zwischen der zweiten
Außenlage in der Innenlage, die mit dem zweiten Pol der Schweißstromquelle verbunden
ist, so daß zwischen der ersten Außenlage ein Schweißkern entsteht, ohne daß eine
schädliche Erwärmung der zweiten Außenlage eintritt und ohne daß Eindrükkungen oder
Verfärbungen ihrer äußeren Fläche bewirkt werden.
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Ein spezielles Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung
ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt F i g. 1 eine
perspektivische Ansicht einer typischen Kraftfahrzeugtür mit durch überlappung verbundenen
Rändern, F i g. 2 einen perspektivischen Querschnitt einer Kraftfahrzeugtür während
des Verschweißens und F i g. 3 einen vergrößerten Querschnitt der überlappungsverbindung
zur Erläuterung des Prinzips gemäß der Erfindung.
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Die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung weist die übliche Schweißausrüstung
auf, bestehend aus Elektroden 10 und 12 und einer harten Metallauflageplatte 14,
die in. eine Isolierplatte 16 eingebettet ist und von einer Befestigungsvorrichtung
18 getragen wird. Es entspricht der üblichen Praxis, daß man die Platten 14 und
16 und die Vorrichtung 18 sich vollständig um den äußeren Rand der Tür unterhalb
des zu schweißenden Randes erstrecken läßt, um so zu verhindern, daß die gepreßten
Bleche während des Schweißvorganges beschädigt werden. Wenngleich in der Zeichnung
die Auflageplatte 14 mit ebenem Querschnittsprofil gezeigt ist, so wird diese vorzugsweise
entsprechend der Kontur der Türtafel ausgebildet.
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Die äußere Tafel 20 wird gesondert und getrennt von der inneren Tafel
22 gepreßt. Die Tafeln werden miteinander m einer Spannvorrichtung (nicht
gezeigt) verbunden, und der Rand 24 der äußeren Tafel wird um 180° umgelegt,
so daß er den Rand 26 der inneren Tafel in sich aufnimmt und überlappt. Vor der
Vereinigung der Tafeln: 20 und 22 wird entweder auf die innere Fläche 30 der äußeren
Tafel oder auf die äußere Fläche 32 des Randes der inneren Tafel als thermische
Trennschicht ein Wärmedämmanstrich 28 aufgebracht. Es ist notwendig, diesen Wärmedämmanstrich
vor der Vereinigung der Tafeln 20 und 22 ausreichend zu trocknen, damit er Druckbeanspruchungen
ertragen kann. Es wurde herausgefunden, daß handelsübliche Anstriche, wie beispielsweise
>: Wärmedämmüberzüge<e, die Metalloxydpigmente, Alkydharzlösungen mit typischen
lösenden und trocknenden Zusätzen verwenden, durch Lufttrocknung innerhalb weniger
Stunden hart genug werden, um Druckbeanspruchungen auszuhalten. Eine hochviskose
Mischung von pulver- oder puderförmigem Glimmer und rieht entzündlichen Harzen mit
schnelltrocknenden Lösemitteln härtet in wenigen Minuten. Andere Mischungen von
Metallen oder deren Oxyden, die hitzeisolierende und elektrisch nicht leitende Eigenschaften
haben, können ebenfalls verwendet werden.
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Um einen voll ausgewachsenen Schweißkern 34 zu erhalten, empfiehlt
es sich, ein indirektes Schweißverfahren anzuwenden, wie dies in F i g. 2 dargestellt
ist: Eine der beiden Elektroden ist auf einem Flächenbereich der inneren Tafel 22
im Abstand von dem inneren Tafelrand 26 angeordnet. Die andere Elektrode 10 ist
an dem Außentafelrand 24 angelegt. Wenn auf die Elektrode 10 ein genügender Druck
ausgeübt wird, so führt dies dazu, daß ein Bereich der Ränder 24 und 26 gerade unter
der Spitze der Elektrode 10 sehr dicht zusammenkommt, wodurch ein Punkt niedrigen
Flächenwiderstandes entsteht. Die Elektroden 10 und 12 bestehen aus
hochleitfähigen Metallen, und der Widerstand zwischen Blech und Elektrode zwischen
den Elektroden wird durch Aufbringen von Druck und/oder durch Erweitern des Elektrodenbereichs,
wie bei der Elektrode 12 gezeigt, auf ein Minimum gehalten. Wenn der Schweißstrom
an die Elektroden angelegt wird, fließt der Strom von der Elektrode 10 zum Rand
24 durch den Druckpunkt der Kontaktstelle direkt unter der Elektrode zum Rand
26 und zurück zur Elektrode 12. Das übliche Schweißen erfolgt mit Wechselstrom,
und während der umgekehrten Phase fließt der Strom von der Elektrode 12 zur Elektrode
10, In dem vorstehend beschriebenen Reihenkreis befindet sich der Punkt mit dem
höchsten Widerstand an den benachbarten Flächenbereichen der Ränder 24 und 26 unmittelbar
unter der Elektrode 10. Der Schweißkern 34 wird zuerst in diesem Bereich gebildet
und wächst fortlaufend bis er einen Punkt zwischen, aber innerhalb der Dicke der
Blechränder liegend, erreicht. Als Vorbedingung für eine gute Schweißung muß der
Druck auf die Elektrode 10 während des Anwachsens des Schweißkerns 34 beibehalten
werden, auch wenn der Druck der Elektrode 10 zu einer kleinen Eindrückung in dem
Rand 24 führt. Wird dem Schweißkern das
Wachsen zu voller Stärke
und Größe ermöglicht, so schrumpft der plastische Bereich beim Abkühlen zusammen
und bewirkt eine weitere Eindrückung im Rand 24. Da der Rand 24 auf
der nicht sichtbaren Innnenseite der Tür gelegen ist und mit Dichtleisten bedeckt
sein kann, sind die Schweißmarkierungen auf dem Rand 24 nicht zu sehen.
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In F i g. 3 ist ein vergrößerter Schnitt der vollständigen Schweißung
gezeigt. Die in diesem vergrößerten Schnitt gestrichelt eingezeichneten Linien 36
zeigen die Zone der höchsten Hitzekonzentration, und die Flußlinien 38 zeigen
den Stromverlauf während des Schweißens. Direkt unter der Elektrode 10 sind die
Flußlinien 38 stark konzentriert im Rand 24 und weniger stark konzentriert im Rand
22. Infolge der stärkeren Konzentration des Stromes, angedeutet durch die
Flußlinien 38, wächst der Schweißkern 34
weiter in den Rand 24 als
in den Rand 22. Während des Wachsens des Schweißkerns 34 drückt sich die Elektrode
in das Blech 24 hinein und bildet eine Eindrückung mit einem schwachen Ring
oder sich erhebenden und die Eindrückung begrenzenden Teil. In ähnlicher Weise wird
eine Eindrückung gegenüber der Schweißung 34 im Rand 22 infolge des
Schrumpfens des Kerns 34 gebildet. Es ist aus F i g. 3 ersichtlich, daß beim Fehlen
der thermischen Schicht 28 sich die Flußlinien 38 unmittelbar durch die Ränder
24 und 22 in die äußere Tafel 20 fortsetzen würden. Da die
äußere Tafel 20 in Wirklichkeit ein Teil des Randes 24 ist, bildet
sich ein nicht unterbrochener elektrischer Kreis hierzwischen, aber infolge der
isolierenden Eigenschaften der thermischen Schicht 28 besteht kein Rückweg durch
die Tafel 20 zur Elektrode 12. Die thermische Schicht 28 verhindert somit nicht
nur, daß die sich in dem Schweißkern 34 ansammelnde Hitze in die Tafel 20 gelangt,
sondern sie verhindert außerdem einen Stromdurchgang zwischen den Elektroden
10 und 12 durch die Tafel 20. In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Wärmedämmstreifen 28 vollständig entlang dem inneren
Tafelrand 26 gelegen, und die Auflageplatte 14 ist gegen irgendwelche Nebenschlußwege
durch die Tafel 20 elektrisch isoliert.
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Die gestrichelten Linien 36 zeigen die Hitzezone, die sich während
des Schweißvorganges ausbildet. Diese Hitzezone erreicht Temperaturen von annähernd
1100° C, was bei niedrig gekohlten Stählen zu einer extrem niedrigen Streckgrenze
führt. Der Schweißkern 34 erreicht Temperaturen von annähernd 1650° C, bei
welchen keine strukturelle Spannung eintritt. Die Schweiße 34 ist im Innern
der beiden benachbarten Ränder 22 und 24 als eine weiche Stelle abgesondert.
Der beim Schweißen auf die Elektrode 10 ausgeübte Druck liegt gewöhnlich
über 700 kg/em2 und kann annähernd 2100 kg/em2 unmittelbar unter der Spitze der
Elektrode erreichen. Die Schweißelektrode 10 deformiert einen Teil des Metalls in
der Hitzezone 36 und im Schweißkern 34 bezüglich seiner unteren Streckgrenze oder
Verformbarkeit.
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Die thermische Schicht 28 wird so ausgebildet, daß der angebrachte
Wärmedämmstreifen gute elektrisch und wärmemäßig isolierende Eigenschaften hat und
daß der gehärtete Wärmedämmstreifen in der Lage ist, den Druck der Elektrode
10 zu ertragen, ohne unter dem Druck schadhaft zu werden. Es hat sich herausgestellt,
daß pulver- bzw. puderförmiger Glimmer und pulver- bzw. puderförmige Metalloxyde
verwendet als Pigment und versetzt mit einer 50- bis 85%igen Mischung aus nicht
entzündlicher Alkyd-Kunstharz-Lösung zusammen mit einer lösenden und trocknenden
Lösung vollständig ausreichen für die praktischen Zwecke gemäß der Erfindung. Eine
Dicke von 0,1 bis 0,8 mm reicht aus, um ein Kohlenstoffstahlblech von etwa 3,5 mm
Dicke zu schützen, wenn mit Strömen von 8000 bis 14 000 Ampere geschweißt wird.
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Es ist offensichtlich, daß auch das Lichtbogenpunktschweißen angewendet
werden kann, um die außerordentlich hohen Elektrodendrücke auszuschließen und Abwandlungen
und Anpassungen in bezug auf die Anbringung der Elektroden zu ermöglichen. Die Verminderung
der Schweißdrücke würde auch eine Abwandlung des harten, druckfesten Wärmedämmanstrichs
in den durch überlappung verbundenen Rändern oder Stößen der Bleche ermöglichen
Die Auswahl zweier Bleche aus einer Mehrzahl von Blechen kann unter Modifikationen
und Anpassungen, die dem Fachmann geläufig sind, durchgeführt werden, und derartige
Anpassungen liegen innerhalb des Gedankens der Erfindung.