DE19512323A1

DE19512323A1 - Funktionselement für Schweißvorrichtungen

Info

Publication number: DE19512323A1
Application number: DE19512323A
Authority: DE
Inventors: Werner Schlattl
Original assignee: Schlattl Werner Bavaria Tech
Current assignee: Schlattl Werner Bavaria Tech
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1995-04-01
Publication date: 1996-10-02

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Funktionselement für Schweißvorrichtungen gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 Speziell bezieht sich die Erfindung dabei auf eine Pinole, einen Pinolenhalter oder dergl. Schweißzangenelement, wie es bei elektrischen Punktschweißzangen verwendet wird, sowie auch auf eine Düse, wie sie beispielsweise für den Austritt von Schutzgas bei Schutzgas-Schweißverfahren oder bei atomaren Lichtbogen- Schweißverfahren oder entsprechenden Schweißeinrichtungen oder -geräten Verwendung finden.

Der Begriff "Schweißeinrichtungen oder -geräte" umfaßt im Sinne der Erfindung die unterschiedlichsten Einrichtungen und Geräte, und zwar von einfachen Hand- Schweißgeräten und -pistolen bis hin zu Schweißautomaten oder für solche Automaten bestimmte Schweißpistolen usw.

Bei Elektrodenhaltern, wie Pinolen oder Pinolenhalter einer elektrischen Widerstands- Schweißeinrichtung (Schweißzangen usw.) besteht vielfach u. a. das Problem, daß es bei unerwünschten Berührungen zwischen dem Schweißgut und der Elektrode usw. zu elektrischen Nebenschlüssen kommt, mit der Folge, daß der gewünschte Schweißstrom bei dem jeweiligen Schweißpunkt nicht erreicht und dieser Schweißpunkt dann überhaupt nicht oder aber nur mit einer ungenügenden Qualität ausgeführt wird. Insbesondere bei kleineren, manuell betätigten Schweißzangen besteht dieses Problem. Durch die Aufbringung einer Keramik-Beschichtung wird eine elektrische Isolation erreicht, die einen elektrischen Nebenschluß zwischen der Elektrode, dem Elektroden- oder Pinolenhalter, der Pinole usw. außerhalb des gewünschten Schweißbereichs bzw. Schweißpunktes vermeidet.

Die bisher für Lichtbogen-Schweißverfahren oder entsprechende Schweißeinrichtungen oder -geräte verwendeten Düsen sind in der Regel aus Messing oder Kupfer gefertigt. Je nach Anwendungsgebiet weisen diese Düsen die unterschiedlichsten Bauformen und Ausführungen auf. Ein Problem besteht hier u. a. darin, daß beim Schweißen verflüssigten und verspritztes Material des Schweißgutes (Metallspritzer) an den jeweiligen Düsen haftet, wodurch sich eine Reduzierung des Düsenquerschnittes und damit auch des aus der Düse austretenden Gasstromes ergeben. Dies führt zu Qualitätsverlusten beim Schweißen bzw. an der hergestellten Schweißnaht. Bekannte Düsen müssen daher sehr häufig gereinigt werden. Es ist beispielsweise im Karosseriebau bisher notwendig, Schweißeinrichtungen oder Automaten, die zum Anschweißen von Türscharnieren an einer Fahrzeugkarosserie dienen, die jeweilige Düse nach jeder vierten Karosserie zu reinigen. Diese Reinigung ist äußerst schwierig und zeitraubend und kann in der Regel nur mit einem erheblichen Zeit- und Kraftaufwand, beispielsweise unter Verwendung von Schabern usw. erfolgen. Da sich die bekannten Düsen von anhaftenden Metallspritzern nur unzureichend reinigen lassen, ist auch ein sehr häufiger Austausch dieser Düsen erforderlich, was zu Stillstandzeiten und höheren Betriebskosten führt. Um diesen Nachteil zu mildern, werden heute vielfach auch Anti-Kontaktsprays eingesetzt. Diese stellen aber ein zusätzliches, die Umwelt belastendes und auch Kosten verursachendes Betriebsmittel dar. Die Anwendung von Sprays erfordert außerdem zusätzliche Zeit, die die Leistung einer Schweißvorrichtung mindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Funktionselement entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Vorteile der Keramik-Beschichtung sind u. a. auch ihre preiswerte Herstellbarkeit sowie ihre hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Abnutzung und auch Schläge sowie ihre gute Haftung an dem jeweiligen Grundkörper.

Das keramische Material enthält einen Zusatz von Titanoxid. Der Anteil an Titanoxid beträgt etwa zwischen 2 und 8%, vorzugsweise 5%, und zwar jeweils bezogen auf 100% keramischen Werkstoff. Der Anteil an Keramik im keramischen Werkstoff beträgt dann etwa 98-92%, vorzugsweise 95% bezogen auf 100% keramischem Werkstoff. Durch den Anteil an Titanoxid weist die Beschichtung speziell auch bei den termischen Belastungen beim Schweißen eine hohe Festigkeit auf.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Körper des Funktionselementes aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in sehr vereinfachter Darstellung und teilweise im Längsschnitt die Gasdüse eines Kopfes einer Schweißvorrichtung oder Pistole;

Fig. 2 in sehr vereinfachter Darstellung eine Pinole einer elektrischen Zange;

Fig. 3-5 jeweils in vereinfachter Darstellung eine Anordnung zum Beschichten durch Spattern oder Vakuum-Beschichten.

Die in der Fig. 1 mit 1 bezeichnete Düse ist Bestandteil eines Kopfes einer Schweißeinrichtung (z. B. Schweißpistole) für das Schutzgas-Schweißen bzw. Schutzgas- Lichtbogen-Schweißen, z. B. Wolfrag-Inertgas-, Metall-Inertgas-, Heliarc, Argonarc-, Sigma- oder dergl. Schweißverfahren.

Die Düse 1 bzw. deren Düsenkörper besteht aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, z. B. aus einer Aluminium- Magnesium-Legierung (beispielsweise aus ALMG 5), oder einem anderen, geeigneten metallischen Werkstoff, wie z. B. Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel oder aus einer Legierung dieser oder anderer Metalle.

Die Düse bzw. der Düsenkörper 2 bilden einen Düsenkanal 3, der sich in Längsrichtung der Düse erstreckt und dessen Querschnitt sich bei der dargestellten Ausführungsform zu dem in der Figur linken Ende 4 der Düse hin verengt.

Hergestellt ist der Düsenkörper 2 beispielsweise aus einem rohrförmigen Ausgangsmaterial durch spanabhebende Tätigkeit oder aber in einem als "Rundkneten" bekannten Verfahren, bei dem unter Verwendung eines Verformungswerkzeuges in einer Vielzahl von rollen- oder walzenförmigen Verformungselementen eine bleibende, plastische Verformung des Ausgangsmaterials erfolgt, und zwar mit dem besonderen Vorteil einer Verdickung des Materials an den verformten Flächen, d. h. an den kegelstumpfförmig verlaufenden Flächen im Bereich des Düsenendes, wodurch die Düse 1 bzw. deren Düsenkörper 2 dort eine besonders hohe Festigkeit aufweist.

Durch die Düse 1 bzw. deren Düsenkanal 3 ist ein Schweißdraht 5 durchgeführt, der in der Figur auch über das Düsenende 4 vorsteht.

Der am Düsenende 4 offene Kanal 3 besitzt dort einen Querschnitt, der größer ist als der Außendurchmesser des Schweißdrahtes, so daß am Düsenende 4 eine den Schweißdraht 5 ringförmig umschließende Düsenöffnung 6 gebildet ist.

Während des Schweißens wird über den Düsenkanal 3 das jeweilige Schutzgas zugeführt, welches an der Düsenöffnung 6 austritt und die Schweißstelle gegen die Außenatmosphäre abschirmt sowie evtl. auch am Schweißprozeß teilnimmt (beispielsweise atomares Lichtbogen-Schweißen, Arcatom-Verfahren oder Plasma-Schweißen).

An seiner Außen- und Umfangsfläche, an der Stirnfläche bzw. am Düsenende 4 und an der Innenfläche des Düsenkanals 3 ist der Düsenkörper 2 mit einer keramischen Beschichtung 7 versehen, die entweder eine Aluminiumoxid-Keramik oder eine Aluminiumnitrid- Keramik ist, wobei das keramische Material einen Zusatz von Titanoxid enthält. Der Anteil an Titanoxid beträgt etwa zwischen 2 und 8%, vorzugsweise 5%, und zwar jeweils bezogen auf 100% keramischen Werkstoff.

Der Anteil an Keramik im keramischen Werkstoff beträgt dann etwa 98-92%, vorzugsweise 95% bezogen auf 100% keramischem Werkstoff.

Die Schicht 7, deren Dicke beispielsweise 7-16 Mikrometer, vorzugsweise 60 Mikrometer beträgt, ist durch Aufspritzen und/oder tauchen aufgebracht.

Hierfür wird der Düsenkörper 2 an denjenigen Flächen, die die Beschichtung 7 aufweisen sollen, mit einem die Beschichtung bildenden Material versehen, welches dann durch Erhitzen oder Sintern bei entsprechend hoher Temperatur die mit dem Düsenkörper 2 sich verbindende Keramikschicht 7 bildet.

Die Beschichtung 7 kann auch auf andere Weise beispielsweise durch Aufdampfen und Spattern erzeugt sein, d. h. durch Aufbringen im elektrischen Feld. Weiterhin kann die Beschichtung auch durch chemisches Abscheiden erzeugen werden.

Durch die Beschichtung 7 wird erreicht, daß beim Schweißen verspritztes Material insbesondere auch des Schweißgutes oder Metallspritzern nicht an der Düse haften bleiben, zumindest von dieser Düse problemlos und mit einfachen Mitteln, beispielsweise mittels eines Lappens oder einer Bürste durch einfaches Abstreifen entfernt werden können. Durch den Zusatz an Titanoxid wird eine verbesserte Haftung und auch Festigkeit für die Schicht 7 erreicht.

Grundsätzlich ist aber das vorbeschriebene Abstreifen von Metallspritzern insbesondere auch nur dann notwendig, wenn nicht allein schon aufgrund des aus der Düsenöffnung 6 austretenden Inertgas- bzw. Schutzgas-Stromes z. B. im Bereich der Düsenöffnung 6 befindliche Metallspritzer abgeblasen werden.

Mit der beschriebenen Düse ist ständig ein ausreichender Querschnitt für die Düsenöffnung und damit ein ausreichender, die Schweißstelle optimal abschirmender Gasstrom sichergestellt. Hierdurch ergibt sich u. a. auch eine wesentliche Verbesserung der Schweißqualität sowie eine Verringerung der Nebenzeiten eines Schweißautomaten für die Reinigung der Düse 1 bzw. eine wesentliche Steigerung der Leistung der jeweiligen Schweißstation. Besonders Betriebsmittel, wie z. B. die bisher verwendeten Anti-Kontakt- Sprays sind nicht erforderlich und auch ein häufiges Austauschen der Düse 1 entfällt. Hierdurch ergibt sich eine entscheidende Kostenreduzierung. Die Aufbringung der Beschichtung 7 durch Aufspritzen oder Tauchen kann besonders einfach, schnell und kostengünstig erfolgen. Die hierdurch erzeugte Beschichtung weist eine große Härte und Festigkeit auf, so daß die Düse 1 insgesamt auch gegen mechanische Beschädigungen unempfindlich ist.

Es versteht sich weiterhin, daß die Düse 1 selbstverständlich auch für Schweißverfahren oder Schweißvorrichtungen verwendet werden kann, bei denen der Schweißdraht 5 nicht durch den Düsenkanal 3 geführt ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Pinolenhalter 8 einer Schweißvorrichtung oder Schweißzange und die an diesem lösbare befestigte Elektrode (Pinole) 9 mit Polkappe 10. Um beim Elektro- Schweißen einen elektrischen Kontakt zwischen der den Schweißstrom führenden Pinole 9 und dem Schweißgut 11 zu vermeiden, ist die Elektrode 9 mit einer der Beschichtung 7 entsprechenden Beschichtung 12 aus Keramik versehen, wobei das keramische Material wiederum einen Zusatz von Titanoxid enthält. Der Anteil an Titanoxid beträgt etwa zwischen 2 und 8%, vorzugsweise 5%, und zwar jeweils bezogen auf 100% keramischen Werkstoff. Der Anteil an Keramik im keramischen Werkstoff beträgt dann etwa 98-92%, vorzugsweise 95% bezogen auf 100% keramischem Werkstoff. Die Beschichtung 12 ist in der gleichen Weise hergestellt, wie dies oben für die Beschichtung 7 beschrieben wurde.

Die Beschichtung 12 kann zusätzlich auch an anderen Teilen der Schweißzange, beispielsweise am Pinolenhalter 8 und/oder an der Außenfläche von Verbindungselementen, mit denen die Pinole 9 am Pinolenhalter 8 auswechselbar befestigt ist, vorgesehen sein.

Ebenso wie die mit der Beschichtung 7 versehene Düse 1 bilden auch die Pinole 9 oder andere mit der Beschichtung 11 versehene Teile einer Schweißzange ein "Funktionselement" einer Schweißvorrichtung gemaß der Erfindung.

Der Düsenkörper 2 oder der Körper des Pinolenhalters 8 können auch aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aber Stahl bestehen.

Eine Beschichtung 7 bzw. 12 eigene sich als keramische Werkstoffe insbesondere auch oxidische, fluoridische, karbidische und/oder nitridische Materialien, und dabei speziell auch Aluminiumoxid, Aluminiumtitanat und Bornitrid, die dann z. B. durch Vakuum- Beschichtungsmethoden (Spattern, Elektrodenstrahlverdampfen oder chemische Vakuumabscheidung - CVD) mit einer Schichtdicke, beispielsweise 1 Mikrometer aufgebracht werden. Die Wahl der Materialien für den jeweiligen Grundkörper (Düsenkörper 2, Pinolenhalter 8 oder Pinole 9) und für die Beschichtung sind so ausgewählt, daß sich für den Grundkörper und die Beschichtung ein nahezu gleicher thermischer Ausdehnungsqiozient ergibt, vor allem aber die Beschichtung mechanisch stabil ist und durch das Schweißmaterial nicht angegriffen bzw. zersetzt wird.

Fig. 3 zeigt in sehr vereinfachter, schematischer Darstellung eine Anordnung beim Beschichten des Düsenkörpers 2 durch Spattern (Kathodenstrahlbeschichten im Vakuum). In der Fig. 3 ist 2 wiederum der zu beschichtende Düsenkörper und 13 eine beheizte Kathode, die aus einem die Beschichtung 7 bildende Material besteht oder ein solches Material enthält. Mit 14 ist eine Hochspannungsquelle bezeichnet, die zwischen der Kathode 13 und dem Düsenkörper 2 ein elektrisches Spannungsfeld erzeugt, welchem beispielsweise auch ein Hochfrequenz-Anteil überlagert sein kann. Durch ein nicht dagestelltes Magnetfeld oder durch andere elektrische oder magnetische Linsenanordnungen wird der Strom 15 des an der Kathode verdampften Materials auch so umgelenkt bzw. konzentriert, daß gezielt auch die Innenflächen des Düsenkörpers 2 bzw. der dortige Düsenkanal 3 bedampft bzw. beschichtet werden.

Das erfindungsgemäße Funktionselement ist u. a. durch folgende Merkmale charakterisiert:

Das keramische Material für die Beschichtung ist eine Keramik, nämlich eine Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃) oder eine Zirkoniumoxid-Keramik (ZrO₂) mit einem Zusatz an Titanoxid (TiO₂).

Der Anteil an Keramik beträgt beispielsweise 92-98% und der Anteil an Titanoxid beispielsweise 2-8%, und zwar jeweils bezogen auf 100% keramische Masse, wobei der Anteil an Titanoxid bevorzugt der Größenordnung von 5% und der Anteil an Keramik in der Größenordnung von 95% liegen.

Der Grundkörper, d. h. der Düsenkörper 2 oder der Pinolenhalter 8 bzw. die Pinole 9 sind aus Kupfer oder Stahl oder aber auch aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt.

Bei der Düse 1 ist die Keramikschicht insbesondere am Düsenaustritt bzw. an der Düsenöffnung 6 auf der Innenseite der Düse aufgebracht, wo im praktischen Einsatz die Gefahr des Anhaftens von verspritztem Material besonders groß ist.

Um die Beschichtung der Innenfläche im Bereich der Düsenöffnung 6 zu ermöglichen, werden speziell die in den Fig. 4 und 5 wiedergegebene Anordnung bzw. das dortie Verfahren benutzt.

Mit dem Verfahren der Fig. 4 ist die zu beschichtende Düse 1 mit ihrer Düsen- bzw. Längsachse L schräg zu dem Teilchenstrom 15 des Beschichtungsmaterials angeordnet, und zwar derart, daß ein Anteil des Teilchenstromes 15 durch die Öffnung 6 auf die Innenfläche der Düse 1 bzw. des Düsenkörpers 2 auftrifft, und zwar in einem spitzen Winkel, d. h. in einem Winkel kleiner als 90°, der sich zur Düsenvorderseite hin öffnet. Gleichzeitig wird die Düse um ihre Achse L beim Beschichten gedreht, so daß sich nicht nur an der Außenfläche der Düse, sondern auch an der Innenfläche der Düse die Beschichtung 7 ausbildet, wie dies in der Fig. 4 angedeutet ist.

Die Fig. 5 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die den Teilchenstrom 15 bildenden elektrisch geladenen Teilchen durch ein senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 5 verlaufendes Magnetfeld abgelenkt werden, und zwar derart, daß diese Teilchen weit ins Innere der Düse 2 bzw. des Düsenkörpers gelangen und dort eine Beschichtung bewirken.

Bezugszeichenliste

1 Düse
2 Düsenkörper
3 Düsenkanal
4 Düsenende
5 Schweißdraht
6 Düsenöffnung
7 Beschichtung
8 Pinolenhalter
9 Pinole
10 Polkappe
11 Schweißgut
12 Beschichtung
13 Kathode
14 Spannungsquelle
15 Strom

Claims

1. Funktionselement für eine Schweißanordnung oder ein Schweißgerät, insbesondere Elektrodenhalter bzw. Pinolen oder Pinolenhalter, bestehend aus einem Körper (2, 9) aus einem metallischen Werkzeug, wobei der Körper an wenigstens einer Fläche mit einer Schutz-Beschichtung (7, 12) aus keramischem Material versehen ist, nach Patent (Patentanmeldung P 4429422.0), dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material ein keramischer Werkstoff mit einem Zusatz von Titanoxid ist.

2. Funktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Titanoxid etwa zwischen 2 und 8%, vorzugsweise 5% beträgt, und zwar jeweils bezogen auf 100% keramischen Werkstoff.

3. Funktionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Keramik im keramischen Werkstoff etwa 98-92%, vorzugsweise 95% bezogen auf 100% keramischem Werkstoff beträgt.

4. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik eine Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) und/oder eine Zirkoniumoxid (ZrO₂- Keramik) ist.

5. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Masse durch Aufsprühen und/oder Tauchen und/oder Aufdampfen und/oder Spattern und/oder chemisches Abscheiden und/oder galvanisches Abscheiden auf die Fläche des Körpers (2, 9) aufgebracht ist.

6. Funktionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz-Beschichtung eine Keramik-Beschichtung (7, 12) ist.

7. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Gasaustrittsdüse zur Verwendung bei Schweiß-Einrichtungen oder -Geräten, insbesondere für das Schutzgas, und/oder Lichtbogen-Schweißen (auch atomares Lichtbogen-Schweißen), bestehend aus einem Düsenkörper (2) aus dem metallischen Material, der wenigstens einen an einem Düsenende (4) offenen und dort mindestens eine Düsenöffnung (6) bildenden und von einem Gas durchströmbaren Düsenkanal (3) aufweist, wobei die Keramik-Beschichtung (7) auf die Außenfläche des Düsenkörpers (2) und/oder auf die Innenfläche des Düsenkanals (3) zumindest im Bereich der Düsenöffnung (6) aufgebracht ist.

8. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Elektrodenhalter und/oder Pinolenhalter (8) und/oder Pinole (9) und/oder als Verbindungselement zum lösbaren Befestigen eines Elektrodenelementes oder einer Pinole an einem Elektrodenhalter oder Pinolenhalter (8), wobei zumindest ein Teil der Außenfläche des Elektrodenelementes, des Elektroden- oder Pinolenhalters (8), der Pinole und/oder des Verbindungselementes mit der Keramik-Beschichtung (12) versehen ist.

9. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik-Beschichtung (7, 12) durch Aufbringen eines diese Beschichtung bildenden Materials auf den Körper und anschließendes Erhitzen oder Sintern erzeugt ist.

10. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Dicke von etwa 50-60 Mikrometer, vorzugsweise von etwa 50 Mikrometer aufweist.

11. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid ist.

12. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mehrschichtig ausgebildet ist, und daß wenigstens eine Schicht aus Aluminiumoxid oder eine Schicht aus Aluminiumnitrid besteht.

13. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Funktionselementes zumindest im Bereich Schutz-Beschichtung aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder Stahl besteht.

14. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff ein solcher aus einem oxidischen, fluoridischen, karbischen und/oder nitridischen Material ist.

15. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff von Magnesiumoxid, Aluminiumtitanat und/oder Bornitrid gebildet ist.

16. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch eine Vakuum-Beschichtungsmethode, beispielsweise Elektrodenstrahlverdampfen oder durch chemische Vakuum-Beschichtung (CVD) aufgebracht ist.

17. Funktionselement nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung etwa 1 Mikrometer beträgt.

18. Funktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2, 9) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.