DE1915749A1 - Elektrisches Schweissverfahren,insbesondere fuer elektrische Verbindungen - Google Patents

Description

Dr. phil. G. B. HAGEN 1 QI R7AQ

Patentanwalt I 3.1 3 / H

8000 MÜNCHEN 71 (Solln)

Franz-Hals-Straße 21

Telefon 796213

AMP 2467 München, den 26. März 1969

Dr.H./HM

AMP Incorporated
Eisenhower Boulevard
Harrisburg, Pennsylvania V. St. A.

Elektrisches Schweißverfahren, insbesondere für elektrische Verbindungen

Priorität: U.S.A.; 12. April 1968; U.S.Ser.No. 720 -776

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von zweiMetallteilen miteinander, von denen der eine Metallteil im wesentlichen aus Kupfer besteht.

Es wurde in der letzten Zeit beträchtliche Mühe verwendet, um ein praktisches Verfahren zum Verschweißen elektrischer Leiter miteinander zu bewirken, die aus Drähten, Klemmen und dergleichen bestehen. Das hierbei am meisten verwendete Material ist Kupfer bzw. eine Kupferlegierung. Die Versuche, derartige Leiter im Wege der Schweißung miteinander zu verbinden waren nur mäßig erfolgreich, insoweit es sich um für Massenproduktion geeignete Verfahren handelt. Die Nachteile

der bisher für solche Zwecke verwendeten Technik liegen

909848/0942

Bayerische Vereinsbank München 820993

AMP 2467 ' - 2 - '

in der Notwendigkeit der Anwendung von verhältnismäßig komplizierten und kostspieligen Schweißapparaturen,. * wobei in vielen Fällen die Schweißstelle von einem Schutzgas umgeben wurde. In vielen Fällen ergaben die Schweißungen stark unterschiedliche Eigenschaften und insbesondere im allgemeinen eine niedrige mechanische Zugfestigkeit und einen elektrischen Widerstand, der von Schweißung zu Schweißung stark unterschiedlich war. Andere zur Anwendung gebrachte Schweißtechniken erforderten besondere kostspielige sich aufzehrende Elektroden.

Die britische Patentschrift 1 074 695 beschreibt ein Schweißverfahren, welches in weitem Maße frei von den Umständlichkeiten ist, die im allgemeinen bei ähnlichen Schweißungen begegnet werden. Beispielsweise kommt das Verfahren gemäß der britischen Patentschrift ohne Anwendung eines Schutzgases in Form einer speziellen Gasatmosphäre aus und es findet ein außerordentlich einfach und zuverlässig arbeitender Schweißstromkreis Anwendung. Me britische Patentschrift sieht eine bewegte Schweißelektrode vor, die mit festen Werkstücken in Berührung gebracht wird und dann wieder von denselben entfernt wird, so daß ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und den Werkstücken eingeleitet wird unter Anwendung eter - , elektrischen Relaisanordnung, wenn der Kontakt zwischen den Teilen unterbrochen wird. Der Lichtbogen, der gebildet wird, wenn die Elektrode von den Werkstücken entfernt wird, bewirkt ein Schmelzen der Teile und dadurch eine Verbindung derselben miteinander. Ein besonderer Vorteil dieser Technik liegt darin, daß die Bedienungsperson die Elektrode in eine bestimmte Stellung bringen kann, ohne sich darum kümmern zu müssen, daß zufällig und ständig bei Berührung ein Lichtbogen sich bildet,

909845/0942

AMP 2467 - 3 -

Da der Lichtbogen gebildet wird, wenn die^:Elektrode von dem Werkstück entfernt wird, ist die Form der''Elektrode oder der Werkstücke nicht besonders kritisch in bezug auf spitze Kontaktstellen. Die Erfahrungen mit einem derartigen Schweißverfahren liefen dahin, daß das Verfahren bei einer ganzen Anzahl technischer Aufgaben zufriedenstellend arbeitet, es hat sich jedoch gezeigt, daß trotzdem noch Platz für weitere Verbesserungen bei der Schweißverbindung von Kupfer und Kupferlegierungen besteht.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verschweißen von zwei vollständig oder im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Teile kennzeichnet sich dadurch, daß in die Schweißzone Aluminium eingeführt wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Schweißstück, das vollstän/dig oder teilweise aus Kupfer besteht und, zwecks Verschweißen gemäß der Erfindung, an der zu verschweißenden Stelle einen Einsatz aus Aluminium aufweist.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren erörtert. Von den Figuren zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Apparateteiles, der drei unterschiedliche gemäß der Erfindung zu verschweißende Klemmen aufweist;

Figur 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch eine Schweißstelleι

Figur 3 eine der Figur 2 ähnliche Darstellung vor dem Verschweißen;

Figur 4 eine, sehematische Darstellung einer Schweißanordnung, bei der eine Elektrode in bezug auf ein Werkstück bewegbar ist; 909845/0942

AMP 2467 - 4 - '

Figur 5 eine schematische Darstellung des zur Anwendung gelangenden Schweißstromkreises* .

In Figur 1, die drei verschiedene elektrische Klemmen zeigt,, bedeutet 10 eine elektrische Grundplatte, die als Gehäuse für eine elektrische Klemmenanordnung dient. Die Platte kann eine Anzahl stromleitender Wege 11 in der Form von auf der Oberfläche niedergeschlagenen stromleitenden Schichten oder Folien aufweisen. Die Platte 10 kann auch elektrische oder elektronische Schaltelemente aufweisen, die zu einem Stromkreis miteinander verbunden werden.

An der linken Seite in Figur 1 befindet sich ein elektrischer Federkontakt 12, der an der Platte 10 in einer Öffnung befestigt ist, die sich vollkommen hindurch erstreckt und ebenfalls die mit 11 bezeichnete Strombahn durchsetzt. Die Klemme 12 wird an der Oberseite der Platte 10 durch die Strombahn 11 abgeschlossen und die Unterseite ist offen zur Aufnahme eines SteckerStiftes 14, der an einem elektrischen Kabel 16 befestigt ist. Der Stift 14 wird an der Stelle W mit dem Kernleiter des Kabels 16 verschweißt und wird dann in die Klemme 12 eingesteckt, um eine Eingangsklemme oder eine Ausgangsklemme für eine auf der Platte vorgesehene Vorrichtung zu bilden. Ein solcher Stift 14 ist in Figur 1 vor dem Verschweißen dargestellt.

In der Mitte der Platte 10 ist in Figur■1 eine zweite Anschlußklemme für ein Kabel 16 dargestellt, in dem der Kernleiter des Kabels 16 eine Öffnung in der Platte 10 durchsetzt und in einen zylindrischen leiter 18 hineinragt, der unlösbar mit der Platte 10 verbunden ist und in Verbindung mit einer der elektrischen Stromwege 11 steht. Der Kernleiter des Kabels 16 schneidet bündig mit der oberen Fläche des

909*45/0942

AMP 2467 ■ . - 5 -

Teiles 18 ab und ist bei W mit dem Teil 18 verschweißt. Figur 1 zeigt auch den Teil 18 vor der Schweißverbindung.

An der rechten Seite der Figur 1 ist an der Platte 10 eine Kontaktstelle 20 gezeigt, die mechanisch fest in einer öffnung der Platte 10 eingesetzt ist und mit einer Strombahn 11 verbunden ist. Das freie Ende des Teiles 20, das sich durch das Loch in der Platte 10 nach unten erstreckt und dort vorsteht, hat ein Loch, durch das der Kernleiter eines Kabels 16 gesteckt wird und an der Stelle W angeschweißt wird, so daß das Kabel eine Zuleitung zu der Klemme 20 bildet. Es ist auch eine Klemme 20 vor der Verschweißung in Figur 1 wiedergegeben.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Schweißstelle W der vorstehend erörterten Klemmen in stark vergrößertem Maßstab. Der Kernleiter des Kabels 16 ist wiedergegeben, ebenso wie die Schweißstelle W. Der Teil des Metallteiles M, der das Kabel 16 umgibt kann die Form einer rohrförmigen Zwinge an dem Stift H haben, es kann sich auch um eine Metallhülse 18 oder den Teil einer Klemme 20 handeln. Das Metall M und der Kernleiter 16 bestehen aus Kupfer oder einer im wesentlichen aus Kupfer bestehenden Legierung.

In Figur 3 ist die bevorzugte Ausführungsform eines Metallteiles M wiedergegeben, der einen der Teile H, 18 oder vor dem Anschweißen des Kabels 16 bilden kann. Man sieht, daß eine schmale ringförmige Nut in dem Teil M vorgesehen ist, die von einem Aluminiumring A gemäß Figur 1 und Figur ausgefüllt ist. Die Anwesenheit des Aluminiumringes an den miteinander zu verschweißenden Kupferteilen hat zur Folge, daß Aluminium in den SchmelzVorgang eingebracht wird, wenn ein Lichtbogen zwischen den Werkstücken, welche durch das

909845/0942

AMP 2467 ' - 6 -

Kabel 16 und den Teil M gebildet werden, und der Schweißelektrode, welche in Berührung mit den Oberflächen gebracht wird, gebildet wird. ■

Daa Aluminium kann auch in anderer Weise in denSchweißvorgang eingebracht werden, beispielsweise durch einen Zapfen auf dem einen Teil oder durch eine Folie, die zwischen (Leu beiden miteinander zu verbindenden Teilen angebracht wird.. In gewissen !'allen kann das Aluminium auch von außen während des Schweißvorganges eingebracht werden, wenn die Dauer dieses Vorganges dies zuläßt.

In Figur 4 ist ein Anschlußstift 14 in einer Anordnung zum Verschweißen mit einem Kabel 16 dargestellt. Der Stift 14 befindet sich auf einem fest angeordneten Halter 22 und ein Arm 23 trägt an seinem einen Ende eine bewegliche Elektrode 24* Der Arm 23 ist auf einem rotierenden Nocken 26 gelagert, der den Arm auf- und abbewegt und damit die Elektrode 24 dem Halter 22 nähert und von ihm entfernt. Der Arm 23 ist bei 28 schwenkbar gelagert und kann nach unten vorgespannt sein. Wenn der Nocken 26 rotiert, so wird die Elektrode 24 zuerst in Kontakt mit dem Stift 14 gebracht und dann wieder von demselben entfernt und zwar mit einer Geschwindigkeit, die durch die Rotatlonsgeschwindigkeit des Nockens 26 bestimmt ist. Der Halter 22 ist mit einer negativen Stromzuleitung 30 verbunden und der Arm 23 und damit die Elektrode 24 sind mit der positiven Stromzuleitung 32 verbunden.

Figur 5 zeigt schematisch die Relaisschaltung und die Stromzufuhr für eine in Figur 4 dargestellte Anordnung. Die Zuleitungen 30 und 32 dsr Figur 4 sind in Figur 5 wiedergegeben. Die elektrische Energie für die Bogen-

909645/0942

AMP 2467 - 7 -

schweißung wird von einer Stromquelle 34 abgeleitet, die "aus einer Kapazität und einer Gleichstromquelle bestehen kann, welche die-Kapazität auflädt. Eine Impulsdauersteuervorrichtung 36 ist an die Kapazität der Stromquelle 34 und an die Eingangsklemme einer Siliziumgleichrichtertorstufe 38 angeschlossen. Die Impulsdauersteuervorrichtung kann von üblicher Bauart sein und die Zeit der Entladung der Kapazität in der Stromq.ua.le 34 steuern. Der Stromkreis 36 kann beispielsweise ein einfacher monostabiler Flip-Flop sein, der so geschaltet ist, daß er für eine vorbestimmte Zeitdauer ein Relais steuert, wobei das Relais die Kapazität mit der Torstufe 38 verbindet. Die Torstufe 38 ist mit der Stromquelle über die Steuerstufe 36 verbunden und mit der Schweißelektrode durch die Anschlußleitung 32. Die Torelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters ist mit einer Relaissteuerstufe 40 verbunden, die wiederum an die Leitungen 30 und 32 angeschlossen ist. Die Relaasßteuerstufe kann von beliebiger Bauart sein und muß so ausgebildet sein, daß sie auf das Schließen des Stromkreises zwischen den Anschlußleitungen 30 und 32 anspricht und gesteuert wird durch die Kontaktgabe der beweglichen Elektrode mit dem Werkstück. Die Steuerstufe 40 kann beispielsweise ein elektromagnetisches Relais sein, dessen Wicklung mit einer Batterie oder dgl. verbunden ist und gesteuert wird, wenn die leitungen 30 und 32 miteinander verbunden werden, ähnlich wie es in der britischen Patentschrift 1 074 695 dargestellt ist. Wenn der elektrische Stromkreis zwischen den Leitungen 30 und 32 durch die Bewegung der beweglichen Elektrode von dem Werkstück weg unterbrochen wird, so hat das Zusammenbrechen des Feldes einen Auslöseimpuls zur Folge, der den Siliziumgleichriehter dbromleitend macht. Wenn die Siliziumgleichrichtertorstufe gezündet ist, so bleibt sie in diesem Zustand bis zum Ende

909845/0942

AMP 2467 - 8 -

des Impulses, das durch, die Steuer stufe 36 bestimmt ist* Die britische Patentschrift 1 074 695 sieht keine besondere ImpulsdauerSteuerstufe vor und eine derartige Steuerstufe 'ist nicht unbedingt erforderlich in vielen Anwendungsfällen. Die Amendung einer solchen Steuerstufe ist jedoch insbesondere bei experimentellen Arbeiten und bei Apparaten, die eine •breite Anwendungsfähigkeit beim Verschweißen von Werkstücken unterschiedlicher Form und unterschiedlichen Materiales vorsieht.

durch

Es soll nunmehr/die Anwendung des Verfahrens auch das Verschweißen' von Anschlußstellen erörtert werden. Im allgemeinen liefert eine Schweißung eine mechanische Verbindung von zwei oder mehr Werkstücken, die eine bestimmte Belastung verträgt. Die mechanische Stärke der Verbindung hängt im allgemeinen von der Bruchfestigkeit des weicheren der beiden zu verbindenden Teile ab. Handelt es sich beispielsweise um die Verbindung eines Drahtes mit einer Klemme in Figur 1, so hängt die Güte der Vabindung im allgemeinen von der Bruchfestigkeit des Kabels 16 ab. Eine Verbindung, bei der der Leiter an einer Stelle bricht, die von der Berührungsstelle der Werkstücke entfernt ist, ist eine mechanisch hochwertige Verbindung. Eine Verbindung, bei der eine Zugbeanspruchung einen Bruch an einer Stelle der Klemme oder an der Schweißstelle W bewirkt, ist weniger gut, unter Umständen jedoch für bestimmte Belastungsfälle wohl ausreichend. In bezug auf den elektrischen Anschluß bildet der elektrische Widerstand ein zweites Kriterium. Eine Verbindung, die an der Verbindungsstelle einen elektrischen Widerstand aufweist, der zumindesten ungefähr gleich demjenigen des Werkstückes von höherem Widerstand ist, ist als eine gute Verbindung anzusehen. Bei Starkstromkreisen können Verbindungen hohenWiderStandes eher in Kauf genommen

90 9845/0942

AMP 2467 - 9 -

werden als bei Stromkreisen, die Signalströme führen. Im allgemeinen sollte eine elektrische Verbindung die elektrischen Eigenschaften des Stromkreises so wenig wie möglich beeinflussen.

Bei den in Figur 1 bis Figur 3 dargestellten Ausführungsformen diente die Erfindung dem Zwecke, Verbindungen zwischen Werkstücken aus Kupfer in einem sogenannten Kupfer-Kupfer-Stromkreis zu bewirken. Es hat sich gezeigt, daß die Zugabe von Aluminium an der Schmelzstelle zwischen den Kupferteilen außerordentlich, die Zugfestigkeit erhöht, indem innerhalb der Schmelzstelle die Ausbildung von Löchern vermieden wird. Die Menge des in die Schmelzstelle eingeführten Aluminiums ist durchaus nicht kritisch» eine geringe Menge hat erfahrungsgemäß bereits eine Erhöhung der Zugfestigkeit zur Folge, Die tatsächlich zur Anwendung gelangende Menge Aluminium oder Aluminiumlegierung hängt von der Größe und der chemischen Zusammensetzung der zu verschweißenden Kupferteile und auch von den späteren physikalischen Eigenschaften der Schweißstelle ab* Außerordentlich gute Resultate wurden erzielt, wenn der Aluminiumgehalt etwas weniger als 1 # des Gewichtes der geschmolzenen Menge der Werkstücke i st. Der Mechanismus, aufgrund dessen das Aluminium die Bildung von löchern verhütet und die guten Eigenschaften der Schweißstelle verbessert, ist nicht vollständig klar. Es ist anzunehmen, daß das Aluminium als Sauerstoffgetter und als Modulator des Lichtbogens wirkt und eine Wärmeableitung bildet, da es bei niedrigeren Temperaturen als Kupfer siedet. Die Wirkungsweise von Aluminium kann auch durch Kombination mehrerer Dinge erreicht werden.

909845/0942

AMP 2467 · - 10 - ,

Bei ausgeführten Versuchen wurde zum Abschluß eines 14 AWG Kupferdrahtes von vollem Querschnitt eine aus Kupfer bestehende Hülse von etwa 12 mm Länge verwendet, wobei der Kupferdraht fest in'die Hülse paßte und das Ende des Drahtes und die Hülse miteinander zum Abschluß gebracht wurden, wie es Figur 3 zeigt. Es wurde dabei eine Aluminiumlegierung Nr. 1100 verwendet, die eine verhältnismäßig reine Legierung ist, und zwar in Länge von ungefähr 0,25 mm Länge und 0,09 mm Dicke bei einem Innendur chmesse.r von etwa 1,6 mm in einer Kupferhülse, die einen Innendurchmesser von 1,6 mm und eine Stärke von 0,4 mm hatte.

Bei einem Kupfer-Kupfer-Stromkreis zeigte sich, daß die in Figur 4 angegebene Polarität in beträchtlichem Maße die Bildung von Ruß an dem Gegenstand durch den Ano&enlichtbogen verhinderte sowie das Herausschießen ionisierten Gases und Metalldampfes von der Anode. Bei Verwendung einer Wolframanode als Schweißelektrode war eine saubere Schweißstelle zu erzielen. Da das Aluminium sich in dem Werkstück befindet, das die Kathode bildet, steht jedes Mal eine saubere Oberfläche zur Verfügung und Schwierigkeiten, die auf Unterschiede an der Kathode zurückgehen, sind äußerst gering. Experimentell wurden für das dargestellte Objekt unter Anwendung der in Figur 5 und 4 beschriebenen Vorrichtungen die folgenden elektrischen Bedingungen als zweckmäßig erprobte

Kapazitätsspannung! 72 V

Abziehgeschwindigkeit: 38 mm/sec

Impulsdauer: 20 msec.

Serienwiderstand: 90000 0hm

Geeamtkapazitäts · 0,11 F

Spitzenstrom: 675 A

909845/0942

AMP 2467 -11-

Bei Einhalten der vorstehend angegebenen Parameter kannte eine Zugfestigkeit von 50 kg erzielt, werden, bevor ein Brechen des so angeschlossenen Drahtes erfolgte, indem man an dem Draht zog und die Hülse, in der der Draht eingeschweißt war, festhielt. Unter normalen Verhältnissen hat der H AWG EDP Kupferdraht eine Zugfestigkeit von 56,7 kg.

Es hat sich gezeigt, daß eine Verschweißung, die in kürzerer Zeit als oben angegeben durchgeführt wurde eine höhere Zugfestigkeit ergab, da bei dem Schweißen sich ein geringeres Glühen des Drahtes einstellte. Wenn man Schweißungen in kurzer Zeit durchführt, so sollte man darauf achten, daß die für das schnelle Schmelzen erforderliche hohe elektrische Leistung nicht die Schmelze von dem Werkstück wegbläst. Man kann in gewisser Weise die vorstehend angegebenen Parameterwerte ändern. Beispielsweise kann innerhalb gewisser Grenzen eine höhere Spannung und daher höhere Energie kompensiert werden durch eine Vergrößerung des Widerstandes und eine Verkleinerung der Kapazität und eine Zunahme der Abziehgeschwindigkeit oder eine Abnahme der Impulsdauer, sämtliche Faktoren, die die dem Werkstück zugeführte Energie verringern. Zuverlässige Schweißungen wurden mit Abziehgeschwindigkeiten zwischen 30 und 50 mm/ see erreicht. Es erwiesen sich auch Abweichungen der Impulsdauer zwischen 15 bis 25 msec anwendbar. Die hauptsächliche Begrenzung des Widerstandes ist darin zu sehen, daß derselbe nicht so hoch gewählt werden darf, daß dadurch eine Entladung der Kapazität in Frage gestellt wird, bevor die Impulsdauersteuervorrichtung den lichtbogen beendet. Der Widerstand darf nicht so niedrig sein, daß dadurch der Spitzenstrom eine Explosion der Schmelze zur Folge hat.

Die Durchführung der Erfindung wurde im Zusammenhang mit dem elektrischen Bogenschweißen beschrieben, die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Schweißverfahren, beispielsweise bei Widerstandsschweißen oder Schweißen mit einem Schweißbrenner anwendungsfähig.

909845/0 9 42

Claims (1)

13^5749

ALIP 2467 — ^|

Patentansprüche

•1. Verfahren zum Verschweißen, von zwei Metallteilen, die ganz oder zum wesentlichen Teil aus Kupfer bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium (A) in die öchweißzone eingeführt wird.

'c. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer lichtbogen zwischen einer Elektrode und einem aus zwei Teilen, bestehenden. Werk stück'erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne t , daß der Lichtbogen durch Abziehen mit einer Geschwindigkeit zwischen 30 mm und 50 mm/sec gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen eine Dauer zwischen 15 und 25 msec hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium in einer Menge zugegeben wird, so daß sich eine Erhöhung der Zug/^festigkeit der Schweißstelle ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium weniger als ein 1 Gew.-$ der gebildeten Schweißstelle beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß

909845/0942

AMP 2467 4!

Aluminium vor dem Verschweißen in eine Höhlung des einen der zu verbindenden Teile eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium von außen während des Schweißvorganges zugegeben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, da ß Aluminium in Form einer Folie zwischen oder in die Nähe der Enden der miteinander durch die Schweißung zu verbindenden Teile gebracht wird.

10. Werkstück aus Kupfer oder zum wesentlichen Teil aus Kupfer zur Verwendung in einem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennz e i c h η et , daß das Werkstück einen Einsatzkörper (A) aus Aluminium an der zu verschweifenden Stelle aufweist.

11. Werkstück nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet , daß der Einsatzkörper (A) aus Aluminium die Form eines eingesetzten Ringes hat.

$0984 5/0942