DE19745636C1 - Kontaktwerkstoff für die Schweißtechnik sowie einen derartigen Kontaktwerkstoff umfassende Schweißelektrode und Stromkontaktdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff, wel­ cher dispersionsgehärtetes Kupfer als Hauptbestandteil sowie ein weiteres Metall umfaßt. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine einen derartigen Kontaktwerkstoff umfassende Schweißelektrode zum elektrischen Widerstandsschweißen und auf eine einen derartigen Kontaktwerkstoff umfassende Strom­ kontaktdüse für das Inertgasschweißen. Unter einem dispersi­ onsgehärteten Kupfer wird dabei ein Kupfer verstanden, wel­ ches durch Einlagerung einer metalloxidischen oder kerami­ schen Komponente gegenüber reinem Kupfer eine höhere Erwei­ chungstemperatur und Härte aufweist.

Ein derartiger Kontaktwerkstoff eignet sich aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, seiner hohen Wärmeleitfä­ higkeit, seiner großen Härte und seiner hohen Warmfestigkeit insbesondere für Anwendungen in der Schweißtechnik. So wird ein derartiger Kontaktwerkstoff beispielsweise für eine Schweißelektrode zum Widerstandsschweißen oder für eine Stromkontaktdüse zum Inertgasschweißen herangezogen.

Ein derartiger Kontaktwerkstoff ist beispielsweise aus Jack D. Troxell: "GlidCop + NB1000^TM, A Composite of Dispersion Strengthened Copper and Niobium" in SCM METAL PRODUCTS, Inc., Technischer Bericht, 24. März 1995, bekannt. Dabei ist das Kupfer durch Einlagern von Aluminiumoxid dispersionsgehärtet, wofür ein Kupfer/Aluminium-Legierungspulver einem Oxidations­ prozeß derart ausgesetzt wird, daß das Aluminium innerhalb der umgebenden Kupfermatrix oxidiert wird. Das dispersionsge­ härtete Kupfer weist fein verteilte Aluminiumoxid-Partikel mit einer mittleren Korngröße von 3 bis 12 nm aus. Als weite­ res Metall enthält der Kontaktwerkstoff Niob mit einem Anteil von 10 Gew.-%. Dabei ist das Niob homogen in dem dispersions­ gehärteten Kupfer verteilt.

Durch das Hinzufügen von Niob in der angegebenen Menge zu ei­ nem durch Aluminiumoxid dispersionsgehärtetem Kupfer weist der Kontaktwerkstoff eine höhere Warmfestigkeit und eine hö­ here Härte auf als ohne Beimengungen. Darüber hinaus ist die elektrische Leitfähigkeit eines derartigen Kontaktwerkstoffs durch die Beimengung von Niob nur unwesentlich verringert und liegt noch deutlich höher als die Leitfähigkeit vergleichba­ rer Kontaktwerkstoffe für die Schweißtechnik aus einer Kup­ ferlegierung wie Kupfer/Zirkon, Kupfer/Chrom oder Kupfer/ Chrom/Zirkon.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen weiteren Kontaktwerkstoff aus dispersionsgehärtetem Kupfer mit einem Anteil eines wei­ teren Metalls anzugeben, welcher sich insbesondere für Anwen­ dungen in der Schweißtechnik eignet und gegenüber herkömmli­ chen Kontaktwerkstoffen aus einer Kupferlegierung günstigere Materialeigenschaften aufweist. Weiter ist es Aufgabe der Er­ findung, eine Schweißelektrode für das elektrische Wider­ standsschweißen sowie eine Stromkontaktdüse für das Inert­ gasschweißen anzugeben, welche einen derartigen Kontaktwerk­ stoff umfassen.

Die Aufgabe bezüglich des Kontaktwerkstoffes wird durch einen Kontaktwerkstoff umfassend dispersionsgehärtetes Kupfer als Hauptbestandteil und ein weiteres Metall erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß das weitere Metall im wesentlichen in Kup­ fer unlöslich ist und mit einem Gewichtsanteil von 0,5 bis weniger als 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht, vor­ liegt und daß das dispersionsgehärtete Kupfer durch mechani­ sches Legieren aus einem Kupferpulver und einem Pulver eines Metalloxids hergestellt ist.

Unter einem in Kupfer im wesentlichen unlöslichen Metall soll dabei ein Metall verstanden werden, welches sich entweder in einer Schmelze - abgesehen von Spuren - nicht mit Kupfer ver­ mischen läßt oder aber bei Abkühlen der Schmelze eine Mi­ schungslücke mit Kupfer zeigt.

Zur Herstellung des Kontaktwerkstoffes wird zunächst das Kup­ ferpulver und das Pulver des Metalloxids durch intensives Mahlen beispielsweise in einer Kugelmühle zu einem dispersi­ onsgehärteten Kupfer/Metalloxid-Verbundpulver mechanisch le­ giert. Dieses Verfahren ist aus der DE 27 11 071 A1 und der DE 195 32 629 C1 bekannt. Dem Verbundpulver wird anschließend ein Pulver des weiteren Metalls derart beigemischt, daß sich eine homogene Pulvermischung aus dem Kupfer/Metalloxid-Ver­ bundpulver und dem Pulver des weiteren Metalls ergibt. Die Pulvermischung wird abschließend pulvermetallurgisch durch nachfolgende Preß- und Sintervorgänge zu dem fertigen Kon­ taktwerkstoff in Form eines Formstücks weiterverarbeitet.

Ebensogut läßt sich der Kontaktwerkstoff auch herstellen, in­ dem bereits beim Mahlen des Kupferpulvers mit dem Pulver des Metalloxids das Pulver des weiteren Metalls zugefügt wird. Bereits nach Abschluß des Mahlvorganges kann dann die vorlie­ gende Pulvermischung zu dem fertigen Kontaktstück in Form ei­ nes Formstücks verarbeitet werden.

Beide Herstellungsweisen sind äquivalent, da das weitere Me­ tall in Kupfer im wesentlichen unlöslich ist.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich dann, wenn das dispersionsgehärtete Kupfer durch mechanisches Legieren an­ stelle durch innere Oxidation hergestellt ist, ein insbeson­ dere für die Schweißtechnik gut geeigneter Kontaktwerkstoff ergibt, wenn der Anteil des weiteren Metalls, bezogen auf das Gesamtgewicht mehr als 0,5 und weniger als 10 Gew.-% beträgt. Innerhalb dieses Bereiches weist der Kontaktwerkstoff eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf, welche der elektrischen Leitfähigkeit vergleichbarer Kontaktwerkstoffe für die Schweißtechnik aus einer Kupferlegierung entspricht oder höher ist. Damit verbunden ist gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wie sie für Kontaktwerkstoffe in der Schweißtechnik gefordert wird. Daneben zeichnet sich der Kon­ taktwerkstoff mit einem derartigen Anteil des weiteren Me­ talls durch eine außergewöhnlich hohe Warmfestigkeit aus, welche die Warmfestigkeit eines Kontaktwerkstoffes aus einem dispersionsgehärteten Kupfer ohne Beimengungen übertrifft. Des weiteren zeigt der Kontaktwerkstoff eine geringe Ver­ schweißneigung, was eine Folge des Ausscheidens des unlösli­ chen Metalls an der Oberfläche des dispersionsgehärteten Kup­ fers ist. Insgesamt betrachtet weist der Kontaktwerkstoff eine höhere Standzeit auf als ein vergleichbarer Kontaktwerk­ stoff aus dispersionsgehärtetem Kupfer ohne weitere Beimen­ gungen.

Liegt der Anteil des weiteren Metalls über 10 Gew.-%, so führt die durch den Anteil des weiteren Metalls hervorgeru­ fene Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit und damit der Wärmeleitfähigkeit zu einer nicht mehr akzeptablen Stand­ zeit des Kontaktwerkstoffes. Liegt der Anteil des weiteren Metalls unter 0,5 Gew.-%, so erhöht sich in unerwünschter Weise die Verschweißneigung des Kontaktwerkstoffes.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Ge­ wichtsanteil des weiteren Metalls zwischen 2 und 6 Gew.-%. Innerhalb dieses Gewichtsbereiches weist der Kontaktwerkstoff ein ausgezeichnetes Eigenschaftsspektrum für seinen Einsatz in der Schweißtechnik auf.

Besonders gute Materialeigenschaften werden erzielt, wenn das weitere Metall Tantal oder ein Metall der Gruppe VIb des Pe­ riodensystems der Elemente ist. Diese Metalle zeigen keiner­ lei Löslichkeit in Kupfer, wodurch sich für den Kontaktwerk­ stoff eine besonders geringe Verschweißneigung erzielen läßt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das weitere Metall Wolfram ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil des zur Dispersionshärtung herangezogenen Metall­ oxids, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kontaktwerkstoffes, zwischen 0,1 und 5 Gew.-%. Dieser Anteil entspricht umgerech­ net demjenigen Anteil des Metalloxids in einem dispersionsge­ härteten Kupfer ohne weitere Beimengungen, mit welchem be­ kanntermaßen sehr gute Eigenschaften im Hinblick auf Anwen­ dungen in der Schweißtechnik erzielt werden.

Es hat sich weiter gezeigt, daß der Kontaktwerkstoff eine be­ sonders geringe Verschweißneigung zeigt, wenn die mittlere Korngröße des Metalloxids mehr als 10 und weniger als 50 nm beträgt.

Als ein Metalloxid für ein Dispersionshärten von Kupfer eig­ nen sich insbesondere ein Aluminiumoxid, ein Yttriumoxid oder ein Titanoxid. Diese Metalloxide zeigen eine hohe thermische Stabilität.

Die Aufgabe bezüglich der Schweißelektrode für das elektri­ sche Widerstandsschweißen wird erfindungsgemäß durch eine Schweißelektrode gelöst, welche den beschriebenen Kontakt­ werkstoff umfaßt. Dabei kann die Schweißelektrode mit diesem Kontaktwerkstoff beschichtet, mit einer Schweißkappe aus dem Kontaktwerkstoff beaufschlagt sein, oder aber auch vollstän­ dig aus dem Kontaktwerkstoff bestehen.

Eine derartige Schweißelektrode wird vor allem zum Punkt­ schweißen von Metallen verwendet. Dabei werden zwei gegen­ überliegende, im wesentlichen konisch zulaufende Schweißelek­ troden an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen und der Stromkreis über die zu schweißenden, sich zwischen den Elek­ troden befindlichen Metalle geschlossen. Es hat sich dabei gezeigt, daß sich eine Schweißelektrode aus dem beschriebenen Kontaktwerkstoff insbesondere zum Punktschweißen von Alumi­ nium, verzinkten Blechen, von Silber-Zinnoxid mit Kupfer- Beryllium und von Wolfram mit vernickeltem Stahl, d. h. von schwierig zu schweißenden Materialien, eignet.

Die Aufgabe bezüglich einer Stromkontaktdüse für das Inert­ gasschweißen wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Stromkon­ taktdüse, welche den beschriebenen Kontaktwerkstoff umfaßt. Eine derartige Stromkontaktdüse weist eine durchgehende Boh­ rung auf, durch welche das Schweißmaterial in Form eines Schweißdrahtes geschoben oder gezogen wird. Dabei ist die Stromkontaktdüse entweder als Vollmaterial aus dem Kontakt­ werkstoff hergestellt oder aber es sind lediglich diejenigen Teile aus dem Kontaktwerkstoff gefertigt, welche mit dem durchzuführenden Schweißdraht in Berührung stehen.

Eine derartige Stromkontaktdüse wird zum Setzen von Schweiß­ nähten für ein sicheres Verbinden von Metallen oder Metalle­ gierungen verwendet. Dabei entsteht die Schweißnaht in einer Atmosphäre aus Inertgas als Folge einer Lichtbogenausbildung. Hierzu liegt das zu schweißende Material auf einem anderen Potential als der Schweißdraht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand eines Bei­ spiels sowie anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt dabei:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Punktschweißen mit­ tels Schweißelektroden und

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Schweißnaht mittels einer Stromkontaktdüse.

Als Beispiel des erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoffes wird ein CuAl₂O₃0, 8W5-Kontaktwerkstoff betrachtet. Dieser Werk­ stoff weist einen Anteil von Aluminiumoxid Al₂O₃ von 0,8 Gew.-% und einen Anteil von Wolfram W von 5 Gew.-% auf. Das dispersionsgehärtete Kupfer wird durch mechanisches Legieren von Kupferpulver mit einem Aluminiumoxid-Feinstpulver mit ei­ ner mittleren Teilchengröße von 13 nm durch mehrstündiges Mahlen in einer Kugelmühle gemäß der DE 195 32 629 B1 herge­ stellt. Das durch mechanisches Legieren hergestellte Kup­ fer/Aluminiumoxid-Verbundpulver wird mit dem entsprechenden Anteil eines Wolframpulvers zu einem homogenen Pulvergemisch vermischt und pulvermetallurgisch zu einem Formstück weiter­ verarbeitet.

Die Weiterverarbeitung des homogenen Pulvergemischs zu dem Formstück kann dabei je nach Anforderung auf zwei verschie­ dene Arten geschehen:

Bei der Formpreßtechnik wird die homogene Pulvermischung aus dem Kupfer/Aluminium-Verbundpulver und dem Wolfram-Pulver durch Formpressen in einer entsprechenden Matritze zu einem endkonturnahen Formling verpreßt, dieser unter Wasserstoff bei einer Temperatur von beispielsweise 850°C über eine Stunde zu einem Grünling gesintert, der noch poröse Grünling nachgepreßt und durch abschließendes Glühen unter Schutzgas zu dem fertigen Formstück verarbeitet.

Alternativ kann die homogene Pulvermischung durch Pressen zu einem sogenannten Barren weiterverarbeitet werden, welcher wiederum unter Wasserstoff in besagter Art und Weise gesin­ tert und bei einer Temperatur von beispielsweise 800°C zu einem Formstück in Gestalt einer Profilstange stranggepreßt wird.

Es hat sich gezeigt, daß ein derartiger Kontaktwerkstoff mit einem Wolfram-Anteil von 5 Gew.-% und einem Aluminiumoxid-An­ teil von 0,8 Gew.-% eine elektrische Leitfähigkeit von 47 Sm/mm² aufweist, welche damit vergleichbar ist mit der elek­ trischen Leitfähigkeit eines Kontaktwerkstoffes aus einem durch Einlagerung von Aluminiumoxid dispersionsgehärtetem Kupfer ohne Wolfram-Anteil von mehr als 50 Sm/mm² und höher liegt als die elektrische Leitfähigkeit beispielsweise einer Kupfer/Chrom/Zirkon-Legierung, welche bei ca. 42 bis 46 Sm/mm² liegt.

Mit der hohen elektrischen Leitfähigkeit verfügt der Kontakt­ werkstoff auch über eine gute Wärmeleitfähigkeit. Durch das eingelagerte Wolfram weist der Kontaktwerkstoff ferner eine sehr geringe Verschweißneigung und eine hohe Warmfestigkeit auf.

Vergleichsversuche zeigen, daß ein derartiger Kontaktwerk­ stoff bei seiner Anwendung für eine Schweißelektrode eine mehr als 5fache Verlängerung seiner Standzeit gegenüber einem Kontaktwerkstoff aus einer Kupfer/Chrom/Zirkon-Legierung auf­ weist. Ohne Wolfram mit gleichem Anteil an Aluminiumoxid zeigt der Kontaktwerkstoff dagegen lediglich eine doppelte Standzeiterhöhung. Die große Verbesserung hinsichtlich der Standzeit des Kontaktwerkstoffes dürfte darin begründet sein, daß die an der Kontaktstelle zwischen dem zu verschweißenden Metall und dem Kontaktwerkstoff durch den elektrischen Wider­ stand entstehende Wärme rasch abgeführt und sich die Schweiß­ elektrode oder die aus dem Kontaktwerkstoff bestehende Schweißkappe auch bei hoher Temperatur aufgrund der hohen Warmfestigkeit des Kontaktwerkstoffes nicht verformt. Als Folge hiervon wird die Kontaktstelle auch nach häufigem Schweißen nur unwesentlich vergrößert, so daß sich die ausge­ zeichnete lange Standzeit ergibt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zum Punktschweißen mittels Schweißelektroden 1, 2. Die Schweißelektroden 1, 2 weisen Schweißkappen 1A bzw. 2A aus einem CuAl₂O₃0, 8W5-Kon­ taktwerkstoff auf und sind über Verbindungsleitungen 3, 4 an eine Gleichspannungsquelle 6 angeschlossen, welche eine Span­ nung von ca. 8,5 V Klemmspannung liefert. Zum Erzeugen eines Schweißpunktes wird der Stromkreis über die sich zwischen den Schweißelektroden 1 und 2 befindlichen, zu verschweißenden Materialien geschlossen. Im vorliegenden Fall wird ein Wolf­ ram-Blech 8 mit einem Blech aus vernickeltem Stahl 10 punkt­ verschweißt. Nach Schließen des Stromkreises durch Zusammen­ führen der beiden Schweißelektroden 1, 2 wird zwischen den Schweißelektroden 1, 2 an der Grenzfläche zwischen dem Wolf­ ram-Blech 8 und dem Blech aus vernickeltem Stahl 10 ein Schweißpunkt 12 erzeugt. Dieser Schweißpunkt 12 entsteht an der Stelle des höchsten elektrischen Widerstandes infolge der dort über den durchfließenden Strom erzeugten Wärme. Die an der jeweiligen Kontaktstelle zwischen den Schweißkappen 1A und 2A und dem zu verschweißenden Material 8, 10 anfallende Wärme wird rasch in die Schweißelektroden 1, 2 abgeführt, so daß an dieser Stelle keine Verschweißung auftritt, welche zu­ dem wegen der geringen Verschweißneigung des Kontaktwerk­ stoffs zusätzlich behindert ist.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Setzen einer Schweißnaht 22 mittels einer Stromkontaktdüse 14. Die schematisch darge­ stellte Stromkontaktdüse 14 weist eine durchgehende Bohrung 15 auf, durch welche das Schweißmaterial in Gestalt eines Schweißdrahtes 16 hindurch gezogen oder geschoben wird. Die Wandung 15A der Bohrung 15 besteht aus dem CuAl₂O₃0, 8W5-Kon­ taktwerkstoff. Über Verbindungsleitungen 17, 18 ist die Stromkontaktdüse 14 und das zu verschweißende Material 20, 21 an eine Gleichspannungsquelle 19 auf eine Potentialdifferenz von ca. 15 bis 35 V gelegt.

Im gezeigten Fall wird eine Schweißnaht 22 durch Entlangfüh­ ren der Stromkontaktdüse und des durch die Stromkontaktdüse hindurch geschobenen oder gezogenen Schweißdrahtes 16 an der zu verschweißenden Verbindungsstelle zwischen zwei Aluminium­ blechen 20 und 21 geführt. Aufgrund der hohen Potentialdiffe­ renz tritt an der Kontaktstelle zwischen Schweißdraht 16 und zu verschweißendem Material 20, 21 eine große Wärmeentwick­ lung auf, welche zur Entstehung eines Lichtbogens und zum Entstehen der Schweißnaht 22 führt. Zum Schutz vor Oxidation wird, hier nicht näher dargestellt, ein Inertgas über die zu schweißende Stelle geblasen.

Die Anwendung des Kontaktwerkstoffes führt zu einer raschen Wärmeabfuhr aus dem Schweißdraht 16 in die Stromkontaktdüse 14 und erlaubt so ein problemloses Führen des Schweißdrahtes 16 durch die Stromkontaktdüse 14. Auch wird durch den Kon­ taktwerkstoff ein Verschweißen des Schweißdrahtes 16 mit der Stromkontaktdüse 14 sicher verhindert.

Claims (9)

1. Kontaktwerkstoff, insbesondere für die Schweißtechnik, um­ fassend dispersionsgehärtetes Kupfer als Hauptbestandteil und ein weiteres Metall, dadurch gekennzeichnet, daß das wei­ tere Metall im wesentlichen in Kupfer unlöslich ist und mit einem Gewichtsanteil von 0,5 bis weniger als 10 Gew.-%, bezo­ gen auf das Gesamtgewicht, vorliegt und daß das dispersions­ gehärtete Kupfer durch mechanisches Legieren aus einem Kup­ ferpulver und einem Pulver eines Metalloxids hergestellt ist.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge­ wichtsanteil des weiteren Metalls zwischen 2 und 6 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht, beträgt.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wei­ tere Metall Tantal oder ein Metall der Gruppe VIb des Peri­ odensystems der Elemente ist.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wei­ tere Metall Wolfram ist.

5. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ teil des Metalloxids zwischen 0.1 und 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht, beträgt.

6. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Me­ talloxid mit einer mittleren Korngröße von mehr als 10 und weniger als 50 nm vorliegt.

7. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ther­ misch stabile Metalloxid ein Aluminiumoxid, ein Yttriumoxid oder ein Titanoxid ist.

3. Schweißelektrode für das elektrische Widerstandsschweißen, umfassend einen Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Stromkontaktdüse für das Inertgasschweißen, umfassend ei­ nen Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7.