DE1565318A1 - Widerstands-Schweisselektrode - Google Patents

Description

• rung dieser Elektrode versucht, aber man hat dies*aufgeben müssen, denn dessen Härte verringert sich mit dem Ansteigen der Temperatur, insbesondere oberhalb von 5000C, zu rasch.
• Man hat die Lösung dieses Problems-anfänglich versucht, indem man Legierungen von Kupfer mit einem Element wie beispielsweise mit Kadium angewandt hat, welches die elektrische Leitfähigkeit (zwar) ein wenig reduziert, indessen die Härte der Legierung erhöht;.aber das Abfallen der Härte (Härte-Werte) tritt bei diesen Legierungen immer noch bei einer zu niedrigen Temperatur ein. lhat gleicherweise mit einem nur wenig'zufriedenstellenderen Resultat Legierungen von Kupfer mit einem oder mehreren Elementen so wie Chrom, Zirkonium und Beryllium anzuwenden versucht, wobei man sie einer speziellen thermischen Behandlung unterzog, welche das In-Läsunggehen in fester Art (In-feste-Lösunggehen) dieser Elemente in das Kupfer durch Tauehen bei erhöhter Temperatur und anschließendes Härten .furch strukturelles Fällen bzw. Ausfällen (gegebenenfalls Auskristallisieren) hervorrui`t.
• Eine andere Lösung ist auf dem Wege der Realisierung von zusammengesetzten Elektroden (Verbundelektroden) gesucht worden, welche einen Körper aus rotem Kupfer umfassen, der an seiner Spitze mit einem Metall- oder Le 2 gierungsstüek von größerer Härte in der 2orm einer azialen Einfügung (eines axialen Einsetz-Stücks) oder eines äußeren Kragens (Rings) versehen "ist, wobei dieses Endstück ,-.it dem Kupferkörper durch konische Einmantelung durch. Silber-Zartlösung oder durch ein analoges Verfahren verbunden wird: Jedoch bieten solche Elektroden einen höheren ®hm'schen Widerstand und eine Verringerung der thermischen Zeitfähigkeit zufolge von-unvollkommenen Kontakten bzwm Berührungsstellen (Übergängen) zwischen den beiden Metallen oder wegen des Vorhandenseins der Lötung , erart, daß die v Erhöhung der Härte der Spitze kompensiert wird durch die Erhöhung gier Temperatur. Außerdem wird die Elektrodeneinheit (die zusammengesetzte Elektrode) häufig durch thermische Kontraktionen (Einschnürgen), denen die Elektrode unterworfen ist, zerstört® .
• Die zusammengesetzte Elektrode oder Verbundelektrode gemäß der Erfindung gestattet ass, alle genannten Unzuträglichkeiten und Mängel zu beseitigen (und dies ist die der Erfindung $ugrandegalegte Aufzbe) r- sie ist dadtirch, Bekennzeichnet, dsich alle die verschiedenen Elemente -(Teile), aus denen sie sich zusaamenßctzt, bis ziaktiven Ende (Aufsatzpunkt oder -i"ldche) der Elektrode erstrecken oder verlängern derart, daß sie alle nebeneinander (die einen an der Seite der anderen) der Spitze (Aufsetzfläehe) der Elektrode bündig sind, daß alle diese verschiedenen Elemente (Teile) gebildet sind aus mit. oder untereinander verschweißbaren Legierungen auf der Basis von Hupfe.lkdie jedoch jeweils'verschiedene Anteile aäderer metallischer Komponenten (Konstituenten) entlten, welche die Charakteristiken mecbunischer und elektrischer,@rt der Legierungen beeinflussen, @.°@d daß sie (die Teile oder Eleaente) unter® einander durch 'achwe'ßen veröden oder vereinigt sind. Dank dieser Einrichtung oder Anordnung befindet sich das gut .leitende Element (Teil oder Teilstück) der Elektrode, welches prinzipiell oder hauptsächlich den die Elektrode durchlaufenden Strom leitet, geschützt an der Spitze, d. h. also (bei aufgesetzter Elektrode) im Kontakt mit dem zu schweißenden Stück oder Bauteil, geschützt nämlich durch das oder die benachbarten Elemente (Teile) von erhöhter Härte, welche mit dem erstgenannten (hauptsächlich leitenden) Element oder Stück verbunden oder vereinigt sind. Andererseits erlaubt es diese Ausbildung der Blektrode, das Zusammenfügen ihrer konstitutiven Elemente (Teilstücke) durch ein starkes mechanisches Verformen, bevorzugt 'Warmverformen durchzuführen derart, daß man eine innige Verbindung erreicht, welche einer wirklichen Versahweißung entspricht: Es resultiert hieraus, beim Kontakt dieser Elemente, eine gute thermisohe und elektrische LeitMigkeit, welche eine störende Erhöhung der Temperatur ausschließt und eine Zerstörung der Verbindung durch die. (genannten) . thermischen Kontraktionen verhindert.. Die Lebensdauer der Elektrode wird sehr wesentlich erhöht, und die Häufigkeit oder Anzahl der notwendigen Zurichtungsvorgänge (Wieäerzurechtfeilen, Glätten der-Elektrodenspitze und dgl.) wird reduziert.
• 'Ausführungsbeispiele der Erfindung in, der Form mehrerer nach der Erfindung aufgebauter Elektroden sind auf der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen amialen Längsschnitt einer Widerstands-Sehwei@elektrode mit zwei konzentrischen Elementen, Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch eine Variante, wobei-das zentrale Element bezüglich des äußeren Elements außer Mitte gesetzt ist, Fig. 3 -einen axialen Längsschnitt einer aus drei konzentrischen Elementen zusammengesetzten Elektrode, Fig. 4 einen Querschnitt einer Elektrode, welche mehrere Elemente von großer Härte, eingekörpert oder eingeschlossen in ein Stück von hoher Zeitfähigkeit, besitzt, Fig. 5 einen axialen Längsschnitt einer anderen Variante mit konzentrischer Anordnung der Elemente. Die in der Fig. 1 gezeigte Elektrode ist aufgebaut aus einem zentralen Kern 1, der aus einer Legierung mit erhöhter Härte besteht und mit einem äußeren konzentrischen Element (Mantel) 2, das-aus reinem Blektrolyt=Kupfer oder aus einer Legierung mit geringem Gehalt von härtenden Elementen so wie Chrom, Zirkonium oder Kadmium besteht, verbunden ist, wobei diese letztgenannte Legierung eine sehr hohe elektrische Zeitfähigkeit, mindestens 60ö derjenigen von reinem Kupfer, in jedem Falle höher als 65% IACS, besitzt, während das zentrale Element 1 eine Zeitfähigkeit, welche zwischen 20 und 8ßjß derjenigen des Kupfers liegt, generell oder allgemein in der Größenordnung,von 40 bis 60j davon, besitzen kann. Beispielsweise ist das zentrale Element 1 gebildet aus einer aus 97,5Y* Kupfer mit 2o Kobalt und 0,57o Beryllium bestehenden Legierung, die eine Härte von 220 bis 270 Brinell @I'Brinell"-Graden) und eine (elektrische) heidcfähigkeit von 45A bis 55f IACS aufweist, während das äußere Element 2 aus Elektrolyt-Kupfer besteht, welches eine Härte von 90 bis 100 Brinell und eine Zeitfähigkeit von 101ya IACS besitzt.
• Das (Aufsatz-) Ende der Elektrode ist leicht gerundet derart, daß das äußere Element 2 aus Kupfer praktisch den gesamten Strom bis zu der Spitze führt, :daß aber die bei der Berührung mit dem zu schweißenden Stück auftretenden mechanischen Kräfte oder Beanspruchungen präzise von dem bzw. durch den harten zentralen Kern 1 aufgenommen werden. Das äußere Element 2 aus Kupfer hat Rohrform derart, daß es eine im Inneren der Elektrode liegende Kühlkmmer 3 umfaßt oder beherbergt, die sieh über beinahe die ganze Elektrodenlänge erstreckt, was das Ab fuhren der beim Kontakt (an der Kontaktstelle) mit dem zu schweißenden Stück entstehenden und hauptsächlich zum Kern 1 übertragenen Wärme beträchtlich verbessert; ebenso verbessert diese Maßnahme das Abführen der Wärme, die sich in der Elektrodeneinheit durch den Joule#schen Effekt entwickelt.
• Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausf'dhrungsform, nämlich einer Schweißelektrode zum Punktschweißen, die zum Schweißen an schwer zugänglichen Stellen dient, ist der zentrale Kern 1 bezüglich des äußeren Elements 2 leicht außer Mitte gesetzt, und die Spitze der Elektrode ist zugespitzt oder verjüngt in Form eines Konus- oder Pyramidenstumpfs 4, welcher koaxial zum Kern 1 oder auch schräg (versetzt) oder ungleiehsehenklig schräg, wie im Beispiel gezeigt ist, wobei das Kupfer des Kupferelements 2 an der Oberfläche der kleinen Basis 5 des Kegel- oder Konus- oder Pyramidenstumpfs 4 derart bündig ist, daß es den harten zentralen Kern 1 umgreift. Im folgenden werden einige Beispiele. fUr Legierungen von Kupfer mit anderen Metallen gegeben" welche man gemäß dem Anteil der letzteren bei* der Herstellung von Elektroden gemäß der Erfindung benutzen kann, um das Element von hoher Zeitfähigkeit oder das Element von großer-Härte der Elektroden zu realisieren: Eine Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung, enthaltend 0,4f bis 1 f *Chrom und 0, 015% 'bis 0,10f Zirkonium, aufweisend eine Brinellhärte von 130 bis 160 und eine (elektrische) Leitfähigkeit von 75f bis' 85f IACS.
• Eine Kupfer-Zirkonium-I,egierung, enthalten 0,08f bis 0, 2f Zirkonium: Brinellhärte 120 bis .150,. Leitfähigkeit 80f bis 90f IACS.
• Eine Kupfer-Kadmium-Legierung mit 0,8f bis 2,5f Kadmium: Brinellhärte 105 bis 135, Zeitfähigkeit 80% bis 90f IÄCS. Eine Kupfer-Silber-Legierung, enthaltend' 5f bis 7f Silber: Brinellhgrte 110 bis 140, Leitfähigkeit 80f bis 90f IACS.
• Eine Kupfer-Silber-Zirkonium-Legierung, enthaltend 3f bis 5f Silber und 0,10f9 bis 0"30f# Zirkonium: Brinellhärte 130 bis 160, Leitfähigkeit 80% bis 90f IACS.
• Eine Rupfer-Kobalt-Beryllium-Legierung, enthaltend 2f bis 3f Kobalt und 0,4% bis 0,8f Beryllium: Brinellhärte 170 bis 250, Leitfähigkeit 40f bis 60f IACS.
• Eine Kupfer-Tungsten-Legierung, enthaltend 5e Kixpfer und 509 Tungsten: Brinellhärte 120 bis 180, Leitfähigkeit 25% bis 6e. IACS.
• Diese beiden letztgenannten Legierungen'sind insbesondere angezeigt fair die Realisierung des Elements (Teils) von großer Härte der Verbund-Elektrode. . ' Das Herstellen (Aufbauen) der erfindungsgemäßen aus sich sämtlich bis an das Blektrodenende erstreckenden Elementen, die aus -verschiedenen Metallen.ode.'r Legierungen bestehen, gestattetes, fUx deren Herstellung ein Verfahren zu wählen, das geeignet ist, eine Verbindung zwischen diesen Elementen durch Schweißung zu sichern, welche bezüglich aller Gesichtpunkte besonders wirksam, ist zwischen diesen .Elementen. Gemäß diesem Verfahren, .welches ebenfalls einen Bestandteil oder Erfindung bildet, beginnt man mit dem Herstellen eines zusammengesetzten Rohlings, dem die konstruktiven Elemente (bereis) umfaßt, welche die verschiedenen elektrischen und-mechanischen Eigenschaften besitzen, sei es durch Fusion (Schmelze, Schmelzen), sei es durch Warmschmieden oder -wälzen, sei es noch durch Methoden, wie sie in der Pulvermetallurgie verwendet werden', d. h. durch Kompression.(Pressen-) und Fritten (Sintern). . , Dieser Rohling wird alsdann in einem oder, mehreren Arbeitsgängen einer sehr starken mechanischen Verformung unterworfen, die mindestens für eine seiner Dimensionen eine Reduktion (Stauchung, Verkürzung oder dgl.) im Verhältnis von mindestens 10 : 1 nach sich zieht, wobei diese Verformung durch Walzen oder Schmieden, nämlich Kalt- oder Warmwalzen oderlalt- oder Warmschmieden, durch Strecken oder Ziehen oder durch Strangpressen oder Strangziehen oder durch Zusammenspinnen vollz.ieht,'wobei dies® starke Verförmung die Wirkung hervorruft, in den Kontaktmoder Berührungs-. flachen zwischen den verschiedenen Elementen eine gegenseitige Diffusion (gegenseitiges Hineindiffundieren) der die Elemente bildenden Metalle oder Legierungen zu erzeugen, und weiter den Effekt erzielt, in der Folge ein wirkliches (gegenseitiges) Verschweißen von der Art zu erreichen, daß ihre Verbindung gleichzeitig eine ausgezeiohnete mechanische Widerstandsfähigkeit, insbesondere gegentiber Stößen oder alternierenden Kräften (Wechselspannungen) besitzt, welche durch den Temperaturanstieg oder die gilhltemperatur (auch Temperaturwechsel) entstehen, und außerdem auch ebenso eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist. Die Elektrode, die so gebildet worden ist, wird einer Endbearbeitung (z: B. -.Drehen oder dgl.) unterworfen, um ihre Gebrauchsform zu erhalten.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Verbund-Elektrode für das Widerstandsschweißen, die aus miteinander vereinigten Elementen gebildet ist, von denen die einen eine hohe Zeitfähigkeit und die anderen hohe mechanische Charakteristiken besitzen, die ihnen gestatten, eine für hohe Temperaturen (Betriebstemperaturen) ausreichende Härte aufrechtzuerhalten, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß diese verschiedenen-Elemente (Teile) sich bis zum aktiven Ende (Aufsetzende) der Elektrode erstrecken, derart, daß sie dort alle .an der Spitze (Aufsetzende) der Elektrode nebeneinanderliegend bündig sind, ferner daß diese verschiedenen Elemente sämlich aus'mit- bzw: untereinander verschweißbaren Legierungen bestehen, nämlich Legierungen auf der Basis von Kupfer, aber verschiedene Anteile anderer Legierungsbestandteile metallischer Art enthaltend, die ihre elektrischen und mechanischen Charakteristiken (Eigenschaften) beeinflussen, und daß sie (die Elemente) mit--bzw. untereinander durch Verschweißung vereinigt sind. Z: VerbundmElektrode nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i e h n e t, daß die verschiedenen Hauptelemente der Elektrode konzentrisch zueinander angeordnet sind. 3. Verbund-Elektrode nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i o h n e t,@ daß die Elektrode aus einem zentralen Kern aus Metall mit großer Härte und aus einer äußeren Hülle oder Umhüllung, konzentrisch zum Kern argeordnet und eine hohe Leitfähigkeit besitzend, gebildet ist. 4. Verbund-Elektrode nach den Ansprüchen 1 und-2, dadurch g e k e n n z e i e h,n e t, daB sie einen zentralen Stab. aus Metall von hoher Zeitfähigkeit besitzt, ferner eine erste aus einem Metall mit größer Härte bestehende Umhüllung des genannten Stabes aufweist und schließlich eine äußere Auflage oder UmhtU.lung, welche die vorgenannte Umhüllung umhüllt und aus einem Metall mit hoher Zeitfähigkeit ähnlich demjenigen des zentralen Stabs gebildet ist, hat. 5. Verbund-Elektrode nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß sie aus einem Metallstück von hoher Leitfähigkeit gebildet ist, in welchem Kerne oder Stäbe von kleinem Durchmesser eingebettet sind, di'e untereinander und zur Achse des genannten Stücks parallel sind und aus einem Metall von erhöhter oder höher Härte bestehen. 6. Verbund-Elektrode nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -lt e n n z e i c h n e t, daß sie durch einen zentralen Kern von großer Härte und durch eine äußere Auflage oder Umhüllung von hoher Zeitfähigkeit gebildet, wobei das eine Element von dem anderen (Kern von Umhüllung) durch eine Zwischenhülse getrennt sind, nämlich eine Zwischen- oder Verbindungshülse aus einem Metall, welches mit den beiden erstgenannten Metallen perfekt verschweißbar ist. Verbund-Elektrode nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß sie ein abgerundetes Ende besitzt, das im wesentlichen hemisphärisch und/oder verjüngt ist, beispielsweise verjüngt in der Art eines Kegel- oder Pyramidenstumpfs. B. Verbund-Elektrode nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß der zentrale Kern von großer Härte bezüglich des äußeren Stücks (Elements) von großer Leitfähigkeit außer Mitte gesetzt ist, und daß die Spitze der Elektrode in Art eines Konus- oder Pyramidenstumpfs geformt ist, der zum zentralen Kern schräg (ungleiehschenklig) oder außer Mitte gesetzt sein kann derart, daß die beiden konstituierenden oder Haupt-Elemente auf der kleinen Basis des Konus- oder Kegelstumpfs, welcher die Spitze (Aufsetzende, Schweißspitze) bildet, bündig oder in einer Ebene liegen. Verbund-E lektrode, nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 2 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß-in dem Blektrodenkörper eine Kühlkammer vorgesehen ißt, die am rückwärtigen Ende der Elektrode. offen ist. 10. Verbund-Elektrode nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Element von hoher elektrischer Zeitfähigkeit aus einem Metall, welches eine Zeitfähigkeit gleich 60o bis 100a der Leitfähigkeit von Kupfer besitzt, also beispielsweise aus Elektrolyt-Kupfer mit einer Leitfähigkeit vom 98 bis 102% TACS und einer Härte von 90 bis 100 Brinell gebildet ist oder aus einer Legierung aus Elektrolyt-Kupfe-r mit einem schwachen Anteil oder Gehalt von Chrom. Zirkonium oder Kadmium besteht: 11. Verbund-Elektrode nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Element von großer Härte aus einer Legierung von Kupfer-Chrom, Kupfer-Tungsten, Kupfer-Silber-Zirkonium, Kupfer-Kobalt-Bezyllium, Kupfer-Silber oder dgl. .t besteht, die eine Brinellhärte in der Größenordnung von 1#20 bis 250 Brinellgraden und eine Leitfähigkeit in der Größenordnung von. 25f bis 90l IACS@ aufweist. 12. Verfahren zum Herstellen einer Verbund-Elektrode gemäß Anpr=uch ä:;bzw,. einem oder mehreren der Ansprüche 1.bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß man zuerst einen zusammengesetzten Rohling bildet, nämlich durch Zusammenfügen seiner diversen Elemente oder Teile durch Schmelzen, mechanisches Verformen wie beispielsweise Walzen oder Schmieden, oder durch Verfahren der Pulvermetal.jurgie (Fritten, v Pressen, Sintern), und daß man alsdann diesen Rohling in einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstufen oder Arbeitsgängen einer sehr starken End-Verformung unterwirft, welche geeignet ist, eine innige Verbindung in Art einer Schweißverbindung zwischen den.genannten Elementen sicherzustellen (gegebenenfalls Preßkaltschweißung der Berührungsflächen). 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch , g e k e n n z e i c h -n e t, daß die End-Verformung des Rohlings derart geftIhrt wird, daß sie mindestens ftIr eine ihrer Dimensionen (Länge Breite, Höhe bzw. Dicke) eine Reduzierung (z.B. Abmessungsverkürzung) in einem Verhältnis von mindestens 10 : 1 nach sich zieht. 14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daB die End-Verformung des Rohlings durch Walzen, Schmieden, nämlich Warm- oder Kaltwalzen und/oder -schmieden, Ziehen, Strangpressen oder dgl. bewirkt wird. Anmerkung: In Beschreibung und Ansprüchen steht das Wort "Metall" auch für *Metall-Legierungen".