DE1223006B - Verfahren zur Herstellung von Zellenverbindern fuer Blei-Akkumulatoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIm

Deutsche KL: 21b-3/02

Nummer: 1223 006

Aktenzeichen: G 35759 VI b/21 b

Anmeldetag: 21. August 1962

Auslegetag: 18. August 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zellenverbindern, die durch Öffnungen in den Zellwänden eines mehrzelligen Gehäuses für Blei-Akkumulatoren hindurchreichen und diese abdichtend ausfüllen.

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Zellenverbindern bekannt, bei dem jeder Zellenverbinder zunächst durch Anwendung von Druck so zusammengestaucht wird, daß er die Öffnung in der Zellenwand ausfüllt. Anschließend wird dann der gestauchte Zellenverbinder noch durch Punktschweißungen mit den Zellenbrücken verbunden. Es ist weiterhin auch bereits bekannt, einen konisch ausgebildeten Verbinder zunächst durch die mit einer Buchse ausgekleidete Öffnung einer Zellenwand hindurchzupressen und anschließend den eingepreßten Verbinder mit den Polstücken zu verschweißen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Zellenverbindern derart auszugestalten, daß die Zellenverbinder in einem einzigen Arbeitsgang unter Verwendung von zur Massenfertigung geeigneten Maschinen hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird nun bei einem Verfahren zur Herstellung von Zellenverbindern, die durch Öffnungen in den Zellenwänden eines mehrzelligen Gehäuses für Blei-Akkumulatoren hindurchreichen und diese abdichtend ausfüllen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf beiden Seiten einer Öffnung in einer Zellenwand befindliche Verbindungsköpfe durch Hindurchleiten von Strom miteinander verschweißt werden und während des Schweißvorganges das weich gewordene Metall gegen die Oberfläche der Öffnung gepreßt wird. Insbesondere werden durch den während des Schweißvorganges ausgeübten Druck auch die Verbindungsköpfe gegen die in der Nähe der Öffnung liegende Oberfläche der Zellenwand gepreßt. Das in der Öffnung befindliche Metall wird vorzugsweise nach dem Verschweißen mit Hilfe eines Kühlmittels gekühlt. Weiterhin wird vorzugsweise vor dem Verschweißen Druck ausgeübt. Auch wird wenigstens während eines Teils der Abkühlung weiterhin noch Druck auf die Schweißstelle ausgeübt.

Das Verfahren nach der Erfindung ist zur Massenfertigung bestens geeignet, da die Zellenverbinder in einem einzigen Arbeitsgang in einfacher Weise hergestellt werden können. Die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Zellenverbinder weisen einen geringen elektrischen Widerstand und hohe mechanische Festigkeit auf und füllen die Öffnungen in den Zellenwänden abdichtend aus, so daß kein Elektrolyt

Verfahren zur Herstellung von Zellenverbindern für Blei-Akkumulatoren

Anmelder:

Globe-Union Inc., Milwaukee, Wis. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht und Dr. R. Schmidt,

Patentanwälte, München 2, Sendlinger Str. 55

Als Erfinder benannt:

Anthony Sabatino,

Daniel Orlando, Milwaukee, Wis. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 21. August 1961 (132 660)

entlang der Zellenverbinder durch die Öffnungen hindurchsickern kann.

Die Erfindung wird nun an Hand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht eines Teils einer Akkumulatorenbatterie,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g.. 3 und 4 eine Seitenansicht eines Zellenverbinders vor und nach der Herstellung,

Fig. 5 und 6 eine Stirnansicht der in Fig. 3 gezeigten Verbindungsköpfe,

Fig. 7 und 8 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform von Zellenverbindern vor und nach der Herstellung,

Fig. 9 und 10 eine Stirnansicht der in Fig. 7 gezeigten Verbindungsköpfe,

Fig. 11 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform von Verbindungsköpfen,
Fig. 12 eine Stirnansicht eines der in Fig. 11 gezeigten Verbindungsköpfe,

Fig. 13 und 14 eine Seitenansicht sowie eine Stirnansicht einer anderen Ausführungsform eines Verbindungskopfes,

Fig. 15 ein Schema zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung,

Fig. 16 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Schweißvorganges beim Verfahren nach der Erfindung,

Fig. 17 und 18 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform von Zellenverbindern nach dem Verschweißen.

609 610/151

In den Fig. 1 und 2 ist ein Teil einer Batterie 10 dargestellt, die ein Gehäuse 12 mit mehreren Zellenwänden 14 aufweist, die mit dem Gehäuse 12 aus einem Stück gegossen sind, um Zellenkammern 16 zu bilden. Ein Plattenblock 18 ist in jeder Kammer 16 eingesetzt. Die an sich bekannten Plattenblöcke 18 enthalten positive und negative Platten, die mit geeigneten Separatoren abwechselnd angeordnet sind. Polbrücken 20 und 22 entgegengesetzter Polarität sind an den entsprechenden positiven und negativen Platten jedes Blockes angegossen. Die Blöcke in den Endzellkammern sind mit Polstutzen 24 (einer ist gezeigt) versehen, die durch den Batteriedeckel 26 nach oben hindurchragen.

Bei der in den F i g. 3, 5 und 6 gezeigten Ausführungsform sind die Brücken 20 und 22 (anders als jene, die einen Polstutzen 24 tragen) mit einem aufrechten Verbindungskopf 28 versehen, der an einer ebenen Abdichtfläche 34 waagerecht weg stehende Vorsprünge 30 bzw. 32 hat. Die Verbinderköpfe und Vorsprünge sind aus einem Stück mit den Brücken 20, 22 gegossen und bestehen aus Blei; die Brücken sind an den Platten der Blöcke angegossen.

Die Plattenblöcke 18 sind in den Zellkammern 16 durch beliebige Mittel so installiert, daß die Vor-Sprünge 30 und 32 an den Verbinderköpfen 28 mit Öffnungen 36 in den Zellenwänden fluchten. Die Öffnungen 36 in den Wänden 14 werden vor der Installation der Blöcke im Gefäß auf beliebig geeignete Weise, z. B. durch Stanzen, gefertigt.

Nachdem die Blöcke 18 in dem Gehäuse 12 installiert und richtig in den Zellkammern eingesetzt worden sind, nehmen die Vorprünge30 und 32 die in Fig. 3 gezeigte Lage ein. Die Teile sind nunmehr fertig zur Vollendung des Zellenverbinders zwischen einer negativen Brücke des einen Blockes mit einer positiven Brücke des nächstbenachbarten Blockes.

Obwohl die besondere Gestaltung der Vorsprünge viele Formen annehmen kann, ist die bevorzugte Ausführungsform in Fig. 3 dargestellt, bei der der Vorsprung 30 mit einem konischen Fortsatz 38 versehen ist, der in eine konische Aussparung 40 im Vorsprung 32 paßt. Die Spitze des Fortsatzes 38 ist, wie dargestelt, abgeschnitten, um die Installation des Blockes in der Zellkammer zu erleichtern. Der Konuswinkel der Aussparung 40 ist größer als der des Fortsatzes 38.

Das Herstellungsverfahren für den Zellenverbinder besteht aus drei Hauptvorgängen, nämlich aus einem Preß-, Schweiß- und Haltevorgang. Während des Preßvorganges werden die Vorsprünge 30 und 32 durch beliebige geeignete Mittel zusammengepreßt, z. B. durch ein Paar kraftbetriebener Backen 42, wie es die Fig. 3 zeigt.

Dieser anfängliche Preßvorgang dient verschiedenen wichtigen Zwecken. Zunächst dient er dazu, die Vorsprünge 30, 32 genau zueinander so auszurichten, daß der Fortsatz 38 in die Aussparung 40 gedrängt wird. Zweitens sorgt er für eine kurze Verweilzeit, um eine Stabilisierung des Antriebszylinders (nicht gezeigt) zu gestatten, der zum Schließen der Backen 42 benutzt wird. Auf diese Weise wird die Wirkung jedes »Aufpralls« an den Backen ausgeschaltet, wenn der Zylinder angetrieben wird, um Druck auf die Vorsprünge zu legen. Drittens stellt, und dies ist am wichtigsten, der Preßvorgang die Anwendung eines vorbestimmten Druckes an den Vorsprüngen vor Durchgang des elektrischen Stromes während des nachfolgenden Schweißvorganges sicher. Wie zu erklären sein wird, ändert sich die durch den Strom erzeugte Wärme mit dem Widerstand an der Kontaktfläche, der sich seinerseits mit dem Druck an der Kontaktfläche ändert. Durch Steuern des Druckes an der Kontaktfläche ist es also möglich, einen Einr fluß auf die während des Schweißvorganges entstandene Wärme auszuüben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform dauert der Preßvorgang zwischen 20 bis 45 Perioden (unter Annahme einer Frequenz von 60 Hertz), und der an den Backen 42 ausgeübte Druck beträgt etwa 270 kg.

Anschließend folgt der Schweißvorgang, bei dem ein elektrischer Strom durch die Vorsprünge 30, 32 geschickt wird, um Wärme zum Zusammenschweißen der beiden Teile zu erzeugen. Während dieses Vorganges erfolgen Änderungen in der erzeugten Wärmeenergie, in der körperlichen Stauchung der Teile, im elektrischen Widerstand an der Kontaktfläche und im Druck an der Kontaktfläche. Diese Veränderungen sind in Fig. 16 schematisch dargestellt.

Wie zuvor erwähnt, ist es wichtig, daß der Betrag der erzeugten Wärmeenergie so genau wie möglich gesteuert wird.

Es ist auch wichtig, sehr schnell das verlangte Niveau der Wärmeenergie aufzubauen. Dies wird erreicht, indem man die Vorsprünge 30, 32 so entwirft, daß an der Kontaktfläche ein möglichst hoher Anfangswiderstand entsteht, der seinerseits einen schnellen Aufbau der Wärme erzeugt, wenn ein Schweißstrom angelegt wird. Ein so hoher Anfangswiderstand wird durch eine im Anfang verhältnismäßig kleine Kontaktfläche zwischen den Vorsprüngen 30 und 32 hervorgebracht. Wie man in F i g. 3 sieht, ist der eingeschlossene Konuswinkel 38 am Vorsprung 30 kleiner als der eingeschlossene Winkel der Aussparung 40 im Vorsprung 32. Bei der bevorzugten Ausführungsform betragen diese Winkel 80 bzw 120°. Man erkennt, daß durch die Verschiedenheit der beiden Winkel vor dem Schweißen nur ein Linienkontakt zwischen diesen beiden Teilen besteht, also ein hoher Anfangswiderstand dem Schweißstrom entgegengesetzt wird.

Wie man in Fig. 16 sieht, steigt die Wärmeenergie an den Vorsprüngen, wenn der Strom an den Backen 42 angelegt ist, sehr steil innerhalb von 1 bis IV2 Perioden auf einen Maximalwert. Während dieses anfänglichen Anstiegs der Wärmeenergie werden die Bleivorsprünge weich und aus der in F i g. 3 gezeigten Lage und Gestalung in die der Fig. 4 gestaucht. Während die Vorsprünge verschmelzen und unter Druck zusammenfließen, steigt die Größe der Kontaktfläche steil an, wodurch der Widerstand vermindert wird. Dadurch wird die Wärmeerzeugung stabilisiert und eine Beeinträchtigung der Schweißung infolge übergroßer Wärme verhindert. Es wird ein durch und durch verschmolzener Zellenverbinder 44 gemäß F i g. 4 erzeugt.

Wie die Fig. 16 zeigt, tritt während der ersten paar Perioden des Schweißvorganges die gesamte körperliche Stauchung der Teile und auch ein steiler Abfall im elektrischen Widerstand auf. Es ist zu bemerken, daß der Druck an den Vorsprüngen ein wenig abfällt, wenn die Köpfe zusammengedrückt werden. Der Druck kehrt dann auf seinen anfänglichen Pegel zurück, nachdem die Stauchung vollendet

ist und die Flächen 34 an den Köpfen 28 in Berührung mit der Zellenwand 14 gedruckt worden sind.

Bei der bevorzugten Verfahrensweise dauert der Schweißvorgang etwa 25 Perioden; während dieser Zeit werden den Vorsprüngen ungefähr 25 000 Watt-Sekunden Energie zugeführt. Die elektrische Energie wird durch 6-Volt-Wechselstrom zugeführt, der während des Schweißvorganges durchschnittlich 10 000 Ampere beträgt. Die während des Schweißvorganges zugeführte Energie wird entweder stetig oder absatzweise zugeführt; dies hängt in erster Linie von der besonderen Gestalt der Vorsprünge ab.

Während des Haltevorganges wird der Druck an den Köpfen 28 aufrechterhalten und die geschweißte Fläche gekühlt, um eine haltbare Schweißung an dem Zellenverbinder 44 (Fig. 4) herzustellen. Bei der bevorzugten Ausführungsform dauert der Haltevorgang etwa 30 bis 45 Perioden; während dieser Zeit bleibt die erwähnte Kraft von 270 kg an dem Backen 42 bestehen. Das Kühlen wird durch beliebige Mittel erreicht, z. B. dadurch, daß man durch die Backen 42 mit Hilfe von Leitungen46 wie in Fig. 3 Wasser oder ein anderes Mittel bei etwa 4° C umlaufen läßt.

Der fertige Zellenverbinder 44 sorgt für eine doppelte Abdichtung zwischen benachbarten Zellkammern 16. Dank des Druckes, der während der Verschweißung an den Köpfen angelegt wird, sind und bleiben die Flächen 34 an den Köpfen 28 nach fertiger Schweißung in der erzwungenen, dicht abschließenden Berührung mit gegenüberliegenden Seiten der Teilungswände 14.

Eine zweite Abdichtung wird zwischen den Zellenverbindern 44 und den Wänden der Öffnungen 36 erzeugt. Die Vorsprünge 30, 32 sind so entworfen, daß ihr gesamtes Volumen etwa 3 bis 12% größer als das Volumen der Öffnungen 36 in den Zellenwänden ist. Während also die Vorsprünge in der Öffnung unter Druck zusammen verschmolzen werden, wird das Blei in abdichtenden Eingriff mit den Öffnungswänden gedrängt; dies führt dazu, die Öffnungen ein wenig zu vergrößern. Nicht nur die feste mechanische, an dieser Fläche geschaffene Abdichtung, sondern auch eine weitere, chemische Haftung scheint durch Verkohlung des Batteriegefäßes zu entstehen, wenn dieses aus Material auf Gummibasis mit Kunststoffbindemitteln gefertigt ist.

Von den in den Fig. 7 bis 14 und 17 bis 18 gezeigten Ausführungsformen eignet sich die in den Fig. 7, 8, 9 und 10 dargestellte Ausführungsform speziell für ein dünnwandiges Batteriegehäuse, das aus einem Kohlenwasserstoffpolymer besteht und dessen Wände nicht über 2,5 mm dick sind. Diese Ausführungsform könnte jedoch mit einem normalen Batteriegehäuse mit dicker Wand ebensogut benutzt werden. Sie weist einen Kopf 28 mit einem Vor-Sprung 49 auf, in dem eine Aussparung 52 vorgesehen ist, die mit einem konischen Fortsatz 50 an dem anderen Kopf 28 fluchtet. Der konische Fortsatz 50 ist in der Stirnfläche des Verbinderkopfes bei 54 ausgespart, um den Vorsprung 49 aufzunehmen und damit für das geschmolzene Metall eine umgrenzte Fläche vorzusehen, die Rücksicht auf die dünne Zellenwand 56 nimmt, die eine Öffnung 58 hat, die einen verhältnismäßig kleinen Umschluß für das geschmolzene Metall bildet. Die Teile werden verschweißt, um einen abgedichteten Zellenverbinder 60 (F i g. 8) nach den gleichen grundsätzlichen, oben skizzierten Schritten mit nur geringer Änderung in den Einzelheiten herzustellen, die sich auf die Perioden je Vorgang, auf die Wattsekunden der angelegten Energie usw. beziehen.

Die in den Fig. 11 bis 13 gezeigten Ausführungsformen zeigen einige der vielen verschiedenen Typen von Vorsprüngen, die Verwendung finden könnten. Die Fig. 11 und 12 zeigen einen Vorsprung62, der eine Auskehlung 64 hat; diese bietet eine verhältnismäßig große anfängliche Kontaktfläche, die es wünschenswert macht, für äußere Mittel zur Steuerung des Betrages der Wattsekunden für die während des Schweißvorganges benutzte Energie vorzusehen. Wie vorher bei der bevorzugten, in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform erklärt wurde, ergibt sich diese Steuerung aus der speziellen Form der Vorsprünge.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine andere, der Fig. 11 ähnliche Ausführungsform, die einen Vorsprung 66 mit Warzenteilen 68 enthält, um den Anfangskontakt zwischen den beiden Teilen zu verhindern.

Schließlich zeigen die Fig. 17 und 18 noch eine andere Abwandlung, die ein in eine Öffnung 72 der Zellenwand 74 passendes Zwischenstück 70 enthält. Das Zwischenstück 70 kann beliebige Querschnittsgestalt (rund, quadratisch usw.) haben und mit seinen Enden in Aussparungen 76 an den Verbindungsköpfen 78 gemäß· Fig. 17 eingesetzt werden. Die Teile werden in einem einzigen Schweißarbeitsgang zusammengeschweißt, um einen Zellenverbinder 80 (Fig. 18) in denselben grundsätzlichen Schritten herzustellen, wie sie oben skizziert wurden. Der Zellenverbinder 80 steht in abdichtender Berührung mit der Wand der Öffnung 72 und dient dazu, die Köpfe 78 in abdichtender Berührung mit den gegenüberliegenden Seiten der Zellenwand 74 in derselben Weise zu halten, wie der oben beschriebene Zellenverbinder 44 (Fig. 4).

Bei den Vorsprüngen an den Brücken ist es nicht nötig, daß sie aus demselben Stück bestehen oder daß jede Brücke ihren Vorsprung hat. Hauptsache ist, daß jede Brücke eine Fläche hat, die elektrisch durch die Öffnung mit Hilfe von genügend Metall und richtigen Kontaktflächengrößen so angeschlossen ist, daß der Schweißstrom das Metall schmilzt und es dazu bringt, die Brücken zu verschmelzen und die Öffnung fest abzudichten.

Von besonderem Wert ist, daß alle drei Vorgänge oben beschriebenen Verfahrens mit verhältnismäßig einfachem Gerät durchgeführt werden können, das sich für Schweißfertigungstechnik in der Massenproduktion gut eignet. Die Vorgänge des Pressens, Schweißens und Haltens können alle mit Hilfe eines einzigen Satzes von kraftgetriebenen Backen durchgeführt werden. Da die Köpfe und Vorsprünge daran alle aus einem Stück mit den Brücken vor dem Einbau der Blöcke in das Gefäß gegossen werden, wird der Zellenverbinder durch einen einzigen, mit Hilfe der Backen 42 durchgeführten Arbeitsgang fertiggestellt. Beachtlich ist, daß durch Verwendung mehrerer Backen sämtliche Zellenverbinder für eine gesamte Batterie gleichzeitig im Verlauf weniger Sekunden gefertigt werden können.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Zellenverbindern, die durch öffnungen in den Zellenwänden eines mehrzelligen Gehäuses für Blei-Akkumulatoren hindurchreichen und diese ab-

dichtend ausfüllen,dadurchgekennzeichnet, daß auf beiden Seiten einer Öffnung (36, 58, 72) rn einer Zellenwand (14, 74) befindliche Verbindungsköpfe (28, 78) durch Hindurchleiten von Strom miteinander verschweißt werden und während des Schweißvorganges das weich gewordene Metall (44, 60, 80) gegen die Oberfläche der Öffnung gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den während des Schweißvorganges ausgeübten Druck auch die Verbindungsköpfe (28, 78) gegen die in der Nähe der Öffnung (36, 72) liegende Oberfläche der Zellenwand (14, 74) gepreßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Öffnung (36, 58, 72) befindliche Metall (44, 60, 80) nach dem Verschweißen mit Hilfe eines Kühlmittels gekühlt wird.

4. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bereits vor dem Verschweißen Druck ausgeübt wird.

5. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens während eines Teils der Abkühlung weiterbin noch Druck auf-die Schweißstelle ausgeübt wird.

6. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das innerhalb der Öffnung (36) befindliche Metall (44) von einem an einem Verbindungskopf (28) vorgesehenen konischen Fortsatz (38, 50) und von einer am anderen Verbindungskopf (28) vorgesehenen und dazu passenden konischen Aussparung (40, 52) geliefert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Fortsatz (50) so ausgebildet wird, daß er in bezug auf die Dichtungsfläche des Verbindungskopfes (28) zurückversetzt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des konischen Fortsatzes (38, 50) kleiner gehalten wird als der Konuswinkel der konischen Aussparung (40, 52).

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innerhalb der Öffnung (72) befindliche Metall (80) von einem Zwischenstück (70) geliefert wird, das durch die Öffnung hindurchgeführt und beim Verschweißen mit den Verbindungsköpfen (78) vereinigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsköpfe (78) zum Einschweißen der Enden des Zwischenstückes (70) mit Aussparungen (76) versehen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 869 763;
USA.-Patentschriften Nr. 2 942055, 2906 804,
221542.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 610/151 8. 66 © Bundesdruckerei Berlin