DE19735219A1 - Verfahren zum Fügen von elektrisch leitfähigen Teilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von elektrisch leitfähigen Teilen durch Aufheizen mittels elektrischen Stroms, eine Vorrichtung zu seiner Durchführung sowie deren Verwendung.

Bisher sind schlecht auf der Gegenseite für Elektroden zu kontaktierende elektrisch leitfähige Bauteile, insbesondere Hohlkörper wie lange, geschlossene Profile oder große Massivteile meist nur durch thermisches Verbinden mit Schweißzusatzwerkstoff, Lötma­ terial oder dgl. verbindbar gewesen.

Ein Nachteil dieser thermischen Verbindungsverfahren besteht darin, daß die zum Verbinden benötigte Wärme nicht punktuell aufgebracht werden kann. Somit werden die zu verbindenden Teile stärker erhitzt, als für den reinen Verbindungsvorgang Schweißen oder Löten notwendig und die Teile verlieren teilweise ihre Maßhaltigkeit oder aber das Material erleidet eine nachteilige Gefügeumformung (bspw. bei kaltverfestigten Teilen die aus Kalt-Umformverfahren stammen, wie dem Innenhochdruckumformverfahren. In extremen Fällen verliert das zu verbindende vorgeformte Teil seine Form und einen Teil seiner Festigkeit.

Punktschweißen mit Laserpicker oder dergleichen hat wieder andere Nachteile.

Das Innenhochdruckverfahren als solches ist bekannt. Unter dem erwähnten In­ nenhochdruckverfahren oder auch IHV-Verfahren wird hier das Verfahren verstanden das beispielsweise im Industrieanzeiger Nr. 20 vom 9.3.1984 beschrieben worden ist oder auch in "Metallumformtechnik", Ausgabe 1D/91, Seite 15 ff: A. Ebbinghaus: Prä­ zisionswerkstücke in Leichtbauweise, hergestellt durch Innenhochdruckumformen" oder auch Werkstoff und Betrieb 123 bis 243: A. Ebbinghaus: "Wirtschaftliches Konstruieren mit innenhochdruckumgeformten Präzisionswerkstücken" oder auch "Werkstoff und Be­ trieb 122, (1991), 11, (1989), Seite 933 bis 938. Nachfolgend wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Offenbarung dieser Veröffentlichungen in vollem Umfang Bezug genommen. Das Verfahren wurde bisher für die Herstellung von verschiedenen geformten Hohlteilen, wie bzw. zur Herstellung von gebauten Nockenwellen zur Befesti­ gung von Nocken an einem Rohr, zur Herstellung von hohlen Nockenwellen, zur Herstel­ lung von Raumlenkerachsen aber auch zur Herstellung von Kraftfahrzeugrahmenteilen eingesetzt.

Es liefert hochpräzise, kaltgeformte Formteile, die während des Umformens eine Kaltverfestigung erfahren haben und deren Faserverlauf - wie sich bei mikroskopischer Betrachtung von Schliffen feststellen läßt - im wesentlichen dem Verlauf der Außenkonturen des geformten Teils entspricht. Dadurch sind diese Teile im Verhältnis zu ihrer Stärke sehr fest bzw. leicht.

Um derartiges nachteiliges Aufheizen ganzer Teile zu vermeiden, konnte man bei elektrisch leitfähigen Teilen, wie sie insbesondere im Automobilbau od. dgl. eingesetzt werden, Widerstandsschweißen einsetzen, da dort der zum Schweißen eingesetzte Strom besser punktuell zwischen zwei Gegenpol-Elektroden aufheizt, jedoch ließ sich dieses Verfahren nur dann verfahrenssicher einsetzen, wenn die zu verbindenden Teile von zwei Seiten zugänglich waren. Daher traten - vor allem beim flächigen Verbinden von Hohlkörpern, langen geschlossenen Profilen oder großen Massivteilen mit anderen Teilen, wie bspw. Blechen, immer das Problem auf, daß aufgrund der Unzugänglichkeit der anderen Seite dieses günstige Verfahren nicht oder in nicht ausreichend reprodu­ zierbarer Verfahrenssicherheit eingesetzt werden konnte, da große Wegstrecken zwi­ schen den Elektroden zu überwinden waren, da sehr hohe Verbindungsströme benötigt wurden und/oder verstärkt Nebenschlüsse auftraten. Die entsprechenden Anlagen wa­ ren daher sehr groß und raumaufwendig.

Ferner traten bei diesen großen Anlagen oft Probleme mit der erzielbaren Schweißgüte auf, um so mehr, je größer die zu verschweißenden Teile sind und je eher Nebenschlüsse auftreten können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von Teilen durch Widerstandsschweißen zu schaffen, das auch bei Teilen einsetzbar ist, die nur von einer Seite leicht zugänglich sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbinden von elek­ trisch leitfähigen Teilen durch Aufheizen mittels elektrischen Stroms gelöst, bei dem Elektroden unterschiedlicher Polung von der gleichen Seite der zu verbindenden Teile zugeführt werden und jeweils eines der zu verbindenden Teile berühren, Strom an die Elektroden angelegt wird und derart die leitfähigen Teile örtlich durch den Stromfluß von einer Elektrode zur anderen durch die zu verbindenden Teile erhitzt und verschweißt werden. Zur Erhöhung der Schweißgüte kann von einer der beiden Elektroden ein gewisser Anpreßdruck auf die zu verbindenden Flächen/Teile aufgebracht werden.

Dabei können die Teile im aufgeheizten Bereich teilweise oder vollständig schmel­ zen oder ein Schweißhilfsmaterial oder Lot zum Schmelzen gebracht werden.

Das Verbinden der Teile kann auch unter Verwendung von - elektrisch leitfähigem - Lötmaterial zwischen den Teilen erfolgen, so daß es sich dann um ein Lötverfahren handelt.

Es ist sinnvoll, daß in mindestens einem der zu verbindenden Teile eine Öffnung zum Durchtritt einer Elektrode und Kontaktierung nur mit dem dahinterliegenden Ge­ genstand vorgesehen ist., so daß über diese Elektrode das hintere Teil an ein anderes Potential als das vordere Teil gelegt werden kann so daß Strom zwischen beiden, gelei­ tet durch die zu verbindenden Teile - ggf. auch das Lötmaterial - fließt und diese örtlich zum Schweißen/Löten erhitzt.

Es ist sinnvoll, das Verfahren so durchzuführen, daß die Öffnung zum Durchtritt der einen Elektrode vor dem Aufbringen der Elektroden gebildet wird - bspw. durch Bohren, Stanzen, Schneiden od. dgl.

Bspw. werden Hohlkörper, geschlossene Profile oder Massivteile mit Blechen ver­ bunden. Eine typische Anwendung ist die Verbindung von Trägerteilen im Fahrzeugbau, wobei darin auch Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge enthalten sind, mit Blechen - ein typisches Einsatzgebiet ist die Verbindung zwischen Trägerteilen der Bodengruppe ei­ nes Automobils mit Blechen, wie Bodenblechen - es können aber auch im Flugzeugbau hohle Rohre mit Blechen verbunden werden od. dgl. Dem Fachmann sind entspre­ chende Anwendungen offensichtlich.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit mindestens zwei benachbart angeordneten Elektroden, die voneinander isoliert sind wie durch Luft, Gas oder ein anderes geeignetes Isolationsmaterial und von der gleichen Seite auf zu verbindende Teile zu bewegbar sind und einer Spannungsversorgung zum Anlegen hoher Spannung unterschiedlichen Potentials an die Elektroden.

Es kann vorteilhaft sein, daß eine Elektrode als Hohlkörper - bspw. als Hohlzylinder - ausgebildet ist, in dem die Elektrode anderer Polung axial so bewegbar ist, daß sie ein durch eine Öffnung im oberen Teil zugänglichen Bereich des unteren Teils isoliert vom oberen Teil kontaktiert (bspw. indem vermieden wird, daß das obere Teil vom leitenden Elektrodenteil berührt wird oder indem ein Kontakt nur mit einem elektrisch nichtleiten­ den Außenmantel der Elektrode stattfindet), und die anderen Elektrode das darunterlie­ gende Teil kontaktiert und derart Spannungen unterschiedlicher Potentiale zwischen den beiden Teilen aufgebaut werden können.

Es ist sinnvoll, daß sich zwischen den Elektroden ein Isoliermaterial befindet., wie Luft, eine isolierendes Gas oder nichtleitendes und hochtemperaturbeständiges Kunst­ stoffmaterial, wie Teflon oder aber auch Keramik. Es ist bevorzugt, daß dieses Isoliermaterial nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch isoliert, um das Elektrodenmaterial zu schonen.

Es ist günstig, wenn in der Vorrichtung ferner eine Einrichtung zur Herstellung von gegen den Kontakt mit den Öffnungswänden isolierten Durchtritt der inneren Elektrode geeigneten Öffnungen vorgesehen ist, wie eine Bohreinrichtung, eine Stanzeinrichtung, eine Schneideinrichtung, die nur das obere Teil oder aber auch beide Teile mit Öffnun­ gen versieht, durch die dann das darunterliegende Teil zur Kontaktierung mit der Ge­ genelektrode zugänglich ist.

Für viele Anwendungen ist es besonders vorteilhaft, daß die Innenelektrode durch Isoliermaterial außer an den Kontaktstellen überdeckt ist, bspw. eine Porzellan-, Kunst­ stoff- oder sonstige isolierende Ummantelung aufweist, in der die Elektrode bewegbar ist, wobei der Elektrodenkontakt freiliegt.

Eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung ist das Verbinden von Hohlteilen, ge­ schlossenen Profilen oder großen und/oder dicken Gegenständen mit zumindest teil­ weise flächig anliegenden Blechen.

Aufgrund der extrem kurzen Stromwege von einer Elektrode über die Schweiß­ zone zur anderen Elektrode, die das erfindungsgemäße Verfahren bietet, erscheint es aber auch geeignet, in bestimmten Fällen, wo gute beidseitige Zugänglichkeit bestünde, das Punktschweißen mit Gegenelektrode durch das erfindungsgemäße Verfahren zu substituieren. Nämlich dort, wo Nebenschlüsse durch zu geringen Schweißpunktabstand drohen, oder wo Bleche mit sehr unterschiedlichen Wandstärken verschweißt werden sollen. Die Nebenschlußgefahren, die beim sog. Indirektschweißen (beide Elektroden auf der selben Seite, aber nicht koaxial) drohen, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren stark vermindert oder vollständig ausgeschaltet.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung, die bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung zeigt, auf die diese aber keineswegs beschränkt ist, näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine mögliche Anordnung der Elektroden auf einer Kombination eines Hohlteils mit einem darüberliegenden Blech zum Verschweißen.

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Anordnung der Elektroden aus Fig. 1.

Fig. 3 eine weitere mögliche Anordnung der Elektroden zum Randverbinden zweier aufeinanderliegender Teile.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann das erfindungsgemäße Widerstandsverbinden zum Verbinden von Hohlkörpern 40 mit Blech 30 eingesetzt werden. Hierbei wird das Blech mit oder ohne Aushalsung/Schweißbuckel gelocht und an den Hohlkörper 40 in Schweißposition gelegt. Durch das Loch 60 wird eine erste Elektrode 10 so eingeführt, daß sie die Außenoberfläche des dahinterliegenden Hohlteils 40 kontaktiert ohne das darüberliegende Teil 30 zu berühren. Die zweite Elektrode 20, die hier als Hohlzylinder ausgebildet ist - (selbstverständlich ist auch jede andere Hohlform möglich, durch wel­ che die innere Elektrode bewegt werden kann, ohne Kontakt mit der äußeren Elektrode zu bekommen), wird nun axial über die erste Elektrode 10 geschoben, bis sie Kontakt mit der Oberfläche des gelochten Blechteils 30 neben der Öffnung bekommt. Nach An­ legen der Schweißspannung an die Elektroden und Fluß des Schweißstroms durch die zu verbindenden Teile in der Umgebung des Lochs wird nun ein Widerstandsschweiß­ vorgang eingeleitet, wobei der Weg des Stromes nur in etwa der Radiendifferenz der beiden Elektroden plus der Blechstärke entspricht. Hierbei kann zur Unterstützung des Schweißvorgangs axial Druck auf mindestens eine Elektrode/n 20 aufgebracht werden. Dadurch können die zu verschweißenden Teile 30, 40 definiert und in wiederholbarer Güte miteinander verbunden werden.

Es versteht sich von selbst, daß zwischen die zu verbindenden Materialien auch ein Lot aufgebracht werden kann und diese Materialien, je nach Bedarf und Ausgangs­ material und Anforderungen an Verbindungstemperatur und Verbindungsart, auch verlö­ tet werden können.

In Fig. 2 ist eine weitere mögliche Anordnung der Elektroden gezeigt. Hierbei han­ delt es sich um eine "Stabelektrode 10, um die die zweite Elektrode 20 als Hohlzylinder ausgebildet ist. Hierbei ist es wichtig, daß der Vorschub der Elektroden 10, 20 variabel ist, damit Materialien verschiedener Dicke miteinander verbunden werden können. Zwi­ schen den Elektroden ist hierbei ein Isoliermaterial, wie z. B. Keramik, Porzellan od. dgl. angebracht, um einen unerwünschten Spannungsüberschlag zwischen den beiden Elektroden zu vermeiden. Entsprechende Materialien sind dem Fachmann geläufig.

In Fig. 3 ist eine weitere möglicher Anordnung der Elektroden gezeigt. Hierbei sol­ len zwei Materialien bspw. in ihrem Randbereich miteinander verbunden werden. Vor­ teilhaft ist, wenn das "untere" Material das "obere" Material etwas überragt. Nun kann die vordere Elektrode 10 auf das "obere" Material aufgebracht und die hintere Elektrode 20 auf das "untere" Material und nach Anlegen der Schweiß oder Lötspannung (falls da­ zwischen ein Lötmaterial aufgebracht ist, kann nun wiederum der Verbindungsvorgang eingeleitet werden, wobei der vom Strom zurückzulegende Weg nur in etwa dem Ab­ stand der beiden Elektroden 10, 20 plus der Materialdicke entspricht. Zwischen den bei­ den Elektroden sollte wiederum bei Bedarf ein Isoliermaterial vorgesehen sein.

Weitere Ausgestaltungen und Fortentwicklungen sind im Rahmen des Schutzum­ fangs der Ansprüche dem Fachmann offensichtlich und der Schutzumfang ist keines­ wegs auf die hier beispielhaft aufgeführten Ausführungsformen begrenzt, die lediglich zur Erläuterung dienen sollen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Fügen von elektrisch leitfähigen Teilen durch Aufheizen mittels elektrischen Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden unterschiedlicher Polung der gleichen Seite der zu verbindenden Teile zugeführt werden und jeweils eines der zu verbindenden Teile berühren, Strom an die Elektroden angelegt wird und derart die leitfähigen Teile örtlich durch den Stromfluß von einer Elektrode zur anderen durch die zu verbindenden Teile örtlich erhitzt und verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden unter Verwendung von Lötmaterial zwischen den Teilen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der zu verbindenden Teile eine Öffnung zum Durchtritt einer Elektrode vorgese­ hen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung vor dem Aufbringen der Elektroden gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlkörper, geschlossene Profile oder Massivteile mit Blechen verbunden werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
mindestens zwei benachbart angeordnete Elektroden (10, 20), die voneinander isoliert sind und von der gleichen Seite auf zu verbindende Teile (30, 40) bewegbar sind; und
eine Spannungsversorgung zum Anlegen hoher Spannung/Stromstärken an die Elektroden (10, 20).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (20) hohl ausgebildet ist, in der die Elektrode anderer Polung (10) axial bewegbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich zwischen den Elektroden ein Isoliermaterial (50) befindet.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bin 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie ferner eine Einrichtung zur Herstellung von zum gegen den Kon­ takt mit den Öffnungswänden isolierten Durchtritt der inneren Elektrode geeigneten Öff­ nungen (60) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innenelektrode (10) durch Isoliermaterial (50) außer an den Kon­ taktstellen überdeckt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Ausübung von Druck auf die zu verbinden­ den Teile (30, 40) während des Verbindens aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine der beiden Elektroden (10, 20) ist.

13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 12 zum Verbinden von Hohlteilen oder großen Gegenständen mit Blechen.