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Elektrode für die Punktschweißung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für die Punktschweißung sowie ein Verfahren
zu ihrer Herstellung.
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Zu den notwendigen Eigenschaften einer Elektrode für die Punktschweißunp
zählen eine mute thermische und elektrische Leitfähir,keit. Die Elektrode
sollte gute Widerstandsfähigkeit gegen Deformation beim Gebrauch besitzen, wenigstens
an dem Arbeitsende bzw. der Derührungsstelle, und zwar dann, wenn sie bei einer
Temperatur, die gleich oder 'fast gleich der Schweißtemperatur des Uerkstückes
ist, mechanischer Beanspruchung auszesetzt wird. Die Grfinde hierfür sind die folgenden:'
Die Punktschweilunp findet normalerweise Anwendunp- zur Ferstell-un- von kleinflIchigen
Schweißunr:en zwischen zwei verh,#,-ltnJ.sml,.ißifr, dünnen Metallbleche# und sie
wird im allgemeinen dadurch ausgeführt. daß die Bleche fest zwischen zwei axial
miteinander fluchtenden wasserrrok,'lblten Elektroden'eingeklemmt werden und man
dann Starkstrom von einer Elektrode durch die Bleche zu der anderen Elektrode fließen
läßt. Unter diesen UmstC!tnden findet die Widerstandserhitzung der Bleche insbesondere
an
der zwischen ihnen lief#enden Fl#tehe, da. wo sie miteinander in Berührung stehen,
statt. Das ist bedin#rt durch den-verhältnisnäßig hohen elektrischen 'liderstand
zwischen den Blechen an der Kontaktstelle und in der Praxis ist clas Ausmaß der
Hitzeerzeugung so gro3, daß vienif7stens die Elechschichten an der Berührunrsfläche
dieser Stelle mesch-r.iolzen werden und so die Bleche nach Abkühlung aneinander,#eschweiAt
sind. Wenn auf diese Weise ein Blechpaar aneinandergeschweißt wird, muß Vorsorge
getroffen werden, daß sich ein ähnlicher Vorgang nicht an den Berührunrsstellen
zwischen den Elektroden und den Blechen ereignet. Dieses wird durch die Kühlun,c
eines jeden ElektrodenMirpers mit umlaufendem Wasser erreicht, wodurch verhindert
wird, daß die Temperatur ihrer Spitze einen Wert erreicht .. bei der sie
sich selbst mit dem Blech verschweißen könnte. Trotz dieser Vorkehrung erreicht
die Temperatur der Spitze einer jeden Elektrode einen Wert., der nahe an der Schweißtemperatur
der Bleche während jedes Verschweißvorganges liezt.
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Weiterhin müssen, um den erforderlichen Kontakt zwischen den Blechen
zustande zu bringen, diese über die Elektroden mit beträchtlicher Kraft aneinandergepreßt
werden. Daraus folet, daß während eines Jeden Schweißvorganges die Spitze jeder
Elektrode einer beachtlichen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist und das bei
Temperaturen. die der Verschweißtemperatur des 'Herkstückes nahe kommen.
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Aus diesen Gründen muß wenigstens die Spitze der Elektrode für die
Punktschweißung zunächst einmal widerstandsfähig' gegen Deformation bei Temperaturen
in der Nähe der Verschweil#-temperatur
sein. Sodann muß eine solche
Elektrode hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, so daß sie den nötigen Starkstrom
aufnehmen kann. ohne durch den Stromfluß übermäßig erhitzt zu werden. Schließlich
muß-die Elektrode eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, so daß die Wasserkühlung
des Elektr odenkörpers auch bis zur Arbeitsspitze Wirkung hat. Unglücklicherweise
sind diese Anforderungen, die an eine Elektrode für die Punktschweißung zu stellen
sind, nämlich hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit und gute Wärmefestigkeit,
in gewissem Ausmaß unvereinbar miteinander. Materialien wie Kupfer nImlich, die
den beiden ersteren Anforderungen genügen, besitzen die dritte erforderliche Eimenschaft
nicht, während Materialien mit guter 1-kirmefestigkeit im allgemeinen verhM1tnismäßig
schwach wqrme- und stromleitend sind.
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Ist eine Elektrode -für die Punktschweißunm aus verhältnismäßig weichem,
aber gut leitendem Material wie Kupfer herrestellt, so verursachen die hohen Temperaturen
und die hohen Drucke, denen die Elektrodenspitze bei Gebrauch ausresetzt Ist, daß
diese Snitze ziemlich schnell ausgebreitet urird bzw. eine etwa vilzförmi-e Gestalt
annimmt. Wenn das eintritt, so ist es nötig die Reihenfolge der SchweißvorT.I-,*nee
zu unterbrechen und die Elektrode abzunehmen, so daß Ihrer Spitze die ursprüngliche
Form wiedergegeben werden kann. Das geschieht üblicherureise durch erneute maschinelle
Bearbeitung der Spitze oder durch ein Nacharbeiten mit einer Handfelle.
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Besteht die ';'Elektrode andererseits aus einem harten"'gegen Verformungen
mut widerstandsfähigen Material. das nur meringe elektrische und thermische Leitftil#.irI:eit
aufweist. so x-Fürde der zum Schweinen erforderliche Strom w""hrend des Betriebes
eine
Überhitzung und folglich eine Erweichung des Elektrodenmaterials
verursachen, was zu dem erwähnten "Verpilzen" der Elektrode führt. In Extremfällen
kann die Elektrode zum Schmelzen neigen und sich mit dem Werkstück verbinden.
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Es ist üblich geworden, Elektroden aus Materialien zu verwenden, deren
Eigenschaften zwischen den oben erwPhnten extremen Eigenschaften liegen, und die
eine etwa mit Kupfer vergleichbare elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzen,
jedoch eine bedeutend höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Typisch
für solche Materialien sind eine Reihe von Chrom-Kupfer-Legierungen, mit oder ohne
Zusatz geringer Mengen eines oder mehrerer der Metalle Be;yllium, Kobalt oder Zirkonium-
solche Legierungen sind für die Herstellung von Elektroden für die Punktschweißung
entwickelt worden. Elektroden aus solchen Legierungen neigen nichts-destoweniger
immer noch zum "Verpilzen", wenn auch weniger als Kupferelektroden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Problemen
abzuhelfen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrode für die Punktschweißung
gelöst, die mindestens ein Verstärkungselement aufweist, das von der äußeren Kontaktzone
in die Elektrode hineinragt, und das aus einem Material mit größerer Festigkeit
und größerer Widerstandsfähigkeit gegen Verformung bei Schweißbedingungen besteht,
als sie die bisher üblichen Elektrodenmaterialien besitzen.
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Es wurde gefunden, daß eines oder mehrere solcher Verstärkungselemente
weitgehend verhindern, daß die Elektrode "verpilzt".
Bei einer Art
der Elektrode für die Punktschweißung ist das rohrförmige Verstärkungselement ein
fest eingepaßter Einsatz in der Elektrodenspitze, so daß ein Teil der Endfläche
des Einsatzes mit dem Arbeitsende der Elektrodenspitze abschneidet und an diesem
eine äußerb Zone der Kontaktfläche bildet. Unter "äußere Zone der Kontaktflächel'
ist eine Zone zu verstehen, deren äußerer Umfang entweder mit dem Umfang der Be-.
rührungsfläche übereinstimmt, oder nahe an diesen herankommt und ihn vollkommen
einschließt.
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Es sind die Widerstandsfähigkeit des Einsatzes gegen Verformung bei
erhöhten Temperaturen sowie die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials
so hoch wie möglich.
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Der Einsatz besitzt vorzugsweise zylindrische Form, und sein äußerer
Umfang ist abgekantet, spitz zulaufend oder sonstwie geformt, um eine Spitze zum
Schweißen von dem gewünschten Profil zu erhalten. Es ist deshalb hervorzuheben,
daß der Einsatz nicht nur die äußere Zone der Kontaktfläche darstellt., sondern
auch das verhältnismäßig harte Material des Einsatzes an den Stellen der Elektrodenspitze
zu Verfügung stellt, die än die Berührungsfläche angrenzt, an welcher normalerweise
die "Verpilzungil auftritt.
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Es ist wünschenswert, daß die Leitfähigkeit des Einsatzmaterials unter
Berücksichtigung der Forderung, daß der Einsatz im BetriAb nicht weich wird, so
hoch wie möglich ist. Es wurde beispielsweise bei einer aus einer Kupfer-Chrom-Legierung
bestehenden Elektrode mit einer Leitfähigkeit von 8o% nach dem internationalen Standard
für ausgeglühtes Kupfer gefunden,
daß man ein zufriedenstellendes
Schweißen erreicht.. wenn man einen Einsatz benutzt"der eine Leitflthigkeit von
mehr als etwa 30% des internationalen Standards fer ausgeglühtes Kupfer hat.
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Werden mehrere Verstärkungselemente in Form von Stangen oder Streifen
verwendet, so können benachbarte Elemente in Berührung miteinander oder im Abstand
voneinander angeordnet werden. So ergibt es sich, daß die Elemente ein Rohr bilden,
das von der Iläußeren Zone der Kontaktflächel' in die Elektrode hineinragt, und
abhängig von der Querschnittsfläche der Verstärkungselemente eine durchgehende oder
unterbrochene Oberfläche besitzt sowie abhängig davon, ob die benachbarten Elemente
einander berühren oder nicht. Das Rohr kann von kreisförmigem oder anderem Querschnitt
sein und es kann, falls erwünscht, in Längsrichtung spitz zulaufen.
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Die Verstärkungselemente in Form von Stangen oder Streifen können
im Querschnitt rund, rechteckig oder gebogen sein. Besitzen sie gebogenen Querschnitt,
so*können sie Segmente eines zylindrischen Rohres bilden.
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Wird ein einzelnes Verstärkungselement verwendet., so kann dieses
eine Spirgie sein. Wahlweise kann auch der Querschnitt des Verstärkungselementes
in einer Normalebene zur Elektrodenlängsrichtung gesehen, spiralförmig sein.
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Üblicherweise ist die Spitze einer Elektrode für die Punktschweißung
verjüngt oder zugespitzt und falls erwünscht, können die Verstärkungselemente etwas
unterhalb der so gebildeten Schrägfläche liegen; sie können aber auch ein oder mehrere
Teile der Schrägfläche sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für die Punktschweißung. Dieses besteht
aus der Bildung einer rineförmigen Ausnehmung an einem Ende einer Stange aus Material
für eine Elektrode an der !tugeren Kontaktzone; weiter besteht das Verfahren aus
einem Einpressen eines rohrförmigen VerstRrkungselementez in die Ausnehmunr, so
daß das "Zußere Ende des Elementes mit der Kontakt-Zone im wesentlichen bündip,
ist wobei das Element aus einem Material besteht, das (unter Schweißbedingungen)
eine relativ gr?#!#eref Festir-keit und grUere 1,-liderstandsfhhi,71ceit ge-en Verformunm
besitzt, als die üblichen zur -lierstellunt- von EleI:troden verwendeten tlaterialien.
','chließlich wird die 7,tan--e unter Druck in eine Gegenstrangpresse einrebracht,
um eine Aushöhlunr.
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als Kühlkammer in der Elektrode zu erhalten.
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Schließlich bezieht- sich die Erfindunr auf ein Punktschweinrrerät,
das mit einer *Elektrode der Erfindung arbeitet. Ausführungsbeispiele der Elektroden
der Erfindung- sind in der Zeichnunm dargestellt und werden in folr#enden n##her
beschrieben.
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Es zeigen:
| die Fig. 8 bis 12 Diagramme von fünf weiteren Arten
von |
| Einsätzen. |
Nach Fig.
1 ist ein Elektrodenkörper
1 aus einer Kupfer-Chrom-Legierung
hergestellt., die als I'Mallory
31' bekannt ist ("Mallory" ist eingetragenes
Warenzeichen) und das Arbeitsende dieser Elektrode besitzt einen eingepreßten, hohlzylindrischen
Verstärkungseinsatz 2, dessen Endfläche
3 eine ringförmige äußere Zone einer
Kontaktfläche 4 der Elektrode darstellt. Der Einsatz 2 besteht aus einem Material.,
das als "Elkonite 30W3" bekannt ist C'Elkonitell ist eingetragenes Warenzeichen)
und enthält eine gesinterte Masse von Wolframteilchen deren Zwischenräume mit Kupfer
ausgefüllt sind. Die Elektrode weist eine Kühlkammer IA auf.
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Elektroden der oben beschriebenen Art weisen im Betrieb eine merklich
vergrößerte Widerstandsfähigkeit gepen "Verpilzen" auf im Vergleich zu beispielsweise
Elektroden von der gleichen Größe und der gleichen Form, die aber ausschließlich
aus der I'MallorY 3!'-Lemierung hergestellt sind ohne den Einsatz aus "Elkonite
30W3" aufzuweisen.
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Zur Aufstellung der graphischen Darstellung nach Figur 4 wurden Versuche
zur Bestimmune der relativen Widerstandsfähigkeit gegen Verpilzen der Elektroden
aus "tlallory Y' mit und ohne Einsätze aus "Elkonite 3o1-1311 durchgeführt,
wobei Paare solcher Elektroden in einem automatischen Punktschweißapparat benutzt
wurden um zwei Streifen von EN2B-Weichstahl(einem weichen Kohlenstoffstahl) zusammenzuschweißen.
Dabei wurde darauf geachtet, daß das gleiche Schweißsystem bei jedem Elektrodenpaar
angewendet wurde. Nachdem ein jedes Elektrodenpaar für lo.ooo Schweißungen
verwendet
worden war, wurde eine Elektrode eines jeden Paares herausgenommen und ihr "Verpilzungskoeffizient"
(Cm) in Prozent bestimmt.
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Dieser "Verpilzungskoeffizient in Prozent" ist bestimmt durch
Dabei bedeuten: M: die auf eine rechtwinklig zur Mittellinie der Elektrode liegende
Ebene projizierte Fläche der "verpilzten" Elektrodenspitze:-T: die auf die gleiche
Ebene projizierte Fläche, die die Spitze haben würde, wenn ihre Länge ohne "Verpilzen"
um einen Betrag verkürzt worden ist, der dem beim "Verpilzen" tatsächlich auftretenden
Längenverlust entspricht. Das "Verpilzen" einer Spitze ist diagrammartig in Figur
5 durch gestrichelte Linien angedeutet. In Figur 4 gibt die Kurve
A die Versuchsergebnisse mit einer üblichen Elektrode wieder und Kurve B
zeigt die Ergebnisse mit einer Elektrode nach der Erfindung.
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Nach lo.ooo Schweißungen machte der Koeffizient Cm einer Elektrode
aus I'Mallory 311 mit einem Einsatz aus "Elkonite 39W311 1,5% aus, während
dieser Koeffizient für eine ganz aus "MallorY3" bestehende Elektrode 42% ausmachte.
Nach weiteren 2o.ooo Schweiß-Ungen war der Wert Cm für eine Elektrode'nach der Erfindung
zudem nur um l% bis 2,5% angewachsen.
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Die Erfahrungen mit den erfindungsgemäßen Elektroden haben gezeigt,
daß der Einsatz einen festen Sitz in dem Arbeitsende der Elektrode haben sollte.
Je fester der Sitz des Einsatzes
in der Elektrode ist, um so geringer
ist der Widerstand für den elektrischen Querstrom bzw. den Wärmequerstrom
in
den Richtungen A bzw. B. (vgl. Fig. 1).: auf diese Weise wird im
Betrieb die Wärme besonders wirkungsvoll von der Elektrodenspitze abgeleitet.
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Ein Weg der Herstellung einer Elektrode gemäß der Erfindung ist in
den Figuren 2 und 3 dargestellt. In Figur 2 ist eine zylindrische Stange
5 aus "MallorY Y' - Legierung in der zylindrischen Kammer
6 einer vertikalen Gegenstrangpresse angeordnet. Die untere Fläche der Stange
5 besitzt einen kreisförmigen Kanal 17, in den in einem vorherigen
Arbeitsgang ein hohlzylindrischer Einsatz 8 aus "Elkonite 30W3" eingepreßt
wurde. Die Höhe des Einsatzes 8 ist etwas größer als die Tiefe des Kanales
7, so daß der Einsatz nach dem Strangpressen die untere Endfläche der Stange
5 leicht überragt, normalerweise um etwa o,Imm. (Letzteres ist in den Figuren
2 und 3 nicht dargestellt).
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Wenn die Stange 5 in der Presse, so wie in Figur 2 dargestellt,
angeordnet ist, wird ein Druckkolben 9 in die Oberfläche der Stange getrieben,
welcher diese so verformt, wie es in Figur 3
dargestellt ist. Wie gezeigt,
drückt der Druckkolben 9 die Stange 5 radial nach außen bis sie an
der Innenwand der Kammer 6 anlieg' und bringt einen Anteil des Stangenmaterials
zum Rückfließen zwischen sich und der Kammerwand, wodurch die Längskammer IA innerhalb
der Stange 5 geformt wird. Diese Kammer bildet die Kühlwasserkammer in der
fertigen Elektrode. Nachdem die deformierte Stange aus der Presse herausgenommen
ist, wird das'untere Ende In die Figur 1 gezeigte Form gebracht, vorzugsweise
durch spanabhebende Bearbeitung. Ihr oberes Ende wird verjüngt.,
damit
die fertige Elektrode in einen Standard-Elektrodenhalter eingepaßt werden kann.
Anstatt die Kammer durch Materialrückfluß auszubilden, kann sie auch ausgebohrt
werden.
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Die Hauptabmessungen einer Elektrode nach der Erfindung ergeben sich
aus Figur 7 und zum Vergleich die einer herkömmlichen Elektrode aus Figur
6.
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Obwohl für das eben beschriebene-Ausführungsbeispiel die Verwendung
von I'Mallory 311-Legierung genannt wurde und. zwar mit einem hohlzylindrischen
Einsatz aus "Elkonite 301J3", kann die Elektrode beispielsweise auch aus Metallen
oder Legierungen hergestellt werden, die üblicherweise filr die Herstellung von
Elektroden für die Punktschweißung verwendet werden und der Einsatz kann aus einem
metallischen Material bestehen., das bei erhöhten Temperaturen härter ist, als das
Material der Elektrode, In die er eingepaßt wird. Von den Materialien, die zur Herstellung
verwendet werden können, eignen sich besonders Wolfram oder Molybdän oder Legierungen,
die hauptsächlich aus einem oder aus beiden dieser Metalle bestehen, oder Materialien
die hauptstächlich aus einer Sintermasse von Wol:Cram oder Molybdänteilchen, oder
beider, bestehen.
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Die Figuren 8 bis 11 zeigen andere Arten von Einsätzen,
die gemäß der Erfindung verwendet werden können. Dabei stellt ein jeder dieser Einsätze
mindestens ein Verstärkungselement dar, das in die Elektrode von der äußeren Kontaktzone
hineinragt.
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Figur 8 zeigt einen aus vier Streifen lo bestehenden Einsatz,
bei dem die Streifen in Form eines IP:reisförmigen
Rohres angeordnet
sind und jeder einzelne Streifen gebogenen Querschnitt aufweist und somit ein Segment
eines zylindrischen Rohres darstellt.
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Figur 9 zeigt einen Einsatz aus runden Stäben 11, die
in Form eines kreisförmigen Rohres angeordnet sind. In der Zeichnung berühren die
Stangen'einander. Die Stäbe können auch (was nicht dargestellt ist) im Abstand voneinander
angeordnet sein. Wahlweise können die Stäbe auch quadratischen oder rechteckigen
Querschnitt besitzen.
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Die Figur lo stellt einen Einsatz aus rechteckigen Stäben 12 ;lar,
die voneinander Abstand haben und die Form eines verjüngten Rohres bilden, dessen
Durchmesser zum Elektrodeninneren hin von der äußeren Kontaktzone, in der die Endflächen
12 A der Stäbe 12 liegen, größer wird.
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Die Figur 11 stellt einen schraubenförmigen Einsatz
13 dar, und Figur 12 zeigt einen Einsatz 14, der im Querschnitt, spiralförmig
ist und zwar in einer Normalebene zu der Elektrodenlängsrichtung, welche Richtung
parallel zu der Achse des Einsatzes 14 verläufti Figur 12 A zeigt einen Stab
2o, aus welchem ein Elektrodenkörper geformt ist. Der Stab 2o besitzt im Zentrum
eine Nase 21 und eine ringförmige Aussparung 22 für die Aufnahme des im allgemeinen
rohrförmigen Verstärkungseinsatzes, der im vorherigen mit 2 bezeichnet war. Um das
Einpassen des zylindrischen Verstärkungseinsatzes (vgl. Fig. 13 A) zu erleichtern,
ist die Außenkante 23 der ringförmigen Aussparung 22 etwas eingeschnitten
um
eine abgesehrägte oder abgerundete Kante zu erhalten. Um den Einsatz in seiner Stellung-zu
halten, wird die Nase 21 gestaucht oder abgekantet und anschließend wird der Stange
die erwünschte Form gegeben, vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung.
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Eine Anzahl verschieden geformter Verstärkungseinsätze ist in Figur
13 gezeigt. Wie schon erwähnt, gibt Figur 13 A einen zylindrischen
Einsatz wiederz die Figur 13 B zeigt einen zylindrischen Einsath mit einer
Innenkante 24 von der Art, daß sie nach Einbau an ihrem äußeren Ende einen Einschnitt
iin Winkel von 3o 0 aufweist.
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Zu erwähnen ist, daß durch das Stauchen Material der in der Mitte
befindlichen Nase 21 nicht nur gegen die Innenfläche des Einsatzes gepreßt wird,
sondern auch gegen den dreieckig ausgeschnittenen Ring zwischen dem Einsatz und
der Nase infolge der Abkantung 24, wobei der Einsatz in der Aussparung 22 festgehalten
wird.
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Eine andere Abänderung des Einsatzes gibt die Figur 13 C wieder,
nach welcher die Außen- und die Innenkante des ginsatzes an dem Ende.,'das im Einbauzustand
das innerste ist., abgerundet sind. Der Einsatz nach der Figur 13 D ist eine
Kombination aus den Einsätzen hach den Figuren 13 B und 13 C.
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Die Figur 13 E zeigt einen Einsatz mit einer verjüngten Bohrung.
Die Verjüngung der Bohrung ist so gewählt, daß ihr breitester Durchmesser im Einbauzustand
am außen liegenden thde
des Einsatzes zu liegen kommt.
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Obwohl das Stauchen., das Strangpressen der Stange, und das Einpressen
des Einsatzes in die Aussparung der Stange eine enge Berührung zwischen dem Einsatz
und der Stange für den Wärme- und den Stromilbergang herbeiführen, kann diese Berührung
noch durch das Auftragen einer Schicht aus Silber oder einer Legierung mit hauptsächlich
Silber zwischen dem Einsatz und der Aussparung Intensiviert werden.
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Die Schicht aus Silber oder aus einer Legierung auf Silberbasis kann
nach Art eines Dichtungsringes am Fuß der Aussparung eingefügt werden. Auf diese
Weise hat der Druck, der während des Einpassens, des Strangpressens sowie des Staucheris
auf den Einsatz aufgebracht wird, nicht nur eine Verformung
des Dichtungsmaterials stattfindet.
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Nach einer anderen Methode können die entsprechenden F1Cchen des Einsatzes
und / oder der Aussparung mit Silber oder einer Silberlegierung überzogen
werden.